Una bomba mecánica a base de cerámica capaz de operar a temperaturas récord de más de 1,400 grados Celsius 1,673 Kelvin puede transferir líquidos a altas temperaturas como el estaño fundido, permitiendo una nueva generación de sistemas de conversión y almacenamiento de energía.
La nueva bomba podría facilitar el almacenamiento térmico de alta eficiencia y bajo costo, proporcionando una nueva forma de almacenar energía renovable generada por la energía eólica y solar, y facilitar un proceso mejorado para generar hidrógeno directamente a partir de combustibles como el metano, sin producir carbonodióxido El uso de componentes cerámicos, normalmente considerados demasiado frágiles para los sistemas mecánicos, fue posible gracias al mecanizado de precisión y a los sellos hechos de otro material de alta temperatura: el grafito.
La investigación fue apoyada por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada - Energía ARPA-E y se informó en la edición del 12 de octubre de la revista Naturaleza . La bomba fue desarrollada por investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia con colaboradores de la Universidad de Purdue y la Universidad de Stanford.
"Hasta ahora, hemos tenido un techo para las temperaturas más altas a las que podríamos mover el calor y almacenarlo, por lo que esta demostración realmente permite avances energéticos, especialmente en energías renovables", dijo Asegun Henry, profesor asistente en Woodruff de Georgia TechEscuela de Ingeniería Mecánica ". Cuanto más caliente podamos operar, más eficientemente podremos almacenar y utilizar energía térmica. Este trabajo proporcionará un cambio radical en la infraestructura porque ahora podemos usar algunos de los materiales de mayor temperatura para transferir calor. Estos materialesson también los materiales más duros en la Tierra "
La energía térmica, fundamental para la generación de energía y muchos procesos industriales, es más valiosa a altas temperaturas porque la entropía, que hace que la energía térmica no esté disponible para la conversión, disminuye a temperaturas más altas. Los metales líquidos como el estaño fundido y el silicio fundido podrían ser útilesen almacenamiento y transferencia térmica, pero hasta ahora, los ingenieros no tenían bombas y tuberías que pudieran soportar temperaturas tan extremas.
"Cuanto más caliente puede operar, más puede convertir la energía térmica en energía mecánica o eléctrica", explicó Henry. "Pero cuando los materiales de contención como los metales se calientan, se vuelven blandos y eso limita toda la infraestructura".
Los materiales cerámicos pueden soportar el calor, pero son frágiles, y muchos investigadores consideraron que no podían usarse en aplicaciones mecánicas como bombas. Pero Henry y el estudiante graduado Caleb Amy, el primer autor del artículo, decidieron desafiar esosupuestamente al tratar de hacer una bomba de cerámica. "No estábamos seguros de que no funcionaría, y por las primeras cuatro veces, no lo hizo", dijo Henry.
Los investigadores utilizaron una bomba de engranajes externa, que utiliza dientes de engranajes giratorios para aspirar el estaño líquido y sacarlo de una salida. Esa tecnología difiere de la centrífuga y otras tecnologías de bomba, pero Henry la eligió por su simplicidad y capacidad para operara velocidades relativamente bajas. Los engranajes fueron fabricados a medida por un proveedor comercial y modificados en el laboratorio de Henry en el edificio de Soluciones de Energía Neutral de Carbono CNES en Georgia Tech.
"Lo nuevo en las últimas décadas es nuestra capacidad de fabricar diferentes materiales cerámicos en grandes trozos de material que se pueden mecanizar", explicó Henry. "El material todavía es frágil y hay que tener cuidado con la ingeniería, peroahora hemos demostrado que puede funcionar "
Para abordar otro desafío, los investigadores usaron otro material de alta temperatura, el grafito, para formar los sellos en la bomba, las tuberías y las juntas. Los sellos normalmente están hechos de polímeros flexibles, pero no pueden soportar altas temperaturas. Henry y Amy usaronLas propiedades especiales del grafito flexibilidad y resistencia para hacer los sellos. La bomba funciona en un entorno de nitrógeno para evitar la oxidación a temperaturas extremas.
La bomba funcionó durante 72 horas continuamente a unos cientos de revoluciones por minuto a una temperatura promedio de 1,473 Kelvin, con una breve operación de hasta 1,773 Kelvin en otras corridas experimentales. Porque los investigadores utilizaron una cerámica relativamente blanda conocida como Shapal para facilitarde mecanizado, la bomba sufrió desgaste. Pero Henry dice que otras cerámicas con mayor dureza superarán ese problema, y el equipo ya está trabajando en una nueva bomba hecha con carburo de silicio.
Una de las aplicaciones más interesantes para la bomba de alta temperatura sería el almacenamiento en la red a bajo costo para la energía excedente producida por las energías renovables, uno de los mayores desafíos para la penetración de las energías renovables en la red. La electricidad producida por fuentes solares o eólicas podríase usa para calentar silicio fundido, creando un almacenamiento térmico que podría usarse cuando sea necesario para producir electricidad.
"Parece probable que almacenar energía en forma de calor podría ser más barato que cualquier otra forma de almacenamiento de energía que exista", dijo Henry. "Esto nos permitiría crear un nuevo tipo de batería. Pondría electricidad cuandotiene un exceso y recupera la electricidad cuando la necesita "
Los investigadores de Georgia Tech también están mirando su bomba de metal fundido como parte de un sistema para producir hidrógeno a partir de metano sin generar dióxido de carbono. Debido a que el estaño líquido no reacciona con los hidrocarburos, el burbujeo de metano en el estaño líquido rompería la molécula para producirhidrógeno y carbono sólido, sin generar dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero.
La bomba también podría usarse para permitir el funcionamiento a temperaturas más altas en aplicaciones de energía solar concentrada, donde ahora se usan sales fundidas. La combinación de estaño líquido y cerámica tendría la ventaja de poder operar a temperaturas más altas sin corrosión, lo que permite una mayor temperaturaeficiencia y menor costo.
La bomba de cerámica usa engranajes de solo 36 milímetros de diámetro, pero Henry dice que ampliarla para procesamiento industrial no requeriría componentes dramáticamente más grandes. Por ejemplo, al aumentar las dimensiones de la bomba solo cuatro o cinco veces y operar la bomba cerca de suvelocidad nominal máxima, el calor total que podría transferirse aumentaría en un factor de mil, de 10 kW a 100 MW, lo que sería coherente con las centrales eléctricas a escala de servicios públicos.
Para el almacenamiento, el silicio fundido, con temperaturas aún más altas, puede ser más útil debido a su menor costo. La bomba podría funcionar a temperaturas mucho más altas que las demostradas hasta ahora, incluso a más de 2,000 grados Celsius, dijo Henry.
Esta investigación fue apoyada por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada - Energía ARPA-E bajo el premio DE-AR0000339. Cualquier opinión, hallazgo y conclusión o recomendación expresada en este material es de los autores y no necesariamente refleja elpuntos de vista de la agencia de financiación.
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Materiales proporcionados por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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