Läpimurto energiavarastoinnissa: Itsevarautuva superkondensaattori asettaa uudet standardit energiatehokkuudelle

Vuoden 2025 ensimmäinen viikko näki aurinkosijoitusten osakkeiden kokeneen mukavan nousun, kun Tesla (TSLA ) ilmoitti ennätykselliset energiavarastoinnin käyttöönotot.

Vuonna 2024 sähköautoyhtiö, jonka energiavarastointiyksikkö valmistaa asuin- ja kaupallisia akkuja aurinkoenergian varastointiin, asensi 31,5 gigawattituntia energiavarastotuotteita, kun lähes 35 % niistä (11 GWh) jaettiin pelkästään vuoden 2024 neljännessä neljänneksessä.

Kiinalainen akkuvalmistaja Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL), joka toimittaa Teslaan akkuja, julkaisi myös oman massatuotettavan energiavarastojärjestelmänsä nimeltä TENER viime vuonna. Järjestelmän kapasiteetti on 6,25 MWh ja energiateho 430 Wh/L, ja se saavuttaa viiden vuoden nolladegradaation.

Nämä suuret kehitykset energiavarastoinnin alalla ovat kriittisen tärkeitä kasvavan energiakysynnän vuoksi. Tämä kysyntä johtuu kasvavasta maailman väestöstä, urbanisaatiosta, talouskasvusta ja teknologisista edistysaskelista. Maailman sähkönkulutus, IEAn mukaan, odotetaan nousevan nopeammin seuraavien kolmen vuoden aikana. Se kasvaa keskimäärin 3,4 % vuodessa vuoteen 2026 asti.

Tässä energiavarastojärjestelmät voivat auttaa vastaamaan kasvavaan kysyntään tukemalla verkon sähkövarastoa, siirtoa ja jakelua. Siirtymällä varastomekanismeihin verkon operaattorit varmistavat verkon resilienssin ja luotettavuuden. Se poistaa myös riippuvuuden suuremmasta kasvihuonekaasupäästöjen (GHG) jalanjäljestä.

Joten, mitä tarkalleen ottaen on energiavarastointi? No, se on juuri sitä, mitä sanoo: energian varastointi. Tapa, jolla se tehdään on se, että tuotettu energia kaapataan ensin ja sitten varastoidaan myöhempää käyttöä varten, jotta kysyntä ja tarjonta voidaan paremmin sovittaa.

Nyt energia tulee eri muodoissa: sähköinen, lämpö, kineettinen, kemiallinen, säteily ja gravitaatiomuoto. Tämä tarkoittaa, että energian varastoimiseksi se on ensin muunnettava muotoon, joka voidaan todellisuudessa varastoida kunnes se voidaan muuntaa takaisin sähköenergiaksi.

Ladattava akku on yleinen energiavarastolaite. Se on puhelimessasi. Nämä akut varastoivat kemiallista energiaa, joka nopeasti muuttuu sähköksi. Toinen suosittu ja arvokas esimerkki on vesivoimalaitos. Ne hyödyntävät virtaavan veden energiaa, tuottavat sähköä ja varastoivat sen säiliöön.

Fossiiliset polttoaineet ovat myös energiavarastoja. Ne sisältävät kasvien ja eläinten miljoonia vuosia sitten hajonneesta auringonvalosta peräisin olevaa kemiallista energiaa. 

Innovaatio energiavarastoinnissa

Energia on modernin teollisuus-talouden kulmakivi. Se tarjoaa olennaisen komponentin lähes kaikille ihmistoiminnoille, ruoanlaitosta, lämmityksestä, valaistuksesta, terveydenhuollosta, koulutuksesta ja liikenteestä ruoan tuotantoon, teolliseen tuotantoon ja mineraalien louhintaan. Kun energia on niin kriittinen ihmiskunnan sivilisaatiolle, energiavarastointiin kiinnitetään paljon huomiota. 

Lämpöenergia-varastointi (TES) on tyyppi, joka sisältää kiinteä-tila, nestekaasu ja sulatettu suola -varastoinnin. Tämän teknologian ainutlaatuinen etu on lämmitys- ja jäähdytystarpeiden irrottaminen välittömästä energian tuotannosta ja saatavuudesta.

Pakkausilmavirta-energiavarastointi on toinen tapa varastoida energiaa; ilmaa pakataan varastointisäiliöihin, kun sähkön kysyntä on alhainen, ja vapautetaan, kun kysyntä on korkea. 

Vetyvarastointi on puolestaan nouseva energiavarastointiteknologia. Viime aikoina Kiina kytki suurimman integroidun fotovoltaiikki (PV)-vetyvarastointiprojektinsa Jiangsu-provinssissa verkkoon ja aloitti sähkön tuotannon. Tämä offshore-laitos yhdistää vedyn tuotannon, PV-sähkön tuotannon, tankkauksen ja energiavarastoinnin. Se odotetaan vähentävän CO2-päästöjä noin 309 400 tonnia vuodessa, 1 125,3 tonnia typpidioksidia ja 562,6 tonnia rikkidioksidia.

Akkukennot muuttavat energiavarastointia. Ne johtavat siirtymää kestävään energiajärjestelmään. Nopeimmin kasvavat alallaan, ne hallitsevat energiasektoria. Ja jatkuvan innovaation ansiosta ne tulevat älykkäämmiksi, paremmiksi ja halvemmiksi.

Vallankumouksellisessa tutkimuksessa muutama vuosi sitten, joka on ollut kehitteillä lähes vuosikymmenen, ruotsalaiset tutkijat Chalmersin teknillisestä yliopistosta ja KTH:n kuninkaallisesta teknillisestä instituutista loivat rakenteellisen akun, joka on 10‑kertaisesti parempi kuin mikään aikaisempi kokeilu. Rakenteellinen akku on energiavarastolaite, joka voi kantaa painoa osana rakennetta. 

Akkua varten tutkijat kerrostivat puskurilasikankaan positiivisen ja negatiivisen elektrodin väliin, täyttivät sen avaruusajan polymerielektrolyytillä ja kovettivat sen uunissa, mikä tuotti kestävän, litteän akkusolun, jonka energiateho on 24 Wh/kg, jäykkyys 25 GPa, ja se kestää veto- ja venytystestejä kaikissa suunnissa. Tämä \”massaton\” rakenteellinen akku on pääasiassa tarkoitettu sähköautoihin, mutta sitä voidaan käyttää sähköpyörissä, satelliiteissa, kannettavissa tietokoneissa ja lentokoneissa.

Tällä hetkellä tutkijat keskittyvät lisää parantamaan akkua, vaikka kaupallistamista ei ole vielä toteutettu.

Parempien ratkaisujen luomiseksi tutkijat etsivät nyt itsevarautuvia virtajärjestelmiä. Nämä järjestelmät keräävät energiaa ja varastoivat sen, mikä tekee niistä erittäin hyödyllisiä seuraavassa teknologia- aikakaudessa, jota merkitsee 5G-teknologia, esineiden internet (IoT) ja tekoäly (AI).

Nämä itsevarautuvat energiavarastolaitteet voivat tarjota vakaan, itsenäisen ja kestävän energian seuraavaa teollista vallankumousta varten.

Tähän mennessä on tehty monia yrityksiä integroida erilaisia energian keräysteknologioita energiavarastolaitteisiin. Tämä sisältää aurinkokennot, termoelektriset generaattorit,  triboelektriset nanogeneraattorit (TENG:t) ja piezoelektriset nanogeneraattorit (PENG:t). 

Uudessa tutkimuksessa tutkijat rakensivat korkean suorituskyvyn itsevarautuvan energiavarastolaitteen, joka voi tehokkaasti varastoida aurinkoenergiaa.

Uusi laite parantaa dramaattisesti olemassa olevien superkondensaattorilaitteiden suorituskykyä hyödyntämällä elektrodimateriaaleja, jotka perustuvat siirtymämetalleihin. Tutkijat loivat lisäksi uuden energiavarastointiteknologian yhdistämällä superkondensaattorit aurinkokennoihin saavuttaakseen korkean suorituskyvyn.

Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoa energiavarastojen tulevaisuudesta.

Itsevarautuvat energiavarastolaitteet

Tähtäimään seuraavan sukupolven korkean kapasiteetin energiavarastoihin, jotka vastaavat kasvavaan globaaliin energiankulutukseen ja lisääntyvään riippuvuuteen kannettavista ja älykkäistä elektronisista laitteista, itsevarautuvat laitteet ovat nousseet kestävään ja itsenäiseen virtalähde-ratkaisuun.

Yksi tällainen laite, joka kerää ja varastoi aurinkoenergiaa, on foto-superkondensaattori, joka yhdistää aurinkokennot ja superkondensaattorit. Piisiläpäätön aurinkokennot muuntavat aurinkoenergian sähköenergiaksi, ja superkondensaattori varastoi tämän energian. 

Viimeisimmässä tutkimuksessa, jota tuki Korean kansallinen tutkimusrahasto (NRF) -apuraha, rahoitettu Korean hallituksen (MSIT) toimesta sekä DGIST:n T&D-ohjelma, tutkijat esittelivät uuden itsevarautuvan energiavarastolaitteen, joka yhdistää piisiläpäätön aurinkokennot ja binaariset siirtymämetalli-superkondensaattorit.

Kiteinen piisiläpäätön fotovoltaiikki (PV) -teknologia, joka on laajimmin käytetty PV-teknologia, on itse asiassa lupaava uusiutuvan energian varastointiväline, ITRPV:n mukaan, joka raportoi teknologian kattavan jopa 95 % kokonaisasennuksista, 135 GW:sta vuonna 2022. 

Sillä välin, aurinkoenergialaitteiden joukossa, piilipohjaiset laitteet saavat paljon jalansijaa tulevaisuuden hallitsevana energialähteenä. Tämä johtuu niiden korkeasta energiamuunnostehokkuudesta, laajennetusta vakaudesta, runsaista materiaaleista, myrkyttömyydestä ja vakiintuneesta tuotantoteknologiasta, joka helpottaa skaalausta.

Superkondensaattoreita käytetään lupaavina ehdokkaina korkean suorituskyvyn laitteiden virranlähteenä niiden korkean luotettavuuden, suuren teho-tiheyden, pitkän syklielinkaaren ja lyhyen latausajan ansiosta.

Kuten tutkimus totesi, itsevarautuvat kondensaattorit ovat tarpeellisia nopean kasvun vuoksi kannettavien elektronisten laitteiden käytössä. Tämä on luonut tarpeen järjestelmälle, joka voidaan ladata nopeasti missä ja milloin tahansa. 

Sitten on kasvava riippuvuus uusiutuvista energialähteistä ympäristön suojelemiseksi ja kestävän kehityksen edistämiseksi. Aurinkoenergian käyttö vähentää itsevarautuvien järjestelmien tarvetta akkujen vaihtoon, samalla mahdollistamalla tehokkaan energiansaannin myös alueilla, joilla on rajoitettu pääsy sähköverkkoihin. 

Vielä yksi itsevarautuvien kondensaattorien ajava tekijä on superkondensaattorien nopea lataus- ja purkautumisominaisuus, mikä tekee niistä todella hyödyllisiä hätätilanteissa tai tilanteissa, joissa tarvitaan suurta energian kulutusta.

Korkean suorituskyvyn itsevarautuva superkondensaattori

Ottaen huomioon itsevarautuvien kondensaattorien tarve ja niiden monet hyödyt, viime kuussa julkaistussa Energy -lehdessä esiteltiin itsevarautuva laite, joka yhdistää superkondensaattorin piisiläpäätön aurinkokennon.

Suunnitellakseen elektrodeja, tutkimusryhmä käytti nikkeli (Ni)-pohjaista karbonaatti- ja hydroksidikomposiittimateriaalia. Sen jälkeen ryhmä lisäsi siirtymämetalliyhdisteitä, kuten mangaania (Mn), kobolttia (Co), kuparia (Cu), rautaa (Fe) ja sinkkiä (Zn), maksimoidakseen elektrodien johtavuuden ja vakauden.

Nämä siirtymämetalliyhdisteet mahdollistivat tiimille johtavuuden heikkenemisongelman ratkaisemisen, joka syntyy pelkästään Ni-ioneja käytettäessä. Näiden metalliyhdisteiden lisääminen mahdollisti binaaristen yhdisteiden luomisen elektrodimateriaalina, mikä tarjosi korkean sähkönjohtavuuden, käänteisen kapasiteetin ja rakenteellisen vakauden.

Tämä on parantanut merkittävästi elektrodin suorituskykyä, osoittaen merkittäviä edistysaskeleita energian ja tehon tiheydessä sekä lataus- ja purkautumisvakaudessa.

Kun tarkastellaan energiavarastointia painoyksikköä kohti, tutkimus saavutti 35,5 Wh kg⁻¹, mikä ylittää aiemmissa tutkimuksissa kirjattujen arvojen (5‑20 Wh kg⁻¹) tasot. Energiavirran määrä yksikköä kohti on 2555,6 W kg⁻¹, mikä on jälleen paljon korkeampi kuin aiempien tutkimusten 1000 W kg⁻¹.

Hyvin korkeammalla energiateholla ja teho‑tiheydellä viimeisin tutkimus osoittaa kyvyn vapauttaa suurempaa tehoa nopeasti. Näin epäsymmetrinen superkondensaattorilaite voi mahdollistaa välittömän energiansaannin, jopa suuritehoisille laitteille.

Tämä ei ole kaikki; tämä korkea suorituskyky koki vain minimaalista heikkenemistä toistuvissa lataus‑ ja purkautumissykleissä, mikä tekee siitä myös pitkän aikavälin käyttöön sopivan.

Tiimi yhdisti sitten tämän laitteen piisiläpäätön aurinkokennot, mikä mahdollistaa aurinkoenergian varastoinnin ja sen reaaliaikaisen hyödyntämisen. Tämä yhdistelmä saavutti energian varastointitehokkuuden jopa 63 %, kun laitteen yleinen hyötysuhde oli 5,17 %, mikä vahvistaa sen kaupallistamismahdollisuudet ja edistää merkittävästi energiavarastointiteknologian kehitystä.

“Tämä tutkimus on merkittävä saavutus, sillä se merkitsee Korean ensimmäisen itsevarautuvan energiavarastolaitteen kehittämistä, joka yhdistää superkondensaattorit aurinkokennoihin.”

– Jeongmin Kim, vanhempi tutkija DGIST:n nanoteknologian osastolla

Kim totesi lisäksi, että siirtymämetallipohjaisten komposiittimateriaalien hyödyntämisen avulla he ovat pystyneet ylittämään energiavarastolaitteiden rajoitukset ja luomaan kestävän energiaratkaisun.

Mutta se ei ole tutkimuksen loppu, kuten Damin Lee, Kyungpook National Universityn RLRC:n tutkija, totesi:

“Jatkamme jatkotutkimuksia, jotta voimme edelleen parantaa itsevarautuvan laitteen tehokkuutta ja lisätä sen kaupallistamismahdollisuuksia.”

Alalla toimivat yritykset

Katsotaanpa muutamaa yritystä, jotka tarjoavat ja edistävät energiavarastoratkaisuja.

1. Tesla (TSLA )

Tämä sähköajoneuvojen valmistaja on myös vahvasti mukana energiavarastomarkkinassa. Sen energiatuotteisiin kuuluvat Powerwall ja Megapack, jotka integroitavat kehittyneitä energiavarastoratkaisuja.

Markkina-arvolla 1,318 triljoonaa dollaria Tesla on maailman kahdeksas suurin yritys, kun taas sen toimitusjohtaja Elon Musk, joka on mukana myös X:ssä (entinen Twitter), SpaceX:ssä, Neuralinkissä ja The Boring Companyssa, on maailman rikkaimman miehen titteli, jonka nettovarallisuus on 437 miljardia dollaria.

Kirjoitushetkellä Teslan osake käy kauppaa 412,82 dollaria, mikä on noussut 1,63 % tänä vuonna. Tämä vihreä aloitus vuodelle 2025 yrityksen osakkeille tulee loistavan vuoden 2024 jälkeen, jolloin osakkeet nousivat noin 67 % arvossa. 

Mielenkiintoista on, että suuri osa Teslan nousuista on tapahtunut vuoden viimeisten kahden kuukauden aikana, jolloin sen osake nousi 75 % presidenttiehdokas Donald Trumpin voittaessa vuoden 2025 Yhdysvaltain presidentinvaalit. Musk oli itse asiassa vaalikierroksen suurin lahjoittaja, käyttäen vähintään 277 miljoonaa dollaria Trumin ja muiden republikaanisten ehdokkaiden tukemiseen.

Kun Trump astuu virkaan myöhemmin tässä kuussa, Teslalle odotetaan varmasti positiivisia kehityksiä. Jo ennen sitä yhtiö ilmoitti valmistaneensa noin 459 000 ajoneuvoa ja toimittaneensa yli 495 000 yksikköä Q4 2024. Tämän myötä Teslan kokonaisvalmistus vuonna 2024 on 1 773 443 ajoneuvoa, kun toimitukset olivat 1 789 226 yksikköä. Kuitenkin se kohtasi kasvavaa kilpailua kiinalaiselta jättiläiseltä BYD:ltä ja Yhdysvaltain perinteisiltä autonvalmistajilta, kuten Fordilta.

Kokonaiset Q4 2024 taloudelliset tulokset, mukaan lukien nettotulos ja kassavirta, ilmoitetaan Teslan toimesta 29. tammikuuta 2025. Edellisellä neljänneksellä yhtiö raportoi 25,18 miljardia dollaria liikevaihtoa ja 2,17 miljardia dollaria nettotulosta. Tänä aikana Teslan ajoneuvoliiketoiminnan liikevaihto nousi 2 % 20 miljardiin dollariin verrattuna Q3 2023:een, kun taas sen energian tuotanto- ja varastointiliiketoiminta kasvoi 52 % 2,38 miljardiin dollariin.

Samaan aikaan sen energiavarastoinnin käyttöönotto Q4:ssa asetti uuden ennätyksen 11,0 GWh:iin ja ennennäkemättömän 31,4 GWh:iin koko vuodelle. Vertailun vuoksi Tesla asensi 14,7 GWh energiavarastointia vuotta ennen sitä, mikä oli kaksinkertainen luku vuodelle 2022. Lisäksi vuonna 2020 Teslan energiavarastoinnin käyttöönotto oli vain 3,0 GWh, mikä osoittaa kymmenkertaista kasvua yrityksen varastokapasiteetissa vain neljän vuoden aikana.

Nämä luvut tulivat, kun Teslan gigatehdas Shanghaissa aloitti kokeilutuotannon tällä viikolla, ja massatuotanto odotetaan alkavan vuoden alussa.

2. Enphase Energy (ENPH )

Globaali energiateknologiayritys, joka laajentaa aktiivisesti markkina-aluettaan kotimaassa ja kansainvälisesti, on erikoistunut aurinkoenergiaratkaisuihin. Tämä sisältää mikroinvertterit, jotka muuntavat aurinkoenergian sähköksi, sekä energiavarastojärjestelmät asuin- ja kaupallisiin sovelluksiin.

Markkina-arvolla 9,74 miljardia dollaria ENPH:n osakkeet käyvät tällä hetkellä 72,15 dollaria, nousussa yli 5 % jo tänä vuonna. Nämä nousut seuraavat pettynyttä vuotta 2024, jolloin osakkeet laskivat yli 46 %. Samaan aikaan ENPH:n huippu oli joulukuussa 2022, jolloin osakekurssi ylitti 339 dollaria. Enphase Energylle on EPS (TTM) 0,44 ja P/E (TTM) 164,01.

Q3 2024: yritys raportoi 380,9 miljoonaa dollaria liikevaihtoa. Alueittain Yhdysvalloissa liikevaihto nousi 43 % edelliseen neljännekseen verrattuna, kun varastot palautuivat normaalille tasolle, kun taas Euroopassa liikevaihto laski 15 % kysynnän heikentymisen vuoksi. Enphase toimitti yhteensä 1 731 768 mikroinvertteriä tässä neljänneksessä, mikä vastaa 730 megawattia DC:tä ja 172,9 megawattituntia IQ®-akkuja.

Q4: Enphase Energy arvioi liikevaihdokseen 360–400 miljoonaa dollaria ja IQ‑akkujen toimituksiin 140–160 MWh. Netti-IRA-etu odotetaan olevan 38–41 miljoonaa dollaria.

Inflation Reduction Act (IRA) esiteltiin Bidenin hallinnon alla kaksipuolisella tuella. 369 miljardia dollaria sisältävä paketti, joka allekirjoitettiin lainsäädännöksi vuonna 2022, tarjosi kannustimia uusiutuvan energian edistämiseksi verohyvityksillä, avustuksilla ja investoinneilla. Tämä on ollut pelin muuttaja uusiutuvan energian alalla.

Q3:n lopussa Enphase Energyllä oli 1,77 miljardia dollaria käteistä, käteisenä vastaavia ja likvidejä arvopapereita, kun vapaa kassavirta oli 161,6 miljoonaa dollaria. Yritys tuotti samalla 170,1 miljoonaa dollaria kassavirtaa operaatioista.

Tänä aikana se lanseerasi myös tekoälypohjaisen ohjelmiston, jonka avulla kuluttajat voivat paremmin ymmärtää energiankulutustaan ja maksimoida säästönsä yhä monimutkaisemmassa energian hintamarkkinassa yhdistämällä aurinkoenergian ja kulutuksen arvion sähkön hintaan.

Yhteenveto

Kansainvälisen energiakysynnän jatkaessa merkittävää nousua, nopeammin kuin koskaan aiemmin, intensiivisten helleaaltojen, vahvan talouskasvun ja tietysti teknologioiden, kuten sähköautojen ja tekoälyn, kasvavan käyttöönoton vuoksi, tarvitaan energiavarastoratkaisuja, jotka voivat auttaa täyttämään tämän kysynnän. 

Tässä korkean suorituskyvyn itsevarautuvien energiavarastolaitteiden kehitys edustaa merkittävää askelta energiavarastoteknologian edistymisessä ja globaalin energiakysynnän täyttämisessä. Vaikka ne eivät ole vielä kaupallistettuja, tällaiset innovaatiot voivat auttaa varmistamaan vakaan ja luotettavan energiansaannin sekä avata valtavan potentiaalin uusiutuvan energian integroinnissa!

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista akkuosakkeista.