Molekylær lagring av solenergi: over tidoblet effektivitet i laboratorieforsøk

Det internasjonale energibyrået, IEA, beskrev i en rapport fra januar 2024 den raske veksten i verdens kapasitet for fornybar strømproduksjon.

Utviklingen ga ifølge IEA en mulighet til å nå COP28-målet om å tredoble global fornybarkapasitet innen 2030. Det var en vurdering av mulighetene, ikke en garanti for at målet ville bli nådd.

Fornybarkapasiteten har økt betydelig det siste tiåret, med solenergi som en viktig bidragsyter. I 2023 kom omtrent 30 % av verdens strømproduksjon fra fornybare kilder, mens solceller sto for rundt tre firedeler av årets nye fornybare produksjonskapasitet. Produksjon og installert kapasitet er forskjellige mål.

Fallende kostnader har gjort nye solkraftprosjekter konkurransedyktige med kull i mange markeder. Den samlede økonomien avhenger også av finansiering, nett, lagring og lokale forhold.

Oppvarming står for en stor del av verdens sluttbruk av energi. Solvarme og solstrøm spiller fortsatt en mindre rolle der enn fossile brensler, selv om mulighetene varierer mellom bruksområder.

Solceller produserer ikke strøm uten tilstrekkelig lys. Produksjonsprofilen kan avvike fra forbruket, og vær og klima påvirker både produksjon og etterspørsel.

Romany Webb påpeker at energisystemet som helhet må vurderes når klimaendringenes virkninger analyseres; ingen produksjonsteknologi er helt upåvirket.

– Romany Webb, nestleder ved Sabin Center for Climate Change Law, Columbia Climate School

Høye celletemperaturer reduserer vanligvis solcelleeffekten, samtidig som kjølebehov kan belaste nettet. Enkelte studier av orkaner har målt redusert solkraftproduksjon, mens studier av tropiske sykloner har undersøkt kraftig redusert solinnstråling. Resultatene gjelder bestemte hendelser og områder, ikke et fast tap ved alle stormer. Ekstremvær kan også skade anlegg.

Disse utfordringene øker interessen for lagring og andre løsninger som utfyller solkraft. Termoradiative dioder er imidlertid en egen, eksperimentell energiomformingsteknologi, ikke lagring av dagens solstrøm.

Lagring kan flytte overskuddsproduksjon til timer med større behov. Sammen med nett og fleksibelt forbruk kan det bidra til bedre balanse mellom tilbud og etterspørsel.

Lagring kan gi reservekraft ved strømbrudd dersom anlegget har nødvendig øydrift, effekt og lagret energi. Et vanlig nettilknyttet solanlegg gir ikke automatisk strøm under et nettutfall.

Lagringsalternativene omfatter blant annet batterier, mekaniske, termiske og kjemiske systemer. Litiumionbatterier er vanlige for kortere lagring, men den mest kostnadseffektive løsningen avhenger av varighet og bruk.

En forskningsretning er molekylær lagring av solenergi, der lys driver en kjemisk strukturendring. Sensibilisering kan gjøre det mulig å utnytte mer synlig lys.

Molekylær innhøsting og lagring av solenergi

Forskere ved Johannes Gutenberg-universitetet i Mainz og Universitetet i Siegen undersøkte molekylære systemer som lagrer solenergi.

Noen slike systemer kan holde på energi i uker eller måneder. Også andre termiske teknologier kan gi langtidslagring.

En molekylær lysbryter endrer struktur ved belysning. Den lagrede energien kan senere frigjøres som varme.

En utfordring er å kombinere god lysabsorpsjon med høy lagringskapasitet.

Forskerne undersøkte en ny tilnærming i en studie offentliggjort på nett i 2024.

Lagringstettheten til selve molekylene må ikke forveksles med ytelsen til et komplett batteri eller lagringsanlegg.

En molekylær lysbryter endrer struktur ved bestråling. Et litiumionbatteri lagrer og leverer derimot elektrisk energi elektrokjemisk.

De undersøkte lysbryterne krevde opprinnelig UV-lys, som utgjør en liten del av sollyset ved bakken.

En sensibilisator absorberer synlig lys og overfører energi til lysbryteren.

Christoph Kerzig forklarer at energi overføres fra sensibilisatoren til en lysbryter som ikke eksiteres direkte under de samme lysforholdene.

Forsøket ga over tidoblet lagringseffektivitet mot studiens sammenligningsgrunnlag. Dette er ikke en tilsvarende forbedring av alle solanlegg eller batterier.

Spektroskopiske målinger bidro til å forklare reaksjonsmekanismen.

Till Zähringer fremhever at mekanistisk forståelse kan hjelpe med å forbedre lysinnhøstingen.

Høy reaksjonseffektivitet per absorbert foton betyr ikke at all innstrålt solenergi lagres.

Gjentatte lagrings- og frigjøringssykluser viste laboratoriepotensial. Kommersiell levetid, kostnad og skala gjenstår å dokumentere.

Andre forskningsresultater fra 2024

Solenergi har en viktig rolle i en mer fornybar energimiks. Forskning på produksjon, lagring og drift retter seg mot ulike deler av energisystemet og kan ikke vurderes med ett felles effektivitetsmål.

Forskere ved North Carolina State University undersøkte grenseflatene i organiske solceller. De brukte skannende tunnelmikroskopi og spektroskopi for å kartlegge energiforhold. Studien oppfant ikke all skanneprobemikroskopi, men brukte metodene til å forstå spenningstap.

Organiske solceller kan lages med karbonbaserte polymerer og små molekyler. De gir muligheter for lette, fleksible og delvis gjennomsiktige produkter, men effektivitet og levetid avhenger av materialene.

I mange organiske solceller absorberes lys i en blanding av donor- og akseptormaterialer. Ved grenseflatene kan eksitasjoner skilles til elektriske ladninger. Energihopp og uorden kan bidra til spenningstap.

Studien knyttet slike tap til både energiforskjellen mellom relevante tilstander og energetisk uorden ved grenseflatene.

Aram Amassian og kollegene peker på materialvalg og prosessering som kan redusere energitap. Resultatene gir designregler, ikke en universell forbedring for alle solceller.

En annen studie undersøkte hvordan brukbar kapasitet i hjemmebatterier kan anslås fra driftsdata.

Metoden identifiserer passende fulle og tomme tilstander og bruker målt ladningsoverføring mellom dem til å beregne kapasitet. Estimatene ble kontrollert mot kapasitetstester.

Forskerne analyserte 21 private litiumionbaserte anlegg i Tyskland med opptil åtte års målinger. Brukbar kapasitet falt i gjennomsnitt med omtrent 2–3 prosentpoeng per år i dette utvalget.

Datasettet omfatter rundt 14 milliarder datapunkter og 106 systemår, altså samlet måletid for flere anlegg. Det er ikke observasjoner fra ett system over et århundre. Dataene kan brukes til videre metodeutvikling.

I juni 2024 presenterte forskere også et lysinnhøstende molekylsystem som absorberer lys effektivt i et relativt tynt lag. Det etterligner enkelte prinsipper fra naturlig lysinnhøsting.

Systemet kombinerer absorpsjon over et bredt synlig spektrum med de høye absorpsjonskoeffisientene til organiske fargestoffer. Dette beskriver lysinnhøsting, ikke alene en komplett solcelle.

Fire forskjellige merocyaninfargestoffer er foldet og stablet tett for rask energioverføring. Omtrent 38 % av innstrålt lysenergi ble omdannet til fluorescens i forsøket. Dette er ikke 38 % elektrisk solcellevirkningsgrad.

Et internasjonalt forskerteam publiserte også en studie av de raske elektroniske prosessene i lysbryteren kvadrisyklan. Målet var å forstå reaksjonsveier som kan være relevante for molekylær energilagring.

Norbornadien er et bicyklisk hydrokarbon som ved lysbestråling kan omdannes til det mer spenningsrike kvadrisyklan. Tilbakeomdanning kan frigjøre lagret energi.

Molekylenes teoretiske lagringstetthet kan være interessant, men den må skilles fra et komplett systems energitetthet og virkningsgrad. Varmefrigjøring er heller ikke direkte levering av elektrisitet uten en egen omforming.

Hydrokarbonbaserte lagringsmolekyler kan redusere behovet for enkelte materialer, men hele systemets katalysatorer, sensibilisatorer, løsemidler, sikkerhet og livsløp må vurderes. Resirkulering og ufarlig avhending følger ikke automatisk av at molekylene inneholder karbon og hydrogen.

Selskaper med virksomhet innen fornybar energi og lagring

To relaterte børsnoterte selskaper er NextEra Energy, Inc. (NEE ) og Enphase Energy, Inc. (ENPH ). Begge arbeider med energi, men forskningen ovenfor dokumenterer ikke at de tilbyr eller kommersialiserer disse molekylære lagringssystemene.

1. NextEra Energy

NextEra har virksomhet innen kraftproduksjon, nett og batterilagring. En eventuell fremtidig bruk av molekylær lagring er en mulighet, ikke et offentlig dokumentert produktprogram i denne artikkelen.

Aksjekursen på 78,37 dollar, markedsverdien rundt 161 milliarder dollar og de oppgitte nøkkeltallene var øyeblikksbilder fra artikkelens 2024-periode. De er ikke løpende markedsdata og må vurderes med dato og beregningsgrunnlag.

I resultatene for tredje kvartal 2024 rapporterte NextEra et GAAP-nettoresultat på 1,852 milliarder dollar, mot 1,219 milliarder året før. Justert resultat per aksje steg rundt 10 %. Nettoresultat er ikke det samme som omsetning.

Datterselskapet Florida Power & Light rapporterte 1,293 milliarder dollar i nettoresultat og rundt 2 milliarder i investeringer i kvartalet. Den regulerte kapitalbasen økte omtrent 9,5 % fra året før. Selskapet fremhevet også nettforsterkning og gjenoppretting etter orkanene i 2024.

NextEra Energy Resources la til omtrent 3 GW i ordreboken for fornybar- og lagringsprosjekter. Nye rammeavtaler om opptil 10,5 GW frem mot 2030 var potensielle prosjekter og inngikk da ikke i ordreboken.

John Ketchum fremhevet økt kraftetterspørsel som en mulighet for selskapet. Fremtidige resultater var fortsatt avhengige av gjennomføring og markedsforhold.

– John Ketchum, administrerende direktør i NextEra Energy

I artikkelens 2024-periode kunngjorde NextEra en finansiering på 1,5 milliarder dollar gjennom equity units, med blant andre Goldman Sachs (GS ), J.P. Morgan og Mizuho involvert. Slike enheter er ikke identiske med et ordinært aksjesalg. Provenyet var knyttet til generelle selskapsformål og tilbakebetaling av kortsiktig gjeld, ikke utelukkende et bestemt AI-prosjekt.

I 2024 vurderte selskapet også en mulig gjenåpning av Duane Arnold-kjernekraftverket i Iowa. En slik vurdering og kontakt med regulatorer var ikke det samme som godkjent og gjennomført gjenstart.

2. Enphase Energy, Inc.

Enphase leverer mikroinvertere, batterisystemer og energistyring. Artikkelen dokumenterer ikke at selskapet hadde et kommersielt program for den beskrevne molekylære lagringen.

Aksjekurs og verdsettelse oppgitt i artikkelen var historiske øyeblikksbilder fra 2024. For tredje kvartal 2024 rapporterte Enphase 380,9 millioner dollar i omsetning og 48,1 % non-GAAP bruttomargin. Leveransene omfattet rundt 1,73 millioner mikroinvertere og batterier med samlet 172,9 MWh energikapasitet.

Enphase rapporterte 161,6 millioner dollar i fri kontantstrøm i tredje kvartal 2024. Kontanter, kontantekvivalenter og omsettelige verdipapirer var samlet omtrent 1,77 milliarder dollar.

Selskapet beskrev også programvare for å styre energibruk ut fra prognoser for solproduksjon og forbruk samt strømpriser. Faktiske besparelser avhenger av system, tariff og bruk.

I oktober 2024 annonserte Enphase IQ8-produkter i utvalgte markeder og utvidelser av støtte for virtuelle kraftverk i enkelte amerikanske delstater. Garantier og kompatibilitet må vurderes for det konkrete produktet og landet.

Andre 2024-annonseringer omfattet løsninger for eldre NEM-anlegg i California, NACS-kontakter til IQ-ladere og energistyring med dynamiske priser i Nederland. «Uten straff» betyr her ikke fritak fra alle tekniske vilkår eller nettregler.

I rapporteringen fra høsten 2024 omtalte Enphase kommende ladere, batterier og et nytt amerikansk energisystem. «Tidlig neste år» viste til 2025 og var et planlagt lanseringstidspunkt, ikke en garanti.

Omsetningen i Europa falt 15 % fra andre til tredje kvartal 2024, mens amerikansk omsetning steg 43 %. Selskapet knyttet utviklingen til etterspørsel og normalisering av distribusjonslagre. Dette er kvartalsendringer, ikke årsvekst.

Konklusjon

Solenergi kan bidra til et energisystem med lavere utslipp. Utbredelsen påvirkes av kostnader, nett, lagring, areal, politikk og lokale forhold.

Molekylær lagring og organiske solceller viser forskningsmuligheter, men dekker ulike funksjoner og modenhetsnivåer. Laboratorieresultater må følges av dokumentasjon av skala, levetid, sikkerhet og økonomi.

Les også oversikten over børsnoterte selskaper innen solenergi.