Una celda termogalvánica es un tipo de celda galvánica en la que se emplea calor para proporcionar energía eléctrica directamente. [1] [2] Estas celdas son celdas electroquímicas en las que los dos electrodos se mantienen deliberadamente a diferentes temperaturas. Esta diferencia de temperatura genera una diferencia de potencial entre los electrodos. [3] [4] Los electrodos pueden ser de composición idéntica y la solución de electrolitos homogénea. Este suele ser el caso en estas celdas. [5]Esto contrasta con las celdas galvánicas en las que electrodos y / o soluciones de diferente composición proporcionan el potencial electromotor. Mientras haya una diferencia de temperatura entre los electrodos , fluirá una corriente a través del circuito. Una celda termogalvánica puede considerarse análoga a una celda de concentración, pero en lugar de funcionar con diferencias en la concentración / presión de los reactivos, utilizan diferencias en las "concentraciones" de energía térmica. [6] [7] [8] La principal aplicación de las células termogalvánicas es la producción de electricidad a partir de fuentes de calor de baja temperatura ( calor residual y calor solar). Su eficiencia energética es baja, en el rango de 0,1% a 1% para la conversión de calor en electricidad. [7]
Historia
El uso del calor para potenciar las células galvánicas se estudió por primera vez alrededor de 1880. [9] Sin embargo, no fue hasta la década de 1950 que se llevaron a cabo investigaciones más serias en este campo. [3]
Mecanismo de trabajo
Las células termogalvánicas son una especie de motor térmico . En última instancia, la fuerza impulsora detrás de ellos es el transporte de entropía desde la fuente de alta temperatura al sumidero de baja temperatura. [10] Por tanto, estas células funcionan gracias a un gradiente térmico establecido entre diferentes partes de la célula. Debido a que la velocidad y la entalpía de las reacciones químicas dependen directamente de la temperatura, diferentes temperaturas en los electrodos implican diferentes constantes de equilibrio químico . Esto se traduce en condiciones desiguales de equilibrio químico en el lado caliente y en el lado frío. La termocélula intenta acercarse a un equilibrio homogéneo y, al hacerlo, produce un flujo de especies químicas y electrones. Los electrones fluyen a través del camino de menor resistencia (el circuito externo), lo que hace posible extraer energía de la celda.
Tipos
Se han construido diferentes celdas termogalvánicas atendiendo a sus usos y propiedades. Por lo general, se clasifican según el electrolito empleado en cada tipo específico de celda.
Electrolitos acuosos
En estas celdas, el electrolito entre los electrodos es una solución acuosa de alguna sal o compuesto hidrófilo. [5] Una propiedad esencial de estos compuestos es que deben poder experimentar reacciones redox para transportar electrones de un electrodo a otro durante el funcionamiento de la celda.
Electrolitos no acuosos
El electrolito es una solución de algún otro disolvente diferente del agua. [5] Se han empleado con éxito disolventes como metanol , acetona , dimetilsulfóxido y dimetilformamida en células termogalvánicas que funcionan con sulfato de cobre. [11]
Sales fundidas
En este tipo de termocélula, el electrolito es una especie de sal con un punto de fusión relativamente bajo. Su uso resuelve dos problemas. Por un lado, el rango de temperatura de la celda es mucho mayor. Esto es una ventaja, ya que estas celdas producen más energía cuanto mayor es la diferencia entre los lados frío y caliente. Por otro lado, la sal líquida proporciona directamente los aniones y cationes necesarios para mantener una corriente a través de la célula. Por lo tanto, no son necesarios compuestos portadores de corriente adicionales ya que la sal fundida es el propio electrolito. [12] Las temperaturas típicas de una fuente caliente están entre 600 y 900 K, pero pueden llegar hasta los 1730 K. Las temperaturas frías del sumidero están en el rango de 400 a 500 K.
Electrolitos sólidos
También se han considerado y construido termocélulas en las que el electrolito que conecta los electrodos es un material iónico. [5] El rango de temperatura también es elevado en comparación con los electrolitos líquidos. Los sistemas estudiados caen en los 400-900 K. Algunos materiales iónicos sólidos que se han empleado para construir células termogalvánicas son AgI , PbCl 2 y PbBr 2 .
Usos
Dadas las ventajas que ofrece el mecanismo de trabajo de las células termogalvánicas, su principal aplicación es la producción de electricidad en condiciones en las que hay un exceso de calor disponible. En particular, se están utilizando células termogalvánicas para producir electricidad en las siguientes áreas.
Energía solar
El calor recolectado de este proceso genera vapor, que se puede utilizar en un sistema de turbina de vapor convencional para generar electricidad. A diferencia de los sistemas solares térmicos de baja temperatura que se utilizan para calentar el aire o el agua en edificios domésticos o comerciales, estas plantas de energía solar térmica operan a altas temperaturas, requiriendo tanto luz solar concentrada como una gran área de captación, lo que hace que el desierto marroquí sea un lugar ideal. localización.
Este es un enfoque alternativo a la tecnología "fotovoltaica" más utilizada para producir electricidad a partir de la luz solar. En un sistema fotovoltaico, la luz solar se absorbe en el dispositivo fotovoltaico (comúnmente llamado celda solar) y la energía pasa a los electrones en el material, convirtiendo la energía solar directamente en electricidad. A veces, la electricidad solar térmica y la energía fotovoltaica se presentan como tecnologías en competencia y, si bien esto puede ser cierto a la hora de decidir el camino a seguir para un sitio específico, en general son complementarias y utilizan la energía solar en la mayor medida posible.
Generadores térmicos
Fuentes de calor residual
Las celdas termogalvánicas se pueden utilizar para extraer una cantidad útil de energía de las fuentes de calor residual incluso cuando el gradiente de temperatura es inferior a 100 ° C (a veces solo unas pocas decenas de grados). Este suele ser el caso en muchas áreas industriales. [13]
Ver también
Referencias
- ^ Amigo, HL; Osteryoung, RA (1980). “Revisión de sistemas electroquímicos térmicamente regenerativos. Volumen 1: Sinopsis y resumen ejecutivo ”. Instituto de Investigación de Energía Solar, págs. 35–40.
- ^ Quickenden, TI; Vernon, CF (1986). “Conversión termogalvánica de calor en electricidad”. Energía solar 36 (1): 63–72.
- ↑ a b Agar, JN (1963). “Células termogalvánicas”. Avances en electroquímica e ingeniería electroquímica (Ed. Delahay, P y Tobias, CW) Interscience, Nueva York; vol. 3 págs. 31-121.
- ↑ Zito Jr, R (1963). “Conversión de energía termogalvánica”. AIAA J 1 (9): 2133–8.
- ^ a b c d Amigo, HL; Osteryoung, RA (1981). “Revisión de sistemas electroquímicos térmicamente regenerativos. Volumen 2". Instituto de Investigación de Energía Solar, págs. 115–148.
- ^ Probador, JW (1992). “Evaluación de celdas termogalvánicas para la conversión de calor en electricidad”. Informe a Crucible Ventures. Departamento de Ingeniería Química y Laboratorio de Energía, Instituto Tecnológico de Massachusetts, Cambridge, Massachusetts. MIT-EL 92-007.
- ^ a b Quickenden, TI; Mua, Y (1995). “Una revisión de la generación de energía en celdas termogalvánicas acuosas”. J Electrochem Soc 142 (11): 3985–94.
- ^ Gunawan, A; Lin, CH; Buttry, DA; Mujica, V; Taylor, RA; Prasher, RS; Phelan, PE (2013). “Termoeléctrica líquida: revisión de nuevos datos recientes y limitados de experimentos con células termogalvánicas”. Thermophys a microescala a nanoescala Eng 17: 304–23. doi: 10.1080 / 15567265.2013.776149
- ↑ Bouty, E (1880). “Phénomènes Thermo-électriques et Électro-thermiques au Contact d'un Métal et d'un Liquid [Fenómenos termoeléctricos y electrotérmicos en el contacto entre un metal y un líquido]. J Phys 9: 229–241.
- ^ deBethune, AJ; Licht, TS; Swendeman, N. (1959). “Los coeficientes de temperatura de los potenciales de los electrodos”. J Electrochem Soc 106 (7): 616-25.
- ^ Clampitt y col., (1966). “Célula electroquímica para conversión de energía térmica”. Patente de EE.UU. 3.253.955.
- ^ Kuzminskii, YV; Zasukha, VA; Kuzminskaya, GY (1994). “Efectos termoeléctricos en sistemas electroquímicos. Células termogalvánicas no convencionales ”. J Power Sources 52: 231–42.
- ^ Dario Borghino. "El MIT encuentra una nueva forma de aprovechar la energía del calor" .