Toen Ozgur Sahin en zijn collega's aan de Columbia University begonnen te praten over verdampingsgeneratoren als een bron van hernieuwbare energie, trokken onze ogen de lucht in. Kunnen de Verenigde Staten echt, zoals ze in Nature Communications zeiden, 69 procent (ongeveer 325 gigawatt) van hun energiebehoefte halen uit water dat verdampt uit onze reservoirs, meren en rivieren?
Het korte antwoord is nee. Sahin's cijfers waren gebaseerd op extrapolatie van een kleinschalige studie van een machine die hij uitvond en die stroom genereert via verdamping. Deze kleine, platte, "verdampingsmotor" bevindt zich op het oppervlak van een waterlichaam en gebruikt variaties in vochtigheid om ventilatieopeningen te openen en te sluiten, die een generator kunnen aansturen. Om het aantal te krijgen, vermenigvuldigde Sahin de kracht die hij van dit apparaat kreeg met het totale gebied van meren, rivieren en reservoirs in de VS Maar natuurlijk gaan we niet elk meer en elke rivier bedekken. Wij - en het natuurlijke ecosysteem - hebben die voor andere dingen nodig.
Maar dat betekent niet dat we niet kunnen profiteren van de technologie en deze op kleinere schaal kunnen gebruiken als een bron van hernieuwbare energie. Hoe zou dat eruit kunnen zien? Waar wachten we op? Hier zijn vijf vragen die u zou kunnen hebben over verdampingskracht, beantwoord.
Kun je energie halen uit verdamping? Hoe werkt dat?
Het drinkvogelspeelgoed dat je leraar natuurkunde op haar bureau had, is het bewijs dat dat kan. Een waterlichaam absorbeert warmte van de zon - ongeveer de helft van alle energie van de zon wordt op deze manier gebruikt - en geeft geleidelijk damp af aan de lucht. De eenvoudigste iteratie van de verdampingsmotor is bedekt met reepjes tape, die zelf bedekt zijn met bacteriesporen. Terwijl waterdamp zich verzamelt onder de reepjes tape, absorberen de bacteriën het en breiden uit. Dit zorgt ervoor dat de tape buigt, tegelijkertijd een ventilatieopening naar de lucht opent en een hendel duwt, die kan worden omgezet van mechanische energie naar elektrisch. De ventilatie laat damp vrij, de sporen drogen uit en na slechts enkele seconden condenseert de tape, sluit de ventilatieopening en begint de cyclus opnieuw.
Het papier dat Sahin dit jaar publiceerde, refereerde niet alleen aan zijn eigen energieopvangtechnologie, maar aan elk type verdampingsrooier. In het geval van de motor van Sahin, die hij en zijn collega's in 2015 in Nature Communications hebben gepubliceerd, werkt deze via de uitbreiding en samentrekking van bacteriesporen. In tegenstelling tot een turbine, die afhankelijk is van warmte om de motor aan te drijven, zetten de "spieren" van de sporen uit en trekken samen op basis van vochtigheid. Wanneer de luchtvochtigheid omhoog gaat, zetten de sporen uit, waardoor de stroken tape-achtig materiaal worden verlengd, en een soort ventilatie openen. Nu afgeblazen, neemt de luchtvochtigheid af, de sporen trekken samen, de ontluchting sluit en de cyclus wordt gereset. Terwijl dit gebeurt, duwt de beweging van de strips een klein wiel en drijft de rotatie een generator aan.
De verdampingsmotor bevindt zich hier op het wateroppervlak (blauw). Wanneer water op het oppervlak eronder verdampt, drijft het een zuigerachtige heen en weer beweging aan, die elektriciteit produceert indien aangesloten op een generator. (Xi Chen) Kan dit zonne- of andere hernieuwbare energiebronnen vervangen?
Net als zonne-energie, wind, waterkracht en bijna al het andere komt verdampingsenergie van de zon. Zonne-energie is uniek omdat het rechtstreeks wordt verkregen, zegt Axel Kleidon, een wetenschapper op het gebied van aardesystemen bij het Max Planck Instituut die recensent was van het nieuwste artikel in Nature Communications . Alle anderen hebben een soort intermediair proces dat de efficiëntie vermindert. Naarmate de zonneprijzen dalen, is het onwaarschijnlijk dat verdampingsvermogen kosteneffectief zal zijn in vergelijking met zonnepanelen.
Kleidon onderzoekt op grote schaal de energieomzettingen van natuurlijke processen. Hij zegt bijvoorbeeld dat windenergie afhankelijk is van zonlicht dat is omgezet in warmte, en vervolgens wind, door de atmosfeer, elke keer dat een verlies ontstaat dat ongezien is in zonne-energie. Bovendien geldt dat hoe meer windturbines u plaatst, hoe minder energie er in de atmosfeer overblijft voor elke turbine om er uit te trekken. Hetzelfde zou gelden voor verdampingsenergie.
De zuidelijke en westelijke Verenigde Staten hebben de grootste capaciteit om door verdamping opgewekte stroom te produceren uit meren en reservoirs. (Ahmet-Hamdi Cavusoglu) Als het de behoefte aan andere energiebronnen niet sterk zal verminderen, wat kunnen we daar dan aan winnen?
Er is geen enkel antwoord op menselijke energiebehoeften. Zelfs als we op deze manier niet 70 procent van onze energie produceren, kan het nog steeds bijdragen. Een klein percentage van het totale wattage dat ze berekenden, zou nog steeds invloed hebben op de duurzame energie-industrie. Windenergie is nu goed voor tientallen gigawatt en nog minder voor zonne-energie, dus zelfs een klein percentage van de totale beschikbare verdampingsenergie zou een grote deuk veroorzaken.
Maar er zijn ook voordelen die de macht te boven gaan. Terwijl je energie oogst, vertragen de verdampingssnelheden. Vooral in het Amerikaanse Westen, waar het milieu droog is en de waterbronnen beperkt zijn, kan het afdekken van reservoirs de algehele verdamping helpen verminderen, waardoor meer water overblijft voor irrigatie en menselijke consumptie.
Bovendien zou dit type energie een van de huidige uitdagingen van hernieuwbare energiebronnen kunnen aanpakken, namelijk energieopslag. Verdamping vindt niet alleen overdag plaats, maar ook 's nachts, wanneer geaccumuleerde warmte van de dagzon damp in de koelere nachtlucht drijft. Zonne-energie, en in mindere mate, windenergie sterft 's nachts af, en dan hebben we de energie het hardst nodig. Verdampingsenergie kan een aanvulling vormen op andere on-demand oplossingen voor dit probleem, zoals lithium-ionbatterijen, blauwe batterijen of geothermische energie.
Welke bijwerkingen kan dit hebben voor meren, rivieren en ecosystemen?
Dit is niet iets dat in het onderzoek van Sahin is behandeld. Zijn groep leidde de cijfers, en hij zegt dat de context voor anderen is om te parseren naarmate de technologie verder wordt ontwikkeld. Milieubeoordelingen moeten per locatie worden uitgevoerd. In sommige gevallen betekent dat het bestuderen van dieren in het wild die op en rond een watermassa leven. In andere gevallen moet het recreatieve, industriële of transportgebruik van het water worden aangepakt.
Zelfs de verdamping zelf kan de vochtigheid van de omgeving beïnvloeden. Op grote schaal, wijst Sahin, wordt atmosferisch vocht gedomineerd door de oceanen. Maar kleine zakken drogere lucht, waar de verdamping wordt vertraagd door deze technologie, kunnen daar kleine effecten hebben op planten of landbouw. En het kan een aanzienlijk effect hebben op de temperatuur van het water dat het bedekt. Maar het hangt allemaal af van welk percentage van elk waterlichaam bedekt is.
Welke hindernissen zitten er nog in de weg om deze technologie te implementeren?
Maak het efficiënter. Opschalen. Voer ecologische beoordelingen uit. We bevinden ons in de vroege stadia van een groot proces. Hoewel het redelijk is om te denken dat de technologie goed zal schalen, alleen door blokken van de voorgestelde apparaten te herhalen, is deze slechts op kleine schaal onderzocht - het onderzoek uit 2015 bevatte een enkele rotatiemotor. Er kunnen nog meer mogelijkheden zijn om de efficiëntie te verhogen, zoals het optimaliseren van materialen en het verlagen van de productiekosten, of het combineren van de systemen in grotere motoren. En milieustudies moeten het effect beoordelen op ecosystemen waar het kan worden ingezet.
