Schwimmende Wasser‑Generatoren wandeln Regenwasser in erneuerbare Energie um

Die Energienachfrage steigt schnell. Im Jahr 2024 verzeichnete diese Welt einen Anstieg von 4,3 % bei der Stromnachfrage. Dies war ein deutlich größerer Anstieg als der im Vorjahr gemessene Anstieg von 2,5 %, der nahe an der durchschnittlichen Wachstumsrate der Stromnachfrage zwischen 2010 und 2023 lag.

Dieses Wachstum wird hauptsächlich durch das massive Wachstum von Rechenzentren getrieben, das durch die Explosion der KI‑Einführung und Elektrofahrzeuge verursacht wird, wobei die industrielle Expansion und der verstärkte Einsatz von Klimaanlagen ebenfalls erheblich beitragen.

Während fossile Brennstoffe im letzten Jahr mehr als die Hälfte (fast 60 %) der Stromerzeugung ausmachten, wobei Kohle die größte Quelle weltweit blieb, der Energiemix entwickelt sich tatsächlich. Laut der IEA machte die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien und Kernkraft zum ersten Mal in der Geschichte zwei Fünftel der gesamten globalen Erzeugung im Jahr 2024 aus.

Erneuerbare Energien waren insbesondere für ein Drittel der weltweiten Stromproduktion verantwortlich. Unter den erneuerbaren Quellen führt die Wasserkraft mit einem Anteil von 14 % an der gesamten Stromerzeugung, gefolgt von Wind mit 8 %, Solar‑PV mit 7 % und Bioenergie sowie Abfall mit nur 3 %.

Obwohl sie eine bedeutende Entwicklung hin zu sauberer Energie darstellen, ist der Beitrag der erneuerbaren Energien zur globalen Energieproduktion noch gering. Daher haben Forscher neue Technologien zur Energieumwandlung entwickelt, um die steigenden Anforderungen an den täglichen Stromverbrauch zu erfüllen.

Systeme, die Energie direkt aus der Umwelt sammeln, können insbesondere die Nutzung erneuerbarer Energiequellen erhöhen.

Hydrovoltaik: Regen- und Wasserkreisläufe in Strom umwandeln

Wasser ist ein entscheidendes Element des Lebens. Es macht nicht nur einen großen Teil unseres Körpers aus, sondern auch einen großen Teil der Erde. Es bedeckt 70 % unseres Planeten und ist die reichlichste Ressource, und es enthält eine erhebliche Menge an Energie in verschiedenen Formen, von denen ein Großteil weitgehend ungenutzt bleibt.

Eine Möglichkeit, diese Energie zu nutzen, ist die Wasserkraft, die die natürliche Strömung von fließendem Wasser zur Stromerzeugung nutzt.

Eine weitere leistungsstarke Methode, Energie aus dem natürlichen Wasserkreislauf zu gewinnen, ist die hydrovoltaische Technologie. Im Gegensatz zu herkömmlichen Technologien, die die kinetische Energie des Wassers nutzen, erzeugt die hydrovoltaische Technologie Strom aus der direkten Wechselwirkung eines Elektrodenmaterials mit Wasser.

Die hydrovoltaische Technologie ermöglicht tatsächlich die Entwicklung kostengünstiger und hocheffizienter Systeme, die thermische Energie direkt in elektrische Energie umwandeln können, indem Wasser mit Nanomaterialien wie Graphen, Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffnanopartikeln und leitfähigen Polymeren interagiert.

Die hier umgewandelte Energie wird durch Tropfen, Fluss, Schwankungen, Kondensation oder Verdampfung erzeugt und erhöht die Ausgangsleistung erheblich. Forschungen zeigen¹ dass die Nutzung von nur 1 % der verfügbaren Energie im weltweiten Wasser bei einer bloßen Effizienz von 1 % durch hydrovoltaische Technologie uns helfen kann, ein Drittel des weltweiten Energiebedarfs zu decken.

Daher sind auf dieser sich entwickelnden Technologie basierende Geräte entscheidend, um die Nachfrage einer energiehungrigen Welt nach erneuerbaren Energiequellen zu befriedigen.

Dies hat zu umfangreichen Forschungen an Tropfenenergie‑Generatoren geführt, einer Art hydrovoltaischer Technologie, die die mechanische Energie von Wassertröpfchen wie Regentropfen in Strom umwandelt. Aber Einschränkungen der aktuellen Technologie haben es nicht ermöglicht, die im Wasser enthaltene Energie effizient in elektrische Energie umzuwandeln.

Zum Beispiel kann ein traditioneller Tropfenenergie‑Generator, der auf dem triboelektrischen Effekt basiert und eine elektrische Ladung erzeugt, wenn zwei verschiedene Materialien in Kontakt kommen und sich dann trennen, Strom erzeugen, wenn ein Tropfen auf eine Oberfläche trifft. Der interfaciale Effekt begrenzt jedoch die Anzahl der auf der Oberfläche erzeugten Ladungen, was zu einer relativ niedrigen Energieumwandlungseffizienz führt.

Ein Forscherteam hat daher einen neuartigen „wasserintegrierten Tropfenstromgenerator“ entwickelt, der hohe Leistungen erzeugt, während er auf Oberflächen schwimmt, und einen Blick auf die nächste Generation leichter, hocheffizienter Geräte bietet. Laut der Studie:

„Wir gehen davon aus, dass diese Arbeit einen neuen Weg eröffnet, wasserähnliche natürliche Materialien zu nutzen, um hydrovoltaische Geräte zu konstruieren und landfreie großskalige Anwendungen voranzutreiben.“

Bevor wir jedoch in diese Forschung eintauchen, werfen wir zunächst einen Blick darauf, was in diesem Bereich geschehen ist.

Stand der Technik bei Tropfen‑Stromgeneratoren (DEGs)

Bewegende Wassertröpfchen wie Regentropfen sind weit verbreitet und tragen eine beträchtliche Menge kinetischer Energie, was vielversprechend für nachhaltige Stromerzeugung ist. Um die kinetische Energie von Wassertröpfchen zu nutzen, haben Forscher ihre Bemühungen auf DEGs konzentriert.

Der drohnenbasierte Stromgenerator (DEG) ist eine leistungsstarke Technologie und hat sich als effizienter Weg zur Energiegewinnung aus der natürlichen Umgebung erwiesen.

Er nutzt fallende Wassertröpfchen zur Stromerzeugung. Typischerweise besteht er aus zwei triboelektrischen Schichten und einem Paar Elektroden, wobei Ladungen getrennt werden, wenn ein Wassertröpfchen die Oberfläche trifft und dann abrutscht.

Die niedrigen Kosten, die einfache Struktur und die hohe Leistungsdichte von DEGs haben sie bei Forschern beliebt gemacht, um kinetische Energie aus Umweltwasserquellen zu gewinnen.

Allerdings wird seine breite Anwendung durch die komplexe Struktur und die niedrige Ausgangsleistungsdichte behindert. Ihre Anwendung ist auf landbasierte Nutzung beschränkt, was sie auch für Seen, Flüsse und Ozeane unpraktisch macht.

Weitere Herausforderungen bei DEGs umfassen erhebliche Leistungsabfälle im Laufe der Zeit in integrierten Systemen, Probleme mit der Materialbeständigkeit und den hohen Platzbedarf für großskalige Anwendungen.

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Die Forschung geht weiter mit dem Fokus auf Effizienzsteigerung durch bessere Designs, die Nutzung von natürlichem Wasser als Teil der Struktur oder die Optimierung von Materialien, wobei jüngste Innovationen leichte, kostengünstige und sogar schwimmende Geräte hervorgebracht haben.

Vor einigen Jahren entwickelte ein Forscherteam der City University of Hong Kong (CityU) einen DEG mit einer feld‑effekt‑transistor (FET)‑ähnlichen Struktur², der eine hohe Energieumwandlungseffizienz erreichte. Seine Sofortleistungsdichte war viel höher, etwa tausendfach höher, als die seiner Gegenstücke ohne FET‑ähnliche Struktur.

Ihre Arbeit hatte zwei Schlüsselfaktoren; einer war die Feststellung des Teams, dass wenn kontinuierliche Wassertröpfchen auf die Oberfläche von Polytetrafluorethylen (PTFE) treffen, einem Dielektrikum mit quasi‑permanenter elektrischer Ladung, die erzeugten Oberflächenladungen akkumulieren und allmählich die Sättigung erreichen. Dies half dem Team, die zuvor auftretende niedrige Ladungsdichte zu überwinden, indem es einen neuen Weg zur Ansammlung und Speicherung hochdichter Oberflächenladungen bot.

Der andere Faktor war ihr Design, dessen Schlüsselmerkmal ein einzigartiger Satz von Strukturen ähnlich einem FET war. Das Gerät besteht aus einer Aluminium‑Elektrode und einer PTFE/ITO‑Elektrode, die eine Indium‑Zinn‑Oxid‑Elektrode (ITO) mit einer darauf aufgebrachten PTFE‑Schicht beinhaltet. Wenn ein Tropfen die PTFE/ITO‑Oberfläche trifft und sich darüber ausbreitet, überbrückt er beide Elektroden und verwandelt das System in einen geschlossenen Stromkreis.

Das Design ermöglichte eine hohe Dichte an Oberflächenladungen, die auf dem PTFE gesammelt werden konnten. Und wenn das sich ausbreitende Wasser die beiden Elektroden verbindet, werden die auf dem PTFE gespeicherten Ladungen vollständig freigesetzt, um einen elektrischen Strom zu erzeugen.

Während sich das Design von CityU auf die Steigerung der Ladungsakkumulation konzentrierte, vereinfachte ein weiteres Team der Chinesischen Akademie der Wissenschaften die DEG‑Architektur, um sie skalierbarer zu machen.

Das Team chinesischer Forscher schlug vor³ einen DEG mit einer einfachen offenen Struktur vor, um den Selbstkapazitätseffekt der oberen Elektrode vollständig zu nutzen, um seine breitere Anwendung zu fördern.

Das Problem ist, dass es schwierig ist, kontinuierlich Energie für die elektrische Ausrüstung durch einen einzelnen oder mehrere DEGs bereitzustellen.

Wie das Team feststellte, ist beim Sammeln von großskaliger Regentropfenenergie in schrägen Gebäuden wie Schuppen eine einfache Methode, alle DEGs parallel zu schalten, um die Last zu versorgen, etwa eine Glühbirne. Daher haben sie, mit Bezug auf die Zellstruktur eines Solarpanels und durch volle Nutzung des Selbstkapazitätseffekts der oberen Elektrode, das SCE‑DEG mit einer einfachen offenen Struktur eingeführt, das hauptsächlich aus einer oberen und unteren Elektrode, einer PTFE‑Folien und einer Last besteht.

Die Elektroden hier müssen nicht miteinander verbunden sein, aber kann dennoch eine hohe Sofortleistung durch den Selbstkapazitätseffekt der oberen Elektrode erzielt werden, wodurch die Struktur viel einfacher und für die großskalige Verbreitung praktischer wird.

Bei Tests konnte es mit einem 61 μL Wassertröpfchen eine Ausgangsleistung von 212 mW erzeugen und Licht zu 100 handelsüblichen LEDs leiten.

Zuletzt haben Forscher des KTH Royal Institute of Technology, Schweden, die unteren Elektroden des DEG angepasst⁴, um ihre Fläche mit der Ausbreitungsfläche der auftreffenden Wassertröpfchen vergleichbar zu machen, was die durchschnittliche Ausgangsleistung einzelner Zellen verdoppelte.

Das Team fertigte außerdem großskalige (30‑Zellen) Arrays, die etwa 2,5‑mal höhere Leistung als aktuelle Arrays erreichten. Darüber hinaus integrierten sie ein großskaliges (400‑Zellen) Mikro‑Superkondensator‑Array (MSC), um den von dem 30‑Zellen‑Generator‑Array erzeugten Strom mit 21,8 % Effizienz zu speichern, ohne ein Leistungsmanagement‑Chip zu verwenden.

Diese Integration schafft ein selbstladendes Energiesystem (SCPS) mit einer Ausgangsleistung von 81,2 µW.

Nachdem das 30‑Zellen‑DEG‑Array die 400‑Zellen‑MSC‑Anordnung nur 30 Sekunden lang geladen hat, kann das integrierte SCPS eine LED für 60 Sekunden kontinuierlich betreiben, „was das Potenzial der Strategie zur Integration großskaliger DEG‑Arrays mit großskaligen ultrafast‑MSC‑Arrays zur Erstellung von SCPSs für hocheffiziente Energiegewinnung aus natürlichem Wasser für praktische Anwendungen nahelegt.“

Schwebender W‑DEG: Ein leichter, kostengünstiger Weg zur regenbasierten Energie

Jetzt haben Forscher der Nanjing University of Aeronautics and Astronautics eine neue Lösung entwickelt, einen schwimmenden DEG, der natürliches Wasser als Schlüsselelement seiner Struktur nutzt und damit einen leichten, erschwinglichen und umweltfreundlichen Weg zur Produktion erneuerbarer Energie bietet.

Anstatt einer Dielektrikumschicht, die auf einer starren Basis mit einer Metall‑Elektrode darunter sitzt, verwendet das neue Design Wasser als sowohl tragende Basis als auch leitende Elektrode. Dieser Ansatz, die Architektur Ober‑Elektrode‑Dielektrikum‑Wasser, reduziert das Materialgewicht und die Kosten um jeweils 87 % und 50 % im Vergleich zu älteren Modellen, während er ein ähnliches Niveau an elektrischer Leistung beibehält und in verschiedenen Arbeitsumgebungen große Haltbarkeit demonstriert.

Veröffentlicht im National Science Review⁵ beschreibt die Studie den ‚natur‑integrierten‘ Designansatz, der zur Entwicklung eines neuartigen wasserintegrierten schwimmenden DEG (W‑DEG) führte, das die elektrischen und strukturellen Funktionen des Wassers nutzt.

So funktioniert es: Wenn Regentropfen, eine Frischwasserquelle mit ungenutzter Energie, auf die schwimmende Dielektrikumschicht treffen, reagiert eine Folie aus fluoriertem Ethylen‑Propylen (FEP) sofort. Da sie chemisch inert ist, widersteht die dünne FEP‑Folien extremen Temperaturschwankungen, Korrosion sowie dem Wachstum von Algen und Bakterien.

Wenn sich der Tropfen ausbreitet, erzeugt er einen Strom von Ionen, wodurch ein Ladungstransfer zwischen dem oberen Bereich und dem unteren Bereich entsteht, was eine sehr kleine Menge Strom erzeugt. Die Oberfläche setzt sich zurück, wenn der Tropfen abprallt.

Die natürlichen Eigenschaften des Wassers bieten hier die mechanische Stabilität, die erforderlich ist, um den Aufprall zu absorbieren und die Tropfen effizient ausbreiten zu lassen, ohne zu biegen oder zu brechen.

Zu diesen natürlichen Eigenschaften gehören starke Oberflächenspannung und Inkompressibilität. Wasser wird als nahezu inkompressibel angesehen, was bedeutet, dass es unter Druck kaum komprimiert wird. Gleichzeitig erzeugt die starke Kohäsion zwischen Wassermolekülen, verursacht durch Wasserstoffbrücken, eine starke Oberflächenspannung.

Ionen im Wasser dienen gleichzeitig als Ladungsträger, wodurch es als zuverlässige Elektrode fungieren kann.

Zusammen ermöglichen diese Merkmale dem schwimmenden Generator, Spannungsspitzen von etwa 250 Volt pro Tropfen zu erzeugen, vergleichbar mit der Leistung traditioneller starrer Designs, die Metall verwenden.

Das Design ist zudem langlebig; Tests zeigen, dass der Generator die Leistung unter unterschiedlichen Bedingungen beibehielt, einschließlich verschiedener Salzkonzentrationen (bis zu 500 mmol Natriumchlorid), Temperaturen und sogar bei Kontakt mit Außenwasser von Seen, das Biofouling aufweist —ein erhebliches Problem für maritime Geräte.

Während viele Energiegeräte in rauen Umgebungen degradieren, arbeitet der schwimmende Generator dank der Widerstandsfähigkeit der wasserbasierten Struktur und der chemischen Inertheit der Dielektrikumschicht stabil weiter.

Bei Tests in hochsalzhaltigem Wasser behielt der Generator seine Funktionalität nach einer Woche Einsatz bei. Und wenn Schmutz darauf abgelagert wird, stellt eine einfache Reinigung die maximale Leistung wieder her.

Um die Stabilität ihres Geräts weiter zu erhöhen, nutzte das Team die hohe Oberflächenspannung des Wassers, um Abflusslöcher zu entwerfen, die Wasser nur in eine Richtung nach unten fließen lassen. Durch die Nutzung von Schwerkraft und Oberflächenspannung kann das Team so die Ansammlung von Verunreinigungen mindern und das Gerät sauber halten, wodurch ein selbstregulierendes System zur Entfernung überschüssiger Tropfen entsteht. Auf diese Weise wird Wasseransammlung vermieden, die sonst die Leistung reduzieren könnte.

Ein weiterer wichtiger Aspekt des schwimmenden W‑DEG ist die Skalierbarkeit. Mit einer Größe von 0,3 m² zeigten die Forscher einen deutlich größeren Tropfen‑Generator als bisher berichtete Modelle. Jeder dieser Generatoren erzeugt etwa 250 Volt pro Tropfen und kann gleichzeitig 50 LEDs betreiben.

Außerdem konnte das System Kondensatoren innerhalb weniger Minuten auf nützliche Spannungen aufladen. Das Team testete 10 W‑DEG‑Geräte und erzeugte simulierten Regen mit 120 Mock‑Regen­tropfen‑Spendern, dann wurde der Kondensator auf drei Volt geladen, was das Potenzial zeigt, drahtlose Sensoren und kleine Elektronik zu betreiben.

Mit weiterer Entwicklung könnten diese Systeme genutzt werden, um erneuerbare Elektrizität aus Seen, Stauseen oder Küstenregionen zu gewinnen, ohne wertige Landressourcen zu beanspruchen.

„Indem wir Wasser selbst sowohl strukturelle als auch elektrische Rollen übernehmen lassen, haben wir eine neue Strategie für die Tropfen‑Stromerzeugung erschlossen, die leicht, kostengünstig und skalierbar ist“, sagte der Mitautor der Studie, Professor Wanlin Guo. „Damit öffnen wir die Tür zu landfreien hydrovoltaischen Systemen, die andere erneuerbare Technologien wie Solar und Wind ergänzen können.“

In Regionen, die häufigen Regenfall erleben, könnte der schwimmende Tropfen‑Stromgenerator eine verteilte Energielösung bieten, die Off‑Grid‑Anwendungen versorgt oder lokale Netze ergänzt.

Im Vergleich zu einem traditionellen Tropfen‑Generator, der etwa 210 Yuan (ca. 29,50 $) pro Quadratmeter kostet und über vier Kilogramm (ca. 8,818 Pfund) wiegt, kostet die schwimmende Version des Teams etwa 106 Yuan (weniger als 15 $) und wiegt nur 0,5 Kilogramm (1,1 Pfund).

Zusätzlich zur Regenwassernutzung kann das Gerät dank seiner Fähigkeit, natürlich auf Wasseroberflächen zu schwimmen, weitere Anwendungen finden. Beispielsweise kann es in verschiedenen aquatischen Umgebungen eingesetzt werden, um Umweltsensor‑Systeme zu betreiben, die Verschmutzung, Wasserqualität oder Salzgehalt überwachen.

Sein ‚natur‑integriertes Design‘, bei dem das natürlich reichlich vorhandene Material als funktionale Komponente verwendet wird, könnte auch neue Ansätze in umweltbasierten Technologien inspirieren.

Bevor das Gerät jedoch in großem Maßstab eingesetzt werden kann, müssen zunächst Herausforderungen angegangen werden. Die unterschiedliche Größe und Geschwindigkeit echter Regentropfen bedeutet, dass die Leistung des Geräts beeinflusst werden kann. Zusätzlich ist weitere Ingenieurarbeit nötig, um die Robustheit und Haltbarkeit großer Dielektrikumschichten unter dynamischen Außenbedingungen sicherzustellen.

Trotz dieser Herausforderungen waren die Laborergebnisse vielversprechend, und die Demonstration eines effizienten, langlebigen und skalierbaren Prototyps markiert einen wichtigen Schritt zu praktischen Anwendungen des wasserintegrierten schwimmenden DEG (W‑DEG).

Investitionen in Wassergewinnungstechnologien

Xylem ist ein globales Wassertechnologieunternehmen, das sich auf intelligentes Wassermanagement konzentriert und in die Integration von Sensoren, Überwachung und Wasserdurchflusssystemen eingebunden ist.

Sein Segment Water Infrastructure bietet Produkte wie Aufbereitungsanlagen, Wasser, Abwasser sowie Regenwasserpumpen und -steuerungen. Das Segment Applied Water umfasst Produkte einschließlich Pumpen, Ventile, Wärmetauscher und Dosieranlagen, während das Segment Measurement & Control Solutions (MCS) fortschrittliche Lösungen für die intelligente Nutzung kritischer Ressourcen entwickelt, sowie analytische Instrumente für Wassertests bereitstellt. Das Segment Integrated Solutions & Services liefert Ausrüstungssysteme für Industrie und Kommunen.

Xylem nutzt zudem KI, um den Wasserfluss zu überwachen und Lecks in Echtzeit zu erkennen. Dies ermöglicht es, Probleme rechtzeitig zu erkennen und dann schnell zu beheben, Wasser zu sparen und Kosten zu senken.