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Der Energiebedarf unserer modernen Gesellschaft wird immer größer. Größere Bevölkerungszahlen, leistungsfähigere Elektronik und fortschrittlichere elektronische Systeme führen zu einem höheren Energieverbrauch. Angesichts dieser Entwicklung wird es immer wichtiger, alle verfügbaren Ressourcen zu nutzen. In diesem Zusammenhang gewinnen 2D-Materialien zunehmend an Bedeutung für eine Reihe von Systemen zur Gewinnung sauberer Energie. Diese Materialien bieten viele Eigenschaften, die sich abstimmen lassen und oft auf die jeweilige Applikation ausgerichtet werden können. Das liegt zum Teil an der großen Auswahl an verfügbaren Materialien sowie der Möglichkeit, diese Materialien auf atomarer Ebene abzustimmen.

Systeme zur Energiegewinnung aus 2D-Materialien werden sowohl für kleine Applikationen zur Stromversorgung einzelner Geräte als auch für größere Anlagen getestet, die größere Mengen an Energie erzeugen können. Da die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und nicht erneuerbaren Energiequellen voraussichtlich abnehmen wird, müssen wir alle natürlichen Ressourcen der Erde (einschließlich verschiedener Energieformen) nutzen, um fossile Brennstoffe letztlich ganz durch saubere Energie ersetzen zu können.

Die Energiegewinnung aus Wasserkraft ist bereits ein Schwerpunkt im Bereich der sauberen Energie und wurde durch die Wasserkraftwerke und Gezeitenkraftwerke sowie durch die Energiegewinnung aus anderen fließenden Gewässern wie Flüssen unter Beweis gestellt. Unsere Erde ist zu 70 Prozent mit Wasser bedeckt – es ist also eine natürliche Ressource, die das Potenzial hat, große Mengen an Energie zu liefern.

Auch wenn die größeren Energiegewinnungssysteme den Löwenanteil der aus dem Wasser gewonnenen Energie ausmachen, kann eine beträchtliche Menge an Energie aus niederfrequentem Wasserfluss – wie der Bewegung von Regentropfen, der Gezeitendynamik oder den osmotischen Effekten in Salzgradienten – gewonnen werden. Während 2D-Materialien also dazu beitragen können, effizientere Geräte für größere Energiegewinnungssysteme zu bauen, haben sie auch das Potenzial, Energie aus Wasser zu gewinnen, was aufgrund ihrer geringen Größe und ihrer hervorragenden Energiegewinnungseigenschaften sonst nicht möglich ist.

Zielbereiche für die Energiegewinnung aus Wasser

2D-Materialien eignen sich für verschiedene Bereiche der Energiegewinnung aus Wasser. Dazu zählen auch Applikationen zur Aufspaltung von Wasser. Dieser Bereich ist jedoch ein photokatalytischer Prozess und kein reines Energiegewinnungsverfahren und soll daher in einem anderen Beitrag behandelt werden. Neben der Aufspaltung von Wasser gibt es noch viele andere Bereiche, in denen 2D-Materialien auf reges Interesse stoßen.

Zwar werden 2D-Materialien in größerem Maßstab zur Energiegewinnung und -speicherung eingesetzt, aber ihre Fähigkeit, auch andere Arten von Energie aus Wasser zu gewinnen, macht sie zu einem sehr interessanten Thema. Auf dem Gebiet der Energiegewinnung in kleinerem Maßstab gibt es derzeit zwei herausragende Bereiche, in denen getestet und entwickelt wird:

• Gewinnung osmotischer Energie aus Salzgehaltsgradienten
• Nutzung der Bewegungsenergie des Wassers zur Stromerzeugung

Osmotische Energie

Bei der Gewinnung osmotischer Energie wird die chemische Energie von Salzgradienten in eine elektrische Leistung umgewandelt. Sie wird an der Mündung von Flüssen in Ozeane eingesetzt (da der Salzgehalt zwischen den beiden Wasserkörpern sehr unterschiedlich ist, was zu einem Salzgehalt-Gradienten führt). Es handelt sich zwar um ein Verfahren zur Energiegewinnung in kleinerem Maßstab, aber dennoch kann es eine Leistung von bis zu 0,8 kWh pro m³ Wasser erzeugen.

Die Gewinnung osmotischer Energie wird durch einen geladenen Ionenfluss durch eine ionenselektive, teildurchlässige Membran ermöglicht. Solche Membranen haben unterschiedliche Dicken, Porendurchmesser und Dichten und trennen das Süß- und das Salzwasser, was zu einem chemischen Potentialunterschied führt. Diese sehr dünnen, teildurchlässigen Membranen sind die Bereiche, in denen 2D-Materialien besonderes Interesse geweckt haben.

Energie aus der Wasserbewegung gewinnen

Der zweite Ansatz erfordert weniger physische Infrastruktur, um die Wasserenergie nutzbar zu machen, und verwendet entweder elektrokinetische oder piezoelektrische Effekte, um die Bewegung des Wassers in Elektrizität umzuwandeln. Bei diesem Verfahren bildet sich eine elektrische Doppelschicht an der Grenzfläche zwischen einer geladenen festen Oberfläche und einer Flüssigkeit, wobei die elektrische Doppelschicht eine Diffusionsschicht mit vielen Gegenionen beinhaltet. Wird diese Diffusionsschicht einem externen Reiz ausgesetzt, verändert sie sich und erzeugt eine Bewegung zwischen der Flüssigkeit und dem Festkörper, die als elektrokinetischer Effekt bezeichnet wird.

Die Wechselwirkungen zwischen Wasser und Festkörpern können verschiedene elektrokinetische Effekte hervorrufen, z. B. durch die Zieh- und Spritzbewegungen von Regentropfen und durch die Einwirkung von Feuchtigkeit. Grundlage hierfür ist die Fähigkeit eines Materials, mit den Wassermolekülen in der Feuchtigkeit zu interagieren, wie dies bei einigen auf Graphen basierenden Folien der Fall ist. Dadurch eröffnen sich Möglichkeiten für den Einsatz von 2D-Materialien, um die Energie von Niederschlägen und Feuchtigkeit in der Atmosphäre nutzbar zu machen.

Verwendung von 2D-Materialien zur Energiegewinnung aus Wasser

Neben ihrer Vielseitigkeit und ihrer großen Anzahl eignen sich 2D-Materialien aufgrund vieler verschiedener Eigenschaften für diese Art der Energiegewinnung aus Wasser in geringerem Maßstab. Eine wesentliche Eigenschaft aller 2D-Materialien ist ihr sehr hohes Oberflächen-Volumen-Verhältnis von Atomen, das eine ausgezeichnete Grundlage für die Wechselwirkung mit Wassermolekülen bietet. Diese Eigenschaft lässt sich mit herkömmlichen, größeren Technologien und Materialien in der Regel nicht erreichen. Abgesehen von der großen Oberfläche gibt es 2D-Materialien – insbesondere Graphen-Derivate –, die eine verstärkte triboelektrische Wechselwirkung mit Wassermolekülen besitzen. Dadurch eignen sie sich hervorragend für Applikationen zur Energiegewinnung aus Wasser. Diese Eigenschaft lässt sich auch auf andere Arten von Energiegewinnungsanlagen übertragen, sowohl für kleine als auch für große Anlagen.

Im Vergleich zu anderen Materialien besitzen 2D-Materialien einige entscheidende und einzigartige Vorteile für die Gewinnung von osmotischer Energie. Aufgrund der großen Oberfläche der 2D-Materialien lassen sich semipermeable Membranen mit einer größeren Arbeitsoberfläche herstellen, als dies bei anderen Materialien der Fall ist. Zudem können 2D-Materialien auf verschiedene Weise funktionell gestaltet und angepasst werden, sodass beispielsweise viel größere Poren in der Membran erzeugt werden können, wodurch das Fouling der Membran reduziert wird.

Membranen aus 2D-Materialien haben bereits Leistungen gezeigt, die um mehrere Größenordnungen besser sind als die ihrer herkömmlichen Pendants. Durch die geringe Dicke von Membranen aus 2D-Materialien erhöht sich auch der Gradient der Ionenkonzentration im Gerät, was zu höheren Leistungsdichten führt. Bisher wurden mehrere osmotische Membranen unter Verwendung von Graphen und Graphenoxidderivaten, Übergangsmetall-Dichalcogeniden (wie Molybdändisulfid) und hexagonalem Bornitrid entwickelt.

Die Energiegewinnung aus der Bewegung von Wasser ist noch nicht so weit entwickelt. Das größte Potenzial liegt in diesem Bereich derzeit in der Nutzung der Energie von Niederschlägen. Der Aufprall eines Regentropfens auf eine geneigte Platte aus 2D-Material kann eine elektrische Spannung erzeugen. Dabei ist diese Spannung höher als die Zugkraft eines Regentropfens, da sich der Tropfen beim Aufprall auf einer Platte mit großer Oberfläche stark ausbreitet.

Die andere Möglichkeit zur Energiegewinnung ist die Nutzung der Feuchtigkeit, die in einigen elektronischen Geräten vorhanden sein kann. Aufgrund der Fähigkeit, mit Wasserdampf zu interagieren, wurden im Laufe der Jahre eine Reihe von Feuchtigkeitssensoren auf der Basis von 2D-Materialien (hauptsächlich Graphen-Derivate) entwickelt. Und nun kann diese Feuchtigkeit in Form eines Systems zur Energiegewinnung in eine elektrische Leistung umgewandelt werden. Es werden bereits mehrere auf Graphen basierende Feuchtigkeitsabsorber getestet, von denen einige in der Lage sind, Energie über eine Feuchtigkeitsschwankung von bis zu 90 Prozent nutzbar zu machen.

In den bereits entwickelten Systemen wird die Feuchtigkeit durch einen direkten Stromerzeugungsprozess umgewandelt, bei dem sich geladene Wasserstoffionen durch das 2D-Material bewegen und eine Leerlaufspannung erzeugen. In den letzten Jahren hat sich die Ausgangsleistung bereits von anfänglich 35 mV (in den frühen Entwicklungen) auf 1,5 V verbessert. Diese Membranen können auch zu größeren Einheiten zusammengesetzt werden und damit größere Mengen an Energie liefern. Zu den ehrgeizigen Anwendungsbereichen zählen beispielsweise Taschenrechner, LEDs, LCD-Displays und IoT-Geräte mit eigener Stromversorgung.

Fazit

Die Energiegewinnung aus Wasser in kleinem Maßstab ist vielleicht nicht so weit verbreitet wie die Energiegewinnung aus Wasser- und Gezeitenkraftwerken, aber sie bietet dennoch eine Möglichkeit, Energie nutzbar zu machen, die mit anderen Materialien und/oder herkömmlichen Energiegewinnungstechnologien nicht möglich wäre. Es ist vor allem die Kombination aus einer großen Oberfläche und ausgezeichneten Wechselwirkungseigenschaften, die den Einsatz von 2D-Materialien in diesen Arten von Energiegewinnungssystemen möglich macht. Die vielversprechendsten Anwendungsbereiche sind dabei die Gewinnung osmotischer Energie aus dem Salzgehalt an den Grenzflächen zwischen Meer und Fluss und die Nutzung von Wasserbewegungen, wie z. B. bei Niederschlägen.