Hydrovoltaïques – Exploiter l’électricité de l’évaporation

De nouvelles recherches montrent que des dispositifs à l’échelle nanométrique peuvent être utilisés pour récolter de l’électricité à partir de l’évaporation de fluides, révélant un important potentiel énergétique qui n’est pas encore exploité correctement.

L’évaporation est un processus naturel. En termes simples, il s’agit d’une forme de vaporisation qui se produit à la surface d’un liquide lorsqu’il se transforme en gaz. Elle est présente partout autour de nous, mais nous n’y prêtons pas vraiment attention.

Il est intéressant de noter qu’environ la moitié de l’énergie solaire atteignant la Terre alimente les processus d’évaporation. L’évaporation, qui permet un échange continu d’énergie dans le cycle mondial de l’eau, est une source d’énergie renouvelable qui reste actuellement inexploité, selon l’étude.

L’eau, disponible en abondance puisqu’elle couvre plus de 70 % de la surface de notre planète, contient des tonnes d’énergie sous forme chimique, thermique et cinétique, mais peu de cette énergie est exploitée. En ce qui concerne le potentiel total de production d’énergie de l’évaporation naturelle des lacs et réservoirs, les États‑Unis seuls possèdent un potentiel estimé à 325 GW, ce qui représente plus de 69 % du taux de production d’électricité des États‑Unis en 2015, indique l’étude.

Ainsi, depuis de nombreuses années, les chercheurs travaillent à exploiter le potentiel énergétique de l’évaporation. Cela se traduit par de nombreux dispositifs, tels que des générateurs auto‑alimentés, des systèmes hybrides et des dispositifs en tandem. Les recherches ont attiré beaucoup d’attention sur les dispositifs hydrovoltaïques entraînés par l’évaporation, notamment grâce aux progrès des nanomatériaux et de la nanotechnologie.

Pour cela, intéressons‑nous à l’effet HV, qui permet aux matériaux nanostructurés de générer de l’électricité en interaction avec l’eau. L’eau peut ici être sous forme de gouttelettes, d’humidité, de liquide ou d’évaporation. Ainsi, dans l’effet HV, l’évaporation crée un flux constant à l’intérieur des nano‑canaux de ces dispositifs. Ce phénomène est également observé dans les microcapillaires des plantes, où le transport de l’eau résulte d’une combinaison de pression capillaire et d’évaporation naturelle.

Quatre mécanismes sont principalement considérés comme responsables de cet effet HV : le streaming, le pseudo‑streaming, la diffusion du gradient ionique et l’effet de traînée électronique. L’effet hydrovoltaïque étend potentiellement la capacité technique de récupération d’énergie de l’eau et permet la création de dispositifs auto‑alimentés.

Aujourd’hui, des chercheurs de l’université publique suisse EPFL (École polytechnique fédérale de Lausanne) ont reçu un financement du Fonds national suisse pour la science (SNSF) via le Fonds de coopération coréano‑suisse en science et technologie ainsi que la Bourse d’excellence du gouvernement suisse. Les installations expérimentales d’EPFL, le Centre interdisciplinaire de microscopie électronique (CIME) et le Centre de micro‑nanotechnologie (CMi), participent également à la récupération d’énergie à partir d’évaporation de fluides contenant des concentrations d’ions supérieures à celles de l’eau purifiée.

Le fait est que les dispositifs hydrovoltaïques existent déjà, mais on connaît peu les phénomènes physiques qui régissent la production HV à l’échelle nanométrique. Il manque également une compréhension fonctionnelle des conditions, ce que cette étude cherche à rectifier.

Publiée plus tôt ce mois‑ci dans la revue Cell Press « Device », la étude du Laboratoire de nanoscience pour la technologie énergétique (LNET) intitulée « Salinity‑dependent interfacial phenomena toward hydrovoltaic device optimization » est menée par Giulia Tagliabue et Tarique Anwar.

L’étude a expérimenté la modélisation multiphysique afin de spécifier les flux fluides, les flux ioniques et les effets électrostatiques dus aux interactions solide‑liquide, dans le but d’optimiser les dispositifs HV.

Selon Tagliabue, responsable du LNET à l’École d’ingénierie, il s’agit de la première étude qui quantifie les phénomènes hydrovoltaïques grâce à leur nouvelle plateforme hautement contrôlée. Ces phénomènes sont mesurés en mettant en évidence l’importance de diverses interactions interfaciales.

Au cours de ce processus, l’équipe a découvert une découverte majeure : la capacité des dispositifs hydrovoltaïques à fonctionner sur une large gamme de salinités. Cette observation, selon Tagliabue, contredit la croyance antérieure selon laquelle une eau hautement purifiée était nécessaire pour des performances optimales.

Le modèle multiphysique

Récemment, les études du flux de fluide entraîné par l’évaporation dans des matériaux microstructurés à l’échelle nanométrique ont donné naissance à une nouvelle façon de générer de l’énergie renouvelable ou verte, en convertissant l’énergie thermique en énergie électrique via une voie électrocinétique. Les améliorations de performance sont principalement dues à l’optimisation des contacts d’électrodes.

Cependant, le manque d’outils de modélisation et les questions relatives aux caractéristiques géométriques et chimiques du système limitent à la fois la performance et la gamme d’applications de cette technologie émergente, les dispositifs Hydrovoltaïques (HV), pour la production d’énergie durable.

Ainsi, les chercheurs ont développé un modèle multiphysique quantitatif et ont exploité des réseaux ordonnés de nanopiliers de silicium (Si NPs) qui ont mis en lumière des aspects auparavant inexplorés. Notamment, l’étude a montré que la charge de surface, dépendante de la concentration ionique ainsi que de la mobilité des ions, dirige plusieurs maxima locaux de tension en circuit ouvert (VOC), les conditions idéales divergeant des attentes traditionnelles de faible concentration.

De plus, les asymétries structurelles peuvent générer un potentiel électrostatique qui améliore les performances HV. En outre, l’étude confirme l’adsorption d’ions et l’inversion de charge pour de nombreux cations monovalents, permettant à ces dispositifs de fonctionner même à haute concentration.

Le dispositif HV développé par l’équipe de recherche se compose de réseaux réguliers à l’échelle centimétrique de Si NPs gravés dans une plaquette de silicium de type p. L’équipe a ensuite utilisé une combinaison de lithographie colloïdale et de gravure chimique assistée par métal (MACE) pour fixer le pas du réseau hexagonal de NPs tout en variant leur longueur et leur diamètre dans les plages de 1,23–4,4 μm et 420–560 nm, respectivement. En modifiant les dimensions des Si NPs, ils ont pu contrôler directement la géométrie des nano‑canaux et la surface solide‑liquide selon les besoins.

Le dispositif hydrovoltaïque de cette étude représente la première application de la technique de lithographie colloïdale de nanosphères, permettant aux chercheurs de former un réseau hexagonal de Si NPs espacés avec précision. Les espaces entre ces nanopiliers de silicium créent le passage idéal pour l’évaporation des fluides. Cette configuration peut être finement ajustée afin de mieux comprendre les effets de confinement du fluide et de la zone de contact solide/liquide.

Anwar, doctorant au LNET, a expliqué que la plupart des systèmes fluidiques à solution saline possèdent un nombre égal d’ions positifs et négatifs. Mais en confinant le fluide dans un nano‑canal, on ne retient que les « ions dont la polarité est opposée à celle de la charge de surface ». Ainsi, en laissant le liquide circuler à travers le nano‑canal, on peut générer du courant et des tensions, a‑t‑il ajouté.

Comprendre les mécanismes fondamentaux de génération de tension et de courant dans les dispositifs HV nécessite, quant à lui, un contrôle des propriétés de l’interface solide‑liquide et du confinement nanométrique du liquide, c’est‑à‑dire la géométrie du nano‑canal.

En conclusion, l’étude a montré une densité de puissance élevée de 8 μW/cm² à 0,1 M, avec une puissance comparable à celle des dispositifs fonctionnant avec de l’eau du robinet mais avec « deux ordres de grandeur de concentrations supérieures » à ce qui avait été rapporté auparavant. Cela ouvre la voie à une applicabilité plus large des systèmes HV à travers les échelles de salinité, les conditions de fonctionnement optimales étant dictées par des phénomènes interfaciaux distincts.

Comme l’explique Tagliabue, l’équilibre chimique de la charge de surface du nanodispositif peut être exploité pour étendre le fonctionnement des dispositifs HV sur toute l’échelle de salinité. Ainsi, à mesure que la concentration ionique du fluide augmente, la charge de surface du nanodispositif augmente également, ce qui nous permet d’« utiliser des canaux fluides plus larges tout en travaillant avec des fluides à concentration plus élevée. Cela facilite la fabrication de dispositifs utilisables avec de l’eau du robinet ou de l’eau de mer, contrairement à une utilisation exclusive d’eau purifiée », a déclaré Tagliabue.

De cette manière, l’étude soutient qu’elle offre un aperçu clé et un outil de conception pour optimiser les dispositifs hydrovoltaïques entraînés par l’évaporation (EDHV), tout en ouvrant la voie à des opportunités d’application plus larges pour ces systèmes auto‑alimentés.

L’étude indique que la métrique de performance de leur tension en circuit ouvert (VOC) peut être augmentée en améliorant le taux d’évaporation. Selon la charge de surface et la géométrie du confinement nanométrique, le VOC peut être doublé par une multiplication par 5 du taux d’évaporation, ce qui signifie que la puissance peut être augmentée jusqu’à quatre fois.

Cela est principalement dû à l’amélioration du courant de streaming, mais nécessitera une connaissance plus approfondie de la dynamique des fluides dans ces dispositifs afin d’être confirmé.

Applications potentielles passionnantes des dispositifs hydrovoltaïques

La vapeur d’eau est omniprésente sur Terre, offrant ainsi une grande opportunité, notamment pour la génération d’électricité et la réduction de la pénurie énergétique mondiale. Pour cela, les dispositifs hydrovoltaïques peuvent être utilisés pour extraire de l’énergie par différents moyens, comme la construction d’une structure asymétrique.

Cependant, la production d’énergie dépend des propriétés du liquide, y compris son type et la concentration de soluté dans la solution. En effet, la création d’énergie électrique dans l’effet HV est liée à l’accumulation de porteurs de charge provoquée par la formation d’une double couche électrique (EDL) à l’interface liquide‑solide.

Malgré ces défis, les dispositifs hydrovoltaïques possèdent un énorme potentiel grâce à une évaporation continue sur une large gamme de températures et d’humidités. Cela rend les dispositifs HV prêts pour de nombreuses applications passionnantes, notamment l’alimentation électrique, la génération d’énergie toutes saisons, ainsi que la collecte d’eau et la désalinisation.

L’étude a constaté que, pour les conditions d’eau douce, le recouvrement de l’EDL est requis et peut être réalisé sous une faible charge de surface totale et un fort confinement, c’est‑à‑dire de petits nano‑canaux. Cependant, augmenter la surface ou la charge rend les nano‑canaux plus grands viables.

Dans les conditions d’eau de mer, un optimum peut être atteint avec un grand diamètre de pores (valeurs Dp > 100 nm) en contrôlant la charge de surface, ce qui suggère que le confinement géométrique à l’échelle nanométrique peut être limité, facilitant ainsi la mise à l’échelle de ces dispositifs.

Par ailleurs, à des niveaux de salinité élevés, l’inversion de charge peut être utilisée en minimisant l’interface solide‑liquide et la charge de surface initiale. Cependant, le fonctionnement à de telles concentrations élevées et sur le long terme peut poser problème en raison de l’adsorption d’ions et de la cristallisation du sel. Cela affecte directement les propriétés de la surface et la géométrie du nanostructure. Ainsi, les chercheurs ont indiqué qu’une investigation supplémentaire était nécessaire.

Les chercheurs de l’étude espèrent également explorer le potentiel diversifié du dispositif, avec le soutien des organisations qui leur ont accordé des subventions, afin de comprendre et d’analyser cette technologie émergente.

L’une des organisations soutenantes, la Fondation nationale suisse pour la science (SNSF), mandatée par le gouvernement fédéral, vise à exploiter l’énergie de l’évaporation et à développer un tout « nouveau paradigme pour la récupération de chaleur résiduelle et la génération d’énergie renouvelable à grande et petite échelle ». Cela inclut un module prototype dans des situations réelles sur le plus grand lac d’Europe centrale, le lac Léman, afin de recueillir des données sur la génération hydrovoltaïque sur les lacs alpins.

La SNSF soutient depuis de nombreuses années des projets liés à l’énergie afin de contribuer au développement de connaissances et d’expertise pour une utilisation future. Ces projets couvrent la production, le stockage, la distribution, la gestion et l’efficacité énergétique.

Tagliabue a reçu la bourse de démarrage de la SNSF en 2022, qui prévoit un financement de 1,8 million CHF sur cinq ans. Ce financement aide l’équipe à « élargir nos efforts vers la nano‑ingénierie des dispositifs hydrovoltaïques pour la production d’énergie renouvelable », a déclaré Tagliabue.

Elle a déclaré à l’époque :

« En établissant la compréhension fondamentale nécessaire, les outils de modélisation et les stratégies d’ingénierie, ce projet apportera une contribution disruptive pour faire de l’évaporation une source d’énergie renouvelable répandue, sûre et continue, tant à grande qu’à petite échelle. »

Les dispositifs HV offrent une grande opportunité, et comme ils peuvent fonctionner partout où il y a du liquide, même de la sueur, ils présentent également un potentiel d’utilisation dans les capteurs. Cela couvre tout, des appareils portables de santé et de fitness aux téléviseurs intelligents.

Tagliabue s’intéresse également à comprendre comment les effets lumineux et photothermiques (liés au rayonnement électromagnétique) pourraient être utilisés pour contrôler les charges de surface et les taux d’évaporation dans les systèmes HV.

Enfin, les chercheurs voient une symbiose entre les systèmes HV et la production d’eau propre, Anwar soulignant comment l’évaporation naturelle est utilisée dans les processus de désalinisation. Condenser la vapeur produite par une surface évaporative permet de récupérer de l’eau douce à partir d’eau salée.

« Maintenant, vous pourriez imaginer utiliser un système HV à la fois pour produire de l’eau propre et exploiter l’électricité en même temps. »

– Anwar

Conclusion 

Avec la montée constante des problèmes énergétiques et environnementaux, il faut des solutions efficaces, flexibles et écologiques. Ici, les dispositifs hydrovoltaïques peuvent être d’une aide immense puisqu’ils génèrent de l’énergie électrique en utilisant l’évaporation omniprésente de l’eau.

Cependant, cette innovation ne vient pas sans défis. Ils se manifestent sous forme de puissance générée insuffisante pour les exigences d’applications pratiques, d’incertitudes quant à la stabilité et la durabilité dans des conditions réelles, et d’obstacles à la réalisation d’applications intégrées à grande échelle. Malgré ces obstacles, la technologie et la recherche sur les matériaux et dispositifs hydrovolcaniques sont encore à leurs débuts, et il faut des technologies plus avancées ainsi que davantage de recherches pour leur utilisation généralisée.

En résumé, les dispositifs hydrovoltaïques offrent de grands avantages qu’on ne peut ignorer. Contrairement aux solutions complexes, coûteuses et dommageables pour l’environnement, ils représentent une méthode nouvelle et prometteuse de production d’énergie pour l’avenir. Et avec le temps, les dispositifs hydrovoltaïques devraient devenir une industrie viable et étendue.

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