science >> Wetenschap >  >> Natuur

Hoe verdamping uit meren en reservoirs een natie duurzaam kan voeden

Het oogsten van verdamping voor energie kan een duurzame energiebron opleveren, en verminderd met de helft van het water dat verloren gaat door natuurlijke verdamping, volgens onderzoeker. Juan Carlos Munoz/Getty Images

Als we denken aan hernieuwbare energiebronnen die kunnen helpen bij het vervangen van de verbranding van klimaatveranderende koolstofgebaseerde brandstoffen, Denk aan zonnepanelen en windturbines. Maar wetenschappers van Columbia University hebben een andere ontdekt, tot nu toe onaangeboorde energiebron die net zo veel belofte kan hebben - de enorme hoeveelheid water die voortdurend verdampt uit de meren en reservoirs van het land.

Dat natuurverschijnsel, ze zeggen, kunnen worden afgetapt door apparaten met vellen bedekt met bacteriesporen, die samentrekken en uitzetten als reactie op veranderingen in vocht - bijna als het buigen van een spier. Die mechanische "spier" actie, beurtelings, kunnen worden gebruikt om gigantische hoeveelheden elektriciteit op te wekken, ze zeggen.

In een nieuw gepubliceerd artikel in het tijdschrift Nature Communications, de onderzoekers schatten dat de binnenwateren van de Verenigde Staten op zijn minst het theoretische potentieel hebben om maar liefst 325 gigawatt aan elektriciteit op te wekken, een bedrag gelijk aan bijna 70 procent van ons landelijke elektriciteitsverbruik in 2015.

"Onze kunstmatige spier absorbeert water dat verdampt van het oppervlak van het meer, ", zegt chemisch ingenieur en hoofdauteur Ahmet-Hamdi Cavusoglu, via e-mail. "Omdat het water absorbeert, de spier zwelt op en zet uit. Wanneer de spier al het mogelijke water opneemt, de luiken boven de spier gaan open zodat water vanuit de spier in de lucht kan verdampen. Als het water de spier verlaat, de spier krimpt, trekken aan een turbine om energie op te wekken, vergelijkbaar met een roeier op een roeimachine die aan de turbine trekt."

De bevindingen van de studie geven aan dat de zuidelijke en westelijke Verenigde Staten de grootste capaciteit hebben om door verdamping opgewekte stroom te produceren. Universiteit van Columbia

In praktijk, die hoeveelheid kracht kan moeilijk te bereiken zijn, aangezien, zoals in het artikel wordt opgemerkt, het zou het volledige oppervlak van zowat elk binnenlands meer en reservoir volledig moeten bedekken. Maar als zelfs een veel kleinere inzet van verdampingsmotoren - laten we zeggen, die 10 procent van die wateroppervlakken afdekken - zou nog steeds een aanzienlijke hoeveelheid elektrische capaciteit aan de voorziening van het land kunnen toevoegen.

"Als we slechts 10 procent van de top tien meren en reservoirs die we hebben bestudeerd zouden afdekken met de meest efficiënte verdampingsmotoren die mogelijk zijn, " zegt Cavusoglu, is nu associate director van de Academic Venture Exchange en director of partnerships bij de Innovation Accelerator Foundation, "we zouden een gemiddeld vermogen van 7,1 gigawatt kunnen halen uit een gebied van ongeveer 1450 vierkante kilometer, wat groter is dan de sector van de nutssector voor zonne-energie in de VS in 2013."

En dat is alleen als ze meren en stuwmeren gebruikten. Verdampingsenergie zou mogelijk ook uit andere bronnen kunnen worden gewonnen, variërend van rivieren en kustlijnen tot akkers die bevochtigd zijn door irrigatie.

"Water is vrijwel alomtegenwoordig in het milieu, " zegt Ozgur Sahin, een universitair hoofddocent biologische wetenschappen en natuurkunde aan Columbia en een van de co-auteurs van de studie. (Sahin en collega's pionierden met het gebruik van sporen en verdamping om kleine motoren te maken, zoals beschreven in dit Nature Communications-artikel uit 2015.)

Het gebruik van verdamping als hernieuwbare energiebron kan ook andere voordelen hebben, merken de onderzoekers op. Verdamping wordt aangedreven door zonne-energie, die wordt geabsorbeerd door een waterlichaam en wordt opgeslagen, bijna als een gigantische batterij, en dan geleidelijk losgelaten. Dat betekent dat een verdampingsmotor elektriciteit kan produceren met minder schommelingen dan zonnepanelen of windturbines, waarvan de productie daalt wanneer de wind gaat liggen of de zon achter een wolk gaat.

Aanvullend, verdampingsmotoren kunnen de hoeveelheid waterdamp die wordt afgegeven door een meer of reservoir of een andere bron veranderen, het verlenen van hulp aan door water vastgebonden delen van de natie. De motoren konden ook de elektrische output regelen.

"Een interessante eigenschap die we ons realiseerden, is dat door de verdamping te vertragen, we kunnen de temperatuur van water verhogen, effectief energie opslaan als warmte die we later op verzoek kunnen vrijgeven, ", zegt Cavusoglu. "Afhankelijk van de plaatselijke weersomstandigheden, we zouden deze opgeslagen energie snel kunnen vrijgeven als extra verdamping om fluctuaties in de vraag naar elektrische energie op te vangen. Dit zou vergelijkbaar zijn met hoe hydro-elektrische dammen hun vermogen variëren door de stroomsnelheid van water door de dam te veranderen."

Tot dusver, verdampingsmotoren zijn alleen in het laboratorium getest, en er is nog veel meer onderzoeks- en ontwikkelingswerk voor de boeg voordat de technologie kan worden opgeschaald tot het formaat dat het een belangrijke bron van elektriciteit kan worden.

"Eerst, er moeten betere en grotere materialen worden gemaakt die de energie uit verdamping effectief kunnen benutten, " zegt Cavusoglu. "Momenteel, het Sahin-lab doet onderzoek naar het maken van betere materialen op basis van sporen en het bouwen van grotere motorprototypes. We hopen de komende jaren grotere prototypes te zien demonstreren."

Dat is nu interessant

Volgens een onderzoek uit 2013 door Amerikaanse en Canadese wetenschappers, de verdamping van een typische dag uit de Grote Meren kan oplopen tot 820 miljard gallons (3,1 biljoen liter) - bijna 20 keer de stroomsnelheid van de Niagara-watervallen.