Aurinkoenergian varastointiratkaisut: Tehokkuus noussut ‘yli yhden suuruusluokan’ muuntamisläpimurrossa

“Maailman kyky tuottaa uusiutuvaa sähköä laajenee nopeammin kuin missään muussa ajassa viimeisen kolmen vuosikymmenen aikana,” sanoi International Energy Agency raportti, joka julkaistiin aiemmin tänä vuonna.

Tämä kasvu, Pariisissa toimivan itsenäisen valtioiden välisten organisaation mukaan, tarjoaa “todellisen mahdollisuuden saavuttaa” globaalin kapasiteetin kolminkertaistamistavoitteen, joka asetettiin COP28 -ilmastokonferenssissa, tämän vuosikymmenen loppuun mennessä.

Uusiutuva kapasiteetti on kasvanut merkittävästi viimeisen vuosikymmenen aikana, ja aurinkoenergia on siinä merkittävä rooli. Vuonna 2023 uusiutuvat lähteet tuottivat 30 % maailman sähköstä, ja aurinko‑PV vastasi kolmesta neljästä maailman uudesta uusiutuvan kapasiteetin lisäyksestä.

Tämä on järkevää, kun otetaan huomioon, että aurinkoenergian kustannukset jatkavat laskua, ja se on halvempi kuin kivihiili. Taloudellisten hyötyjen, kuten pitkän aikavälin kustannusvarmuuden, lisäksi aurinkoenergia lisää myös resilienssiä ja vähentää hiilidioksidipäästöjä.

Kuitenkin näistä eduista huolimatta ja siitä, että 50 % maailman lopullisesta energiankulutuksesta käytetään lämmitykseen, aurinkoenergian käyttö on edelleen alhainen verrattuna fossiilisiin energialähteisiin.

Tämä johtuu siitä, että aurinkoenergialla on omat rajoitteensa, kuten saatavuuden puuttuminen yöllä, kun taas huippuenergiankulutus tapahtuu yleensä iltaisin. Lisäksi ilmastonmuutos vaikuttaa sekä kysyntään että tarjontaan.

“Meidän on pohdittava, miten ilmastonmuutos vaikuttaa energiajärjestelmään kokonaisuudessaan, koska valitettavasti mikään sähköntuotantojärjestelmä ei ole immuuni ilmastonmuutoksen vaikutuksille.”

– Romany Webb, Sabin Center for Climate Change Law -osaston varapuheenjohtaja Columbia Climate Schoolissa

Ilmastovaikutusten osalta yhä yleisemmät helleaaltoja tekevät aurinkopaneeleista vähemmän tehokkaita, kun taas jäähdytyksen kasvava kysyntä rasittaa verkkoa ja vaikuttaa negatiivisesti järjestelmään. Hurrikaanien on todettu vähentävän fotovoltaisessa tuotannossa 18 %–60 %, kun taas trooppiset syklonit voivat vähentää aurinkosäteilyä 80 %. Äärimmäiset sääilmiöt, kuten tuulivahingot, voivat lisäksi vahingoittaa aurinkoenergian infrastruktuuria.

Näiden rajoitteiden vuoksi tehokas aurinkoenergian varastointi voi avata runsaasti mahdollisuuksia.

Tehokkaat varastointiratkaisut mahdollistavat ylimääräisen energian varastoinnin huippukäyttöön, kun aurinko laskee. Näin sähkökuormat voidaan tasapainottaa kysynnän ja tarjonnan mukaan, mikä mahdollistaa tasaisen energian virtauksen.

Aurinkoenergian varastointi tarjoaa myös suojan häiritsevien tapahtumien, kuten metsäpalojen, aikana, jolloin energian verkko on altis katkoille.

Mitä nämä varastointiratkaisut ovat? Ne kuuluvat yleensä kolmeen pääluokkaan: akku-, mekaaninen- ja lämpövarastointi. Näistä akut, erityisesti litiumioniakut, ovat yleisin ja kustannustehokkain tapa aurinkoenergian varastointiin.

Tutkijat kuitenkin kehittävät jatkuvasti uusia innovaatioita. Uusi tapa kerätä ja varastoida aurinkoenergiaa tehokkaammin perustuu vähän tutkittuihin sensitisointistrategioihin.

Tehokkaampi aurinkoenergian keräys ja varastointi

Pääkysymyksen, eli rajoitetun globaalin aurinkoenergian käytön – sen saatavuuden epäsäännöllisyyden – ratkaisemiseksi tutkijat Johannes Gutenberg -yliopistosta Mainzista (JGU) ja Siegenin yliopistosta ovat kehittäneet molekyylijärjestelmiä aurinkoenergian varastointiin.

Toisin kuin perinteiset lämpöenergiavarastojärjestelmät, jotka varastoivat energiaa vain lyhytaikaisesti, molekyylipohjaiset aurinkoenergian varastointijärjestelmät voivat säilyttää sen pidempään, useista viikoista kuukausiin. Tämä johtuu siitä, että aurinkoenergia varastoituu kemiallisina sidoksina.

Molekyylipohjaisten aurinkoenergian varastointijärjestelmien toiminta perustuu siihen, että erikoistuneet molekyylit tai valosäätimet (photoswitches) absorboivat aurinkoenergian ja vapauttavat sen myöhemmin lämmönä tarpeen mukaan.

Myös tässä järjestelmässä on haasteita. Keskeinen ongelma valosäätimien (photoswitches) aktivoimisessa on tasapaino tehokkaan aurinkovalon absorptio- ja energian varastointikapasiteetin välillä. Tämä rajoittaa molekyylipohjaisten aurinkoenergian varastointijärjestelmien kokonaiskykyä.

Joten Mainz- ja Siegenin tutkimusryhmä suoritti tutkimuksen ratkaistakseen tämän ongelman uudella lähestymistavalla.

Uusi valosäätimien (photoswitches) luokka esiteltiin alun perin Siegenissä, ja se osoitti uskomatonta energian varastointipotentiaalia perinteisiin litiumioniakkuihin verrattuna.

Yleisimmin käytetty akkujen kemia, nämä akut koostuvat yhdestä tai useammasta litiumioni-solusta sekä piirilevystä. Litiumioni-solussa on elektrodeja, anodi, katodi, sähköä johtava elektrolyytti, virrankerääjät ja erotin. Valosäätin (photoswitch) on puolestaan molekyyli, joka muuttaa rakenteellista geometriaa ja kemiallisia ominaisuuksia altistuessaan elektromagneettiselle säteilylle.

Uudella valosäätimellä, vaikka sillä on poikkeuksellinen energian varastointipotentiaali, toiminnallisuus oli rajoitettu ultraviolettivalon (UV) aktivoimiseen. UV-valon aallonpituus on 10–400 nanometriä, ja se muodostaa vain pienen osan aurinkospektristä.

Uusin tutkimus ehdotti epäsuoraa valonkeräystekniikkaa. Tämä muistuttaa valonkeräystä fotosynteesissä. Tässä otetaan käyttöön toinen yhdiste, sensitaattori, joka omaa erinomaiset näkyvän valon absorptiokyvyt. JGU:n kemian laitoksen professori Christoph Kerzig, joka johti tutkimusta yhdessä tohtoriopiskelija Till Zähringerin kanssa, totesi:

“Tässä lähestymistavassa sensitaattori absorboi valoa ja siirtää energian sen jälkeen valosäätimelle, jota ei voida suoraan aktivoida näissä olosuhteissa.”

Tämän uuden lähestymistavan avulla tutkimusryhmät ovat parantaneet aurinkoenergian varastointitehokkuutta yli yhdellä suuruusluokalla. Tämä merkittävä edistys energian muuntamisessa avaa mahdollisia sovelluksia sekä kotitalouksien lämmitysratkaisuihin että laajamittaiseen energian varastointiin.

Mainzissa toimiva tutkimusryhmä suoritti myös perusteellisia spektroskopisia analyysejä tutkiakseen monimutkaista järjestelmää ja ymmärtääkseen sen taustalla olevan mekanismin.

Yksityiskohtaisen ymmärryksen saaminen siitä, miten järjestelmä toimii, auttaa “työntämään valonkeräyksen rajoja merkittävästi,” sanoi ensimmäinen kirjoittaja Zähringer, lisäten että se voisi myös parantaa valon muuntamistehokkuutta varastoiduksi kemialliseksi energiaksi.

Käyttöolosuhteissa jokainen absorboitu fotoni pystyy käynnistämään kemiallisten sidosten muodostusprosessin. Tämä on harvoin havaittavissa fotokemiallisissa reaktioissa useiden energiahäviökanavien vuoksi.

Tutkijat vahvistivat onnistuneesti järjestelmän käytännöllisyyden kestävyyden kierrättämällä energian varastointi- ja vapautustilaa useita kertoja aurinkoenergian avulla, korostaen järjestelmän potentiaalia todellisissa sovelluksissa.

Uusimmat kehitykset aurinkoenergian keräyksessä ja varastoinnissa

Kun otetaan huomioon aurinkoenergian suuri rooli uusiutuvan energian sekoituksessa, se on kasvava keskus tutkijoiden, yritysten ja hallituksen aloitteiden keskuudessa, jotka pyrkivät syventämään ymmärrystään siitä, miten kaikki toimii, ja kehittämään parempia ratkaisuja energian keräämiseen ja varastointiin.

Uusi NC State Universityn tutkimus on keskittynyt syvällisempään ymmärrykseen siitä, mitä orgaanisissa soluissa tapahtuu, kun auringonvalo muuntuu sähköksi. Valon energian muuntumisen sähkövarauksiksi tapahtuvia rajapintoja visualisoidakseen tutkijat kehittivät uuden menetelmän, skannausproben mikroskopian, ja käyttivät sitä aurinkokennojen tehokkuuden parantamiseen.

Hiiliperäisistä polymeerimateriaaleista valmistetut orgaaniset aurinkokennot voivat soveltua joustaviin ja kevyisiin aurinkoenergiaratkaisuihin sekä puoliksi tai täysin läpinäkyviin ikkunasovelluksiin, mutta ne eivät ole yhtä tehokkaita kuin perovskiitti- tai piisirun aurinkoteknologiat valon muuntamisessa sähköksi.

Tämä johtuu siitä, että nämä kennot koostuvat kahden materiaalin seoksesta; toinen kerää elektroneja (lahjoittaja), mutta sen on sitten vuorovaikutettava toisen kanssa siirtääkseen ne (vastaanottaja), ja näiden kahden välinen rajapinta aiheuttaa jännitehäviön, mikä rajoittaa orgaanisten aurinkokennojen tehokkuutta.

Uusin tutkimus havaitsi, että sekä energian ero lahjoittaja- ja vastaanottajamateriaalien välillä että energinen häiriö rajapinnoilla aiheuttavat jännitehäviön.

NC State Universityn materiaalitieteen ja tekniikan professori ja yhteiskirjoittaja Aram Amassian mukaan materiaalien valinta, joilla on minimaaliset energian poikkeamat, vähentää jännitehäviöitä. Liuottimen ja prosessointiparametrien, jotka vähentävät rajapinnan häiriöitä, avulla voidaan edelleen vähentää energia-häviöitä.

Toinen äskettäinen tutkimus otti tehtäväkseen luotettavasti arvioida kotitalouksien energian varastointijärjestelmien kapasiteettia saadakseen käsityksen tehokkaiden asuinrakennusten PV-järjestelmien tulevasta käyttöönotosta.

Tähän tarkoitukseen tutkijat esittelivät skaalautuvan kapasiteetin arviointimenetelmän, joka sisältää kolme keskeistä vaihetta: määrittäminen, milloin varastojärjestelmä on täydessä kapasiteetissa ja milloin se on tyhjä, sekä kapasiteetin laskeminen näiden kahden tilan välillä.

Sitä käytettiin mittaamaan 21 litiumioniakkuun perustuvaa järjestelmää yksityisissä kotitalouksissa Saksassa kahdeksan vuoden aikana. Analyysi paljasti, että keskimäärin järjestelmät menettivät 2–3 % kapasiteetistaan vuosittain.

Huomionarvoista on, että menetelmää voivat käyttää valmistajat ja aurinkoenergia-alan yritykset arvioidakseen energian varastojärjestelmiensä kapasiteettia. Lisäksi tutkijat julkaisivat laajan tietoaineiston, joka koostuu 14 miljardista datapisteestä yli 100 vuoden ajalta, ja jota voidaan käyttää lisätutkimuksiin tai laskennallisten mallien kouluttamiseen.

Tänä vuonna kesäkuussa tutkijat myös kehittivät innovatiivisen valonkeräysjärjestelmän, joka voi “absorbata suuren määrän valonenergiaa suhteellisen ohut kerros” -kaltaisesti kuin luonnolliset valonkeräysjärjestelmät.

Omalla energiakaistarakenteella, joka on samanlainen kuin epäorgaanisilla puolijohteilla, se voi absorboida valoa panchromatisesti koko näkyvän spektrin alueella, ja käyttämällä korkeita absorptiokertoimia orgaanisista väriaineista se pystyy absorboimaan paljon energiaa.

Järjestelmässä on neljä erilaista merosyaniiniväriainetta, jotka ovat taitettu ja pinottu tiiviisti yhteen, mahdollistaen erittäin nopean ja tehokkaan energian kuljetuksen sen sisällä. Järjestelmä on osoittautunut kykeneväksi muuntamaan 38 % säteilyvalon energia.

Tehokkaan aurinkoenergian varastoinnin ja muuntumishäviöiden vähentämiseksi tutkijat eri puolilta maailmaa kokoontuivat myös tänä vuonna tutkimaan valon- ja elektrokemiallisten muunnosten dynamiikkaa suunnitellakseen paremmin haluttuihin toimintoihin sopivan molekyylin.

Tutkijat tarkastelevat tätä norbornadieeniä, joka on hiilivetyisomerilla kaksi molekyylirengasta, ja UV-valolle altastuessaan se muuntuu voimakkaammin jännitteiseksi quadricyclaneksi.

Kun norbornadieeni-quadricyclane-järjestelmän puhdas energiatihentymä on verrattavissa litiumioniakkuun, jos sen käänteismuunnosta voidaan hallita luotettavasti, se voi mahdollistaa tehokkaan aurinkomoduulin, joka soveltuu myös sähkön varastointiin.

Keskittyminen hiilivety-molekyyleihin tarjoaa kustannustehokkaan menetelmän, joka ei vaadi harvinaisia metalleja ja voidaan helposti kierrättää tai hävittää. Kaikki nämä viimeaikaiset kehitykset alalla ovat osoitus kasvavasta keskittymisestä aurinkoenergian käyttöönoton lisäämiseen maailmanlaajuisesti.

Yritykset, jotka hyötyvät edistymisestä

Tarkastelemme nyt kahta merkittävintä nimeä, jotka voivat hyötyä tai tarjota tällaisen molekyylisen aurinkoenergian varastointijärjestelmän. Nämä kaksi nimeä ovat NextEra Energy, Inc. (NEE ) ja Enphase Energy, Inc. (ENPH ), jotka molemmat ovat Yhdysvalloissa toimivia yrityksiä ja aktiivisesti mukana uusiutuvassa energiassa.

1. NextEra Energy (NEE )

Tunnettu investoinneistaan uusiutuviin energiateknologioihin, NextEra Energy voi hyötyä tällaisesta teknologiasta varastointitehokkuuden osalta.

Markkina-arvonsa ollessa 161 miljardia dollaria, NextEra‑osakkeet käyvät tällä hetkellä hintaan 78,37 $, nousua yli 29 % tänä vuonna. Yrityksellä on EPS (TTM) 3,37 ja P/E (TTM) 23,24, ja se maksaa osinkotuoton 2,63 %.

Energia‑infrastruktuuriyritys raportoi äskettäin raportoinut taloudelliset tulokset 3Q24:stä, paljastaen, että sen nettotulos nousi 1,85 miljardiin dollariin, verrattuna 1,29 miljardiin dollariin vuoden 2023 Q3:ssä. Säädetyt osakekohtaiset tulokset kasvoivat samalla 10 % vuodesta toiseen. Nämä tulokset, toimitusjohtaja John Ketchumin mukaan, osoittavat “jatkuvaa vahvaa taloudellista ja operatiivista suorituskykyä”.

Sillä välin NextEra Energyn omistama Florida Power & Light Company (FPL) teki 1,29 miljardia dollaria nettotulosta, samalla kun sen pääomamenot olivat 2 miljardia dollaria, ja sääntelypääoma kasvoi 9,5 % vuodesta toiseen. Puhuessaan Floridan asiakkaita, joita Hurrikaanit Helene ja Milton vaikuttivat, Ketchum totesi, että FPL:n “investoinnit vahvistamiseen ja älyverkko‑teknologiaan estivät satojen tuhansien katkosten syntymisen”.

Nyt NextEra Energy Resources on toisen peräkkäisen neljänneksen ajan lisännyt noin 3 gigawattia uusia uusiutuva- ja varastointiprojekteja tilauskantaansa. Se myös ilmoitti sopimuksista kahden Fortune‑50‑asiakkaan kanssa uusiutuvien ja varastointiprojektien kehittämiseksi, yhteensä 10,5 gigawattia vuoteen 2030 mennessä.

“Liiketoimintojemme jatkuva vahva suorituskyky sekä mittakaavamme, kokemuksemme ja teknologiamme mahdollistavat meille hyödyntää kasvavan energian kysynnän tuoman mahdollisuuden alallamme.”

– Ketchum, NextEra Energyn toimitusjohtaja

Viime viikolla johtava puhtaan energian yritys solmi sopimuksen myydä 1,5 miljardia dollaria arvosta omia osakeyksiköitään suurille rahoituslaitoksille, mukaan lukien Goldman Sachs, J.P. Morgan ja Mizuho. Varat käytetään AI‑aiheisiin energia‑ ja voimaprojekteihin sekä maksamaan sen jäljellä olevat kaupalliset arvopaperivelvoitteet.

Kun AI‑hulluus johtaa kasvavaan energian kysyntään AI‑datakeskuksista ja yritys keskittyy laajentamaan uusiutuvan energian liiketoimintaansa, NextEra Energy myös toteuttaa tutkimuksia ja keskusteluja liittovaltion sääntelijöiden kanssa Duane Arnold -ydinvoimalan uudelleenkäynnistämisestä Iowassa.

2. Enphase Energy, Inc. (ENPH )

Erikoistunut aurinkoinverttereihin ja varastointiin, Enphase Energy voisi myös mahdollisesti laajentaa toimintaansa sisältämään innovatiivista molekyylivarastointia, jos se on kaupallisesti toteuttamiskelpoinen, parantaen energian resilienssiä ja tehokkuutta kuluttajilleen.

Markkina-arvonsa ollessa 11,8 miljardia dollaria, Enphase‑osakkeet käyvät tällä hetkellä hintaan 87,46 $, laskien 33,87 % tänä vuonna. Yrityksellä on EPS (TTM) 0,44 ja P/E (TTM) 198,82. Q3‑2024 aikana globaali energiateknologiayritys raportoi liikevaihdoksi 380,9 miljoonaa dollaria ja ei‑GAAP‑bruttokatteeksi 48,1 %. Tänä aikana Enphase toimitti yli 1,73 miljoonaa mikroinvertteriä ja 172,9 MWh akkuja.

Maailman johtava mikroinvertteripohjaisten aurinko‑ ja akkujärjestelmien toimittaja päätti neljänneksen 161,6 miljoonan dollarin vapaan kassavirran kanssa, kun käteinen, käteisvastineet ja myytävät arvopaperit olivat 1,77 miljardia dollaria.

Tänä aikana Enphase lanseerasi AI‑pohjaisen ohjelmiston energian käytön optimoimiseksi integroimalla aurinko‑ ja kulutuksen ennusteen sähkön hintojen kanssa, jotta kuluttajat voivat maksimoida säästöt.

Lokakuussa yritys alkoi toimittaa IQ8™‑mikroinverttereitä tukemaan uudempia, korkea‑tehoisia aurinkopaneeleja valituissa maissa, laajensi tukeaan verkko‑palveluohjelmille (tai virtuaalisille voimantuotantolaitoksille) valituissa Yhdysvaltojen osavaltioissa, ja lanseerasi IQ8X‑mikroinverttereitä, joilla on pisin standardi asuin‑takuu, 25 vuotta, Australiassa.

Kahden kuukauden aikana ennen tätä se lanseerasi tähän mennessä tehokkaimman Enphase Energy -järjestelmän, ilmoitti ratkaisun perinteisten netti‑energiamittaus (NEM) aurinkoenergisysteemien laajentamiseksi Kaliforniassa ilman sakkoa, lanseerasi NACS‑liittimet IQ‑EV‑lataajille, ja toimitti IQ8‑mikroinverttereitä tukemaan uudempia, korkea‑tehoisia aurinkomoduuleja valituissa maissa Euroopassa. Se myös esitteli IQ Energy Management -järjestelmän, jonka avulla voidaan tukea dynaamisia sähkön hintoja ja kolmansien osapuolten EV‑lataajien ja lämpöpumppujen integrointia Alankomaissa.

Yritys valmistautuu nyt toisen sukupolven IQ®‑EV‑lataajan, 3‑vaiheisen IQ‑akun varmuuskopioinnilla, sekä IQ®‑Balcony‑Solar‑paketin lanseeraamiseen Euroopan markkinoilla, kun taas sen neljännen sukupolven energiajärjestelmä, jossa on IQ®‑Meter‑Collar, 10 kWh IQ‑akku ja parannettu IQ®‑Combiner, tulee esittelyyn Yhdysvalloissa ensi vuoden alussa.

Kaiken kaikkiaan Enphase‑myynti Euroopassa laski 15 % Q2:sta johtuen “lisästä heikentymisestä Euroopan kysynnässä”, kun taas varaston palautuminen normaalitasolle nosti Yhdysvaltain liikevaihdon 43 % peräkkäin.

Yhteenveto

Kansainvälisen uusiutuvan energian edistämisen keskellä aurinkoenergia on noussut merkittäväksi tarjoajaksi puhtaalle ja runsaille ratkaisulle. Kuitenkin sen maailmanlaajuinen käyttöönotto on vaikuttanut kustannusten, tehokkaampien ratkaisujen ja infrastruktuurin puutteen sekä muiden tekijöiden vuoksi.

Viimeaikaiset edistysaskeleet, jotka vaihtelevat molekyylisistä aurinkoenergian varastointiratkaisuista orgaanisten aurinkokennojen innovaatioihin, tarjoavat suuren potentiaalin tehdä aurinkoenergiasta tehokkaampaa, auttaa täyttämään globaalin energian kysynnän myös haastavissa olosuhteissa ja raivaa tietä kestävälle tulevaisuudelle.

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista aurinkoenergiaosakkeista.