Quando Ozgur Sahin e i suoi colleghi della Columbia University hanno iniziato a parlare dei generatori di evaporazione come fonte di energia rinnovabile, i nostri occhi sono rimasti incantati. Gli Stati Uniti potrebbero davvero, come hanno detto in Nature Communications, ottenere il 69 percento (circa 325 gigawatt) del suo fabbisogno energetico dall'acqua che evapora dai nostri bacini, laghi e fiumi?
La risposta breve è no. I numeri di Sahin erano basati sull'estrapolazione di uno studio su piccola scala di una macchina da lui inventata che genera energia attraverso l'evaporazione. Questo “motore di evaporazione” piccolo e piatto si trova sulla superficie di un corpo idrico e utilizza variazioni di umidità per aprire e chiudere le prese d'aria, che possono far funzionare un generatore. Per ottenere il numero, Sahin ha moltiplicato la potenza che stava ottenendo da questo dispositivo per l'area totale di laghi, fiumi e bacini negli Stati Uniti. Ma ovviamente, non copriremo tutti i laghi e tutti i fiumi. Noi - e l'ecosistema naturale - abbiamo bisogno di quelli per altre cose.
Ciò non significa che non possiamo beneficiare della tecnologia e utilizzarla su scala ridotta, come fonte di energia rinnovabile. Come potrebbe apparire? Cosa stiamo aspettando? Ecco cinque domande che potresti avere sul potere di evaporazione, risposta.
Puoi ottenere energia dall'evaporazione? Come funziona?
Il giocattolo per uccelli beventi che il tuo insegnante di fisica del liceo aveva sulla sua scrivania è la prova che puoi. Un corpo idrico assorbe il calore del sole - circa la metà di tutta l'energia del sole viene utilizzata in questo modo - e gradualmente rilascia vapore nell'aria. L'iterazione più semplice del motore di evaporazione è coperta da strisce di nastro, che sono esse stesse coperte di spore batteriche. Mentre il vapore acqueo si raccoglie sotto le strisce di nastro, i batteri lo assorbono e si allungano. Ciò provoca la flessione del nastro, aprendo contemporaneamente uno sfiato verso l'aria e spingendo una leva, che può essere convertita da energia meccanica a elettrica. Lo sfiato rilascia vapore, le spore si asciugano e, nel giro di pochi secondi, il nastro si condensa, lo sfiato si chiude e il ciclo ricomincia.
L'articolo che Sahin ha pubblicato quest'anno fa riferimento non solo alla sua tecnologia di cattura dell'energia, ma a qualsiasi tipo di raccoglitrice per evaporazione. Nel caso del motore di Sahin, che lui e i suoi colleghi hanno pubblicato su Nature Communications nel 2015, funziona tramite l'espansione e la contrazione delle spore batteriche. A differenza di una turbina, che si basa sul calore per guidare il motore, i "muscoli" delle spore si espandono e si contraggono in base all'umidità: quando l'umidità aumenta, le spore si espandono, allungando le strisce di materiale simile al nastro a cui sono attaccate, e aprendo una sorta di sfogo. Ora sfiatato, l'umidità diminuisce, le spore si contraggono, lo sfiato si chiude e il ciclo si ripristina. Mentre ciò accade, il movimento delle strisce spinge una piccola ruota e la rotazione guida un generatore.
Il motore di evaporazione si trova sulla superficie dell'acqua (blu) qui. Quando l'acqua sulla superficie sottostante evapora, provoca un movimento avanti e indietro simile a un pistone, che produce elettricità se collegato a un generatore. (Xi Chen) Potrebbe sostituire questo solare o altre fonti di energia rinnovabile?
Proprio come solare, eolica, idroelettrica e quasi tutto il resto, l'energia di evaporazione viene dal sole. L'energia solare è unica in quanto è ottenuta direttamente, afferma Axel Kleidon, uno scienziato dei sistemi terrestri del Max Planck Institute che ha recensito l'ultimo documento di Nature Communications . Tutti gli altri presentano una sorta di processo intermedio che riduce l'efficienza. Al ritmo del calo dei prezzi del solare, è improbabile che la potenza di evaporazione sia conveniente rispetto ai pannelli solari.
Kleidon studia le conversioni energetiche dei processi naturali su larga scala. Ad esempio, dice, l'energia eolica si basa sulla luce solare che è stata convertita in calore, e quindi sul vento, dall'atmosfera, ogni volta accumulando una perdita invisibile nell'energia solare. Inoltre, più turbine eoliche vengono montate, meno energia rimane nell'atmosfera per ogni turbina da estrarre da essa. Lo stesso vale per l'energia di evaporazione.
Gli Stati Uniti meridionali e occidentali hanno la maggiore capacità di produrre energia generata dall'evaporazione da laghi e bacini idrici. (Ahmet-Hamdi Cavusoglu) Se non ridurrà notevolmente la necessità di altre fonti di energia, allora cosa possiamo ricavarne?
Non esiste una risposta ai bisogni energetici umani. Anche se non produciamo il 70 percento della nostra energia in questo modo, può comunque contribuire. Una piccola percentuale della potenza totale calcolata avrebbe comunque un impatto sul settore delle energie rinnovabili. L'energia eolica, in questo momento, rappresenta decine di gigawatt e ancora meno solare, quindi anche una piccola percentuale dell'energia totale di evaporazione disponibile farebbe una grande ammaccatura.
Ma ci sono anche benefici oltre il potere. Man mano che raccogli energia, i tassi di evaporazione rallentano. Soprattutto nell'ovest americano, dove l'ambiente è secco e le risorse idriche sono limitate, la copertura dei bacini può aiutare a ridurre l'evaporazione complessiva, lasciando più acqua per l'irrigazione e il consumo umano.
Inoltre, questo tipo di energia potrebbe affrontare una delle sfide attuali delle energie rinnovabili, quella dell'accumulo di energia. L'evaporazione si verifica non solo durante il giorno, ma anche di notte, quando il calore accumulato dal sole del giorno porta il vapore nell'aria notturna più fredda. L'energia solare e, in misura minore, l'energia eolica si esaurisce di notte, quando è più necessaria l'energia. L'energia di evaporazione potrebbe integrare altre soluzioni on demand a questo problema, come batterie agli ioni di litio, batterie blu o energia geotermica.
Quali effetti collaterali potrebbero avere per laghi, fiumi ed ecosistemi?
Questo non è qualcosa che è stato affrontato nella ricerca di Sahin. Il suo gruppo gestiva i numeri e afferma che il contesto deve essere analizzato da altri mentre la tecnologia viene ulteriormente sviluppata. Le valutazioni ambientali dovranno essere effettuate luogo per luogo. In alcuni casi, ciò significa studiare la fauna selvatica che vive sopra e intorno a uno specchio d'acqua. In altri, l'uso ricreativo, industriale o dei trasporti dell'acqua deve essere affrontato.
Anche l'evaporazione stessa potrebbe influire sull'umidità dell'area circostante. Su larga scala, sottolinea Sahin, l'umidità atmosferica è dominata dagli oceani. Ma piccole sacche di aria più secca, dove questa tecnologia rallenta l'evaporazione, potrebbero avere effetti minori sulle piante o sull'agricoltura. E potrebbe avere un effetto significativo sulla temperatura dell'acqua che copre. Ma tutto dipende da quale percentuale di ciascun corpo idrico è coperta.
Quali sono gli ostacoli per l'implementazione di questa tecnologia?
Renderlo più efficiente. Scalalo. Fai valutazioni ecologiche. Siamo alle prime fasi di un processo importante. Sebbene sia ragionevole pensare che la tecnologia si ridimensionerà bene, solo ripetendo i blocchi dei dispositivi proposti, è stata studiata solo su piccola scala: la ricerca del 2015 ha messo in evidenza un singolo motore rotativo. Potrebbero esserci ulteriori opportunità per aumentare l'efficienza, come l'ottimizzazione dei materiali e la riduzione dei costi di produzione o la combinazione dei sistemi in motori più grandi. E gli studi ambientali dovranno valutare l'effetto sugli ecosistemi in cui potrebbe essere distribuito.
