Voda a elektrická energie

Při zmínkách o využívání vody k výrobě elektřiny se asi každému vybaví jemu dobře známé vodní elektrárny.

Jenže nosičem energie je i slaná voda, tedy i ta mořská, která se chová jako elektrolyt, což je způsobeno ionty obsaženými v chlóru a sodíku, tedy prvkům, které jsou součástí mořské vody, ale i kuchyňské soli. Na tomto principu vznikla již v rozvojových zemích užívaná lampa zvaná waterlight (vodní světlo), tedy zařízení, které lidem dodává elektrickou energii díky slané vodě. Kdy chemická reakce v lampách dokáže proměnit půl litru mořské vody na 45 dní světla prostřednictvím ionizace, využívající slanou kapalinu jako elektrolyt, reagující s hořčíkovými a měděnými komponenty uvnitř lampy, produkující tak elektrickou energii. Je pravda, že mořská voda není všude k dispozici, ale podle inženýrů pak stačí do lampy nalít osolenou vodu z kohoutku. Ledacos o principu a využití vodní lampy vypovídá toto video :

https://www.youtube.com/watch?v=_JMGsMuoags

Ale jak se již ukázalo, za pomoci elektrokinetického jevu, kdy ionty ze slané vody přitahují elektrony vhodného materiálu, lze k výrobě elektřiny využít i její kinetickou energii v nových zařízeních. Zjednodušeně řečeno, svým pohybem zde ionty za sebou „táhnou“ elektrony, čímž dochází ke vzniku elektrického proudu. Elektrokinetický jev byl pozorován u grafenu, kde badatele upoutala jeho vysoká účinnost, neboť až 30 % kinetické energie mořské vody se tak dá přeměnit na elektrický proud. Grafen díky svým vlastnostem nabízí značný potenciál pro mnohé aplikace v různých odvětvích, jeho výroba je však zatím velmi drahá a je obtížné jej vyrábět ve velkém množství. Podobný elektrokinetický jev byl však pozorován i u jiných materiálů, například u zrezivělého železa, kdy příprava tenké vrstvy oxidu železitého, což je vlastně jen obyčejná rez, je poměrně snadná záležitost.

Rez je nemilým problémem na infrastruktuře, ale nový výzkum ukazuje, že když se kombinuje se slanou vodou, může se proměnit na zdroj elektřiny. Respektive že ultratenké vrstvy rzi generují elektřinu z tekoucí slané vody, podobně jako grafen. Interakce mezi kovovými sloučeninami a slanou vodou často generují elektřinu, ale ta je obvykle výsledkem chemické reakce, při které se jedna nebo více sloučenin přeměňuje na nové sloučeniny. Naproti tomu elektrokinetický jev, prvně zkoumaný před pěti lety Tomem Millerem, profesorem chemie na Caltechu a Franzem Geigerem, profesorem chemie na Dow College na Northwesternu, nezahrnoval chemické reakce, ale kinetickou energii po rzi proudící vody přeměňoval na elektřinu.

Ačkoli se rez na slitinách železa tvoří sama o sobě, jejich tým musel zajistit, aby se tvořila v konzistentně tenké vrstvě. K tomu použili proces zvaný fyzikální depozice z plynné fáze (PVD), který přeměňuje normálně pevné materiály, v tomto případě železo, na páru, která kondenzuje na požadovaném povrchu. Filmy oxidu železa, užívané Millerem a Geigerem v jejich experimentech, se relativně snadno vyrábějí a škálují na větší velikosti. Zařízení s deskou o ploše 10 metrů čtverečních tak může vygenerovat několik kilowattů za hodinu, což je dostatečné množství elektřiny pro běžnou domácnost. „V podstatě je to jen rez na železe, takže je docela snadné to vyrobit na velkých plochách,“ říká k tomu profesor Miller. Více zde:

https://www.caltech.edu/about/news/ultra-thin-layers-rust-generate-electricity-flowing-water

Slaná voda již promlouvá i do skladování přebytečné elektřiny, vyráběné fotovoltaickými elektrárnami (FVE), což je dosud velký problém. Překvapivé řešení, které má ukládání energie z FVE nejen zefektivnit a zlevnit, ale také učinit šetrnějším vůči životnímu prostředí, se opírá o slanou vodu, užívanou jako elektrolyt. Jiří Červenka z Fyzikálního ústavu AV ČR spolu se svým výzkumným týmem a kolegy z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR vymysleli a patentovali baterii na bázi slané vody, kdy vodný elektrolyt a materiály jako zinek a grafit mají zabezpečit, že baterie nevybuchne a bude šetrná k přírodě. Pro novou baterii jako elektrolyt začali využívat roztok s velkým množstvím soli chloristanu zinečnatého, která narušuje strukturu vody a díky tomu vzniká v baterii vyšší napětí. Více o české baterii ze slané vody zde:

https://www.avcr.cz/cs/fotoreportaze/Baterie-ze-slane-vody.-Prislib-levne-a-bezpecne-energetiky-budoucnosti/

Pokud tu mluvíme o vodě, pak velké množství dosud nevyužívané energie obsahují i dešťové kapky a způsob, jak ji efektivně získat, se rovněž stává žhavým tématem výzkumu. Není bez zajímavosti, že vědecký tým ze Soochow Univerzity již vyvinul zařízení pro získávání energie ze slunečního světla a dešťových kapek tím, že přidal triboelektrický nanogenerátor (TENG) k již existujícímu solárnímu článku. Tedy nové zařízení vzniklo integrací křemíkového solárního článku s triboelektrickým nanogenerátorem prostřednictvím vzájemné elektrody pro získávání energie ze slunečního světla a dešťových kapek. Zde tak mohli demonstrovat nový koncept získávání energie za různých povětrnostních podmínek.

Ovšem světlo světa v minulých letech již spatřil i nanogenerátor využívající kontaktní elektrifikaci kapalina-pevná látka pro dosažení vysokého okamžitého výstupního výkonu. Při získávání energie z hustě padajících dešťových kapek, namísto jediné kapky, je však pro maximalizaci výkonu zapotřebí racionálnější struktura, která by eliminovala vzájemný vliv jednotlivých nanogenerátorových jednotek (D-TENG), využívajících kontaktní elektrifikaci kapalina-pevná látka, pro získávání energie z jedné kapky vody. Pokud je totiž více nanogenerátorů jednoduše zapojeno paralelně pro využití velké plochy, výstupní výkon celého modulu pro výrobu energie výrazně klesne v důsledku vzájemného vlivu mezi různými jednotlivými výrobními jednotkami, což výrazně omezuje jejich praktické využití.

Za tímto účelem byly navrženy čínskými vědci mostové generátory (BAG) využívající strukturu spodních elektrod pole (ALE) a mostového refluxu (BRS), aby jednotlivé jednotky pro výrobu energie byly nezávislé na sobě, kdy zároveň eliminují vliv elektrod, které zachovávají špičkový výkon velkých D-TENG. Pro velkoplošný sběr energie z dešťových kapek se tedy při experimentech využívají mostové generátory (BAG), kdy výstupní výkon BAG dosahuje 200 W/m², což ukazuje jeho výhody při velkoplošném sběru energie. Více o tomto systému zde: https://www.sciopen.com/article/10.23919/IEN.2023.0015

Jinak řečeno, vedle klasických fotovoltaických panelů, využívajících k výrobě elektřiny slunečního svitu, se můžou časem na některých střechách, či na jiných k tomu vhodných plochách, při prohlubující se energetické krizi objevovat i zařízení pro výrobu elektřiny na úplně novém principu. Neboť výsledky novodobého výzkumu otevírají cestu i pro získávání energie z dešťových kapek ve velkém měřítku.

ODKAZY NA PŮVODNÍ ZDROJE

Integrace solárního článku s triboelektrickým nanogenerátorem:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b00416

Stačí pustit slanou vodu skrz ultratenké vrstvy rzi

https://www.osel.cz/10684-rziva-elektrina-staci-pustit-slanou-vodu-skrz-ultratenke-vrstvy-rzi.html

Američtí vědci objevili nový způsob výroby elektřiny:

https://oenergetice.cz/elektrina/rez-slana-voda-americti-vedci-objevili-novy-zpusob-vyroby-elektriny