convertidor de energía termoeléctrica Johnson

El convertidor de energía termoeléctrica Johnson ( JTEC ), también conocido como convertidor termoelectroquímico Johnson , es un motor térmico de estado sólido que utiliza la oxidación y reducción electroquímica del hidrógeno dentro de un ciclo térmico de dos celdas para aproximarse al ciclo termodinámico de Ericsson . ^{[ 1 ]} Inventado por el ingeniero estadounidense Lonnie Johnson , el dispositivo se está investigando como una alternativa de alta eficiencia a los generadores termoeléctricos convencionales y los motores térmicos mecánicos.

Johnson ha afirmado que el convertidor tiene el potencial teórico de alcanzar una eficiencia de conversión de energía de hasta el 60 % del límite de Carnot ; ^{[ 2 ]} sin embargo, este nivel de rendimiento supone un gradiente de temperatura de funcionamiento extremo de aproximadamente 600 °C (1112 °F) . ^{[ 3 ]}  

Las primeras propuestas de desarrollo se presentaron a la Oficina de Investigación Naval, pero fueron rechazadas inicialmente. Posteriormente, Johnson consiguió financiación reformulando la tecnología subyacente en torno a la mecánica de su pila de combustible de hidrógeno , lo que dio lugar a esfuerzos de desarrollo colaborativos con PARC (Palo Alto Research Center). ^{[ 4 ] [ 5 ]}

El JTEC funciona como un motor térmico de estado sólido de circuito cerrado que convierte la energía térmica directamente en energía eléctrica mediante la compresión y expansión electroquímica continua del gas hidrógeno. Al no utilizar piezas mecánicas móviles (como turbinas, pistones o bombas), funciona de forma silenciosa, no requiere combustible durante su funcionamiento y no genera emisiones químicas.

El ciclo termodinámico se aproxima al ciclo de Ericsson , que consta de dos procesos isotérmicos (expansión y compresión) acoplados a dos procesos isobáricos de intercambio de calor. El sistema comprende dos etapas electroquímicas primarias acopladas mediante un intercambiador de calor :

• Etapa de potencia de alta temperatura (expansión): Se aplica calor de una fuente externa a la cámara de fluido de trabajo. Gas hidrógeno a alta presión entra en esta cámara, que está dividida por un conjunto de electrodos de membrana (MEA) patentado que contiene una membrana de intercambio de protones (PEM) cerámica especializada intercalada entre dos electrodos. A medida que el gas se expande a través del MEA, las moléculas de hidrógeno se ionizan en el ánodo en protones y electrones . Los protones migran directamente a través de la membrana cerámica, mientras que los electrodos fuerzan a los electrones separados a fluir a través de un circuito externo, generando energía eléctrica. En el cátodo, los protones y electrones se recombinan para formar gas hidrógeno a baja presión.
• Etapa de compresión a baja temperatura: El gas hidrógeno a baja presión sale de la etapa de potencia y entra en la cámara de baja temperatura. Allí, una parte de la energía eléctrica generada por la etapa de alta temperatura se aplica a través de un segundo conjunto membrana-electrodo (MEA) para comprimir electroquímicamente el gas y convertirlo de nuevo en hidrógeno a alta presión, disipando el calor residual a un disipador de calor ambiental .

La energía eléctrica neta suministrada a la carga externa es la diferencia entre la gran cantidad de energía eléctrica generada durante la expansión a alta temperatura y la menor cantidad de trabajo eléctrico necesario para comprimir el gas a una temperatura más baja. A medida que el hidrógeno circula entre las dos etapas, pasa por un intercambiador de calor a contracorriente (regenerador), que precalienta el gas que entra en la etapa de potencia y enfría el gas que entra en la etapa de compresión, mejorando significativamente la eficiencia térmica general.

El JTEC comparte similitudes operativas con el convertidor térmico-eléctrico de metales alcalinos (AMTEC). Sin embargo, al utilizar hidrógeno como fluido de trabajo en lugar de metales alcalinos fundidos altamente reactivos (como el sodio o el potasio), el JTEC evita la corrosión severa de los materiales y simplifica la gestión del fluido. Dado que el ciclo se basa en la compresión electroquímica activa, se requiere un pulso eléctrico inicial para iniciar la circulación cuando se parte de un estado frío. Además, al invertir la corriente eléctrica, el JTEC puede funcionar en sentido inverso como una bomba de calor de estado sólido o un refrigerador para aplicaciones de climatización.

Debido a que el JTEC funciona como un motor de combustión externa , es independiente de la fuente de calor principal. Puede generar energía eléctrica a partir de una amplia gama de entradas térmicas sin necesidad de personalización especializada del combustible, incluyendo:

• Energía solar térmica: La irradiancia solar concentrada calienta la etapa de alta temperatura mientras que el aire ambiente o el agua enfrían la etapa de compresión.
• Recuperación de calor residual industrial: Captura del calor residual de baja a media intensidad procedente de procesos de fabricación, turbinas o motores de combustión interna para mejorar la eficiencia general de la planta.
• Espacio y energía nuclear: Conversión de energía de alta fiabilidad para fuentes radioisotópicas o térmicas nucleares en misiones al espacio profundo, donde la ausencia de partes móviles reduce las tasas de fallos mecánicos. ^{[ 6 ]}
• Potencia a microescala: Reducción de tamaño para sistemas microelectromecánicos (MEMS) o instalaciones de sensores remotos donde se requiere un funcionamiento sin mantenimiento.

• Convertidor térmico a eléctrico de metales alcalinos
• Hidrógeno comprimido electroquímicamente
• Generador termoeléctrico

• Solve for X Moonshots: Lonnie Johnson Heat Direct to Electric Energy (Vídeo, 2014)