HydroVoltaics – Elektriciteit opwekken uit verdamping

Nieuw onderzoek toont aan dat nanoschaalapparaten kunnen worden gebruikt om elektriciteit uit vloeistofverdamping te oogsten, waardoor een groot energiepotentieel wordt onthuld dat nog niet volledig benut is.

Verdamping is een natuurlijk proces. Simpel gezegd is het een vorm van verdamping die plaatsvindt op het oppervlak van een vloeistof wanneer deze in gas verandert. Het is overal om ons heen, maar we besteden er meestal geen aandacht aan.

Interessant genoeg drijft ongeveer de helft van de zonne-energie die de aarde bereikt, verdampingsprocessen aan. Verdamping, die een continue energiewissel in de wereldwijde watercyclus mogelijk maakt, is een hernieuwbare energiebron die volgens de studie momenteel nog niet wordt benut.

Water, dat in overvloed beschikbaar is omdat het meer dan 70% van het oppervlak van onze planeet bedekt, bevat tonnen energie in de vorm van chemische, thermische en kinetische energie, maar er wordt maar weinig van benut. Wat betreft het totale vermogen voor energieopwekking uit natuurlijke verdamping van meren en reservoirs, heeft de VS alleen al een geschatte opwekkingspotentieel van 325 GW. Dit vertegenwoordigt meer dan 69 % van de elektrische energieproductie van de VS in 2015, aldus de studie.

Daarom werken onderzoekers de afgelopen jaren aan het benutten van het energiepotentieel van verdamping. Dit wordt onderzocht via diverse apparaten, zoals zelfvoorzienende generatoren, hybride systemen en tandemapparaten. Onderzoek heeft in de loop der jaren veel aandacht getrokken voor door verdamping aangedreven hydrovoltaïsche apparaten, vooral dankzij de vooruitgang in nanomaterialen en nanotechnologie.

Daarom gaan we het HV-effect bekijken, dat nanogestructureerde materialen in staat stelt elektriciteit te genereren in interactie met water. Water kan hier alles zijn, van druppels, vocht en vloeistof tot verdamping. In het HV-effect veroorzaakt verdamping een constante stroom binnen nano-kanalen in deze apparaten. Dit effect wordt ook gezien in de microcapillairen van planten, waar watertransport plaatsvindt door een combinatie van capillaire druk en natuurlijke verdamping.

Vier mechanismen worden voornamelijk gezien als verantwoordelijk voor dit HV-effect: streaming, pseudo-streaming, ionengradientdiffusie en het elektrondrag-effect. Het hydrovoltaïsche effect breidt mogelijk de technische mogelijkheden voor het oogsten van waterenergie uit en maakt de creatie van zelfvoorzienende apparaten mogelijk.

Nu hebben onderzoekers van de Zwitserse openbare onderzoeksuniversiteit EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) financieringsondersteuning ontvangen van de Zwitserse Nationale Wetenschapsfonds (SNSF) via het Koreaans‑Zwitserse Wetenschaps‑ en Technologiefond en de Swiss Government Excellence Fellowship. De experimentele faciliteiten van EPFL, het Interdisciplinary Centre for Electron Microscopy (CIME) en het Center for MicroNanoTechnology (CMi), zijn ook betrokken bij het oogsten van energie uit vloeistofverdamping die hogere ionconcentraties bevat dan zuiver water.

Het feit is dat hydrovoltaïsche apparaten al bestaan, maar er is weinig bekend over de fysieke fenomenen die HV-productie op nanoschaal beheersen. Er is ook een gebrek aan functioneel begrip van de omstandigheden, iets wat deze studie wil rechtzetten.

Vroeger deze maand gepubliceerd in het Cell Press tijdschrift Device, de studie van het Laboratorium voor Nanowetenschap voor Energietechnologie (LNET) genaamd “Zoutgehaltes‑afhankelijke interfaciale fenomenen voor optimalisatie van hydrovoltaïsche apparaten” is uitgevoerd door Giulia Tagliabue en Tarique Anwar.

De studie experimenteerde met multifysisch modelleren om vloeistofstromen, ionenstromen en elektrostatische effecten door vaste‑vloeistofinteracties te specificeren, met als doel HV-apparaten te optimaliseren.

Volgens Tagliabue, die het LNET aan de School of Engineering leidt, is dit de eerste studie die hydrovoltaïsche fenomenen kwantificeert dankzij hun nieuwe en sterk gecontroleerde platform. Deze hydrovoltaïsche fenomenen worden gemeten door het belang van verschillende interfaciale interacties te demonstreren.

Tijdens dit proces ontdekte het team een belangrijke bevinding: hydrovoltaïsche apparaten kunnen werken over een breed scala aan zoutgehaltes. Dit, merkte Tagliabue op, tegenspreekt de eerdere overtuiging dat sterk gezuiverd water noodzakelijk is voor optimale prestaties.

Het Multiphysica Model

Recentelijk hebben studies naar door verdamping aangedreven vloeistofstromen in materialen die op nanoschaal microgestructureerd zijn, geleid tot een nieuwe manier om hernieuwbare of groene energie op te wekken, namelijk door thermische energie om te zetten in elektrische energie via een elektrokinetisch pad. Verbeteringen in prestaties worden hier geleid door de optimalisatie van de elektrodecontacten.

Echter, het gebrek aan modelleringsinstrumenten en vragen over de geometrische en chemische kenmerken van het systeem beperken zowel de prestaties als het toepassingsbereik van deze opkomende technologie, hydrovoltaïsche (HV) apparaten, voor duurzame energieopwekking.

Dus ontwikkelden de onderzoekers een kwantitatief multifysisch model en maakten gebruik van geordende arrays van siliciumnanopilaren (Si NPs) die aan het oppervlak brachten wat eerder onverkend was. Opmerkelijk vond de studie dat de oppervlaktespanning, die afhankelijk is van de ionconcentratie en de mobiliteit van ionen, de meerdere lokale maxima in de open‑circuit spanning (VOC) bepaalt, waarbij ideale omstandigheden afwijken van de traditionele verwachting van lage concentratie.

Bovendien kunnen structurele asymmetrieën een elektrostatisch potentieel genereren dat de HV‑prestaties verbetert. Daarnaast bevestigt de studie ionadsorptie en omkering van lading voor veel monovalente kationen, waardoor dergelijke apparaten zelfs bij hoge concentraties kunnen functioneren.

Het HV‑apparaat ontwikkeld door het onderzoeksteam bestaat uit regelmatige arrays van Si NPs op centimeter schaal, geëtst in een p‑type Si wafer. Het team maakte vervolgens gebruik van een combinatie van colloïdale lithografie en metaalondersteunde chemische etsing (MACE) om de pitch van de hexagonale array van NPs vast te leggen, terwijl hun lengte en diameter respectievelijk werden gevarieerd in het bereik van 1,23–4,4 μm en 420–560 nm. Door de afmetingen van de Si NPs te wijzigen, konden ze direct de nano‑kanaalgeometrie en het vaste‑vloeistofoppervlak naar behoefte regelen.

Het hydrovoltaïsche apparaat in deze studie vertegenwoordigt de eerste toepassing van de nanosphere colloïdale lithografietechniek, waardoor de onderzoekers een hexagonaal netwerk van precies gespreide Si NPs konden vormen. De ruimtes tussen deze siliciumnanopilaren creëerden de perfecte doorgang voor het verdampen van vloeistoffen. Dit kan verder fijn worden afgesteld om de effecten van vloeistofbeperking en het vaste/vloeistofcontactgebied beter te begrijpen.

Anwar, een PhD‑student aan het LNET, legde uit dat de meeste vloeistofsysteem met zoutoplossingen een gelijk aantal positieve en negatieve ionen hebben. Maar door de vloeistof te beperken tot een nano‑kanaal, kunnen we alleen die “ionen met een polariteit die tegenovergesteld is aan die van de oppervlaktespanning” verkrijgen. Dus, door vloeistof door het nano‑kanaal te laten stromen, kunnen we stroom en spanning genereren, voegde hij toe.

Het begrijpen van de fundamentele mechanismen van spannings‑ en stroomgeneratie in HV‑apparaten vereist ondertussen controle over de eigenschappen van de vaste‑vloeistofinterface en de nanobeperking van de vloeistof, namelijk de nano‑kanaalgeometrie.

Concluderend toonde de studie een hoge vermogensdichtheid van 8 μW/cm² bij 0,1 M, met een vermogensoutput vergelijkbaar met die van apparaten die op kraanwater werken, maar met “twee ordes van grootte hogere concentraties” dan ooit eerder gerapporteerd. Dit effent de weg voor een bredere toepasbaarheid van HV‑systemen over verschillende zoutgehaltes, waarbij optimale bedrijfsomstandigheden worden bepaald door verschillende interfaciale fenomenen.

Zoals Tagliabue uitlegde, kan het chemisch evenwicht van de oppervlaktespanning van het nanodevice worden benut om de werking van HV‑apparaten over de zoutgehalteschaal uit te breiden. Dus, naarmate de concentratie van vloeistofionen stijgt, neemt de oppervlaktespanning van het nanodevice ook toe, waardoor we “grotere vloeistofkanalen kunnen gebruiken terwijl we werken met vloeistoffen met hogere concentraties. Dit maakt het gemakkelijker om apparaten te vervaardigen voor gebruik met kraan‑ of zeewater, in plaats van alleen gezuiverd water,” zei Tagliabue.

Op deze manier betoogt de studie dat ze belangrijke inzichten en een ontwerptool biedt voor het optimaliseren van door verdamping aangedreven hydrovoltaïsche (EDHV) apparaten, en wijst ze op bredere toepassingsmogelijkheden voor deze zelfvoorzienende systemen.

De studie stelt dat de prestatiemetriek van hun open‑circuit spanning (VOC) kan worden vergroot door het verdampingsnelheid te verbeteren. Afhankelijk van de oppervlaktespanning en de geometrie van de nanobeperking, kan de VOC verdubbelen bij een 5‑voudige toename van de verdampingssnelheid, wat betekent dat het vermogen tot vier keer kan worden verhoogd.

Dit komt voornamelijk door de verbetering van de streamingstroom, maar zal meer diepgaande kennis van de stromingsdynamiek in deze apparaten vereisen om bevestigd te worden.

Spannende potentiële toepassingen van hydrovoltaïsche apparaten

Waterdamp is overal op aarde aanwezig, wat een grote kans biedt, vooral voor elektriciteitsopwekking en het verlichten van het wereldwijde energietekort. Hiervoor kunnen hydrovoltaïsche apparaten energie extraheren via verschillende methoden, zoals het construeren van een asymmetrische structuur.

Echter, de energieopwekking hangt af van de eigenschappen van de vloeistof, inclusief het type en de concentratie van opgeloste stoffen in de oplossing. Dit komt omdat de creatie van elektrische energie in het HV‑effect verbonden is met de ophoping van ladingsdragers veroorzaakt door een elektrische dubbellaag (EDL) die zich vormt op de vloeistof‑vaste interface.

Ondanks deze uitdagingen hebben hydrovoltaïsche apparaten een enorm potentieel dankzij continue verdamping over een breed scala aan temperaturen en luchtvochtigheid. Dit maakt HV‑apparaten klaar voor vele spannende toepassingen, waaronder stroomvoorziening, all‑weather energieopwekking, en wateropvang en ontzilting.

De studie vond dat onder zoetwateromstandigheden EDL‑overlap een vereiste is die kan worden gerealiseerd bij een lage totale oppervlaktespanning en hoge beperking, d.w.z. een kleine nano‑kanaalgrootte. Toch maakt het vergroten van het oppervlak of de lading grotere nano‑kanaalgroottes haalbaar.

In zeewateromstandigheden kan een optimum worden gecreëerd bij een grote poriegrootte (Dp‑waarden >100 nm) door de oppervlaktespanning te regelen, wat suggereert dat geometrische beperking op nanometerschaal kan worden voorkomen, waardoor de schaalbaarheid van deze apparaten wordt gestroomlijnd.

Ondertussen kan bij hoge zoutgehaltes ladinginversie worden gebruikt door de vaste‑vloeistofinterface en de initiële oppervlaktespanning te minimaliseren. Echter, werking bij zulke hoge concentraties en op lange termijn kan een uitdaging zijn vanwege ionadsorptie en zoutkristallisatie. Dit komt door het directe effect op de eigenschappen van het oppervlak en de geometrie van de nanostructuur. Daarom schreven de onderzoekers dat verder onderzoek nodig is.

De onderzoekers van de studie hopen ook het diverse potentieel van het apparaat te verkennen, met de steun van de organisaties die hen subsidies hebben gegeven, om deze opkomende technologie te begrijpen en analyseren.

Een van de ondersteunende organisaties, de Zwitserse Nationale Wetenschapsfonds (SNSF), die door de federale overheid is aangesteld, streeft ernaar energie uit verdamping te benutten en een geheel “nieuw paradigma voor afvalwarmterecuperatie en hernieuwbare energieopwekking op grote en kleine schaal” te ontwikkelen. Dit omvat een prototypemodule in realistische situaties op het grootste meer van Centraal‑Europa, het Meer van Genève, om gegevens te verzamelen over hydrovoltaïsche opwekking op alpenmeren.

SNSF ondersteunt al vele jaren energiegerelateerde projecten om bij te dragen aan de ontwikkeling van kennis en expertise voor toekomstig gebruik. Deze projecten omvatten energieproductie, opslag, distributie en beheer, en efficiëntie.

Tagliabue ontving in 2022 de SNSF Starting Grant, waarbij CHF 1,8 miljoen over vijf jaar wordt verstrekt. Deze financiering helpt het team “onze inspanningen uit te breiden richting de nano‑engineering van hydrovoltaïsche apparaten voor hernieuwbare energieopwekking,” zei Tagliabue.

Ze zei destijds:

“Door het noodzakelijke fundamentele begrip, modelleringsinstrumenten en engineeringstrategieën vast te stellen, zal dit project een baanbrekende bijdrage leveren aan het maken van verdamping tot een wijdverspreide, veilige en continue hernieuwbare energiebron voor zowel grote als kleine schaal.”

HV‑apparaten bieden een grote kans, en omdat ze overal kunnen werken waar vloeistof aanwezig is, zelfs zweet, hebben ze ook potentieel voor gebruik in sensoren. Dit omvat alles van gezondheids‑ en fitnesswearables tot slimme tv’s.

Tagliabue is verder geïnteresseerd in het begrijpen hoe licht‑ en fotothermale (gerelateerd aan elektromagnetische straling) effecten kunnen worden gebruikt om oppervlaktespanningen en verdampingssnelheden in HV‑systemen te regelen.

Ten slotte zien onderzoekers een symbiose tussen HV‑systemen en de productie van schoon water, waarbij Anwar aangeeft hoe natuurlijke verdamping wordt gebruikt voor ontziltingsprocessen. Het condenseren van de damp die door een verdampend oppervlak wordt geproduceerd, maakt het mogelijk om zoet water te winnen uit zout water.

“Nu kun je je voorstellen een HV‑systeem te gebruiken om zowel schoon water te produceren als tegelijkertijd elektriciteit te benutten.”

– Anwar

Conclusie 

Met de voortdurend toenemende energie‑ en milieuproblemen is er behoefte aan efficiënte, flexibele en milieuvriendelijke oplossingen. Hier kunnen hydrovoltaïsche apparaten enorm helpen, omdat ze elektrische energie genereren door alomtegenwoordige waterverdamping te benutten.

Deze innovatie komt echter niet zonder uitdagingen. Ze manifesteren zich als gegenereerde stroom die niet voldoet aan de eisen van praktische toepassingen, onzekerheden over stabiliteit en duurzaamheid onder reële omstandigheden, en obstakels bij het realiseren van grootschalige geïntegreerde toepassingen. Ondanks deze hindernissen bevinden de technologie en het onderzoek naar hydrovoltaïsche materialen en apparaten zich nog in een vroeg stadium, en is er behoefte aan meer geavanceerde technologieën en meer onderzoek voor brede toepassing.

Kort gezegd hebben hydrovoltaïsche apparaten grote voordelen die niet genegeerd kunnen worden. In tegenstelling tot complexe, dure en milieuschadelijke oplossingen, biedt dit een nieuwe en veelbelovende methode voor energieopwekking in de toekomst. En met de tijd kunnen hydrovoltaïsche apparaten uitgroeien tot een levensvatbare en brede industrie.

Klik hier voor een lijst van de top tien hernieuwbare energieaandelen om in te investeren.