HydroVoltaics – Utnytte elektrisitet fra fordampning

Ny forskning viser at nanoskalade enheter kan brukes til å høste elektrisitet fra væskefordampning, og avslører et stort energipotensial som ennå ikke er blitt utnyttet på riktig måte.

Fordampning er en naturlig prosess. Enkelt sagt er det en form for fordamning som skjer på en væskes overflate når den blir til gass. Den er overalt rundt oss, men vi legger egentlig ikke merke til den.

Interessant nok driver omtrent halvparten av solenergi som når jorden, fordampningsprosesser. Fordampning, som muliggjør en kontinuerlig energibytte i den globale vannkretsløpet, er en fornybar energikilde som fortsatt er uutnyttet, ifølge studien.

Vann, som er rikelig tilgjengelig siden det dekker over 70 % av planetens overflate, inneholder mengder av energi i form av kjemisk, termisk og kinetisk energi, men lite av dette utnyttes. Når det gjelder det totale kraftgenereringspotensialet fra naturlig fordampning fra innsjøer og reservoarer, har USA alene et estimert potensial på 325 GW. Dette utgjør over 69 % av USAs elektrisitetsproduksjon i 2015, bemerker studien.

Derfor har forskere i mange år arbeidet med å utnytte fordampningens energipotensial. Dette utforskes gjennom mange enheter, som selvforsynte generatorer, hybride systemer og tandem‑enheter. Forskning gjennom årene har satt stor fokus på fordampningsdrevne hydrovoltaiske enheter, spesielt med fremskritt innen nanomaterialer og nanoteknologi.

For dette, la oss gå inn på HV‑effekten, som gjør at nanostrukturerte materialer kan generere elektrisitet i samspill med vann. Vann kan her være alt fra dråper, fuktighet og væske til fordampning. Så i HV‑effekten produserer fordampning en konstant strøm gjennom nano‑kanaler i disse enhetene. Denne effekten ses også i plantenes mikrokapillærer, hvor vanntransport skjer på grunn av en kombinasjon av kapillært trykk og naturlig fordampning.

Fire mekanismer anses primært som ansvarlige for denne HV‑effekten: streaming, pseudo‑streaming, iongradient‑diffusjon og elektron‑drag‑effekten. Den hydrovoltaiske effekten kan potensielt utvide den tekniske evnen til å høste vannenergi og muliggjøre skapelsen av selvforsynte enheter.

Nå har forskere ved den sveitsisk‑baserte offentlige forskningsuniversiteten EPFL (Swiss Federal Institute of Technology Lausanne) mottatt finansieringsstøtte fra Swiss National Science Foundation (SNSF) via Korean‑Swiss Science and Technology Cooperation Fund og Swiss Government Excellence Fellowship. EPFLs eksperimentelle fasiliteter, Interdisciplinary Centre for Electron Microscopy (CIME) og Center for MicroNanoTechnology (CMi), er også involvert i å hente kraft fra væske‑fordampning som inneholder høyere ionekonsentrasjoner enn de som finnes i renset vann.

Poenget er at hydrovoltaiske enheter allerede finnes, men lite er kjent om de fysiske fenomenene som styrer HV‑produksjon på nanoskala. Det mangler også en funksjonell forståelse av betingelsene, noe denne studien ønsker å rette opp.

Publisert tidligere denne måneden i Cell Press‑tidsskriftet Device, studien fra Laboratory of Nanoscience for Energy Technology (LNET) med tittelen «Salinity‑dependent interfacial phenomena toward hydrovoltaic device optimization» er utført av Giulia Tagliabue og Tarique Anwar.

Studien eksperimenterte med multifysisk modellering for å spesifisere væskestrømmer, ionestrømmer og elektrostatiske effekter på grunn av solid‑væske‑interaksjoner, med mål om å optimalisere HV‑enheter.

Ifølge Tagliabue, som er leder for LNET ved School of Engineering, er dette den første studien som kvantifiserer hydrovoltaiske fenomener takket være deres nye og svært kontrollerte plattform. Disse hydrovoltaiske fenomenene måles ved å demonstrere viktigheten av ulike grensesnittinteraksjoner.

Under denne prosessen oppdaget teamet en viktig funn om hydrovoltaiske enheters evne til å operere over et bredt spekter av saliniteter. Dette, bemerket Tagliabue, motsier den tidligere oppfatningen om at høyt renset vann er nødvendig for optimal ytelse.

Den multifysiske modellen

Nylige studier av fordampningsdrevet væskestrøm i materialer som er mikrostrukturerte på nanoskalalevel har ført til en ny måte å generere fornybar eller grønn energi på, ved å konvertere termisk energi til elektrisk energi gjennom en elektrokinetisk vei. Forbedringer relatert til ytelse her ledes av optimalisering av elektrode‑kontaktene.

Imidlertid begrenser mangelen på modelleringsverktøy og spørsmål om de geometriske og kjemiske egenskapene til systemet både ytelsen og anvendelsesområdet for denne fremvoksende teknologien, Hydrovoltaic (HV)‑enheter, for bærekraftig energiproduksjon.

Dermed utviklet forskerne en kvantitativ multifysisk modell og utnyttet ordnede rader av silisiumnanopiller (Si NPs) som brakte frem det som tidligere var uutforsket. Studien fant spesielt at overfladeladningen, som er avhengig av ionekonsentrasjon samt ionenes mobilitet, er det som styrer flere lokale maksimum i åpen‑krets‑spenning (VOC), med ideelle forhold som avviker fra tradisjonelle forventninger om lav konsentrasjon.

Videre kan strukturelle asymmetrier generere et elektrostatiske potensial som forbedrer HV‑ytelsen. I tillegg bekrefter studien ionadsorpsjon og ladningsinversjon for mange monovalente kationer, noe som gjør at slike enheter kan operere selv ved høye konsentrasjoner.

HV‑enheten utviklet av forskerteamet består av centimeter‑skala regelmessige rader av Si NPs etsede i en p‑type Si‑skive. Teamet brukte deretter en kombinasjon av kolloidell litografi og metallassistert kjemisk etsning (MACE) for å fastsette avstanden i den heksagonale raden av NPs mens de varierte lengde og diameter i området 1,23–4,4 μm og 420–560 nm, henholdsvis. Ved å endre Si‑NP‑dimensjonene kunne de direkte kontrollere nano‑kanalgeometrien og den solide‑væske‑overflatearealet etter behov.

Den hydrovoltaiske enheten i denne studien representerer den første anvendelsen av nanosphære‑kolloidell litografiteknikk, som gjorde det mulig for forskerne å danne et heksagonalt nettverk av presist plasserte Si NPs. Rommene mellom disse silisiumnanopillene skapte den perfekte passasjen for å fordampe væsker. Dette kan ytterligere finjusteres for bedre å forstå effektene av væskekonfinering og den solide/væske‑kontaktflaten.

Anwar, som er PhD‑student ved LNET, forklarte at de fleste væskesystemer med saltløsninger har like mange positive og negative ioner. Men ved å begrense væsken til en nano‑kanal, kan vi få kun de «ionene med en polaritet motsatt overflatens ladning». Så ved å la væske strømme gjennom nano‑kanalen, kan vi generere strøm og spenning, la han til.

Forståelse av de grunnleggende mekanismene for spenning- og strøm‑generering i HV‑enheter krever imidlertid kontroll over egenskapene til solid‑væske‑grensesnittet og væskens nanokonfinering, som er nano‑kanalgeometrien.

Avslutningsvis viste studien en høy effekt‑tetthet på 8 μW/cm² ved 0,1 M, med en effektutgang sammenlignbar med enheter som drives av springen, men med «to størrelsesordener høyere konsentrasjoner» enn tidligere rapportert. Dette baner vei for bredere anvendelse av HV‑systemer på tvers av salinitetsskalaer, med optimale driftsforhold styrt av ulike grensesnittfenomener.

Som Tagliabue forklarte, kan den kjemiske likevekten for overfladeladningen på nanodevicen utnyttes til å utvide driften av HV‑enheter over salinitetsskalaen. Så når konsentrasjonen av væskeioner øker, øker også nanodevice‑overfladeladningen, noe som gjør at vi kan «bruke større væskekanaler mens vi arbeider med væsker med høyere konsentrasjon. Dette gjør det enklere å fremstille enheter for bruk med springvann eller sjøvann, i motsetning til kun renset vann», sa Tagliabue.

På denne måten hevder studien at den gir viktig innsikt og et designverktøy for optimalisering av fordampningsdrevne hydrovoltaiske (EDHV)‑enheter, samt peker mot bredere anvendelsesmuligheter for disse selvforsynte systemene.

Studien påpeker at ytelsesmålet for deres åpen‑krets‑spenning (VOC) kan forbedres ved å øke fordampningshastigheten. Avhengig av overfladeladning og nanokonfineringens geometri, kan VOC dobles ved en femdobling av fordampningsraten, noe som betyr at kraften kan økes opptil fire ganger.

Dette skyldes hovedsakelig forbedringen i streaming‑strømmen, men vil kreve mer inngående kunnskap om fluiddynamikken i disse enhetene for å bli bekreftet.

Spennende potensielle anvendelser av hydrovoltaiske enheter

Vannfordampning finnes overalt på jorden, og gir dermed en stor mulighet, spesielt for elektrisitetsproduksjon og for å lindre den globale energimangelen. Til dette kan hydrovoltaiske enheter brukes til å hente energi på ulike måter, som for eksempel ved å konstruere en asymmetrisk struktur.

Imidlertid avhenger kraftproduksjonen av væskens egenskaper, inkludert type og konsentrasjon av løsemiddel i løsningen. Dette skyldes at skapelsen av elektrisk energi i HV‑effekten er knyttet til opphopning av ladningsbærere forårsaket av et elektrisk dobbeltlag (EDL) som dannes på væske‑solid‑grensesnittet.

Til tross for disse utfordringene har hydrovoltaiske enheter stort potensial på grunn av kontinuerlig fordampning over et bredt spekter av temperaturer og fuktighetsnivåer. Dette gjør HV‑enheter klare for mange spennende anvendelser, inkludert strømforsyning, vær‑uavhengig kraftproduksjon, samt vanninnsamling og avsalting.

Studien fant at for ferskvannsbetingelser er EDL‑overlapping et krav som kan realiseres under lav total overfladeladning og høy konfinering, dvs. små nano‑kanalstørrelser. Likevel gjør økt overflateareal eller ladning større nano‑kanalstørrelser mulige.

Under sjøvannsbetingelser kan et optimum oppnås ved stor porediameter (Dp‑verdier >100 nm) ved å kontrollere overfladeladningen, noe som antyder at geometrisk konfinering på nanometerskala kan unngås, og dermed forenkler skalerbarheten til disse enhetene.

Samtidig kan ladningsinversjon brukes ved høye salinitetsnivåer ved å minimere solid‑væske‑grensesnittet og den innledende overfladeladningen. Imidlertid kan drift ved så høye konsentrasjoner over lang tid være en utfordring på grunn av ionadsorpsjon og saltkrystallisering. Dette skyldes den direkte effekten på overflatens egenskaper og nanostrukturens geometri. Derfor skrev forskerne at videre undersøkelser er nødvendig.

Forskerne i studien håper også å utforske den mangfoldige potensialen til enheten, med støtte fra organisasjonene som ga dem tilskudd, for å forstå og analysere denne fremvoksende teknologien.

En av støttende organisasjoner, Swiss National Science Foundation (SNSF), som er mandatert av den føderale regjeringen, har som mål å utnytte energi fra fordampning og utvikle et helt «nytt paradigme for gjenvinning av spillvarme og fornybar energiproduksjon i stor‑ og liten skala». Dette inkluderer en prototype‑modul i virkelige situasjoner på den største innsjøen i Sentral‑Europa, Genèvesjøen, for å samle data om hydrovoltaisk generering på alpeinnsjøer.

SNSF har i mange år støttet energirelaterte prosjekter for å bidra til utvikling av kunnskap og ekspertise for fremtidig bruk. Disse prosjektene dekker energiproduksjon, lagring, distribusjon og styring, samt effektivitet.

Tagliabue mottok SNSF Starting Grant i 2022, under hvilken CHF 1,8 millioner blir gitt over fem år. Denne finansieringen hjelper teamet med å «utvide vår innsats mot nano‑ingeniørkunst av hydrovoltaiske enheter for fornybar energiproduksjon», sa Tagliabue.

Hun sa på den tiden:

«Ved å etablere den nødvendige grunnleggende forståelsen, modelleringsverktøyene og ingeniørstrategiene, vil dette prosjektet gi et gjennomgripende bidrag til å gjøre fordampning til en utbredt, sikker og kontinuerlig fornybar energikilde for både store og små skalaer.»

HV‑enheter gir en stor mulighet, og siden de kan operere hvor som helst det finnes væske, som til og med kan være svette, har de også potensial for bruk i sensorer. Dette dekker alt fra helse‑ og trenings‑wearables til smarte TV‑er.

Tagliabue er også interessert i å forstå hvordan lys‑ og fototermale (relatert til elektromagnetisk stråling) effekter kan brukes til å kontrollere overfladeladninger og fordampningsrater i HV‑systemer.

Til slutt ser forskerne en symbiose mellom HV‑systemer og produksjon av rent vann, med Anwar som påpeker hvordan naturlig fordampning brukes i avsaltningsprosesser. Kondensasjon av dampen som produseres av en fordampende overflate gjør det mulig å hente ferskvann fra saltvann.

«Nå kan du forestille deg å bruke et HV‑system både til å produsere rent vann og utnytte elektrisitet samtidig.»

– Anwar

Konklusjon 

Med energi‑ og miljøproblemene som stadig øker, er det behov for effektive, fleksible og miljøvennlige løsninger. Her kan hydrovoltaiske enheter være til enorm hjelp, da de genererer elektrisk energi ved å utnytte allestedsnærværende vannfordampning.

Imidlertid kommer denne innovasjonen ikke uten utfordringer. De viser seg som generert kraft som ikke når praktiske anvendelseskrav, usikkerhet om stabilitet og holdbarhet under reelle forhold, samt hindringer for å oppnå storskalige integrerte anvendelser. Til tross for disse hindringene er teknologien og forskningen på hydrovoltaiske materialer og enheter fortsatt i sin spede begynnelse, og det er behov for mer avanserte teknologier og mer forskning for bred bruk.

Kort sagt har hydrovoltaiske enheter store fordeler som ikke kan ignoreres. I motsetning til komplekse, kostbare og miljøskadelige løsninger, representerer dette en ny og lovende metode for kraftproduksjon i fremtiden. Og med tiden kan hydrovoltaiske enheter forventes å vokse til en levedyktig og omfattende industri.

Klikk her for en liste over de ti beste fornybare energiaktiene å investere i.