Energía
HydroVoltaics – Aprovechando la electricidad de la evaporación
Nuevas investigaciones demuestran que los dispositivos a nanoescala pueden usarse para cosechar electricidad de la evaporación de fluidos, revelando un gran potencial energético que aún no se ha aprovechado adecuadamente.
La evaporación es un proceso natural. En términos simples, es una forma de vaporización que ocurre en la superficie de un líquido cuando se transforma en gas. Está presente a nuestro alrededor, pero realmente no le prestamos atención.
Curiosamente, alrededor de la mitad de la energía solar que llega a la Tierra impulsa procesos evaporativos. La evaporación, que permite un intercambio continuo de energía en el ciclo global del agua, es una fuente de energía renovable que actualmente sigue sin ser explotada, según el estudio.
El agua, que está disponible en abundancia ya que cubre más del 70 % de la superficie de nuestro planeta, contiene toneladas de energía en forma química, térmica y cinética, pero poco de ella se aprovecha. En cuanto al potencial total de generación de energía de la evaporación natural de lagos y reservorios, solo EE. UU. tiene un potencial estimado de generación de 325 GW. Esto representa más del 69 % de la tasa de producción eléctrica de EE. UU. en 2015, señala el estudio.
Por lo tanto, durante los últimos años, los investigadores han trabajado en aprovechar el potencial energético de la evaporación. Esto se explora mediante numerosos dispositivos, como generadores autoalimentados, sistemas híbridos y dispositivos en tándem. La investigación a lo largo de los años ha llamado mucho la atención sobre los dispositivos hidrovoltaicos impulsados por la evaporación, especialmente con los avances en nanomateriales y nanotecnología.
Para ello, adentrémonos en el efecto HV, que permite que los materiales nanostructurados generen electricidad al interactuar con el agua. El agua aquí puede ser cualquier cosa, desde gotas, humedad y líquido hasta evaporación. Así, en el efecto HV, la evaporación produce un flujo constante dentro de los nano‑canales de estos dispositivos. Este efecto también se observa en los microcapilares de las plantas, donde el transporte de agua ocurre gracias a una combinación de presión capilar y evaporación natural.
Se observan principalmente cuatro mecanismos responsables de este efecto HV: flujo, pseudo‑flujo, difusión de gradiente iónico y el efecto de arrastre electrónico. El efecto hidrovoltaico potencialmente amplía la capacidad técnica de cosechar energía del agua y permite la creación de dispositivos autoalimentados.
Ahora, investigadores de la universidad pública suiza EPFL (Instituto Federal Suizo de Tecnología de Lausana) recibieron apoyo financiero de la Fundación Suiza para la Ciencia (SNSF) a través del Fondo de Cooperación Científica y Tecnológica Corea‑Suiza y la Beca de Excelencia del Gobierno Suizo. Las instalaciones experimentales de EPFL, el Centro Interdisciplinario de Microscopía Electrónica (CIME) y el Centro de Micro‑Nanotecnología (CMi), también participan en la extracción de energía de la evaporación de fluidos que contiene concentraciones más altas de iones que las del agua purificada.
El asunto es que los dispositivos hidrovoltaicos ya existen, sin embargo, se conoce poco sobre los fenómenos físicos que rigen la producción de HV a nanoescala. También falta una comprensión funcional de las condiciones, algo que este estudio pretende rectificar.
Publicado a principios de este mes en la revista Cell Press Device, el estudio del Laboratorio de Nanociencia para la Tecnología Energética (LNET) titulado “Fenómenos interfaciales dependientes de la salinidad para la optimización de dispositivos hidrovoltaicos” fue realizado por Giulia Tagliabue y Tarique Anwar.
El estudio experimentó con modelado multifísico para especificar flujos de fluidos, flujos iónicos y efectos electrostáticos debidos a interacciones sólido‑líquido, con el objetivo de optimizar los dispositivos HV.
Según Tagliabue, quien dirige el LNET en la Escuela de Ingeniería, este es el primer estudio que cuantifica los fenómenos hidrovoltaicos gracias a su nueva y altamente controlada plataforma. Estos fenómenos hidrovoltaicos se miden mostrando la importancia de diversas interacciones interfaciales.
Durante este proceso, el equipo descubrió un hallazgo importante: la capacidad de los dispositivos hidrovoltaicos para operar en un amplio rango de salinidades. Esto, señaló Tagliabue, contradice la creencia anterior de que se necesita agua altamente purificada para un rendimiento óptimo.
El modelo multifísico
Recientemente, los estudios del flujo de fluidos impulsado por la evaporación en materiales microestructurados a nanoescala han dado lugar a una nueva forma de generar energía renovable o verde, que consiste en convertir energía térmica en energía eléctrica mediante una vía electrocinética. Las mejoras relacionadas con el rendimiento aquí son impulsadas por la optimización de los contactos de los electrodos.
Sin embargo, la falta de herramientas de modelado y las preguntas sobre las características geométricas y químicas del sistema limitan tanto el rendimiento como el rango de aplicación de esta tecnología emergente, los dispositivos Hidrovoltaicos (HV), para la generación de energía sostenible.
Así, los investigadores desarrollaron un modelo cuantitativo multifísico y aprovecharon arreglos ordenados de nanopilares de silicio (Si NPs) que llevaron a la superficie lo que antes no se había explorado. Notablemente, el estudio encontró que la carga superficial, que depende de la concentración iónica junto con la movilidad de los iones, es lo que dirige múltiples máximos locales en el voltaje de circuito abierto (VOC), con condiciones ideales que divergen de las expectativas tradicionales de baja concentración.
Además, las asimetrías estructurales pueden generar un potencial electrostático que mejora el rendimiento de los HV. Además, el estudio confirma la adsorción iónica y la inversión de carga para muchos cationes monovalentes, lo que permite que dichos dispositivos operen incluso a altas concentraciones.
El dispositivo HV desarrollado por el equipo de investigación consiste en arreglos regulares de escala centimétrica de Si NPs grabados en una oblea de Si tipo p. Luego, el equipo utilizó una combinación de litografía coloidal y grabado químico asistido por metal (MACE) para fijar el paso del arreglo hexagonal de NPs mientras variaban su longitud y diámetro en el rango de 1,23–4,4 μm y 420–560 nm, respectivamente. Al cambiar las dimensiones de los Si NPs, pudieron controlar directamente la geometría del nano‑canal y el área superficial sólido‑líquido según fuera necesario.
El dispositivo hidrovoltaico en este estudio representa la primera aplicación de la técnica de litografía coloidal de nanosferas, lo que permitió a los investigadores formar una red hexagonal de Si NPs espaciados con precisión. Los espacios entre estos nanopilares de silicio crearon el pasaje perfecto para evaporar fluidos. Esto puede ajustarse finamente para comprender mejor los efectos del confinamiento del fluido y el área de contacto sólido‑líquido.
Anwar, estudiante de doctorado en LNET, explicó que la mayoría de los sistemas fluidos con soluciones salinas tienen un número igual de iones positivos y negativos. Pero al confinar el fluido a un nano‑canal, podemos obtener solo aquellos “iones con una polaridad opuesta a la carga superficial”. Así, al permitir que el líquido fluya a través del nano‑canal, podemos generar corriente y voltajes, añadió.
Comprender los mecanismos fundamentales de generación de voltaje y corriente en los dispositivos HV, sin embargo, requiere control sobre las propiedades de la interfaz sólido‑líquido y el nanoconfinamiento del líquido, que es la geometría del nano‑canal.
En conclusión, el estudio mostró una alta densidad de potencia de 8 μW/cm² a 0,1 M, utilizando una salida de potencia comparable a la de dispositivos operados con agua del grifo pero con “dos órdenes de magnitud de concentraciones más altas” que nunca se habían reportado. Esto allana el camino para una mayor aplicabilidad de los sistemas HV a través de escalas de salinidad, con condiciones operativas óptimas dictadas por fenómenos interfaciales distintos.
Como explicó Tagliabue, el equilibrio químico de la carga superficial del nanodispositivo puede explotarse para ampliar la operación de los dispositivos HV a lo largo de la escala de salinidad. Así, a medida que aumenta la concentración iónica del fluido, la carga superficial del nanodispositivo también aumenta, lo que nos permite “utilizar canales de fluido más grandes mientras trabajamos con fluidos de mayor concentración. Esto facilita la fabricación de dispositivos para usar con agua del grifo o agua de mar, en lugar de solo agua purificada”, dijo Tagliabue.
De esta manera, el estudio sostiene que ofrece una visión clave y una herramienta de diseño para optimizar los dispositivos hidrovoltaicos impulsados por evaporación (EDHV), además de señalar oportunidades de aplicación más amplias para estos sistemas autoalimentados.
El estudio indica que la métrica de rendimiento de su voltaje de circuito abierto (VOC) puede aumentarse mejorando la tasa de evaporación. Dependiendo de la carga superficial y la geometría del nanoconfinamiento, el VOC puede duplicarse con un aumento de 5 veces en la tasa de evaporación, lo que significa que la potencia puede incrementarse hasta cuatro veces.
Esto se debe principalmente al aumento del corriente de flujo, pero requerirá un conocimiento más profundo de la dinámica de fluidos en estos dispositivos para confirmarse.
Aplicaciones potenciales emocionantes de los dispositivos hidrovoltaicos
El vapor de agua está presente en todas partes de la Tierra, lo que brinda una gran oportunidad, especialmente para la generación de electricidad y la mitigación de la escasez de energía global. Para ello, los dispositivos hidrovoltaicos pueden usarse para extraer energía mediante diferentes medios, como la construcción de una estructura asimétrica.
Sin embargo, la generación de energía depende de las propiedades del líquido, incluido su tipo y la concentración de soluto en la solución. Esto se debe a que la creación de energía eléctrica en el efecto HV está vinculada a la acumulación de portadores de carga provocada por una capa doble eléctrica (EDL) que se forma en la interfaz líquido‑sólido.
A pesar de estos desafíos, los dispositivos hidrovoltaicos tienen un enorme potencial debido a la evaporación continua en un amplio rango de temperaturas y humedades. Esto hace que los dispositivos HV estén preparados para muchas aplicaciones emocionantes, incluyendo suministro de energía, generación de energía en todas las condiciones climáticas, y recolección y desalinización de agua.
El estudio encontró que, en condiciones de agua dulce, la superposición de la EDL es un requisito que puede lograrse bajo baja carga superficial total y alta confinación, es decir, un tamaño pequeño de nano‑canal. Sin embargo, aumentar el área superficial o la carga hace que tamaños de nano‑canal más grandes sean viables.
En condiciones de agua de mar, se puede crear un óptimo con un diámetro de poro grande (valores Dp >100 nm) controlando la carga superficial, lo que sugiere que el confinamiento geométrico a escala nanométrica puede evitarse, facilitando la escalabilidad de estos dispositivos.
Mientras tanto, a niveles de alta salinidad, la inversión de carga puede usarse minimizando la interfaz sólido‑líquido y la carga superficial inicial. Sin embargo, operar a concentraciones tan altas y a largo plazo puede ser un desafío debido a la adsorción de iones y la cristalización de la sal. Esto se debe a su efecto directo sobre las propiedades de la superficie y la geometría de la nanoestructura. Por lo tanto, los investigadores escribieron que se necesita una mayor investigación.
Los investigadores del estudio también esperan explorar el diverso potencial del dispositivo, con el apoyo de las organizaciones que les otorgaron subvenciones, para comprender y analizar esta tecnología emergente.
Una de las organizaciones de apoyo, la Fundación Suiza para la Ciencia (SNSF), que está mandatada por el gobierno federal, tiene como objetivo aprovechar la energía de la evaporación y desarrollar un “nuevo paradigma para la recuperación de calor residual y la generación de energía renovable a gran y pequeña escala”. Esto incluye un módulo prototipo en situaciones reales en el lago más grande de Europa central, el lago de Ginebra, para recopilar datos sobre la generación hidrovoltaica en lagos alpinos.
La SNSF ha estado apoyando proyectos relacionados con la energía durante muchos años para contribuir al desarrollo de conocimientos y experiencia para su uso futuro. Estos proyectos abarcan la producción, el almacenamiento, la distribución y gestión de energía, y la eficiencia.
Tagliabue recibió la Beca de Inicio de la SNSF en 2022, bajo la cual se otorgan 1,8 millones de CHF durante cinco años. Este financiamiento ayuda al equipo a “ampliar nuestro esfuerzo hacia la nanoingeniería de dispositivos hidrovoltaicos para la generación de energía renovable”, dijo Tagliabue.
Ella dijo en ese momento:
“Al establecer la comprensión fundamental necesaria, herramientas de modelado y estrategias de ingeniería, este proyecto proporcionará una contribución disruptiva para convertir la evaporación en una fuente de energía renovable amplia, segura y continua tanto a gran como a pequeña escala.”
Los dispositivos HV ofrecen una gran oportunidad, y como pueden operar donde haya líquido, incluso sudor, también tienen potencial para su uso en sensores. Esto abarca desde dispositivos portátiles de salud y fitness hasta televisores inteligentes.
Tagliabue también está interesada en comprender cómo los efectos de la luz y fototérmicos (relacionados con la radiación electromagnética) podrían usarse para controlar las cargas superficiales y las tasas de evaporación en los sistemas HV.
Finalmente, los investigadores ven una simbiosis entre los sistemas HV y la generación de agua limpia, con Anwar señalando cómo la evaporación natural se utiliza en procesos de desalinización. Condensar el vapor producido por una superficie evaporativa permite obtener agua fresca a partir del agua salada.
“Ahora, podrías imaginar usar un sistema HV tanto para producir agua limpia como para aprovechar la electricidad al mismo tiempo.”
– Anwar
Conclusión
Con los problemas energéticos y medioambientales en constante aumento, se necesita soluciones eficientes, flexibles y ecológicas. Aquí, los dispositivos hidrovoltaicos pueden ser de gran ayuda, ya que generan energía eléctrica utilizando la omnipresente evaporación del agua.
Sin embargo, esta innovación no viene sin sus desafíos. Se manifiestan en una potencia generada que no alcanza los requisitos de aplicación práctica, incertidumbres sobre la estabilidad y durabilidad en condiciones reales, y obstáculos para lograr aplicaciones integradas a gran escala. A pesar de estos obstáculos, la tecnología e investigación sobre materiales y dispositivos hidrovolcánicos aún están en su infancia, y se necesita tecnologías más avanzadas y más investigación para su amplio uso.
En resumen, los dispositivos hidrovoltaicos tienen grandes ventajas que no pueden ser ignoradas. En contraste con soluciones complejas, costosas y dañinas para el medio ambiente, esto presenta un método novedoso y prometedor para la generación de energía en el futuro. Y con el tiempo, se espera que los dispositivos hidrovoltaicos se conviertan en una industria viable y amplia.
