Zwevende watergeneratoren zetten regenval om in hernieuwbare energie

De vraag naar energie stijgt snel. In 2024, deze wereld registreerde een stijging van 4,3% in de elektriciteitsvraag. Dit was een veel grotere toename dan de 2,5% piek die het jaar daarvoor werd geregistreerd, wat dicht bij het gemiddelde tempo van elektriciteitsvraaggroei tussen 2010 en 2023 lag.

Deze groei wordt voornamelijk gedreven door de enorme groei van datacenters als gevolg van de explosie van AI-adoptie en elektrische voertuigen, waarbij industriële expansie en verhoogd gebruik van airconditioning ook aanzienlijk bijdragen.

Hoewel fossiele brandstoffen meer dan de helft (bijna 60%) van de elektriciteitsopwekking vorig jaar uitmaakten, met kolen als grootste bron in de wereld, de energiemix is eigenlijk aan het evolueren. Volgens de IEA, voor de eerste keer ooit, bedroeg de stroomopwekking uit hernieuwbare energie en kernenergie twee vijfde van de totale wereldwijde opwekking in 2024. 

Hernieuwbare energiebronnen waren in het bijzonder verantwoordelijk voor een derde van de wereldwijde elektriciteitsproductie. Onder de hernieuwbare bronnen leidt waterkracht met een aandeel van 14% van de totale elektriciteitsopwekking, gevolgd door wind met 8%, zonne‑PV met 7% en bio‑energie en afval met slechts 3%.

Hoewel een belangrijke ontwikkeling richting schone energie, is de bijdrage van hernieuwbare energie aan de wereldwijde energieproductie nog steeds laag. Dus, om deze verschuiving naar hernieuwbare energiebronnen verder te versnellen, hebben onderzoekers nieuwe technologieën voor energieomzetting ontwikkeld om te voldoen aan de toenemende vraag naar dagelijkse elektrische energieconsumptie.

Systemen die energie direct uit de omgeving verzamelen, kunnen in het bijzonder helpen de inzet van hernieuwbare energiebronnen te vergroten.

Hydrovoltaics: Regen- en watercycli omzetten in elektriciteit

Water is een cruciaal element van het leven. Het vormt niet alleen een groot deel van ons lichaam, maar ook van de aarde. Het bedekt 70% van onze planeet en is de meest overvloedige hulpbron, en het bevat een aanzienlijke hoeveelheid energie in verschillende vormen, waarvan een groot deel nog grotendeels onderbenut blijft.

Een van de manieren waarop deze energie wordt benut, is via waterkracht, die het natuurlijke stromende water gebruikt om elektriciteit op te wekken.

Een andere krachtige manier om energie uit de natuurlijke watercyclus te oogsten, is via hydrovoltaïsche technologie. In tegenstelling tot traditionele technologieën, die de kinetische energie van water benutten, genereert hydrovoltaïsche technologie elektriciteit uit de directe interactie van een elektrodemateriaal met water. 

De hydrovoltaïsche technologie maakt daadwerkelijk de ontwikkeling van goedkope en hoogrendementsystemen mogelijk die thermische energie direct kunnen omzetten in elektrische energie via de interactie van water met nanomaterialen zoals grafeen, koolstofnanobuizen, koolstofnanodeeltjes en geleidende polymeren.

De energie die hier wordt omgezet, wordt gegenereerd door druppels, stroming, fluctuatie, condensatie of verdamping, en verhoogt de uitgangsvermogen aanzienlijk. Onderzoek stelt dat het gebruik van slechts 1% van de beschikbare energie in het wereldwijde water met een bescheiden efficiëntie van 1% via hydrovoltaïsche technologie ons kan helpen om een derde van de wereldwijde energiebehoefte te dekken.

Daarom zijn apparaten gebaseerd op deze zich ontwikkelende technologie cruciaal om te voldoen aan de vraag van de energie‑hongerige wereld met behulp van hernieuwbare energiebronnen.

Dit heeft geleid tot uitgebreid onderzoek naar druppel‑energiegeneratoren, een type hydrovoltaïsche technologie dat de mechanische energie van waterdruppels, zoals regendruppels, omzet in elektriciteit. Maar beperkingen in de huidige technologie hebben het niet mogelijk gemaakt om de in water opgeslagen energie efficiënt om te zetten in elektrische energie.

Zo kan een traditionele druppel‑energiegenerator gebaseerd op het tribo‑elektrische effect, dat een elektrische lading genereert wanneer twee verschillende materialen in contact komen en vervolgens scheiden, elektriciteit produceren wanneer een druppel een oppervlak raakt. Echter, het interfaciale effect beperkt het aantal ladingen dat op het oppervlak wordt gegenereerd, wat resulteert in een relatief lage energieconversie‑efficiëntie.

Dus heeft een team onderzoekers een nieuw “water-geïntegreerde druppel-elektriciteitsgenerator” ontwikkeld die een hoge output levert terwijl hij op oppervlakken drijft, en een blik biedt op de volgende generatie lichtgewicht, hoogrendementstoestellen. Volgens de studie:

“We verwachten dat dit werk een nieuwe weg zal openen om waterachtige natuurlijke materialen te benutten voor de constructie van hydrovoltaïsche apparaten en landvrije grootschalige toepassingen te bevorderen.”

Maar voordat we in dit onderzoek duiken, laten we eerst bekijken wat er in dit gebied gebeurt.

State-of-the-art in druppel-elektriciteitsgeneratoren (DEG’s)

Bewegende waterdruppels zoals regendruppels komen veel voor en dragen een aanzienlijke hoeveelheid kinetische energie, wat veelbelovend is voor duurzame elektriciteitsopwekking. Om de kinetische energie van waterdruppels te oogsten, hebben onderzoekers zich gericht op DEG’s.

Druppelgebaseerde elektriciteitsgenerator (DEG) is een krachtige technologie en heeft veelbelovend aangetoond als een efficiënte manier om energie uit de natuurlijke omgeving te oogsten.

Het maakt gebruik van vallende waterdruppels om elektriciteit te genereren. Typisch bestaat het uit twee tribo-elektrische lagen en een paar elektroden, waarbij ladingen worden gescheiden wanneer een waterdruppel het oppervlak raakt en vervolgens wegglijdt.

De lage kosten, eenvoudige structuur en hoge vermogensdichtheid van DEG’s hebben ze populair gemaakt onder onderzoekers om kinetische energie uit omgevingswaterbronnen te oogsten.

Echter, de brede toepassing wordt belemmerd door de complexe structuur en lage uitgangsvermogendichtheid. Hun toepassing, beperkt tot landgebruik, maakt ze ook onpraktisch voor meren, rivieren en oceanen.

Andere uitdagingen voor DEG’s omvatten aanzienlijke prestatieafname in de loop van de tijd in geïntegreerde systemen, problemen met materiaalduurzaamheid en de grote ruimtelijke voetafdruk die nodig is voor grootschalige toepassingen.

Swipe to scroll →

Dus, onderzoek gaat door met een focus op het verbeteren van de efficiëntie door betere ontwerpen, het gebruik van natuurlijk water als onderdeel van de structuur, of het optimaliseren van materialen, waarbij recente innovaties lichtgewicht, kosteneffectieve en zelfs drijvende apparaten creëren.

Enkele jaren geleden ontwikkelde een team onderzoekers van de City University of Hong Kong (CityU) ontwikkelde² een DEG met een field-effect transistor (FET)-achtige structuur die een hoge energieconversie‑efficiëntie bereikte. De piek vermogensdichtheid was veel hoger, ongeveer duizenden keren hoger, dan vergelijkbare modellen zonder een FET-achtige structuur.

Hun werk had twee belangrijke factoren; één was de bevinding van het team dat wanneer continue waterdruppels op het oppervlak van polytetrafluorethyleen (PTFE), een dielectrisch materiaal met een quasi‑permanente elektrische lading, botsen, de geproduceerde oppervlakte‑ladingen zich ophopen en geleidelijk verzadigen. Dit hielp het team de eerder ondervonden lage ladingdichtheid te overwinnen door een nieuwe manier te bieden om hoge‑dichtheid oppervlakte‑ladingen te accumuleren en op te slaan.

De andere factor was hun ontwerp, waarvan het belangrijkste kenmerk een unieke set structuren vergelijkbaar met een FET was. Het apparaat bestaat uit een aluminium elektrode en een PTFE/ITO elektrode, waarbij een indium‑tin‑oxide (ITO) elektrode wordt gebruikt met een PTFE‑film erop aangebracht. Wanneer een druppel het PTFE/ITO‑oppervlak raakt en zich erover verspreidt, verbindt het beide elektroden, waardoor het systeem een gesloten elektrische kring wordt.

Het ontwerp maakte het mogelijk een hoge dichtheid van oppervlakte‑ladingen te verzamelen op de PTFE. En wanneer het spreidende water de twee elektroden verbindt, worden de opgeslagen ladingen op de PTFE volledig vrijgegeven om een elektrische stroom te produceren.

Terwijl het ontwerp van CityU zich richtte op het verhogen van ladingaccumulatie, vereenvoudigde een ander team van de Chinese Academie van Wetenschappen de architectuur van de DEG om deze beter schaalbaar te maken.

Het team van Chinese onderzoekers stelde voor³ een DEG met een eenvoudige open structuur om volledig gebruik te maken van het zelf‑capaciteitseffect van de bovenste elektrode om de bredere toepassing te bevorderen.

Het probleem is dat het moeilijk is om continu energie te leveren voor de elektrische apparatuur met één of meerdere DEG’s.

Zoals het team opmerkte, bij het oogsten van grootschalige regendruppelenergie in hellende gebouwen zoals schuren, is een eenvoudige methode om alle DEG’s parallel te verbinden om stroom aan de belasting te leveren, bijvoorbeeld een lamp. Dus, met verwijzing naar de celstructuur van een zonnepaneel en door volledig gebruik te maken van het zelf‑capaciteitseffect van de bovenste elektrode, introduceerden ze SCE-DEG met een eenvoudige open structuur, die voornamelijk bestaat uit een boven‑ en onderelektrode, PTFE‑film, en belasting.

De elektroden hier hoeven niet met elkaar te verbinden, maar een hoog piekvermogen kan nog steeds worden verkregen door het zelf‑capaciteitseffect van de bovenste elektrode, waardoor de structuur veel eenvoudiger en handiger wordt voor grootschalige popularisatie.

Bij testen kon het 212 mW uitgangsvermogen produceren met een waterdruppel van 61 µL en kon het licht leveren aan 100 commerciële LED’s.

Recentelijk hebben onderzoekers van het KTH Royal Institute of Technology, Zweden, de onderliggende elektroden van DEG aangepast⁴ om hun oppervlakte vergelijkbaar te maken met het spreidingsgebied van de inslagende waterdruppels, wat het gemiddelde uitgangsvermogen van individuele cellen verdubbelde.

Het team vervaardigde ook grootschalige (30-cel) arrays die ongeveer 2,5 keer meer vermogen opleverden dan state‑of‑the‑art arrays. Bovendien integreerden ze een grootschalige (400-cel) micro‑supercondensator (MSC) array om de elektriciteit die door de 30‑cel generatorarray werd opgewekt op te slaan met een efficiëntie van 21,8%, zonder gebruik te maken van een vermogensbeheerschip.

Deze integratie creëert een zelf‑opladen energiesysteem (SCPS) met een uitgangsvermogen van 81,2 µW. 

Na het opladen van de 400‑cel MSC‑array door de 30‑cel DEG‑array gedurende slechts 30 seconden, kan het geïntegreerde SCPS een LED gedurende 60 seconden continu laten werken, “wat de belofte suggereert van de strategie om grootschalige DEG‑arrays te integreren met grootschalige ultrasnelle MSC‑arrays om SCPS’s te bouwen voor hoogrendement energie‑oogsten uit natuurlijk water voor praktische toepassingen.”

Floating W-DEG: Een lichtgewicht, kosteneffectieve route naar door regen aangedreven energie

Nu hebben onderzoekers van de Nanjing University of Aeronautics and Astronautics een nieuwe oplossing ontwikkeld, een drijvende DEG die natuurlijk water als een belangrijk onderdeel van zijn structuur gebruikt, en zo een lichtgewicht, betaalbare en milieuvriendelijke route naar de productie van hernieuwbare energie biedt.

In plaats van een dielektrische film op een rigide basis met een metalen elektrode eronder, heeft het nieuwe ontwerp water dat fungeert als zowel de ondersteunende basis als de geleidende elektrode. Deze benadering, top‑elektrode‑dielectrisch‑water architectuur, vermindert zowel het gewicht van het materiaal als de kosten met respectievelijk 87% en 50% ten opzichte van oudere modellen, terwijl het een vergelijkbaar elektrisch uitgangsniveau behoudt en een grote duurzaamheid toont in verschillende werkomgevingen.

Gepubliceerd in National Science Review⁵, beschrijft de studie de ‘nature‑integrated’ ontwerproute die heeft geleid tot de ontwikkeling van een nieuw water‑geïntegreerde drijvende DEG (W‑DEG) die de elektrische en structurele functies van water benut.  

De werking is als volgt: wanneer regendruppels, een zoetwaterbron met ongebruikte energie, op het drijvende dielektrische oppervlak landen, reageert een film van gefluoreerd ethyleenpropyleen (FEP) onmiddellijk. Omdat het chemisch inert is, weerstaat de dunne FEP‑film extreme temperatuurschommelingen, corrosie en de groei van algen en bacteriën.

Wanneer de druppel zich verspreidt, creëert het een stroom van ionen, waardoor een ladingsoverdracht plaatsvindt tussen de bovenste regio en de onderste regio, wat een zeer kleine hoeveelheid elektriciteit genereert. Het oppervlak herstelt zich wanneer de druppel terugstuit.

De natuurlijke eigenschappen van het water bieden hier de mechanische stabiliteit die nodig is om de impact te absorberen en de druppels efficiënt te laten verspreiden, zonder te buigen of te breken. 

Deze natuurlijke eigenschappen omvatten een sterke oppervlaktespanning en oncompressibiliteit. Water wordt beschouwd als bijna oncompressibel, wat betekent dat het onder druk nauwelijks samendrukbaar is. Ondertussen creëert de sterke cohesie tussen watermoleculen, veroorzaakt door waterstofbindingen, een sterke oppervlaktespanning.

Ionnen in het water fungeren ondertussen als ladingsdragers, waardoor het als een betrouwbare elektrode kan fungeren. 

Samen stellen deze kenmerken de drijvende generator in staat om piekspanningen van ongeveer 250 volt per druppel te genereren, vergelijkbaar met de prestaties van traditionele rigide ontwerpen die metaal gebruiken.

Het ontwerp is ook duurzaam, met tests die aantonen dat de generator prestaties behoudt onder verschillende omstandigheden, inclusief verschillende zoutconcentraties (tot 500 millimolair natriumchloride), temperaturen, en zelfs blootstelling aan buitenwater van een meer met bio‑vervuiling —een aanzienlijk probleem voor maritieme apparaten.

Terwijl veel energie‑apparaten degraderen in barre omgevingen, blijft de drijvende generator stabiel functioneren dankzij de veerkracht van de watergebaseerde structuur en de chemische inertie van de dielektrische laag.

Bij testen in sterk zoute water behield de generator zijn functionaliteit na een week van inzet. En als er vuil op terechtkomt, herstelt eenvoudige reiniging de maximale prestaties.

Om de stabiliteit van hun apparaat verder te vergroten, maakte het team gebruik van de hoge oppervlaktespanning van water om afvoergaten te ontwerpen die water slechts in één richting naar beneden laten stromen. Dus, door zwaartekracht en oppervlaktespanning te gebruiken, kan het team de opbouw van verontreinigingen verminderen en het schoon houden, waardoor een zelfregulerend systeem wordt gecreëerd voor het verwijderen van overtollige druppels. Op deze manier wordt wateraccumulatie vermeden, wat anders de output zou kunnen verminderen.

Een ander belangrijk aspect van de drijvende W‑DEG is schaalbaarheid. Met een grootte van 0,3 vierkante meter toonden de onderzoekers een veel grotere druppelgenerator dan eerder gerapporteerde modellen. Met elk van deze generatoren dat ~250 volt per druppel produceert, kunnen ze 50 LED’s gelijktijdig van stroom voorzien.

Bovendien kon het systeem condensatoren binnen enkele minuten tot bruikbare spanningen opladen. Het team testte 10 W‑DEG‑apparaten en produceerde gesimuleerde regenval met 120 kunstmatige regendruppelaars, vervolgens laadde de condensator tot drie volt, waarmee het potentieel werd aangetoond om draadloze sensoren en kleine elektronica van stroom te voorzien.

Met verdere ontwikkeling zouden deze systemen kunnen worden gebruikt om hernieuwbare elektriciteit te oogsten uit meren, reservoirs of kustgebieden zonder waardevolle landbronnen in beslag te nemen.

“Door water zelf zowel structurele als elektrische rollen te laten spelen, hebben we een nieuwe strategie voor druppel‑elektriciteitsgeneratie ontgrendeld die lichtgewicht, kosteneffectief en schaalbaar is,” zei de mede‑auteur van de studie, professor Wanlin Guo. “Dit opent de deur naar landvrije hydrovoltaïsche systemen die andere hernieuwbare technologieën zoals zonne‑ en windenergie kunnen aanvullen.”

In regio’s die frequente regenval ervaren, zou de drijvende druppel‑elektriciteitsgenerator een gedistribueerde energieoplossing kunnen bieden die off‑grid toepassingen van stroom voorziet of lokale netten aanvult.

Vergeleken met een traditionele druppelgenerator, die ongeveer 210 yuan (ongeveer $29,50) per vierkante meter kost en meer dan vier kilogram (ongeveer 8,818 pond) weegt, kost de drijvende versie van het team ongeveer 106 yuan (minder dan $15) en weegt slechts 0,5 kilogram (1,1 pond).

Naast regenwateropvang kan het apparaat dankzij zijn vermogen om natuurlijk op wateroppervlakken te drijven, ook andere toepassingen hebben. Zo kan het worden ingezet in diverse aquatische omgevingen om milieumonitoringssystemen zoals sensoren die vervuiling, waterkwaliteit of zoutgehalte volgen, van stroom te voorzien.

Het ‘nature‑integrated design,’ waar het van nature overvloedige materiaal wordt gebruikt als functioneel onderdeel, kan ook nieuwe benaderingen in ecogebaseerde technologieën inspireren.

Maar voordat het apparaat op grote schaal kan worden ingezet, moeten eerst uitdagingen worden aangepakt. De variabele grootte en snelheid van echte regendruppels betekenen dat de prestaties van het apparaat kunnen worden beïnvloed. Bovendien is verdere engineering nodig om de robuustheid en duurzaamheid van grote dielektrische films onder dynamische buitenomstandigheden te waarborgen. 

Ondanks deze uitdagingen zijn de laboratoriumresultaten veelbelovend, en de demonstratie van een efficiënt, duurzaam en schaalbaar prototype vormt een belangrijke stap naar praktische toepassingen van water‑geïntegreerde drijvende DEG (W‑DEG).

Investeren in wateropvangtechnologie

Xylem (XYL ) is een wereldwijd watertechnologiebedrijf gericht op slim waterbeheer, betrokken bij het integreren van sensoren, monitoring en waterstroomsystemen.

Zijn Water Infrastructure-segment biedt producten zoals zuiveringsapparatuur, water, afvalwater en stormwater pompen en regelingen. Het Applied Water-segment omvat producten inclusief pompen, kleppen, warmtewisselaars en doseerapparatuur, terwijl het Measurement & Control Solutions (MCS)-segment geavanceerde oplossingen bouwt voor intelligent gebruik van kritieke hulpbronnen, evenals analytische instrumentatie voor wateranalyse. Het Integrated Solutions & Services-segment levert uitrustingssystemen voor industrieën en gemeenten.

Xylem maakt ook gebruik van AI om waterstromen te monitoren en lekken in realtime te detecteren. Dit maakt het mogelijk problemen op tijd te detecteren en dan snel te verhelpen, waardoor water wordt bespaard en kosten worden verlaagd.