Un convertidor térmico a eléctrico de metal alcalino ( AMTEC , originalmente llamado motor térmico de sodio o SHE ) es un dispositivo electroquímico térmicamente regenerativo para la conversión directa de calor en energía eléctrica . [1] [2] Se caracteriza por una alta eficiencia potencial y sin partes móviles excepto el fluido de trabajo, lo que lo convierte en un candidato para aplicaciones de energía espacial. [2]
Fue inventado por Joseph T. Kummer y Neill Weber en Ford en 1966 y se describe en las patentes estadounidenses 3404036 , 3458356 , 3535163 y 4049877 .
Un convertidor térmico a eléctrico de metal alcalino funciona bombeando algo, generalmente sodio, aunque cualquier metal alcalino funcionará a través, alrededor y sobre un circuito. El calor evapora el sodio en un extremo. Esto lo pone a alta presión. Luego pasa a través del ánodo, liberando electrones y, por tanto, cargando. Luego pasa a través de un electrolito para conducirlo al otro lado. Esto funciona porque el electrolito elegido puede conducir iones, pero no tan bien los electrones. En el cátodo, el metal alcalino recupera sus electrones, bombeándolos efectivamente a través del circuito externo. La presión del electrolito lo empuja a una cámara de vapor de baja presión, donde se "enfría" nuevamente hasta convertirse en líquido. Una bomba electromagnética, o una mecha, devuelve este sodio líquido al lado caliente. [3]
Este dispositivo acepta una entrada de calor en un rango de 900 a 1300 K y produce corriente continua con eficiencias previstas del dispositivo del 15 al 40 %. En el AMTEC, el sodio circula alrededor de un ciclo termodinámico cerrado entre un depósito de calor de alta temperatura y un depósito más frío a la temperatura de rechazo de calor. La característica única del ciclo AMTEC es que la conducción de iones de sodio entre una región de alta presión o actividad y una región de baja presión o actividad a cada lado de un electrolito sólido refractario altamente conductor iónicamente es termodinámicamente casi equivalente a una expansión isotérmica de vapor de sodio entre las mismas presiones alta y baja. La oxidación electroquímica del sodio neutro en el ánodo produce iones de sodio , que atraviesan el electrolito sólido, y electrones , que viajan desde el ánodo a través de un circuito externo, donde realizan trabajo eléctrico, hasta el cátodo de baja presión, donde se recombinan con el iones para producir gas sodio a baja presión. El gas de sodio generado en el cátodo luego viaja a un condensador a una temperatura de rechazo de calor de quizás 400 a 700 K, donde se reforma el sodio líquido. El AMTEC es, por tanto, una celda de concentración electroquímica que convierte el trabajo generado por la expansión del vapor de sodio directamente en energía eléctrica.
El convertidor se basa en el electrolito utilizado en la batería de sodio-azufre , la beta”-alúmina de sodio, una fase cristalina de composición algo variable que contiene óxido de aluminio, Al 2 O 3 , y óxido de sodio, Na 2 O, en una proporción nominal de 5:1, y una pequeña cantidad de óxido de un metal de cationes pequeños, generalmente litio o magnesio, que estabiliza la estructura cristalina beta”. La cerámica de electrolito sólido (BASE) de beta-alúmina de sodio es casi aislante con respecto al transporte de electrones y es una fase termodinámicamente estable en contacto tanto con sodio líquido como con sodio a baja presión.
Se han obtenido AMTEC de una sola celda con voltajes abiertos de hasta 1,55 V y una densidad de potencia máxima de hasta 0,50 W / cm 2 de área de electrolito sólido a una temperatura de 1173 K (900 °C) con electrodos metálicos refractarios estables a largo plazo. . [4]
La eficiencia de las células AMTEC ha alcanzado el 16% en el laboratorio. [ cita necesaria ] Se prevé que los módulos de tubos múltiples de alto voltaje tengan una eficiencia del 20 al 25%, y parece que se pueden lograr densidades de potencia de hasta 0,2 kW / L en un futuro próximo. [ cita necesaria ] Los cálculos muestran que reemplazar el sodio con un fluido de trabajo de potasio aumenta la eficiencia máxima del 28% al 31% a 1100 K con un tubo BASE de 1 mm de espesor. [ cita necesaria ]
La mayor parte del trabajo sobre AMTEC se ha centrado en dispositivos de fluidos de trabajo de sodio. Los AMTEC de potasio se han utilizado con cerámicas de electrolito sólido de alúmina beta de potasio y muestran una potencia mejorada a temperaturas de funcionamiento más bajas en comparación con los AMTEC de sodio. [5] [6] [7] [8]
Se ha desarrollado y utilizado un modelo cuantitativo detallado del transporte de masa y el comportamiento cinético interfacial de los electrodos AMTEC para ajustar y analizar el rendimiento de una amplia variedad de electrodos y para hacer predicciones del rendimiento de electrodos optimizados. [9] [10] La cinética electroquímica interfacial se puede describir cuantitativamente con un modelo de tunelización, difusión y desorción. [11] [12] Un ciclo termodinámico reversible para AMTEC muestra que es, en el mejor de los casos, ligeramente menos eficiente que un ciclo de Carnot. [13]
Una tecnología relacionada, el convertidor de energía termoeléctrica de Johnson , utiliza un concepto similar de bombear iones positivos a través de una membrana selectiva de iones, utilizando hidrógeno en lugar de un metal alcalino como fluido de trabajo. [14]
AMTEC requiere un aporte de energía a temperaturas moderadamente elevadas y, por lo tanto, se adapta fácilmente a cualquier fuente de calor, incluido el radioisótopo , [15] la energía solar concentrada , la combustión externa o un reactor nuclear . Un sistema de conversión de energía solar térmica basado en un AMTEC podría tener ventajas sobre otras tecnologías para algunas aplicaciones, incluido ( almacenamiento de energía térmica con material de cambio de fase) y conversión de energía en una unidad compacta. El sistema general podría alcanzar hasta 14 W/ kg con la tecnología de colector actual y las futuras eficiencias de conversión de AMTEC. [ cita necesaria ] El sistema de almacenamiento de energía tiene potencial para baterías, y las temperaturas a las que opera el sistema permiten una larga vida útil y un tamaño reducido del radiador (temperatura de rechazo de calor de 600 K). [ cita necesaria ]
La NASA investigó la conversión de AMTEC como fuente de energía de radioisótopos de próxima generación para aplicaciones en el espacio profundo, [15] [16] pero la tecnología no fue seleccionada para los sistemas de próxima generación.
Si bien los sistemas de energía espacial son de interés intrínseco, las aplicaciones terrestres podrían ofrecer aplicaciones a gran escala para los sistemas AMTEC. Con una eficiencia del 25% proyectada para el dispositivo y costos proyectados de 350 USD /kW, AMTEC podría resultar útil para una amplia variedad de aplicaciones de generación distribuida , incluidos ventiladores autoalimentados para hornos y calentadores de agua de alta eficiencia y suministros de energía para vehículos recreativos . [ cita necesaria ]