Nachtelijke Zonne‑energie – Hoe Thermoradiatieve Diodes Binnenkort De Noodzaak Van Batterijen Kunnen Elimineren

Een van de meest overvloedige en natuurlijke energiebronnen die we hebben, is zonne‑energie. Elke dag komt de zon op en straalt haar licht op ons, waardoor we warmte en elektriciteit krijgen.

Zelfs geïsoleerde, afgelegen en landelijke gebieden kunnen profiteren van deze energiebron, aangezien de meeste delen van de planeet tot op zekere hoogte zonlicht ontvangen. Er is zelfs geen grote hoeveelheid van deze onuitputtelijke bron nodig; minder dan 10 % van de zonne‑energie is voldoende om te helpen de wereldwijde energievraag te dekken.

Als hernieuwbare energiebron veroorzaakt het geen schadelijke broeikasgasemissies en is het goed geschikt voor het elektriciteitsnet en batterijen.

Het gebruik van zonlicht is niet geheel nieuw. Mensen maakten al in de 7e eeuw v.Chr. gebruik van zonlicht om vuur te ontsteken door de stralen van de zon op glanzende voorwerpen te weerkaatsen.

Echter, technologische vooruitgang heeft het opvangen van zonlicht om elektriciteit te genereren en deze later op te slaan zeer efficiënt gemaakt.

Zonne‑technologieën vangen elektromagnetische straling op, de lichtstraling die door de zon wordt uitgezonden, en zetten deze om in bruikbare energievormen. Twee hoofdtypen zonne‑energietechnologieën zijn fotovoltaïsche (PV) systemen, gebruikt in zonnepanelen, en geconcentreerde zonne‑thermische energie (CSP).

Zonnepanelen zijn momenteel de meest populaire manier om elektriciteit uit zonne‑energie te produceren. PV‑panelen hebben een nuttige levensduur van 20‑25 jaar en vereisen weinig onderhoud na installatie, behalve af en toe schoonmaken.

Meestal gemaakt van een halfgeleidermateriaal zoals silicium; wanneer het materiaal wordt blootgesteld aan fotonen van zonlicht, komen elektronen vrij en ontstaat er een elektrische lading. Deze lading genereert een elektrische stroom, die door de zonnepanelen wordt opgevangen en vervolgens door een omvormer wordt omgezet naar wisselstroom (AC), die wordt gebruikt om uw apparaten van stroom te voorzien.

Het fotovoltaïsche (PV) effect werd eigenlijk decennia geleden ontdekt, in 1839, toen de Franse natuurkundige Edmond Becquerel experimenteerde met een cel gemaakt van metalen elektroden in een geleidend medium en ontdekte dat de cel meer elektriciteit genereerde wanneer hij aan licht werd blootgesteld.

In 1954 werd de PV‑technologie geboren met de ontwikkeling van de silicium‑PV‑cel, die de energie van de zon kon absorberen en omzetten in stroom om alledaagse elektrische apparaten te laten werken.

Tegenwoordig worden zonne‑energiesystemen geïntegreerd in niet alleen woningen en bedrijven, maar vormen ze ook een belangrijke mix van hernieuwbare energiebronnen voor de stroomvoorziening.

Zonne‑energie heeft eigenlijk het potentieel om elektriciteit aanzienlijk te verminderen, back‑up stroom te genereren door het te combineren met opslag, bij te dragen aan een veerkrachtig elektriciteitsnet, zowel op kleine als grote schaal met vergelijkbare efficiëntie te opereren, en banen te creëren en economische groei te stimuleren.

Wat de kosten betreft, naast de evidente hardwarekosten, zijn er ook zachte kosten zoals vergunningen, financiering en installatie van zonnepanelen, evenals andere operationele uitgaven van dergelijke bedrijven, die de prijs van zonne‑energie beïnvloeden.

Hoewel zonne‑energie enorme voordelen biedt, blijft de uitdaging bestaan in de intermitterende aard ervan. De hoeveelheid beschikbaar zonlicht varieert immers naar tijd, locatie en seizoen.

Fotovoltaïsche systemen genereren bijvoorbeeld voornamelijk energie midden op de dag wanneer de zon het felst is. Hoewel efficiëntere en betrouwbaardere opslagsystemen ons in staat hebben gesteld deze energiebron de hele dag te gebruiken, zelfs wanneer de zon onder is of het bewolkt is, zoeken onderzoekers naar betere alternatieven.

In 2022 maakten onderzoekers van de University of New South Wales (UNSW) een belangrijke doorbraak op dit gebied, waardoor ze elektriciteit uit zonne‑energie zelfs tijdens de nacht konden produceren. Deze technologie wordt nu naar de ruimte gebracht.

Zonne‑energie ‘s nachts

Dus, twee jaar geleden, in mei, behaalde een UNSW‑team deze belangrijke doorbraak in hernieuwbare energietechnologie door elektriciteit uit zonne‑energie ‘s nachts te produceren.

Het onderzoeksteam van de School of Photovoltaic and Renewable Energy Engineering (SPREE) produceerde elektriciteit uit de warmte die de aarde uitstraalt als infraroodlicht (IL), vergelijkbaar met hoe de aarde ‘s nachts afkoelt door straling naar de ruimte.

Hiervoor ontwikkelde het team een halfgeleidende component genaamd een thermoradiatieve diode. Een diode is een halfgeleider die stroom in één richting laat vloeien en in de andere richting blokkeert. Ze zetten wisselstroom (AC) om in pulserende gelijkstroom (DC).

Een thermoradiatieve diode (TRD) produceert ondertussen elektriciteit door IL uit te stralen. Ze kan stroom genereren van elk warm oppervlak en heeft daardoor de mogelijkheid om zonne‑energie ‘s nachts te leveren. De thermoradiatieve diode van het team bestond uit materialen die in nachtzichtbrillen (NV) worden gebruikt om elektriciteit te genereren uit het uitgezonden infraroodlicht.

Wat de vermogenscapaciteit betreft, was deze zeer klein, ongeveer 100.000 keer minder dan wat een zonnepaneel levert. Desondanks geloofden de onderzoekers dat het resultaat in de toekomst verbeterd kon worden. Volgens teamleider Associate Professor Ned Ekins-Daukes:

“We hebben een ondubbelzinnige demonstratie van elektrische stroom uit een thermoradiatieve diode geleverd.”

Hij legde uit dat we met thermische beeldcamera’s de hoeveelheid straling ‘s nachts kunnen zien. Dit gebeurt echter alleen in het infrarode spectrum (elektromagnetische straling met golflengten tussen 760 nm en 100.000 nm) en niet in het zichtbare spectrum (tussen 380 nm en 780 nm). Dus ontwikkelde het team een apparaat “dat elektrische stroom kan genereren uit de emissie van infrarode thermische straling”.

Uiteindelijk maakt het proces nog steeds gebruik van zonne‑energie, zei professor Ekins‑Daukes. Overdag treft zonlicht onze planeet en verwarmt deze. Dezezelfde energie straalt ‘s nachts terug de uitgestrekte, koude ruimte in in de vorm van infraroodlicht. Het concept van een radiatieve diode maakt gebruik van dit proces, waarvan het team heeft aangetoond dat het elektriciteit kan genereren.

“Zodra er een energiestroom is, kunnen we deze omzetten tussen verschillende vormen.”

– Team lead Professor Ekins-Daukes

Terwijl we het kunstmatige proces van fotovoltaïsche omzetting van zonlicht naar elektriciteit ontwikkelden, wordt bij het thermoradiatieve proces de energie die in het infrarood van een warme aarde stroomt, omgeleid naar het koude universum.

Evenzo, net zoals een zonnecel elektriciteit kan produceren door zonlicht te absorberen, produceert de thermoradiatieve diode elektriciteit door infraroodlicht uit te stralen naar een koudere omgeving.

“In beide gevallen is het temperatuurverschil wat ons in staat elektriciteit te genereren.”

– The co-author of the paper, Dr. Phoebe Pearce

Wat voorheen een theoretisch proces was, werd praktisch gerealiseerd door het team om te bevestigen dat gespecialiseerde en veel efficiëntere apparaten in de toekomst kunnen worden gemaakt om de energie op veel grotere schaal op te vangen.

Prof. Ekins‑Daukes vergeleek het nieuwe onderzoek met dat van de ingenieurs van Bell Labs toen zij de eerste praktische siliciumzonnecel toonden, die slechts ongeveer 2 % efficiënt was. We hebben sindsdien een lange weg afgelegd en kunnen nu ongeveer 23 % van het zonlicht omzetten in elektriciteit.

Volgens mede‑auteur Dr. Michael Nielsen:

“Zelfs als de commercialisering van deze technologieën nog een lange weg is, is het een ontzettend spannende positie als onderzoeker om zich aan het begin van een zich ontwikkelend idee te bevinden.”

Deze nieuwe technologie kan volgens de onderzoekers in de toekomst vele toepassingen vinden, waaronder het aandrijven van bionische apparaten zoals kunsthartjes die momenteel batterijen gebruiken die regelmatig moeten worden vervangen. Hun innovatieve technologie kan dus mogelijk de noodzaak van batterijen in bepaalde apparaten wegnemen of helpen ze op te laden.

Tot nu toe kon de term radiatieve diode echter “relatief zeer weinig vermogen” genereren. Het is een uitdaging geweest om het vermogen te detecteren, en er moet nog ongeveer een decennium aan universitair onderzoek worden gedaan voordat de industrie het oppikt. Maar in theorie is het mogelijk dat de technologie “uiteindelijk ongeveer één tiende van het vermogen van een zonnecel” produceert.

Na de ‘ondubbelzinnige demonstratie van elektrische stroom’ begon het team te werken met een nieuw materiaal dat gemakkelijker te vervaardigen is, en daardoor schaalbaar.

Tegelijkertijd werkt het team aan het toepassen van hun technologie op ruimtevaartuigen zoals satellieten. Zonne‑energie aangedreven satellieten zijn geen nieuw fenomeen; ze werden voor het eerst gedemonstreerd in 1958.

Aangedreven door zonnecellen zijn deze ruimtevaartuigen afhankelijk van batterijen tijdens verduisteringsperiodes. De UNSW‑onderzoekers passen de technologie nu toe om stroom te genereren voor satellieten terwijl ze in duisternis omcirkelen.

De technologie, die eerst in de ruimte werd gebruikt, wordt nu ingezet om enorme hoeveelheden elektriciteit uit zonne‑energie voor onze huizen te produceren, en op een vergelijkbare manier is prof. Ekins‑Daukes van plan “de term radiatieve diode binnen de komende twee jaar in de ruimte te laten vliegen”.

Klik hier om te leren waarom een toenemend gebruik van zonne‑energie het begin van het zonne‑tijdperk markeert.

De verschuiving naar schone en overvloedige zonne‑energie

Omdat zonnepanelen zonlicht nodig hebben om stroom te genereren en daardoor ‘s nachts niet kunnen werken, is er veel onderzoek en ontwikkeling gericht op het vinden van oplossingen voor dit probleem.

Een van de manieren waarop dit is aangepakt, is batterijopslag, die wordt gebruikt om overtollige energieproductie op te slaan. Deze opgeslagen energie kan vervolgens worden gebruikt wanneer men dat wil, ‘s nachts en op bewolkte dagen. Voorbeelden zoals Tesla Powerwall of Generac PWRcell bieden een alternatief. Deze batterijbanken fungeren als off‑grid stroombronnen tijdens stroomuitval.

Een andere methode is netmetering. Hierbij geeft toegang tot een terugleverprogramma voor zonne‑energie je de mogelijkheid het lokale stroomnet als batterij te gebruiken. Om krediet op je energierekening te krijgen, moet je de overtollige energie die je zonnepanelen overdag genereren terugleveren aan het net. De verdiende kredieten worden vervolgens verrekend met je energierekening om je nachtelijk stroomverbruik te dekken.

Onderzoekers hebben zelfs zonnepanelen ontwikkeld die elektriciteit uit de nachtelijke hemel oogsten. Bijvoorbeeld, anti‑zonnecellen werken omgekeerd ten opzichte van zonnepanelen overdag. Daarnaast zijn er wrijvings‑aangedreven panelen die beweging omzetten in energie en de straling van warme oppervlakken benutten.

Recentelijk hebben wetenschappers van de Stanford University een nieuw type zonnepaneel ontworpen om ‘s nachts elektriciteit te produceren. Hiervoor integreerden ze een thermoelectrische generator in de conventionele zonnecellen. Het biedt niet alleen continue stroomopwekking, maar verbetert ook de efficiëntie overdag.

Dan is er de in Californië gevestigde startup Reflect Orbital, die haar plan heeft gedeeld om zonlicht ‘s nachts te verkopen. Om dit te realiseren, plant ze een constellatie van satellieten uitgerust met mylar spiegels, die 370 mijl boven het aardoppervlak zullen draaien. Ze zullen zonlicht reflecteren op zonnepanelen op het aardoppervlak.

“We denken dat zonlicht de nieuwe olie is, en de ruimte klaar is om energienetwerken te ondersteunen.”

– Reflect Orbital Co-founder Ben Nowack on X (previously Twitter)

Als we naar de cijfers kijken, leidt zonne‑energie duidelijk onder de schone energiebronnen. 2023 was eigenlijk een recordjaar voor deze energiebron, aangezien de wereld 447 GW aan nieuwe zonnecapaciteit heeft geïnstalleerd, maar liefst 78 % van de totale nieuwe hernieuwbare capaciteitstoename. Met een stijging van 87 % ten opzichte van het voorgaande jaar registreerde de wereldwijde zonne‑markt een groeisnelheid die sinds 2010 niet meer is gezien.

Het grootste deel van deze groei werd gedreven door China, de grootste zonne‑markt ter wereld. Het voegde 253 GW aan nieuwe PV‑capaciteit toe, een stijging van 167 %, en was verantwoordelijk voor 57 % van de wereldwijd geïnstalleerde capaciteit vorig jaar.

Deze “onverwachte groei” in totale zonne‑energie, volgens de Global Market Outlook for Solar Power 2024-2028, was te wijten aan een enorme prijsdaling van ongeveer 50 % voor modules. Deze daling is veroorzaakt door een substantiële toename van de wereldwijde PV‑productiecapaciteit, wat heeft geleid tot overcapaciteit.

Naast bestellingen uit voorgaande jaren die eindelijk in 2023 werden geïnstalleerd, wenden individuen, bedrijven en overheden zich tot zonne‑energie als een betrouwbare en kosteneffectieve oplossing voor hoge energiekosten.

Op basis van verdere productbeschikbaarheid, kostenverbeteringen en de vele voordelen die de technologie biedt, voorspelt het rapport “een aanzienlijke vraaggroei naar zonne‑PV‑energie in de komende jaren”.

Bedrijven die de zonne‑energiesector vooruit helpen

Laten we nu een kijkje nemen bij enkele prominente namen die alternatieve routes hebben genomen om energie te genereren.

Clearway Energy (CWEN ) is zo’n bedrijf dat windparken en zonne‑energiecentrales exploiteert om schone, hernieuwbare energie te leveren, terwijl Ormat Technologies (ORA ) zich richt op geothermische energieopwekking. Heliogen (HLGN ) is een andere naam in deze sector en maakt gebruik van AI en geavanceerde spiegeltechnologie om zonlicht te concentreren en elektriciteit te genereren. Enphase Energy (ENPH ) en Piedmont Lithium (PLL ) leiden ondertussen het gebied van energieopslag.

#1. Bloom Energy (BE )

Dit bedrijf maakt gebruik van solid‑oxide brandstofceltechnologie om betrouwbare en efficiënte elektriciteit te genereren. Door hun energieservers voor lokale opwekking te gebruiken, biedt Bloom Energy een schoner alternatief voor traditionele energieopwekking en vermindert het de afhankelijkheid van het net.

Op het moment van schrijven worden BE‑aandelen verhandeld tegen $10,80, een daling van 26,82 % jaar‑tot‑datum, met een marktkapitalisatie van $2,465 mlrd. Bloom Energy heeft een winst per aandeel (TTM) van -1,30 en een koers‑winstverhouding (TTM) van -8,31. Voor Q2 2024 rapporteerde het bedrijf een omzet van $335,8 miljoen, een stijging van 11,5 % jaar‑over‑jaar. De brutomarge voor het kwartaal bedroeg 20,4 %, terwijl de operationele verlies $23,1 miljoen bedroeg. Bloom Energy heeft ook 3 % converteerbare groene obligaties uitgegeven om de balans te versterken.

Daarnaast heeft het bedrijf een partnerschap gesloten met AI‑leider CoreWeave om het high‑performance datacenter van Chirisa Technology Parks van stroom te voorzien. Bloom‑brandstofcellen zullen ook de 20 MW aan AWS‑datacenters van Silicon Valley Power van stroom voorzien. Volgens Bloom‑CEO KR sridhar:

“Het is nu algemeen begrepen dat de vraag naar elektriciteit naar verwachting ver boven het beschikbare aanbod via het net zal uitkomen. Dit biedt Bloom een enorme kans. We zien een hoog niveau van commerciële interesse in onze producten en oplossingen. We blijven goed presteren, onze technologie verder ontwikkelen en ons team uitbreiden voor toekomstige groei.”

#2. NextEra Energy (NEE )

Met een focus op zonne‑, wind‑ en batterijopslag is NextEra een van de grootste producenten van hernieuwbare energie geworden. De aandelen van het elektrische stroom‑ en energie‑infrastructuurbedrijf worden momenteel verhandeld tegen $83,85, een stijging van 38,05 % YTD, met een marktkapitalisatie van $172,27 mlrd. De winst per aandeel (TTM) is 3,67 en de koers‑winstverhouding (TTM) is 22,85.

Voor 2Q24 rapporteerde het bedrijf een GAAP‑nettowinst van $1,622 miljard, terwijl het meer dan 3.000 MW aan nieuwe hernieuwbare en opslagprojecten aan de backlog toevoegde. Een paar maanden geleden kondigde de dochteronderneming NextEra Energy Resources, samen met Entergy, een gezamenlijke ontwikkelingsovereenkomst aan om de realisatie van tot 4,5 GW aan nieuwe zonne‑opwekking en energie‑opslagprojecten te versnellen.

Conclusie

De zon is een onuitputtelijke energiebron en wanneer deze wordt gecombineerd met efficiënte en geavanceerde technologieën, biedt ze een groot potentieel om te voldoen aan de snel stijgende wereldwijde energievraag en het klimaatveranderingsprobleem aan te pakken.

Als de opkomende leider van de wereldwijde transitie naar schone energie heeft de zonne‑industrie veel investeringen gezien, die vorig jaar alle andere opwekkings­technologieën samen overtroffen, evenals ontwikkeling. Dit alles heeft geleid tot talrijke doorbraken in zonne‑technologie, zoals zon‑volgende zonnecellen, printbare zonnecellen, fotovoltaïsche ramen en, uiteraard, nacht‑tijd zonne‑energieopwekking, die kan helpen om zonne‑energie te positioneren als de langetermijn‑energi­oplossing voor toekomstige generaties.

Klik hier voor een lijst van top‑zonne‑aandelen om in te investeren.