Generatori d’Acqua Flottanti Trasformano le Piogge in Energia Rinnovabile

La domanda di energia sta aumentando rapidamente. Nel 2024, questo mondo ha registrato un aumento del 4,3% della domanda di elettricità. Questo è stato un aumento molto più grande rispetto al picco del 2,5% registrato nell’anno precedente, che era vicino al ritmo medio di crescita della domanda di elettricità tra il 2010 e il 2023.

Questo aumento è guidato principalmente dalla crescita massiccia dei data center a causa dell’esplosione dell’adozione dell’IA e dei veicoli elettrici, con l’espansione industriale e l’uso crescente del condizionamento dell’aria che contribuiscono in modo significativo.

Mentre i combustibili fossili costituivano più della metà (quasi il 60%) della generazione di elettricità lo scorso anno, con il carbone che rimaneva la più grande fonte al mondo, il mix energetico sta effettivamente evolvendo. Secondo l’IEA, per la prima volta nella storia, la generazione di energia da fonti rinnovabili e nucleare ha rappresentato due quinti della generazione globale totale nel 2024.

Le energie rinnovabili, in particolare, sono state responsabili di un terzo della produzione elettrica mondiale. Tra le fonti rinnovabili, l’energia idroelettrica è al primo posto con una quota del 14% della generazione totale di elettricità, seguita dal vento all’8%, dal solare fotovoltaico al 7% e dalla bioenergia e dai rifiuti appena al 3%.

Pur rappresentando un importante sviluppo verso l’energia pulita, il contributo delle rinnovabili alla produzione energetica globale è ancora basso. Pertanto, per contribuire ulteriormente ad accelerare questa transizione verso fonti di energia rinnovabile, i ricercatori hanno creato nuove tecnologie per la conversione dell’energia al fine di soddisfare la crescente domanda di consumo elettrico quotidiano.

I sistemi che raccolgono energia direttamente dall’ambiente, in particolare, possono aiutare ad aumentare l’uso di fonti di energia rinnovabile.

Idrovoltaica: trasformare pioggia e cicli dell’acqua in elettricità

L’acqua è un elemento fondamentale della vita. Non solo costituisce una grande parte del nostro corpo, ma è anche una grande parte della Terra. Coprendo il 70% del nostro pianeta, l’acqua è la risorsa più abbondante e contiene una quantità significativa di energia in varie forme, gran parte delle quali rimane in gran parte inutilizzata.

Uno dei modi in cui questa energia viene utilizzata è attraverso l’energia idroelettrica, che prevede l’uso del flusso naturale dell’acqua in movimento per generare elettricità.

Un altro modo potente per raccogliere energia dal ciclo naturale dell’acqua è attraverso la tecnologia idrovoltaica. A differenza delle tecnologie tradizionali, che sfruttano l’energia cinetica dell’acqua, la tecnologia idrovoltaica genera elettricità dall’interazione diretta di un materiale elettrodico con l’acqua.

La tecnologia idrovoltaica consente effettivamente lo sviluppo di sistemi a basso costo e ad alta efficienza che possono convertire direttamente l’energia termica in energia elettrica attraverso l’interazione dell’acqua con nanomateriali come grafene, nanotubi di carbonio, nanoparticelle di carbonio e polimeri conduttivi.

L’energia che viene convertita qui è generata dalla goccia, dal flusso, dalla fluttuazione, dalla condensazione o dall’evaporazione, e aumenta notevolmente la potenza in uscita. La ricerca afferma che utilizzando solo l’1% dell’energia disponibile nell’acqua del mondo con una mera efficienza dell’1% tramite la tecnologia idrovoltaica può aiutarci a soddisfare un terzo delle esigenze energetiche mondiali.

Pertanto, i dispositivi basati su questa tecnologia in sviluppo sono fondamentali per soddisfare la domanda di un mondo affamato di energia utilizzando fonti di energia rinnovabile.

Ciò ha portato a una vasta ricerca sui generatori di energia a goccia, un tipo di tecnologia idrovoltaica che converte l’energia meccanica delle gocce d’acqua, come le gocce di pioggia, in elettricità. Ma le limitazioni della tecnologia attuale non hanno permesso di convertire in modo efficiente l’energia contenuta nell’acqua in energia elettrica.

Ad esempio, un generatore di energia a goccia tradizionale basato sull’effetto triboelettrico, che genera una carica elettrica quando due materiali diversi entrano in contatto e poi si separano, può produrre elettricità quando una goccia colpisce una superficie. Tuttavia, l’effetto interfaciale limita il numero di cariche generate sulla superficie, risultando in un’efficienza di conversione energetica relativamente bassa.

Quindi, un team di ricercatori ha sviluppato un nuovo “generatore di elettricità a goccia integrato con l’acqua” che produce un’alta potenza mentre galleggia sulle superfici, offrendo uno sguardo alla prossima generazione di dispositivi leggeri e ad alta efficienza. Secondo lo studio:

Prevediamo che questo lavoro aprirà una nuova via per sfruttare materiali naturali simili all’acqua per costruire dispositivi idrovoltaici e promuovere applicazioni su larga scala senza terra.

Ma prima di approfondire questa ricerca, diamo prima un’occhiata a ciò che è accaduto in questo settore.

Stato dell’Arte nei Generatoridi Elettricità a Goccia (DEG)

Le gocce d’acqua in movimento, come le gocce di pioggia, sono diffuse e trasportano una notevole quantità di energia cinetica, il che mostra potenziale per la generazione sostenibile di elettricità. Per raccogliere l’energia cinetica delle gocce d’acqua, i ricercatori hanno concentrato i loro sforzi sui DEG.

Il generatore di elettricità basato su gocce (DEG) è una tecnologia potente e ha dimostrato potenziale come modo efficiente per raccogliere energia dall’ambiente naturale.

Utilizza le gocce d’acqua cadenti per generare elettricità. Tipicamente, è composto da due strati triboelettrici e una coppia di elettrodi, dove le cariche si separano quando una goccia d’acqua impatta la superficie e poi scivola via.

Il basso costo, la struttura semplice e l’alta densità di potenza dei DEG li hanno resi popolari tra i ricercatori per raccogliere energia cinetica da fonti d’acqua ambientali.

Tuttavia, la sua ampia applicazione è ostacolata dalla struttura complessa e dalla bassa densità di potenza in uscita. La loro applicazione limitata all’uso terrestre li rende anche poco pratici per laghi, fiumi e oceani.

Altre sfide dei DEG includono un significativo degrado delle prestazioni nel tempo nei sistemi integrati, problemi di durabilità dei materiali e l’ampia impronta spaziale richiesta per applicazioni su larga scala.

Swipe to scroll →

Quindi, la ricerca è in corso con un focus sul miglioramento dell’efficienza attraverso progetti migliori, l’uso dell’acqua naturale come parte della struttura o l’ottimizzazione dei materiali, con le recenti innovazioni che creano dispositivi leggeri, economici e persino galleggianti.

Qualche anno fa, un team di ricercatori della City University of Hong Kong (CityU) ha sviluppato un DEG con una struttura simile a un transistor a effetto di campo (FET) che ha raggiunto un’alta efficienza di conversione energetica. La sua densità di potenza istantanea era molto più alta, circa migliaia di volte superiore, rispetto ai suoi omologhi senza una struttura simile a FET.

Il loro lavoro aveva due fattori chiave; uno era la scoperta del team che quando gocce d’acqua continue colpiscono la superficie del politetrafluoroetilene (PTFE), un materiale dielettrico con una carica elettrica quasi permanente, le cariche superficiali prodotte si accumulano e gradualmente raggiungono la saturazione. Questo ha aiutato il team a superare la bassa densità di carica precedentemente riscontrata fornendo un nuovo modo di accumulare e immagazzinare cariche superficiali ad alta densità.

L’altro fattore era il loro design, la cui caratteristica chiave era un insieme unico di strutture simili a un FET. Il dispositivo è composto da un elettrodo di alluminio e da un elettrodo PTFE/ITO, che prevede un elettrodo di ossido di stagno indio (ITO) con un film di PTFE depositato su di esso. Quando una goccia colpisce la superficie PTFE/ITO e si diffonde su di essa, collega entrambi gli elettrodi, trasformando il sistema in un circuito elettrico a loop chiuso.

Il design ha permesso di raccogliere un’alta densità di cariche superficiali sul PTFE. E quando l’acqua in espansione collega i due elettrodi, le cariche immagazzinate sul PTFE vengono rilasciate completamente per produrre una corrente elettrica.

Mentre il design di CityU si concentrava sull’aumento dell’accumulo di carica, un altro team dell’Accademia Cinese delle Scienze ha semplificato l’architettura del DEG per renderla più scalabile.

Il team di ricercatori cinesi ha proposto un DEG con una struttura aperta semplice per sfruttare pienamente l’effetto di auto-capacità dell’elettrodo superiore al fine di promuovere una più ampia applicazione.

Il problema è che è difficile fornire energia in modo continuo per le apparecchiature elettriche con uno o più DEG.

Come ha osservato il team, quando si raccoglie energia da gocce di pioggia su larga scala in edifici inclinati come capannoni, un metodo semplice è collegare tutti i DEG in parallelo per fornire energia al carico, come una lampadina. Quindi, facendo riferimento alla struttura cellulare di un pannello solare e sfruttando appieno l’effetto di auto-capacità dell’elettrodo superiore, hanno introdotto il SCE-DEG con una struttura aperta semplice, che è principalmente costituito da un elettrodo superiore e inferiore, un film di PTFE e un carico.

Gli elettrodi qui non hanno bisogno di connettersi tra loro, ma è comunque possibile ottenere un’alta potenza di uscita istantanea grazie all’effetto di auto-capacità dell’elettrodo superiore, rendendo la struttura molto più semplice e più comoda per la diffusione su larga scala.

Durante i test, è stato in grado di produrre una potenza di uscita di 212 mW con una goccia d’acqua da 61 μL e può illuminare 100 LED commerciali.

Più recentemente, ricercatori del KTH Royal Institute of Technology, Svezia, hanno adattato gli elettrodi inferiori del DEG per rendere la loro area comparabile all’area di diffusione delle gocce d’acqua impattanti, il che ha raddoppiato la potenza media di uscita delle singole celle.

Il team ha anche fabbricato array su larga scala (30 celle) che hanno raggiunto una potenza circa 2,5 volte superiore rispetto agli array all’avanguardia. Inoltre, hanno integrato un array di micro-supercondensatori (MSC) su larga scala (400 celle) per immagazzinare l’elettricità generata dall’array di generatori a 30 celle con un’efficienza del 21,8%, senza utilizzare alcun chip di gestione dell’energia.

Questa integrazione crea un sistema di alimentazione auto-ricaricante (SCPS) con una potenza in uscita di 81,2 μW.

Dopo che l’array DEG a 30 celle carica l’array MSC a 400 celle per soli 30 secondi, il SCPS integrato può alimentare un LED per funzionare continuamente per 60 secondi, “suggerendo il potenziale della strategia di integrare array DEG su larga scala con array MSC ultraveloci su larga scala per costruire SCPS per la raccolta di energia ad alta efficienza dall’acqua naturale verso applicazioni pratiche.”

Floating W-DEG: Un Percorso Leggero ed Economico per l’Energia Alimentata dalla Pioggia

Ora, ricercatori della Nanjing University of Aeronautics and Astronautics hanno sviluppato una nuova soluzione, un DEG galleggiante che utilizza l’acqua naturale come parte fondamentale della sua struttura, fornendo così un percorso leggero, conveniente ed ecologico per la produzione di energia rinnovabile.

Invece di avere un film dielettrico posizionato su una base rigida con un elettrodo metallico sotto, il nuovo design utilizza l’acqua come base di supporto e come elettrodo conduttivo. Questo approccio, architettura elettrodo superiore-dielettrico-acqua, riduce sia il peso del materiale che il costo dell’87% e del 50%, rispettivamente, rispetto ai modelli più vecchi, mantenendo un livello simile di output elettrico e dimostrando una grande durata in diversi ambienti di lavoro.

Pubblicato su National Science Review⁵, lo studio dettaglia il percorso di design ‘integrato nella natura’ che ha portato allo sviluppo di un nuovo DEG galleggiante integrato con l’acqua (W-DEG) che sfrutta le funzioni elettriche e strutturali dell’acqua.

Il suo funzionamento è il seguente: quando le gocce di pioggia, una fonte di acqua dolce che trasporta energia inutilizzata, atterrano sulla superficie dielettrica galleggiante, un film di fluorurato etilene propilene (FEP) risponde immediatamente. Essendo chimicamente inerte, il sottile film di FEP resiste a variazioni estreme di temperatura, corrosione e crescita di alghe e batteri.

Man mano che la goccia si diffonde, crea un flusso di ioni, causando un trasferimento di carica tra la regione superiore e quella inferiore, generando una quantità molto piccola di elettricità. La superficie si resetta quando la goccia rimbalza.

Le proprietà naturali dell’acqua forniscono la stabilità meccanica necessaria per assorbire l’impatto e permettere alle gocce di diffondersi efficientemente, senza piegarsi o rompersi.

Queste proprietà naturali includono una forte tensione superficiale e incompressibilità. L’acqua è considerata quasi incomprimibile, il che significa che non si comprime molto sotto pressione. Nel frattempo, la forte coesione tra le molecole d’acqua, causata dai legami idrogeno, crea una forte tensione superficiale.

Gli ioni presenti nell’acqua, nel frattempo, fungono da portatori di carica, il che le permette di agire come un elettrodo affidabile.

Insieme, queste caratteristiche consentono al generatore galleggiante di generare tensioni di picco di circa 250 volt per goccia, pari alle prestazioni dei design rigidi tradizionali che utilizzano il metallo.

Il design è anche durevole, con test che mostrano che il generatore ha mantenuto le prestazioni in condizioni variabili, inclusi diversi concentrazioni di sale (fino a 500 millimolari di cloruro di sodio), temperature e persino esposizione all’acqua di lago all’aperto con biofouling — un problema considerevole per i dispositivi marini.

Mentre molti dispositivi energetici si degradano in ambienti difficili, il generatore galleggiante continua a operare stabilmente grazie alla resilienza della struttura a base d’acqua e all’inertezza chimica dello strato dielettrico.

Quando testato in acqua altamente salina, il generatore ha mantenuto la sua funzionalità dopo una settimana di utilizzo. E se qualche detrito si deposita su di esso, una semplice pulizia lo riporta alle massime prestazioni.

Per aumentare ulteriormente la stabilità del loro dispositivo, il team ha sfruttato l’alta tensione superficiale dell’acqua per progettare fori di drenaggio che consentono all’acqua di scorrere verso il basso in una sola direzione. Così, usando gravità e tensione superficiale, il team può mitigare l’accumulo di contaminanti e mantenerlo pulito, creando così un sistema auto-regolante per rimuovere eventuali gocce in eccesso. In questo modo, si evita l’accumulo d’acqua, che altrimenti potrebbe ridurre la potenza.

Un altro aspetto chiave del floating W-DEG è la scalabilità. Con una dimensione di 0,3 metri quadrati, i ricercatori hanno mostrato un generatore di gocce molto più grande rispetto a quelli precedentemente segnalati. Con ciascuno di questi generatori che produce circa 250 volt per goccia, possono alimentare simultaneamente 50 LED.

Inoltre, il sistema è stato anche in grado di caricare condensatori a tensioni utili in pochi minuti. Il team ha testato 10 dispositivi W-DEG e ha prodotto pioggia simulata usando 120 gocciolatori di pioggia fittizi, poi ha caricato il condensatore a tre volt, dimostrando il suo potenziale per alimentare sensori wireless e piccoli dispositivi elettronici.

Con ulteriori sviluppi, questi sistemi potrebbero essere utilizzati per raccogliere elettricità rinnovabile da laghi, serbatoi o regioni costiere senza occupare preziose risorse terriere.

“Facendo sì che l’acqua stessa svolga sia ruoli strutturali che elettrici, abbiamo sbloccato una nuova strategia per la generazione di elettricità a goccia che è leggera, economica e scalabile,” ha dichiarato il coautore dello studio, il professor Wanlin Guo. “Questo apre la porta a sistemi idrovoltaici senza terra che possono integrare altre tecnologie rinnovabili come il solare e l’eolico.”

Nelle regioni che sperimentano piogge frequenti, il generatore di elettricità a goccia galleggiante potrebbe fornire una soluzione energetica distribuita che alimenta applicazioni off-grid o integra le reti locali.

Rispetto a un generatore di gocce tradizionale, che costa circa 210 yuan (circa 29,50 $) per metro quadrato e pesa oltre quattro chilogrammi (circa 8,818 libbre), la versione galleggiante del team costa circa 106 yuan (meno di 15 $) e pesa solo 0,5 chilogrammi (1,1 libbre).

Oltre alla raccolta dell’acqua piovana, il dispositivo può avere altre applicazioni grazie alla sua capacità di galleggiare naturalmente sulle superfici d’acqua. Ad esempio, può essere impiegato in diversi ambienti acquatici per alimentare sistemi di monitoraggio ambientale come sensori che tracciano inquinamento, qualità dell’acqua o salinità.

Il suo ‘design integrato nella natura’, dove il materiale naturalmente abbondante è usato come componente funzionale, potrebbe anche ispirare nuovi approcci nelle tecnologie ecologiche.

Ma prima che il dispositivo possa essere distribuito su larga scala, ci sono sfide da affrontare prima. La variazione di dimensioni e velocità delle gocce di pioggia reali significa che le prestazioni del dispositivo possono essere influenzate. Inoltre, è necessaria ulteriore ingegneria per garantire la robustezza e la durabilità di grandi film dielettrici in condizioni esterne dinamiche.

Nonostante queste sfide, i risultati di laboratorio sono stati promettenti, e la dimostrazione di un prototipo efficiente, durevole e scalabile segna un passo chiave verso le applicazioni pratiche del DEG galleggiante integrato con l’acqua (W-DEG).

Investire nella Tecnologia di Raccolta dell’Acqua

Xylem (XYL ) è una società globale di tecnologia dell’acqua focalizzata sulla gestione intelligente dell’acqua, coinvolta nell’integrazione di sensori, monitoraggio e sistemi di flusso d’acqua.

Il suo segmento Water Infrastructure offre prodotti come apparecchiature di trattamento, acqua, acque reflue e pompe e controlli per acque piovane. Il segmento Applied Water copre prodotti tra cui pompe, valvole, scambiatori di calore e apparecchiature di distribuzione, mentre il suo segmento Measurement & Control Solutions (MCS) sviluppa soluzioni avanzate per l’uso intelligente di risorse critiche, nonché strumentazione analitica per il test dell’acqua. Il segmento Integrated Solutions & Services fornisce sistemi di apparecchiature per industrie e municipalità.

Xylem sfrutta anche l’IA per monitorare il flusso d’acqua e rilevare perdite in tempo reale. Questo consente di rilevare i problemi in tempo e poi risolverli rapidamente, risparmiando acqua e riducendo i costi.

Con una capitalizzazione di mercato di 36,8 miliardi di dollari, XYL è attualmente scambiato a 151,3 $, in crescita del 30,42% YTD. Ha un EPS (TTM) di 3,89 e un P/E (TTM) di 38,93. L’azienda paga un rendimento da dividendo dell’1,06%.

Per i risultati del terzo trimestre 2025, Xylem ha riferito “forte esecuzione e domanda” che ha portato a un fatturato totale di 2,3 miliardi di dollari. Il suo utile netto è stato di 227 milioni di dollari, o 0,93 $ per azione, con il margine in calo di 30 punti base al 10%, e un utile netto rettificato di 333 milioni di dollari, o 1,37 $ per azione.

Ultime Notizie e Sviluppi sul Titolo Xylem (XYL)

Conclusione

La fonte di vita della Terra, l’acqua, è una forma potente di energia rinnovabile. Un modo promettente per sfruttare questo potenziale è attraverso la tecnologia idrovoltaica. I ricercatori che esplorano come convertire il semplice movimento e l’interazione dell’acqua in energia elettrica utilizzabile hanno guidato innovazioni nella generazione di elettricità basata su gocce, che utilizza le gocce di pioggia che cadono naturalmente dal cielo e sono completamente gratuite.

Gli ultimi generatori di gocce galleggianti indicano un futuro di energia rinnovabile, dove soluzioni integrate con l’acqua a basso costo possono alimentare sensori, sistemi remoti e persino microgrid, rimanendo in armonia con la natura.

Riferimenti

1. Yin, J., Zhou, J., Fang, S. & Guo, W. Energia Idrovoltaica in Arrivo. Joule 4, 1852–1855 (2020). https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.07.015
2. Xu, W., Zheng, H., Liu, Y. et al. Un generatore di elettricità a goccia con alta densità di potenza istantanea. Nature 578, 392–396 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-1985-6
3. Li, Z., Wang, X., Liu, Y., et al. Un generatore di elettricità a goccia per applicazioni su larga scala. Cell Reports Physical Science 3, 100521 (2022). https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100521
4. Li, Z., Chen, S., Fu, Y. & Li, J. Ottimizzazione dell’efficienza per array di generatori di elettricità a goccia su larga scala con array di micro-supercondensatori integrati. Nature Communications 16, 8530 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-64289-y
5. Deng, W., Wang, Z., Wang, J., Hu, T., Wang, X., Li, X., Yin, J. & Guo, W. Generatore di elettricità a goccia galleggiante sull’acqua. Natl Sci Rev. 12, 11 (2025). https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf318