Des chercheurs ont développé un nouveau dispositif hydrovoltaïque nanométrique générant de l’électricité à partir de l’évaporation de fluides à concentration ionique élevée. La charge de surface du nanodispositif augmente notamment selon la concentration ionique des fluides. Alors que les dispositifs actuels se basent sur l’évaporation de l’eau hautement purifiée, la technologie révèle un énorme potentiel énergétique inexploité pour de larges gammes de salinité.
L’évaporation de l’eau est un processus naturel omniprésent dans notre environnement qui se produit spontanément, même sans la chaleur du Soleil. Elle permet un échange d’énergie quasi constante tout au long du cycle de l’eau. Malgré le potentiel énorme, elle constitue une source d’énergie renouvelable (hydrovoltaïque) en grande partie inexploitée. À titre d’exemple, le potentiel total de production d’électricité provenant de l’évaporation naturelle des lacs et des réservoirs d’eau aux États-Unis est estimé à 325 GW — soit plus de 69 % de la production électrique totale du pays en 2015.
Afin d’exploiter ce potentiel énergétique, différentes stratégies ont été explorées, incluant des systèmes hybrides et des générateurs autoalimentés. Parmi ces derniers figure par exemple un dispositif exploitant l’évaporation de l’eau, par le biais d’un film de carbone incrusté de canaux nanométriques. Lorsque le fluide passe à travers la surface chargée, l’évaporation établit un flux continu à travers les nanocanaux et génère des tensions électriques soutenues allant jusqu’à 1 volt. Il s’agit d’un mécanisme de pompage passif qu’on peut également observer chez les plantes, où le transport de l’eau s’effectue par le biais de la différence de pression au niveau des microcapillaires et de l’évaporation.
Cependant, les mécanismes physiques exacts régissant la production d’énergie hydrovoltaïque demeurent en grande partie incompris. Cela est principalement dû à la complexité des nanostructures composant les dispositifs étudiés actuellement. D’autre part, l’association entre la concentration des fluides utilisés et les performances de ce type de système était jusqu’à présent inconnue. En effet, il a été suggéré que l’eau hautement purifiée est associée à de meilleures performances hydrovoltaïques.
Une nouvelle étude, d’une équipe de l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), en Suisse, vise à combler ces lacunes de compréhension. Récemment publiée dans la revue spécialisée Device, elle comprend une combinaison d’expériences et de modélisations visant à analyser divers flux de fluides et d’ions, ainsi que les effets électrostatiques dus aux interactions solide-liquide.
« Grâce à notre nouvelle plateforme hautement contrôlée, il s’agit de la première étude qui quantifie ces phénomènes hydrovoltaïques en mettant en évidence l’importance de diverses interactions interfaciales », explique dans un communiqué Giulia Tagliabue, directrice du Laboratoire de Nanosciences pour les Technologies Énergétiques (LNET) de l’EPFL. La compréhension de ces mécanismes permettrait d’améliorer l’efficacité des systèmes hydrovoltaïques.
Une potentielle application à une large gamme de salinité
Le dispositif des chercheurs de l’EPFL consiste en un système lithographique colloïdal de nanosphères. Ce matériau leur a permis de créer des réseaux de nanopilliers de silicium formant des hexagones espacés avec précision. Cela permettrait notamment de former des canaux d’évaporation pouvant être contrôlés de manière précise, ce qui améliore la gestion des effets de confinement des fluides et de leurs interactions avec la surface solide.
En effet, des recherches précédentes ont suggéré que la charge de surface, la géométrie des pores (ou des nanocanaux) et la mobilité ionique des fluides sont essentielles au rendement des dispositifs hydrovoltaïques. Or, les systèmes actuels utilisent généralement des matériaux poreux en vrac, c’est-à-dire dont la morphologie des pores est hétérogène. Cela limite considérablement la compréhension du rôle des paramètres géométriques sur l’efficacité des systèmes.
D’un autre côté, dans la plupart des systèmes fluidiques contenant des solutions salines, il y a un nombre égal d’ions positifs et négatifs. Cependant, lorsque ces fluides sont confinés dans des nanocanaux, seuls les ions de polarité opposée à celle de la charge de surface sont conservés. « Cela signifie que si vous permettez au liquide de circuler à travers le nanocanal, vous générerez du courant et de la tension », explique l’auteur principal de la recherche, Tarique Anwar.
En étudiant leur nouveau dispositif, Anwar et ses collègues ont découvert que l’équilibre chimique entre la charge de surface des canaux et les fluides peut être exploité pour améliorer le rendement électrique du système. En effet, la charge de surface et la tension électrique obtenues augmentaient à mesure que la concentration ionique des fluides augmentait. Cela signifie que ce type de système peut être appliqué à des fluides de différents niveaux de salinité — ce qui est en contradiction avec les techniques conventionnelles se basant sur l’eau purifiée.
Ces résultats suggèrent que les systèmes hydrovoltaïques pourraient être utilisés avec presque toutes les sources d’eau (telles que l’eau du robinet ou l’eau de mer), ce qui étend considérablement leur potentiel. La large plage d’humidité et de températures auxquelles l’évaporation peut avoir lieu constitue également un avantage majeur. Les experts proposent par ailleurs d’intégrer leur dispositif à d’autres systèmes énergétiques (comme les panneaux photovoltaïques), afin d’exploiter l’énergie thermique perdue.
Il serait également possible de l’appliquer à des systèmes de dessalement. « L’évaporation naturelle est utilisée pour piloter les processus de dessalement, car l’eau douce peut être récupérée de l’eau salée en condensant la vapeur produite par une surface d’évaporation. Désormais, vous pouvez imaginer utiliser un système hydrovoltaïque à la fois pour produire de l’eau propre et exploiter l’électricité », suggère Anwar. Il pourrait aussi alimenter par exemple des appareils de fitness connectés, en exploitant la sueur… Il serait en outre intéressant d’explorer comment la lumière et les effets photothermiques pourraient être utilisés pour contrôler les charges de surface et les taux d’évaporation.