Energie
Nachtsolar – Wie thermoradiative Dioden bald den Bedarf an Batterien eliminieren könnten
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Eine der reichlichsten und natürlichsten Energiequellen, die wir haben, ist Solarenergie. Jeden Tag geht die Sonne auf und strahlt ihr Licht auf uns, wobei sie uns Wärme und Strom liefert.
Selbst abgelegene, entlegene und ländliche Gebiete können diese Energiequelle nutzen, da die meisten Regionen unseres Planeten zumindest teilweise Sonnenlicht erhalten. Es ist nicht einmal nötig, einen großen Teil dieser unerschöpflichen Quelle zu nutzen; weniger als 10 % der Solarenergie reichen aus, um den globalen Energiebedarf zu decken.
Als erneuerbare Energiequelle erzeugt sie keine schädlichen Treibhausgasemissionen und ist gleichzeitig gut für das Stromnetz und Batterien geeignet.
Die Nutzung von Sonnenlicht ist nicht völlig neu. Menschen setzten bereits im 7. Jahrhundert v. Chr. Sonnenlicht ein, um Feuer zu entzünden, indem sie die Strahlen der Sonne auf glänzende Gegenstände reflektierten.
Durch technologische Fortschritte ist das Einfangen von Sonnenlicht zur Stromerzeugung und anschließende Speicherung für die spätere Nutzung jedoch hoch effizient geworden.
Solare Technologien erfassen elektromagnetische Strahlung, also das vom Sonnenlicht ausgestrahlte Licht, und wandeln sie in nutzbare Energieformen um. Zwei Hauptarten von Solartechnologien sind Photovoltaik (PV), die in Solarmodulen verwendet wird, und konzentrierende solarthermische Kraft (CSP).
Solarpaneele sind derzeit das beliebteste Mittel, um Strom aus Solarenergie zu erzeugen. PV-Module haben eine Nutzungsdauer von 20–25 Jahren, und nach der Installation ist nur ein geringer Wartungsaufwand nötig, abgesehen von gelegentlicher Reinigung.
Sie bestehen meist aus einem Halbleitermaterial wie Silizium; wenn das Material Sonnenphotonen ausgesetzt wird, werden Elektronen freigesetzt und eine elektrische Ladung erzeugt. Diese Ladung erzeugt einen elektrischen Strom, der von den Solarpaneelen aufgenommen wird, und ein Wechselrichter wandelt ihn in Wechselstrom (AC) um, der dann Ihre Geräte versorgt.
Der photovoltaische (PV)-Effekt wurde bereits 1839 entdeckt, als der französische Physiker Edmond Becquerel mit einer Zelle aus Metallelektroden in einer leitenden Lösung experimentierte und feststellte, dass die Zelle bei Lichteinwirkung mehr Strom erzeugt.
1954 wurde die PV‑Technologie mit der Entwicklung der Silizium‑PV‑Zelle geboren, die die Sonnenenergie absorbieren und in Strom umwandeln konnte, um alltägliche elektrische Geräte zu betreiben.
Heute sind Solarsysteme nicht nur in Häusern und Unternehmen integriert, sondern haben sich zu einem wichtigen Mix erneuerbarer Energiequellen für die Stromversorgung entwickelt.
Solarenergie hat tatsächlich das Potenzial, den Stromverbrauch erheblich zu senken, durch Kombination mit Speicherlösungen Notstrom zu erzeugen, zu einem resilienten Stromnetz beizutragen, sowohl in kleinen als auch in großen Maßstäben mit ähnlicher Effizienz zu arbeiten und Arbeitsplätze zu schaffen sowie das Wirtschaftswachstum anzukurbeln.
Gleichzeitig gibt es neben den offensichtlichen Hardwarekosten auch weiche Kosten wie Genehmigungen, Finanzierung und Installation von Solaranlagen sowie weitere betriebliche Ausgaben solcher Unternehmen, die den Preis von Solarenergie beeinflussen.
Obwohl Solarenergie enorme Vorteile bietet, bleibt die Herausforderung der Intermittenz bestehen. Die verfügbare Sonneneinstrahlung variiert schließlich nach Zeit, Ort und Jahreszeit.
Photovoltaik erzeugt beispielsweise hauptsächlich zur Mittagszeit, wenn die Sonne am stärksten scheint. Während effizientere und zuverlässigere Speichersysteme es uns ermöglichen, diese Energiequelle den ganzen Tag über zu nutzen, selbst wenn die Sonne untergegangen ist oder es bewölkt ist, suchen Forscher nach noch besseren Alternativen.
Im Jahr 2022 erzielten Forscher der University of New South Wales (UNSW) einen bedeutenden Durchbruch in diesem Bereich, der es ihnen ermöglichte, Strom aus Solarenergie sogar während der Nacht zu erzeugen. Diese Technologie wird nun ins All gebracht.
Solarenergie in der Nacht
Vor etwa zwei Jahren, im Mai, erzielte ein UNSW‑Team diesen bedeutenden Durchbruch in der erneuerbaren Energietechnologie, indem es Strom aus Solarenergie in der Nacht erzeugte.
Das Forscherteam der School of Photovoltaic and Renewable Energy Engineering (SPREE) erzeugte Strom aus der von der Erde abgegebenen Wärme in Form von Infrarotlicht (IL), ähnlich wie die Erde nachts durch Strahlung ins All abkühlt.
Dafür entwickelte das Team ein Halbleiterbauelement, das als thermoradiative Diode bezeichnet wird. Eine Diode ist ein Halbleiterbauelement, das Strom in eine Richtung fließen lässt und in die andere Richtung blockiert. Sie wandeln Wechselstrom (AC) in pulsierenden Gleichstrom (DC) um.
Eine thermoradiative Diode (TRD) erzeugt hingegen Strom, indem sie IL abstrahlt. Sie kann aus jeder warmen Oberfläche Energie gewinnen und damit Solarenergie in der Nacht bereitstellen. Die vom Team entwickelte thermoradiative Diode bestand aus Materialien, die in Nachtsichtgeräten (NV) verwendet werden, um Strom aus dem abgestrahlten Infrarotlicht zu erzeugen.
Was die Leistungskapazität betrifft, war sie sehr gering – etwa 100.000‑mal weniger als die von einem Solarpanel bereitgestellte Leistung. Trotzdem glaubten die Forscher, dass das Ergebnis künftig verbessert werden könne. Laut Teamleiter Associate Professor Ned Ekins‑Daukes:
Wir haben einen eindeutigen Nachweis für elektrische Leistung aus einer thermoradiativen Diode erbracht.
Er erklärte, dass wir mit Wärmebildkameras die Strahlungsmenge in der Nacht sehen können. Diese ist jedoch nur im Infrarotbereich (elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen zwischen 760 nm und 100.000 nm) und nicht im sichtbaren Wellenlängenbereich (zwischen 380 nm und 780 nm) vorhanden. Daher entwickelte das Team ein Gerät, das „elektrische Leistung aus der Emission von infraroter Wärmestrahlung erzeugen kann“.
Letztlich nutzt der Prozess weiterhin Solarenergie, sagte Professor Ekins‑Daukes. Tagsüber trifft Sonnenlicht auf unseren Planeten und erwärmt ihn. Dieselbe Energie strahlt nachts in Form von Infrarotlicht zurück in den weiten, kalten Weltraum. Das Konzept einer strahlenden Diode nutzt diesen Vorgang, den das Team nachweislich zur Stromerzeugung einsetzt.
Wann immer Energie fließt, können wir sie in verschiedene Formen umwandeln.
– Teamleiter Professor Ekins‑Daukes
Während wir den künstlichen Prozess der Photovoltaik für die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Strom entwickelten, wird beim thermoradiativen Prozess die im Infrarotbereich von einer warmen Erde fließende Energie in das kalte Universum umgeleitet.
Ähnlich wie eine Solarzelle durch Absorption von Sonnenlicht Strom erzeugt, erzeugt die thermoradiative Diode Strom, indem sie Infrarotlicht in eine kältere Umgebung abstrahlt.
In beiden Fällen ist der Temperaturunterschied das, was uns die Stromerzeugung ermöglicht.
– Die Mitautorin des Papiers, Dr. Phoebe Pearce
Was zuvor ein theoretischer Prozess war, wurde vom Team praktisch umgesetzt, um zu bestätigen, dass in Zukunft spezialisierte und deutlich effizientere Geräte entwickelt werden können, die die Energie in viel größerem Maßstab einfangen.
Prof. Ekins‑Daukes verglich die neue Forschung mit den Ingenieuren von Bell Labs, als sie die erste praktische Silizium‑Solarzelle präsentierten, die nur etwa 2 % effizient war. Seitdem haben wir einen weiten Weg zurückgelegt und können nun etwa 23 % des Sonnenlichts in Strom umwandeln.
Laut Mitautor Dr. Michael Nielsen:
Selbst wenn die Kommerzialisierung dieser Technologien noch ein weiter Weg ist, ist es als Forscher äußerst spannend, am Anfang einer sich entwickelnden Idee zu stehen.
Diese neue Technologie kann laut den Forschern in Zukunft zahlreiche Anwendungen finden, darunter die Stromversorgung bionischer Geräte wie künstlicher Herzen, die derzeit Batterien benötigen, die regelmäßig ausgetauscht werden müssen. Ihre neuartige Technologie könnte daher den Batteriebedarf in bestimmten Geräten eliminieren oder deren Aufladung unterstützen.
Bisher konnte die sogenannte strahlende Diode jedoch nur „relativ sehr geringe Leistung“ erzeugen. Es war schwierig, die Leistung zu messen, und es stehen noch etwa ein Jahrzehnt universitäre Forschung an, bevor die Industrie sie aufgreift. Theoretisch ist es jedoch möglich, dass die Technologie „letztlich etwa ein Zehntel der Leistung einer Solarzelle“ erzeugt.
Nach dem „eindeutigen Nachweis elektrischer Leistung“ begann das Team, mit einem neuen Material zu arbeiten, das leichter herzustellen und damit skalierbarer ist.
Gleichzeitig arbeitet das Team daran, ihre Technologie auf Raumfahrzeuge wie Satelliten anzuwenden. Solarbetriebene Satelliten sind nichts Neues; sie wurden bereits 1958 erstmals demonstriert.
Durch Solarzellen angetrieben, sind diese Raumfahrzeuge während der Eclipse‑Phasen auf Batterien angewiesen. Daher setzen die UNSW‑Forscher die Technologie nun ein, um Satelliten im Dunkeln mit Strom zu versorgen.
Die Technologie, die zunächst im Weltraum eingesetzt wurde, wird nun genutzt, um enorme Mengen Strom aus Solarenergie für unsere Häuser zu erzeugen, und in ähnlicher Weise beabsichtigt Prof. Ekins‑Daukes, „die strahlende Diode innerhalb der nächsten zwei Jahre ins All zu bringen“.
Der Wandel zu sauberer & reichlicher Solarenergie
Da Solarpaneele Sonnenlicht benötigen, um Strom zu erzeugen, und daher nachts nicht funktionieren, haben zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsprojekte nach Lösungen für dieses Problem gesucht.
Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, ist die Batteriespeicherung, die überschüssige Energieproduktion speichert. Diese gespeicherte Energie kann dann jederzeit genutzt werden, nachts und an bewölkten Tagen. Produkte wie der Tesla (TSLA ) Powerwall oder Generac PWRcell bieten hierfür Alternativen. Diese Batteriespeicher dienen als netzunabhängige Stromquellen während Stromausfällen.
Eine weitere Möglichkeit ist Net Metering. Hier ermöglicht ein Solar‑Buy‑Back‑Programm die Nutzung des lokalen Stromnetzes als Speicher. Um Gutschriften zu erhalten, muss die tagsüber erzeugte überschüssige Energie zurück ins Netz eingespeist werden. Die verdienten Gutschriften werden dann auf die Stromrechnung angerechnet, um den nächtlichen Stromverbrauch zu decken.
Forscher haben sogar Solarpaneele entwickelt, die Strom aus dem Nachthimmel gewinnen. Beispielsweise funktionieren Anti‑Solarzellen tagsüber umgekehrt zu herkömmlichen Solarpaneelen. Außerdem gibt es reibungsbetriebene Paneele, die Bewegung in Energie umwandeln und die Strahlung von warmen Oberflächen nutzen.
Kürzlich haben Wissenschaftler der Stanford University einen neuen Solarpaneltyp entwickelt, der nachts Strom erzeugt. Dazu integrierten sie einen thermoelektrischen Generator in herkömmliche Sonnenenergie‑Solarzellen. Dadurch wird nicht nur eine kontinuierliche Stromerzeugung ermöglicht, sondern auch die Effizienz tagsüber verbessert.
Dann gibt es das kalifornische Startup Reflect Orbital, das seinen Plan veröffentlicht hat, nachts Sonnenlicht zu verkaufen. Dafür plant das Unternehmen, eine Konstellation von Satelliten mit Mylar‑Spiegeln einzusetzen, die 370 Meilen über der Erdoberfläche kreisen. Diese Spiegel reflektieren das Sonnenlicht auf Solarpaneele an der Erdoberfläche.
Wir denken, Sonnenlicht ist das neue Öl, und der Weltraum ist bereit, die Energieinfrastruktur zu unterstützen.
– Reflect Orbital Mitbegründer Ben Nowack auf X (ehemals Twitter)
Betrachtet man die Zahlen, führt Solar eindeutig unter den sauberen Energiequellen. 2023 war tatsächlich ein Rekordjahr für diese Energiequelle, da weltweit 447 GW neue Solarkapazität installiert wurden – beeindruckende 78 % der gesamten neu installierten erneuerbaren Kapazität. Mit einem Anstieg von 87 % gegenüber dem Vorjahr verzeichnete der globale Solarmarkt eine Wachstumsrate, die seit 2010 nicht mehr erreicht wurde.
Der größte Teil dieses Wachstums wurde von China getrieben, dem weltweit größten Solarmarkt. Es fügte 253 GW neue PV‑Kapazität hinzu, ein Anstieg von 167 %, und war für 57 % der global installierten Kapazität im letzten Jahr verantwortlich.
Dieses „unerwartete Wachstum“ der gesamten Solarenergie, laut dem Global Market Outlook for Solar Power 2024-2028, war auf einen massiven Preisverfall von etwa 50 % für Module zurückzuführen. Dieser Rückgang entstand durch einen erheblichen Anstieg der weltweiten PV‑Produktionskapazitäten, der zu Überkapazitäten führte.
Neben den Aufträgen aus Vorjahren, die 2023 endlich installiert wurden, wenden sich Privatpersonen, Unternehmen und Regierungen der Solarenergie als zuverlässiger und kostengünstiger Lösung für hohe Energiepreise zu.
Aufgrund weiterer Produktverfügbarkeit, Kostenverbesserungen und der zahlreichen Vorteile, die die Technologie bietet, prognostiziert der Bericht ein „signifikantes Nachfragewachstum für Solar‑PV‑Strom in den kommenden Jahren“.
Unternehmen, die den Solarsektor vorantreiben
Werfen wir nun einen Blick auf einige namhafte Unternehmen, die alternative Wege zur Energieerzeugung beschreiten.
Clearway Energy (CWEN ) (CWEN ) ist ein solches Unternehmen, das Windparks und Solarkraftwerke betreibt, um saubere, erneuerbare Energie bereitzustellen, während Ormat Technologies (ORA ) sich auf die geothermische Stromerzeugung konzentriert. Heliogen ist ein weiterer Name in diesem Bereich und nutzt KI sowie fortschrittliche Spiegeltechnologie, um Sonnenlicht zu konzentrieren und Strom zu erzeugen. Enphase Energy (ENPH ) und Piedmont Lithium (ELVR ) führen hingegen das Feld der Energiespeicherung an.
#1. Bloom Energy
Dieses Unternehmen nutzt die Technologie von Festoxid‑Brennstoffzellen, um zuverlässigen und effizienten Strom zu erzeugen. Durch den Einsatz ihrer Energy‑Server für die Vor‑Ort‑Erzeugung bietet Bloom Energy (BE ) eine sauberere Alternative zur herkömmlichen Stromerzeugung und reduziert die Abhängigkeit vom Netz.
BE Preisdiagramm
Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels werden BE‑Aktien zu $10,80 gehandelt, ein Rückgang von 26,82 % im Jahresverlauf, bei einer Marktkapitalisierung von $2,465 Mrd. Bloom Energy weist ein EPS (TTM) von -1,30 und ein KGV (TTM) von -8,31 auf. Für das 2. Quartal 2024 meldete das Unternehmen einen Umsatz von $335,8 Millionen, was einem Anstieg von 11,5 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Die Bruttomarge für das Quartal betrug 20,4 %, während der Betriebsverlust $23,1 Millionen betrug. Bloom Energy emittierte in diesem Zeitraum zudem 3 % wandelbare grüne Anleihen, um seine Bilanz zu stärken.
Zusätzlich hat das Unternehmen eine Partnerschaft mit dem KI‑Marktführer CoreWeave (CRWV ) geschlossen, um das von Chirisa Technology Parks betriebene Hochleistungs‑Rechenzentrum zu betreiben. Bloom‑Brennstoffzellen werden außerdem die 20 MW AWS‑Rechenzentren von Silicon Valley Power versorgen. Laut Bloom‑CEO KR Sridhar:
Es ist mittlerweile allgemein anerkannt, dass die Stromnachfrage voraussichtlich das über das Netz verfügbare Angebot bei weitem übersteigen wird. Das bietet Bloom eine enorme Chance. Wir verzeichnen ein hohes kommerzielles Interesse an unseren Produkten und Lösungen. Wir setzen unsere erfolgreiche Umsetzung fort, treiben unsere Technologie voran und bauen unser Team für zukünftiges Wachstum aus.
#2. NextEra Energy
Mit dem Fokus auf Solar, Wind und Batteriespeicherung hat NextEra sich zu einem der größten Erzeuger erneuerbarer Energie entwickelt. Die Aktien des Unternehmens für elektrische Energie und Infrastruktur werden derzeit zu $83,85 gehandelt, ein Anstieg von 38,05 % im Jahresverlauf, bei einer Marktkapitalisierung von $172,27 Mrd. Das EPS (TTM) beträgt 3,67 und das KGV (TTM) 22,85.
NEE Preisdiagramm
Für das 2. Quartal 2024 meldete das Unternehmen ein GAAP‑Nettoeinkommen von $1,622 Mrd., während es über 3.000 MW neuer erneuerbarer und Speicherprojekte zu seinem Auftragsbestand hinzufügte. Vor einigen Monaten kündigte zudem die Tochtergesellschaft NextEra Energy (NEE ) Resources zusammen mit Entergy eine gemeinsame Entwicklungsvereinbarung an, um die Schaffung von bis zu 4,5 GW neuer Solar‑ und Energiespeicherprojekte zu beschleunigen.
Fazit
Die Sonne ist eine unerschöpfliche Energiequelle, und in Kombination mit effizienten und fortschrittlichen Technologien bietet sie großes Potenzial, den schnell wachsenden globalen Energiebedarf zu decken und das Problem des Klimawandels anzugehen.
Als aufstrebender Vorreiter der laufenden globalen Energiewende hat die Solarindustrie im vergangenen Jahr enorme Investitionen verzeichnet, die alle anderen Erzeugungstechnologien zusammen überstiegen, sowie bedeutende Entwicklungen. All dies hat zu zahlreichen Durchbrüchen in der Solartechnologie geführt, wie sonnenverfolgenden Solarzellen, druckbaren Solarzellen, photovoltaischen Fenstern und natürlich der nächtlichen Solarenergieerzeugung, die dazu beitragen kann, Solarenergie zu einer langfristigen Lösung für zukünftige Generationen zu machen.
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