Könnte Verdunstung eine bedeutende Quelle erneuerbarer Energie sein?

Ein Nachteil von Wind- und Solarenergie ist die Schwankung, die eine Energiespeicherung erfordert. In einem Yale Environment 360-Interview erklärt der Biophysiker Ozgur Sahin, wie die Verdunstung aus Seen und Stauseen in eine stabile Quelle erneuerbarer Energie umgewandelt werden könnte.

Von Diane Toomey • 28. September 2017

Im Jahr 2015 fand der Biophysiker Ozgur Sahin einen Weg, den Verdunstungsprozess in eine erneuerbare Energiequelle umzuwandeln, indem er Geräte baute, die LEDs zum Leuchten brachten und ein Spielzeugauto elektrifizierten – alles angetrieben durch Veränderungen der Luftfeuchtigkeit. Jetzt haben Sahin und Kollegen von der Columbia University in der Zeitschrift Nature Communications einen neuen Artikel veröffentlicht, in dem sie davon ausgehen, dass die Verdunstung von Seen und Stauseen in den USA theoretisch fast 70 Prozent des Strombedarfs des Landes decken könnte.

Ozgur Sahin

Die Technologie, die wasserabsorbierende Sporen des Bodenbakteriums B. subtilis zur Energiegewinnung nutzt, befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Aber Sahin, außerordentlicher Professor für Biowissenschaften und Physik an der Columbia und Träger des Young Investigator Award 2016 des Office of Naval Research, sagt, dass es wichtige Vorteile gegenüber anderen Formen erneuerbarer Energien hat. „Wind- und Solarenergie sind intermittierende Quellen“, sagte er. „Bei der Verdunstung gibt es keine großen Schwankungen. Selbst nachts kann man mit einer sehr starken Verdunstung rechnen.“

In einem Interview mit Yale Environment 360 spricht Sahin über die Funktionsweise dieser neuen Art der Stromerzeugung, ihre Grenzen und die Notwendigkeit einer breiten wissenschaftlichen Zusammenarbeit, um zu testen, ob die Technologie in den USA und weltweit zu einer bedeutenden Energiequelle werden könnte.

Yale Environment 360: In einer 2015 veröffentlichten Arbeit haben Sie und Ihre Kollegen mehrere Maschinen erfunden, die den Prozess der Verdunstung zur Erzeugung mechanischer Kraft nutzten. Sie haben dies erreicht, indem Sie harmlose Bakteriensporen verwendet haben, die sich als Reaktion auf Änderungen der Luftfeuchtigkeit ausdehnen und zusammenziehen. Eines der Geräte, die Sie „Verdampfungsmaschine“ nennen. Beschreiben Sie, wie diese bestimmte Maschine funktioniert.

Sahin: Der Verdunstungsmotor verfügt über sporenbeschichtete Kunststoffstreifen. Die Sporen dehnen sich aus und ziehen sich zusammen, wenn sich die Luftfeuchtigkeit ändert, und zwar mit großer Kraft. Wenn das passiert, verlängern und verkürzen sich diese Streifen als Reaktion darauf. Sie funktionieren im Wesentlichen wie ein Muskel, den Sie dann in elektrische Energie umwandeln können.

Die Luftfeuchtigkeit selbst ändert sich in der Umgebung normalerweise nicht so schnell – sie ändert sich täglich – aber wenn Sie eine offene Wasseroberfläche haben, gibt es Verdunstung, und Sie können diese mit einem Gerät nutzen. Das machen wir, indem wir die Streifen unter die Fensterläden legen. Wenn sie geöffnet sind, können sie Feuchtigkeit durchlassen, und wenn diese Fensterläden geschlossen sind, blockieren sie Feuchtigkeit. Sie können dieses [Gerät] an einen Generator oder etwas anschließen, das Bewegung und mechanische Energie in Elektrizität umwandelt, und so Elektrizität erzeugen. Dies ist das allgemeine Konzept unseres Geräts.

e360: Die zweite Maschine, die Sie entwickelt haben, heißt „Feuchtigkeitsmühle“. Damit konnte man ein Spielzeugauto in Bewegung setzen. Es sieht aus wie ein Rad und funktioniert nach dem gleichen Prinzip. Erzähl mir ein wenig darüber.

Sahin: Dieses zweite Gerät besteht im Wesentlichen aus einem Kunststoffkreis und mit Sporen beschichteten Kunststoffstreifen, die um den Kreis gelegt werden. Wir führen den Kreis zur Hälfte in eine Kammer ein, und in der Kammer ist es feucht, weil die Wände der Kammer mit nassem Papier ausgekleidet sind und diese Feuchtigkeit dazu führt, dass sich die Sporen auf dieser Hälfte des Kreises ausdehnen. Und auf der Außenseite, der restlichen Hälfte des Kreises, ist die Luft trocken, sodass die Streifen auf dieser Seite etwas lockiger sind, weil sich die Sporen in einem kontrahierten Zustand befinden.

Wenn das passiert, verschiebt sich der Schwerpunkt des Kreises ein wenig von der Rotationsachse des Kreises. Die [anschließende] Rotation bringt Sporen, die sich in der trockenen Hälfte befanden, in den feuchten Bereich, und einige feuchte Sporen, die sich im feuchten Teil befanden, gelangen in den trockenen Teil. Es dreht sich weiter, solange das Papier in der Kammer nass ist. Wir haben aus Lego-Teilen ein einfaches, spielähnliches System zusammengestellt, das auf der Oberfläche zu rollen beginnt. Es ist nicht das schnellste Auto, aber wahrscheinlich das erste, dem das Wasser ausgeht.

e360: In diesem neuesten Artikel untersuchen Sie das Potenzial der natürlichen Verdunstung als erneuerbare Energiequelle. Sie stellen sich offene Wasserquellen wie Seen und Stauseen vor, die von verdunstungsbetriebenen Energieerntemaschinen abgedeckt werden. Wie würde das aussehen? Würde es einfach größere Versionen dieses Geräts mit sich öffnenden und schließenden Fensterläden auf diesen offenen Wasserquellen geben?

Sahin: Einige grundlegende Konzepte würden wahrscheinlich verwendet werden, aber Sie benötigen nicht unbedingt dieselben Verschlussmechanismen, was im großen Maßstab ein kompliziertes System wäre. Man müsste sich etwas einfallen lassen, das funktioniert und nur wenige bewegliche Komponenten aufweist, um die Implementierung im großen Maßstab zu erleichtern.

e360:Denken Sie darüber nach, die Bakteriensporen zu nutzen, oder gibt es andere Möglichkeiten, die Verdunstungskraft zu nutzen?

Sahin: Ein Ziel besteht darin, aus dem Sporenmaterial so etwas wie eine Folie herzustellen, sodass sich diese Folien auf einer Oberfläche ausdehnen und zusammenziehen können, und das könnte die Grundlage des Geräts bilden. Das Endmaterial könnte eine beträchtliche Menge Energie erzeugen. Vielleicht nicht an den von uns vorhergesagten theoretischen Grenzen, aber unter Berücksichtigung der Kosten und anderer Faktoren könnte es dennoch attraktiv sein.

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e360:Sie gehen davon aus, dass in den USA potenziell bis zu 325 Gigawatt Verdunstungsleistung verfügbar sind, was, wie Sie schreiben, fast 70 Prozent der Stromerzeugungsrate in den USA im Jahr 2015 entspricht. Wie sind Sie auf diese Zahl gekommen?

Sahin: In diese Zahl haben wir die uns bekannten vorhandenen Stauseen und Seen einbezogen. Wir haben zu kleine Stauseen ignoriert, und wir haben auch die Großen Seen ignoriert. Wir haben das gemacht, weil es einfacher ist, offene Gewässer zu modellieren, wenn sie nicht so groß sind – „nicht so groß“ bedeutet, wenn sie einen Durchmesser von weniger als 100 Kilometern haben.

Als erstes gingen wir davon aus, dass das Gerät auf einem Niveau innerhalb der Grenzen der Thermodynamik arbeiten kann. Dann wollten wir herausfinden, wie die Umweltbedingungen weitere Grenzen setzen würden. Das Wetter beeinflusst also die Verdunstungsrate, die Temperatur, die Windgeschwindigkeit, wie viel Sonnenlicht an diesem bestimmten Ort verfügbar ist und die Luftfeuchtigkeit. Wir haben all diese Parameter in ein Modell eingefügt, das wir tatsächlich anhand früherer, von Hydrologen entwickelter Modelle erstellt haben … Von dort aus haben wir an einem bestimmten Ort mit bestimmten Wetterdaten berechnet, wie viel Strom Sie aus einem bestimmten Gebiet beziehen können – sagen wir, a Quadratmeter? Das gibt uns im Grunde eine Karte des Landes, und man kann sagen, wenn es an dieser Stelle ein Gewässer gibt, kann man von diesem Gewässer so viel Strom erwarten.

e360:Hat Sie die Gesamtzahl überrascht?

Sahin: Die Zahl an sich ist groß, aber wenn diese Technologie gebaut wird, wäre sie definitiv kleiner. Aber das kann immer noch einen Beitrag zu erneuerbaren Energien leisten, da die bestehenden erneuerbaren Energien nicht in diesem Ausmaß, in der Größenordnung von mehreren zehn Gigawatt, entwickelt werden. Selbst ein kleiner Bruchteil dieses verfügbaren Potenzials wäre, sofern es realisiert wird, immer noch von Bedeutung.

e360:Welche Vor- oder Nachteile könnte die Verdunstungsenergie im Vergleich zu Solar- oder Windenergie haben?

Sahin: Wind- und Solarenergie sind intermittierende Quellen. Um dieses Problem anzugehen, sind Energiespeichertechnologien erforderlich, da Verbraucher zu unterschiedlichen Tages- und Jahreszeiten Strom benötigen. Bei der Verdunstung schwankt man grundsätzlich nicht sehr stark. So ist beispielsweise auch nachts mit einer sehr starken Verdunstung zu rechnen. Der Hauptgrund dafür ist, dass Wasser selbst Wärme speichern kann. So wird die Wärme, die tagsüber durch Sonnenlicht entsteht, im Wasser gespeichert, bleibt dort nachts und kann die Verdunstung direkt antreiben. Dadurch entsteht ein gleichmäßiges Profil der Verdunstungsraten. Wenn Sie über Geräte verfügen, erhalten Sie dann zusätzliche Kontrolle über die Verdunstungsrate. Zusammen mit der Speicherfähigkeit von Wasser ist diese Steuerung also eine potenzielle Möglichkeit, den Strombedarf an die Stromversorgung anzupassen, ohne auf Batterien oder andere Energiespeichermechanismen angewiesen zu sein.

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Der andere Vorteil ist der direkte Bezug zu den Wasserressourcen. Die Gewinnung von Energie aus der Verdunstung verringert zwangsläufig die Verdunstungsrate. Wenn Sie also über künstliche Stauseen verfügen – beispielsweise solche, die zur Bewässerung oder zur Wasserkraft angelegt wurden – könnte die Reduzierung dieses Wasserverlusts ein weiterer wichtiger Vorteil sein. Dieses Wasser könnte von Landwirten oder anderen Lebensräumen flussabwärts genutzt werden.

Was die Nachteile anbelangt, so haben viele dieser Gewässer Freizeit- und andere Nutzungsmöglichkeiten, beispielsweise zum Angeln. Sollte es dazu kommen, könnte es einen Kompromiss geben. Wenn man sich flexible Materialien wie Folien aus biologischem Material vorstellt, könnte es auch möglich sein, dass diese Dinge möglicherweise einfacher entfernt und wieder eingesetzt werden können als starre Konstruktionen wie Solarparks und Windturbinen. Natürlich muss dies noch entwickelt und getestet werden, aber aus meiner Sicht kann dies möglicherweise im Einklang mit der Umwelt und anderen potenziellen Nutzern dieser Ressourcen stehen.

e360:Natürlich kann es auch andere negative Auswirkungen auf die Umwelt geben.

Sahin: Absolut. Was wir als Forscher hoffen, ist, die Aufmerksamkeit von mehr Menschen und Experten in anderen Bereichen zu gewinnen, die über potenzielle Probleme oder Lösungen für diese potenziellen Probleme nachdenken können. Energieprojekte selbst sind sehr kompliziert und haben viele verschiedene Aspekte, von der Wirtschaft bis zur Umwelt. Es ist schwierig, ein solches Projekt in einem einzigen Forschungslabor durchzuführen. Deshalb versuchen wir mit dieser Veröffentlichung, ein Teil des Puzzles darzustellen: Es gibt ein erhebliches Potenzial für Energie. Nun lohnt es sich, einen Blick auf diese anderen Aspekte zu werfen, die dies entweder zu einer Möglichkeit machen oder seine Umsetzung erschweren könnten. Aber selbst wenn es Herausforderungen gibt, gibt es möglicherweise Wege, diese zu umgehen, da es sich offenbar um eine relativ flexible Technologie handelt.

e360:Haben Sie Bedenken hinsichtlich der Fallstricke, die bei der Entwicklung dieser Technologie auf Sie zukommen?

Sahin: Es könnte Dinge geben, mit denen ich nicht gerechnet habe, und ich denke, was wir jetzt tun sollten, ist grundsätzlich Demonstrationen und über den Grundsatzbeweis hinauszugehen und zu sehen, wie die Technologie aussehen und wozu sie führen könnte. Das könnte zukünftige Diskussionen beeinflussen.

e360: In Ihrer Arbeit finden Sie eine Tabelle, in der Sie die potenzielle Stromerzeugung nach Bundesstaaten aufschlüsseln. Utah, Kalifornien und Texas sind die ersten drei. Welche Umweltbedingungen, abgesehen von der verfügbaren offenen Wasseroberfläche, ermöglichen eine größere potenzielle Stromerzeugung durch Verdunstung?

Sahin: Je mehr Sonnenschein ein Standort erhält, desto mehr Leistung können Sie von einem bestimmten Gebiet erwarten. Und wenn die Gegend trocken ist, erhöht das die Verdunstung. Dadurch erhöht sich auch die Leistung eines bestimmten Gebiets, und diese beiden Komponenten sind im Südwesten der USA tendenziell größer.

e360:Ihre Studie war auf die USA beschränkt, aber glauben Sie, dass Verdunstungsenergie in netzfernen Gebieten von Entwicklungsländern anwendbar sein könnte?

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Sahin: Wir haben unsere Studien auf die USA beschränkt, vor allem weil wir Zugang zu den Daten hatten, die in unsere Modelle einfließen. Aber im Allgemeinen gehen wir davon aus, dass dies auch in vielen anderen Teilen der Welt anwendbar ist. Wenn ein Landwirt über ein Wasserbecken zur Bewässerung verfügt, könnte dieses als Energiequelle genutzt werden.

e360:Was sind die nächsten Schritte für Ihr Labor?

Sahin: Wir konzentrieren uns hauptsächlich darauf, von diesen einzelnen Sporen zu großen Materialien zu gelangen, indem wir die Sporen zu Blättern zusammenfügen. Auf dieser Grundlage werden wir versuchen, größere Geräte zu bauen, nicht unbedingt in der Größe eines Pilotversuchs, sondern vielleicht ein größeres Tischgerät, vielleicht einen kleinen Pool, den wir auf der Wasseroberfläche zusammenbauen und testen können. Und das würde uns wahrscheinlich Aufschluss darüber geben, ob die Materialien für einen größeren Test bereit sind. Aber es gibt noch viele grundlegende Fragen, die beantwortet werden müssen.

Diane Toomey ist eine preisgekrönte Radiojournalistin, die bei Marketplace, dem World Vision Report und Living on Earth gearbeitet hat, wo sie als Wissenschaftsredakteurin tätig war. Ihre Berichterstattung wurde mit zahlreichen Preisen ausgezeichnet, unter anderem mit dem Media Award des American Institute of Biological Sciences. Sie schreibt regelmäßig Beiträge für Yale e360 und ist derzeit assoziierte Forscherin bei der PBS-Wissenschaftssendung NOVA. Mehr über Diane Toomey →

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