Hur Förångning Från Sjöar Och Reservoarer På Ett Hållbart Sätt Kan Driva En Nation

När vi tänker på förnybara energikällor som kan bidra till att ersätta förbränningen av klimatförändrade kolbaserade bränslen kommer solpaneler och vindkraftverk att tänka på. Men Columbia University-forskare har identifierat en annan, hittills outnyttjad energikälla som kan ha lika mycket löfte – den enorma mängden vatten som kontinuerligt avdunstar från landets sjöar och reservoarer.

Det naturliga fenomenet, säger de, kan utnyttjas av enheter som innehåller ark som är täckta med bakteriesporer, som sammandras och expanderar som svar på förändringar av fukt – nästan som en muskelböjning. Den mekaniska ”muskel” -verkan kan i sin tur användas för att generera enorma mängder el, säger de.

I en nyligen publicerad artikel i tidskriften Nature Communications uppskattar forskarna att inre vattenmassor i USA har åtminstone den teoretiska potentialen att generera så mycket som 325 gigawatt el, en mängd motsvarar nästan 70 procent av vår landsomfattande elektriska konsumtion 2015.

”Vår konstgjorda muskel absorberar vatten som avdunstar från sjöns yta”, säger kemikalieingenjör och studieförfattare Ahmet-Hamdi Cavusoglu, via e-post. ”När den absorberar vatten, sväller musklerna och expanderar. När muskeln absorberar allt möjligt vatten öppnas fönsterluckorna ovanför musklerna så att vatten kan avdunsta ut i luften från muskeln. När vattnet lämnar muskeln krymper musklerna, att dra i en turbin för att generera energi, liknande en roddare på en roddmaskin som drar vid turbinen. ”

Hur förångning från sjöar och reservoarer på ett hållbart sätt kan driva en nation

I praktiken kan den mängden kraft vara svår att uppnå, eftersom det, som artikeln konstaterar, det skulle kräva fullständig täckning av hela ytan på nästan varje inhemsk sjö och reservoar. Men eftersom till och med en mycket mindre utbyggnad av förångningsmotorer – säger täcker 10 procent av dessa vattenytor – fortfarande skulle kunna lägga till en betydande mängd elektrisk kapacitet till landets leverans.

”Om vi ​​bara skulle täcka tio procent av de tio bästa sjöarna och reservoarerna studerade vi med de mest effektiva förångningsmotorerna som möjligt”, säger Cavusoglu, är nu associerad direktör för Academic Venture Exchange och chef för partnerskap vid Innovation Accelerator Foundation, ”Vi kan utnyttja en genomsnittlig effekt på 7,1 gigawatt från ett område på cirka 1450 kvadratkilometer, vilket är större än energisektorns solkraftsektor i USA 2013.”

Och det är bara om de använde sjöar och reservoarer. Man kan tänka sig förångningsenergi från andra källor, allt från floder och kustlinjer till jordbruksfält som har fuktats av bevattning.

”Vatten är ganska mycket allestädes närvarande i miljön,” säger Ozgur Sahin, docent i biologiska vetenskaper och fysik vid Columbia och en av studiens medförfattare. (Sahin och kollegor pionjärer användningen av sporer och förångning för att skapa små motorer, som beskrivs i denna artikel om naturkommunikation 2015.)

Att använda förångning som förnybar energikälla kan också ha andra fördelar, konstaterar forskarna. Avdunstning drivs av solenergi, som absorberas av en vattenmassa och lagras, nästan som ett gigantiskt batteri, och sedan frigörs gradvis. Det innebär att en förångningsmotor kan producera el med färre fluktuationer än solpaneler eller vindkraftverk, vars produktion minskar när vinden dör ner eller solen går bakom ett moln.

Dessutom kan förångningsmotorer förändra mängden vattenånga som avges av en sjö eller reservoar eller annan källa, vilket ger stöd till vattendragade delar av nationen. Motorerna kunde också styra den elektriska effekten.

”En intressant egenskap som vi insåg är att genom att bromsa avdunstningen kan vi höja temperaturen på vattnet och effektivt lagra energi som värme som vi senare skulle kunna släppa efter behov”, säger Cavusoglu. ”Beroende på de lokala väderförhållandena kan vi släppa den lagrade energin snabbt som ytterligare förångning för att matcha fluktuationer i efterfrågan på elektrisk energi. Detta skulle likna hur vattenkraftsdammar varierar sin effekt genom att ändra flödeshastigheten för vatten genom dammen.”

Hittills har förångningsmotorer testats endast i laboratoriet, och det finns mycket mer forsknings- och utvecklingsarbete framöver innan tekniken kan skalas upp till den storlek där den kan bli en viktig elkälla.

”Först måste bättre och större material göras som effektivt kan utnyttja energi från förångning,” säger Cavusoglu. ”För närvarande undersöker Sahin-laboratoriet hur man kan skapa bättre sporbaserade material och bygga större motorprototyper. Vi hoppas se större prototyper som demonstreras under de närmaste åren.”