Solarenergiespeicherlösungen: Effizienz um ‘mehr als eine Größenordnung’ bei Umwandlungsdurchbruch

“Die weltweite Kapazität zur Erzeugung erneuerbarer Elektrizität wächst schneller als zu jeder Zeit in den letzten drei Jahrzehnten”, sagte die Internationale Energieagentur in einem Bericht, der Anfang dieses Jahres veröffentlicht wurde.

Dieses Wachstum, laut der in Paris ansässigen autonomen zwischenstaatlichen Organisation, bietet “eine echte Chance, zu erreichen”, das Ziel, die globale Kapazität zu verdreifachen, das auf der Klimakonferenz COP28 festgelegt wurde, bis zum Ende dieses Jahrzehnts.

Die erneuerbare Kapazität ist in den letzten zehn Jahren deutlich gewachsen, wobei Solarenergie dabei eine große Rolle spielt. Im Jahr 2023 haben erneuerbare Quellen 30 % des weltweiten Stroms erzeugt, und Solar‑PV verantwortete drei Viertel der weltweiten Neuzugänge an erneuerbarer Kapazität.

Das ist nachvollziehbar, da die Kosten für Solarenergie weiter sinken und billiger als Kohle werden. Neben wirtschaftlichen Vorteilen wie Kostensicherheit über einen langen Zeitraum erhöht Solarenergie zudem die Resilienz und reduziert CO₂-Emissionen.

Dennoch ist die Nutzung von Solarenergie trotz dieser Vorteile und der Tatsache, dass 50 % des globalen Endenergieverbrauchs für Heizung verwendet werden, im Vergleich zu fossilen Energiequellen immer noch gering.

Dies liegt daran, dass Solarenergie einzigartige Einschränkungen hat, darunter die Nichtverfügbarkeit nachts, während der Spitzenenergieverbrauch typischerweise abends auftritt. Zudem beeinflusst der Klimawandel sowohl die Nachfrage als auch das Angebot.

“Wir müssen darüber nachdenken, wie der Klimawandel das Energiesystem als Ganzes beeinflussen wird, denn leider ist kein Stromerzeugungssystem vor den Auswirkungen des Klimawandels immun.”

– Romany Webb, stellvertretende Direktorin des Sabin Center for Climate Change Law an der Columbia Climate School

Im Hinblick auf die Klimaauswirkungen machen häufigere Hitzewellen Solarpaneele weniger effizient, während die steigende Nachfrage nach Kühlung das Netz belastet und das System negativ beeinflusst. Es wurde tatsächlich festgestellt, dass Hurrikane die Photovoltaik‑Erzeugung um 18 % bis 60 % verringern, während tropische Wirbelstürme die Sonneneinstrahlung um 80 % herabsetzen. Extreme Wetterereignisse wie Windgefahren können die Solarenergie‑Infrastruktur zusätzlich beschädigen.

All diese Einschränkungen bedeuten, dass effiziente Solarenergiespeicherung ein Füllhorn an Möglichkeiten eröffnen kann.

Effektive Speicherlösungen ermöglichen das Speichern von Überschussenergie für die Spitzenlast, wenn die Sonne untergegangen ist. Auf diese Weise können elektrische Lasten nach Angebot und Nachfrage ausgeglichen werden und ein konstanter Energiefluss gewährleistet werden.

Solarenergiespeicherung bietet zudem Schutz bei störenden Ereignissen wie Waldbränden, bei denen das Stromnetz anfällig für Ausfälle wird.

Was also sind diese Speicherlösungen? Sie lassen sich im Allgemeinen in drei Hauptkategorien einteilen: Batterien, mechanische und thermische Systeme. Unter diesen sind Batterien, insbesondere Lithium‑Ion‑Batterien, die gebräuchlichste und kosteneffizienteste Methode zur Speicherung von Solarenergie.

Forscher entwickeln jedoch ständig neue Innovationen. Ein völlig neuer Ansatz zur effizienteren Ernte und Speicherung von Solarenergie nutzt bislang wenig erforschte Sensibilisierungsstrategien.

Effizientere Solarenergieerzeugung und -speicherung

Um das Hauptproblem der begrenzten globalen Nutzung von Solarenergie – die Intermittenz ihrer direkten Verfügbarkeit – anzugehen, haben Forscher der Johannes Gutenberg‑Universität Mainz (JGU) und der Universität Siegen molekulare Systeme zur Speicherung von Solarenergie entwickelt.

Im Gegensatz zu herkömmlichen thermischen Energiespeichersystemen, die Energie nur für kurze Zeiträume speichern, können molekulare Solarenergiespeichersysteme sie über einen längeren Zeitraum von mehreren Wochen bis Monaten speichern. Das liegt daran, dass die Solarenergie hier in Form chemischer Bindungen gespeichert wird.

Molekulare Solarenergiespeichersysteme funktionieren so, dass spezialisierte Moleküle oder Photoschalter zunächst die Solarenergie absorbieren und sie dann bei Bedarf als Wärme freisetzen.

Auch dieses System ist nicht ohne Herausforderungen. Das Hauptproblem bei der Anregung von Photoschaltern ist der Kompromiss zwischen effizienter Absorption von Sonnenlicht und Energiespeicherkapazität. Dies begrenzt die Gesamtleistung molekularer Solarenergiespeichersysteme.

Daher führte das Forschungsteam in Mainz und Siegen eine Studie durch, um dieses Problem mit einem neuen Ansatz zu überwinden.

Die neue Klasse von Photoschaltern wurde zunächst in Siegen vorgestellt und zeigte ein unglaubliches Energiespeicherpotenzial im Vergleich zu herkömmlichen Lithium‑Ion‑Batterien.

Die am weitesten verbreitete Batterietechnologie, diese Batterien bestehen aus einer oder mehreren Lithium‑Ion‑Zellen zusätzlich zu einer Leiterplatte. Eine Lithium‑Ion‑Zelle verfügt über Elektroden, eine Anode, eine Kathode, ein Elektrolyt, das Strom leitet, Stromabnehmer und einen Separator. Ein Photoschalter hingegen ist ein Molekül, das seine strukturelle Geometrie und chemischen Eigenschaften ändert, wenn es elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt wird.

Der neuartige Photoschalter, obwohl er ein außergewöhnliches Energiespeicherpotenzial besitzt, war in seiner Funktionsweise auf die Aktivierung durch ultraviolettes (UV) Licht beschränkt. UV‑Licht hat Wellenlängen von 10‑400 Nanometern und macht nur einen kleinen Teil des Sonnenspektrums aus.

Die neueste Studie schlug daher eine indirekte Lichternte‑Technik vor. Diese ähnelt dem Prozess der Lichternte in der Photosynthese. Hier wird ein zweiter Stoff eingebracht, ein Sensibilisator, der hervorragende Eigenschaften zur Absorption von sichtbarem Licht aufweist. Laut Professor Christoph Kerzig vom Fachbereich Chemie der JGU, der die Studie zusammen mit dem Doktoranden Till Zähringer leitete:

“Bei diesem Ansatz absorbiert der Sensibilisator Licht und überträgt anschließend Energie auf den Photoschalter, der unter diesen Bedingungen nicht direkt angeregt werden kann.”

Mit diesem neuen Ansatz haben die Forscher die Effizienz der Solarenergiespeicherung um mehr als eine Größenordnung verbessert. Dieser bedeutende Fortschritt in der Energieumwandlung eröffnet potenzielle Anwendungen sowohl für häusliche Heizungslösungen als auch für großskalige Energiespeicherung.

Das in Mainz ansässige Forschungsteam führte zudem umfassende spektroskopische Analysen durch, um das komplexe System zu untersuchen und den zugrunde liegenden Mechanismus zu verstehen.

Ein detailliertes Verständnis darüber, wie das System funktioniert, wird laut Erstautor Zähringer helfen, “die Grenze der Lichternte erheblich zu verschieben”, und könnte zudem die Umwandlungseffizienz des Lichts in gespeicherte chemische Energie verbessern.

Unter Betriebsbedingungen kann jedes absorbierte Photon einen Prozess der chemischen Bindungsbildung auslösen. Dies wird in photochemischen Reaktionen selten beobachtet, da mehrere Energieverlustkanäle existieren.

Forscher haben die Robustheit der Praktikabilität des Systems erfolgreich bestätigt, indem sie den Zyklus zwischen Speicher- und Freigabestatus mehrfach mit Sonnenlicht durchführten, was das Potenzial des Systems für Anwendungen in der realen Welt hervorhebt.

Neueste Entwicklungen in der Solarenergieerzeugung und -speicherung

Angesichts der großen Rolle, die Solarenergie im Erneuerbaren-Energien-Mix spielt, steht sie zunehmend im Fokus von Forschern, Unternehmen und Regierungsinitiativen, die versuchen, ein tieferes Verständnis dafür zu erlangen, wie alles funktioniert, und bessere Lösungen zur Ernte der Energie und ihrer Speicherung zu entwickeln.

Neue Forschung der NC State University hat sich darauf konzentriert, ein tieferes Verständnis dafür zu vermitteln, was in organischen Zellen geschieht, wenn Sonnenlicht in Strom umgewandelt wird. Um die Schnittstellen zu visualisieren, an denen Lichtenergie in elektrische Ladungen umgewandelt wird, entwickelten die Forscher eine neuartige Methode, die Rastersondenmikroskopie, und nutzten sie zur Verbesserung der Solarzellen‑Effizienz.

Organische Solarzellen, die aus kohlenstoffbasierten Polymermaterialien bestehen, haben das Potenzial für flexible und leichte Solaranwendungen sowie für halb- oder volltransparente Fensteranwendungen, sind jedoch bei der Umwandlung von Licht in Strom nicht so effizient wie Perowskit‑ oder Silizium‑Solartechnologien.

Das liegt daran, dass diese Zellen aus einer Mischung zweier Materialien bestehen; eines davon sammelt Elektronen (Donor), muss sie jedoch an das zweite Material (Akzeptor) weitergeben, und die Schnittstellen zwischen beiden verursachen Spannungsverluste, wodurch die Effizienz organischer Solarzellen begrenzt wird.

Die neueste Studie ergab, dass sowohl das Energiegefälle zwischen den Bestandteilen Donor und Akzeptor als auch die energetische Unordnung an den Schnittstellen Spannungsverluste verursachen.

Laut Mitautor Aram Amassian, Professor für Werkstoffwissenschaft und -technik an der NC State University, reduziert die Auswahl von Materialien mit minimalen Energieverschiebungen die Spannungsverluste. Lösungsmittel- und Verarbeitungsparameter, die die interfaciale Unordnung verringern, können Energie-Verluste weiter reduzieren.

Eine weitere aktuelle Studie nahm sich der Aufgabe an, die Kapazität von häuslichen Energiespeichersystemen zuverlässig zu schätzen, um eine Vorstellung von der zukünftigen Verbreitung effektiver Wohn‑PV‑Systeme zu erhalten.

Dafür stellten die Forscher eine skalierbare Kapazitätsschätzungstechnik vor, die drei Schlüssel‑schritte umfasst: die Bestimmung, wann ein Speichersystem voll und wann es leer ist, sowie die Berechnung der Kapazität zwischen diesen beiden Zuständen.

Anschließend wurde sie verwendet, um 21 auf Lithium‑Ion‑Batterien basierende Systeme in privaten Haushalten in Deutschland über acht Jahre zu messen. Die Analyse ergab, dass die Systeme im Durchschnitt 2‑3 % ihrer Kapazität pro Jahr verloren.

Bemerkenswert ist, dass die Methode von Herstellern und Solarenergieunternehmen zur Schätzung der Kapazität ihrer Energiespeichersysteme verwendet werden kann. Darüber hinaus veröffentlichten die Forscher einen umfangreichen Datensatz, der 14 Milliarden Datenpunkte aus über 100 Jahren umfasst und für weitere Studien oder zum Training von Rechenmodellen genutzt werden kann.

Anfang dieses Jahres, im Juni, entwickelten Forscher zudem ein innovatives Lichternte‑System, das “eine große Menge Lichtenergie in einer relativ dünnen Schicht” absorbieren kann, ähnlich wie natürliche Lichternte‑Systeme.

Durch eine Bandstruktur, die an anorganische Halbleiter erinnert, kann es Licht panchromatisch über das gesamte sichtbare Spektrum absorbieren, während die hohen Absorptionskoeffizienten von organischen Farbstoffen es ermöglichen, viel Energie zu absorbieren.

Das System enthält vier verschiedene Merocyanin‑Farbstoffe, die gefaltet und dicht übereinander gestapelt sind, was einen ultraschnellen und effizienten Energietransport innerhalb des Systems ermöglicht. Es wurde festgestellt, dass das System 38 % der bestrahlten Lichtenergie umwandeln kann.

Zur effizienten Speicherung von Solarenergie und Reduzierung von Umwandlungsverlusten kamen Forscher aus aller Welt Anfang dieses Jahres zusammen, um die Dynamik von foto‑ und elektrochemischer Transformation zu studieren und ein besser geeignetes Molekül für die gewünschten Funktionen zu entwerfen.

Die Forscher untersuchen dafür Norbornadien, ein Kohlenwasserstoffisomer mit zwei Molekülringen, das bei Bestrahlung mit UV‑Licht in ein stärker gespanntes Quadricyclan umgewandelt wird.

Da die reine Energiedichte des Norbornadien‑Quadricyclan‑Systems mit der einer Lithium‑Ion‑Batterie vergleichbar ist, könnte eine zuverlässige Steuerung seiner Rückumwandlung ein effizientes Solarmodul ermöglichen, das zudem zur Stromspeicherung geeignet ist.

Der Fokus auf Kohlenwasserstoff‑Moleküle bietet eine kostengünstige Methode, die keine seltenen Metalle erfordert und leicht recycelt oder entsorgt werden kann. All diese jüngsten Entwicklungen im Sektor belegen den wachsenden Fokus auf die Steigerung der weltweiten Nutzung von Solarenergie.

Unternehmen, die von dem Fortschritt profitieren können

Nun werfen wir einen Blick auf zwei der prominentesten Namen, die von einem solchen molekularen Solarenergiespeichersystem profitieren oder es anbieten können. Diese beiden Namen sind NextEra Energy, Inc. (NEE ) und Enphase Energy, Inc. (ENPH ), beide US‑basierte Unternehmen, die aktiv im Bereich erneuerbarer Energien tätig sind.

1. NextEra Energy (NEE )

Bekannt für seine Investitionen in Technologien für erneuerbare Energien, kann NextEra Energy von dieser Technologie in Bezug auf Speichereffizienz profitieren.

Mit einer Marktkapitalisierung von 161 Milliarden $ handeln die NextEra‑Aktien derzeit bei 78,37 $, ein Anstieg von über 29 % in diesem Jahr. Das Unternehmen weist ein EPS (TTM) von 3,37 und ein KGV (TTM) von 23,24 auf, während es eine Dividendenrendite von 2,63 % zahlt.

Das Energieinfrastrukturunternehmen berichtete kürzlich über die Finanzergebnisse für das 3. Quartal 2024, wobei der Nettogewinn auf 1,85 Milliarden $ sprang, verglichen mit 1,29 Milliarden $ im 3. Quartal 2023. Der bereinigte Gewinn je Aktie stieg im Jahresvergleich um 10 %. Diese Ergebnisse zeigen laut CEO John Ketchum eine “weiterhin solide finanzielle und operative Leistung”.

Unterdessen erzielte das im Besitz von NextEra Energy befindliche Florida Power & Light Company (FPL) einen Nettogewinn von 1,29 Milliarden $, während die Investitionsausgaben 2 Milliarden $ betrugen und das eingesetzte regulatorische Kapital im Jahresvergleich um 9,5 % stieg. In Bezug auf die von den Hurrikans Helene und Milton betroffenen Kunden in Florida bemerkte Ketchum, dass die “Investitionen von FPL in Verstärkung und Smart‑Grid‑Technologie hunderttausende von Stromausfällen verhindert haben.

Jetzt hat NextEra Energy Resources zum zweiten Quartal in Folge etwa 3 Gigawatt neuer Erneuerbare‑ und Speicherprojekte zu seinem Auftragsbestand hinzugefügt. Außerdem wurden Vereinbarungen mit zwei Fortune‑50‑Kunden für die Entwicklung von Erneuerbare‑ und Speicherprojekten angekündigt, die bis 2030 insgesamt bis zu 10,5 Gigawatt umfassen.

“Die anhaltend starke Leistung unserer Geschäftsbereiche sowie unser Umfang, unsere Erfahrung und Technologie werden es uns ermöglichen, die Chance zu nutzen, die die steigende Stromnachfrage für unseren Sektor mit sich bringt.”

– Ketchum, CEO von NextEra Energy

Letzte Woche schloss das führende Unternehmen für saubere Energie eine Vereinbarung zum Verkauf von Eigenkapitalanteilen im Wert von 1,5 Milliarden $ an große Finanzinstitute, darunter Goldman Sachs (GS ), J.P. Morgan und Mizuho, ab. Die Mittel werden für Investitionen in KI‑bezogene Energie‑ und Stromprojekte sowie zur Tilgung ausstehender Commercial‑Paper‑Verbindlichkeiten verwendet.

Da die KI‑Manie zu einer steigenden Stromnachfrage von KI‑Rechenzentren führt und das Unternehmen sich auf den Ausbau seines Geschäfts mit erneuerbaren Energien konzentriert, führt NextEra Energy zudem Studien durch und führt Gespräche mit Bundesregulierungsbehörden über die Wiederinbetriebnahme des Kernkraftwerks Duane Arnold in Iowa.

2. Enphase Energy, Inc. (ENPH )

Als Spezialist für Solarwechselrichter und Speicher könnte Enphase Energy ebenfalls potenziell innovative molekulare Speicher integrieren, sofern sie kommerziell rentabel sind, um die Energie‑Resilienz und -Effizienz für seine Kunden zu verbessern.

Mit einer Marktkapitalisierung von 11,8 Milliarden $ handeln die Enphase‑Aktien derzeit bei 87,46 $, ein Rückgang von 33,87 % in diesem Jahr. Das Unternehmen weist ein EPS (TTM) von 0,44 und ein KGV (TTM) von 198,82 auf. Im 3. Quartal 2024 meldete das globale Energietechnologieunternehmen einen Umsatz von 380,9 Millionen $ und eine nicht‑GAAP‑Bruttomarge von 48,1 %. In diesem Zeitraum lieferte Enphase mehr als 1,73 Millionen Mikro‑Wechselrichter und 172,9 MWh Batterien.

Der weltweit führende Anbieter von mikro‑Wechselrichter‑basierten Solar‑ und Batteriesystemen beendete das Quartal gleichzeitig mit einem freien Cashflow von 161,6 Millionen $, während Barmittel, Zahlungsmitteläquivalente und handelbare Wertpapiere 1,77 Milliarden $ betrugen.

In diesem Zeitraum führte Enphase KI‑basierte Software ein, um den Energieverbrauch zu optimieren, indem Solar‑ und Verbrauchsprognosen mit Stromtarifen integriert werden, um den Verbrauchern zu helfen, maximale Einsparungen zu erzielen.

Im Oktober begann das Unternehmen mit dem Versand von IQ8™‑Mikro‑Wechselrichtern, um neuere, leistungsstarke Solarpaneele in ausgewählten Ländern zu unterstützen, erweiterte seine Unterstützung für Netz‑Dienstprogramme (oder virtuelle Kraftwerke) in ausgewählten US‑Bundesstaaten und brachte IQ8X‑Mikro‑Wechselrichter mit der längsten Standard‑Wohnungs‑Garantie von 25 Jahren in Australien auf den Markt.

In den beiden Monaten davor brachte es sein bisher leistungsstärkstes Enphase Energy System auf den Markt, kündigte eine Lösung zur Erweiterung von Legacy‑Net‑Energy‑Metering‑ (NEM‑) Solarsystemen in Kalifornien ohne Strafen an, führte NACS‑Stecker für IQ‑EV‑Ladegeräte ein und versandte IQ8‑Mikro‑Wechselrichter, um neuere, leistungsstarke Solarmodule in ausgewählten Ländern Europas zu unterstützen. Außerdem wurde IQ Energy Management eingeführt, um die Unterstützung dynamischer Stromtarife und die Integration von Drittanbieter‑EV‑Ladegeräten und Wärmepumpen in den Niederlanden zu ermöglichen.

Das Unternehmen bereitet derzeit die Einführung des 2. Gen‑IQ®‑EV‑Ladegeräts, der 3‑Phasen‑IQ‑Batterie mit Backup und des IQ®‑Balcony‑Solar‑Kits für den europäischen Markt vor, während sein Energie‑System der vierten Generation, das den IQ®‑Meter‑Collar, die 10‑kWh‑IQ‑Batterie und einen verbesserten IQ®‑Combiner umfasst, Anfang nächsten Jahres in den USA debutieren wird.

Insgesamt sanken die Verkäufe von Enphase in Europa um 15 % gegenüber dem 2. Quartal aufgrund einer “weiteren Abschwächung der europäischen Nachfrage”, während die Rückkehr des Lagerbestands zu normalen Niveaus den US‑Umsatz um 43 % im Jahresvergleich steigerte.

Fazit

Im Zuge des weltweiten Vorstoßes für erneuerbare Energien hat sich Solarenergie als bedeutender Akteur erwiesen, der eine saubere und reichlich vorhandene Lösung bietet. Dennoch wird ihre weltweite Verbreitung durch Kosten, effizientere Lösungen und mangelnde Infrastruktur sowie weitere Faktoren beeinträchtigt.

Jüngste Fortschritte, von molekularen Solarspeichern bis hin zu Innovationen bei organischen Solarzellen, bieten großes Potenzial, die Solarenergie effizienter zu machen, die globale Stromnachfrage selbst unter widrigen Bedingungen zu decken und den Weg für eine nachhaltige Zukunft zu ebnen.

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