De zoektocht naar duurzame energie leidt tot onconventionele ontdekkingen

Wereldwijde energieconsumptie stijgt in een versneld tempo. In 2023 bedroeg deze groei 2,2%, vergeleken met een jaarlijks gemiddelde van 1,5% tussen 2010 en 2019.

Dit snellere tempo van energieverbruik wordt voornamelijk gedreven door China, dat met +6,6% twee keer zo hoog lag als het gemiddelde van 2010-2019. Andere bijdragers zijn India, Iran, Brazilië, de VAE, Algerije, Vietnam en Indonesië. Daarentegen daalde het energieverbruik in Japan, Zuid-Korea, Zuid-Afrika en de EU en bleef het stabiel in de VS.

In het algemeen is de wereldwijde energieconsumptie sinds 2000 met ongeveer een derde gestegen. Momenteel wordt geschat op 580 miljoen terajoule, en dit jaarlijkse wereldwijde energieverbruik wordt verder geprojecteerd om tegen 2040 740 miljoen terajoule te bereiken.

Echter, het meest zorgwekkende deel is dat het overgrote deel van deze energie—83%—komt uit fossiele brandstoffen, waarbij olie de grootste energiebron is, gevolgd door steenkool en aardgas, die enorme hoeveelheden CO2 in de atmosfeer uitstoten.

Dit roept een dringende noodzaak op om te innoveren op het gebied van groene energie. Terwijl hernieuwbare energie wordt verwacht te groeien, is deze toename slechts 4 procent, waardoor het 6% van het wereldwijde primaire energiegebruik uitmaakt.

Dus, tegen deze achtergrond van een wereldwijde noodzaak om het energiesysteem te transformeren, is zonne-energie naar voren gekomen als een potentiële game-changer. Dit komt doordat de door de zon gegenereerde energie het potentieel heeft om de hele wereld en meer van stroom te voorzien.

De aarde heeft slechts een paar uur zonlicht nodig om de hele wereld van energie te voorzien voor een volledig jaar.

Het is bovendien de schoonste en meest overvloedige hernieuwbare energiebron die beschikbaar is. Bovendien biedt het het voordeel van decarbonisatie, verlaging van energiekosten, een veel lagere milieu-impact, en biedt het grotere energie-toegang en -zekerheid.

Natuurlijk zijn er verschillende uitdagingen verbonden aan het benutten van zonne-energie; anders zouden we het al op grote schaal gebruiken. Naast de primaire uitdaging van zonne-intermitterendheid, aangezien de zon niet de hele dag schijnt, zijn er extra uitdagingen gerelateerd aan locatie, opslagoplossingen en de technologie die nodig is om deze energie te benutten.

Als het gaat om het benutten van zonne-energie, zijn er een paar manieren om zonnestraling op te vangen en om te zetten in energie.

Een methode is het gebruik van actieve zonne-energie, waarbij elektrische of mechanische apparaten worden ingezet om zonne-energie actief om te zetten in een andere energievorm. Dit wordt bereikt via fotovoltaïsche (PV) of geconcentreerde zonne-energie (CSP).

Bij PV wordt zonlicht omgezet in elektriciteit met behulp van halfgeleidermaterialen die het fotovoltaïsche effect vertonen. PV-technologie staat beter bekend als zonnepanelen, een verzameling zonnecellen, waarbij elke cel een halfgeleider bevat die een elektrische stroom genereert door zonlicht te absorberen.

Bij CSP richten lenzen en spiegels zonlicht van een groot gebied op een veel kleiner gebied om elektriciteit op te wekken. Zonne-ovens, waaronder verschillende types zoals zonne-energie torens en parabooltroughs, zijn een voorbeeld van geconcentreerde zonne-energie.

Een andere methode is het gebruik van passieve zonne-energie, die geen externe apparaten gebruikt maar profiteert van het lokale klimaat. Bijvoorbeeld, een gebouw ontwerpen om gewenste hoeveelheden zonlicht te ontvangen en gebouwen met thermische isolatie bouwen, zijn voorbeelden van deze methode. Andere voorbeelden zijn koele daken en groene daken.

Echter, dit is niet het einde van de technieken voor het benutten van zonne-energie. Gezien het enorme potentieel onderzoeken wetenschappers voortdurend nieuwe manieren om zonne-energie op te vangen en om te zetten in bruikbare energie, en om het kosteneffectief en efficiënter te maken zodat het daadwerkelijk in ons dagelijks leven kan worden toegepast.

Zonne-energie opwekken uit telefoons en auto’s  

Onderzoekers van de Universiteit van Oxford hebben onlangs een interessante ontwikkeling gedaan op het gebied van zonne-energietechnologie. Met deze technologie kan zonne-energie gegenereerd worden van de oppervlakken van auto’s en mobiele telefoons.

Bron: Oxford University

Ja, je hoort het goed: in plaats van rijen en rijen siliciumgebaseerde zonnepanelen te installeren, kan men steeds meer zonne-energie genereren simpelweg via alledaagse objecten.

Deze innovatie is mogelijk gemaakt door een nieuw energieopwekkend materiaal dat op de oppervlakken van deze objecten wordt aangebracht. Het lichtabsorberende materiaal is dun en flexibel genoeg om op vrijwel elk oppervlak te worden aangebracht. Deze revolutionaire aanpak omvat het stapelen van meerdere lichtabsorberende lagen in één enkele zonnecel.

Hiervoor hebben wetenschappers van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Oxford een techniek ontwikkeld die hen in staat stelde een breder bereik van het lichtspectrum te benutten, waardoor meer vermogen wordt opgewekt uit dezelfde hoeveelheid zonlicht.

Het materiaal, dunne-film perovskiet, is ook onafhankelijk gecertificeerd door het National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) van Japan, met een energie-efficiëntie van meer dan 27%. Deze cijfers komen overeen met de prestaties van silicium-fotovoltaïsche cellen, die traditionele, enkelvoudige laag, energieopwekkende materialen zijn.

Volgens de onderzoekers hebben ze na slechts vijf jaar experimenten met de multi-junction of stapelbenadering de omzettingsrendement met ongeveer 21% verhoogd. Dit betekent dat ze van een initiële efficiëntie van ongeveer 6% nu meer dan 22% van de energie uit het zonlicht kunnen omzetten.

“(Hun techniek) kan de fotovoltaïsche apparaten in staat stellen veel hogere efficiënties te bereiken, meer dan 45% (in de toekomst).”

Naast energie-efficiëntie is de veelzijdigheid van het materiaal een andere cruciale factor. Het materiaal is ultradun, net iets meer dan één micron (0,001 mm) dik, wat het bijna 150 × dunner maakt dan een siliciumwafer. Si-wafer hebben doorgaans een dikte tussen 0,5 mm en 400 micron (0,4 mm), terwijl het bereik van 2 tot 25 micron wordt gebruikt voor specifieke wetenschappelijke doeleinden.

Deze dunheid van het nieuwe materiaal betekent dat het niet alleen op gewone objecten en gebouwen kan worden toegepast, maar in wezen op bijna elk oppervlak, in tegenstelling tot de bestaande fotovoltaïsche materialen.

Door de nieuwe materialen voor coating te gebruiken, merkte Dr. Junke Wang op: “(Ze hebben) aangetoond dat we silicium kunnen repliceren en overtreffen, terwijl we ook flexibiliteit winnen. Dit is belangrijk omdat het meer zonne-energie belooft zonder de noodzaak van zoveel siliciumgebaseerde panelen of speciaal gebouwde zonneparken.”

Deze nieuwe aanpak wordt verwacht zonne-energie de meest duurzame vorm van hernieuwbare energie te maken en de kosten verder te verlagen, die de afgelopen 14 jaar al met wel 90% zijn gedaald.

Volgens het World Economic Forum kostte het in 2010 gemiddeld $378 wereldwijd, zonder subsidies, om een megawattuur elektriciteit uit zonne-fotovoltaïsche cellen te genereren, wat in 2019 daalde tot slechts $68. Zonne-energie is nu goedkoper dan kolen en kernenergie en bijna even economisch efficiënt als onshore wind. Terwijl windenergie in dezelfde periode ook een kostenverlaging heeft gezien, zijn kernenergie en kolen ofwel gestegen of hebben een lichte daling laten zien.

Nu beloven innovaties zoals dunne-film perovskiet extra kostenbesparingen door de behoefte aan siliciumpanelen en speciaal gebouwde zonneparken te verminderen.

Volgens de onderzoekers kan deze nieuwste innovatie een eigen industrie worden om materialen te vervaardigen en zonne-energie goedkoop en duurzaam te genereren door bestaande objecten te gebruiken.

‘Kunstmatig Blad’ om schone brandstof te produceren

Wetenschappers maken niet alleen het mogelijk om goedkope zonne-energie te genereren met alledaagse objecten, maar ze herscheppen ook fotosynthese en revolutioneren daarmee hoe we schone brandstoffen produceren.

In 2019 vestigden onderzoekers van de Universiteit van Cambridge een nieuwe norm toen ze met succes een kunstmatig blad lieten syngas produceren, simpelweg door zonlicht, kooldioxide en water te gebruiken.

Bron: Cambridge University

Syngas is een gas gemaakt van fossiele brandstoffen, een mengsel van waterstof en koolmonoxide, en wordt gebruikt om kunststoffen, farmaceutica, brandstoffen en meststoffen te creëren. Aangezien we gewend zijn producten te produceren die we dagelijks consumeren, is het cruciaal dat we manieren vinden om het “duurzaam te produceren”.

Daar komt het kunstmatige blad, een koolstofneutraal apparaat dat wordt aangedreven door zonlicht en geen CO2 in de atmosfeer uitstoot. Bovendien werkt het kunstmatige blad, ondanks dat het op zonlicht draait, nog steeds efficiënt op bewolkte en overdekte dagen.

Geïnspireerd door fotosynthese, een natuurlijk proces waarbij planten lichtenergie van de zon gebruiken om kooldioxide en water om te zetten in voedsel, combineerden de onderzoekers twee lichtabsorbers op het kunstmatige blad met een kobaltkatalysator. Wanneer ondergedompeld in water, produceert een van de absorbers zuurstof met behulp van de katalysator, terwijl de andere de chemische reactie uitvoert, waarbij water en CO2 worden gereduceerd tot waterstof en koolmonoxide, die syngas vormen.

Omdat de lichtabsorbers zelfs bij lage lichtniveaus werken, kan deze technologie de hele dag door en overal ter wereld worden gebruikt.

Hoewel andere kunstmatige bladapparaten zijn ontwikkeld, merkten de Cambridge-onderzoekers op dat deze alleen waterstof produceren, in tegenstelling tot hun eigen apparaat, dat syngas kan produceren dankzij de combinatie van materialen en katalysatoren die ze gebruikten.

Het materiaal dat werd gebruikt voor de moleculaire katalysator was kobalt, dat goedkoper, overvloedig en beter is in het produceren van koolmonoxide dan andere katalysatoren zoals platina of zilver.

Ondertussen werden hun lichtabsorbers gemaakt van perovskiet in plaats van silicium of kleurstof-gevoelige materialen. Perovskiet lichtabsorbers leverden een hoge fotospanning en elektrische stroom om de chemische reactie aan te drijven, die CO2 reduceerde tot CO.

De volgende stap na syngas is het ontwikkelen van een duurzame vloeibare brandstof als vervanging voor benzine. In plaats van syngas te maken en deze vervolgens om te zetten in vloeibare brandstof, streeft de studie ernaar de vloeibare brandstof zelf één stap van kooldioxide en water te maken.

Aangezien elektriciteit slechts een fractie van de totale wereldwijde energievraag kan vervullen, kan synthetische benzine een cruciale ontwikkeling zijn, zei senior auteur professor Erwin Reisner van de Chemische afdeling van Cambridge, waarbij hij de “grote vraag naar vloeibare brandstoffen om zwaar transport, scheepvaart en luchtvaart duurzaam aan te drijven” benadrukte.

In de afgelopen jaren heeft Reisner met zijn groep gewerkt aan de ontwikkeling van een nieuw kunstmatig blad dat onmiddellijk schone ethanol en propanol kan produceren zonder eerst syngas te maken. Dit is bereikt door een koper- en palladiumgebaseerde katalysator te ontwikkelen.

“(In staat zijn om) een praktische vloeibare brandstof te produceren alleen met de kracht van de Zon” (maakt dit) een spannende vooruitgang die geheel nieuwe wegen in ons werk opent.

Voorlopig is het apparaat slechts een proof of concept. De onderzoekers werken eraan de bladeren te optimaliseren voor betere absorptie van zonlicht, de katalysator te verfijnen om meer zonlicht om te zetten in brandstof, en uiteindelijk het apparaat schaalbaar te maken om grote volumes brandstof te produceren.

Professor Reisner kreeg dit jaar eerder een Royal Academy of Engineering Chair in Emerging Technologies toegekend. De prijs van £2,5 miljoen zal zijn team in staat stellen de overgang van laboratorium naar markt van zonne-chemische technologieën te faciliteren.

Terwijl het Reisner-team werkt aan het schaalbaar maken van hun product, bracht Yimin Wu, een ingenieursprofessor aan de Universiteit van Waterloo, een ander artikel uit rond dezelfde tijd als het Syngas-onderzoek. Dit artikel creëerde ook een ‘kunstmatig blad’ dat goedkoop schadelijke CO2 omzette in een bruikbare alternatieve brandstof.

Opnieuw, geïnspireerd door het proces van fotosynthese, produceerde het kunstmatige blad methanol en zuurstof, in tegenstelling tot het natuurlijke blad, dat glucose en zuurstof produceert.

Het belangrijkste ingrediënt hier was koperoxide, een geoptimaliseerd rood poeder, dat ontworpen was om deeltjes met acht zijden te hebben. Het was het resultaat van het toevoegen van koperacetaat, glucose, natriumdodecyl en sulfaat natriumhydroxide aan water dat tot een specifieke temperatuur werd verwarmd.

Wanneer gemengd met water en blootgesteld aan CO2, fungeerde het als een trigger voor een andere chemische reactie, waarbij zuurstof werd geproduceerd en CO2 werd omgezet in methanol. Een zonne-simulator werd gebruikt om wit licht te stralen. Terwijl de oplossing werd verwarmd, verzamelde de reactie methanol, dat verdampte.

Quantumdots om dubbelglas zonne-ramen te creëren

Een andere ontwikkeling op dit gebied is quantumdots, kleine halfgeleiderdeeltjes in het bereik van 2-10 nanometer. Hun kleine formaat geeft hen unieke elektronische en optische eigenschappen, waardoor ze veelzijdig zijn.

In onderzoek aan het Los Alamos National Laboratory werden quantumdots in raamglas ingebed om elektriciteit te genereren. Deze ‘designer’ quantumdots absorberen zonlicht en zetten het om in energie zonder de transparantie van de ramen te beïnvloeden.

Deze innovatie maakt het in wezen mogelijk dat hele gebouwen zonne-energiegeneratoren worden zonder traditionele zonnepanelen, die kostbaar zijn en veel ruimte innemen.

Bron: Los Alamos National Laboratory

Volgens hoofdonderzoeker Victor Klimov bieden quantumdot-gebaseerde dubbelglasramen een nieuwe benadering om kosten te verlagen dankzij de sterke prestaties die kunnen worden bereikt met deze “lage-kost, in oplossing verwerkbare materialen.”

Deze nieuwe methode vervangt de huidige PV-technologie niet. Effectieve zonlichtverzamelaars worden eenvoudig toegevoegd aan de bestaande zonnepanelen. Ze kunnen ook worden geïntegreerd als semi-transparante ramen in de architectuur van een gebouw.

Hoewel huidige fotovoltaïsche panelen een efficiëntie van ongeveer 25% behalen, bieden quantumdots het potentieel om dit te overtreffen door gebruik te maken van dragervermenigvuldiging.

Een typisch fotovoltaïsch zonnepaneel absorbeert één foton licht en geeft één elektron vrij, dat energie wordt. Echter, door dragervermenigvuldiging en het incorporeren van magnetische mangaanionen produceren quantumdot-gebaseerde zonnepanelen meer dan twee elektronen voor elk foton dat ze absorberen.

Echter, in de kern van deze technische vooruitgang staat “solar-spectrum splitting”, die de verwerking van hoge- en lagere-energie zonne-fotonen scheidt.

Dit werd bereikt door mangaanionen in quantumdots te incorporeren als zeer emissieve onzuiverheden. Wanneer quantumdots licht absorberen, worden de onzuiverheden geactiveerd, wat ertoe leidt dat de mangaanionen licht uitstralen op energieën onder het absorptiebegin van quantumdots.

Nu, om een raam te transformeren tot een tandem luminescent zonlichtcollector, deponeren de onderzoekers een laag quantumdots gedopeerd met zeer emissief mangaan op het oppervlak van de voorste glazen paneel. Ondertussen werd een laag quantumdots met koperindiumselenide op het oppervlak van de achterste paneel gedeponeerd.

Op deze manier absorbeert de voorste laag de zichtbare blauwe en ultraviolet delen van het zonnespectrum, terwijl de onderste laag de rest opvangt. Eenmaal geabsorbeerd, zenden de quantumdots fotonen opnieuw uit op een langere golflengte. Het opnieuw uitgezonden licht wordt geleid door totale interne reflectie naar de randen van het raamglas, waar de geïntegreerde zonnecellen het licht opvangen en omzetten in elektriciteit.

Bovendien onderzoekt het team van Klimov ook hoe quantumdots kunnen worden gebruikt om ammoniak te produceren, wat meer dan 2% van het wereldwijde energieverbruik uitmaakt. In deze specifieke toepassing gebruiken ze quantumdots en zonlicht om “vrije elektronen” te genereren in plaats van licht via foto-emissie.

Laten we nu twee grote bedrijven in de zonne-energiesector bekijken.

#1. NextEra Energy

Bekend als een leider in de sector van hernieuwbare energie, rapporteerde NextEra Energy (NEE ) een nettowinst van $552 miljoen en een aangepaste winst van $865 miljoen in Q2 2024.

Ze voegden 3 GW toe aan hun capaciteit voor hernieuwbare energie, inclusief aanzienlijke zonne-ontwikkelingen, en projecteren een stijgende winsttrend tot 2027 met de verwachting dat de aangepaste winst per aandeel jaarlijks zal stijgen.

#2. First Solar

First Solar (FSLR ) is gespecialiseerd in de productie van zonnepanelen en het leveren van uitgebreide fotovoltaïsche krachtcentrummedewerkers. Hun innovatieve gebruik van dunne-film halfgeleidertechnologie onderscheidt hen in de zonne-industrie.

Financieel rapporteerde First Solar een omzet van $3,56 miljard en een nettowinst van $1,02 miljard in het afgelopen fiscale jaar. Hun focus op duurzame technologie en internationale marktuitbreiding onderstreept hun strategische positie in de zonne-sector.

Conclusie

Deze nieuwste innovaties markeren een grote en belangrijke stap vooruit in het realiseren van het volledige potentieel van zonne-energie. Zonne-energie is een schone en hernieuwbare bron die een krachtig alternatief biedt voor fossiele brandstoffen, die het milieu vervuilen.

Met de verwachting dat de wereldwijde energievraag in het komende jaar zal toenemen en duurzame zonne-energie in overvloed beschikbaar is, is het van essentieel belang deze onbeperkte bron van schone energie te benutten. Echter, zonne-energie vertegenwoordigt momenteel een zeer laag (enkel) percentage van de totale wereldwijde elektriciteitsopwekking uit alle bronnen. Dit onderstreept de dringende noodzaak voor voortdurende research, ontwikkeling en samenwerking tussen overheden en organisaties om het gebruik van zonne-energie echt vooruit te stuwen en de hele wereld van stroom te voorzien.

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