Kestävästä energiasta tehtävä etsintä johtaa epätavallisiin löydöksiin

Maailman energiankulutus kasvaa kiihtyvällä tahdilla. Vuonna 2023 kasvu oli 2,2 %, verrattuna vuosittaiseen keskiarvoon 1,5 % vuosina 2010–2019.

Tämä nopeampi energiankulutuksen nopeus on pääasiassa Kiinan johdosta, joka +6,6 % oli kaksinkertainen sen 2010–2019 keskiarvoon verrattuna. Muita osallistujia ovat Intia, Iran, Brasilia, Yhdistyneet arabiemiirikunnat, Algeria, Vietnam ja Indonesia. Vastaavasti energiankulutus laski Japanissa, Etelä-Koreassa, Etelä-Afrikassa ja EU:ssa, ja se pysyi vakaana Yhdysvalloissa.

Kaiken kaikkiaan maailman energiankulutus on kasvanut noin kolmasosan vuodesta 2000. Tällä hetkellä arvioitu 580 miljoonaa terajoulea, tätä vuotuista maailman energiankulutusta on ennustettu nousevan 740 miljoonaan terajouleen vuoteen 2040 mennessä.

Kuitenkin huolestuttavin osa on, että suurin osa tästä energiasta—83 %—tulee fossiilisista polttoaineista, joista öljy on suurin energialähde, jota seuraavat kivihiili ja maakaasu, jotka vapauttavat valtavia määriä CO2:ta ilmakehään.

Tämä vaatii kiireellistä tarvetta innovoida vihreässä energiassa. Vaikka uusiutuva energia odotetaan kasvavan, tämä lisäys on vain 4 %, mikä nostaa sen 6 %:iin maailman ensisijaisesta energiankulutuksesta.

Joten tämän globaalin energiajärjestelmän muutosvaatimuksen taustalla aurinkoenergia on noussut potentiaaliseksi pelin muuttajaksi. Tämä johtuu siitä, että auringon tuottamalla energialla on potentiaalia virrata koko maailmalle ja enemmänkin.

Maa tarvitsee vain muutaman tunnin aurinkoenergiaa voidakseen tarjota koko maailmalle energiaa, jota se tarvitsee koko vuodeksi. 

Se on myös puhtain ja runsaimmin saatavilla oleva uusiutuva energialähde. Lisäksi sillä on etuna hiilineutraalius, energian kustannusten aleneminen, paljon pienempi ympäristövaikutus sekä parempi energian saatavuus ja turvallisuus.

Tietenkin aurinkoenergian hyödyntämiseen liittyy useita haasteita; muuten käyttäisimme sitä jo laajasti. Ensisijaisen haasteen, aurinkoenergian epäsäännöllisyyden, lisäksi, koska aurinko ei paista koko päivän, on olemassa lisähaasteita, jotka liittyvät sijaintiin, varastointiratkaisuihin ja tarvittavaan teknologiaan energian hyödyntämiseksi.

Kun puhutaan aurinkoenergian hyödyntämisestä, on olemassa muutamia tapoja kaapata auringon säteilyä ja muuntaa se energiaksi.

Yksi menetelmä on käyttää aktiivista aurinkoenergiaa, joka sisältää sähkö- tai mekaanisten laitteiden käyttöä aurinkoenergian muuntamiseksi aktiivisesti toiseen energiamuotoon. Tämä saavutetaan fotovoltaisilla (PV) tai keskittyneellä aurinkovoimalla (CSP).

PV:ssä auringonvalo muutetaan sähköksi puolijohdemateriaalien avulla, jotka osoittavat fotovoltainen vaikutus. PV-teknologia tunnetaan yleisemmin aurinkopaneeleina, jotka koostuvat aurinkokennoista, joista jokainen sisältää puolijohteen, joka luo sähkövirran absorboimalla auringonvaloa.

CSP:ssä linssit ja peilit keskittävät auringonvaloa laajalta alueelta paljon pienemmälle alueelle sähkön tuottamiseksi. Aurinkouunit, joihin sisältyy erilaisia tyyppejä, kuten aurinkovoimatorneja ja parabolisia kanavia, ovat esimerkkejä keskittyneestä aurinkoenergiasta.

Toinen menetelmä on käyttää passiivista aurinkoenergiaa, joka ei käytä ulkoisia laitteita vaan hyödyntää paikallista ilmastoa. Esimerkiksi rakennuksen suunnittelu saamaan haluttua määrää auringonvaloa ja rakennusten rakentaminen lämpöeristyksellä ovat esimerkkejä tästä menetelmästä. Muita esimerkkejä ovat viileät katot ja vihreät katot.

Kuitenkin tämä ei ole aurinkoenergian hyödyntämisen tekniikoiden loppu. Ottaen huomioon sen valtavan potentiaalin, tutkijat etsivät jatkuvasti uusia tapoja kaapata aurinkoenergiaa ja muuntaa se hyödylliseksi energiaksi, sekä tehdä siitä kustannustehokasta ja tehokkaampaa, jotta se voi olla todellisesti hyödyllinen jokapäiväisessä elämässämme. 

Aurinkoenergian tuottaminen puhelimista ja autoista  

Oxfordin yliopiston tutkijat ovat äskettäin tehneet mielenkiintoisen kehityksen aurinkoenergia-alalla. Tämän teknologian avulla aurinkoenergiaa voidaan tuottaa autojen ja matkapuhelimien pinnoilta.

Lähde: Oxford University

Kyllä, kuulit oikein: sen sijaan että asennettaisiin rivejä ja rivejä piisirupohjaisia aurinkopaneeleja, voidaan tuottaa yhä enemmän aurinkoenergiaa yksinkertaisesti arkipäiväisten esineiden avulla.

Tämä innovaatio on mahdollinen uuden, näiden esineiden pinnoille päällystetyn energian tuottavan materiaalin ansiosta. Valoa absorboiva materiaali on niin ohut ja joustava, että sitä voidaan käyttää melkein kaikilla pinnoilla. Tämä mullistava lähestymistapa sisältää useiden valoa absorboivien kerrosten pinottamisen yhdeksi aurinkokeskukseksi. 

Tähän Oxfordin yliopiston fysiikan laitoksen tiedemiehet kehittivät tekniikan, jonka avulla he pystyivät hyödyntämään laajempaa valospektriä, tuottaen enemmän energiaa samasta auringonvalon määrästä.

Materiaalin, ohutkalvo-perovskiitin, on myös itsenäisesti sertifioinut Japanin Kansallinen edistyneen teollisen tieteen ja tekniikan instituutti (AIST), ja se saavuttaa yli 27 % energiatehokkuuden. Nämä luvut vastaavat piifotovoltaisten suorituskykyä, jotka ovat perinteisiä, yksikerroksisia energian tuottavia materiaaleja.

Tutkijoiden mukaan vain viiden vuoden kokeilujen jälkeen moniyhteys- tai pinontamenetelmällä he ovat nostaneet energian muuntosuhdetta noin 21 %. Tämä tarkoittaa, että alun perin noin 6 %:n tehokkuudesta he voivat nyt muuntaa yli 22 % auringonvalon energiasta.

“(Heidän tekniikkansa) saattaa mahdollistaa fotovoltaisien laitteiden saavuttaa paljon suurempia hyötysuhteita, ylittäen 45 % (tulevaisuudessa).”

Energiatehokkuuden lisäksi materiaalin monipuolisuus on toinen tärkeä tekijä. Materiaali on ultraohut, juuri yli yksi mikroni (0,001 mm) paksu, mikä tekee siitä lähes 150‑kertaisesti ohuemman kuin piisiru. Piisirut ovat yleensä 0,5 mm:n ja 400 mikronin (0,4 mm) välillä, kun 2–25 mikronin alue on varattu erityistieteellisiin tarkoituksiin.

Uuden materiaalin ohut rakenne tarkoittaa, että sitä voidaan käyttää ei vain tavallisissa esineissä ja rakennuksissa, vaan periaatteessa lähes kaikilla pinnoilla, toisin kuin nykyiset fotovoltat.

Uusien materiaalien käyttöä pinnoitteena korostaen tohtori Junke Wang totesi: “(He ovat) osoittaneet, että voimme jäljitellä ja ylittää piin suorituskyvyn samalla kun saamme joustavuutta. Tämä on tärkeää, koska se lupaa enemmän aurinkoenergiaa ilman tarvetta niin monille piipohjaisille paneeleille tai erikoisvalmistetuille aurinkovoimalaitoksille.”

Tämän uuden lähestymistavan odotetaan tekemään aurinkoenergiasta kestävin uusiutuvan energian muoto ja edelleen alentamaan kustannuksia, jotka ovat jo pudonneet jopa 90 % viimeisten 14 vuoden aikana.

World Economic Forumin mukaan vuonna 2010 aurinkofotovoltaisista megawattitunnin tuottaminen maksoi maailmanlaajuisesti keskimäärin 378 $, ilman tukia, ja hinta laski 2019 vain 68 $:iin. Aurinkoenergia on nyt halvempaa kuin kivihiili ja ydinvoima, ja lähes yhtä taloudellisesti tehokasta kuin maalla oleva tuuli. Vaikka tuulivoiman kustannukset ovatkin myös laskeneet tänä aikana, ydin- ja kivihiilen hinnat ovat joko nousseet tai kokeneet vain pienen laskun.

Nyt innovaatiot, kuten ohutkalvo-perovskiitti, lupaavat lisäsäästöjä vähentämällä piipaneelien ja erikoisvalmistettujen aurinkovoimalaitosten tarvetta.

Tutkijoiden mukaan tämä viimeisin innovaatio voi muodostua omaksi teollisuudekseen, jossa valmistetaan materiaaleja ja tuotetaan aurinkoenergiaa edullisesti ja kestävästi käyttämällä olemassa olevia esineitä.

‘Artificial Leaf’ puhtaiden polttoaineiden tuottamiseen

Tiedemiehet eivät ainoastaan tee mahdolliseksi aurinkoenergian edullista tuottamista arkipäiväisillä esineillä, vaan he myös uudistavat fotosynteesiä ja siten mullistavat tapaa, jolla tuotamme puhtaita polttoaineita.

Vuonna 2019 Cambridgein yliopiston tutkijat asettivat uuden mittapuun, kun he onnistuivat luomaan keinotekoisen lehteä, joka tuotti synteettistä kaasua (syngas) pelkästään auringonvalon, hiilidioksidin ja veden avulla. 

Lähde: Cambridge University

Syngas on fossiilisista polttoaineista valmistettu kaasu, joka koostuu vedystä ja hiilimonoksidista, ja sitä käytetään muovien, lääkkeiden, polttoaineiden ja lannoitteiden valmistukseen. Koska olemme tottuneet tuottamaan tuotteita, joita kulutamme päivittäin, on ratkaisevan tärkeää löytää tapoja “tuottaa se kestävästi.”

Tässä tulee keinotekoisen lehteä, joka on hiilineutraali laite, jota auringonvalo ohjaa eikä vapauta CO2:ta ilmakehään. Lisäksi, vaikka se toimii auringonvalolla, keinotekoinen lehti toimii tehokkaasti myös pilvisinä ja sumuisina päivinä. 

Inspiroituneina fotosynteesistä, luonnollisesta prosessista, jossa kasvit käyttävät auringonvaloa muuttaakseen hiilidioksidia ja vettä ravinnoksi, tutkijat yhdistivät kaksi valoa absorboivaa kerrosta keinotekoiseen lehtiin koboltkikatalyytin kanssa. Kun lehti upotetaan veteen, yksi absorboijista tuottaa hapen katalyytin avustuksella, kun taas toinen toteuttaa kemiallisen reaktion, jossa vesi ja CO2 muutetaan vedyksi ja hiilimonoksidiksi, jotka muodostavat syngasia.

Koska valoa absorboivat kerrokset toimivat jopa heikossa auringonvalossa, tätä teknologiaa voidaan käyttää koko päivän ajan ja missä tahansa maailmassa.

Vaikka muita keinotekoisen lehteä -laitteita on kehitetty, Cambridgein tutkijat huomauttivat, että ne tuottavat vain vetyä, toisin kuin heidän oma laitteensa, joka voi tuottaa syngasia materiaalien ja katalyyttien yhdistelmän ansiosta.

Molekyylikatalyytissä käytetty materiaali oli koboltti, joka on edullisempi, runsas ja parempi hiilimonoksidin tuottaja kuin muut katalyytit, kuten platina tai hopea.

Sillä välin heidän valoa absorboivat kerroksensa valmistettiin perovskiitista piin tai väriaineherkistetyjen materiaalien sijaan. Perovskiittivaloa absorboivat kerrokset tarjosivat korkean foton jännitteen ja sähkövirran kemiallisen reaktion voimaamiseen, mikä vähensi CO2:n CO:ksi.

Seuraava askel syngasin jälkeen on kehittää kestävä nestepolttoaine bensiinikorviksi. Sen sijaan, että ensin valmistettaisiin syngas ja sitten muutettaisiin se nestepolttoaineeksi, tutkimus pyrkii valmistamaan nestepolttoaineen suoraan hiilidioksidista ja vedestä.

Koska sähkö pystyy kattamaan vain murto-osan maailman kokonaisenergiatarpeesta, synteettinen bensiini voi olla elintärkeä kehitys, sanoi seniorikirjoittaja professori Erwin Reisner Cambridgein kemian laitokselta, huomaten “merkittävän kysynnän nestepolttoaineille, jotka voimaavat raskaan liikenteen, laivaliikenteen ja ilmailun kestävästi.”

Viimeisten vuosien aikana Reisner on työskennellyt ryhmänsä kanssa kehittääkseen uuden keinotekoisen lehteä, joka voi välittömästi tuottaa puhdasta etanolia ja propanolia ilman, että ensin tuotetaan syngasia. Tämä on saavutettu kehittämällä kuparipohjainen – ja palladiumipohjainen – katalyytti.

“(Kyky) tuottaa käytännöllinen nestepolttoaine pelkästään auringon voiman avulla” (tekee tästä) jännittävän edistysaskeleen, joka avaa täysin uusia mahdollisuuksia työssämme.

Tällä hetkellä laite on vain konseptin todistus. Tutkijat pyrkivät optimoimaan lehtiä paremman auringonvalon absorptioon, hiomaan katalyytin, jotta se muuntaa enemmän auringonvaloa polttoaineeksi, ja lopulta skaalaamaan laitteen tuottamaan suuria polttoainemääriä.

Professori Reisnerille myönnettiin itse asiassa kuninkaallisen insinööriakatemian tuomaristo (Chair) nousevien teknologioiden alalla aiemmin tänä vuonna. 2,5 miljoonan puntaa arvostettu palkinto mahdollistaa hänen tiiminsä siirtymän laboratoriosta markkinoille aurinkokemiallisten teknologioiden osalta.

Kun Reisnerin tiimi työskentelee tuotteensa skaalaamisen parissa, Yimin Wu, insinööritieteiden professori Waterlooin yliopistosta, julkaisi toisen paperin samanaikaisesti syngas-tutkimuksen kanssa. Tämä paperi loi myös ‘keinotekoisen lehteä’, joka edullisesti muuntaa haitallisen CO2:n käyttökelpoiseksi vaihtoehtoiseksi polttoaineeksi.

Jälleen, inspiroituneena fotosynteesiprosessista, keinotekoinen lehti tuotti metanolia ja happea, toisin kuin luonnollinen lehti, joka tuottaa glukoosia ja happea.

Tässä avainainesosa oli kuparinen oksidi, optimoitu punainen jauhe, joka suunniteltiin kahdeksansivuisten hiukkasten muodossa. Se syntyi lisäämällä kupariasetaattia, glukoosia, natriumdodekyyliä ja natriumsulfaattihydroksidia veteen, joka kuumennettiin tiettyyn lämpötilaan.

Kun se sekoitettiin veteen ja altistettiin CO2:lle, se toimi laukaisevana tekijänä toiselle kemialliselle reaktiolle, tuottaen happea ja muuttaen CO2:n metanoliksi. Aurinkosimulaattoria käytettiin valaisemaan valkoista valoa. Kun liuos kuumeni, reaktio keräsi metanolia, joka haihtui.

Kvanttipisteet kaksoislasisen aurinkolasin luomiseksi

Toinen kehitys tällä alalla on kvanttipisteet, jotka ovat pieniä puolijohdehiukkasia 2–10 nanometrin alueella. Niiden pieni koko antaa niille ainutlaatuiset sähkö- ja optiset ominaisuudet, tehden niistä monikäyttöisiä.

Los Alamosin kansallisessa laboratoriossa tehdyn tutkimuksen mukaan kvanttipisteet upotettiin ikkunalasiin tuottamaan sähköä. Nämä ‘suunnittelija’-kvanttipisteet absorboivat auringonvaloa ja muuntavat sen energiaksi vaikuttamatta ikkunoiden läpinäkyvyyteen.

Tämä innovaatio mahdollistaa käytännössä koko rakennusten muuttumisen aurinkoenergiantuottajiksi ilman perinteisiä aurinkopaneeleja, jotka ovat kalliita ja vievät paljon tilaa.

Lähde: Los Alamos National Laboratory

Pääasiallisen tutkijan Victor Klimovin mukaan kvanttipistepohjaiset kaksoislasit tarjoavat uuden lähestymistavan kustannusten vähentämiseen näiden “halpahintaisilla, liuosprosessoitavilla materiaaleilla” saavutetun vahvan suorituskyvyn ansiosta.

Tämä uusi menetelmä ei korvaa nykyistä PV-teknologiaa. Tehokkaat auringonvalon kerääjät lisätään yksinkertaisesti olemassa oleviin aurinkopaneeleihin. Ne voidaan myös integroida puoliläpinäkyvinä ikkunoina rakennuksen arkkitehtuuriin.

Vaikka nykyiset fotovoltapaneelit saavuttavat noin 25 %:n hyötysuhteen, kvanttipisteet tarjoavat mahdollisuuden ylittää tämän käyttämällä kantajamultiplikaatiota.

Tyypillinen fotovoltainen aurinkopaneeli absorboi yhden valofoton ja vapauttaa yhden elektronin, joka muuttuu energiaksi. Kuitenkin kantajamultiplikaation ja magneettisten mangaanioniin sisällyttämisen avulla kvanttipistepohjaiset aurinkopaneelit tuottavat enemmän kuin kaksi elektronia jokaisesta absorboidusta fotosta.

Kuitenkin tämän teknisen edistysaskeleen ytimessä on “aurinkospektrin jakaminen”, joka erottaa korkea- ja matalaenergiset auringon fotonit.

Tämä saavutettiin sisällyttämällä mangaanioniita kvanttipisteisiin toimimaan erittäin emissiivisinä epäpuhtauksina. Kun kvanttipisteet absorboivat valoa, epäpuhtaudet aktivoituvat, mikä johtaa mangaanioniiden säteilemään valoa energioilla, jotka ovat kvanttipisteiden absorptioalkuperän alapuolella.

Nyt, jotta ikkuna muutetaan tandem-luminesenssiksi auringonvalon kerääjäksi, tutkijat kerrostavat korkean emissiivisyyden mangaanilla dopattuja kvanttipisteitä etulasin pinnalle. Samaan aikaan takalasin pinnalle kerrostettiin kuparin-indium-seleniidiä sisältäviä kvanttipisteitä.

Näin etukerros absorboi näkyvän sinisen ja ultraviolettiosuuden aurinkospektristä, kun taas alakerros kerää loput. Kun ne on absorboitu, kvanttipisteet säteilevät fotoneja pidemmällä aallonpituudella. Uudelleen säteiltävä valo ohjataan kokonaisheijastuksella ikkunan lasin reunoihin, missä integroidut aurinkokennot keräävät valon ja muuntavat sen sähköksi.

Lisäksi Klimovin tiimi tutkii, miten kvanttipisteitä voidaan käyttää ammoniakin tuotantoon, joka kattaa yli 2 % maailman energiankulutuksesta. Tässä erityisessä sovelluksessa he käyttävät kvanttipisteitä ja auringonvaloa tuottamaan “vapaita elektroneja” valon sijaan fotoemission kautta.

Nyt tarkastellaan kahta merkittävää yritystä aurinkoenergia-alalla.

#1. NextEra Energy

Laajalti tunnettu uusiutuvan energian alansa johtajana, NextEra Energy (NEE ) raportoi nettotulokseksi 552 miljoonaa dollaria ja säädetyn tuloksen 865 miljoonaa dollaria vuoden 2024 toisen neljänneksen aikana.

He lisäsivät 3 GW uusiutuvaan energian kapasiteettiinsa, mukaan lukien merkittävät aurinkokehitykset, ennustaen nousevan tuloskehityksen vuoteen 2027 asti odottaen säädetyn osakekohtaisen tuloksen kasvavan vuosittain.

#2. First Solar

First Solar (FSLR ) erikoistuu aurinkopaneelien valmistukseen ja tarjoaa kattavia fotovoltapower-voimalaitospalveluita. Heidän innovatiivinen ohutkalvo-puolijohdeteollisuuden käyttö erottaa heidät aurinkoenergia-alalla.

Taloudellisesti First Solar raportoi 3,56 miljardia dollaria liikevaihtoa ja 1,02 miljardia dollaria nettotulosta viime vuonna. Heidän keskittymisensä kestävään teknologiaan ja kansainväliseen markkina-alueen laajentumiseen korostaa heidän strategista asemaansa aurinkosektorilla.​

Yhteenveto

Nämä viimeisimmät innovaatiot merkitsevät suurta ja tärkeää edistysaskelta aurinkoenergian täyden potentiaalin toteuttamisessa. aurinkoenergian täysi potentiaali. Aurinkoenergia on puhdas ja uusiutuva resurssi, joka tarjoaa vahvan vaihtoehdon fossiilisille polttoaineille, jotka saastuttavat ympäristöä.

Kun maailmanlaajuinen energiankysyntä odotetaan kasvavan tulevana vuonna ja kestävä aurinkoenergia on runsaasti saatavilla, on välttämätöntä hyödyntää tätä rajoittamatonta puhtaan energian lähdettä. Kuitenkin aurinkoenergia kattaa tällä hetkellä todella alhaisen (yksittäisen) prosenttiosuuden kaikista maailmanlaajuisista sähkön tuotannosta. Tämä korostaa kiireellistä tarvetta jatkuvaan tutkimukseen, kehitykseen ja yhteistyöhön hallituksen ja organisaatioiden välillä, jotta aurinkoenergian käyttöä voidaan todella edistää ja valtaa koko maailma.

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon parhaista aurinkoenergiaosakkeista.