Solenergilagringsløsninger: Effektiviteten øges med ‘mere end én størrelsesorden’ i konverteringsgennembrud

“Verdens kapacitet til at producere vedvarende elektricitet udvider sig hurtigere end på noget tidspunkt i de sidste tre årtier,” sagde International Energy Agency i en rapport offentliggjort tidligere i år.

Denne vækst, ifølge den parisbaserede autonome mellemstatslige organisation, giver “en reel chance for at nå” målet om at tredoble den globale kapacitet, som blev fastsat på COP28-klimakonferencen, inden udgangen af dette årti.

Vedvarende kapacitet er vokset betydeligt i løbet af det sidste årti, hvor solenergi spiller en stor rolle i dette. I 2023 producerede vedvarende kilder 30% af verdens elektricitet, og sol‑PV stod for tre fjerdedele af verdens nye tilføjelser af vedvarende kapacitet.

Dette giver mening, da omkostningerne ved solenergi fortsat falder og bliver billigere end kul. Ud over at tilbyde økonomiske fordele som omkostningssikkerhed over en længere periode, øger solenergi også robustheden og reducerer CO₂‑udledninger.

Men på trods af disse fordele og det faktum, at 50 % af den globale endelige energiforbrug anvendes til opvarmning, er brugen af solenergi stadig lav sammenlignet med fossile energikilder.

Dette skyldes, at solenergi har sine unikke begrænsninger, herunder utilgængelighed om natten, mens spidsbelastning typisk forekommer om aftenen. Derudover påvirker klimaændringer både efterspørgslen og udbuddet.

“Vi skal overveje, hvordan klimaændringer vil påvirke energisystemet som helhed, fordi ingen elproduktionssystem desværre er immune over for klimaændringernes påvirkninger.”

– Romany Webb, stedfortrædende direktør for Sabin Center for Climate Change Law ved Columbia Climate School

Når det gælder klimaeffekter, gør hyppigere hedebølger solpaneler mindre effektive, mens øget efterspørgsel efter køling belaster nettet og påvirker systemet negativt. Orkaner er faktisk blevet fundet at reducere fotovoltaisk produktion mellem 18 % og 60 %, mens tropiske cykloner kan sænke solstrålingen med 80 %. Ekstremt vejr som vindskader kan yderligere beskadige solenergiinfrastrukturen.

Alle disse begrænsninger betyder, at effektiv lagring af solenergi kan åbne op for en række muligheder.

Effektive lagringsløsninger muliggør lagring af overskydende strøm til spidsforbrug, når solen går ned. På den måde kan elektriske belastninger balanceres efter efterspørgsel og udbud og sikre en stabil energiflow.

Lagring af solenergi giver også beskyttelse under forstyrrende begivenheder som skovbrande, hvor energinetværket bliver sårbart over for strømafbrydelser.

Så, hvad er disse lagringsløsninger? De tilhører generelt tre hovedkategorier: batteri, mekanisk og termisk. Blandt disse er batterier, især lithium‑ion‑batterier, den mest almindelige og omkostningseffektive metode til lagring af solenergi.

Forskere kommer dog løbende med nye innovationer. En helt ny tilgang til indsamling og lagring af solenergi mere effektivt involverer brug af underudnyttede sensitiseringsstrategier.

Mer effektiv indsamling og lagring af solenergi

For at tackle det primære problem med begrænset global brug af solenergi — dens intermitterende direkte tilgængelighed — har forskere ved Johannes Gutenberg Universitet Mainz (JGU) og Universitetet i Siegen udviklet molekylære systemer til lagring af solenergi.

I modsætning til traditionelle termiske energilagringssystemer, der kun lagrer energi i korte perioder, kan molekylære solenergilagringssystemer lagre den i en længere periode, fra flere uger til måneder. Dette skyldes, at solenergi her lagres i form af kemiske bindinger.

Sådan fungerer molekylære solenergilagringssystemer: specialiserede molekyler eller fotoswitche absorberer først solenergien og frigiver den derefter som varme på efterspørgsel.

Selv dette system har sine udfordringer. Det centrale problem med at excitere fotoswitche er balancen mellem effektiv absorption af sollys og energilagringskapacitet. Dette begrænser den samlede ydeevne for molekylære solenergilagringssystemer.

Så gennemførte forskerholdet i Mainz og Siegen en undersøgelse for at overvinde dette problem ved hjælp af en ny tilgang.

Den nye klasse af fotoswitche blev oprindeligt introduceret i Siegen, som viste et utrolig energilagringspotentiale sammenlignet med traditionelle lithium‑ion‑batterier.

Den mest udbredte batterikemi, disse batterier involverer en eller flere lithium‑ion‑celler ud over et kredsløbskort. En lithium‑ion‑celle har elektroder, en anode, en katode, en elektrolyt der leder elektricitet, strømindsamlere og en separator. En fotoswitch er derimod et molekyle, der ændrer sin strukturelle geometri og kemiske egenskaber, når det udsættes for elektromagnetisk stråling.

Den nye fotoswitch, selvom den har et enestående energilagringspotentiale, var dens funktionalitet begrænset til aktivering af ultraviolet (UV) lys. UV‑lys har bølgelængder på 10‑400 nanometer og udgør kun en lille del af solspektrummet.

Så foreslog den seneste undersøgelse en indirekte lysindsamlingsmetode. Denne ligner den måde, lysindsamling fungerer i fotosyntese. Her indarbejdes en anden forbindelse, en sensitizer, der udviser fremragende synligt lysabsorptionskvaliteter. Ifølge professor Christoph Kerzig fra JGU’s kemiaafdeling, som ledede undersøgelsen sammen med ph.d.-studerende Till Zähringer:

“I denne tilgang absorberer sensitizeren lys og overfører derefter energi til fotoswitchen, som ikke kan blive direkte exciteret under disse forhold.”

Med denne nye tilgang har forskerholdene forbedret solenergilagringseffektiviteten med mere end en størrelsesorden. Dette store skridt fremad i energikonvertering åbner potentielle anvendelser både for husholdningsvarmeløsninger og stor‑skala energilagring.

Det Mainz‑baserede forskerhold udførte også grundige spektroskopiske analyser for at udforske det komplekse system og forstå den underliggende mekanisme.

At opnå en detaljeret forståelse af, hvordan systemet fungerer, vil hjælpe med at “skubbe grænsen for lysindsamling betydeligt,” sagde første forfatter Zähringer, og tilføjede, at det også kunne forbedre lysets konverteringseffektivitet til lagret kemisk energi.

Under driftsforhold kan hvert absorberet foton udløse en proces med dannelse af kemiske bindinger. Dette observeres sjældent i fotokemiske reaktioner som følge af flere energitabskanaler.

Forskere har med succes bekræftet systemets robusthed i praksis ved at cykle mellem energilagrings- og frigivelsestilstande mange gange ved brug af sollys, hvilket fremhæver systemets potentiale for anvendelser i den virkelige verden.

Seneste udviklinger inden for indsamling og lagring af solenergi

Givet den store rolle, solenergi spiller i den vedvarende energimix, har den fået stigende fokus blandt forskere, virksomheder og statslige initiativer, som forsøger at opnå en dybere forståelse af, hvordan det hele fungerer, og udvikle bedre løsninger til at indsamle energien og dens lagring.

Ny forskning fra NC State University har fokuseret på at give en dybere forståelse af hvad der sker i organiske celler, når sollys omdannes til elektricitet. For at visualisere grænsefladerne, hvor lysenergi omdannes til elektriske ladninger, udviklede forskerne en ny metode, scanning‑probe mikroskopi, og brugte den til at forbedre solcelleeffektiviteten.

Fremstillet af kulstofbaserede polymermaterialer har organiske solceller potentiale til at blive brugt til fleksible og letvægts solapplikationer samt semi‑ eller fuldt gennemsigtige vinduesapplikationer, men de er ikke så effektive som perovskite‑ eller silicium‑solteknologier til at omdanne lys til elektricitet.

Dette skyldes, at disse celler er lavet af en blanding af to materialer; den ene indsamler elektroner (donor), men skal derefter interagere med den anden for at overføre dem (acceptor), og grænsefladerne mellem de to er ansvarlige for et spændingstab, hvilket begrænser effektiviteten af organiske solceller.

Den seneste undersøgelse fandt, at både energidifferentialet mellem de sammensatte donor‑ og acceptormaterialer samt energiskorruption langs grænsefladerne driver spændingstabet.

Ifølge medforfatter Aram Amassian, professor i materialvidenskab og -ingeniørkunst ved NC State University, reducerer valg af materialer med minimale energiforskydninger spændingstab. Opløsningsmidler og bearbejdningsparametre, der mindsker grænsefladeforstyrrelser, kan yderligere reducere energitab.

En anden nylig undersøgelse påtog sig opgaven at pålideligt estimere kapaciteten af husholdningsenergihåndteringssystemer for at få en idé om den fremtidige udrulning af effektive bolig‑PV‑systemer.

Til dette introducerede forskerne en skalerbar kapacitetsestimeringsteknik, som involverer tre nøgletrin: at bestemme, hvornår et lagringssystem er fuldt udnyttet og hvornår det er tomt, samt at beregne kapaciteten mellem disse to tilstande.

Den blev derefter brugt til at måle 21 lithium‑ion‑batteribaserede systemer i private husholdninger i Tyskland over otte år. Analysen afslørede, at systemerne i gennemsnit mistede 2‑3 % af deres kapacitet årligt.

Bemærkelsesværdigt kan metoden anvendes af producenter og solenergi‑virksomheder til at estimere kapaciteten af deres energilagringssystemer. Desuden offentliggjorde forskerne et omfattende datasæt, som omfatter 14 milliarder datapunkter fra over 100 år, der kan bruges til at udføre yderligere studier eller træne beregningsmodeller.

Tidligere i år, i juni, udviklede forskere også en innovativ lysindsamlingssystem, der kan “absorbere en stor mængde lysenergi i et relativt tyndt lag“, meget lig naturlige lysindsamlingssystemer.

Ved at have en båndstruktur, der ligner uorganiske halvledere, kan den absorbere lys panchromatisk over hele det synlige spektrum, mens brugen af høje absorptionskoefficienter fra organiske farvestoffer gør det muligt at absorbere meget energi.

Systemet har fire forskellige merocyanin‑farvestoffer, som er foldet og stablet tæt sammen, hvilket muliggør ultrahurtig og effektiv energitransport inden i det. Systemet er blevet fundet i stand til at konvertere 38 % af den bestrålede lysenergi.

For effektiv lagring af solenergi og reduktion af konverteringstab samledes forskere fra hele verden også tidligere i år for at undersøge dynamikken i foto‑ og elektrokemisk transformation for at designe et bedre egnet molekyle til de ønskede funktioner.

Forskerne undersøger norbornadien til dette, som er en hydrokarbonisomer med to molekylære ringe, og når den udsættes for UV‑lys, konverteres den til en mere stærkt spændt quadricyclan.

Da den rene energitæthed af norbornadien‑quadricyclan‑systemet er sammenlignelig med et lithium‑ion‑batteri, kan pålidelig kontrol af dets omvendte konversion opnå et effektivt solmodul, som også er egnet til at lagre elektricitet.

Fokus på hydrokarbonmolekyler tilbyder en omkostningseffektiv metode, der ikke kræver sjældne metaller og som let kan genanvendes eller bortskaffes. Alle disse nylige udviklinger i sektoren er et bevis på det stigende fokus på at øge adoptionen af solenergi globalt.

Virksomheder, der er positioneret til at drage fordel af fremskridtet

Nu vil vi se på to af de mest fremtrædende navne, der kan drage fordel af eller tilbyde et sådant molekylært solenergilagringssystem. Disse to navne er NextEra Energy, Inc. (NEE ) og Enphase Energy, Inc. (ENPH ), som begge er amerikanske virksomheder og aktivt involveret i vedvarende energi.

1. NextEra Energy (NEE )

Kendt for sine investeringer i vedvarende energiteknologier, kan NextEra Energy drage fordel af sådan teknologi med hensyn til lagringseffektivitet.

Med en markedsværdi på 161 milliarder dollars handles NextEra-aktier i øjeblikket til 78,37 $, op over 29 % i år indtil nu. Virksomheden har en EPS (TTM) på 3,37 og en P/E (TTM) på 23,24, mens den betaler et udbytte på 2,63 %.

Energoinfrastrukturvirksomheden rapporterede for nylig resultaterne for 3Q24, hvilket afslørede, at nettoindkomsten sprang til 1,85 milliarder dollars, sammenlignet med 1,29 milliarder dollars i Q3 2023. Justeret indtjening pr. aktie steg derimod med 10 % år‑over‑år. Disse resultater viser ifølge CEO John Ketchum “fortsat solid finansiel og operationel præstation.”

Imens havde NextEra Energy‑ejede Florida Power & Light Company (FPL) en nettoindkomst på 1,29 milliarder dollars, mens deres kapitaludgifter var 2 milliarder dollars, og reguleret kapital anvendt steg med 9,5 % år‑over‑år. Når han talte om, at deres floridanske kunder blev påvirket af orkanerne Helene og Milton, bemærkede Ketchum, at FPL’s “investeringer i forstærkning og smart‑grid‑teknologi forhindrede hundredtusinder af strømafbrydelser.

Nu har NextEra Energy Resources, for andet kvartal i træk, tilføjet omkring 3 gigawatt nye vedvarende energiprojekter og lagringsprojekter til deres pipeline. De annoncerede også aftaler med to Fortune‑50‑kunder om udvikling af vedvarende energiprojekter og lagring, i alt op til 10,5 gigawatt inden 2030.

“Den fortsatte stærke præstation af vores forretninger samt vores skala, erfaring og teknologi vil gøre os i stand til at udnytte den mulighed, som den stigende efterspørgsel efter strøm bringer til vores sektor.”

– Ketchum, NextEra Energy CEO

I sidste uge indgik den førende ren energi‑virksomhed en aftale om at sælge aktieenheder for 1,5 milliarder dollars til store finansielle institutioner, herunder Goldman Sachs (GS ), J.P. Morgan og Mizuho. Midlerne vil blive brugt til investeringer i AI‑relaterede energi‑ og kraftprojekter og til at tilbagebetale deres udestående kommercielle papirer.

Da AI‑mani fører til stigende efterspørgsel efter strøm fra AI‑datacentre, og virksomheden fokuserer på at udvide sin forretning inden for vedvarende energi, gennemfører NextEra Energy også studier og har drøftelser med føderale regulatorer om genstart af Duane Arnold atomkraftværk i Iowa.

2. Enphase Energy, Inc. (ENPH )

Specialiseret i solcelleinvertere og lagring, kan Enphase Energy også potentielt udvide til at inkludere innovativ molekylær lagring, hvis den er kommercielt levedygtig, for at forbedre energiresiliens og -effektivitet for sine forbrugere.

Med en markedsværdi på 11,8 milliarder dollars handles Enphase-aktier i øjeblikket til 87,46 $, ned 33,87 % i år. Virksomheden har en EPS (TTM) på 0,44 og en P/E (TTM) på 198,82. For Q3 2024 rapporterede det globale energiteknologifirma en omsætning på 380,9 millioner dollars og en non‑GAAP bruttoavance på 48,1 %. I denne periode sendte Enphase mere end 1,73 millioner mikro‑invertere og 172,9 MWh batterier.

Verdens førende leverandør af mikro‑inverter‑baserede sol‑ og batterisystemer afsluttede kvartalet med 161,6 millioner dollars i fri pengestrøm, mens kontanter, kontantekvivalenter og omsættelige værdipapirer udgjorde 1,77 milliarder dollars.

I denne periode lancerede Enphase AI‑baseret software til at optimere energiforbruget ved at integrere sol‑ og forbrugsprognoser med el‑tariffer for at hjælpe forbrugerne med at maksimere besparelser.

I oktober begyndte virksomheden at sende IQ8™‑mikro‑invertere for at understøtte nyere, højtydende solpaneler i udvalgte lande, udvidede sin støtte til net‑tjenesteprogrammer (eller virtuelle kraftværker) i udvalgte amerikanske stater, og lancerede IQ8X‑mikro‑invertere med den længste standardboliggaranti på 25 år i Australien.

I de to måneder forinden lancerede den sit mest kraftfulde Enphase Energy System til dato, annoncerede en løsning til udvidelse af ældre net‑energimåling (NEM) solenergisystemer i Californien uden straf, lancerede NACS‑stik til IQ‑EV‑ladere, og sendte IQ8‑mikro‑invertere for at understøtte nyere, højtydende solmoduler i udvalgte lande i hele Europa. Den introducerede også IQ Energy Management for at muliggøre støtte til dynamiske el‑tariffer og integration af tredjeparts‑EV‑ladere og varmepumper i Holland.

Virksomheden forbereder nu lanceringen af den 2. generation IQ®‑EV‑lader, den 3‑fase IQ‑batteri med backup, og IQ®‑Balcony‑Solar‑Kit til det europæiske marked, mens deres fjerde‑generations energisystem, med IQ®‑Meter‑Collar, 10 kWh IQ‑batteri og forbedret IQ®‑Combiner, vil debutere i USA tidligt næste år.

Samlet set faldt Enphases salg i Europa med 15 % fra Q2 på grund af “yderligere svækkelse i europæisk efterspørgsel,” mens lageret, der vendte tilbage til normale niveauer, fik deres amerikanske omsætning til at stige med 43 % sekventielt.

Konklusion

Midt i den globale indsats for vedvarende energi er solenergi fremstået som en fremtrædende aktør, der tilbyder en ren og rigelig løsning. Dog påvirkes den globale adoption af faktorer som omkostninger, mere effektive løsninger og mangel på infrastruktur, blandt andre.

Seneste fremskridt, der spænder fra molekylær solenergilagring til innovationer inden for organiske solceller, giver stort potentiale for at gøre solenergi mere effektiv, hjælpe med at imødekomme den globale energiefterspørgsel, selv under ugunstige forhold, og bane vejen for en bæredygtig fremtid.

Klik her for en liste over de bedste solenergiaktier.