Jakten på bærekraftig energi fører til ukonvensjonelle oppdagelser

Global energiforbruk øker i et akselerert tempo. I 2023 var denne veksten på 2,2 %, sammenlignet med et gjennomsnitt på 1,5 % per år mellom 2010 og 2019.

Denne raskere veksten i energiforbruket er hovedsakelig drevet av Kina, som med +6,6 % var dobbelt så høyt som gjennomsnittet fra 2010‑2019. Andre bidragsytere inkluderer India, Iran, Brasil, De forente arabiske emirater, Algerie, Vietnam og Indonesia. I kontrast falt energiforbruket i Japan, Sør‑Korea, Sør‑Afrika og EU, og forble stabilt i USA.

Totalt har det globale energiforbruket økt med omtrent en tredjedel siden 2000. Nå anslås det til 580 millioner terajoule, og dette årlige globale energiforbruket anslås videre å nå 740 millioner terajoule innen 2040.

Imidlertid er den mest bekymringsfulle delen at den overveldende majoriteten av denne energien—83%—kommer fra fossile brensler, hvor olje er den største energikilden, etterfulgt av kull og naturgass, som slipper ut enorme mengder CO₂ i atmosfæren.

Dette krever et presserende behov for innovasjon innen grønn energi. Mens fornybar energi forventes å vokse, er denne økningen kun 4 %, og bringer den opp til 6 % av det globale primære energiforbruket.

Så, mot denne bakgrunnen av et globalt behov for å transformere energisystemet, har solenergi fremstått som en potensiell spillveksler. Dette skyldes at energien som genereres av solen har potensialet til å drive hele verden og mer.

Jorden trenger bare noen få timers solenergi for å gi hele verden den energien den trenger for et helt år. 

Den er også den reneste og mest tilgjengelige fornybare energikilden. I tillegg gir den fordelen med avkarbonisering, reduserte energikostnader, mye lavere miljøpåvirkning, samt større energitilgang og sikkerhet.

Selvfølgelig er det flere utfordringer knyttet til utnyttelse av solenergi; ellers ville vi allerede brukt den i stor skala. I tillegg til den primære utfordringen med solens intermittens, siden solen ikke skinner hele dagen, finnes det ytterligere utfordringer knyttet til plassering, lagringsløsninger og teknologien som kreves for å utnytte denne energien.

Når det gjelder utnyttelse av solenergi, finnes det flere måter å fange solstråling og omdanne den til energi. 

En metode er å bruke aktiv solenergi, som innebærer bruk av elektriske eller mekaniske enheter for aktivt å omdanne solenergi til en annen energiform. Dette oppnås gjennom fotovoltaikk (PV) eller konsentrert solenergi (CSP).

I PV blir sollys omdannet til elektrisitet ved hjelp av halvledermaterialer som viser den fotovoltaiske effekten. PV‑teknologi er mer kjent som solcellepaneler, som er en samling av solceller, hver med en halvleder som skaper en elektrisk strøm ved å absorbere sollys.

I CSP fokuserer linser og speil sollys fra et stort område til et mye mindre område for å generere elektrisitet. Solovner, som inkluderer ulike typer som solkrafttårn og parabolske kanaler, er et eksempel på konsentrert solenergi.

En annen metode er å bruke passiv solenergi, som ikke benytter eksterne enheter, men utnytter det lokale klimaet. For eksempel er utforming av bygninger for å få ønsket mengde sollys og konstruksjon av bygninger med termisk isolasjon eksempler på denne metoden. Andre eksempler inkluderer kjølige tak og grønne tak.

Imidlertid er dette ikke slutten på teknikkene for å utnytte solenergi. Gitt det enorme potensialet, utforsker forskere stadig nye måter å fange solkraft og omdanne den til nyttig energi, samt å gjøre den kostnadseffektiv og mer effektiv slik at den faktisk kan være nyttig i vårt daglige liv. 

Generering av solenergi fra telefoner og biler  

Forskere fra Oxford University har nylig gjort en interessant utvikling innen solenergiteknologi. Med denne teknologien kan solenergi generert fra overflater av biler og mobiltelefoner.

Kilde: Oxford University

Ja, du hørte riktig: i stedet for å installere rader av silisiumbaserte solpaneler, kan man generere stadig mer solenergi ganske enkelt gjennom hverdagsobjekter.

Denne innovasjonen er muliggjort av et nytt kraftgenererende materiale som påføres overflatene av disse objektene. Det lysabsorberende materialet er tynt og fleksibelt nok til å kunne påføres nesten enhver overflate. Denne revolusjonerende tilnærmingen innebærer å stable flere lysabsorberende lag i en enkelt solcelle. 

For dette har forskere fra fysikkavdelingen ved Oxford University utviklet en teknikk som gjør det mulig å utnytte et bredere spekter av lyset, og dermed generere mer kraft fra samme mengde sollys.

Materialet, tynnfilm-perovskitt, har også blitt uavhengig sertifisert av National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) i Japan for å levere mer enn 27 % energieffektivitet. Disse tallene samsvarer med ytelsen til silisium-fotovoltaikk, som er tradisjonelle, enkeltlags energigenererende materialer.

Ifølge forskerne har de etter bare fem år med eksperimenter ved bruk av fler-junctions- eller stablemetoden økt kraftomdannelseseffektiviteten med omtrent 21 %. Dette betyr at fra en innledende effektivitet på rundt 6 % kan de nå konvertere over 22 % av energien fra sollyset.

Med materialet som allerede nærmer seg grensene for hva dagens enkeltlags fotovoltaikk kan oppnå, sa Dr Shuaifeng Hu, postdoktor ved Oxford,:

“(Deres teknikk) kan gjøre det mulig for fotovoltaiske enheter å oppnå langt høyere effektivitet, over 45 % (i fremtiden).”

I tillegg til energieffektivitet er materialets allsidighet en annen avgjørende faktor. Materialet er ultratynt, litt over ett mikron (0,001 mm) tykt, noe som gjør det nesten 150 ganger tynnere enn en silisiumskive. Silisiumskiver har vanligvis en tykkelse mellom 0,5 mm og 400 mikron (0,4 mm), mens området 2 til 25 mikron brukes til spesifikke vitenskapelige formål.

Denne tynnheten i det nye materialet betyr at det kan påføres ikke bare vanlige objekter og bygninger, men i hovedsak på nesten enhver overflate, i motsetning til eksisterende fotovoltaikk.

Ved å bruke de nye materialene til belegg, bemerket Dr. Junke Wang:

“(De har) vist at vi kan replikere og overgå silisium samtidig som vi får fleksibilitet. Dette er viktig fordi det lover mer solkraft uten behov for så mange silisiumbaserte paneler eller spesialbygde solfarmer.”

Denne nye tilnærmingen forventes å gjøre solenergi til den mest bærekraftige formen for fornybar energi og ytterligere redusere kostnadene, som allerede har falt med opptil 90 % de siste 14 årene.

Ifølge World Economic Forum kostet det i 2010 i gjennomsnitt $378 globalt, uten subsidier, å generere en megawattime elektrisitet fra solcellepaneler, noe som falt til kun $68 i 2019. Solenergi er nå billigere enn kull og kjernekraft og nesten like økonomisk effektiv som landbasert vind. Mens vindenergi også har sett en kostnadsnedgang i denne perioden, har kjernekraft og kull enten økt eller registrert et lite fall.

Nå lover innovasjoner som tynnfilm-perovskitt ytterligere kostnadsbesparelser ved å redusere behovet for silisiumpaneler og spesialbygde solfarmer.

Ifølge forskerne kan denne siste innovasjonen bli en egen industri for å produsere materialer og generere solenergi billig og bærekraftig ved å bruke eksisterende objekter. 

‘Kunstig blad’ for å produsere ren drivstoff

Forskere gjør ikke bare solenergi billig ved bruk av hverdagsobjekter, men de omformer også fotosyntesen og dermed revolusjonerer hvordan vi produserer ren drivstoff.

I 2019 satte forskere fra University of Cambridge en ny milepæl da de med suksess hadde et kunstig blad som lager syntesegass ved kun å bruke sollys, karbondioksid og vann. 

Kilde: Cambridge University

Syntesegass er en gass laget fra fossile brensler, en blanding av hydrogen og karbonmonoksid, og brukes til å lage plast, legemidler, drivstoff og gjødsel. Siden vi er vant til å produsere produkter vi bruker hver dag, er det avgjørende at vi finner måter å “produsere den bærekraftig”.

Her kommer det kunstige bladet, som er en karbonnøytral enhet drevet av sollys og som ikke slipper ut CO₂ i atmosfæren. Dessuten fungerer det kunstige bladet effektivt selv på overskyede og skyete dager. 

Inspirert av fotosyntese, en naturlig prosess der planter bruker sollys til å omdanne karbondioksid og vann til mat, kombinerte forskerne to lysabsorberere på det kunstige bladet med en koboltkatalysator. Når bladet er nedsenket i vann, produserer en av absorbererne oksygen med hjelp av katalysatoren, mens den andre utfører den kjemiske reaksjonen, og reduserer vann og CO₂ til hydrogen og karbonmonoksid, som danner syntesegass.

Fordi lysabsorbererne fungerer selv ved lave sollysnivåer, kan denne teknologien brukes hele dagen og overalt i verden.

Mens andre kunstige blad-enheter har blitt utviklet, bemerket Cambridge-forskerne at de kun produserer hydrogen, i motsetning til deres egen enhet som kan produsere syntesegass på grunn av kombinasjonen av materialer og katalysatorer de brukte.

Materialet som ble brukt til den molekylære katalysatoren var kobolt, som er billigere, rikelig tilgjengelig og bedre til å produsere karbonmonoksid enn andre katalysatorer som platina eller sølv.

I mellomtiden ble deres lysabsorberere laget av perovskitt i stedet for silisium eller fargesensitivt materiale. Perovskitt-lysabsorberere ga høy fotovolttasje og elektrisk strøm for å drive den kjemiske reaksjonen, som reduserte CO₂ til CO.

Neste steg etter syntesegass er å utvikle en bærekraftig flytende drivstoff som erstatning for bensin. I stedet for å lage syntesegass og deretter konvertere den til flytende drivstoff, har studien som mål å lage flytende drivstoff direkte fra karbondioksid og vann.

Siden elektrisitet kun kan dekke en brøkdel av det totale globale energibehovet, kan syntetisk bensin være en viktig utvikling, sa seniorforfatter professor Erwin Reisner fra kjemiavdelingen ved Cambridge, og påpekte det “store behovet for flytende drivstoff for å drive tungtransport, skipsfart og luftfart på en bærekraftig måte”.

I løpet av de siste årene har Reisner jobbet med sin gruppe for å utvikle et nytt kunstig blad som umiddelbart kan produsere ren etanol og propanol uten først å lage syntesegass. Dette er oppnådd ved å utvikle en kobber‑ og palladiumbasert katalysator.

Den første forfatteren av artikkelen, Dr. Motiar Rahaman, sa:

“(Å kunne) produsere et praktisk flytende drivstoff kun ved å bruke solens kraft” (gjør dette) til et spennende fremskritt som åpner helt nye veier i vårt arbeid.”

Foreløpig er enheten kun et konseptbevis. Forskerne jobber med å optimalisere bladene for bedre å absorbere sollys, forbedre katalysatoren for å konvertere mer sollys til drivstoff, og til slutt gjøre enheten skalerbar for å produsere store mengder drivstoff.

Professor Reisner ble faktisk tildelt en Royal Academy of Engineering-stolpe i fremvoksende teknologier tidligere i år. Premien på £2,5 millioner vil gjøre det mulig for hans team å muliggjøre overgangen fra laboratorium til marked for solbaserte kjemiteknologier.

Mens Reisner-teamet arbeider med å gjøre produktet skalerbart, publiserte Yimin Wu, en ingeniørprofessor ved University of Waterloo, en annen artikkel omtrent samtidig med syntesegass-forskningen. Denne artikkelen skapte også et ‘kunstig blad’ som billig konverterte skadelig CO₂ til et nyttig alternativt drivstoff.

Igjen, inspirert av fotosynteseprosessen, produserte det kunstige bladet metanol og oksygen, i motsetning til det naturlige bladet som produserer glukose og oksygen. 

Den viktigste ingrediensen her var cuprous oxide, et optimalisert rødt pulver, som ble designet for å ha partikler med åtte sider. Det ble laget ved å tilsette kobberacetat, glukose, natriumdodecyl og natriumsulfathydroksid til vann oppvarmet til en spesifikk temperatur. 

Når den blandes med vann og eksponeres for CO₂, fungerer den som en utløsende faktor for en annen kjemisk reaksjon, som produserer oksygen og konverterer CO₂ til metanol. En solsimulator ble brukt til å sende hvitt lys. Etter hvert som løsningen ble varmet, samlet reaksjonen metanol, som forsvant ved fordampning.

Kvantematter for å lage dobbeltglass solvinduer

En annen utvikling innen dette feltet har vært kvantematter, som er små halvlederpartikler i størrelsesordenen 2–10 nanometer. Deres lille størrelse gir dem unike elektroniske og optiske egenskaper, noe som gjør dem allsidige.

I forskning ved Los Alamos National Laboratory ble kvantematter innlemmet i vindusglass for å generere elektrisitet. Disse ‘designer’-kvantematter absorberer sollys og konverterer det til energi uten å påvirke vinduenes gjennomsiktighet. 

Denne innovasjonen gjør det i hovedsak mulig for hele bygninger å bli solenergigeneratorer uten behov for tradisjonelle solpaneler, som er kostbare og tar opp mye plass.

Kilde: Los Alamos National Laboratory

Ifølge hovedforsker Victor Klimov gir kvantematter-baserte dobbeltglassvinduer en ny tilnærming for å redusere kostnader takket være den sterke ytelsen som kan oppnås med disse “lavkost, løsningsprosessbare materialene.”

Denne nye metoden erstatter ikke dagens PV‑teknologi. Effektive sollys‑samlere blir enkelt lagt til de eksisterende solpanelene. De kan også integreres som semitransparente vinduer i en bygningsarkitektur.

Mens dagens fotovoltaiske paneler oppnår en effektivitet på rundt 25 %, gir kvantematter potensialet til å overgå dette ved å bruke bærer‑multiplikasjon.

Et typisk fotovoltaisk solpanel absorberer ett foton av lys og frigir ett elektron, som blir energi. Imidlertid, gjennom bærer‑multiplikasjon og innlemming av magnetiske manganioner, produserer kvantematter‑baserte solpaneler mer enn to elektroner for hvert foton de absorberer.

Imidlertid er kjernen i denne tekniske fremgangen “solspektrum‑splitting”, som skiller behandlingen av høy- og lavenergifotoner. 

Dette ble oppnådd ved å innlemme manganioner i kvantematter for å fungere som svært emissive urenheter. Når kvantematter absorberer lys, aktiveres urenhetene, noe som får manganionene til å sende ut lys ved energier under absorpsjonsgrensen til kvantematter.

Nå, for å omdanne et vindu til en tandemluminescens sollys‑samler, påfører forskerne et lag med kvantematter dopet med svært emissiv mangan på overflaten av den fremre glassruten. Samtidig ble et lag med kvantematter med kobolt‑indium‑selenid påført på baksiden av ruten.

Slik absorberer det fremre laget de synlige blå og ultrafiolette delene av solspektrum, mens det nederste laget tar resten. Når lyset er absorbert, sender kvantematter ut fotoner igjen ved en lengre bølgelengde. Det re‑utsendte lyset ledes av total intern refleksjon til vinduets glasskanter, hvor de integrerte solcellene samler lyset og konverterer det til elektrisitet.

I tillegg utforsker Klimovs team også hvordan kvantematter kan brukes til å produsere ammoniakk, som står for over 2 % av global energibruk. I denne spesifikke anvendelsen bruker de kvantematter og sollys for å generere “frie elektroner” i stedet for lys via fotoemisjon. 

La oss nå se på to store selskaper innen solenergi.

#1. NextEra Energy

Allment kjent som en leder innen fornybar energi, rapporterte NextEra Energy (NEE ) en nettoinntekt på $552 millioner og justert inntekt på $865 millioner i Q2 2024.

De la til 3 GW i sin fornybare energikapasitet, inkludert betydelige solutviklinger, og projiserer en stigende inntjeningskurve frem til 2027 med forventning om at justert resultat per aksje vil øke årlig.

#2. First Solar

First Solar (FSLR ) spesialiserer seg på produksjon av solpaneler og tilbyr omfattende tjenester for fotovoltaiske kraftverk. Deres innovative bruk av tynnfilm‑halvlederteknologi skiller dem ut i solindustrien.

Finansielt rapporterte First Solar en omsetning på $3,56 milliarder og en nettoinntekt på $1,02 milliarder i siste regnskapsår. Deres fokus på bærekraftig teknologi og internasjonal markedsutvidelse understreker deres strategiske posisjon i solsektoren.​

Konklusjon

Disse siste innovasjonene markerer et stort og viktig skritt fremover i realiseringen av det fulle potensialet til solenergi. Solenergi er en ren og fornybar ressurs som tilbyr et kraftig alternativ til fossile brensler, som forurenser miljøet.

Med forventet økning i globalt energibehov i det kommende året og bærekraftig solenergi tilgjengelig i overflod, er det avgjørende å bruke denne grenseløse kilden til ren energi. Imidlertid utgjør solenergi for tiden en svært lav (enkelt) prosentandel av total global elektrisitetsproduksjon fra alle kilder. Dette understreker det presserende behovet for kontinuerlig forskning, utvikling og samarbeid mellom myndigheter og organisasjoner for virkelig å drive solenergi‑bruken fremover og forsyne hele verden med kraft.

Klikk her for en liste over de beste solenergiaksjene.