Convertir el calor residual en energía: el calor latente se ha utilizado para generar electricidad y puede ayudar a alimentar dispositivos de refrigeración.

Convertir el calor residual en energía: el calor latente se ha utilizado para generar electricidad y puede ayudar a alimentar dispositivos de refrigeración.

Diagrama de transición de fase del termopar: este diagrama ilustra las transiciones de fase del polímero del hidrogel PNIPAM modificado, mostrando cómo el polímero se alarga en una bobina y se disuelve a bajas temperaturas, y se enrolla en una bola y se solidifica a altas temperaturas. Cuando se usa como batería de termopar, las temperaturas superiores a 25 grados centígrados generan un voltaje. Fuente: 2023 Zhou et al. CC-BY

Investigadores de la Universidad de Tokio crearon electricidad a partir del calor latente, la energía creada cuando una sustancia cambia de un estado sólido, líquido o gaseoso a otro estado. Este logro podría ampliar las capacidades de las termocélulas, dispositivos que utilizan los cambios de temperatura para generar electricidad, lo que se conoce como conversión termoeléctrica.

Dado que todos los materiales pueden sufrir transiciones de fase en las condiciones adecuadas, esta investigación respalda la idea de que se puede utilizar una amplia variedad de materiales para la conversión termoeléctrica. El calor latente que alguna vez se desperdició se puede usar para permitir que los dispositivos generen su propia energía cuando se enfrían, lo que reduce la dependencia de otras fuentes de energía.

Llegamos al día más caluroso registrado en la Tierra este verano. El aumento de las temperaturas estivales y el aumento del uso de la tecnología significan que existe una demanda creciente de sistemas de refrigeración tanto para el hogar como para la industria. Las tecnologías de aire acondicionado y refrigeración ya son grandes usuarios de energía, por lo que satisfacer esta creciente demanda es un desafío para los países que intentan cumplir los Objetivos de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas, cuyo objetivo es mejorar el medio ambiente y la vida de las personas.

Pero, ¿qué pasaría si pudiéramos usar al menos algunos de los desechos generados por estos sistemas de enfriamiento para ayudar a generar la electricidad necesaria para alimentarlos de una manera barata y baja en carbono?

Investigadores de la Universidad de Tokio se interesaron en el potencial de la energía térmica latente que se crea cuando una fase de una sustancia cambia de un estado a otro, como cuando el agua dentro de un acondicionador de aire se evapora y se condensa para crear un efecto refrescante. A diferencia del aire caliente que se siente afuera de un acondicionador de aire, el calor latente generado por el agua en el interior es casi imperceptible. La conversión termoeléctrica usa calor para generar electricidad, y un dispositivo que puede hacer esto es un termopar. El trabajo fue publicado en la revista Materiales avanzados.

Convertir el calor residual en energía: el calor latente se ha utilizado para generar electricidad y puede ayudar a alimentar dispositivos de refrigeración.

Configuración experimental de termocelda: el enfriamiento electroquímico actualmente no se usa ni comercializa ampliamente debido a su baja eficiencia en comparación con otras opciones, como el enfriamiento eléctrico. Sin embargo, esta investigación puede cambiar eso. Fuente: 2023 Yamada CC-BY

El equipo creó su propia termocélula usando un hidrogel, un material polimérico rico en agua, llamado PNIPAM, que modificaron con un compuesto llamado viológeno. Este hidrogel modificado contenía un polímero termosensible, lo que significa que el polímero reaccionaba a los cambios de temperatura, en este caso disolviéndose en agua fría pero insoluble en agua caliente. Con este termopar, pudieron utilizar con éxito la cantidad muy pequeña de energía térmica latente generada por la transición de fase, entre soluble e insoluble, para generar electricidad.

“Por primera vez, hemos confirmado que el calor latente se puede utilizar para la conversión termoeléctrica”, dijo el profesor Teppei Yamada del Departamento de Química de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Tokio.

“Creemos que podemos utilizar diferentes materiales para las termocélulas. Cualquier sustancia en el mundo puede sufrir una transición de fase en las condiciones adecuadas: por ejemplo, la crema en helado, la arena en vaso, el agua en vapor, etc. Con este método, en principio, es posible extraer electricidad incluso de la más mínima diferencia. de temperatura, aumentando considerablemente el número de situaciones en las que se utiliza la conversión termoeléctrica.

La eficiencia de un termopar se juzga por la cantidad de voltaje que se puede producir a partir de una pequeña diferencia de temperatura, lo que se denomina coeficiente de Seebeck. Cuanto mayor sea el coeficiente de Seebeck, más electricidad podrá obtener.

El coeficiente de Seebeck de las termoceldas que utilizan compuestos orgánicos suele ser inferior a 1 microvoltio (una millonésima de voltio) por unidad de temperatura Kelvin, pero en esta prueba superó los 2 microvoltios por Kelvin. “Es un logro notable”, dijo Yamada. “Si bien hemos creado previamente termocélulas que producen 2 microvoltios por Kelvin al explotar un cambio en el pH, esta es la primera vez que la energía del cambio de fase se aprovecha directamente”.

Los investigadores esperan que este trabajo ayude a mejorar la tecnología de refrigeración, los dispositivos de gestión térmica y otros sensores de temperatura. “Hemos llegado a la etapa en la que podemos considerar las aplicaciones prácticas de los termopares. Por ejemplo, esperamos poder generar electricidad mientras enfriamos una sala de servidores o el motor de un automóvil”, dijo Yamada.

“El verdadero desafío ahora es que esta tecnología no es muy conocida, por lo que necesitamos que la industria, el gobierno y la academia trabajen juntos para lograr una rápida adopción social”.

Más información:
Hongyao Zhou et al., Conversión directa de la entropía de transición de fase en energía térmica electroquímica y el efecto Peltier, Materiales avanzados (2023). DOI: 10.1002/adma.202303341

Proporcionado por la Universidad de Tokio


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