Als Ozgur Sahin und seine Kollegen von der Columbia University begannen, über Verdampfungsgeneratoren als erneuerbare Energiequelle zu sprechen, waren unsere Augen verstört. Könnten die Vereinigten Staaten wirklich, wie sie in Nature Communications sagten, 69 Prozent (ungefähr 325 Gigawatt) ihres Energiebedarfs aus Wasser beziehen, das aus unseren Stauseen, Seen und Flüssen verdunstet?
Die kurze Antwort lautet nein. Sahins Zahlen basierten auf der Extrapolation einer kleinen Studie einer von ihm erfundenen Maschine, die durch Verdampfung Strom erzeugt. Dieser kleine, flache „Verdunstungsmotor“ sitzt auf der Oberfläche eines Gewässers und nutzt Luftfeuchtigkeitsschwankungen zum Öffnen und Schließen von Lüftungsöffnungen, die einen Generator antreiben können. Um die Zahl zu ermitteln, multiplizierte Sahin die Leistung, die er von diesem Gerät erhielt, mit der Gesamtfläche der Seen, Flüsse und Stauseen in den USA. Aber wir werden natürlich nicht jeden See und Fluss abdecken. Wir - und das natürliche Ökosystem - brauchen diese für andere Dinge.
Das heißt aber nicht, dass wir nicht von der Technologie profitieren und sie in kleinerem Maßstab als erneuerbare Energiequelle nutzen können. Wie könnte das aussehen? Auf was warten wir? Hier sind fünf Fragen, die Sie möglicherweise zu Verdunstungskraft haben, beantwortet.
Sie können Energie aus der Verdampfung erhalten? Wie funktioniert das?
Das Trinkvogelspielzeug, das Ihre Physiklehrerin auf ihrem Schreibtisch hatte, ist der Beweis, dass Sie es können. Ein Gewässer nimmt die Wärme der Sonne auf - etwa die Hälfte der Sonnenenergie wird auf diese Weise verbraucht - und gibt allmählich Dampf an die Luft ab. Die einfachste Iteration des Verdunstungsmotors wird mit Klebebandstreifen abgedeckt, die selbst mit Bakteriensporen bedeckt sind. Wenn sich Wasserdampf unter den Klebestreifen ansammelt, absorbieren die Bakterien ihn und dehnen sich aus. Dadurch wird das Band gebogen, gleichzeitig wird eine Luftöffnung geöffnet und ein Hebel gedrückt, der von mechanischer Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die Entlüftung setzt Dampf frei, die Sporen trocknen aus und innerhalb weniger Sekunden kondensiert das Klebeband, die Entlüftung schließt sich und der Zyklus beginnt von vorne.
Das in diesem Jahr veröffentlichte Papier Sahin bezog sich nicht nur auf seine eigene Energieerfassungstechnologie, sondern auf jede Art von Verdunstungsernte. Im Fall von Sahins Motor, den er und seine Kollegen 2015 in Nature Communications veröffentlicht haben, funktioniert er über die Expansion und Kontraktion von Bakteriensporen. Im Gegensatz zu einer Turbine, die zum Antrieb des Motors auf Wärme angewiesen ist, dehnen sich die aus den Sporen bestehenden „Muskeln“ je nach Luftfeuchtigkeit aus und ziehen sich zusammen. und eine Art Entlüftung öffnen. Jetzt wird entlüftet, die Luftfeuchtigkeit nimmt ab, die Sporen ziehen sich zusammen, die Entlüftung schließt sich und der Zyklus wird zurückgesetzt. Während dies geschieht, drückt die Bewegung der Streifen ein kleines Rad und die Drehung treibt einen Generator an.
Der Verdampfer sitzt hier auf der Wasseroberfläche (blau). Verdunstet Wasser auf der Oberfläche, treibt es eine kolbenartige Hin- und Herbewegung an, die bei Anschluss an einen Generator Strom erzeugt. (Xi Chen) Könnte dies Solar- oder andere erneuerbare Energiequellen ersetzen?
Wie Sonne, Wind, Wasser und fast alles andere kommt auch die Verdunstungsenergie von der Sonne. Solarenergie ist insofern einzigartig, als sie direkt gewonnen wird, sagt Axel Kleidon, ein Erdsystemwissenschaftler am Max-Planck-Institut, der das neueste Nature Communications- Papier rezensiert hat. Alle anderen weisen eine Art Zwischenprozess auf, der die Effizienz verringert. Bei sinkenden Solarpreisen ist es unwahrscheinlich, dass die Verdunstungsleistung im Vergleich zu Solarmodulen kostengünstig ist.
Kleidon untersucht die Energieumwandlungen natürlicher Prozesse in großem Maßstab. Er sagt zum Beispiel, dass Windenergie von Sonnenlicht abhängt, das in Wärme umgewandelt wurde, und dann von Wind durch die Atmosphäre, wobei jedes Mal ein Verlust entsteht, der in der Sonnenenergie unsichtbar ist. Je mehr Windenergieanlagen Sie aufstellen, desto weniger Energie verbleibt in der Atmosphäre, damit die einzelnen Turbinen daraus austreten können. Gleiches gilt für die Verdunstungsenergie.
Die südlichen und westlichen Vereinigten Staaten haben die größte Kapazität zur Erzeugung von durch Verdunstung erzeugtem Strom aus Seen und Stauseen. (Ahmet-Hamdi Cavusoglu) Wenn der Bedarf an anderen Energiequellen dadurch nicht erheblich verringert wird, was können wir dann daraus ziehen?
Es gibt keine Antwort auf den Energiebedarf des Menschen. Auch wenn wir nicht 70 Prozent unserer Energie auf diese Weise produzieren, kann dies dennoch einen Beitrag leisten. Ein kleiner Prozentsatz der von ihnen berechneten Gesamtleistung würde sich nach wie vor auf die Branche der erneuerbaren Energien auswirken. Die Windkraft macht derzeit zehn Gigawatt aus, die Solarenergie sogar noch weniger, sodass selbst ein kleiner Prozentsatz der insgesamt verfügbaren Verdunstungsenergie eine große Delle verursachen würde.
Aber es gibt auch Vorteile jenseits der Macht. Während Sie Energie ernten, verlangsamen sich die Verdunstungsraten. Insbesondere im Westen der USA, wo die Umwelt trocken und die Wasserquellen begrenzt sind, kann die Abdeckung von Stauseen dazu beitragen, die Gesamtverdunstung zu reduzieren und mehr Wasser für die Bewässerung und den menschlichen Verzehr bereitzustellen.
Darüber hinaus könnte diese Art von Energie eine der aktuellen Herausforderungen der erneuerbaren Energien, nämlich die Energiespeicherung, angehen. Verdunstung tritt nicht nur tagsüber auf, sondern auch nachts, wenn die angesammelte Wärme der Tagessonne Dampf in die kühlere Nachtluft treibt. Die Sonnenenergie und in geringerem Maße die Windenergie fallen nachts ab, wenn wir am meisten Energie benötigen. Verdunstungsenergie könnte andere bedarfsgesteuerte Lösungen für dieses Problem ergänzen, z. B. Lithium-Ionen-Batterien, blaue Batterien oder Geothermie.
Welche Nebenwirkungen könnte dies für Seen, Flüsse und Ökosysteme haben?
Dies wurde in Sahins Forschungen nicht angesprochen. Seine Gruppe gab die Zahlen bekannt und er sagt, dass der Kontext von anderen analysiert werden muss, wenn die Technologie weiterentwickelt wird. Umweltverträglichkeitsprüfungen müssen Standort für Standort durchgeführt werden. In einigen Fällen bedeutet dies, die Tierwelt zu untersuchen, die auf und um ein Gewässer herum lebt. In anderen Fällen muss auf die Freizeit-, Industrie- oder Transportnutzung des Wassers eingegangen werden.
Sogar die Verdunstung selbst könnte die Luftfeuchtigkeit in der Umgebung beeinträchtigen. Im großen Stil, betont Sahin, wird die Luftfeuchtigkeit von den Ozeanen dominiert. Kleine, trockenere Lufttaschen, in denen die Verdunstung durch diese Technologie verlangsamt wird, könnten sich jedoch geringfügig auf die Pflanzen oder die Landwirtschaft auswirken. Und es könnte einen erheblichen Einfluss auf die Temperatur des Wassers haben, das es bedeckt. Aber es hängt alles davon ab, wie viel Prozent jedes Gewässers bedeckt sind.
Welche Hindernisse stehen der Umsetzung dieser Technologie noch im Weg?
Machen Sie es effizienter. Skaliere es. Führen Sie ökologische Bewertungen durch. Wir befinden uns am Anfang eines großen Prozesses. Obwohl es vernünftig ist zu glauben, dass die Technologie gut skaliert werden kann, nur indem Blöcke der vorgeschlagenen Geräte wiederholt werden, wurde sie nur in kleinem Maßstab untersucht - die Studie von 2015 umfasste einen einzelnen Rotationsmotor. Möglicherweise gibt es weitere Möglichkeiten zur Steigerung der Effizienz, z. B. die Optimierung von Materialien und die Senkung der Produktionskosten oder die Kombination der Systeme zu größeren Motoren. Und Umweltstudien müssen die Auswirkungen auf Ökosysteme bewerten, in denen sie eingesetzt werden können.
