浮遊式水発電機が降雨を再生可能エネルギーに変える

エネルギー需要は急速に増加しています。2024年、この世界 4.3%の伸びを記録しました 電力需要です。 これは 前年に記録された2.5%の伸びよりもはるかに大きく、2010年から2023年までの電力需要成長の平均ペースに近いものでした。

この成長は主に、AI導入と電気自動車の急増によるデータセンターの大規模な拡大が牽引しており、産業の拡大やエアコンの使用増加も大きく寄与しています。

化石燃料は昨年の電力発電の半分以上（ほぼ60%）を占め、石炭が世界最大の電源であり続けましたが、電力ミックスは実際に変化しています。IEAによると、初めて再生可能エネルギーと原子力が2024年の世界総発電量の5分の2を占めました。 

特に再生可能エネルギーは世界の電力生産の3分の1を占めました。再生可能エネルギー源の中では、水力が全電力発電の14%で最も高く、次いで風力が8%、太陽光PVが7%、バイオエネルギーと廃棄物がわずか3%です。

クリーンエネルギーへの大きな進展であるものの、再生可能エネルギーの世界エネルギー生産への貢献は依然として低いです。したがって、この再生可能エネルギーへの転換をさらに加速させるために、研究者は日々の電力消費の増大する需要に応えるエネルギー変換の新技術を創出しています。

特に環境から直接エネルギーを収集するシステムは、再生可能エネルギーの利用を増やすのに役立ちます。

ハイドロボルタイクス：雨と水循環を電力に変える

水は生命にとって重要な要素です。私たちの体の大部分を構成するだけでなく、地球の大部分も構成しています。地球の70%を覆う水は最も豊富な資源であり、さまざまな形態で大量のエネルギーを含んでいますが、その多くはまだ十分に活用されていません。

このエネルギーの利用方法の一つは水力発電であり、自然に流れる水の動きを利用して電力を生成します。

水の自然サイクルからエネルギーを収集するもう一つの有力な方法はハイドロボルタイクス技術です。従来の技術が水の運動エネルギーを利用するのに対し、ハイドロボルタイクス技術は電極材料と水の直接的な相互作用から電力を生成します。 

ハイドロボルタイクス技術は、実際に低コストで高効率なシステムの開発を可能にし、グラフェン、炭素ナノチューブ、炭素ナノ粒子、導電性ポリマーなどのナノ材料と水の相互作用を通じて熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換できます。

ここで変換されるエネルギーは、滴下、流れ、揺らぎ、凝縮、蒸発によって生成され、出力電力を大幅に増加させます。研究は述べています¹、ハイドロボルタイクス技術で世界の水に利用可能なエネルギーのわずか1%を1%の効率で使用すれば、世界のエネルギー需要の3分の1を満たすことができると。

したがって、この開発中の技術に基づくデバイスは、電力を大量に消費する世界の需要を再生可能エネルギーで満たすために重要です。

これにより、水滴の機械エネルギーを電力に変換するハイドロボルタイクス技術の一種であるドロップレットエネルギージェネレータの研究が広がりましたが、現在の技術では水に含まれるエネルギーを効率的に電力に変換できていません。

例えば、二つの異なる材料が接触し分離すると電荷が生成されるトリボエレクトリック効果に基づく従来のドロップレットエネルギージェネレータは、滴が表面に衝突したときに電力を生み出すことができますが、界面効果が表面で生成される電荷の数を制限し、エネルギー変換効率が比較的低くなります。

そこで、研究チームは表面に浮かんだ状態で高出力を生み出す新しい「水統合型ドロップレット電気ジェネレータ」を開発し、軽量で高効率な次世代デバイスの可能性を示しました。研究によると:

「本研究は、水に似た自然素材を利用してハイドロボルタイクスデバイスを構築し、陸に依存しない大規模応用を進める新たな道を開くと期待しています。」

しかし、この研究に入る前に、まずこの分野で何が起きているかを見てみましょう。

ドロップレット電気ジェネレータ（DEG）の最先端技術

雨滴のように移動する水滴は広く存在し、かなりの運動エネルギーを持ち、持続可能な電力生成の可能性があります。水滴の運動エネルギーを収集するために、研究者はDEGに注力しています。

ドロップレットベースの電気ジェネレータ（DEG）は強力な技術であり、自然環境からエネルギーを効率的に収集する有望な手段であることが示されています。

落下する水滴を利用して電力を生成します。通常、二つのトリボエレクトリック層と電極ペアで構成され、水滴が表面に衝突し滑り落ちる際に電荷が分離されます。

DEGは低コスト、シンプルな構造、高いパワーデンシティを持ち、環境中の水源から運動エネルギーを収集するために研究者に人気があります。

しかし、複雑な構造と低い出力パワーデンシティが広範な応用を妨げています。また、陸上での使用に限定されているため、湖や川、海での実用性がありません。

DEGの他の課題として、統合システムでの時間経過による性能低下、材料の耐久性問題、大規模応用に必要な広い占有面積があります。

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したがって、研究は効率向上を目指し、設計の改良や構造の一部として自然水を使用、材料の最適化に焦点を当てており、最近のイノベーションでは軽量で低コスト、さらには浮遊型デバイスが生み出されています。

数年前、香港城市大学（CityU）の研究チームは開発した²、FET類似構造を持つDEGで、高エネルギー変換効率を達成しました。その瞬時電力密度は、FET類似構造を持たない従来のものに比べて何千倍も高かったのです。

彼らの研究には二つの重要な要素があり、一つは連続的な水滴がポリテトラフルオロエチレン（PTFE）の表面に衝突すると、準永久的な電荷を持つ誘電体として表面電荷が蓄積し徐々に飽和に達することをチームが発見した点です。これにより、以前の低電荷密度の問題を高密度表面電荷を蓄積・保存する新たな方法で克服しました。

もう一つの要因は彼らの設計で、主要な特徴はFETに似た独自の構造群です。デバイスはアルミニウム電極とPTFE/ITO電極で構成され、ITO電極上にPTFE膜が蒸着されています。滴がPTFE/ITO表面に衝突し広がると、両電極を橋渡しし、システムを閉回路に変えます。

この設計により、PTFE上に高密度の表面電荷を収集できました。そして、広がる水が二つの電極を接続すると、PTFEに蓄えられた電荷が完全に放出され、電流が生成されます。

CityUの設計が電荷蓄積の向上に焦点を当てたのに対し、中国科学院の別チームはDEGの構造を簡素化し、スケーラビリティを高めました。

中国の研究者チームは提案した³、上部電極の自己容量効果を完全に活用し、広範な応用を促進するシンプルなオープン構造のDEGを。

実際、単一または少数のDEGだけで電気機器に継続的にエネルギーを供給するのは困難です。

チームは、斜面の建物や小屋などで大規模な雨滴エネルギーを収集する際、すべてのDEGを並列に接続して負荷（例えば電球）に電力を供給する簡単な方法があると指摘しました。そのため、太陽光パネルのセル構造を参考にし、上部電極の自己容量効果を最大限に活用して、シンプルなオープン構造のSCE-DEGを導入しました。これは主に上部・下部電極、PTFEフィルム、負荷から構成されています。

ここでは電極同士を接続する必要はありませんが、上部電極の自己容量効果により高い瞬時出力電力を得ることができ、構造がはるかにシンプルで大規模普及に便利です。

テストでは、61µLの水滴で212mWの出力電力を生成し、100個の商用LEDに光を供給できました。

最近、スウェーデンのKTH王立工科大学の研究者らは、 DEGの底部電極を調整し⁴、衝突する水滴の広がり面積に匹敵させ、個々のセルの平均出力電力を2倍にしました。

チームはさらに、30セルの大規模アレイを製作し、最先端アレイの約2.5倍の電力を達成しました。さらに、400セルの大規模マイクロスーパーキャパシタ（MSC）アレイを統合し、30セルジェネレータアレイで生成された電力を21.8%の効率で蓄え、電力管理チップを使用しませんでした。

この統合により、出力81.2µWの自己充電電力システム（SCPS）が構築されました。

30セルDEGアレイが400セルMSCアレイをわずか30秒で充電した後、統合されたSCPSはLEDを60秒間連続稼働させることができ、自然水からの高効率エネルギー収集の実用的応用に向けて、大規模DEGアレイと超高速大規模MSCアレイを統合する戦略の有望性を示唆しています。

浮遊型W-DEG：軽量でコスト効果の高い雨力エネルギーへの道

現在、研究者は 南京航空航天大学の新しいソリューションを開発しました、自然水を構造の重要な 部分として利用する浮遊型DEGで、 それにより 軽量で手頃な価格、そして 環境に優しい再生可能エネルギー生産への道を提供します。

従来の金属電極が下にある硬い基盤上に誘電体フィルムを置く代わりに、新しい設計では水が支持基盤と導電電極の両方として機能します。このアプローチ、上部電極‑誘電体‑水構造は、従来モデルと比較して材料重量とコストをそれぞれ87%と50%削減しながら、同等の電力出力を維持し、さまざまな作業環境で優れた耐久性を示しています。

『National Science Review』に掲載され、National Science Review⁵、本研究は水の電気的・構造的機能を活用した新しい水統合型浮遊DEG（W-DEG）の開発につながった「自然統合」設計ルートの詳細を示しています。

その仕組みは、未使用エネルギーを運ぶ淡水の雨滴が浮遊誘電表面に着くと、フッ素化エチレンプロピレン（FEP）フィルムが即座に反応します。化学的に不活性な薄いFEPフィルムは、極端な温度変化、腐食、藻類や細菌の増殖に耐えます。

滴が広がるとイオンの流れが生じ、上部領域と下部領域間で電荷が転送され、微量の電力が生成されます。滴が跳ね返ると表面はリセットされます。

ここでの水の自然特性は、衝撃を吸収し滴が効率的に広がるために必要な機械的安定性を提供し、曲がったり破損したりしません。

これらの自然特性には強い表面張力と非圧縮性が含まれます。水はほぼ非圧縮性と考えられ、圧力下でほとんど圧縮されません。一方、氢結合による水分子間の強い凝集が強い表面張力を生み出します。

同時に、水中のイオンは電荷キャリアとして機能し、信頼できる電極として働きます。

これらの特徴により、浮遊ジェネレータは滴あたり約250ボルトのピーク電圧を生成でき、金属を使用した従来の硬質設計と同等の性能を発揮します。

この設計は耐久性もあり、テストでは異なる塩濃度（最大500mM塩化ナトリウム）、温度、さらにはバイオ付着がある屋外湖水への曝露など、様々な条件下でも性能を維持することが示されました。これは海洋デバイスにとって重要な課題です。

多くのエネルギーデバイスが過酷な環境で劣化する中、浮遊ジェネレータは水ベースの構造の回復力と誘電層の化学的不活性により安定して動作し続けます。

高塩分の水でテストした際、ジェネレータは1週間の設置後も機能を維持しました。また、汚れが付着しても簡単に清掃すれば最大性能に戻ります。

装置の安定性をさらに高めるため、チームは水の高い表面張力を利用して、一方向にのみ水が流れる排水孔を設計しました。したがって、重力と表面張力を用いて汚染物質の蓄積を抑制し、清潔に保つことで、余分な滴を除去する自己調整システムを構築しています。この方法で水の蓄積を防ぎ、出力低下を防止します。

浮遊型W-DEGのもう一つの重要な側面はスケーラビリティです。サイズ0.3平方メートルで、研究者は従来報告されたものよりはるかに大きなドロップレットジェネレータを実証しました。各ジェネレータは滴あたり約250ボルトを生成し、同時に50個のLEDを駆動できます。

さらに、システムは数分でコンデンサを有用な電圧に充電できました。チームは10台のW-DEGデバイスを試験し、120個の模擬雨滴装置で人工降雨を作り出し、コンデンサを3ボルトまで充電し、ワイヤレスセンサーや小型電子機器を駆動する可能性を示しました。

さらに開発が進めば、これらのシステムは湖や貯水池、沿岸地域から貴重な土地資源を占有せずに再生可能電力を収集できるようになります。

「水自体に構造的役割と電気的役割の両方を担わせることで、軽量でコスト効果が高く、スケーラブルなドロップレット電気生成の新戦略を開拓しました」と本研究の共著者である郭万林教授は述べました。「これにより、太陽光や風力など他の再生可能技術を補完できる、陸に依存しないハイドロボルタイクスシステムへの道が開かれます。」

頻繁に降雨がある地域では、浮遊型ドロップレット電気ジェネレータがオフグリッド用途や地域電網を補完する分散型エネルギーソリューションを提供できます。

従来のドロップレットジェネレータは平方メートルあたり約210元（約29.50ドル）で、重量は4キログラム以上（約8.818ポンド）ですが、チームの浮遊型は約106元（15ドル未満）で、重量はわずか0.5キログラム（1.1ポンド）です。

雨水収集に加えて、このデバイスは水面に自然に浮かぶ機能により他の用途も持ちます。例えば、多様な水域に展開して、汚染、水質、塩分などを測定する環境モニタリングシステムの電源として利用できます。

その「自然統合設計」では、自然に豊富に存在する素材を機能部品として使用し、エコベース技術の新たなアプローチにもインスピレーションを与える可能性があります。

しかし、デバイスを大規模に展開する前に、まず対処すべき課題があります。実際の雨滴のサイズと速度が多様であるため、デバイスの性能が影響を受ける可能性があります。また、動的な屋外条件下で大きな誘電フィルムの堅牢性と耐久性を確保するために、さらなるエンジニアリングが必要です。

これらの課題にもかかわらず、実験室での結果は有望であり、効率的で耐久性がありスケーラブルなプロトタイプの実証は、水統合型浮遊DEG（W-DEG）の実用化への重要な一歩となります。

水資源活用技術への投資

Xylem (XYL ) は、スマートな水管理に焦点を当て、センサー、モニタリング、そして水流システムの統合に関わるグローバルな水技術企業です。

同社のWater Infrastructure部門は、処理装置、水、廃水、そして雨水ポンプと制御装置などの製品を提供します。 Applied Water部門は、ポンプ、バルブ、熱交換器、ディスペンサー機器などの製品をカバーし、Measurement & Control Solutions（MCS）部門は重要資源のインテリジェントな利用のための高度なソリューションと、水試験用の分析機器を構築します。 Integrated Solutions & Services部門は、産業や自治体向けの装置システムを提供します。

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