HydroVoltaics – Udnyttelse af elektricitet fra fordampning

Ny forskning viser, at nanoskalade enheder kan bruges til at høste elektricitet fra væskefordampning, hvilket afslører et stort energipotentiale, der endnu ikke er blevet udnyttet korrekt.

Fordampning er en naturlig proces. Enkelt sagt er det en form for fordamning, der sker på en væskes overflade, når den bliver til gas. Den er overalt omkring os, men vi lægger sjældent mærke til den.

Interessant nok driver omkring halvdelen af den solenergi, der når jorden, fordampningsprocesser. Fordampning, som muliggør en kontinuerlig energibytte i den globale vandcyklus, er en vedvarende energikilde, der i øjeblikket forbliver uudnyttet, ifølge undersøgelsen.

Vand, som er tilgængeligt i overflod, idet det dækker over 70 % af planetens overflade, indeholder enorme mængder energi i form af kemisk, termisk og kinetisk energi, men kun en lille del udnyttes. Når man ser på det samlede potentiale for energiproduktion fra naturlig fordampning i søer og reservoirer, har USA alene et anslået potentiale på 325 GW. Dette udgør over 69 % af USA’s elektriske energiproduktionsrate i 2015, påpeger undersøgelsen.

Derfor har forskere i mange år arbejdet på at udnytte fordampningens energipotentiale. Dette undersøges gennem mange enheder, såsom selvforsynende generatorer, hybride systemer og tandem‑enheder. Forskning gennem årene har tiltrukket stor opmærksomhed på fordampningsdrevne hydrovoltaiske enheder, især i takt med fremskridt inden for nanomaterialer og nanoteknologi.

Lad os derfor dykke ned i HV‑effekten, som gør det muligt for nanostrukturerede materialer at generere elektricitet i samspil med vand. Vand kan her være alt fra dråber, fugt og væske til fordampning. Så i HV‑effekten producerer fordampning en konstant strøm inden i nanokanaler i disse enheder. Denne effekt ses også i planters mikrokapillærer, hvor vandtransport sker som følge af en kombination af kapillærtryk og naturlig fordampning.

Fire mekanismer anses primært for at være ansvarlige for denne HV‑effekt: streaming, pseudo‑streaming, iongradientdiffusion og elektron‑drag‑effekten. Den hydrovoltaiske effekt udvider potentielt den tekniske evne til at udnytte vandenergi og muliggør fremstilling af selvforsynende enheder.

Nu har forskere ved den schweizisk‑baserede offentlige forskningsuniversitet EPFL (Swiss Federal Institute of Technology Lausanne) modtaget finansieringsstøtte fra den schweiziske National Science Foundation (SNSF) via Korean‑Swiss Science and Technology Cooperation Fund og Swiss Government Excellence Fellowship. EPFL’s eksperimentelle faciliteter, det tværfaglige Center for Elektronmikroskopi (CIME) og Center for Mikro‑Nano‑Teknologi (CMi), er også involveret i at udvinde energi fra væske‑fordampning, som indeholder højere ionkoncentrationer end dem, der findes i renset vand.

Faktisk findes hydrovoltaiske enheder allerede, men der er kun begrænset viden om de fysiske fænomener, der styrer HV‑produktionen på nanoskalering. Der mangler også en funktionel forståelse af betingelserne, hvilket denne undersøgelse søger at rette op på.

Udgivet tidligere denne måned i Cell Press‑tidsskriftet Device, undersøgelsen fra Laboratoriet for Nanovidenskab for Energiteknologi (LNET) med titlen “Salinitets‑afhængige interfaciale fænomener mod hydrovoltaisk enhedsoptimering” er udført af Giulia Tagliabue og Tarique Anwar.

Undersøgelsen eksperimenterede med multiphysik‑modellering for at specificere væskestrømme, ionstrømme og elektrostatiske effekter på grund af solid‑væske‑interaktioner, med det formål at optimere HV‑enheder.

Ifølge Tagliabue, som er leder af LNET ved School of Engineering, er dette den første undersøgelse, der kvantificerer hydrovoltaiske fænomener takket være deres nye og højt kontrollerede platform. Disse hydrovoltaiske fænomener måles ved at fremvise vigtigheden af forskellige interfaciale interaktioner.

Under denne proces opdagede holdet en vigtig opdagelse: hydrovoltaiske enheders evne til at fungere over et bredt spektrum af saliniteter. Dette, bemærkede Tagliabue, modsiger den tidligere antagelse om, at højt renset vand er nødvendigt for optimal ydeevne.

Den multiphysiske model

For nylig har studier af fordampningsdrevne væskestrømme i materialer, der er mikrostrukturerede på nanoskalering, givet anledning til en ny måde at generere vedvarende eller grøn energi på, nemlig ved at omdanne termisk energi til elektrisk energi gennem en elektrokinetisk vej. Forbedringer i ydeevnen her ledes af optimeringen af elektrodkontakterne.

Dog begrænser manglen på modelleringsværktøjer og spørgsmål vedrørende systemets geometriske og kemiske egenskaber både ydeevnen og anvendelsesområdet for denne nye teknologi, Hydrovoltaic (HV)-enheder, til bæredygtig energiproduktion.

Derfor udviklede forskerne en kvantitativ multiphysisk model og udnyttede ordnede arrays af silicium‑nanopiller (Si NPs), som bragte til overfladen, hvad der tidligere var uudforsket. Bemærkelsesværdigt fandt undersøgelsen, at overfladeladningen, som afhænger af ionkoncentration samt ionernes mobilitet, er det, der styrer flere lokale maksimum i åben‑kredsløbs‑spænding (VOC), hvor de ideelle betingelser afviger fra traditionelle forventninger om lav koncentration.

Desuden kan strukturelle asymmetrier generere et elektrostatiskt potentiale, der forbedrer HV‑ydelsen. Derudover bekræfter undersøgelsen ionadsorption og ladningsinversion for mange monovalente kationer, hvilket gør det muligt for sådanne enheder at fungere selv ved høje koncentrationer.

HV‑enheden, som forskerholdet udviklede, består af regelmæssige arrays af Si NPs i centimeter‑skala, ætset i en p‑type Si‑skive. Holdet anvendte derefter en kombination af kolloidallitterografi og metalassisteret kemisk ætse (MACE) for at fastlægge afstanden i det hexagonale array af NPs, mens de varierede deres længde og diameter i intervallet 1,23–4,4 μm og 420–560 nm. Ved at ændre Si‑NP‑dimensionerne kunne de direkte styre nanokanal‑geometrien og den solide‑væske‑overfladeareal efter behov.

Den hydrovoltaiske enhed i denne undersøgelse repræsenterer den første anvendelse af nanosphære‑kolloidallitterografi‑teknikken, som gør det muligt for forskerne at danne et hexagonalt netværk af præcist placerede Si NPs. Mellemrum mellem disse silicium‑nanopiller skabte den perfekte passage til at fordampe væsker. Dette kan yderligere finjusteres for bedre at forstå effekterne af væskekonfinering og den solide/væske‑kontaktflade.

Anwar, som er PhD‑studerende ved LNET, forklarede, at de fleste væskesystemer med saltløsninger har et lige antal positive og negative ioner. Men ved at begrænse væsken til en nanokanal kan vi kun få de “ioner med en polaritet, der er modsat overfladeladningens”. Så ved at lade væsken strømme gennem nanokanalen kan vi generere strøm og spænding, tilføjede han.

Forståelse af de grundlæggende mekanismer for spændings‑ og strøm‑generering i HV‑enheder kræver imidlertid kontrol over solid‑væske‑grænsefladens egenskaber og væskens nanokonfinering, som er nanokanal‑geometrien.

Som konklusion viste undersøgelsen en høj effekt‑tæthed på 8 μW/cm² ved 0,1 M, med en effektudgang, der er sammenlignelig med den fra vandhanen‑drevne enheder, men med “to størrelsesordener højere koncentrationer” end nogensinde før rapporteret. Dette baner vejen for en bredere anvendelse af HV‑systemer på tværs af salinitetsskalaer, hvor optimale driftsbetingelser bestemmes af forskellige interfaciale fænomener.

Som Tagliabue forklarede, kan den kemiske ligevægt for overfladeladningen på nanodevicen udnyttes til at udvide driften af HV‑enheder på tværs af salinitetsskalaen. Så når koncentrationen af væske‑ioner stiger, øges nanodevice‑ens overfladeladning også, hvilket gør det muligt for os at “bruge større væskekanaler, mens vi arbejder med væsker med højere koncentration. Dette gør det lettere at fremstille enheder til brug med vand fra hanen eller havvand, i stedet for kun renset vand,” sagde Tagliabue.

På denne måde argumenterer undersøgelsen for, at den giver vigtig indsigt og et designværktøj til optimering af fordampningsdrevne hydrovoltaiske (EDHV) enheder, samtidig med at den peger på bredere anvendelsesmuligheder for disse selvforsynende systemer.

Undersøgelsen fastslår, at præstationsmålet for deres åben‑kredsløbs‑spænding (VOC) kan forbedres ved at øge fordampningshastigheden. Afhængig af overfladeladning og nanokonfineringens geometri kan VOC fordobles ved en 5‑gange stigning i fordampningshastigheden, hvilket betyder, at effekten kan øges op til fire gange.

Dette skyldes primært forstærkningen af streaming‑strømmen, men vil kræve dybere viden om fluiddynamikken i disse enheder for at blive bekræftet.

Spændende potentielle anvendelser af hydrovoltaiske enheder

Vanddamp er overalt på Jorden, hvilket giver en stor mulighed, især for el‑produktion og afhjælpning af den globale energimangel. Til dette kan hydrovoltaiske enheder bruges til at udvinde energi på forskellige måder, såsom ved at konstruere en asymmetrisk struktur.

Dog afhænger energiproduktionen af væskens egenskaber, herunder dens type og opløsningsmidlets koncentration. Dette skyldes, at dannelsen af elektrisk energi i HV‑effekten er forbundet med ophobning af ladningsbærere forårsaget af en elektrisk dobbeltlag (EDL), der dannes på væske‑solid‑grænsefladen.

På trods af disse udfordringer har hydrovoltaiske enheder et enormt potentiale på grund af kontinuerlig fordampning over et bredt spektrum af temperaturer og fugtighed. Dette gør HV‑enheder velegnede til mange spændende anvendelser, herunder strømforsyning, al‑vejr‑energiproduktion samt vandopsamling og afsaltning.

Undersøgelsen fandt, at under ferskvandsforhold er EDL‑overlap et krav, der kan realiseres ved lav samlet overfladeladning og høj konfinering, dvs. små nanokanal‑størrelser. Alligevel gør en forøgelse af overfladearealet eller ladningen større nanokanal‑størrelser mulige.

Under havvandsforhold kan et optimum skabes ved store porediametre (Dp‑værdier >100 nm) ved at kontrollere overfladeladningen, hvilket antyder, at geometrisk konfinering på nanometerskala kan forhindres, hvilket strømliner skalerbarheden af disse enheder.

Samtidig kan ladningsinversion anvendes ved høje salinitetsniveauer ved at minimere solid‑væske‑grænsefladen og den oprindelige overfladeladning. Dog kan drift ved så høje koncentrationer og på lang sigt være en udfordring på grund af ionadsorption og saltkrystallisering. Dette skyldes den direkte påvirkning af overfladens egenskaber og nanostrukturens geometri. Derfor skrev forskerne, at yderligere undersøgelser er nødvendige.

Forskerne i undersøgelsen håber også at udforske den mangfoldige potentiale for enheden med støtte fra de organisationer, der har givet dem tilskud, for at forstå og analysere denne nye teknologi.

En af de støttende organisationer, Swiss National Science Foundation (SNSF), som er mandatet af den føderale regering, har til formål at udnytte energi fra fordampning og udvikle et helt “nyt paradigme for genvinding af spildvarme og vedvarende energiproduktion i stor og lille skala.” Dette inkluderer et prototype‑modul i virkelige situationer på den største sø i Centraleuropa, Genevesøen, for at indsamle data om hydrovoltaisk generering på alpesøer.

SNSF har i mange år støttet energirelaterede projekter for at bidrage til udviklingen af viden og ekspertise til fremtidig brug. Disse projekter dækker energiproduktion, lagring, distribution og styring samt effektivitet.

Tagliabue modtog SNSF Starting Grant i 2022, hvor der over fem år ydes CHF 1,8 million. Denne finansiering hjælper holdet med at “udvide vores indsats mod nano‑engineering af hydrovoltaiske enheder til vedvarende energiproduktion,” sagde Tagliabue.

Hun sagde på det tidspunkt:

“Ved at etablere den nødvendige grundlæggende forståelse, modelleringsværktøjer og ingeniørstrategier, vil dette projekt levere et banebrydende bidrag til at gøre fordampning til en udbredt, sikker og kontinuerlig vedvarende energikilde for både store og små skalaer.”

HV‑enheder tilbyder en stor mulighed, og fordi de kan fungere hvor som helst, hvor der er væske, selv sved, har de også potentiale til brug i sensorer. Dette dækker alt fra sundheds‑ og fitness‑wearables til smarte tv’er.

Tagliabue er yderligere interesseret i at forstå, hvordan lys‑ og fototermiske (relateret til elektromagnetisk stråling) effekter kan bruges til at kontrollere overfladeladninger og fordampningshastigheder i HV‑systemer.

Endelig ser forskerne en symbiose mellem HV‑systemer og produktion af rent vand, hvor Anwar påpeger, hvordan naturlig fordampning anvendes i afsaltningsprocesser. Kondensation af dampen, der produceres af en fordampende overflade, gør det muligt at høste ferskvand fra saltvand.

“Nu kan man forestille sig at bruge et HV‑system både til at producere rent vand og udnytte elektricitet på samme tid.”

– Anwar

Konklusion 

Med de stigende energi‑ og miljøproblemer er der behov for effektive, fleksible og miljøvenlige løsninger. Her kan hydrovoltaiske enheder være til stor hjælp, da de genererer elektrisk energi ved at udnytte den allestedsnærværende vandfordampning.

Dog kommer denne innovation ikke uden udfordringer. De viser sig som genereret effekt, der er utilstrækkelig til praktiske anvendelseskrav, usikkerheder omkring stabilitet og holdbarhed under virkelige forhold, samt forhindringer i at opnå store integrerede anvendelser. På trods af disse forhindringer er teknologien og forskningen i hydrovoltaiske materialer og enheder stadig i deres spæde start, og der er behov for mere avanceret teknologi og yderligere forskning for deres brede anvendelse.

Kort sagt har hydrovoltaiske enheder store fordele, som ikke kan ignoreres. I modsætning til komplekse, dyre og miljøskadelige løsninger, præsenterer dette en ny og lovende metode til energiproduktion i fremtiden. Og med tiden kan hydrovoltaiske enheder forventes at vokse til en levedygtig og bred industri.

Klik her for en liste over de ti bedste aktier inden for vedvarende energi at investere i.