Générateurs d’eau flottants transforment les précipitations en énergie renouvelable

La demande d’énergie augmente rapidement. En 2024, ce monde a enregistré un bond de 4,3 % dans la demande d’électricité. Ceci était une augmentation beaucoup plus importante que la hausse de 2,5 % enregistrée l’année précédente, qui était proche du rythme moyen de croissance de la demande d’électricité entre 2010 et 2023.

Cette croissance est principalement alimentée par la croissance massive des centres de données en raison de l’explosion de l’adoption de l’IA et des véhicules électriques, avec l’expansion industrielle et l’utilisation accrue de la climatisation contribuant également de manière significative.

Alors que les combustibles fossiles constituaient plus de la moitié (près de 60 %) de la production d’électricité l’année dernière, avec le charbon restant la principale source dans le monde, le mix énergétique est en fait en évolution. Selon l’AIE, pour la première fois depuis, la production d’électricité à partir de sources renouvelables et de l’énergie nucléaire a représenté les deux cinquièmes de la production mondiale totale en 2024. 

Les énergies renouvelables, en particulier, étaient responsables d’un tiers de la production d’électricité mondiale. Parmi les sources renouvelables, l’hydroélectricité est en tête avec une part de 14 % de la production totale d’électricité, suivie par l’énergie éolienne à 8 %, l’énergie solaire photovoltaïque à 7 % et la bioénergie et les déchets à seulement 3 %.

Alors qu’il s’agit d’une évolution majeure vers les énergies propres, la contribution des énergies renouvelables à la production mondiale d’énergie est encore faible. Ainsi, pour aider à accélérer ce changement vers les sources d’énergie renouvelables, les chercheurs ont été créant de nouvelles technologies pour la conversion d’énergie afin de répondre à la demande croissante de consommation d’énergie électrique quotidienne. 

Les systèmes qui collectent l’énergie directement de l’environnement, en particulier, peuvent aider à⟦UAHTML0073⟧ augmenter l’utilisation des sources d’énergie renouvelables.⟦UAHTML0074⟧

Hydrovoltaïque : Transformer la pluie et les cycles de l’eau en électricité

L’eau est un élément critique de la vie. Non seulement elle constitue une grande partie de notre corps, mais elle constitue également une grande partie de la Terre. Recouvrant 70 % de notre planète, l’eau est la ressource la plus abondante, et elle contient une quantité importante d’énergie sous diverses formes, dont une grande partie reste largement sous-utilisée.

L’une des façons dont cette énergie est utilisée est par l’hydroélectricité, qui implique l’utilisation du flux naturel de l’eau en mouvement pour générer de l’électricité.

Une autre façon puissante d’exploiter l’énergie du cycle naturel de l’eau est la technologie hydrovoltaïque. Contrairement aux technologies traditionnelles, qui exploitent l’énergie cinétique de l’eau, la technologie hydrovoltaïque génère de l’électricité à partir de l’interaction directe d’un matériau d’électrode avec l’eau.

La technologie hydrovoltaïque permet en fait le développement de systèmes à faible coût et à haute efficacité qui peuvent convertir directement l’énergie thermique en énergie électrique par l’interaction de l’eau avec des nanomatériaux tels que le graphène, les nanotubes de carbone, les nanoparticules de carbone et les polymères conducteurs.

L’énergie qui est convertie ici est générée par la goutte, l’écoulement, la fluctuation, la condensation ou l’évaporation, et augmente considérablement la puissance de sortie. Des recherches indiquent¹ que l’utilisation de seulement 1 % de l’énergie disponible dans l’eau du monde à une efficacité de 1 % par la technologie hydrovoltaïque peut nous aider à satisfaire un tiers des besoins énergétiques mondiaux.

En conséquence, les appareils basés sur cette technologie en développement sont cruciaux pour satisfaire la demande de l’utilisation de sources d’énergie renouvelables.

Ceci a conduit à des recherches approfondies sur les générateurs d’énergie de gouttes, un type de technologie hydrovoltaïque qui convertit l’énergie mécanique des gouttes d’eau comme les gouttes de pluie en électricité. Mais les limites de la technologie actuelle n’ont pas permis de convertir efficacement l’énergie contenue dans l’eau en énergie électrique.

Par exemple, un générateur d’énergie de gouttes traditionnel basé sur l’effet triboélectrique, qui génère une charge électrique lorsque deux matériaux différents entrent en contact et se séparent, peut produire de l’électricité lorsqu’une goutte frappe une surface. Cependant, l’effet interfacial limite le nombre de charges générées sur la surface, ce qui entraîne une efficacité de conversion d’énergie relativement faible.

Ainsi, une équipe de chercheurs a développé un nouveau “générateur d’électricité de gouttes intégré à l’eau” qui produit une sortie élevée tout en flottant sur les surfaces, offrant un aperçu de la prochaine génération d’appareils légers et à haute efficacité. Selon l’étude :

“Nous anticipons que ce travail ouvrira une nouvelle voie pour exploiter des matériaux naturels similaires à l’eau pour construire des appareils hydrovoltaïques et faire progresser les applications à grande échelle sans terre.”

Mais avant de plonger dans cette recherche, regardons d’abord ce qui s’est passé dans ce domaine.

État de l’art des générateurs d’électricité à gouttes (DEG)

Les gouttes d’eau en mouvement, comme les gouttes de pluie, sont répandues et contiennent une quantité considérable d’énergie cinétique, ce qui montre des promesses pour la génération d’électricité durable. Pour exploiter l’énergie cinétique des gouttes d’eau, les chercheurs se sont concentrés sur les DEG.

Le générateur d’électricité à base de gouttes (DEG) est une technologie puissante et a montré des promesses en tant que moyen efficace pour exploiter l’énergie de l’environnement naturel. 

Il utilise des gouttes d’eau tombantes pour générer de l’électricité. Typiquement, il se compose de deux couches triboélectriques et d’une paire d’électrodes, où les charges sont séparées lorsque une goutte d’eau frappe la surface et glisse ensuite. 

Le faible coût, la structure simple et la haute densité de puissance des DEG les ont rendus populaires parmi les chercheurs pour exploiter l’énergie cinétique des sources d’eau environnementales. 

Cependant, leur application large est obstruée par la structure complexe et la faible densité de puissance de sortie. Leur application étant limitée à l’utilisation terrestre les rend également impratiques pour les lacs, les rivières et les océans.les rendent

D’autres défis liés aux DEG incluent une dégradation significative des performances au fil du temps dans les systèmes intégrés, des problèmes de durabilité des matériaux et une grande empreinte spatiale requise pour les applications à grande échelle.

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Ainsi, la recherche se poursuit en mettant l’accent sur l’amélioration de l’efficacité grâce à de meilleures conceptions, en utilisant l’eau naturelle comme partie de la structure, ou en optimisant les matériaux, avec des innovations récentes créant des appareils légers, rentables et même flottants.

Il y a quelques années, une équipe de chercheurs de l’Université de la ville de Hong Kong (CityU) a développé² un DEG avec une structure de type transistor à effet de champ (FET) qui a atteint une efficacité de conversion d’énergie élevée. Sa densité de puissance instantanée était nettement supérieure, environ des milliers de fois supérieure, à celle de ses homologues sans structure de type FET.

Leur travail avait deux facteurs clés ; l’un était la découverte de l’équipe selon laquelle lorsque des gouttes d’eau continues frappent la surface du polytétrafluoroéthylène (PTFE), un matériau diélectrique avec une charge électrique quasi-permanente, les charges de surface produites s’accumulent et atteignent progressivement la saturation. Cela a aidé l’équipe à surmonter la faible densité de charge rencontrée précédemment en fournissant un nouveau moyen d’accumuler et de stocker des charges de surface à haute densité.L’autre facteur était leur conception, dont la caractéristique clé était un ensemble unique de structures similaires à un FET. L’appareil est constitué d’une électrode en aluminium et d’une électrode PTFE/ITO, qui implique une électrode en oxyde d’indium-étain (ITO) avec un film de PTFE déposé sur elle. Lorsqu’une gouttelette frappe la surface PTFE/ITO et s’étend sur celle-ci, elle relie les deux électrodes, transformant le système en un circuit électrique fermé.

La conception a permis une densité élevée de charges de surface à être collectée sur le PTFE. Et lorsque l’eau qui s’étend relie les deux électrodes, les charges stockées sur le PTFE sont entièrement libérées pour produire un courant électrique.

Alors que la conception de CityU se concentrait sur l’augmentation de l’accumulation de charges, une autre équipe de l’Académie chinoise des sciences a simplifié l’architecture du DEG pour la rendre plus évolutivité.

L’équipe de chercheurs chinois a proposé³ un DEG avec une structure ouverte simple pour utiliser pleinement l’effet de self-capacitance de l’électrode supérieure pour promouvoir son application plus large.

Le problème est qu’il est difficile de fournir continuellement de l’énergie pour les équipements électriques par un seul ou plusieurs DEG. 

Comme l’a noté l’équipe, lors de la récolte de l’énergie des gouttes de pluie à grande échelle dans les bâtiments inclinés comme les hangars, une méthode simple consiste à connecter tous les DEG en parallèle pour alimenter la charge, comme une ampoule. Ainsi, en référence à la structure cellulaire d’un panneau solaire et en utilisant pleinement l’effet de self-capacitance de l’électrode supérieure, ils ont introduit le SCE-DEG avec une structure ouverte simple, qui est principalement fabriqué à partir d’une électrode supérieure et inférieure, d’un film PTFE et d’une charge. 

Les électrodes ici n’ont pas besoin de se connecter les unes aux autres, mais une puissance de sortie instantanée élevée peut toujours être obtenue par l’effet de self-capacitance de l’électrode supérieure, ce qui rend la structure beaucoup plus simple et plus pratique pour une large diffusion.

Lorsqu’il a été testé, il pouvait produire une puissance de sortie de 212 mW par une gouttelette d’eau de 61 μL et peut directement alimenter 100 LED commerciales.

Très récemment, des chercheurs de l’Institut royal de technologie de KTH, Suède, ont conçu les électrodes inférieures du DEG⁴ pour rendre leur surface comparable à la surface d’extension des gouttes d’eau qui les frappent, ce qui a doublé la puissance de sortie moyenne des cellules individuelles.

L’équipe a également fabriqué des réseaux à grande échelle (30 cellules) qui ont atteint environ 2,5 fois plus de puissance que les réseaux de pointe. De plus, ils ont intégré un réseau de micro-supercapacité (MSC) à grande échelle (400 cellules) pour stocker l’électricité générée par le réseau de générateur de 30 cellules à 21,8 % d’efficacité, sans utiliser de puce de gestion de puissance.

Cette intégration crée un système d’alimentation autonome (SCPS) avec une puissance de sortie de 81,2 μW. 

Après que le réseau DEG de 30 cellules ait chargé le réseau MSC de 400 cellules pendant seulement 30 secondes, le SCPS intégré peut alimenter une LED pour fonctionner en continu pendant 60 secondes, “suggérant la promesse de la stratégie pour intégrer des réseaux DEG à grande échelle avec des réseaux MSC ultra-rapides à grande échelle pour construire des SCPS pour une récolte d’énergie à haute efficacité à partir de l’eau naturelle vers des applications pratiques.”

Floating W-DEG : Un chemin léger et rentable vers l’énergie alimentée par la pluie

Maintenant, des chercheurs de l’Université aéronautique et astronautique de Nanjing ont développé une nouvelle solution, un DEG flottant qui utilise l’eau naturelle comme partie clé de sa structure, ce qui fournit un chemin léger, abordable et respectueux de l’environnement pour la production d’énergie renouvelable.

Au lieu d’avoir un film diélectrique posé sur une base rigide avec une électrode métallique en dessous, la nouvelle conception a l’eau agissant à la fois comme base de support et comme électrode conductive. Cette approche, l’architecture à électrode-dieléctrique-eau, réduit à la fois le poids et le coût des matériaux de 87 % et 50 %, respectivement, par rapport aux anciens modèles, tout en maintenant un niveau similaire de sortie électrique et en démontrant une grande durabilité dans différents environnements de travail. 

Publié dans National Science Review⁵, l’étude détaille la voie de conception « intégrée à la nature » qui a conduit au développement d’un nouveau DEG flottant intégré à l’eau (W-DEG) qui exploite les fonctions électriques et structurelles de l’eau.  

Le fonctionnement est le suivant : lorsque des gouttes de pluie, une source d’eau fraîche transportant de l’énergie inutilisée, atterrissent sur la surface diélectrique flottante, un film de propylène fluoré (FEP) réagit immédiatement. Étant chimiquement inerte, le film FEP mince résiste aux variations de température extrêmes, à la corrosion et à la croissance d’algues et de bactéries.

Lorsque la goutte se répand, elle crée un flux d’ions, provoquant un transfert de charge entre la région supérieure et la région inférieure, générant une très petite quantité d’électricité. La surface se réinitialise lorsque la goutte rebondit.

Les propriétés naturelles de l’eau ici fournissent la stabilité mécanique requise pour absorber l’impact et laisser les gouttes se répandre efficacement, sans se courber ou se casser. 

Ces propriétés naturelles incluent une forte tension de surface et une incompressibilité. L’eau est considérée comme pratiquement incompressible, ce qui signifie qu’elle ne se comprime pas beaucoup sous pression. Pendant ce temps, la forte cohésion entre les molécules d’eau, causée par les liaisons hydrogène, crée une forte tension de surface.

Les ions dans l’eau, pendant ce temps, servent de porteurs de charge, ce qui lui permet d’agir comme une électrode fiable. 

Ensemble, ces fonctionnalités permettent au générateur flottant de générer des tensions de pointe d’environ 250 volts par goutte, équivalent à la performance des conceptions rigides traditionnelles qui utilisent du métal.

La conception est également durable, avec des tests montrant que le générateur a maintenu ses performances dans diverses conditions, y compris des concentrations de sel différentes (jusqu’à 500 millimolaires de chlorure de sodium), des températures et même une exposition à l’eau de lac en plein air avec biofouling —un problème considérable pour les appareils marins.

Alors que de nombreux appareils énergétiques se dégradent dans des environnements hostiles, le générateur flottant continue de fonctionner de manière stable en raison de la résilience de la structure à base d’eau et de l’inertie chimique de la couche diélectrique.

Lorsqu’il est testé dans de l’eau très saline, le générateur maintient sa fonctionnalité après une semaine d’ déploiement. Et si des débris se déposent sur lui, un nettoyage simple le ramène à ses performances maximales.Pour accroître encore la stabilité de leur appareil, l’équipe a exploité le haute tension de surface de l’eau pour concevoir des trous de drainage qui permettent à l’eau de passer vers le bas dans une seule direction. Ainsi, en utilisant la gravité et la tension de surface, l’équipe peut atténuer le accumulation de contaminants et le maintenir propre, ce qui crée un système auto-régulateur pour éliminer les gouttes excédentaires.

Un autre aspect clé du W-DEG flottant est la scalabilité. Avec une taille de 0,3 mètre carré, les chercheurs ont présenté un générateur de gouttes beaucoup plus grand que ceux précédemment signalés . Avec chacun de ces générateurs produisant ~250 volts par goutte, ils peuvent alimenter 50 LEDs en même temps.

De plus, le système a également pu charger des condensateurs à des tensions utiles en quelques minutes. L’équipe a testé 10 appareils W-DEG et a produit des précipitations simulées à l’aide de 120 simulateurs de pluie, puis a chargé le condensateur à trois volts, démontrant son potentiel pour alimenter des capteurs sans fil et de petits appareils électroniques. 

Avec un développement ultérieur, ces systèmes pourraient être utilisés pour récolter de l’électricité renouvelable à partir de lacs, de réservoirs ou de régions côtières sans occuper de terres précieuses.

“En laissant l’eau jouer à la fois des rôles structurel et électrique, nous avons débloqué une nouvelle stratégie pour la génération d’électricité par gouttes qui est légère, rentable et scalable,” a déclaré le co-auteur de l’étude, le professeur Wanlin Guo. “Cela ouvre la porte à des systèmes hydrovoltaïques sans terres qui peuvent compléter d’autres technologies renouvelables comme le solaire et l’éolien.”

Dans les régions qui connaissent des précipitations fréquentes, le générateur de gouttes flottant pourrait fournir une solution d’énergie distribuée qui alimente des applications hors réseau ou complète les réseaux locaux.

Par rapport à un générateur de gouttes traditionnel, qui coûte environ 210 yuans (environ 29,50 $) par mètre carré et pèse plus de quatre kilogrammes (environ 8,818 livres), la version flottante de l’équipe coûte environ 106 yuans (moins de 15 $) et pèse seulement 0,5 kilogramme (1,1 livre).

En plus de la collecte de pluie, l’appareil peut avoir d’autres applications grâce à sa capacité à flotter naturellement sur les surfaces d’eau. Par exemple, il peut être déployé dans divers environnements aquatiques pour alimenter des systèmes de surveillance de l’environnement comme des capteurs qui suivent la pollution, la qualité de l’eau ou la salinité. 

Sa ‘conception intégrée à la nature’, où le matériau abondant dans la nature est utilisé comme un composant fonctionnel, pourrait également inspirer de nouvelles approches dans les technologies basées sur l’écosystème.

Mais avant que l’appareil puisse être déployé à grande échelle, il y a des défis qui doivent être répondus d’abord. La taille et la vitesse variables des gouttes de pluie réelles signifient que les performances de l’appareil peuvent être affectées. De plus, un travail d’ingénierie supplémentaire est nécessaire pour assurer la robustesse et la durabilité de grandes pellicules diélectriques dans des conditions extérieures dynamiques. 

Malgré ces défis, les résultats de laboratoire ont été prometteurs, et la démonstration d’un prototype efficace, durable et scalable constitue une étape clé vers des applications pratiques du W-DEG (générateur de gouttes flottant intégré à l’eau).

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