HydroVoltaics – Att utnyttja elektricitet från avdunstning

Ny forskning visar att nanoskaliga enheter kan användas för att samla in elektricitet från vätskeavdunstning, vilket avslöjar en stor energipotential som ännu inte har utnyttjats på rätt sätt.

Avdunstning är en naturlig process. Enkelt uttryckt är det en form av förångning som sker på en vätskas yta när den blir till gas. Den finns överallt omkring oss, men vi uppmärksammar den egentligen inte.

Intressant nog driver ungefär hälften av den solenergi som når jorden avdunstningsprocesser. Avdunstning, som möjliggör ett kontinuerligt energibyte i den globala vattencykeln, är en förnybar energikälla som för närvarande förblir outnyttjad, enligt studien.

Vatten, som finns i överflöd eftersom det täcker mer än 70 % av vår planets yta, innehåller massor av energi i form av kemisk, termisk och kinetisk energi, men bara en liten del av den utnyttjas. När det gäller den totala potentialen för kraftgenerering från naturlig avdunstning från sjöar och reservoarer har USA ensamt en uppskattad potential på 325 GW. Detta motsvarar över 69 % av USA:s elproduktionsnivå år 2015, enligt studien.

Därför har forskare under många år arbetat med att utnyttja avdunstningens energipotential. Detta utforskas genom många enheter, såsom självförsörjande generatorer, hybridsystem och tandem‑enheter. Forskning genom åren har dragit stor uppmärksamhet till avdunstningsdrivna hydrovoltaiska enheter, särskilt med framsteg inom nanomaterial och nanoteknik.

För det, låt oss gå in på HV‑effekten, som gör att nanostrukturerade material kan generera elektricitet i samverkan med vatten. Vatten kan här vara allt från droppar, fukt och vätska till avdunstning. Så i HV‑effekten producerar avdunstning ett konstant flöde inom nano‑kanaler i dessa enheter. Denna effekt ses också i växters mikrokapillärer, där vattentransport sker genom en kombination av kapillärtryck och naturlig avdunstning.

Fyra mekanismer anses huvudsakligen vara ansvariga för denna HV‑effekt: streaming, pseudo‑streaming, jongradientdiffusion och elektron‑drag‑effekten. Den hydrovoltaiska effekten kan potentiellt utöka den tekniska förmågan att samla in vattenenergi och möjliggör skapandet av självförsörjande enheter.

Nu har forskare vid den schweiziska offentliga forskningsuniversiteten EPFL (Swiss Federal Institute of Technology Lausanne) fått finansieringsstöd från Swiss National Science Foundation (SNSF) via Korean‑Swiss Science and Technology Cooperation Fund och Swiss Government Excellence Fellowship. EPFL:s experimentella anläggningar, Interdisciplinary Centre for Electron Microscopy (CIME) och Center for MicroNanoTechnology (CMi), är också involverade i att samla in kraft från vätskeavdunstning som innehåller högre koncentrationer av joner än vad som finns i renat vatten.

Faktum är att hydrovoltaiska enheter redan finns, men det är fortfarande lite känt om de fysiska fenomen som styr HV‑produktionen på nanoskalig nivå. Det saknas också en funktionell förståelse för förutsättningarna, något som denna studie syftar till att rätta till.

Publicerad tidigare i månaden i Cell Press‑tidsskriften Device, studien från Laboratory of Nanoscience for Energy Technology (LNET) med titeln “Salinity-dependent interfacial phenomena toward hydrovoltaic device optimization” utfördes av Giulia Tagliabue och Tarique Anwar.

Studien experimenterade med multiphysikmodellering för att specificera vätskeflöden, jonflöden och elektrostatiska effekter på grund av fast‑vätske‑interaktioner, med målet att optimera HV‑enheter.

Enligt Tagliabue, som är chef för LNET vid School of Engineering, är detta den första studien som kvantifierar hydrovoltaiska fenomen tack vare deras nya och starkt kontrollerade plattform. Dessa hydrovoltaiska fenomen mäts genom att visa vikten av olika interfaciala interaktioner.

Under denna process upptäckte teamet en viktig upptäckt om hydrovoltaiska enheters förmåga att fungera över ett brett spektrum av saliniteter. Detta, noterade Tagliabue, motsäger den tidigare tron att starkt renat vatten är nödvändigt för optimal prestanda.

Den multiphysikmodellen

På senare tid har studier av avdunstningsdrivet vätskeflöde i material som är mikrostrukturerade på nanoskalig nivå gett upphov till ett nytt sätt att generera förnybar eller grön energi, nämligen genom att omvandla termisk energi till elektrisk energi via en elektrokinetisk bana. Förbättringar relaterade till prestanda drivs här av optimering av elektrodkontakterna.

Dock begränsar bristen på modelleringsverktyg och frågor kring systemets geometriska och kemiska egenskaper både prestanda och tillämpningsområde för denna framväxande teknik, Hydrovoltaic (HV)‑enheter, för hållbar energiproduktion.

Så utvecklade forskarna en kvantitativ multiphysikmodell och utnyttjade ordnade arrayer av kiselnanopelare (Si NPs) som förde fram på ytan det som tidigare var outforskad. Studien fann särskilt att ytladdningen, som beror på jonkoncentration samt jonernas rörlighet, styr flera lokala maxima i öppen krets‑spänning (VOC), där ideala förhållanden avviker från traditionella förväntningar om låg koncentration.

Dessutom kan strukturella asymmetrier generera en elektrostatiskt potential som förbättrar HV‑prestanda. Dessutom bekräftar studien jonadsorption och laddningsinversion för många monovalenta katjoner, vilket gör att sådana enheter kan fungera även vid höga koncentrationer.

HV‑enheten som utvecklades av forskarteamet består av regelbundna arrayer av Si NPs i centimeter‑skala, etsade i en p‑typ Si‑skiva. Teamet använde sedan en kombination av kolloidal litografi och metallassisterad kemisk etsning (MACE) för att fastställa avståndet i den hexagonala arrayen av NPs samtidigt som deras längd och diameter varierades i intervallet 1,23–4,4 μm respektive 420–560 nm. Genom att ändra Si‑NP‑dimensionerna kunde de direkt kontrollera nano‑kanalens geometri och den fasta‑vätskans yta efter behov.

Den hydrovoltaiska enheten i denna studie representerar den första tillämpningen av nanosphär‑kolloidal litografiteknik, vilket möjliggjorde för forskarna att skapa ett hexagonalt nätverk av exakt placerade Si NPs. Avstånden mellan dessa kiselnanopelare skapade den perfekta passagen för att avdunsta vätskor. Detta kan ytterligare finjusteras för att bättre förstå effekterna av vätskekonfinering och den fasta/vätskekontaktens yta.

Anwar, som är doktorand vid LNET, förklarade att de flesta fluidiska system med saltlösningar har lika många positiva och negativa joner. Men genom att begränsa vätskan till en nano‑kanal kan vi få endast de ”joner med en polaritet motsatt den ytladdning”. Så genom att låta vätskan flöda genom nano‑kanalen kan vi generera ström och spänning, tillade han.

För att förstå de grundläggande mekanismerna för spännings- och strömgenerering i HV‑enheter krävs samtidigt kontroll över egenskaperna hos den fasta‑vätskans gränssnitt samt vätskans nanokonfinering, vilket är nano‑kanalens geometri.

Sammanfattningsvis visade studien en hög effekt­densitet på 8 μW/cm² vid 0,1 M, med en effektutgång jämförbar med den för enheter som drivs av kranvatten men med ”två storleksordningar högre koncentrationer” än tidigare rapporterats. Detta banar väg för en bredare tillämpning av HV‑system över olika salinitetsskala, där optimala driftförhållanden styrs av distinkta interfaciala fenomen.

Som Tagliabue förklarade kan den kemiska jämvikten för nanodevices ytladdning utnyttjas för att utöka driften av HV‑enheter över salinitetsskalan. Så när koncentrationen av vätsjans joner ökar, ökar även nanodevices ytladdning, vilket möjliggör att ”använda större vätskekanaler samtidigt som man arbetar med vätskor med högre koncentration. Detta gör det enklare att tillverka enheter för användning med kran‑ eller havsvatten, snarare än enbart renat vatten,” sade Tagliabue.

På så sätt hävdar studien att den erbjuder viktig insikt och ett designverktyg för optimering av avdunstningsdrivna hydrovoltaiska (EDHV)‑enheter, samt pekar mot bredare tillämpningsmöjligheter för dessa självförsörjande system.

Studien konstaterar att prestandamåttet för deras öppna krets‑spänning (VOC) kan förbättras genom att öka avdunstningshastigheten. Beroende på ytladdning och nanokonfineringens geometri kan VOC fördubblas genom en femfaldig ökning av avdunstningshastigheten, vilket innebär att kraften kan ökas upp till fyra gånger.

Detta beror främst på förbättringen av streaming‑strömmen men kommer att kräva djupare kunskap om vätskedynamiken i dessa enheter för att bekräftas.

Spännande potentiella tillämpningar av hydrovoltaiska enheter

Vattenånga finns överallt på jorden, vilket ger en stor möjlighet, särskilt för elproduktion och för att lindra den globala energibristen. För detta kan hydrovoltaiska enheter användas för att utvinna energi på olika sätt, såsom att konstruera en asymmetrisk struktur.

Dock beror kraftgenereringen på vätskans egenskaper, inklusive dess typ och koncentrationen av lösta ämnen i lösningen. Detta beror på att skapandet av elektrisk energi i HV‑effekten är kopplat till ansamlingen av laddningsbärare som orsakas av ett elektriskt dubbelskikt (EDL) som bildas på vätska‑fast‑gränssnittet.

Trots dessa utmaningar har hydrovoltaiska enheter enorm potential på grund av kontinuerlig avdunstning över ett brett spektrum av temperaturer och luftfuktighet. Detta gör HV‑enheter redo för många spännande tillämpningar, inklusive strömförsörjning, väderoberoende kraftgenerering samt vatteninsamling och avsaltning.

Studien fann att för färskvattensförhållanden är EDL‑överlappning ett krav som kan uppnås under låg total ytladdning och hög konfinering, dvs. liten nano‑kanalstorlek. Ändå gör en ökning av ytan eller laddningen större nano‑kanalstorlekar möjliga.

I havsvattenförhållanden kan ett optimum skapas vid stor porstorlek (Dp‑värden >100 nm) genom att kontrollera ytladdningen, vilket tyder på att geometrisk konfinering på nanometerskala kan förhindras, vilket förenklar skalbarheten för dessa enheter.

Samtidigt kan laddningsinversion användas vid höga salinitetsnivåer genom att minimera fast‑vätske‑gränssnittet och den initiala ytladdningen. Dock kan drift vid så höga koncentrationer och på lång sikt vara en utmaning på grund av jonadsorption och saltkristallisering. Detta beror på dess direkta effekt på ytantagen och nanostrukturens geometri. Därför skrev forskarna att ytterligare undersökning behövs.

Forskarna i studien hoppas också kunna utforska den mångsidiga potentialen hos enheten, med stöd av de organisationer som beviljade dem bidrag, för att förstå och analysera denna framväxande teknik.

En av de stödjande organisationerna, Swiss National Science Foundation (SNSF), som är mandat från den federala regeringen, syftar till att utnyttja energi från avdunstning och utveckla ett helt ”nytt paradigm för återvinning av spillvärme och förnybar energiproduktion i stora och små skala.” Detta inkluderar en prototypmodul i verkliga situationer på den största sjön i Centraleuropa, Genèvesjön, för att samla in data om hydrovoltaisk generering på alpsjöar.

SNSF har i många år stött energirelaterade projekt för att bidra till utvecklingen av kunskap och expertis för framtida användning. Dessa projekt omfattar energiproduktion, lagring, distribution och förvaltning samt effektivitet.

Tagliabue fick SNSF Starting Grant 2022, under vilken CHF 1,8 miljoner tillhandahålls under fem år. Denna finansiering hjälper teamet att ”utöka vårt arbete mot nano‑ingenjörskonst av hydrovoltaiska enheter för förnybar energiproduktion,” sade Tagliabue.

Hon sade då:

”Genom att etablera den nödvändiga grundläggande förståelsen, modelleringsverktyg och ingenjörsstrategier kommer detta projekt att ge ett omvälvande bidrag till att göra avdunstning till en utbredd, säker och kontinuerlig förnybar energikälla för både stora och små skala.”

HV‑enheter erbjuder en stor möjlighet, och eftersom de kan fungera var det än finns vätska, vilket även kan vara svett, har de också potential för användning i sensorer. Detta omfattar allt från hälsa‑ och tränings‑wearables till smarta TV‑apparater.

Tagliabue är dessutom intresserad av att förstå hur ljus‑ och fototermiska (relaterade till elektromagnetisk strålning) effekter kan användas för att kontrollera ytladdningar och avdunstningshastigheter i HV‑system.

Slutligen ser forskarna ett samspel mellan HV‑system och ren vatten‑produktion, där Anwar påpekar hur naturlig avdunstning används för avsaltningsprocesser. Kondensation av den ånga som produceras av en avdunstande yta möjliggör att färskvatten kan utvinnas från saltvatten.

”Nu kan man föreställa sig att använda ett HV‑system både för att producera rent vatten och utnyttja elektricitet samtidigt.”

– Anwar

Slutsats 

Med de ständigt ökande energi‑ och miljöproblemen finns ett behov av effektiva, flexibla och miljövänliga lösningar. Här kan hydrovoltaiska enheter vara till enorm hjälp eftersom de genererar elektrisk energi genom den allestädes närvarande vattenavdunstningen.

Dock kommer denna innovation inte utan sina utmaningar. De manifesteras som genererad kraft som inte räcker till praktiska tillämpningskrav, osäkerheter kring stabilitet och hållbarhet i verkliga förhållanden samt hinder för att uppnå storskaliga integrerade tillämpningar. Trots dessa hinder är teknologin och forskningen kring hydrovolcaniska material och enheter fortfarande i sin linda, och det finns ett behov av mer avancerad teknik och mer forskning för deras breda användning.

Enkelt uttryckt har hydrovoltaiska enheter stora fördelar som inte kan ignoreras. Till skillnad från komplexa, dyra och miljöskadliga lösningar erbjuder detta en ny och lovande metod för framtida kraftgenerering. Och med tiden kan hydrovoltaiska enheter förväntas växa till en livskraftig och bred industri.

Klicka här för en lista över de tio bästa förnybara energiernas aktier att investera i.