Da Ozgur Sahin og hans kolleger ved Columbia University begyndte at tale om fordampningsgeneratorer som en kilde til vedvarende energi, bugede vores øjne. Kunne USA virkelig, som de sagde i Nature Communications, få 69 procent (ca. 325 gigawatt) af dets energibehov fra vand, der fordamper fra vores reservoirer, søer og floder?
Det korte svar er nej. Sahins tal var baseret på ekstrapolering af en lille skalaundersøgelse af en maskine, han opfandt, der genererer strøm via fordampning. Denne lille, flade “fordampningsmotor” sidder på overfladen af en vandmasse og bruger variationer i fugtighed til at åbne og lukke ventilationsåbninger, der kan køre en generator. For at få antallet multiplicerede Sahin den magt, han fik fra denne enhed, med det samlede område med søer, floder og reservoirer i USA. Men selvfølgelig vil vi ikke dække enhver sø og flod. Vi - og det naturlige økosystem - har brug for dem til andre ting.
Men det betyder ikke, at vi ikke kan drage fordel af teknologien og bruge den i mindre skala som en kilde til vedvarende energi. Hvordan ser det ud? Hvad venter vi på? Her er fem spørgsmål, du måtte have om fordampningskraft, besvaret.
Du kan få energi fra fordampning? Hvordan fungerer det?
Den drikkefugllegetøj, som din gymnasielærer havde på hendes skrivebord, er et bevis på, at du kan. En krop af vand absorberer varme fra solen - omkring halvdelen af al solens energi bliver brugt på denne måde - og gradvis opgiver damp til luften. Den enkleste iteration af fordampningsmotoren er dækket med båndstrimler, som i sig selv er dækket med bakteriesporer. Når vanddamp samles under båndstrimlerne, absorberer bakterierne det og udstrækker sig. Dette får båndet til at bøjes, samtidig med at åbne en udluftning til luften og skubbe en håndtag, der kan konverteres fra mekanisk energi til elektrisk. Udluftningen frigiver damp, sporerne tørrer ud, og i løbet af kun få sekunder kondenseres båndet, udluftningen lukkes, og cyklussen begynder igen.
Papiret Sahin, der blev offentliggjort i år, refererede ikke kun til hans egen teknologi til energiindfangning, men til enhver type fordampningsmaskine. I tilfælde af Sahins motor, som han og hans kolleger offentliggjorde i Nature Communications i 2015, fungerer det via ekspansion og sammentrækning af bakteriesporer. I modsætning til en turbin, der er afhængig af varme til at drive motoren, udvides "muskler" lavet af sporerne og sammentrækkes på grund af fugtighed - når luftfugtigheden stiger, ekspanderer sporerne og forlænger strimlerne af båndlignende materiale, som de er bundet til, og åbner en slags udluftning. Nu udluftet, fugtigheden falder, sporerne trækker sig sammen, udluftningen lukkes, og cyklussen nulstilles. Når dette sker, skubber strips bevægelse et lille hjul, og rotationen driver en generator.
Fordampningsmotoren sidder på overfladen af vandet (blåt) her. Når vand på overfladen under fordamper, driver det en stempellignende bevægelse frem og tilbage, som producerer elektricitet, hvis den er tilsluttet en generator. (Xi Chen) Kunne dette erstatte solenergi eller andre vedvarende energikilder?
Ligesom sol, vind, hydro og næsten alt andet, kommer fordampningsenergi fra solen. Solenergi er unik ved, at den opnås direkte, siger Axel Kleidon, en jordsystemforsker ved Max Planck Institute, der var en anmelder af det seneste Nature Communications- papir. Alle de andre har en slags formidlingsproces, der reducerer effektiviteten. I takt med at solpriserne falder, er det usandsynligt, at fordampningskraft vil være omkostningseffektiv i forhold til solpaneler.
Kleidon studerer energiomdannelser i naturlige processer i stor skala. For eksempel, siger han, er vindkraften afhængig af sollys, der er omdannet til varme og derefter vind af atmosfæren, hver gang der opstår et tab, der ikke er set i solenergi. Desuden, jo flere vindmøller du lægger, desto mindre energi tilbage i atmosfæren for hver turbin at trække ud af den. Det samme ville være tilfældet for fordampningsenergi.
De sydlige og vestlige USA har den største kapacitet til at producere fordampningsgenereret strøm fra søer og reservoirer. (Ahmet-Hamdi Cavusoglu) Hvis det ikke vil reducere behovet for andre energikilder i høj grad, hvad kan vi da få ud af det?
Der er intet svar på menneskelige energibehov. Selv hvis vi ikke producerer 70 procent af vores energi på denne måde, kan det stadig bidrage. En lille procentdel af den samlede wattstyrke, de beregnet, vil stadig have indflydelse på den vedvarende energisektor. Vindkraft tegner sig lige nu for snesevis af gigawatt og solenergi endnu mindre, så selv en lille procentdel af den samlede tilgængelige fordampningsenergi ville gøre en stor bukke.
Men der er fordele ud over kraften, også. Når du høster energi, forsvindes fordampningshastigheden. Især i det amerikanske vest, hvor miljøet er tørt og vandkilderne er begrænsede, kan dækning af reservoirer bidrage til at reducere den samlede fordampning, hvilket giver mere vand til kunstvanding og konsum.
Desuden kunne denne type energi tackle en af de vedvarende energikilder nuværende udfordringer, energilagring. Fordampning forekommer ikke kun i løbet af dagen, men også om natten, når akkumuleret varme fra dagens sol driver damp ind i den køligere natluft. Solenergi, og i mindre grad, vindkraft dør om natten, hvilket er, når vi har mest brug for energien. Fordampningsenergi kan supplere andre on-demand-løsninger til dette problem, såsom lithium-ion-batterier, blå batterier eller geotermisk energi.
Hvilke bivirkninger kan dette have for søer, floder og økosystemer?
Dette er ikke noget, der blev behandlet i Sahins forskning. Hans gruppe kørte numrene, og han siger, at konteksten er for andre at parse, når teknologien bliver videreudviklet. Miljøvurderinger skal foretages lokalt for lokalt. I nogle tilfælde vil det betyde at studere det vilde dyr, der lever på og omkring en vandmasse. I andre skal vandets rekreative, industrielle eller transportmæssige brug adresseres.
Selv fordampningen kunne påvirke fugtigheden i det omkringliggende område. I stor skala, påpeger Sahin, domineres atmosfærisk fugtighed af verdenshavene. Men små lommer med tørrere luft, hvor fordampning bremses ved hjælp af denne teknologi, kan have mindre virkninger på planter eller landbrug der. Og det kan have en betydelig indflydelse på temperaturen på det vand, det dækker. Men det hele afhænger af, hvilken procentdel af hver vandmasse, der er dækket.
Hvilke barrierer er der stadig i vejen for implementering af denne teknologi?
Gør det mere effektivt. Skaler det op. Foretag økologiske vurderinger. Vi er i de tidlige stadier af en større proces. Selvom det er rimeligt at tro, at teknologien skalerer godt, bare ved at gentage blokke af de foreslåede enheder, er den kun blevet undersøgt i lille skala - 2015-forskningen indeholdt en enkelt roterende motor. Der kan være yderligere muligheder for at øge effektiviteten, som at optimere materialer og reducere produktionsomkostningerne eller kombinere systemerne i større motorer. Og miljøundersøgelser bliver nødt til at vurdere virkningen på økosystemer, hvor det kan blive anvendt.
