Sistemas de conversión termoeléctrica y el patito feo de las fuentes de energía
Cubrir la actual y enorme demanda energética que día a día crece sustancialmente conforme lo hacen las sociedades y las economías, es un tema de interés político, económico y social que involucra a la ciencia como su principal respaldo en la búsqueda de fuentes alternas al uso de combustibles fósiles. Países industrializados ya están implementando políticas públicas encaminadas al aprovechamiento de la energía y del uso de fuentes renovables. Incluso hoy en día, tecnologías emergentes, como celdas solares de tercera generación y celdas de hidrógeno, continúan en desarrollo e investigación, por lo que a corto y mediano plazo sólo podrán satisfacer la demanda localmente y en nichos muy específicos. En este aspecto, los sistemas de conversión termoeléctrica pueden contribuir como una tecnología complementaria a las ya mencionadas y al aprovechamiento de la energía residual.
Entre las principales fuentes de energía residual, destacan los procesos industriales, los vehículos de transporte, y los equipos domésticos. Un ejemplo para contextualizar, son los sistemas automotrices de combustión interna, donde aproximadamente sólo el 10% de la energía obtenida de la quema de hidrocarburos es convertida en trabajo mecánico por los motores, mientras que el resto se desperdicia como calor [1]. La energía térmica, llamada comúnmente “calor”, es la manifestación a escala macroscópica del movimiento de átomos, moléculas, e incluso de partículas subatómicas, como los electrones. En todos los procesos de conversión de energía, el calor siempre está presente como un elemento residual, resultado de pérdidas o ineficiencias en los sistemas de conversión y que en todo momento pone de manifiesto la ley de la conservación de energía. Al ser un producto final, aparentemente no sería aprovechable, de ahí a que se le considere como el patito feo de las energías. Además, cerca del 70% de la energía mundial queda desperdiciada en forma de calor, contribuyendo al calentamiento global [2]. No obstante, es aquí donde los sistemas de conversión termoeléctrica pueden desempeñar un papel significativo en el aprovechamiento de la energía térmica para su conversión a energía eléctrica.
Desde el descubrimiento de los efectos termoeléctricos (efecto Seebeck, Peltier y Thomson) hace doscientos años, y hasta los años 50 del siglo pasado, estos sólo habían logrado aplicaciones científicas demostrativas y tecnológicas muy limitadas. Con el desarrollo de la tecnología de semiconductores desde hace más de 70 años, los materiales termoeléctricos de estado sólido han permitido explotar novedosas aplicaciones entre las cuales están los sistemas de enfriamiento y sistemas de conversión de energía térmica residual [3]. Fue hasta los años 70, cuando los primeros dispositivos de conversión termoeléctrica vieron su aplicación potencial en la electrificación de áreas remotas, alimentación de respaldo de sistemas espaciales (como el de las misiones Voyager, Pioneer, Cassini, Galileo y Curiosity), fuente de alimentación de sensores y dispositivos microelectrónicos de bajo consumo, refrigeradores Peltier en sistemas de cómputo e instrumentación, y proveyendo de administración térmica a equipos optoelectrónicos avanzados.
Y a todo esto ¿qué es un material termoeléctrico? ¿qué propiedades tiene? ¿qué parámetros lo definen y qué ventajas podemos aprovechar al respecto de ellos? además, ¿qué es un generador termoeléctrico? En primera instancia, estos materiales permiten la conversión directa de energía térmica en energía eléctrica y viceversa. Originalmente consistían en uniones de dos metales distintos o sus aleaciones, pero en la actualidad se constituyen con materiales semiconductores con una energía de banda prohibida pequeña e impurificados según se requiera. Cuando se establece una diferencia de temperatura (ΔT) entre los extremos del material, calentando uno de ellos respecto del otro, en el extremo caliente se generarán portadores de carga (electrones que portan carga negativa o huecos que portan carga positiva, según el tipo de conductividad del material, N o P, respectivamente). Estos portadores se difundirán al extremo con menor temperatura (Fig.1a), produciendo así una distribución de carga con signos contrarios en cada extremo. La carga de signo contrario al portador difundido es producida por los átomos de las impurezas que contribuyeron con tales portadores de carga, (Fig. 1b). Estas cargas distribuidas producen una diferencia de potencial, ΔV (un voltaje), entre los extremos del material, por lo que, al conectar un elemento que consume o disipa energía (un resistor, por ejemplo) entre dichos extremos, fluirá una corriente debido a esa carga eléctrica acumulada, (Fig. 1c). En esta situación, el material funciona como un generador. A este fenómeno se le conoce como efecto Seebeck. Por el contrario, si en los extremos del material se conecta una fuente de energía eléctrica y se hacen circular cargas eléctricas (flujo de corriente), en cada extremo se produce un intercambio de energía, donde un extremo absorbe la energía térmica del medio circundante y el otro la expulsa, produciéndose entre extremos una diferencia de temperatura. En este caso, el material funciona como refrigerador, a lo que se conoce como efecto Peltier.
Los principales parámetros involucrados en la conversión de energía térmica en eléctrica son los así llamados coeficientes de transporte: el coeficiente Seebeck, (S), la conductividad eléctrica (σ), y la conductividad térmica (κ), todos ellos relacionados junto con la temperatura promedio (T) a través de un parámetro denominado figura de mérito ZT, el cual es una métrica que indirectamente se relaciona con la eficiencia de conversión y con las propiedades del material termoeléctrico [4]:
El coeficiente Seebeck se asocia directamente con la conversión de energía y representa la proporcionalidad que hay entre la energía térmica y eléctrica. Dicho de otra manera, indica cuánto voltaje produce cierta diferencia de temperatura entre los extremos del material. La conductividad eléctrica determina cuántos portadores de carga (electrones o huecos) contribuyen a transportar cargas en el material y con qué facilidad lo hacen. Por su parte, la conductividad térmica se relaciona con la energía térmica transportada y tiene dos componentes, la energía térmica que llevan los portadores de carga, y la energía térmica transportada por la propia estructura atómica del material, mediante la vibración de cada uno de sus átomos. Además, dichos coeficientes están acoplados mutuamente, de modo que, si uno es modificado significativamente, los otros pueden ser afectados de manera negativa. Esto es, si la conductividad eléctrica es aumentada, el coeficiente Seebeck disminuye, ya que estos dos parámetros dependen de la densidad de portadores de carga.
Por ello, aún hoy en día, optimizar ZT sigue siendo un reto. No obstante, se han propuesto varias aproximaciones con la finalidad de lograrlo, entre las que destacan, ingeniería de estructura de bandas de energía, modulación de impurezas, nanoestructurado y modificación interfacial, donde el nanoestructurado es la estrategia que ha permitido desacoplar mayormente a los coeficientes de transporte [4]. La ZT es maximizada al reducir la conductividad térmica o aumentando el valor del numerador de la ecuación (1), lo que se traduce en aumentar el coeficiente Seebeck hasta un punto donde la conductividad eléctrica no sea comprometida, ya que -como se mencionó- estos parámetros están relacionados de manera inversa. Los valores óptimos deben ser de 1 o mayores. En la actualidad, varios materiales termoeléctricos tienen valores de ZT cercanos a la unidad.
En el pasado, los metales y sus aleaciones permitieron el descubrimiento y posterior aplicación de los efectos termoeléctricos. Los metales se caracterizan por exhibir alta conductividad eléctrica (mayor a 106 S/m) y térmica, pero un coeficiente Seebeck muy bajo (menores a 10-5 V/K), por lo que su aplicación se limita a aprovechar el efecto Seebeck, al emplearlos como elementos termosensibles para determinar la temperatura en dispositivos llamados termopares. Los aislantes y los semiconductores de energía de banda prohibida grande, se caracterizan por mostrar coeficientes Seebeck bastante significativos (mayores a 3×10-3 V/K), a costa de conductividades térmicas y eléctricas sumamente bajas (inferiores a 10-4 S/m). Prácticamente son escasas las aplicaciones que se le dan a este tipo de materiales en cuanto a termoelectricidad. Sin embargo, los semiconductores de energía de banda prohibida pequeña y con altos niveles de impurificación resultan más adecuados para su uso como generadores o refrigeradores, ya que estos permiten maximizar esa figura de mérito con valores típicos, respectivamente del orden de 10-4 V/K y 102 S/m de coeficiente Seebeck y conductividad eléctrica.
En la actualidad se han sintetizado e investigado de manera sistemática una gran variedad de materiales semimetálicos y semiconductores, como aleaciones Bi-Sb y Bi2Te3-Sb, SiGe, Mg2Si, MOx (óxidos metálicos), calcogenuros metálicos ME (M=Sn, Pb y E=S, Se, Te) entre otros materiales (Fig. 2). Algunos de ellos, a su vez, han permitido construir de manera satisfactoria generadores termoeléctricos tanto a nivel prototipo, como para aplicaciones específicas en fuentes de alimentación de respaldo y como refrigeradores Peltier comerciales. Por otra parte, un generador termoeléctrico es un dispositivo de estado sólido, constituido por pequeñas barras semiconductoras de conductividad opuesta alternadas (materiales termoeléctricos), conectadas eléctricamente en serie mediante cintas conductoras y térmicamente en paralelo mediante placas cerámicas, (Fig. 3). Su funcionamiento es muy similar a la descripción dada del efecto Seebeck a un único material termoeléctrico, con la diferencia de que ahora son dos materiales con tipos de conductividad opuesta sometidos a la misma diferencia de temperatura e interconectados por un material conductor, que permite la transferencia de carga. A partir de un generador se puede construir una celda, que básicamente consiste de n arreglos de generadores conectados de manera similar a los elementos de un único generador, cuya finalidad es incrementar el voltaje de salida máximo, así como módulos que consisten en arreglos de m celdas que se pueden interconectar de forma eléctrica tanto en serie como en paralelo, manteniendo la conexión térmica en paralelo de todas sus celdas, lo cual permite aumentar aún más el voltaje de salida u operar a muy altas corrientes.
Las principales ventajas de los generadores termoeléctricos son: conversión directa de energía, larga vida de operación, funcionamiento sin ruido y sin requerir piezas móviles o fluidos. Las limitaciones de disponer de generadores termoeléctricos de bajo costo y alta eficiencia continúan, ya que actualmente algunos retos tecnológicos aún deben ser superados, como seguir optimizando los valores de la figura de mérito de los materiales, pasivación de la superficie de los materiales termoeléctricos para evitar que reaccionen con el ambiente, disminución de la resistencia de contacto eléctrico y reducir la reacción de entremezclado de los materiales que constituyen al generador cuando funcionan a diferencias de temperatura grandes. De ahí que la termoelectricidad sea un campo fértil para investigación y desarrollo, que en lo que refiere a México, son pocos los grupos trabajando e investigando materiales y dispositivos termoeléctricos.
En aras de comprender la relevancia de los sistemas de conversión termoeléctricos, es importante comparar su eficiencia de conversión, que está entre 4% y 19 % (dependiendo de la diferencia de temperatura entre extremo caliente y frío, suponiendo 300°C, una temperatura media del extremo caliente de 327°C, y valores de ZT reportados que van desde 0.11 hasta 2.30). Su implementación es solamente a pequeña escala y su eficiencia es comparable con los de sistemas de conversión fotovoltaicos comerciales, cuya eficiencia varía del 12-25% en promedio, de acuerdo con los materiales y el tipo de tecnología usados. Sin embargo, cuando se trata de comparar con sistemas más convencionales y de mayor escala como el caso de los sistemas de energía eólica, nuclear o hidroeléctrica, las eficiencias de éstos oscilan entre 20% y 59%, 33-37% y de 90 a 95%, respectivamente. Dejando sin lugar a duda, que estos sistemas son aún los de mejor eficiencia, de implementación robusta y gran envergadura para la electrificación de centros urbanos grandes.
Referencias:
[1] Gonçalves, A.P., Godart, C. (2014). New promising bulk thermoelectrics: intermetallics, pnictides and chalcogenides. The European Physical Journal B, 87, 1-29.
[2] Aswal, D.K., Basu, R., Singh, A. (2016). Key issues in development of thermoelectric power generators: High figure-of-merit materials and their highly conducting interfaces with metallic interconnects. Energy Conversion Management, 114, 50-67.
[3] Snyder, G.J., Toberer, E.S. (2008). Complex thermoelectric materials, Nature Materials, 7, 105-114.
[4] Pichanusakorn, P., Bandaru, P. (2010). Nanostructured thermoelectrics. Materials Science and Engineering R, 67, 19-63.
[5] Flores Conde, Araceli. (2015). Estudio de las Propiedades Termoeléctricas de la Aleación Bi1-xSbx Preparada por Molienda Mecánica, TESIS de Maestría, CINVESTAV-IPN, Ciudad de México.
[6] Jiménez Xochimitl, Sandra. (2013). Síntesis de materiales termoeléctricos vía AM-SPS y su aplicación en una nueva estructura de celda termoeléctrica, TESIS de Doctorado, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, Puebla.
[7] Díaz Torres, Esteban. (2017). Síntesis de Nanoestructuras de PbSe y PbS, su autoensamblaje y sus propiedades de transporte, TESIS de Doctorado, CINVESTAV-IPN, Ciudad de México.