蒸発は再生可能エネルギーの重要な供給源となり得るでしょうか?

風力発電と太陽光発電の欠点の 1 つは断続的であるため、エネルギー貯蔵が必要になることです。 YaleEnvironment 360のインタビューで、生物物理学者のオズグル・サヒン氏は、湖や貯水池からの蒸発がどのようにして安定した再生可能エネルギー源に変換できるかを説明しています。

ダイアン・トゥーミー著 • 2017年9月28日

2015 年、生物物理学者のオズグル シャヒンは、蒸発のプロセスを再生可能なエネルギー源に変える方法を発見し、空気中の湿度レベルの変化を利用して LED を点灯したり、おもちゃの車に電気を供給したりする装置を構築しました。 今回、コロンビア大学のサヒン氏らは、米国の湖や貯水池での蒸発によって理論的には国内の電力需要のほぼ70パーセントを供給できると推定する新しい論文をネイチャー・コミュニケーション誌に発表した。

オズグル・シャヒン

この技術は、土壌細菌である枯草菌の吸水性胞子を利用してエネルギーを生成するもので、まだ開発の初期段階にある。 しかし、コロンビア大学の生物科学と物理学の准教授であり、海軍研究局から2016年若手研究者賞を受賞したサヒン氏は、他の形式の再生可能エネルギーに比べて重要な利点があると言う。 「風力と太陽光発電は断続的な電源です」と彼は言う。 「蒸発の場合、あまり変動しません。夜間でもかなりの蒸発が期待できます。」

Yale Environmental 360 とのインタビューで、サヒン氏は、この新しい種類の発電がどのように機能するか、その限界、そしてこの技術が米国および世界の重要な電力源になり得るかどうかをテストするための広範な科学的協力の必要性について語ります。

エール大学環境 360: 2015 年に発表された研究では、あなたと同僚は、蒸発プロセスを利用して機械力を生成するいくつかの機械を発明しました。 これは、湿度の変化に応じて伸縮する無害な細菌の胞子を利用することで実現しました。 「蒸発エンジン」と呼ばれる装置の1つ。 その特定のマシンがどのように動作するかを説明してください。

シャヒン:蒸発エンジンには胞子でコーティングされたプラスチック ストリップが付いています。 胞子は湿度の変化に応じて膨張および収縮し、それを非常に強力に行います。 そして、それが起こると、これらのストリップはそれに応じて伸びたり縮んだりします。 それらは基本的に筋肉のように機能し、電気エネルギーに変換できます。

通常、湿度自体は環境内でそれほど急激に変化することはなく、毎日の時間スケールで変化しますが、水面が開いている場合は蒸発が発生するため、デバイスを使用してそれを利用できます。 その方法は、シャッターの下にストリップを置くことです。 シャッターが開くと湿気が通過し、シャッターが閉じると湿気を遮断します。 その[装置]を発電機または動きや機械エネルギーを電気に変換するものに接続することで、電気を生成することができます。 これが私たちのデバイスの背後にある一般的なコンセプトです。

e360:あなたが考案した2番目の機械は「モイスチャーミル」と呼ばれています。 これでおもちゃの車を動かすことができました。 見た目は車輪のように見えますが、同じ原理で動作します。 それについて少し教えてください。

シャヒン:この 2 番目のデバイスは基本的にプラスチックの円と、その円の周りに配置される胞子でコーティングされたプラスチック ストリップを備えています。 円をチャンバーの途中まで挿入します。チャンバーの壁には湿った紙が張られているため、チャンバー内は湿気が高く、その湿気により円の半分の胞子が膨張します。 そして、外側、つまり円の残りの半分では、空気が乾燥しているため、その側のストリップは胞子が収縮した状態にあるため、少し縮れています。

そうなると、円の重心は円の回転軸から少しずれてしまいます。 [その後の]回転により、乾燥した半分にあった胞子が湿った領域に運ばれ、湿った部分にあった湿った胞子の一部が乾燥した部分に移動します。 チャンバー内の用紙が濡れている限り回転し続けます。 レゴのパーツを使って、表面を転がり始めるシンプルなおもちゃのようなシステムを組み立てました。 これは最速の車ではありませんが、おそらく水を使い果たした最初の車です。

e360:この最新の論文では、再生可能エネルギー源としての自然蒸発の可能性を調査しています。 あなたは、蒸発駆動のエネルギーハーベスタによってカバーされる湖や貯水池などの開放水源を想像しています。 これはどのように見えるでしょうか? これらの開いた水源の上に開閉するシャッターを備えた、その装置のより大きなバージョンがあるだけでしょうか?

シャヒン:おそらくいくつかの基本概念が使用されるでしょうが、必ずしも同じシャッター機構が必要なわけではなく、大規模になると複雑なシステムになります。 大規模な実装を容易にするために、機能し、可動コンポーネントがほとんどないものを考え出す必要があります。

e360:細菌の胞子を利用することを考えていますか、それとも蒸発の力を利用する他の方法はありますか?

シャヒン:目標の 1 つは、胞子材料からシートのようなものを作成することです。これにより、これらのシートは表面積で膨張および収縮できるようになり、それ自体が装置の基礎となる可能性があります。 最終的な材料はかなりの量の電力を生成する可能性があります。 おそらく、私たちが予測した理論上の限界には達していないかもしれませんが、コストやその他の要因を考慮すると、それでも魅力的である可能性があります。

テクノロジーは気候変動をどこまで食い止めることができるでしょうか? 続きを読む。

e360:あなたは、米国では最大 325 ギガワットの蒸発電力が潜在的に利用可能であると計算しています。これは、あなたが書いているように、2015 年の米国の電気エネルギー生成率の 70% 近くに相当します。どのようにしてその数字に到達したのですか?

シャヒン:この数に含まれているのは、私たちが知っている既存の貯水池と湖です。 小さすぎる貯水池は無視し、五大湖も無視しました。 私たちがこれを行ったのは、開いた水域がそれほど大きくないとき、つまり「それほど大きくない」とは、直径が 100 キロメートル未満である場合を意味します。

私たちが最初に想定したのは、デバイスが熱力学の限界内のレベルで動作できるということです。 次に、環境条件によってさらに制限がどのように課されるのかを調べたいと思いました。 したがって、天候は蒸発率、気温、風速、その特定の場所で利用できる太陽光の量、空気の湿度に影響します。 私たちはこれらすべてのパラメーターをモデルに入力し、水文学者によって開発された以前のモデルを使用して実際に構築しました。そこから、特定の場所で特定の気象データを使用して、特定の地域から得られる電力がいくらになるかを計算しました。平方メートル？ これにより基本的に国の地図が得られ、この場所に水域がある場合、その水域からこれだけの電力が期待できると言えます。

e360:合計の数字に驚きましたか？

シャヒン:この数字自体は大きいですが、このテクノロジーが構築されれば、その数字は確実に小さくなるでしょう。 しかし、既存の再生可能エネルギーは数十ギガワット程度の規模で開発されていないため、それでも再生可能エネルギーに貢献できる可能性があります。 この利用可能な可能性のほんの一部であっても、それが実現すれば、依然として重要な意味を持ちます。

e360:太陽光や風力と比較して、蒸発エネルギーにはどのような長所または短所があるでしょうか?

シャヒン:風力発電と太陽光発電は断続的な電源です。 消費者は 1 日のさまざまな時間帯や 1 年のさまざまな時期に電力を必要とするため、これに対処するにはエネルギー貯蔵技術が必要です。 蒸発の場合、基本的にはあまり変動しません。 たとえば、夜間であっても非常に大量の蒸発が起こることが予想されます。 その主な理由は、水自体が熱を蓄えることができるためです。 そのため、日中に太陽光から来る熱は水の中に蓄えられ、夜もそこに留まり、直接蒸発を促すことができます。 したがって、蒸発速度の滑らかなプロファイルが作成されます。 さらに、デバイスがある場合は、蒸発速度をさらに制御できるようになります。 そのため、この制御と水の貯蔵能力を組み合わせることで、バッテリーや他のエネルギー貯蔵機構に依存せずに、電力需要を電源に適合させる潜在的な方法となります。

水上太陽光発電は、米国の干ばつに見舞われた湖にとって双方にとって有利になる可能性がある。

もう 1 つの利点は、水資源との直接的な関係です。 蒸発からエネルギーを回収すると、必然的に蒸発速度が低下します。 したがって、人工貯水池 (たとえば、灌漑や水力発電用に作られた貯水池) がある場合、水の損失を減らすことも重要な利点となる可能性があります。 その水は農家や下流の他の生息地で利用される可能性がある。

欠点としては、これらの水域の多くはレクリエーションや釣りなどの他の用途に使用されています。 そうなると妥協もあり得るかもしれない。 また、生物学的材料から作られたシートのような柔軟な材料を想像すると、これらのものは、太陽光発電所や風力タービンのような硬い構造物よりも簡単に取り外したり元に戻したりできる可能性があるかもしれません。 もちろん、これは開発してテストする必要がありますが、私の見方では、これは環境とこれらのリソースの他の潜在的なユーザーの両方と潜在的に調和できる可能性があります。

e360:もちろん、その他の環境への悪影響も考えられます。

シャヒン:絶対に。 研究者として私たちが望んでいるのは、潜在的な問題、またはそれらの潜在的な問題の解決策について考えることができる、より多くの人々や他の分野の専門家の注目を集めることです。 エネルギープロジェクト自体は非常に複雑で、経済から環境までさまざまな側面があります。 このようなプロジェクトを 1 つの研究室で行うのは難しいため、この出版物で私たちが達成しようとしているのは、パズルの 1 ピースを提示することです。つまり、電力には大きな可能性があるということです。 ここで、これを可能にする可能性がある、または実装に課題を与える可能性がある他の側面を検討する価値があります。 しかし、たとえ課題があったとしても、それは比較的柔軟なテクノロジーであるように見えるため、回避する方法があるかもしれません。

e360:この技術の開発に関して、この先に待ち受ける落とし穴について懸念することはありますか?

シャヒン:予想していなかったことが起こる可能性もありますし、今私たちがやるべきことは、基本的にはデモを行って、原理実証の装置を超えて、その技術がどのようなものになるのか、それが何をもたらすのかを確認することだと考えています。 それは将来の議論に役立つ可能性があります。

e360:あなたの論文には、潜在的な発電量を州ごとに内訳した表があります。 ユタ州、カリフォルニア州、テキサス州がトップ 3 に入っています。 利用可能な外水表面積以外に、蒸発による発電の可能性を高める環境条件は何ですか?

シャヒン:日光が当たる場所が多いほど、そのエリアからより多くの電力が期待できます。 そして、そのエリアが乾燥していると、蒸発率が高まります。 これにより、特定の地域からの電力も増加し、これら 2 つの要素は米国南西部でより大きくなる傾向があります。

e360:あなたの研究は米国に限定されていましたが、蒸発エネルギーは発展途上国の無電化地域にも応用できる可能性があると想像していますか?

波力がエネルギー源として大きく遅れをとっている理由を考察します。 続きを読む。

シャヒン:私たちが研究を米国に限定したのは、主にモデルに組み込まれるデータにアクセスできたからです。 しかし一般的に、これは世界の他の多くの地域でも適用できると考えられます。 農家が灌漑に使用する水のプールを持っている場合、それをエネルギー源として利用できる可能性があります。

e360:あなたの研究室の次のステップは何ですか?

シャヒン:私たちは主に、胞子をシートにまとめることで、これらの個々の胞子から大きな物質を得ることに焦点を当てています。 それを使用して、必ずしもパイロット テストの規模のものではなく、より大きな卓上デバイスや、組み立てて水面でテストできる小さなプールなど、より大きなデバイスを構築しようとします。 そしてそれはおそらく、材料がより大規模なテストに向けて準備ができているかどうかを私たちに知らせてくれるでしょう。 しかし、答えなければならない基本的な疑問がまだたくさんあります。

ダイアン・トゥーミー彼女は受賞歴のある公共ラジオのジャーナリストであり、マーケットプレイス、ワールド・ビジョン・レポート、そしてリビング・オン・アースで働き、科学編集者を務めました。 彼女のレポートは、アメリカ生物科学研究所のメディア賞をはじめ、数多くの賞を受賞しています。 彼女はエール e360 に定期的に寄稿しており、現在は PBS サイエンス ショー NOVA の准研究員です。 ダイアン・トゥーミーについて詳しく→

機能を見逃すことはありません! E360 ニュースレターに登録する →

ジュディス・ルイス・マーニット著

ジョセリン・C・ザッカーマン著