El generador termoeléctrico: qué es y cómo convierte el calor en electricidad
Un generador termoeléctrico (TEG, por sus siglas en inglés) es uno de los pocos dispositivos capaces de transformar calor en electricidad sin turbinas, sin fluidos y sin una sola pieza en movimiento. Su principio, el efecto Seebeck, se descubrió hace más de dos siglos, pero su relevancia no ha dejado de crecer: desde las sondas Voyager, que siguen transmitiendo a más de veinte mil millones de kilómetros de la Tierra, hasta los sensores autónomos que se alimentan del calor residual de una tubería. Esta página explica qué es la termoelectricidad, cómo se construye un generador termoeléctrico, de qué materiales depende, cuánto rinde realmente y dónde se utiliza hoy.
Qué es un generador termoeléctrico
Un generador termoeléctrico es un convertidor de energía de estado sólido que produce corriente eléctrica a partir de una diferencia de temperatura entre dos de sus caras. La conversión se basa en la termoelectricidad, el conjunto de fenómenos que acoplan el flujo de calor y el flujo de carga eléctrica en un material.
A diferencia de un motor térmico convencional, que primero convierte el calor en movimiento mecánico y solo después en electricidad, el TEG realiza la conversión de forma directa. No hay pistones, ni álabes, ni líquido de trabajo. Esta ausencia de partes móviles es su gran virtud: un generador termoeléctrico no se desgasta, no vibra, no necesita mantenimiento y puede funcionar durante décadas de manera silenciosa y fiable.
La contrapartida es su modesto rendimiento. Mientras un ciclo de vapor bien diseñado puede superar el 40 % de eficiencia, un TEG rara vez pasa del 8 %. Por eso no compite con las grandes centrales, sino que ocupa nichos donde la fiabilidad, la miniaturización o el aprovechamiento de un calor que de otro modo se perdería importan más que la eficiencia bruta.
El efecto Seebeck: el corazón de la termoelectricidad
El fenómeno que hace posible el generador termoeléctrico es el efecto Seebeck, descubierto en 1821 por el físico Thomas Johann Seebeck. Observó que, al unir dos conductores distintos formando un circuito y calentar una de las uniones, se desviaba la aguja de una brújula cercana. Seebeck lo interpretó erróneamente como un efecto magnético, pero en realidad había detectado la corriente eléctrica generada por la diferencia de temperatura.
El efecto Seebeck se cuantifica mediante el coeficiente de Seebeck (S), que mide la tensión generada por cada grado de diferencia de temperatura y se expresa en microvoltios por kelvin (μV/K). La tensión producida es, en primera aproximación, el producto del coeficiente de Seebeck por la diferencia de temperatura entre las caras caliente y fría.
La termoelectricidad tiene dos fenómenos hermanos. El efecto Peltier, descrito por Jean-Charles Peltier en 1834, es el inverso: hacer pasar una corriente por la unión de dos materiales provoca que una cara se enfríe y otra se caliente; es la base de las neveras y refrigeradores termoeléctricos. En 1851, William Thomson (Lord Kelvin) unificó ambos efectos mediante las relaciones que hoy llevan su nombre, demostrando que Seebeck y Peltier son dos manifestaciones del mismo acoplamiento termoeléctrico.
Cómo se construye un TEG: pares tipo n y tipo p
El ladrillo básico de un generador termoeléctrico es el par termoeléctrico o termopar de conversión. Está formado por dos columnas de material semiconductor: una dopada como tipo n (con portadores de carga negativos, electrones) y otra como tipo p (con portadores positivos, huecos). Ambas columnas se conectan eléctricamente en serie mediante puentes conductores, pero se disponen térmicamente en paralelo entre una placa caliente y una placa fría.
Cuando el calor fluye de la cara caliente a la fría, arrastra a los portadores de carga en la dirección del gradiente térmico. En la columna tipo n, los electrones migran hacia el lado frío; en la tipo p, los huecos hacen lo propio. El resultado es que las tensiones de ambas columnas se suman en lugar de cancelarse, y a través del circuito externo circula una corriente útil.
Un solo par genera muy poca tensión, del orden de milivoltios. Por eso un módulo comercial encadena decenas o cientos de pares en serie entre dos placas cerámicas, sumando sus tensiones hasta obtener valores manejables. El diseño con semiconductores, y no con metales, no es casual: los semiconductores dopados combinan un coeficiente de Seebeck alto con propiedades eléctricas y térmicas ajustables, algo esencial para el rendimiento.
Materiales y el factor de mérito ZT
El rendimiento de un material termoeléctrico se resume en un único número adimensional: el factor de mérito ZT. Se define como ZT = S²σT/κ, donde S es el coeficiente de Seebeck, σ la conductividad eléctrica, κ la conductividad térmica y T la temperatura absoluta. Un buen material termoeléctrico debe conducir bien la electricidad pero mal el calor, para mantener la diferencia de temperatura sin disipar la corriente en resistencia.
Esa combinación es difícil de lograr, porque en la mayoría de los sólidos la conductividad eléctrica y la térmica van de la mano. Durante décadas, los mejores materiales apenas alcanzaban un ZT cercano a 1. El más clásico es el teluro de bismuto (Bi₂Te₃), óptimo cerca de la temperatura ambiente y presente en casi todos los módulos comerciales. Para temperaturas intermedias se emplea el teluro de plomo (PbTe), y para las más altas, aleaciones de silicio-germanio (SiGe).
La investigación moderna en nanoestructuras, materiales con huecos en su estructura (skutteruditas, clatratos) y superredes ha logrado empujar el ZT por encima de 2 en el laboratorio, aprovechando mecanismos que dispersan los fonones portadores de calor sin frenar a los electrones. Cada décima de mejora en ZT se traduce directamente en más electricidad por cada vatio de calor aprovechado.
Rendimiento real y escalas de potencia
Conviene ser honesto con las cifras. El rendimiento de conversión de un generador termoeléctrico se sitúa típicamente entre el 5 % y el 8 %, una fracción del límite de Carnot que fija la termodinámica para la diferencia de temperatura disponible. Un ZT de 1 se corresponde, en la práctica, con eficiencias de un dígito bajo; alcanzar el 15-20 % exigiría materiales con ZT en torno a 3-4, todavía fuera del alcance industrial.
Las potencias también son modestas y muy dependientes del salto térmico. Un módulo del tamaño de una tarjeta, con la cara caliente a unos 200-250 °C y la fría refrigerada, entrega del orden de unos pocos vatios a varias decenas de vatios. Los dispositivos para vestir o los sensores aprovechan diferencias de apenas unos grados y producen microvatios o milivatios.
Esta realidad define el terreno de juego del TEG: no es una fuente de gran potencia, sino un convertidor fiable para cuando no hay otra opción, para recuperar calor que ya se estaba desperdiciando o para alimentar electrónica de bajísimo consumo sin baterías ni cables. Encaja de lleno en el campo de la captación de energía del entorno.
Aplicaciones: del espacio profundo a los sensores autónomos
La aplicación más espectacular de la termoelectricidad es el generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG). En lugar de una llama, el calor procede de la desintegración del plutonio-238; ese calor atraviesa termopares que generan electricidad de forma continua durante décadas, sin sol y sin partes que puedan fallar. Es la fuente de energía de las sondas Voyager 1 y 2, lanzadas en 1977 y todavía operativas en el espacio interestelar, que emplean termopares de silicio-germanio.
Los astromóviles marcianos Curiosity (2012) y Perseverance (2021) llevan un RTG de nueva generación (MMRTG) con termopares de teluro de plomo y aleaciones TAGS, que les proporciona electricidad y calor con independencia de las tormentas de polvo o de la noche marciana. Ninguna otra tecnología ofrece esa combinación de autonomía y fiabilidad para misiones de tan larga duración.
En la Tierra, los TEG recuperan calor residual de tubos de escape de vehículos, hornos industriales y procesos de combustión, convirtiendo en electricidad energía que se perdería por completo. También alimentan sensores remotos, dispositivos médicos implantables experimentales y wearables que aprovechan el calor corporal. En todos estos casos, el atractivo es el mismo: convertir directamente un gradiente térmico en corriente, sin mantenimiento.
Termoelectricidad y captación de energía ambiental: la línea de investigación neutrinovoltaica
El generador termoeléctrico pertenece a una familia más amplia de tecnologías que buscan extraer electricidad de flujos de energía presentes en el entorno, un campo conocido como captación o cosecha de energía. En esa misma línea conceptual - aunque con un mecanismo físico distinto - se sitúa la investigación en tecnología neutrinovoltaica que desarrolla el Neutrino Energy Group, fundado en Berlín en 2008.
Mientras el TEG parte de una diferencia de temperatura y del efecto Seebeck, el enfoque neutrinovoltaico explora si un material multicapa de grafeno y silicio puede aprovechar distintas fuentes de flujo ambiental - radiación cósmica y térmica, campos electromagnéticos y el paso de neutrinos - para inducir microcorrientes en el material. Se apoya conceptualmente en hallazgos como el trabajo de Thibado y colaboradores (2020) sobre la separación de carga por el movimiento browniano en grafeno suspendido.
Es importante situar esto con honestidad: se trata de una línea de investigación en desarrollo, no de un producto disponible ni de un resultado demostrado, y no debe confundirse con la termoelectricidad clásica, que es una tecnología madura y ampliamente verificada. Ambos enfoques respetan un mismo principio físico: la energía no se crea, solo se convierte, y cualquier corriente obtenida procede de un flujo de energía que ya estaba presente en el entorno. Lo que comparten es la pregunta de fondo que anima a la conversión de energía: cómo transformar en corriente útil los flujos de energía que nos rodean. Puede compararse también con otras innovaciones en energías renovables.
Preguntas frecuentes
¿Qué es un generador termoeléctrico?
Es un dispositivo de estado sólido, sin partes móviles, que convierte una diferencia de temperatura directamente en electricidad mediante el efecto Seebeck. El calor que atraviesa pares de semiconductores tipo n y tipo p genera una tensión que impulsa una corriente eléctrica útil.
¿Qué es el efecto Seebeck?
Es el fenómeno, descubierto por Thomas Johann Seebeck en 1821, por el cual una diferencia de temperatura entre dos puntos de un material conductor, o entre dos materiales distintos, genera una tensión eléctrica. Es el principio físico en el que se basa todo generador termoeléctrico.
¿Qué rendimiento tiene un generador termoeléctrico?
El rendimiento típico se sitúa entre el 5 % y el 8 %, muy por debajo de un motor térmico convencional. Su valor no está en la eficiencia, sino en la fiabilidad total, la ausencia de mantenimiento y la capacidad de funcionar durante décadas sin partes móviles.
¿Qué es el factor de mérito ZT?
El ZT es un número adimensional que resume la calidad de un material termoeléctrico, definido como ZT = S²σT/κ, donde S es el coeficiente de Seebeck, σ la conductividad eléctrica, κ la conductividad térmica y T la temperatura. Cuanto mayor sea el ZT, más electricidad se obtiene por cada vatio de calor.
¿Dónde se usan los generadores termoeléctricos?
En generadores de radioisótopos que alimentan las sondas Voyager y los astromóviles marcianos Curiosity y Perseverance, en la recuperación de calor residual industrial y de vehículos, y en sensores autónomos y dispositivos que aprovechan pequeñas diferencias de temperatura, como el calor corporal.
¿De qué materiales está hecho un TEG?
El material más habitual cerca de la temperatura ambiente es el teluro de bismuto (Bi₂Te₃). Para temperaturas intermedias se usa teluro de plomo (PbTe) y para las altas, aleaciones de silicio-germanio (SiGe), como las de las sondas Voyager.
