Flydende vandgeneratorer omdanner regn til vedvarende energi

Efterspørgslen efter energi stiger hurtigt. I 2024, denne verden registrerede et spring på 4,3 % i el-efterspørgslen. Dette var en meget større stigning end den 2,5 % stigning registreret året før, som var tæt på det gennemsnitlige tempo for vækst i el-efterspørgslen mellem 2010 og 2023.

Denne vækst skyldes primært den massive vækst i datacentre på grund af eksplosionen af AI-adoption og elbiler, mens industriel udvidelse og øget brug af aircondition også bidrager betydeligt.

Mens fossile brændstoffer udgjorde mere end halvdelen (næsten 60 %) af elproduktionen sidste år, med kul som den største kilde i verden, energi-mixen er faktisk i udvikling. Ifølge IEA udgjorde for første gang nogensinde energiproduktion fra vedvarende energikilder og kernekraft to femtedele af den samlede globale produktion i 2024. 

Vedvarende energikilder var især ansvarlige for en tredjedel af verdens elproduktion. Blandt de vedvarende kilder fører vandkraft med en andel på 14 % af den samlede elproduktion, efterfulgt af vind på 8 %, sol‑PV på 7 % og bioenergi samt affald på kun 3 %.

Selvom det er en stor udvikling mod ren energi, er vedvarende energikilders bidrag til den globale energiproduktion stadig lavt. Så for yderligere at hjælpe med at accelerere dette skifte til vedvarende energikilder, har forskere skabt nye teknologier til energikonvertering for at imødekomme den stigende efterspørgsel efter dagligt elforbrug.

Systemer, der indsamler energi direkte fra miljøet, kan især hjælpe med at øge brugen af vedvarende energikilder.

Hydrovoltaics: Omdanne regn- og vandkredsløb til elektricitet

Vand er et kritisk element i livet. Det udgør ikke kun en stor del af vores krop, men også en stor del af Jorden. Dækker 70 % af vores planet, er vand den mest udbredte ressource, og det indeholder en betydelig mængde energi i forskellige former, hvoraf meget forbliver stort set underudnyttet.

En af måderne, denne energi udnyttes på, er gennem vandkraft, som involverer brug af den naturlige strøm af bevægende vand til at generere elektricitet.

En anden kraftfuld måde at høste energi fra vandets naturlige kredsløb er gennem hydrovoltaisk teknologi. I modsætning til traditionelle teknologier, som høster vandets kinetiske energi, genererer hydrovoltaisk teknologi elektricitet fra den direkte interaktion mellem et elektrodmateriale og vand.

Hydrovoltaisk teknologi muliggør faktisk udviklingen af lavpris‑ og høj‑effektive systemer, der kan konvertere termisk energi direkte til elektrisk energi gennem interaktionen mellem vand og nanomaterialer såsom grafen, kulnanorør, kulnanopartikler og ledende polymerer.

Den energi, der konverteres her, genereres af dråben, strømmen, udsving, kondensation eller fordampning, og øger output‑effekten betydeligt. Forskning angiver¹, at ved kun at udnytte 1 % af den tilgængelige energi i verdens vand med en ydelse på blot 1 % gennem hydrovoltaisk teknologi, kan vi dække en tredjedel af verdens energibehov.

Som sådan er enheder baseret på denne udviklende teknologi afgørende for at imødekomme efterspørgslen fra den energikrævende verden ved brug af vedvarende energikilder.

Dette har ført til omfattende forskning i dråbe‑energi‑generatorer, en type hydrovoltaisk teknologi, der omdanner den mekaniske energi fra vanddråber som regndråber til elektricitet. Men begrænsninger i den nuværende teknologi har ikke gjort det muligt at konvertere vandets energi effektivt til elektrisk energi.

For eksempel kan en traditionel dråbe‑energi‑generator baseret på den triboelektriske effekt, som genererer en elektrisk ladning, når to forskellige materialer kommer i kontakt og derefter adskilles, producere elektricitet, når en dråbe rammer en overflade. Imidlertid begrænser den interfaciale effekt antallet af ladninger, der genereres på overfladen, hvilket resulterer i relativt lav energi‑omdannelseseffektivitet.

Så har et forskerteam udviklet en ny “vand‑integreret dråbe‑elektricitet‑generator”, der producerer høj output mens den flyder på overflader, og giver et glimt af næste generation af letvægts‑ og høj‑effektive enheder. Ifølge undersøgelsen:

“Vi forventer, at dette arbejde vil åbne en ny vej for at udnytte vand‑lignende naturlige materialer til at konstruere hydrovoltaiske enheder og fremme land‑fri stor‑skala anvendelser.”

Men før vi dykker ned i denne forskning, lad os først se på, hvad der har foregået inden for dette område.

Den seneste udvikling inden for dråbe‑elektricitet‑generatorer (DEG’er)

Flydende vanddråber som regndråber er udbredte og bærer en betydelig mængde kinetisk energi, hvilket viser potentiale for bæredygtig el‑produktion. For at høste den kinetiske energi fra vanddråber har forskere fokuseret deres indsats på DEG’er.

Droplet‑baseret elektricitet‑generator (DEG) er en kraftfuld teknologi og har vist potentiale som en effektiv måde at høste energi fra det naturlige miljø på.

Den udnytter faldende vanddråber til at generere elektricitet. Typisk består den af to triboelektriske lag og et par elektroder, hvor ladninger adskilles, når en vanddråbe rammer overfladen og derefter glider af.

Den lave pris, enkle struktur og høje effekt‑densitet af DEG’er har gjort dem populære blandt forskere til at høste kinetisk energi fra miljømæssige vandkilder.

Dog er dens brede anvendelse hindret af den komplekse struktur og lave output‑effekt‑densitet. Deres anvendelse, som er begrænset til landbaseret brug, gør dem også upraktiske for søer, floder og oceaner.

Andre udfordringer med DEG’er inkluderer betydelig ydeevnedegeneration over tid i integrerede systemer, materialets holdbarhedsproblemer og den store plads, der kræves til stor‑skala anvendelser.

Swipe for at rulle →

Så forskningen fortsætter med fokus på at forbedre effektiviteten gennem bedre design, brug af naturligt vand som en del af strukturen eller optimering af materialer, hvor de seneste innovationer skaber letvægts‑, omkostningseffektive og endda flydende enheder.

For nogle år siden udviklede et forskerteam fra City University of Hong Kong (CityU) en DEG med en felt‑effekt‑transistor (FET)‑lignende struktur², der opnåede høj energi‑omdannelseseffektivitet. Dens øjeblikkelige effekt‑densitet var meget højere, omkring tusinder af gange højere, end dens modparter uden en FET‑lignende struktur.

Deres arbejde havde to nøglefaktorer; den ene var teamets fund, at når kontinuerlige vanddråber rammer overfladen af polytetrafluorethylen (PTFE), et dielektrisk materiale med en næsten permanent elektrisk ladning, akkumuleres de producerede overfladeladninger og når gradvist mætning. Dette hjalp teamet med at overvinde den tidligere oplevede lave ladningsdensitet ved at give en ny måde at akkumulere og lagre høj‑densitets overfladeladninger på.

Den anden faktor var deres design, hvis nøglefunktion var et unikt sæt strukturer, der ligner en FET. Enheden er sammensat af en aluminium‑elektrode og en PTFE/ITO‑elektrode, som involverer en indium‑tin‑oxid (ITO)‑elektrode med et PTFE‑film pålagt. Når en dråbe rammer PTFE/ITO‑overfladen og spreder sig over den, broer den begge elektroder, hvilket gør systemet til et lukket elektrisk kredsløb.

Designet tillod en høj densitet af overfladeladninger at blive indsamlet på PTFE. Og når det spredende vand forbinder de to elektroder, frigives de lagrede ladninger på PTFE fuldstændigt for at producere en elektrisk strøm.

Mens CityU’s design fokuserede på at øge ladningsakkumuleringen, forenklede et andet team fra Kinas Akademi for Videnskab DEG‑arkitekturen for at gøre den mere skalerbar.

Det kinesiske forskerteam foreslog³ en DEG med en simpel åben struktur for fuldt at udnytte selv‑kapacitans‑effekten af den øvre elektrode for at fremme dens bredere anvendelse.

Problemet er, at det er svært at levere energi kontinuerligt til elektrisk udstyr ved hjælp af en enkelt eller flere DEG’er.

Som teamet bemærkede, når man høster stor‑skala regndråbe‑energi i skrå bygninger som skure, er en simpel metode at forbinde alle DEG’er i parallel for at levere strøm til belastningen, som en pære. Så, med reference til celle­strukturen i et solpanel og ved at udnytte den øvre elektrode‑s selv‑kapacitans‑effekt fuldt ud, introducerede de SCE‑DEG med en simpel åben struktur, som primært består af en øvre og nedre elektrode, PTFE‑film og belastning.

Elektroderne her behøver ikke at forbinde til hinanden, men høj øjeblikkelig output‑effekt kan stadig opnås via den øvre elektrode‑s selv‑kapacitans‑effekt, hvilket gør strukturen meget enklere og mere praktisk til stor‑skala udbredelse.

Ved test kunne den producere 212 mW output‑effekt med en 61 μL vanddråbe og kan lyse 100 kommercielle LED‑lamper.

Senest har forskere fra KTH Royal Institute of Technology, Sverige, tilpasset bundelektroderne i DEG⁴ så deres område svarer til spredningsområdet af de rammede vanddråber, hvilket fordoblede den gennemsnitlige output‑effekt af individuelle celler.

Teamet fremstillede også stor‑skala (30‑celle) arrays, der opnåede omkring 2,5 gange højere effekt end de mest avancerede arrays. Desuden integrerede de en stor‑skala (400‑celle) mikro‑superkondensator (MSC)‑array for at lagre den elektricitet, der genereres af 30‑celle‑generator‑arrayen med 21,8 % effektivitet, uden brug af nogen strømstyrings‑chip.

Denne integration skaber et selv‑ladende kraftsystem (SCPS) med en output‑effekt på 81,2 µW.

Efter at 30‑celle DEG‑arrayen har ladet 400‑celle MSC‑arrayen i kun 30 sekunder, kan det integrerede SCPS levere en LED, så den kan arbejde kontinuerligt i 60 sekunder, “hvilket antyder potentialet i strategien om at integrere stor‑skala DEG‑arrays med stor‑skala ultrahurtige MSC‑arrays for at bygge SCPS’er til højeffektivt energihøst fra naturligt vand mod praktiske anvendelser.”

Flydende W‑DEG: En letvægts‑ og omkostningseffektiv vej til regnbaseret energi

Nu har forskere fra Nanjing University of Aeronautics and Astronautics udviklet en ny løsning, en flydende DEG, der bruger naturligt vand som en nøglekomponent i sin struktur, og dermed giver en letvægts, overkommelig og miljøvenlig vej til produktion af vedvarende energi.

I stedet for at have en dielektrisk film på en stiv base med en metal‑elektrode nedenunder, har det nye design vandet som både den støttende base og den ledende elektrode. Denne tilgang, top‑elektrode‑dielektrisk‑vand‑arkitektur, reducerer både materialets vægt og omkostninger med henholdsvis 87 % og 50 % sammenlignet med ældre modeller, mens den opretholder et lignende niveau af elektrisk output og demonstrerer stor holdbarhed i forskellige arbejdsmiljøer.

Udgivet i National Science Review⁵ beskriver studiet den ‘natur‑integrerede’ design‑rute, der har ført til udviklingen af en ny vand‑integreret flydende DEG (W‑DEG), som udnytter vandets elektriske og strukturelle funktioner.

Den fungerer sådan, at når regndråber, en kilde til ferskvand med uudnyttet energi, lander på den flydende dielektriske overflade, reagerer en film af fluorineret ethylen‑propylen (FEP) straks. Som kemisk inert modstår den tynde FEP‑film ekstreme temperaturvariationer, korrosion samt vækst af alger og bakterier.

Efterhånden som dråben spreder sig, skaber den en strøm af ioner, hvilket forårsager en ladningsoverførsel mellem den øvre region og den nedre region, og genererer en meget lille mængde elektricitet. Overfladen nulstilles, når dråben hopper.

Vandets naturlige egenskaber her giver den mekaniske stabilitet, der kræves for at absorbere påvirkningen og lade dråberne sprede sig effektivt uden at bøje eller bryde.

Disse naturlige egenskaber omfatter stærk overfladespænding og ukomprimerbarhed. Vand betragtes som næsten ukomprimerbart, hvilket betyder, at det ikke komprimeres meget under tryk. Samtidig skaber den stærke kohæsion mellem vandmolekyler, forårsaget af hydrogenbindinger, en kraftig overfladespænding.

Ioner i vandet fungerer derimod som ladningsbærere, hvilket gør det til en pålidelig elektrode.

Sammen gør disse funktioner den flydende generator i stand til at generere spidse spændinger på omkring 250 volt pr. dråbe, svarende til præstationen af traditionelle stive designs, der bruger metal.

Designet er også holdbart, med test der viser, at generatoren opretholdt ydeevne under varierende forhold, herunder forskellige saltkoncentrationer (op til 500 millimolar natriumchlorid), temperaturer og endda eksponering for udendørs søvand med biofouling —et betydeligt problem for marine enheder.

Mens mange energienheder forringes i barske miljøer, fortsætter den flydende generator med at fungere stabilt på grund af den vandbaserede strukturs modstandsdygtighed og den dielektriske lags kemiske inaktivitet.

Ved test i stærkt saltet vand opretholdt generatoren sin funktionalitet efter en uges udplacering. Og hvis der ophobes affald på den, genskaber simpel rengøring den til maksimal ydeevne.

For yderligere at øge enhedens stabilitet udnyttede teamet den høje overfladespænding i vand til at designe dræningshuller, der kun tillader vand at flyde nedad i én retning. Så ved at bruge tyngdekraft og overfladespænding kan teamet mindske opbygningen af forureninger og holde den ren, dermed skabe et selvregulerende system til fjernelse af overskydende dråber. På denne måde undgås vandansamling, som ellers kunne reducere output.

Endnu et centralt aspekt ved den flydende W‑DEG er skalerbarhed. Med en størrelse på 0,3 kvadratmeter demonstrerede forskerne en meget større dråbe‑generator end tidligere rapporterede. Med hver af disse generatorer producerende ~250 volt pr. dråbe, kan de drive 50 LED‑lamper samtidigt.

Desuden var systemet i stand til at oplade kondensatorer til brugbare spændinger på få minutter. Teamet testede 10 W‑DEG‑enheder og producerede simuleret regn ved brug af 120 falske regndråbe‑apparater, derefter opladede kondensatoren til tre volt, hvilket demonstrerer dets potentiale til at drive trådløse sensorer og små elektroniske enheder.

Med yderligere udvikling kunne disse systemer bruges til at høste vedvarende elektricitet fra søer, reservoirer eller kystområder uden at optage værdifulde jordressourcer.

“Ved at lade vandet selv spille både strukturelle og elektriske roller, har vi åbnet en ny strategi for dråbe‑elektricitet‑generering, som er letvægts, omkostningseffektiv og skalerbar,” sagde studiets medforfatter, professor Wanlin Guo. “Dette åbner døren til land‑fri hydrovoltaiske systemer, der kan supplere andre vedvarende teknologier som sol og vind.”

I regioner der oplever hyppig nedbør, kan den flydende dråbe‑elektricitet‑generator levere en distribueret energiløsning der driver off‑grid‑applikationer eller supplerer lokale net.

Sammenlignet med en traditionel dråbe‑generator, som koster omkring 210 yuan (ca. $29,50) pr. kvadratmeter og vejer over fire kilogram (ca. 8,818 pund), koster teamets flydende version omkring 106 yuan (under $15) og vejer kun 0,5 kilogram (1,1 pund).

Ud over regnvandsopsamling kan enheden have andre anvendelser takket være dens evne til naturligt at flyde på vandoverflader. For eksempel kan den implementeres i forskellige akvatiske miljøer for at drive miljøovervågningssystemer som sensorer, der sporer forurening, vandkvalitet eller salinitet.

Dens ‘natur‑integrerede design’, hvor det naturligt rigelige materiale bruges som en funktionel komponent, kan også inspirere nye tilgange inden for økobaserede teknologier.

Men før enheden kan implementeres i stor skala, er der udfordringer, der først skal løses. Den varierende størrelse og hastighed af faktiske regndråber betyr, at enhedens ydeevne kan påvirkes. Derudover kræves yderligere ingeniørarbejde for at sikre robustheden og holdbarheden af store dielektriske film under dynamiske udendørs forhold.

På trods af disse udfordringer har laboratorieresultaterne været lovende, og demonstrationen af en effektiv, holdbar og skalerbar prototype markerer et vigtigt skridt mod praktiske anvendelser af vand‑integreret flydende DEG (W‑DEG).

Investering i vandopsamlings‑teknologi

Xylem (XYL ) er en global vandteknologivirksomhed fokuseret på intelligent vandstyring, involveret i integration af sensorer, overvågning og vandstrømsystemer.

Dens Water Infrastructure‑segment tilbyder produkter som behandlingsudstyr, vand, spildevand og stormvand pumper og kontrolenheder. Applied Water‑segmentet dækker produkter inklusive pumper, ventiler, varmevekslere og doseringsudstyr, mens Measurement & Control Solutions (MCS)‑segmentet udvikler avancerede løsninger til intelligent brug af kritiske ressourcer, såvel som analytisk instrumentering til vandtestning. Integrated Solutions & Services‑segmentet leverer udstyrssystemer til industrier og kommuner.

Xylem udnytter også AI til at overvåge vandstrøm og opdage lækager i realtid. Dette gør det muligt at opdage problemer til tiden og derefter hurtigt rette dem, hvilket sparer vand og reducerer omkostninger.