Die Suche nach nachhaltiger Energie führt zu unkonventionellen Entdeckungen

Der globale Energieverbrauch steigt in beschleunigtem Tempo. Im Jahr 2023 lag dieses Wachstum bei 2,2 %, verglichen mit einem jährlichen Durchschnitt von 1,5 % zwischen 2010 und 2019.

Diese schnellere Rate des Energieverbrauchs wird hauptsächlich angetrieben von China, das mit +6,6 % das Doppelte seines Durchschnitts von 2010‑2019 erreichte. Weitere Beitragsleister sind Indien, Iran, Brasilien, die VAE, Algerien, Vietnam und Indonesien. Im Gegensatz dazu ging der Energieverbrauch in Japan, Südkorea, Südafrika und der EU zurück und blieb in den USA stabil.

Insgesamt ist der globale Energieverbrauch seit 2000 um etwa ein Drittel gestiegen. Derzeit wird er auf 580 Millionen Terajoule geschätzt, und dieser jährliche globale Energieverbrauch soll bis 2040 auf 740 Millionen Terajoule ansteigen.

Allerdings ist der besorgniserregendste Teil, dass der überwiegende Teil dieser Energie—83%—aus fossilen Brennstoffen stammt, wobei Öl die größte Energiequelle ist, gefolgt von Kohle und Erdgas, die enorme Mengen an CO₂ in die Atmosphäre abgeben.

Dies erfordert einen dringenden Innovationsbedarf im Bereich der grünen Energie. Während erwartet wird, dass erneuerbare Energien wachsen, beträgt dieser Anstieg lediglich 4 %, was sie auf 6 % des globalen Primärenergieverbrauchs bringt.

Vor diesem Hintergrund des globalen Bedarfs, das Energiesystem zu transformieren, hat sich Solarenergie als potenzieller Wendepunkt erwiesen. Das liegt daran, dass die vom Sonnenlicht erzeugte Energie das Potenzial hat, die gesamte Welt und mehr zu versorgen.

Die Erde benötigt nur ein paar Stunden Sonnenenergie, um die gesamte Welt für ein ganzes Jahr mit dem benötigten Strom zu versorgen.

Sie ist zudem die sauberste und am weitesten verbreitete verfügbare erneuerbare Energiequelle. Darüber hinaus bietet sie den Vorteil der Dekarbonisierung, Senkung der Energiekosten, einer deutlich geringeren Umweltbelastung sowie größerer Energiezugänglichkeit und -sicherheit.

Natürlich gibt es mehrere Herausforderungen bei der Nutzung von Solarenergie; andernfalls würden wir sie bereits umfassend einsetzen. Neben der Hauptschwierigkeit der Sonnenintermittenz, da die Sonne nicht den ganzen Tag scheint, gibt es weitere Herausforderungen in Bezug auf Standort, Speichermöglichkeiten und die erforderliche Technologie, um diese Energie zu nutzen.

Bei der Nutzung von Solarenergie gibt es mehrere Möglichkeiten, Sonnenstrahlung einzufangen und in Energie umzuwandeln.

Eine Methode besteht darin, aktive Solarenergie zu nutzen, bei der elektrische oder mechanische Geräte eingesetzt werden, um Solarenergie aktiv in eine andere Energieform umzuwandeln. Dies wird durch Photovoltaik (PV) oder konzentrierte Solarenergie (CSP) erreicht.

Bei der PV wird Sonnenlicht mithilfe von Halbleitermaterialien, die den photovoltaischen Effekt zeigen, in Strom umgewandelt. PV‑Technologie ist besser bekannt als Solarpanels, die aus einer Sammlung von Solarzellen bestehen, von denen jede einen Halbleiter enthält, der durch Absorption von Sonnenlicht einen elektrischen Strom erzeugt.

Bei CSP fokussieren Linsen und Spiegel das Sonnenlicht von einer großen Fläche auf eine viel kleinere, um Strom zu erzeugen. Solarfurniere, zu denen verschiedene Typen wie Solarturmkraftwerke und parabelförmige Rinnen gehören, sind ein Beispiel für konzentrierte Solarenergie.

Eine weitere Methode ist die passive Solarenergie, die keine externen Geräte nutzt, sondern das lokale Klima ausnutzt. Beispielsweise ist die Planung eines Gebäudes, um gewünschte Mengen an Sonnenlicht zu erhalten, und der Bau von Gebäuden mit Wärmedämmung ein Beispiel für diese Methode. Weitere Beispiele sind kühle Dächer und Gründächer.

Dies ist jedoch nicht das Ende der Techniken zur Nutzung von Solarenergie. Angesichts ihres enormen Potenzials erforschen Wissenschaftler ständig neue Wege, Solarenergie einzufangen und in nutzbare Energie umzuwandeln, sowie sie kostengünstiger und effizienter zu machen, damit sie im Alltag tatsächlich nutzbar ist.

Solarstrom aus Handys & Autos erzeugen  

Forscher der Oxford University haben kürzlich eine interessante Entwicklung im Bereich der Solartechnologie erzielt. Mit dieser Technologie kann Solarstrom von den Oberflächen von Autos und Mobiltelefonen erzeugt werden.

Quelle: Oxford University

Ja, Sie haben richtig gehört: Anstatt Reihen von siliziumbasierten Solarpanels zu installieren, kann man durch alltägliche Gegenstände immer mehr Solarstrom erzeugen.

Diese Innovation wird durch ein neues, stromerzeugendes Material ermöglicht, das auf die Oberflächen dieser Gegenstände aufgetragen wird. Das lichtabsorbierende Material ist so dünn und flexibel, dass es auf nahezu jeder Oberfläche angewendet werden kann. Dieser revolutionäre Ansatz beinhaltet das Stapeln mehrerer lichtabsorbierender Schichten in einer einzigen Solarzelle.

Dafür haben Wissenschaftler der Physikabteilung der Oxford University eine Technik entwickelt, die es ihnen ermöglicht, ein breiteres Spektrum des Lichts zu nutzen und mehr Energie aus derselben Menge Sonnenlicht zu erzeugen.

Das Material, Dünnschicht-Perowskit, wurde zudem vom National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) in Japan unabhängig zertifiziert und liefert eine Energieeffizienz von über 27 %. Diese Werte entsprechen der Leistung von Silizium‑Photovoltaik, die traditionelle, einlagige, energieerzeugende Materialien sind.

Laut den Forschern haben sie nach nur fünf Jahren Experimente mit dem Multi‑Junction‑ bzw. Stapelansatz die Leistungsumwandlungseffizienz um etwa 21 % gesteigert. Das bedeutet, dass sie von einer anfänglichen Effizienz von etwa 6 % nun über 22 % der Sonnenenergie umwandeln können.

“(Ihre Technik) könnte die photovoltaischen Geräte befähigen, deutlich höhere Effizienzen zu erreichen, die 45 % (in Zukunft) übersteigen.”

Neben der Energieeffizienz ist die Vielseitigkeit des Materials ein weiterer entscheidender Faktor. Das Material ist ultradünn, gerade etwas über ein Mikrometer (0,001 mm) dick, was es fast 150‑mal dünner macht als ein Siliziumwafer. Siliziumwafer haben in der Regel eine Dicke zwischen 0,5 mm und 400 Mikron (0,4 mm), während der Bereich von 2 bis 25 Mikron für spezielle wissenschaftliche Zwecke verwendet wird.

Diese Dünnheit des neuen Materials bedeutet, dass es nicht nur auf gängige Gegenstände und Gebäude, sondern im Grunde auf fast jede Oberfläche aufgetragen werden kann, im Gegensatz zu bestehenden Photovoltaiksystemen.

Durch die Verwendung der neuen Beschichtungsmaterialien bemerkte Dr. Junke Wang: „(Sie haben) gezeigt, dass wir Silizium replizieren und übertreffen können, während wir gleichzeitig Flexibilität gewinnen. Das ist wichtig, weil es mehr Solarenergie verspricht, ohne dass so viele siliziumbasierte Paneele oder speziell gebaute Solarfarmen benötigt werden.“

Dieser neue Ansatz wird voraussichtlich Solarenergie zur nachhaltigsten Form erneuerbarer Energie machen und die Kosten weiter senken, die in den letzten 14 Jahren bereits um bis zu 90 % gesunken sind.

Laut dem World Economic Forum kostete es 2010 weltweit im Durchschnitt 378 $ ohne Subventionen, um eine Megawattstunde Strom aus Solar‑Photovoltaik zu erzeugen, was 2019 auf nur noch 68 $ gesunken ist. Solarenergie ist jetzt günstiger als Kohle und Kernenergie und fast so wirtschaftlich effizient wie Onshore‑Wind. Während die Windenergie in diesem Zeitraum ebenfalls Kosten gesenkt hat, sind die Kosten für Kernenergie und Kohle entweder gestiegen oder nur leicht gesunken.

Jetzt versprechen Innovationen wie Dünnschicht‑Perowskit zusätzliche Kosteneinsparungen, indem sie den Bedarf an Silizium‑Paneelen und speziell errichteten Solarfarmen reduzieren.

Laut den Forschern kann diese neueste Innovation zu einer eigenen Industrie werden, die Materialien herstellt und Solarenergie billig und nachhaltig erzeugt, indem vorhandene Objekte genutzt werden.

‘Künstliches Blatt’ zur Erzeugung sauberer Kraftstoffe

Wissenschaftler ermöglichen nicht nur die kostengünstige Erzeugung von Solarstrom mit Alltagsgegenständen, sondern sie rekonstruieren auch die Photosynthese und revolutionieren damit die Art und Weise, wie wir saubere Kraftstoffe erzeugen.

Im Jahr 2019 setzten Forscher der University of Cambridge einen neuen Maßstab, als sie erfolgreich ein künstliches Blatt entwickelten, das durch Nutzung von Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser Syngas erzeugte.

Quelle: Cambridge University

Syngas ist ein Gas, das aus fossilen Brennstoffen besteht, eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, und wird zur Herstellung von Kunststoffen, Pharmazeutika, Kraftstoffen und Düngemitteln verwendet. Da wir es gewohnt sind, Produkte zu produzieren, die wir täglich konsumieren, ist es entscheidend, Wege zu finden, es nachhaltig zu produzieren.

Hier kommt das künstliche Blatt, ein kohlenstoffneutrales Gerät, das von Sonnenlicht angetrieben wird und kein CO₂ in die Atmosphäre freisetzt. Darüber hinaus funktioniert das künstliche Blatt trotz Sonnenlichtbetrieb effizient an bewölkten und trüben Tagen.

Inspiriert von der Photosynthese, einem natürlichen Prozess, bei dem Pflanzen Sonnenlicht nutzen, um Kohlendioxid und Wasser in Nahrung umzuwandeln, kombinierten die Forscher zwei Lichtabsorber auf dem künstlichen Blatt mit einem Kobaltkatalysator. Beim Eintauchen in Wasser erzeugt einer der Absorber mit Hilfe des Katalysators Sauerstoff, während der andere die chemische Reaktion durchführt und Wasser sowie CO₂ zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid reduziert, die Syngas bilden.

Da die Lichtabsorber auch bei geringen Sonnenlichtverhältnissen funktionieren, kann diese Technologie den ganzen Tag über und überall auf der Welt eingesetzt werden.

Während andere künstliche Blattgeräte entwickelt wurden, stellten die Cambridge-Forscher fest, dass sie nur Wasserstoff produzieren, im Gegensatz zu ihrem eigenen Gerät, das dank der Kombination von Materialien und Katalysatoren Syngas erzeugen kann.

Das für den molekularen Katalysator verwendete Material war Kobalt, das kostengünstiger, reichlich vorhanden und besser bei der Produktion von Kohlenmonoxid ist als andere Katalysatoren wie Platin oder Silber.

Unterdessen wurden ihre Lichtabsorber aus Perowskit statt aus Silizium oder farbempfindlichen Materialien hergestellt. Perowskit‑Lichtabsorber lieferten eine hohe Photospannung und elektrischen Strom, um die chemische Reaktion zu betreiben, bei der CO₂ zu CO reduziert wird.

Der nächste Schritt nach Syngas ist die Entwicklung eines nachhaltigen flüssigen Kraftstoffs als Ersatz für Benzin. Anstatt Syngas zu erzeugen und es dann in flüssigen Kraftstoff umzuwandeln, zielt die Studie darauf ab, den flüssigen Kraftstoff direkt aus Kohlendioxid und Wasser zu erzeugen.

Da Strom nur einen Bruchteil des gesamten globalen Energiebedarfs decken kann, kann synthetisches Benzin eine entscheidende Entwicklung sein, sagte der leitende Autor Professor Erwin Reisner von der Chemieabteilung in Cambridge und verwies auf die „große Nachfrage nach flüssigen Kraftstoffen, um Schwertransport, Schifffahrt und Luftfahrt nachhaltig zu betreiben.“

In den letzten Jahren hat Reisner mit seiner Gruppe daran gearbeitet, ein neues künstliches Blatt zu entwickeln, das sofort sauberen Ethanol und Propanol erzeugen kann, ohne zuerst Syngas zu produzieren. Dies wurde durch die Entwicklung eines Kupfer‑ und Palladium‑basierten Katalysators erreicht.

“(Die Fähigkeit, ) einen praktischen flüssigen Kraftstoff allein mit der Kraft der Sonne zu produzieren” (macht dies) zu einem aufregenden Fortschritt, der völlig neue Wege in unserer Arbeit eröffnet.

Derzeit ist das Gerät nur ein Machbarkeitsnachweis. Die Forscher arbeiten daran, die Blätter zu optimieren, um das Sonnenlicht besser zu absorbieren, den Katalysator zu verfeinern, um mehr Sonnenlicht in Kraftstoff umzuwandeln, und letztlich das Gerät skalierbar zu machen, um große Kraftstoffmengen zu produzieren.

Professor Reisner wurde Anfang dieses Jahres tatsächlich mit einem Lehrstuhl der Royal Academy of Engineering für Emerging Technologies ausgezeichnet. Die 2,5 Millionen Pfund umfassende Förderung wird seinem Team ermöglichen, den Übergang von Labor zu Markt für solare Chemietechnologien zu realisieren.

Während das Reisner‑Team daran arbeitet, sein Produkt skalierbar zu machen, veröffentlichte Yimin Wu, ein Ingenieurprofessor an der University of Waterloo, ein weiteres Papier zur gleichen Zeit wie die Syngas‑Forschung. Dieses Papier entwickelte ebenfalls ein „künstliches Blatt“, das schädliches CO₂ kostengünstig in einen nützlichen alternativen Kraftstoff umwandelt.

Erneut, inspiriert vom Prozess der Photosynthese, produzierte das künstliche Blatt Methanol und Sauerstoff, im Gegensatz zum natürlichen Blatt, das Glukose und Sauerstoff erzeugt.

Die Schlüsselzutat war hier Kupfer(I)-oxid, ein optimiertes rotes Pulver, das Partikel mit acht Seiten besitzen sollte. Es entstand durch Zugabe von Kupferacetat, Glukose, Natriumdodecyl und Natriumsulfathydroxid zu Wasser, das auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wurde.

Wenn es mit Wasser gemischt und CO₂ ausgesetzt wird, wirkt es als Auslöser für eine weitere chemische Reaktion, die Sauerstoff erzeugt und CO₂ in Methanol umwandelt. Ein Solarsimulator wurde verwendet, um weißes Licht zu strahlen. Während die Lösung erhitzt wurde, sammelte die Reaktion Methanol, das verdampfte.

Quantenpunkte zur Herstellung von Doppelglas-Solarfenstern

Eine weitere Entwicklung in diesem Bereich sind Quantenpunkte, kleine Halbleiterpartikel im Bereich von 2‑10 Nanometer. Ihre geringe Größe verleiht ihnen einzigartige elektronische und optische Eigenschaften, die sie vielseitig machen.

In Forschungen am Los Alamos National Laboratory wurden Quantenpunkte in Fensterglas eingebettet, um Strom zu erzeugen. Diese „Designer“-Quantenpunkte absorbieren Sonnenlicht und wandeln es in Energie um, ohne die Transparenz der Fenster zu beeinträchtigen.

Diese Innovation ermöglicht im Wesentlichen, dass ganze Gebäude zu Solarenergieerzeugern werden, ohne traditionelle Solarpanels zu benötigen, die kostspielig sind und viel Platz beanspruchen.

Quelle: Los Alamos National Laboratory

Laut dem leitenden Forscher Victor Klimov bieten auf Quantenpunkten basierende Doppelglasfenster einen neuartigen Ansatz zur Kostensenkung, dank der starken Leistung, die mit diesen „kostengünstigen, lösungsprozessierbaren Materialien“ erzielt werden kann.

Diese neue Methode ersetzt die aktuelle PV‑Technologie nicht. Effektive Sonnenlichtsammler werden einfach zu den bestehenden Solarpanels hinzugefügt. Sie können auch als halbtransparente Fenster in die Architektur eines Gebäudes integriert werden.

Während aktuelle Photovoltaik‑Paneele eine Effizienz von etwa 25 % erreichen, bieten Quantenpunkte das Potenzial, dies durch Trägervervielfachung zu übertreffen.

Ein typisches photovoltaisches Solarpanel absorbiert ein Photon Licht und gibt ein Elektron ab, das Energie wird. Durch Trägervervielfachung und die Einbindung magnetischer Mangan‑Ionen produzieren jedoch Quantenpunkt‑Solarpaneele mehr als zwei Elektronen für jedes absorbierte Photon.

Im Kern dieses technischen Fortschritts steht das „Solar‑Spektrumsplitting“, das die Verarbeitung von hoch- und niederenergetischen Sonnenphotonen trennt.

Dies wurde erreicht, indem Mangan‑Ionen in Quantenpunkte eingebracht wurden, um als stark emittierende Verunreinigungen zu dienen. Wenn Quantenpunkte Licht absorbieren, werden die Verunreinigungen aktiviert, was dazu führt, dass die Mangan‑Ionen Licht bei Energien unterhalb des Absorptionsbeginns der Quantenpunkte emittieren.

Um ein Fenster in einen tandem‑lumineszenten Sonnenlichtsammler zu verwandeln, tragen die Forscher eine Schicht aus mit hoch emittierendem Mangan dotierten Quantenpunkten auf die Oberfläche der vorderen Glasscheibe auf. Gleichzeitig wird eine Schicht aus Quantenpunkten mit Kupfer‑Indium‑Selenid auf die Rückseite der Scheibe aufgebracht.

Auf diese Weise absorbiert die vordere Schicht die sichtbaren blauen und ultravioletten Anteile des Sonnenspektrums, während die untere Schicht den Rest aufnimmt. Nach der Absorption geben die Quantenpunkte Photonen mit längerer Wellenlänge wieder ab. Das wieder ausgestrahlte Licht wird durch totale innere Reflexion zu den Glasrändern des Fensters geleitet, wo die integrierten Solarzellen das Licht sammeln und in Strom umwandeln.

Zusätzlich untersucht das Team von Klimov, wie Quantenpunkte zur Herstellung von Ammoniak eingesetzt werden können, das über 2 % des globalen Energieverbrauchs ausmacht. In dieser speziellen Anwendung nutzen sie Quantenpunkte und Sonnenlicht, um „freie Elektronen“ statt Licht durch Photoemission zu erzeugen.

Nun schauen wir uns zwei bedeutende Unternehmen im Bereich der Solarenergie an.

#1. NextEra Energy

Allgemein als führendes Unternehmen im Bereich erneuerbarer Energien bekannt, meldete NextEra Energy (NEE ) im 2. Quartal 2024 einen Nettogewinn von 552 Millionen $ und ein bereinigtes Ergebnis von 865 Millionen $.

Sie haben ihrer erneuerbaren Energiekapazität 3 GW hinzugefügt, einschließlich bedeutender Solarprojekte, und prognostizieren bis 2027 einen steigenden Ertragsverlauf mit erwarteten jährlichen Zuwächsen beim bereinigten Gewinn je Aktie.

#2. First Solar

First Solar (FSLR ) ist auf die Herstellung von Solarpanels und die Bereitstellung umfassender Photovoltaik‑Kraftwerksdienstleistungen spezialisiert. Ihr innovativer Einsatz von Dünnschicht‑Halbleitertechnologie unterscheidet sie in der Solarbranche.

Finanziell meldete First Solar im letzten Geschäftsjahr Umsätze von 3,56 Milliarden $ und einen Nettogewinn von 1,02 Milliarden $. Ihr Fokus auf nachhaltige Technologie und die internationale Marktexpansion unterstreichen ihre strategische Position im Solarsektor.

Fazit

Diese neuesten Innovationen markieren einen großen und wichtigen Schritt nach vorn, um das volle Potenzial der Solarenergie zu realisieren. Solarenergie ist eine saubere und erneuerbare Ressource, die eine kraftvolle Alternative zu fossilen Brennstoffen bietet, die die Umwelt verschmutzen.

Da die globale Energienachfrage im kommenden Jahr voraussichtlich steigen wird und nachhaltige Solarenergie im Überfluss verfügbar ist, ist es unerlässlich, diese unbegrenzte Quelle sauberer Energie zu nutzen. Derzeit macht Solarenergie jedoch nur einen sehr geringen (einzelnen) Prozentsatz der gesamten globalen Stromerzeugung aus allen Quellen aus. Dies unterstreicht den dringenden Bedarf an kontinuierlicher Forschung, Entwicklung und Zusammenarbeit zwischen Regierungen und Organisationen, um die Nutzung von Solarenergie wirklich voranzutreiben und die ganze Welt mit Strom zu versorgen.

Klicken Sie hier für eine Liste der besten Solaraktien.