HydroVoltaik – Strom aus Verdunstung gewinnen

Neue Forschungen zeigen, dass nanoskalige Geräte zur Gewinnung von Strom aus der Verdunstung von Flüssigkeiten eingesetzt werden können und ein großes Energi­potential offenbaren, das bisher noch nicht vollständig genutzt wird.

Verdunstung ist ein natürlicher Prozess. Einfach ausgedrückt handelt es sich um eine Form der Verdampfung, die an der Oberfläche einer Flüssigkeit stattfindet, wenn sie in Gas übergeht. Sie ist überall um uns herum, aber wir schenken ihr kaum Beachtung.

Interessanterweise treibt etwa die Hälfte der Solarenergie die die Erde erreicht, Verdunstungsprozesse an. Verdunstung, die einen kontinuierlichen Energieaustausch im globalen Wasserkreislauf ermöglicht, ist eine erneuerbare Energiequelle, die laut Studie bislang ungenutzt bleibt.

Wasser, das in Hülle und Fülle vorhanden ist, da es über 70 % der Erdoberfläche bedeckt, enthält Tonnen von Energie in Form von chemischer, thermischer und kinetischer Energie, aber nur ein kleiner Teil wird genutzt. Bezüglich des gesamten Stromerzeugungspotenzials natürlicher Verdunstung aus Seen und Stauseen wird für die USA allein ein geschätztes Potenzial von 325 GW angegeben. Das entspricht über 69 % der US‑Stromerzeugungsrate im Jahr 2015, so die Studie.

Daher arbeiten Forscher seit vielen Jahren daran, das Energie­potential der Verdunstung zu nutzen. Dies wird über zahlreiche Geräte erforscht, wie selbstbetriebene Generatoren, Hybridsysteme und Tandem‑Geräte. Die Forschung hat über die Jahre viel Aufmerksamkeit auf verdunstungsgetriebene hydrovoltaische Geräte gelenkt, insbesondere dank des Fortschritts in Nanomaterialien und Nanotechnologie.

Dazu wollen wir uns den HV‑Effekt anschauen, der nanostrukturierte Materialien befähigt, in Wechselwirkung mit Wasser Strom zu erzeugen. Wasser kann dabei von Tröpfchen, Feuchtigkeit und Flüssigkeit bis hin zur Verdunstung reichen. Im HV‑Effekt erzeugt die Verdunstung einen konstanten Fluss innerhalb von Nanokanälen in diesen Geräten. Dieser Effekt ist auch in den Mikrokapillaren von Pflanzen zu beobachten, wo der Wassertransport durch eine Kombination aus Kapillardruck und natürlicher Verdunstung erfolgt.

Vier Mechanismen werden hauptsächlich als verantwortlich für diesen HV‑Effekt angesehen: Streaming, Pseudo‑Streaming, Iongradient‑Diffusion und der Elektron‑Drag‑Effekt. Der hydrovoltaische Effekt erweitert potenziell die technische Fähigkeit, Wasserenergie zu ernten, und ermöglicht die Schaffung selbstbetriebener Geräte.

Jetzt haben Forscher der schweizerischen öffentlichen Forschungsuniversität EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) Fördermittel von der Schweizerischen Nationalen Wissenschaftsfond (SNSF) über den Koreanisch‑Schweizerischen Fonds für Wissenschafts‑ und Technologiekooperation sowie das Swiss Government Excellence Fellowship erhalten. Die experimentellen Einrichtungen der EPFL, das Interdisziplinäre Zentrum für Elektronenmikroskopie (CIME) und das Zentrum für Mikro‑Nano‑Technologie (CMi), sind ebenfalls an der Gewinnung von Energie aus Flüssigkeitsverdunstung beteiligt, die höhere Ionenkonzentrationen enthält als gereinigtes Wasser.

Hydrovoltaische Geräte existieren bereits, jedoch ist wenig über die physikalischen Phänomene bekannt, die die HV‑Produktion im Nanomaßstab steuern. Es fehlt zudem an funktionalem Verständnis der Bedingungen, was diese Studie zu korrigieren versucht.

Früher diesen Monat in der Cell‑Press‑Zeitschrift Device veröffentlicht, die Studie des Laboratoriums für Nanowissenschaften für Energietechnologie (LNET) mit dem Titel „Salzabhängige interfaciale Phänomene zur Optimierung hydrovoltaischer Geräte“ wurde von Giulia Tagliabue und Tarique Anwar durchgeführt.

Die Studie experimentierte mit Multiphysik‑Modellierung, um Fluid‑ und Ionenflüsse sowie elektrostatische Effekte aufgrund von Fest‑Flüssig‑Interaktionen zu spezifizieren, mit dem Ziel, HV‑Geräte zu optimieren.

Laut Tagliabue, Leiterin des LNET an der School of Engineering, ist dies die erste Studie, die hydrovoltaische Phänomene dank ihrer neuen, hochkontrollierten Plattform quantifiziert. Diese Phänomene werden gemessen, indem die Bedeutung verschiedener interfacialer Interaktionen hervorgehoben wird.

Während dieses Prozesses entdeckte das Team eine bedeutende Erkenntnis über die Fähigkeit hydrovoltaischer Geräte, über einen breiten Salinitätsbereich zu arbeiten. Tagliabue stellte fest, dass dies dem früheren Glauben widerspricht, dass hochgereinigtes Wasser für optimale Leistung notwendig sei.

Das Multiphysik‑Modell

Kürzlich haben Studien zum verdunstungsgetriebenen Fluidfluss in Materialien, die auf Nanoskala mikrostrukturiert sind, einen neuen Weg eröffnet, erneuerbare oder grüne Energie zu erzeugen, indem thermische Energie über einen elektrokinetischen Pfad in elektrische Energie umgewandelt wird. Leistungsverbesserungen werden hier vor allem durch die Optimierung der Elektrodenkontakte vorangetrieben.

Allerdings begrenzen das Fehlen von Modellierungswerkzeugen und offene Fragen zu den geometrischen und chemischen Eigenschaften des Systems sowohl die Leistung als auch den Anwendungsbereich dieser aufstrebenden Technologie, der Hydrovoltaik‑Geräte (HV), für nachhaltige Energieerzeugung.

Daher entwickelten die Forscher ein quantitatives Multiphysik‑Modell und nutzten geordnete Anordnungen von Silizium‑Nanopfeilchen (Si‑NPs), die an die Oberfläche das bisher Unentdeckte brachten. Die Studie ergab, dass die Oberflächenladung, die von der Ionenkonzentration und der Mobilität der Ionen abhängt, mehrere lokale Maxima in der Leerlaufspannung (VOC) steuert, wobei ideale Bedingungen von den traditionellen Erwartungen niedriger Konzentrationen abweichen.

Zudem können strukturelle Asymmetrien ein elektrostatisches Potential erzeugen, das die HV‑Leistung verbessert. Darüber hinaus bestätigt die Studie die Ion‑Adsorption und Ladungsinversion für viele monovalente Kationen, sodass solche Geräte selbst bei hohen Konzentrationen funktionieren können.

Das von dem Forschungsteam entwickelte HV‑Gerät besteht aus zentimeter‑großen regulären Anordnungen von Si‑NPs, die in einem p‑Typ‑Siliziumwafer geätzt wurden. Das Team nutzte anschließend eine Kombination aus kolloidaler Lithografie und metallunterstützter chemischer Ätzung (MACE), um den Abstand des hexagonalen NP‑Gitters festzulegen, während Länge und Durchmesser im Bereich von 1,23–4,4 µm bzw. 420–560 nm variiert wurden. Durch die Änderung der Si‑NP‑Abmessungen konnten sie die Geometrie der Nanokanäle und die Fest‑Flüssig‑Oberfläche gezielt steuern.

Das hydrovoltaische Gerät in dieser Studie stellt die erste Anwendung der Nanokugel‑kolloidalen Lithografie‑Technik dar, die es den Forschern ermöglichte, ein hexagonales Netzwerk präzise platzierter Si‑NPs zu bilden. Die Zwischenräume zwischen diesen Silizium‑Nanopfeilchen bildeten den perfekten Durchgang für die Verdunstung von Fluiden. Dies kann weiter feinjustiert werden, um die Effekte von Fluid‑Einschluss und der Fest‑Flüssig‑Kontaktfläche besser zu verstehen.

Anwar, ein PhD‑Student am LNET, erklärte, dass die meisten fluidischen Systeme mit Salzwasserlösungen eine gleiche Anzahl positiver und negativer Ionen besitzen. Durch die Einschränkung des Fluids auf einen Nanokanal erhalten wir jedoch nur jene „Ionen mit einer Polarität, die der Oberflächenladung entgegengesetzt ist.“ Durch das Durchfließen des Fluids im Nanokanal können somit Strom und Spannungen erzeugt werden, fügte er hinzu.

Das Verständnis der grundlegenden Mechanismen von Spannungs‑ und Stromerzeugung in HV‑Geräten erfordert gleichzeitig die Kontrolle über die Eigenschaften der Fest‑Flüssig‑Schnittstelle und die Nanokonfinierung des Fluids, also die Geometrie des Nanokanals.

Zusammenfassend zeigte die Studie eine hohe Leistungsdichte von 8 µW/cm² bei 0,1 M, wobei die Leistung mit der von Geräten vergleichbar ist, die mit Leitungswasser betrieben werden, jedoch mit „zwei Größenordnungen höheren Konzentrationen“ als bisher berichtet. Dies ebnet den Weg für eine breitere Anwendbarkeit von HV‑Systemen über verschiedene Salinitätsbereiche hinweg, wobei optimale Betriebsbedingungen durch unterschiedliche interfaciale Phänomene bestimmt werden.

Wie Tagliabue erklärte, kann das chemische Gleichgewicht der Oberflächenladung des Nanogeräts genutzt werden, um den Betrieb von HV‑Geräten über die gesamte Salinitätskala zu erweitern. Steigt die Ionenkonzentration des Fluids, erhöht sich auch die Oberflächenladung des Nanogeräts, wodurch wir „größere Fluidkanäle nutzen können, während wir mit höher konzentrierten Fluiden arbeiten. Das erleichtert die Fertigung von Geräten für Leitungs‑ oder Meerwasser im Vergleich zu ausschließlich gereinigtem Wasser“, sagte Tagliabue.

Auf diese Weise argumentiert die Studie, dass sie wichtige Einblicke und ein Design‑Tool zur Optimierung verdunstungsgetriebener hydrovoltaischer (EDHV) Geräte bietet und gleichzeitig auf breitere Anwendungsmöglichkeiten für diese selbstbetriebenen Systeme hinweist.

Die Studie stellt fest, dass die Leistungskennzahl ihrer Leerlaufspannung (VOC) durch Erhöhung der Verdunstungsrate verbessert werden kann. Abhängig von der Oberflächenladung und der Geometrie der Nanokonfinierung kann die VOC durch eine fünffache Steigerung der Verdunstungsrate verdoppelt werden, was bedeutet, dass die Leistung bis zu viermal erhöht werden kann.

Dies liegt hauptsächlich an der Verstärkung des Streaming‑Stroms, erfordert jedoch ein tieferes Verständnis der Fluiddynamik in diesen Geräten, um bestätigt zu werden.

Spannende potenzielle Anwendungen hydrovoltaischer Geräte

Wasserdampf ist überall auf der Erde vorhanden und bietet daher eine große Chance, insbesondere für die Stromerzeugung und zur Linderung des globalen Energieengpasses. Dafür können hydrovoltaische Geräte Energie auf verschiedene Weise extrahieren, etwa durch den Bau einer asymmetrischen Struktur.

Die Stromerzeugung hängt jedoch von den Eigenschaften der Flüssigkeit ab, einschließlich ihres Typs und der Konzentration des gelösten Stoffs in der Lösung. Das liegt daran, dass die Erzeugung elektrischer Energie im HV‑Effekt mit der Ansammlung von Ladungsträgern verbunden ist, die durch eine elektrische Doppelschicht (EDL) an der Flüssig‑Fest‑Schnittstelle entstehen.

Trotz dieser Herausforderungen besitzen hydrovoltaische Geräte ein enormes Potenzial, da die Verdunstung über ein breites Temperatur‑ und Feuchtigkeitsband kontinuierlich stattfindet. Das macht HV‑Geräte für zahlreiche spannende Anwendungen geeignet, darunter Stromversorgung, ganzjährig zuverlässige Energieerzeugung sowie Wassergewinnung und Entsalzung.

Die Studie ergab, dass für Süßwasserbedingungen das Überlappen der EDL erforderlich ist und unter niedriger Gesamtoberflächenladung und hoher Konfinierung, also kleinem Nanokanal, realisiert werden kann. Durch Vergrößerung der Oberfläche oder Ladung werden jedoch größere Nanokanalgrößen machbar.

Bei Meerwasserbedingungen kann ein Optimum bei großem Porendurchmesser (Dp‑Werte >100 nm) durch Steuerung der Oberflächenladung geschaffen werden, was darauf hindeutet, dass eine geometrische Konfinierung im Nanometer‑Bereich vermieden werden kann und die Skalierbarkeit dieser Geräte erleichtert.

Bei hohen Salinitätswerten kann die Ladungsinversion genutzt werden, indem die Fest‑Flüssig‑Schnittstelle und die anfängliche Oberflächenladung minimiert werden. Der Betrieb bei solch hohen Konzentrationen und langfristig kann jedoch aufgrund von Ion‑Adsorption und Salz­kristallisation eine Herausforderung darstellen, da dies die Eigenschaften der Oberfläche und der Nanostrukturgeometrie direkt beeinflusst. Daher schrieben die Forscher, dass weitere Untersuchungen nötig sind.

Die Forscher der Studie hoffen zudem, das vielfältige Potenzial des Geräts mit Unterstützung der fördernden Organisationen zu erforschen, um diese aufstrebende Technologie zu verstehen und zu analysieren.

Eine der unterstützenden Organisationen, die Schweizerische Nationale Wissenschaftsfond (SNSF), die vom Bundesrat beauftragt ist, hat das Ziel, Energie aus Verdunstung zu nutzen und ein völlig „neues Paradigma für Abwärmerückgewinnung und erneuerbare Energieerzeugung in großen und kleinen Maßstäben“ zu entwickeln. Dazu gehört ein Prototyp‑Modul in realen Situationen am größten See Mitteleuropas, dem Genfersee, um Daten zur hydrovoltaischen Erzeugung an alpinen Seen zu sammeln.

Die SNSF unterstützt seit vielen Jahren energiebezogene Projekte, um zur Entwicklung von Wissen und Fachkompetenz für die zukünftige Nutzung beizutragen. Diese Projekte decken Energieerzeugung, Speicherung, Verteilung und Management sowie Effizienz ab.

Tagliabue erhielt 2022 das SNSF‑Starting‑Grant, das über fünf Jahre CHF 1,8 Millionen bereitstellt. Diese Finanzierung hilft dem Team, „unsere Anstrengungen zur Nano‑Engineering von hydrovoltaischen Geräten für die erneuerbare Energieerzeugung auszubauen“, sagte Tagliabue.

Sie sagte damals:

„Durch die Etablierung des notwendigen grundsätzlichen Verständnisses, von Modellierungswerkzeugen und Ingenieurstrategien wird dieses Projekt einen disruptiven Beitrag dazu leisten, Verdunstung zu einer weit verbreiteten, sicheren und kontinuierlichen erneuerbaren Energiequelle für große und kleine Maßstäbe zu machen.“

HV‑Geräte bieten eine große Chance, und weil sie überall dort funktionieren können, wo Flüssigkeit vorhanden ist – sogar Schweiß – besitzen sie zudem Potenzial für den Einsatz in Sensoren. Das umfasst alles von Gesundheits‑ und Fitness‑Wearables bis hin zu Smart‑TVs.

Tagliabue interessiert sich zudem dafür, wie Licht‑ und photothermale (mit elektromagnetischer Strahlung zusammenhängende) Effekte genutzt werden könnten, um Oberflächenladungen und Verdunstungsraten in HV‑Systemen zu steuern.

Abschließend sehen die Forscher eine Symbiose zwischen HV‑Systemen und der Erzeugung von sauberem Wasser, wobei Anwar darauf hinweist, wie natürliche Verdunstung für Entsalzungsprozesse genutzt wird. Das Kondensieren des von einer verdunstenden Oberfläche erzeugten Dampfes ermöglicht die Gewinnung von Frischwasser aus Salzwasser.

„Man könnte sich vorstellen, ein HV‑System gleichzeitig zur Produktion von sauberem Wasser und zur Gewinnung von Strom zu nutzen.“

– Anwar

Fazit

Angesichts der ständig wachsenden Energie‑ und Umweltprobleme besteht ein Bedarf an effizienten, flexiblen und umweltfreundlichen Lösungen. Hier können hydrovoltaische Geräte enorm helfen, da sie elektrische Energie durch die allgegenwärtige Verdunstung von Wasser erzeugen.

Diese Innovation bringt jedoch auch Herausforderungen mit sich. Sie äußern sich in einer erzeugten Leistung, die hinter den Anforderungen praktischer Anwendungen zurückbleibt, Unsicherheiten bezüglich Stabilität und Haltbarkeit unter realen Bedingungen sowie Hürden bei der Realisierung großflächiger integrierter Anwendungen. Trotz dieser Hindernisse befinden sich die Technologie und die Forschung zu hydrovoltaischen Materialien und Geräten noch in den Kinderschuhen, und es besteht Bedarf an weiterentwickelten Technologien und mehr Forschung für eine breite Nutzung.

Kurz gesagt, hydrovoltaische Geräte besitzen große Vorteile, die nicht ignoriert werden können. Im Gegensatz zu komplexen, teuren und umweltschädlichen Lösungen stellt dies eine neuartige und vielversprechende Methode zur Stromerzeugung in der Zukunft dar. Und mit der Zeit können hydrovoltaische Geräte zu einer tragfähigen und breiten Industrie heranwachsen.

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