Jagten på bæredygtig energi fører til utraditionelle opdagelser

Den globale energiforbrug stiger i et accelereret tempo. I 2023 var denne vækst på 2,2%, sammenlignet med et gennemsnit på 1,5% om året mellem 2010 og 2019.

Denne hurtigere hastighed af energiforbrug er primært drevet af Kina, som med +6,6% var dobbelt så højt som gennemsnittet for 2010-2019. Andre bidragydere inkluderer Indien, Iran, Brasilien, De Forenede Arabiske Emirater, Algeriet, Vietnam og Indonesien. I kontrast faldt energiforbruget i Japan, Sydkorea, Sydafrika og EU, mens det forblev stabilt i USA.

Samlet set er det globale energiforbrug steget med omkring en tredjedel siden år 2000. Det anslås i øjeblikket til 580 millioner terajoule, dette årlige globale energiforbrug er yderligere forventet at nå 740 millioner terajoule inden 2040.

Den mest bekymrende del er dog, at den overvældende største del af denne energi—83%—kommer fra fossile brændstoffer, hvor olie er den største energikilde, efterfulgt af kul og naturgas, som udleder enorme mængder CO2 i atmosfæren.

Dette kræver et akut behov for at innovere inden for grøn energi. Mens vedvarende energi forventes at vokse, er denne stigning kun 4 procent, hvilket bringer den til 6% af den globale primære energiforbrug.

Så, på baggrund af dette globale behov for at omforme energisystemet, er solenergi dukket op som en potentiel spilskifter. Dette skyldes, at den energi, som solen genererer, har potentialet til at forsyne hele verden og mere.

Jorden har kun brug for et par timers solenergi for at give hele verden den energi, den har brug for i et helt år. 

Det er også den reneste og mest rigelige vedvarende energikilde, der findes. Desuden har den fordelen at afkarbonisere, reducere energiomkostninger, have en meget lavere miljøpåvirkning og tilbyde større energiadgang og -sikkerhed.

Selvfølgelig er der flere udfordringer forbundet med at udnytte solenergi; ellers ville vi allerede bruge den i stor stil. Ud over den primære udfordring med solens uregelmæssighed, da solen ikke skinner hele dagen, er der yderligere udfordringer relateret til placering, lagringsløsninger og den teknologi, der kræves for at udnytte denne energi.

Når det gælder udnyttelse af solenergi, er der flere måder at indfange solstråling og omdanne den til energi. 

En metode er at bruge aktiv solenergi, som involverer brug af elektriske eller mekaniske enheder til aktivt at omdanne solenergi til en anden energiform. Dette opnås gennem fotovoltaik (PV) eller koncentreret solenergi (CSP).

I PV omdannes sollys til elektricitet ved hjælp af halvledermaterialer, der udviser den fotovoltaiske effekt. PV-teknologi er mere almindeligt kendt som solpaneler, som er en samling af solceller, hvor hver indeholder en halvleder, der skaber en elektrisk strøm ved at absorbere sollys.

I CSP fokuserer linser og spejle sollys fra et stort område til et meget mindre område for at generere elektricitet. Solovne, som omfatter forskellige typer, herunder solkrafttårne og paraboliske kanaler, er et eksempel på koncentreret solenergi.

En anden metode er at bruge passiv solenergi, som ikke anvender eksterne enheder, men udnytter det lokale klima. For eksempel er design af en bygning for at opnå ønskelige mængder sollys og konstruktion af bygninger med termisk isolering eksempler på denne metode. Andre eksempler inkluderer kølige tage og grønne tage.

Dette er dog ikke slutningen på teknikker til udnyttelse af solenergi. Givet dets enorme potentiale udforsker forskere altid nye måder at indfange solenergi og omdanne den til brugbar energi, samt at gøre den omkostningseffektiv og mere effektiv, så den faktisk kan være nyttig i vores daglige liv. 

Generering af solenergi fra telefoner og biler  

Forskere fra Oxford University har for nylig gjort en interessant udvikling inden for solenergi-teknologi. Under denne teknologi kan solenergi genereres fra overfladerne af biler og mobiltelefoner.

Kilde: Oxford University

Ja, du hørte rigtigt: i stedet for at installere rækker af siliciumbaserede solpaneler, kan man generere stigende mængder solenergi blot gennem hverdagsgenstande.

Denne innovation muliggøres af et nyt energigenererende materiale, der er belagt på overfladerne af disse genstande. Det lysabsorberende materiale er tyndt og fleksibelt nok til at kunne påføres næsten enhver overflade. Denne revolutionerende tilgang involverer at stable flere lysabsorberende lag i en enkelt solcelle. 

Til dette har forskere fra fysikafdelingen på Oxford University banet vejen for en teknik, der gør dem i stand til at udnytte et bredere spektrum af lys, hvilket genererer mere energi fra den samme mængde sollys.

Materialet, tyndfilm-perovskit, er også uafhængigt certificeret af National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) i Japan til at levere mere end 27% energieffektivitet. Disse tal svarer til ydeevnen for silicium-fotovoltaik, som er traditionelle, enkeltlagede energigenererende materialer.

Ifølge forskerne har de efter kun fem års eksperimenter med den multi-junction eller stablede tilgang øget den samlede konverteringseffektivitet med cirka 21%. Dette betyder, at fra en indledende effektivitet på omkring 6% kan de nu konvertere over 22% af energien fra sollyset.

Med materialet, der allerede nærmer sig grænserne for, hvad nutidens enkeltlagede fotovoltaik kan opnå, sagde Dr Shuaifeng Hu, postdoc-fellow ved Oxford:

“(Deres teknik) kan gøre det muligt for fotovoltaiske enheder at opnå langt større effektivitet, over 45% (i fremtiden).”

Udover energieffektivitet er materialets alsidighed en anden afgørende faktor. Materialet er ultratyndt, kun lidt over en mikron (0,001 mm) tykt, hvilket gør det næsten 150 gange tyndere end en siliciumskive. Siliciumskiver har generelt en tykkelse mellem 0,5 mm og 400 mikron (0,4 mm), mens intervallet 2 til 25 mikron anvendes til specifikke videnskabelige formål.

Denne tyndhed af det nye materiale betyder, at det kan påføres ikke kun enhver almindelig genstand og bygning, men i princippet på næsten enhver overflade, i modsætning til eksisterende fotovoltaik.

Ved at bruge de nye materialer til belægning bemærkede Dr Junke Wang:

“(De har) vist, at vi kan reproducere og overgå silicium, samtidig med at vi opnår fleksibilitet. Dette er vigtigt, fordi det lover mere solenergi uden behov for så mange siliciumbaserede paneler eller specielt byggede solfarme.”

Denne nye tilgang forventes at gøre solenergi til den mest bæredygtige form for vedvarende energi og yderligere reducere omkostningerne, som allerede er faldet med op til 90% i løbet af de sidste 14 år.

Ifølge World Economic Forum kostede det i 2010 i gennemsnit $378 uden nogen subsidier at generere en megawatt-time elektricitet fra solfotovoltaik, hvilket faldt til kun $68 i 2019. Solenergi er nu billigere end kul og atomkraft og næsten lige så økonomisk effektiv som landbaseret vind. Mens vindenergi også har set en prisnedgang i denne periode, har atomkraft og kul enten steget eller kun oplevet et lille fald.

Nu lover innovationer som tyndfilm-perovskit yderligere omkostningsbesparelser ved at reducere behovet for siliciumpaneler og specialbyggede solfarme.

Ifølge forskerne kan denne seneste innovation blive sin egen industri, der fremstiller materialer og genererer solenergi billigt og bæredygtigt ved at bruge eksisterende genstande. 

‘Artificial Leaf’ til at producere ren brændstof

Forskere gør ikke kun det muligt at generere solenergi billigt ved hjælp af hverdagsgenstande, men de omprogrammerer også fotosyntesen og dermed revolutionerer, hvordan vi producerer ren brændstof.

I 2019 satte forskere fra University of Cambridge en ny standard, da de med succes havde en kunstig blad, der skabte syntetisk gas (syngas) blot ved at bruge sollys, kuldioxid og vand. 

Kilde: Cambridge University

Syngas er en gas fremstillet fra fossile brændstoffer, en blanding af brint og kulilte, og bruges til at skabe plast, farmaceutiske produkter, brændstoffer og gødning. Da vi er vant til at producere produkter, som vi forbruger hver dag, er det afgørende, at vi finder måder at “producere den bæredygtigt” på.

Her kommer den kunstige blad, som er en CO2-neutral enhed drevet af sollys, der ikke udleder CO2 til atmosfæren. Desuden fungerer den kunstige blad effektivt selv på overskyede og skyede dage, selvom den drives af sollys.

Inspireret af fotosyntese, en naturlig proces hvor planter bruger sollys til at omdanne kuldioxid og vand til føde, kombinerede forskerne to lysabsorbere på den kunstige blad med en koboltkatalysator. Når den er nedsænket i vand, producerer den ene absorber ilt med katalysatorens hjælp, mens den anden udfører den kemiske reaktion, hvor vand og CO2 reduceres til brint og kulilte, som danner syngas.

Da lysabsorbererne fungerer selv ved lavt sollys, kan denne teknologi anvendes hele dagen og overalt i verden.

Mens andre kunstige blad-enheder er blevet udviklet, bemærkede Cambridge-forskerne, at de kun producerer brint, i modsætning til deres egen enhed, som kan producere syngas på grund af kombinationen af materialer og katalysatorer, de anvendte.

Materialet, der blev brugt til den molekylære katalysator, var kobolt, som er billigere, rigeligt tilgængeligt og bedre til at producere kulilte end andre katalysatorer som platin eller sølv.

I mellemtiden blev deres lysabsorbere fremstillet af perovskit i stedet for silicium eller farvesensitivt materiale. Perovskit-lysabsorbere leverede en høj fotovoltage og elektrisk strøm til at drive den kemiske reaktion, som reducerede CO2 til CO.

Det næste skridt efter syngas er at udvikle et bæredygtigt flydende brændstof som erstatning for benzin. I stedet for at fremstille syngas og derefter omdanne dem til flydende brændstof, sigter undersøgelsen på at fremstille flydende brændstof direkte fra kuldioxid og vand.

Da elektricitet kun kan dække en brøkdel af den samlede globale energiefterspørgsel, kan syntetisk benzin være en vigtig udvikling, sagde seniorforfatter professor Erwin Reisner fra kemiafdelingen på Cambridge, og bemærkede den “store efterspørgsel efter flydende brændstoffer til at drive tung transport, skibsfart og luftfart på en bæredygtig måde”.

I de sidste par år har Reisner arbejdet med sin gruppe på at udvikle et nyt kunstigt blad, der straks kan producere ren ethanol og propanol uden først at producere syngas. Dette er opnået ved at udvikle en kobber- og palladiumbaseret katalysator.

Papirets første forfatter, Dr Motiar Rahaman, sagde:

“(At kunne) producere et praktisk flydende brændstof kun ved hjælp af solens kraft” (gør dette) til et spændende fremskridt, der åbner helt nye veje i vores arbejde.

For nu er enheden kun et bevis på konceptet. Forskerne arbejder på at optimere bladene for bedre at absorbere sollys, forfine katalysatoren for at omdanne mere sollys til brændstof, og i sidste ende gøre enheden skalerbar til at producere store mængder brændstof.

Professor Reisner blev faktisk tildelt en Royal Academy of Engineering Chair i Emerging Technologies tidligere i år. Den £2,5 millioner store pris vil gøre det muligt for hans team at lette overgangen fra laboratorium til marked for solkemiske teknologier.

Mens Reisner-teamet arbejder på at gøre deres produkt skalerbart, udgav Yimin Wu, en ingeniørprofessor ved University of Waterloo, et andet papir på samme tid som syngas-forskningen. Dette papir skabte også et ‘kunstigt blad’, der billigt omdannede skadelig CO2 til et nyttigt alternativt brændstof.

Igen, inspireret af fotosynteseprocessen, producerede det kunstige blad methanol og ilt, i modsætning til den naturlige blad, som producerer glukose og ilt. 

Den vigtigste ingrediens her var cuprous oxide, et optimeret rødt pulver, som blev designet til at have partikler med otte sider. Det var resultatet af at tilsætte kobberacetat, glukose, natriumdodecyl og natriumhydroxid til vand opvarmet til en specifik temperatur. 

Når det blandes med vand og udsættes for CO2, fungerer det som en udløser for en anden kemisk reaktion, der producerer ilt og omdanner CO2 til methanol. En solsimulator blev brugt til at sende hvidt lys. Efterhånden som opløsningen blev opvarmet, samlede reaktionen methanol, som fordampe.

Quantum Dots til at skabe dobbeltlags solvinduer

En anden udvikling inden for dette område har været kvanteprikker, som er små halvlederpartikler i størrelsesordenen 2-10 nanometer. Deres lille størrelse giver dem unikke elektroniske og optiske egenskaber, hvilket gør dem alsidige.

I forskning ved Los Alamos National Laboratory blev kvanteprikker indlejret i vinduesglas for at generere elektricitet. Disse ‘designer’-kvanteprikker absorberer sollys og omdanner det til energi uden at påvirke vinduernes gennemsigtighed. 

Denne innovation gør det i bund og grund muligt for hele bygninger at blive solenergi-generatorer uden at skulle bruge traditionelle solpaneler, som er dyre og optager meget plads.

Kilde: Los Alamos National Laboratory

Ifølge hovedforsker Victor Klimov giver kvanteprik-baserede dobbeltlagsvinduer en ny tilgang til at reducere omkostninger takket være den stærke ydeevne, der kan opnås med disse ‘lavpris, løsningsbaserede materialer.’

Denne nye metode erstatter ikke den nuværende PV-teknologi. Effektive sollys-samlere tilføjes simpelthen til de eksisterende solpaneler. De kan også integreres som semitransparente vinduer i en bygnings arkitektur.

Mens nuværende fotovoltaiske paneler opnår en effektivitet på omkring 25%, tilbyder kvanteprikker potentialet til at overgå dette ved at bruge bærer-multiplikation.

Et typisk fotovoltaisk solpanel absorberer en foton af lys og frigiver en elektron, som bliver til energi. Gennem bærer-multiplikation og indarbejdning af magnetiske manganioner producerer kvanteprik-baserede solpaneler dog mere end to elektroner for hver foton, de absorberer.

Men i kernen af denne tekniske fremskridt ligger ‘solspektrum-splitning’, som adskiller behandlingen af høj- og lavenergi solfotoner.

Dette blev opnået ved at indarbejde manganioner i kvanteprikker som stærkt emitterende urenheder. Når kvanteprikker absorberer lys, aktiveres urenhederne, hvilket får manganionerne til at udsende lys ved energier under kvanteprikkernes absorptionsgrænse.

Nu, for at omdanne et vindue til en tandem-luminescerende sollys-samler, pålægger forskerne et lag af kvanteprikker dopet med stærkt emitterende mangan på overfladen af den forreste glasrude. Samtidig blev et lag af kvanteprikker med kobberindiumselenid pålagt på bagsiden af ruden.

På denne måde absorberer det forreste lag de synlige blå og ultraviolette dele af solspektrummet, mens det nederste lag opfanger resten. Når de er absorberet, udsender kvanteprikkerne fotoner igen ved en længere bølgelængde. Det genudsendte lys ledes ved total intern refleksion til vinduets glaskanter, hvor de integrerede solceller indsamler lyset og omdanner det til elektricitet.

Derudover undersøger Klimovs team også, hvordan kvanteprikker kan bruges til at producere ammoniak, som udgør over 2% af den globale energianvendelse. I denne specifikke anvendelse bruger de kvanteprikker og sollys til at generere ‘frie elektroner’ i stedet for lys via fotoemission.

Lad os nu se på to store virksomheder inden for solenergiområdet.

#1. NextEra Energy

Bredt kendt som en leder inden for vedvarende energi, rapporterede NextEra Energy (NEE ) en nettoindtægt på $552 millioner og en justeret indkomst på $865 millioner i Q2 2024.

De tilføjede 3 GW til deres kapacitet for vedvarende energi, inklusive betydelige soludviklinger, og forudser en stigende indtjeningskurve frem til 2027 med forventning om, at justeret indtjening per aktie stiger årligt.

#2. First Solar

First Solar (FSLR ) specialiserer sig i fremstilling af solpaneler og leverer omfattende fotovoltaiske kraftværkstjenester. Deres innovative brug af tyndfilm-halvlederteknologi adskiller dem i solenergiindustrien.

Finansielt rapporterede First Solar en omsætning på $3,56 milliarder og en nettoindtægt på $1,02 milliarder i det sidste regnskabsår. Deres fokus på bæredygtig teknologi og international markedsudvidelse understreger deres strategiske position i solsektoren.​

Konklusion

Disse seneste innovationer markerer et stort og vigtigt skridt fremad i realiseringen af den fulde potentiale for solenergi. Solenergi er en ren og vedvarende ressource, der tilbyder et kraftfuldt alternativ til fossile brændstoffer, som forurener miljøet.

Med den globale energiefterspørgsel forventet at stige i det kommende år og bæredygtig solenergi tilgængelig i overflod, er det afgørende at udnytte denne ubegrænsede kilde til ren energi. Solenergi udgør dog i øjeblikket kun en meget lav (enkelt) procentdel af den samlede globale elproduktion fra alle kilder. Dette understreger det akutte behov for kontinuerlig forskning, udvikling og samarbejde mellem regering og organisationer for virkelig at drive solenergiens anvendelse fremad og forsyne hele verden.

Klik her for en liste over de bedste solenergiaktier.