Υδροβολταϊκά – Εκμετάλλευση Ηλεκτρισμού από Εξάτμιση

Νέα έρευνα δείχνει ότι συσκευές νανοκλίμακας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη συλλογή ηλεκτρισμού από την εξάτμιση υγρών, αποκαλύπτοντας ένα μεγάλο ενεργειακό δυναμικό που δεν έχει ακόμη αξιοποιηθεί σωστά.

Η εξάτμιση είναι μια φυσική διαδικασία. Σε απλούς όρους, είναι μια μορφή εξάτμισης που συμβαίνει στην επιφάνεια ενός υγρού καθώς μετατρέπεται σε αέριο. Είναι παντού γύρω μας, αλλά δεν της δίνουμε ιδιαίτερη προσοχή.

Αξιοσημείωτο, περίπου το ήμισυ της ηλιακής ενέργειας που φτάνει στη Γη κινεί διαδικασίες εξάτμισης. Η εξάτμιση, η οποία επιτρέπει μια συνεχόμενη ανταλλαγή ενέργειας στον παγκόσμιο υδρολογικό κύκλο, είναι μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας που παραμένει μέχρι στιγμής αχρησιμοποίητη, σύμφωνα με τη μελέτη.

Το νερό, που είναι άφθονο δεδομένου ότι καλύπτει πάνω από 70% της επιφάνειας του πλανήτη μας, περιέχει τεράστιες ποσότητες ενέργειας με τη μορφή χημικής, θερμικής και κινητικής ενέργειας, αλλά λίγη από αυτή αξιοποιείται. Όσον αφορά το συνολικό δυναμικό παραγωγής ενέργειας από τη φυσική εξάτμιση σε λίμνες και δεξαμενές, μόνο οι ΗΠΑ έχουν εκτιμώμενο δυναμικό παραγωγής 325 GW. Αυτό αντιπροσωπεύει πάνω από 69% του ρυθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας των ΗΠΑ το 2015, σημειώνει η μελέτη.

Ως εκ τούτου, τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές εργάζονται για την αξιοποίηση του ενεργειακού δυναμικού της εξάτμισης. Αυτό διερευνάται μέσω πολλών συσκευών, όπως αυτόνομους γεννήτριες, υβριδικά συστήματα και ταυτόχρονες συσκευές. Η έρευνα με την πάροδο του χρόνου έχει ελκύσει μεγάλη προσοχή στις συσκευές υδροβολταϊκής ενέργειας που λειτουργούν με εξάτμιση, ιδιαίτερα με την πρόοδο στα νανουλικά και τη νανοτεχνολογία.

Για το σκοπό αυτό, ας εξετάσουμε το φαινόμενο HV, το οποίο επιτρέπει στα νανοδομημένα υλικά να παράγουν ηλεκτρισμό σε αλληλεπίδραση με το νερό. Το νερό εδώ μπορεί να είναι οτιδήποτε από σταγόνες, υγρασία και υγρό έως εξάτμιση. Έτσι, στο φαινόμενο HV, η εξάτμιση παράγει μια σταθερή ροή μέσα σε νανοκανάλια αυτών των συσκευών. Αυτό το φαινόμενο παρατηρείται επίσης στα μικροκαπιλαρικά των φυτών, όπου η μεταφορά νερού συμβαίνει λόγω συνδυασμού καπιλαρικής πίεσης και φυσικής εξάτμισης.

Τέσσερις μηχανισμοί θεωρούνται κυρίως υπεύθυνοι για αυτό το φαινόμενο HV: ροή (streaming), ψευδο‑ροή (pseudo‑streaming), διάχυση ιοντικού βαθμού, και το φαινόμενο σύρσης ηλεκτρονίων. Το υδροβολταϊκό φαινόμενο ενδέχεται να επεκτείνει την τεχνική δυνατότητα εκμετάλλευσης της ενέργειας του νερού και να επιτρέψει τη δημιουργία αυτόνομων συσκευών.

Τώρα, ερευνητές του ελβετικού δημόσιου ερευνητικού πανεπιστημίου EPFL (Swiss Federal Institute of Technology Lausanne) έλαβαν χρηματοδότηση από το Ελβετικό Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (SNSF) μέσω του Ταμείου Συνεργασίας Επιστήμης και Τεχνολογίας Κορέας‑Ελβετία και της Υποτροφίας Αριστείας της Ελβετικής Κυβέρνησης. Οι πειραματικές εγκαταστάσεις του EPFL, το Διεπιστημονικό Κέντρο Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας (CIME) και το Κέντρο Μικρο‑Νανοτεχνολογίας (CMi), συμμετέχουν επίσης στην εκμετάλλευση ενέργειας από την εξάτμιση υγρού που περιέχει υψηλότερες συγκεντρώσεις ιόντων από εκείνα που βρίσκονται σε καθαρό νερό.

Το θέμα είναι ότι οι υδροβολταϊκές συσκευές ήδη υπάρχουν, ωστόσο, δεν είναι πολύ γνωστές οι φυσικές φαινόμενες που διέπουν την παραγωγή HV σε νανοκλίμακα. Υπάρχει επίσης έλλειψη λειτουργικής κατανόησης των συνθηκών, κάτι που αυτή η μελέτη επιδιώκει να διορθώσει.

Δημοσιεύτηκε νωρίτερα αυτόν τον μήνα στο περιοδικό Cell Press Device, η μελέτη από το Εργαστήριο Νανοεπιστήμης για την Ενεργειακή Τεχνολογία (LNET) με τίτλο “Salinity-dependent interfacial phenomena toward hydrovoltaic device optimization” διεξάγεται από τη Giulia Tagliabue και τον Tarique Anwar.

Η μελέτη πειραματίστηκε με μοντελοποίηση πολλαπλών φυσικών φαινομένων για τον καθορισμό ροών υγρού, ροών ιόντων και ηλεκτροστατικών επιδράσεων λόγω αλληλεπιδράσεων στερεού‑υγρού, με στόχο τη βελτιστοποίηση των συσκευών HV.

Σύμφωνα με τη Tagliabue, η οποία είναι επικεφαλής του LNET στη Σχολή Μηχανικής, αυτή είναι η πρώτη μελέτη που ποσοτικοποιεί τα υδροβολταϊκά φαινόμενα χάρη στην νέα και εξαιρετικά ελεγχόμενη πλατφόρμα τους. Αυτά τα υδροβολταϊκά φαινόμενα μετρώνται επιδεικνύοντας τη σημασία διαφόρων διασυνοριακών αλληλεπιδράσεων.

Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, η ομάδα ανακάλυψε ένα σημαντικό εύρημα σχετικά με την ικανότητα των υδροβολταϊκών συσκευών να λειτουργούν σε ευρύ φάσμα αλατότητας. Αυτό, σημείωσε η Tagliabue, αντιφάσκει με την προηγούμενη πεποίθηση ότι το εξαιρετικά καθαρό νερό είναι απαραίτητο για βέλτιστη απόδοση.

Το Πολυφυσικό Μοντέλο

Πρόσφατες μελέτες ροής υγρού που προκαλείται από εξάτμιση σε υλικά μικροδομημένα σε νανοκλίμακα έχουν δημιουργήσει έναν νέο τρόπο για να παράγουν ανανεώσιμη ή πράσινη ενέργεια, που είναι η μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική μέσω μιας ηλεκτροκινητικής διαδρομής. Οι βελτιώσεις που σχετίζονται με την απόδοση εδώ καθοδηγούνται από τη βελτιστοποίηση των επαφών των ηλεκτροδίων.

Ωστόσο, η έλλειψη εργαλείων μοντελοποίησης και ερωτήματα σχετικά με τα γεωμετρικά και χημικά χαρακτηριστικά του συστήματος περιορίζουν τόσο την απόδοση όσο και το εύρος εφαρμογών αυτής της αναδυόμενης τεχνολογίας, των υδροβολταϊκών (HV) συσκευών, για τη βιώσιμη παραγωγή ενέργειας.

Έτσι, οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα ποσοτικό πολυφυσικό μοντέλο και αξιοποίησαν τακτοποιημένες σειρές πυραμίδων πυριτίου (Si NPs) που έφεραν στην επιφάνεια ό,τι προηγουμένως ήταν ανεξερεύνητο. Σημαντικό είναι ότι η μελέτη διαπίστωσε ότι το φορτίο της επιφάνειας, το οποίο εξαρτάται από τη συγκέντρωση ιόντων καθώς και από την κινητικότητα των ιόντων, καθοδηγεί πολλαπλά τοπικά μέγιστα στην τάση ανοιχτού κυκλώματος (VOC), με ιδανικές συνθήκες που αποκλίνουν από τις παραδοσιακές προσδοκίες χαμηλής συγκέντρωσης.

Επιπλέον, οι δομικές ασυμμετρίες μπορούν να δημιουργήσουν ένα ηλεκτροστατικό δυναμικό που ενισχύει την απόδοση των HV. Επιπλέον, η μελέτη επιβεβαιώνει την προσρόφηση ιόντων και την αντιστροφή του φορτίου για πολλά μονοβαρή κατιόντα, επιτρέποντας σε τέτοιες συσκευές να λειτουργούν ακόμη και σε υψηλές συγκεντρώσεις.

Η συσκευή HV που ανέπτυξε η ερευνητική ομάδα αποτελείται από κανονικές σειρές Si NPs κλίμακας εκατοστών, χαραγμένες σε π‑τύπου πυρίτιο. Η ομάδα χρησιμοποίησε συνδυασμό κολλοειδούς λιθογραφίας και χημικής χαραγτικής με υποβοήθηση μετάλλου (MACE) για να καθορίσει την απόσταση της εξαγωνικής διάταξης των NPs, ενώ ταυτόχρονα μεταβλήθηκαν το μήκος και η διάμετρός τους στο εύρος 1,23‑4,4 μμ και 420‑560 nm, αντίστοιχα. Με την αλλαγή των διαστάσεων των Si NP, μπόρεσαν να ελέγξουν άμεσα τη γεωμετρία των νανοκαναλιών και την επιφάνεια στερεού‑υγρού όπως απαιτείται.

Η υδροβολταϊκή συσκευή σε αυτή τη μελέτη αντιπροσωπεύει την πρώτη εφαρμογή της τεχνικής κολλοειδούς λιθογραφίας νάνοςφαιρών, επιτρέποντας στους ερευνητές να σχηματίσουν ένα εξαγωνικό δίκτυο ακριβώς τοποθετημένων Si NPs. Οι κενές περιοχές μεταξύ αυτών των πυραμίδων πυριτίου δημιούργησαν το ιδανικό πέρασμα για την εξάτμιση υγρών. Αυτό μπορεί να ρυθμιστεί περαιτέρω για καλύτερη κατανόηση των επιδράσεων του περιορισμού του υγρού και της περιοχής επαφής στερεού/υγρού.

Ο Anwar, διδακτορικός φοιτητής στο LNET, εξήγησε ότι τα περισσότερα υδραυλικά συστήματα με αλμυρές διαλύσεις έχουν ίσο αριθμό θετικών και αρνητικών ιόντων. Αλλά περιορίζοντας το υγρό σε ένα νανοκανάλι, μπορούμε να πάρουμε μόνο εκείνα τα «ιόντα με πολικότητα αντίθετη προς αυτή του φορτίου της επιφάνειας». Έτσι, επιτρέποντας στο υγρό να ρέει μέσω του νανοκαναλιού, μπορούμε να παράγουμε ρεύμα και τάσεις, πρόσθεσε.

Η κατανόηση των θεμελιωδών μηχανισμών παραγωγής τάσης και ρεύματος στις συσκευές HV απαιτεί ταυτόχρονα έλεγχο των ιδιοτήτων της διεπαφής στερεού‑υγρού και του νανοπεριορισμού του υγρού, που είναι η γεωμετρία του νανοκαναλιού.

Συμπερασματικά, η μελέτη έδειξε υψηλή πυκνότητα ισχύος 8 μW/cm² σε 0,1 M, χρησιμοποιώντας απόδοση ισχύος συγκρίσιμη με αυτή των συσκευών που λειτουργούν με νερό βρύσης, αλλά με «δύο τάξεις μεγέθους υψηλότερες συγκεντρώσεις» από ό,τι είχε αναφερθεί ποτέ πριν. Αυτό ανοίγει το δρόμο για ευρύτερη εφαρμοσιμότητα των συστημάτων HV σε διαφορετικές κλίμακες αλατότητας, με τις βέλτιστες συνθήκες λειτουργίας να καθορίζονται από διακριτά διασυνοριακά φαινόμενα.

Όπως εξήγησε η Tagliabue, η χημική ισορροπία του φορτίου της επιφάνειας της νανοσυσκευής μπορεί να αξιοποιηθεί για την επέκταση της λειτουργίας των συσκευών HV σε όλη την κλίμακα αλατότητας. Έτσι, καθώς αυξάνεται η συγκέντρωση των ιόντων του υγρού, αυξάνεται επίσης το φορτίο της επιφάνειας της νανοσυσκευής, επιτρέποντάς μας να «χρησιμοποιούμε μεγαλύτερα κανάλια υγρού ενώ δουλεύουμε με υγρά υψηλότερης συγκέντρωσης. Αυτό διευκολύνει την κατασκευή συσκευών για χρήση με νερό βρύσης ή θαλασσινό, αντί μόνο με καθαρό νερό», δήλωσε η Tagliabue.

Με αυτόν τον τρόπο, η μελέτη υποστηρίζει ότι προσφέρει βασική κατανόηση και ένα εργαλείο σχεδίασης για τη βελτιστοποίηση των εξάτμισης‑προσανατολισμένων υδροβολταϊκών (EDHV) συσκευών, καθώς και δείχνει ευρύτερες ευκαιρίες εφαρμογής για αυτά τα αυτόνομα συστήματα.

Η μελέτη δηλώνει ότι το μέτρο απόδοσης της τάσης ανοιχτού κυκλώματος (VOC) μπορεί να ενισχυθεί βελτιώνοντας το ρυθμό εξάτμισης. Ανάλογα με το φορτίο της επιφάνειας και τη γεωμετρία του νανοπεριορισμού, η VOC μπορεί να διπλασιαστεί με πενταπλάσια αύξηση του ρυθμού εξάτμισης, πράγμα που σημαίνει ότι η ισχύς μπορεί να αυξηθεί έως και τέσσερις φορές.

Αυτό οφείλεται κυρίως στην ενίσχυση του ρεύματος ροής, αλλά θα απαιτήσει πιο βαθιά γνώση της ρευστοδυναμικής σε αυτές τις συσκευές για να επιβεβαιωθεί.

Συναρπαστικές Πιθανές Εφαρμογές των Υδροβολταϊκών Συσκευών

Ο υδρατμός είναι παντού στη Γη, προσφέροντας έτσι μια μεγάλη ευκαιρία, ιδιαίτερα για την παραγωγή ηλεκτρισμού και την αντιμετώπιση της έλλειψης παγκόσμιας ενέργειας. Για το σκοπό αυτό, οι υδροβολταϊκές συσκευές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εξαγωγή ενέργειας με διάφορους τρόπους, όπως η κατασκευή μιας ασύμμετρης δομής.

Ωστόσο, η παραγωγή ενέργειας εξαρτάται από τις ιδιότητες του υγρού, συμπεριλαμβανομένου του τύπου του και της συγκέντρωσης διαλυμένου ουσιού στη λύση. Αυτό συμβαίνει επειδή η δημιουργία ηλεκτρικής ενέργειας στο φαινόμενο HV συνδέεται με τη συσσώρευση φορέων φορτίου που προκαλείται από το σχηματισμό ενός ηλεκτρικού διπλού στρώματος (EDL) στην διεπαφή υγρού‑στερεού.

Παρά αυτές τις προκλήσεις, οι υδροβολταϊκές συσκευές έχουν τεράστιο δυναμικό λόγω της συνεχούς εξάτμισης σε ευρύ φάσμα θερμοκρασιών και υγρασίας. Αυτό καθιστά τις συσκευές HV έτοιμες για πολλές συναρπαστικές εφαρμογές, όπως η παροχή ενέργειας, η παραγωγή ενέργειας σε όλες τις καιρικές συνθήκες, καθώς και η συλλογή και αποξήρανση νερού.

Η μελέτη διαπίστωσε ότι για συνθήκες γλυκού νερού, η επικάλυψη του EDL είναι απαραίτητη και μπορεί να επιτευχθεί υπό χαμηλό συνολικό φορτίο επιφάνειας και υψηλό περιορισμό, δηλαδή μικρό μέγεθος νανοκαναλιού. Ωστόσο, η αύξηση της επιφάνειας ή του φορτίου καθιστά εφικτά μεγαλύτερα μεγέθη νανοκαναλιών.

Σε συνθήκες θαλασσινού νερού, μπορεί να δημιουργηθεί ένα βέλτιστο σε μεγάλο διάμετρος πόρων (τιμές Dp >100 nm) ελέγχοντας το φορτίο της επιφάνειας, κάτι που υποδηλώνει ότι ο γεωμετρικός περιορισμός σε νανομετρική κλίμακα μπορεί να αποτραπεί, διευκολύνοντας την κλιμακωσιμότητα αυτών των συσκευών.

Παράλληλα, σε υψηλά επίπεδα αλατότητας, η αντιστροφή του φορτίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί ελαχιστοποιώντας τη διεπαφή στερεού‑υγρού και το αρχικό φορτίο της επιφάνειας. Ωστόσο, η λειτουργία σε τόσο υψηλές συγκεντρώσεις και μακροπρόθεσμα μπορεί να αποτελεί πρόκληση λόγω της προσρόφησης ιόντων και της κρυστάλλωσης αλατιού. Αυτό οφείλεται στην άμεση επίδρασή του στις ιδιότητες της επιφάνειας και της γεωμετρίας της νανοδομής. Συνεπώς, οι ερευνητές έγραψαν ότι απαιτείται περαιτέρω διερεύνηση.

Οι ερευνητές της μελέτης ελπίζουν επίσης να εξερευνήσουν το πολυποίκιλο δυναμικό της συσκευής, με την υποστήριξη των οργανισμών που τους χορήγησαν επιχορηγήσεις, για να κατανοήσουν και να αναλύσουν αυτήν τη νέα τεχνολογία.

Ένας από τους οργανισμούς υποστήριξης, το Ελβετικό Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (SNSF), το οποίο έχει εντολή από την ομοσπονδιακή κυβέρνηση, στοχεύει στην εκμετάλλευση της ενέργειας από την εξάτμιση και στην ανάπτυξη ενός εντελώς «νέου παραδείγματος για την ανάκτηση αποβλήτων θερμότητας και την παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας σε μεγάλες και μικρές κλίμακες». Αυτό περιλαμβάνει ένα πρωτότυπο μοντέλο σε πραγματικές συνθήκες στη μεγαλύτερη λίμνη της κεντρικής Ευρώπης, τη Λίμνη Γενεύης, για τη συλλογή δεδομένων σχετικά με την υδροβολταϊκή παραγωγή σε ορεινές λίμνες.

Το SNSF υποστηρίζει έργα σχετιζόμενα με την ενέργεια εδώ και πολλά χρόνια, συμβάλλοντας στην ανάπτυξη γνώσης και τεχνογνωσίας για μελλοντική χρήση. Αυτά τα έργα καλύπτουν την παραγωγή, αποθήκευση, διανομή και διαχείριση ενέργειας, καθώς και την αποδοτικότητα.

Η Tagliabue έλαβε το SNSF Starting Grant το 2022, στο πλαίσιο του οποίου παρέχονται 1,8 εκατομμύρια CHF σε πέντε χρόνια. Αυτή η χρηματοδότηση βοηθά την ομάδα «να επεκτείνει τις προσπάθειές μας προς τη νανομηχανική των υδροβολταϊκών συσκευών για την παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας», δήλωσε η Tagliabue.

She said at the time:

“Καθιερώνοντας την απαραίτητη θεμελιώδη κατανόηση, τα εργαλεία μοντελοποίησης και τις στρατηγικές μηχανικής, αυτό το έργο θα προσφέρει μια διαταρακτική συμβολή προς το να γίνει η εξάτμιση μια ευρέως διαδεδομένη, ασφαλής και συνεχής πηγή ανανεώσιμης ενέργειας για μεγάλες και μικρές κλίμακες.”

Οι συσκευές HV προσφέρουν μια μεγάλη ευκαιρία, και επειδή μπορούν να λειτουργούν όπου υπάρχει υγρό, ακόμη και ιδρώτας, έχουν επίσης δυνατότητα χρήσης σε αισθητήρες. Αυτό περιλαμβάνει όλα, από φορέσιμες συσκευές υγείας και φυσικής κατάστασης έως έξυπνες τηλεοράσεις.

Η Tagliabue ενδιαφέρεται επίσης να κατανοήσει πώς τα φαινόμενα φωτός και φωτοθερμικής (σχετιζόμενα με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο των φορτίων της επιφάνειας και των ρυθμών εξάτμισης στα συστήματα HV.

Τέλος, οι ερευνητές βλέπουν μια συμβίωση μεταξύ των συστημάτων HV και της παραγωγής καθαρού νερού, με τον Anwar να επισημαίνει πώς η φυσική εξάτμιση χρησιμοποιείται σε διαδικασίες αποξήρανσης. Η συμπύκνωση του ατμού που παράγεται από μια εξατμιζόμενη επιφάνεια επιτρέπει τη συλλογή γλυκού νερού από αλμυρό νερό.

“Τώρα, μπορείτε να φανταστείτε τη χρήση ενός συστήματος HV τόσο για την παραγωγή καθαρού νερού όσο και για την εκμετάλλευση ηλεκτρισμού ταυτόχρονα.” – Anwar

– Anwar

Συμπέρασμα 

Με τα ενεργειακά και περιβαλλοντικά προβλήματα να αυξάνονται συνεχώς, υπάρχει ανάγκη για αποδοτικές, ευέλικτες και φιλικές προς το περιβάλλον λύσεις. Εδώ, οι υδροβολταϊκές συσκευές μπορούν να είναι εξαιρετικά χρήσιμες, καθώς παράγουν ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας την πανταχού παρούσα εξάτμιση του νερού.

Ωστόσο, αυτή η καινοτομία δεν έρχεται χωρίς προκλήσεις. Εκδηλώνονται ως παραγόμενη ισχύς που δεν ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις πρακτικών εφαρμογών, αβεβαιότητες σχετικά με τη σταθερότητα και τη διάρκεια σε πραγματικές συνθήκες, και εμπόδια στην επίτευξη μεγάλων ενσωματωμένων εφαρμογών. Παρά αυτά τα εμπόδια, η τεχνολογία και η έρευνα για υλικά και συσκευές υδροβολταϊκής ενέργειας βρίσκονται ακόμη στα αρχικά στάδια, και υπάρχει ανάγκη για πιο προηγμένες τεχνολογίες και περισσότερη έρευνα για τη μαζική τους χρήση.

Απλά, οι υδροβολταϊκές συσκευές έχουν μεγάλα πλεονεκτήματα που δεν μπορούν να αγνοηθούν. Σε αντίθεση με πολύπλοκες, ακριβές και περιβαλλοντικά επιζήμιες λύσεις, αυτό αποτελεί μια νέα και υποσχόμενη μέθοδο παραγωγής ενέργειας στο μέλλον. Και με τον χρόνο, οι υδροβολταϊκές συσκευές αναμένεται να εξελιχθούν σε μια βιώσιμη και ευρεία βιομηχανία.

Κάντε κλικ εδώ για μια λίστα με τις δέκα κορυφαίες μετοχές ανανεώσιμης ενέργειας για επένδυση.