Efficiëntie van Zonne‑energieopslagoplossingen verhoogd met ‘Meer dan één orde van grootte’ in Conversie Doorbraak

“De wereldwijde capaciteit om hernieuwbare elektriciteit te produceren breidt zich sneller uit dan op elk ander moment in de afgelopen drie decennia,” zei het Internationaal Energieagentschap in een rapport dat eerder dit jaar is gepubliceerd.

Deze groei, volgens de in Parijs gevestigde autonome intergouvernementele organisatie, biedt “een reële kans om” het doel van het verdrievoudigen van de wereldwijde capaciteit te bereiken, dat werd vastgesteld op de COP28‑klimaatconferentie, tegen het einde van dit decennium.

De capaciteit van hernieuwbare energie is significant gegroeid in het afgelopen decennium, waarbij zonne‑energie een grote rol speelt. In 2023 leverden hernieuwbare bronnen 30% van de wereldwijde elektriciteit, en zonne‑PV vertegenwoordigde drie kwart van de nieuwe toevoegingen aan de wereldwijde hernieuwbare capaciteit.

Dit is logisch, aangezien de kosten van zonne‑energie blijven dalen en goedkoper worden dan steenkool. Naast economische voordelen zoals kostenvastheid op lange termijn, verhoogt zonne‑energie ook de veerkracht en vermindert het de CO₂‑uitstoot.

Echter, ondanks deze voordelen en het feit dat 50 % van het wereldwijde eindenergieverbruik wordt gebruikt voor verwarming, blijft het gebruik van zonne‑energie laag in vergelijking met fossiele energiebronnen.

Dit komt doordat zonne‑energie unieke beperkingen heeft, waaronder onbeschikbaarheid ‘s nachts, terwijl de piekenergiebehoefte meestal in de avonduren optreedt. Daarnaast beïnvloedt klimaatverandering zowel de vraag als het aanbod.

“We moeten nadenken over hoe klimaatverandering het energiesysteem als geheel zal beïnvloeden, want helaas is geen enkel elektriciteitsgenererend systeem immuun voor de effecten van klimaatverandering.”

– Romany Webb, adjunct‑directeur van het Sabin Center for Climate Change Law aan de Columbia Climate School

Wat betreft de impact van klimaatverandering, maken vaker voorkomende hittegolven zonnepanelen minder efficiënt, terwijl de verhoogde vraag naar koeling het net belast en het systeem negatief beïnvloedt. Orkanen blijken de fotovoltaïsche productie met 18 % tot 60 % te verminderen, terwijl tropische cyclonen de zonne‑straling met 80 % kunnen verlagen. Extreem weer, zoals windgevaar, kan de zonne‑energie‑infrastructuur verder beschadigen.

Al deze beperkingen betekenen dat efficiënte opslag van zonne‑energie een overvloed aan mogelijkheden kan openen.

Effectieve opslagoplossingen maken het mogelijk om overtollige energie op te slaan voor piekgebruik wanneer de zon ondergaat. Op deze manier kunnen elektrische belastingen worden gebalanceerd op basis van vraag en aanbod, waardoor een constante energiestroom mogelijk is.

Opslag van zonne‑energie biedt ook bescherming tijdens verstorende gebeurtenissen zoals bosbranden, waarbij het energienet kwetsbaar wordt voor uitval.

Dus, wat zijn deze opslagoplossingen? Ze vallen over het algemeen in drie hoofd categorieën: batterij, mechanisch en thermisch. Onder deze is de batterij, met name lithium‑ionbatterijen, de meest voorkomende en kosteneffectieve manier voor opslag van zonne‑energie.

Onderzoekers blijven echter voortdurend met nieuwe innovaties komen. Een gloednieuwe benadering om zonne‑energie efficiënter te oogsten en op te slaan omvat het gebruik van ondergeëxploreerde sensitiseringsstrategieën.

Meer efficiënte oogst en opslag van zonne‑energie

Om het primaire probleem van beperkte wereldwijde zonne‑energie‑gebruik—de intermitterende beschikbaarheid—aan te pakken, hebben onderzoekers van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU) en de Universiteit van Siegen moleculaire systemen ontwikkeld voor het opslaan van zonne‑energie.

In tegenstelling tot traditionele thermische opslagsystemen die energie slechts voor korte periodes opslaan, kunnen moleculaire zonne‑energie‑opslagsystemen het gedurende een langere periode bewaren, van enkele weken tot maanden. Dit komt omdat de zonne‑energie hier wordt opgeslagen in de vorm van chemische bindingen.

De werking van moleculaire zonne‑energie‑opslagsystemen bestaat uit gespecialiseerde moleculen of fotoschakelaars die eerst de zonne‑energie absorberen en deze vervolgens op aanvraag als warmte vrijgeven.

Ook dit systeem kent uitdagingen. Het belangrijkste probleem bij het activeren van fotoschakelaars is de afweging tussen efficiënte absorptie van zonlicht en de energieopslagcapaciteit. Dit beperkt de algehele prestaties van moleculaire zonne‑energie‑opslagsystemen.

Daarom voerde het onderzoeksteam in Mainz en Siegen een studie uit om dit probleem te overwinnen met een nieuwe benadering.

De nieuwe klasse van fotoschakelaars werd aanvankelijk geïntroduceerd in Siegen en toonde een ongelooflijk energieopslagpotentieel ten opzichte van traditionele lithium‑ionbatterijen.

De meest gebruikte batterijchemie, deze batterijen bestaan uit één of meerdere lithium‑ioncellen naast een printplaat. Een lithium‑ioncel heeft elektroden, een anode, een kathode, een elektrolyt die elektriciteit geleidt, stroomverzamelaars en een separator. Een fotoschakelaar is ondertussen een molecuul dat zijn structurele geometrie en chemische eigenschappen verandert wanneer het wordt blootgesteld aan elektromagnetische straling.

De nieuwe fotoschakelaar, hoewel hij een uitzonderlijk energieopslagpotentieel heeft, was functioneel beperkt tot activering door ultraviolet (UV) licht. UV‑licht heeft golflengten van 10‑400 nanometer en vormt slechts een klein deel van het zonnespectrum.

Dus stelde de nieuwste studie een indirecte lichtoogsttechniek voor. Deze lijkt op hoe lichtoogst werkt in fotosynthese. Hier wordt een tweede verbinding toegevoegd, een sensitizer die uitstekende absorptie van zichtbaar licht vertoont. Volgens professor Christoph Kerzig van de JGU Afdeling Scheikunde, die de studie leidde samen met promovendus Till Zähringer:

“In deze benadering absorbeert de sensitizer licht en draagt vervolgens energie over aan de fotoschakelaar, die onder deze omstandigheden niet direct kan worden geactiveerd.”

Met deze nieuwe benadering hebben de onderzoeksteams de efficiëntie van zonne‑energie‑opslag met meer dan een orde van grootte verbeterd. Deze grote stap vooruit in energieconversie opent potentiële toepassingen voor zowel huishoudelijke verwarmingsoplossingen als grootschalige energieopslag.

Het in Mainz gevestigde onderzoeksteam voerde ook grondige spectroscopische analyses uit om het complexe systeem te onderzoeken en het onderliggende mechanisme te begrijpen.

Een gedetailleerd begrip van hoe het systeem werkt zal helpen om “de limiet van lichtoogst aanzienlijk te verleggen,” zei eerste auteur Zähringer, en voegde toe dat het ook de conversie‑efficiëntie van licht naar opgeslagen chemische energie kan verbeteren.

Onder operationele omstandigheden kan elk geabsorbeerd foton een proces van chemische bindingvorming activeren. Dit wordt zelden waargenomen in fotochemische reacties als gevolg van verschillende energieverlieskanalen.

Onderzoekers hebben met succes de robuustheid van de praktische toepasbaarheid van het systeem gevalideerd door talloze keren te schakelen tussen de energieopslag‑ en vrijgave‑toestand met behulp van zonlicht, waarmee ze het potentieel van het systeem voor toepassingen in de echte wereld benadrukken.

Recente ontwikkelingen in het oogsten en opslaan van zonne‑energie

Aangezien zonne‑energie een grote rol speelt in de mix van hernieuwbare energie, is het een groeiende focus geworden onder onderzoekers, bedrijven en overheidsinitiatieven, die proberen een dieper inzicht te krijgen in hoe alles werkt en betere oplossingen te ontwikkelen om de energie en opslag te oogsten.

Nieuw onderzoek van NC State University richt zich op een dieper begrip van wat er gebeurt in organische cellen wanneer zonlicht wordt omgezet in elektriciteit. Om de interfaces te visualiseren waar lichtenergie wordt omgezet in elektrische ladingen, ontwikkelden onderzoekers een nieuwe methode, scanning‑probe microscopie, en gebruikten deze om de efficiëntie van zonnecellen te verbeteren.

Gemaakt van koolstof‑gebaseerde polymeermaterialen, hebben organische zonnecellen het potentieel voor flexibele en lichtgewicht zonne‑toepassingen evenals semi‑ of volledig transparante raamtoepassingen, maar ze zijn niet zo efficiënt als perovskiet‑ of silicium‑zonne‑technologieën bij het omzetten van licht in elektriciteit.

Dit komt doordat deze cellen bestaan uit een mengsel van twee materialen; één daarvan oogst elektronen (donor) maar moet vervolgens met de tweede (acceptor) interageren om ze door te geven, en de interfaces tussen de twee zijn verantwoordelijk voor een spanningsverlies, waardoor de efficiëntie van organische zonnecellen wordt beperkt.

De nieuwste studie vond dat zowel het energiedifferentieel tussen de donor‑ en acceptormaterialen als de energetische wanorde langs de interfaces spanningsverlies veroorzaken.

Volgens medeauteur Aram Amassian, professor in materiaalkunde en engineering aan NC State University, vermindert het selecteren van materialen met minimale energieverschillen de spanningsverliezen. Oplosmiddelen en verwerkingsparameters die interfaciale wanorde verminderen, kunnen energieverliezen verder reduceren.

Een andere recente studie nam de taak op zich om de capaciteit van huishoudelijke energieopslagsystemen betrouwbaar te schatten, om een idee te krijgen van de toekomstige inzet van effectieve residentiële PV‑systemen.

Hiervoor introduceerden onderzoekers een schaalbare capaciteits‑schattingsmethode, die drie belangrijke stappen omvat: bepalen wanneer een opslagsysteem vol is en wanneer het leeg is, en de capaciteit tussen deze twee toestanden berekenen.

Deze methode werd vervolgens gebruikt om 21 op lithium‑ionbatterijen gebaseerde systemen in particuliere huishoudens in Duitsland over acht jaar te meten. De analyse toonde aan dat de systemen gemiddeld 2‑3 % van hun capaciteit per jaar verloren.

Opmerkelijk is dat de methode door fabrikanten en zonne‑energiebedrijven kan worden gebruikt om de capaciteit van hun opslagsystemen te schatten. Bovendien publiceerden onderzoekers een uitgebreide dataset, die 14 billion gegevenspunten uit meer dan 100 jaar bevat, die kan worden gebruikt voor aanvullende studies of om computationele modellen te trainen.

Eerder dit jaar, in juni, ontwikkelden onderzoekers ook een innovatieve lichtoogstsysteem dat “een grote hoeveelheid lichtenergie kan absorberen in een relatief dunne laag“, vergelijkbaar met natuurlijke lichtoogstsystemen.

Door een bandstructuur te hebben die vergelijkbaar is met die van anorganische halfgeleiders, kan het licht panchromatisch over het volledige zichtbare spectrum absorberen, terwijl het gebruik van hoge absorptiecoëfficiënten van organische kleurstoffen het mogelijk maakt veel energie op te nemen.

Het systeem heeft vier verschillende merocyanine‑kleurstoffen die gevouwen en dicht op elkaar gestapeld zijn, waardoor ultra‑snelle en efficiënte energietransport binnen het systeem mogelijk is. Het systeem blijkt in staat te zijn 38 % van de bestraalde lichtenergie om te zetten.

Voor efficiënte opslag van zonne‑energie en het verminderen van conversieverlies kwamen onderzoekers wereldwijd eerder dit jaar samen om de dynamiek van foto‑ en elektrochemische transformatie te bestuderen en een beter geschikt molecuul voor de gewenste functies te ontwerpen.

De onderzoekers richten zich hiervoor op norbornadiene, een koolwaterstofisomeer met twee molecuulringen, dat bij blootstelling aan UV‑licht wordt omgezet in een meer sterk gespannen quadricyclane.

Aangezien de zuivere energiedichtheid van het norbornadiene‑quadricyclane‑systeem vergelijkbaar is met die van een lithium‑ionbatterij, kan een betrouwbare controle van de omkeerbare conversie een efficiënt zonne‑module opleveren die ook geschikt is voor het opslaan van elektriciteit.

De focus op koolwaterstofmoleculen biedt een kosteneffectieve methode die geen zeldzame metalen vereist en gemakkelijk kan worden gerecycled of afgevoerd. Al deze recente ontwikkelingen in de sector getuigen van de groeiende focus op het vergroten van de adoptie van zonne‑energie wereldwijd.

Bedrijven die profiteren van de vooruitgang

We zullen nu twee van de meest prominente namen bekijken die kunnen profiteren van of zo’n moleculair zonne‑energieopslagsysteem kunnen aanbieden. Deze twee namen zijn NextEra Energy, Inc. (NEE ) en Enphase Energy, Inc. (ENPH ), beide Amerikaanse bedrijven die actief betrokken zijn bij hernieuwbare energie.

1. NextEra Energy (NEE )

Bekend om zijn investeringen in technologieën voor hernieuwbare energie, kan NextEra Energy profiteren van dergelijke technologie op het gebied van opslag‑efficiëntie.

Met een marktkapitalisatie van $161 miljard, worden NextEra‑aandelen momenteel verhandeld tegen $78,37, een stijging van meer dan 29 % dit jaar tot nu toe. Het bedrijf heeft een EPS (TTM) van 3,37 en een P/E (TTM) van 23,24, terwijl het een dividendrendement van 2,63 % uitkeert.

Het energie‑infrastructuurbedrijf meldde onlangs de financiële resultaten voor 3Q24, waaruit bleek dat de nettowinst steeg naar $1,85 miljard, vergeleken met $1,29 miljard in Q3 van 2023. De aangepaste winst per aandeel steeg intussen met 10 % jaar‑over‑jaar. Deze resultaten, volgens CEO John Ketchum, tonen “voortdurende solide financiële en operationele prestaties”.

Tegelijkertijd had Florida Power & Light Company (FPL), eigendom van NextEra Energy, een nettowinst van $1,29 miljard, terwijl de kapitaalinvesteringen $2 miljard bedroegen, en het gereguleerde kapitaal met 9,5 % jaar‑over‑jaar toenam. Over de Floridiaanse klanten die werden getroffen door orkanen Helene en Milton, merkte Ketchum op dat FPL’s “investeringen in versteviging en smart‑grid‑technologie honderden duizenden stroomuitval hebben voorkomen”.

Nu heeft NextEra Energy Resources, voor het tweede opeenvolgende kwartaal, ongeveer 3 gigawatt aan nieuwe hernieuwbare en opslagprojecten aan zijn backlog toegevoegd. Het kondigde ook overeenkomsten aan met twee Fortune‑50‑klanten voor de ontwikkeling van hernieuwbare en opslagprojecten, met een totaal van tot 10,5 gigawatt tot 2030.

“De voortdurende sterke prestaties van onze bedrijven en onze schaal, ervaring en technologie zullen ons in staat stellen te profiteren van de kansen die de toenemende vraag naar stroom voor onze sector met zich meebrengt.”

– Ketchum, CEO van NextEra Energy

Afgelopen week ging het toonaangevende clean‑energy‑bedrijf een overeenkomst aan om $1,5 miljard aan zijn aandelenunits te verkopen aan grote financiële instellingen, waaronder Goldman Sachs (GS ), J.P. Morgan en Mizuho. De fondsen zullen worden gebruikt voor investeringen in AI‑gerelateerde energie‑ en stroomprojecten en om de uitstaande commercial‑paper‑verplichtingen af te lossen.

Nu de AI‑hype leidt tot een stijgende vraag naar stroom van AI‑datacenters en het bedrijf zich richt op de groei van zijn hernieuwbare-energie‑activiteiten, voert NextEra Energy ook studies uit en voert gesprekken met federale regelgevers over het herstarten van de Duane Arnold kerncentrale in Iowa.

2. Enphase Energy, Inc. (ENPH )

Gespecialiseerd in zonne‑inverters en opslag, zou Enphase Energy ook potentieel kunnen uitbreiden naar innovatieve moleculaire opslag als dit commercieel levensvatbaar is, om de energie‑veerkracht en efficiëntie voor haar consumenten te verbeteren.

Met een marktkapitalisatie van $11,8 miljard, worden Enphase‑aandelen momenteel verhandeld tegen $87,46, een daling van 33,87 % dit jaar. Het bedrijf heeft een EPS (TTM) van 0,44 en een P/E (TTM) van 198,82. Voor Q3 2024 rapporteerde het wereldwijde energietechnologiebedrijf een omzet van $380,9 miljoen en een non‑GAAP brutomarge van 48,1 %. In deze periode verzond Enphase meer dan 1,73 miljoen micro‑inverters en 172,9 MWh batterijen.

De wereldleider in micro‑inverter‑gebaseerde zonne‑ en batterijsystemen eindigde het kwartaal echter met $161,6 miljoen vrije kasstroom, terwijl contanten, kasequivalenten en verhandelbare effecten $1,77 miljard bedroegen.

In deze periode lanceerde Enphase AI‑gebaseerde software om het energiegebruik te optimaliseren door zonne‑ en consumptievoorspellingen te integreren met elektriciteitstarieven, om consumenten te helpen hun besparingen te maximaliseren.

In oktober begon het bedrijf met het verzenden van IQ8™‑micro‑inverters om nieuwere, hoogvermogen zonne‑panelen in geselecteerde landen te ondersteunen, breidde het zijn ondersteuning voor net‑dienstenprogramma’s (of virtuele energiecentrales) uit in geselecteerde Amerikaanse staten, en lanceerde IQ8X‑micro‑inverters met de langste standaard residentiële garantie van 25 jaar in Australië.

In de twee maanden daarvoor lanceerde het zijn tot nu toe krachtigste Enphase Energy‑systeem, kondigde een oplossing aan voor het uitbreiden van legacy net‑energy‑metering (NEM) zonne‑energiesystemen in Californië zonder boete, introduceerde NACS‑connectoren voor IQ‑EV‑laders, en verzond IQ8‑micro‑inverters om nieuwere, hoogvermogen zonne‑modules in geselecteerde landen door heel Europa te ondersteunen. Het introduceerde ook IQ Energy Management om ondersteuning voor dynamische elektriciteitstarieven en de integratie van derde‑partij EV‑laders en warmtepompen in Nederland mogelijk te maken.

Het bedrijf bereidt zich nu voor op de lancering van de 2e generatie IQ®‑EV‑lader, de 3‑fase IQ‑batterij met back‑up, en de IQ®‑Balcony Solar Kit voor de Europese markt, terwijl het vierde‑generatie‑energiesysteem, met de IQ®‑Meter Collar, 10 kWh IQ‑batterij en verbeterde IQ®‑Combiner, begin volgend jaar in de VS zal verschijnen.

Over het algemeen daalden de verkopen van Enphase in Europa met 15 % ten opzichte van Q2 vanwege “verdere verzwakking van de Europese vraag,” terwijl de terugkeer van de voorraad naar normale niveaus de Amerikaanse omzet sequentieel met 43 % liet stijgen.

Conclusie

Te midden van de wereldwijde drang naar hernieuwbare energie is zonne‑energie naar voren gekomen als een prominente speler die een schone en overvloedige oplossing biedt. Echter, de wereldwijde adoptie wordt beïnvloed door kosten, efficiëntere oplossingen en een gebrek aan infrastructuur, naast andere factoren.

Recente vooruitgangen, variërend van moleculaire zonne‑opslag tot innovaties in organische zonnecellen, bieden groot potentieel om zonne‑energie efficiënter te maken, helpen de wereldwijde energievraag te voldoen, zelfs onder ongunstige omstandigheden, en banen de weg naar een duurzame toekomst.

Klik hier voor een lijst van top zonne‑energie‑aandelen.