Solenergilagringslösningar ökar effektiviteten med ‘mer än en storleksordning’ i konverteringsgenombrott

“Världens kapacitet att producera förnybar el ökar snabbare än någonsin under de senaste tre decennierna,” sade Internationella energirådet i en rapport som publicerades tidigare i år.

Denna tillväxt, enligt den parisbaserade autonoma mellanstatliga organisationen, erbjuder “en verklig möjlighet att uppnå” målet att tredubbla den globala kapaciteten, som fastställdes vid klimatkonferensen COP28, före slutet av detta decennium.

Förnybar kapacitet har vuxit avsevärt under det senaste decenniet, med solenergi som spelar en viktig roll i detta. År 2023 producerade förnybara källor 30 % av världens el, och sol‑PV stod för tre fjärdedelar av de nya förnybara kapacitetsökningarna globalt.

Detta är logiskt, med tanke på att kostnaden för solenergi fortsätter att sjunka och blir billigare än kol. Förutom att erbjuda ekonomiska fördelar som kostnadssäkerhet över en lång period, ökar solenergi också motståndskraften och minskar koldioxidutsläppen.

Trots dessa fördelar och det faktum att 50 % av den globala slutliga energiförbrukningen används för uppvärmning, är användningen av solkraft fortfarande låg jämfört med fossila energikällor.

Detta beror på att solkraft har sina unika begränsningar, inklusive att den inte är tillgänglig på natten, medan den högsta energianvändningen ofta sker på kvällarna. Dessutom påverkar klimatförändringarna både efterfrågan och tillgången.

“Vi måste tänka på hur klimatförändringarna kommer att påverka energisystemet som helhet eftersom, tyvärr, inget elgenererande system är immunt mot klimatförändringarnas påverkan.”

– Romany Webb, biträdande direktör för Sabin Center for Climate Change Law vid Columbia Climate School

När det gäller klimatpåverkan gör mer frekventa värmeböljor solpaneler mindre effektiva, medan ökad efterfrågan på kylning belastar nätet och påverkar systemet negativt. Orkaner har faktiskt visat sig minska fotovoltaisk produktion mellan 18 % och 60 %, medan tropiska cykloner kan sänka solstrålningen med 80 %. Extremt väder som vindfaror kan ytterligare skada solenergiinfrastruktur.

Alla dessa begränsningar innebär att effektiv lagring av solenergi kan öppna upp en mängd möjligheter.

Effektiva lagringslösningar möjliggör lagring av överskottskraft för toppanvändning när solen går ner. På så sätt kan elektriska belastningar balanseras efter efterfrågan och tillgång och möjliggöra ett jämnt energiflöde.

Lagring av solkraft ger också skydd under störande händelser som skogsbränder, då energinätet blir sårbart för strömavbrott.

Så, vad är dessa lagringslösningar? De tillhör i allmänhet tre huvudkategorier; batteri, mekanisk och termisk. Bland dessa är batterier, särskilt litiumjonbatterier, det vanligaste och mest kostnadseffektiva sättet att lagra solenergi.

Forskare kommer dock ständigt med nya innovationer. Ett helt nytt tillvägagångssätt för att skörda och lagra solenergi mer effektivt involverar användning av underutforskade sensitiseringstrategier.

Mer effektiv insamling och lagring av solenergi

För att tackla det grundläggande problemet med begränsad global solenergianvändning—intermittensen i dess direkta tillgänglighet—har forskare vid Johannes Gutenberg-universitetet i Mainz (JGU) och vid universitetet i Siegen utvecklat molekylära system för lagring av solenergi.

Till skillnad från traditionella termiska energilagringssystem som lagrar energi endast under korta perioder, kan molekylära solenergilagringssystem lagra den under en längre period, från flera veckor till månader. Detta beror på att solenergi lagras i form av kemiska bindningar.

Så fungerar molekylära solenergilagringssystem: specialiserade molekyler eller fotoswitchar absorberar först solenergin och släpper sedan ut den som värme på begäran.

Även detta system är inte utan sina utmaningar. Huvudproblemet med att excitera fotoswitchar är kompromissen mellan effektiv absorption av solljus och lagringskapacitet. Detta begränsar den totala prestandan för molekylära solenergilagringssystem.

Så genomförde forskarteamet i Mainz och Siegen en studie för att övervinna detta problem med ett nytt tillvägagångssätt.

Den nya klassen av fotoswitchar introducerades först i Siegen och visade en otrolig energilagringspotential jämfört med traditionella litiumjonbatterier.

Den mest använda batterikemin, dessa batterier består av en eller flera litiumjonceller plus ett kretskort. En litiumjoncell har elektroder, en anod, en katod, en elektrolyt som leder elektricitet, strömsamlare och en separator. En fotoswitch är under tiden en molekyl som förändrar sin strukturella geometri och kemiska egenskaper när den utsätts för elektromagnetisk strålning.

Den nya fotoswitchen, som har exceptionell energilagringspotential, var dock begränsad till aktivering av ultraviolett (UV) ljus. UV-ljus har våglängder på 10–400 nanometer och utgör bara en liten del av solspektrumet.

Så föreslog den senaste studien en indirekt ljusinsamlingsmetod. Den liknar hur ljusinsamling fungerar i fotosyntes. Här införlivas en andra förening, en sensitisator som uppvisar utmärkta egenskaper för synligt ljusabsorption. Enligt professor Christoph Kerzig från JGU:s kemiska institution, som ledde studien tillsammans med doktorand Till Zähringer:

“I detta tillvägagångssätt absorberar sensitisatorn ljus och överför därefter energi till fotoswitchen, som inte kan excitera direkt under dessa förhållanden.”

Med detta nya tillvägagångssätt har forskarteamen förbättrat solenergins lagringseffektivitet med mer än en storleksordning. Detta stora steg framåt i energikonvertering öppnar potentiella tillämpningar för både hushållsuppvärmningslösningar och storskalig energilagring.

Det i Mainz baserade forskarteamet genomförde också grundliga spektroskopiska analyser för att utforska det komplexa systemet och förstå den underliggande mekanismen.

Att få en detaljerad förståelse för hur systemet fungerar kommer att hjälpa till att “driva gränsen för ljusinsamling avsevärt,” sade förstförfattaren Zähringer, och tillade att det också kan förbättra ljusets konverteringseffektivitet till lagrad kemisk energi.

Under driftförhållanden kan varje absorberad foton utlösa en process för bildning av kemiska bindningar. Detta observeras sällan i fotokemiska reaktioner på grund av flera energiförlustkanaler.

Forskare har framgångsrikt validerat systemets robusthet i praktiken genom att cykla mellan energilagrings- och frigöringstillståndet flera gånger med solljus, vilket understryker systemets potential för verkliga tillämpningar.

Senaste utvecklingarna inom insamling och lagring av solenergi

Med tanke på solens stora roll i den förnybara energimixen har den blivit ett växande fokus bland forskare, företag och statliga initiativ som försöker få en djupare förståelse för hur allt fungerar och utveckla bättre lösningar för att samla in energin och lagra den.

Ny forskning från NC State University har fokuserat på att ge en djupare förståelse för vad som sker i organiska celler när solljus omvandlas till elektricitet. För att visualisera gränssnitten där ljusenergi omvandlas till elektriska laddningar utvecklade forskarna en ny metod, scanning-probe microscopy, och använde den för att förbättra solcellseffektiviteten.

Tillverkade av kolbaserade polymermaterial har organiska solceller potential att användas för flexibla och lätta solapplikationer samt för halv- eller helt genomskinliga fönsterapplikationer, men de är inte lika effektiva som perovskit- eller kiselbaserade solteknologier när det gäller att omvandla ljus till elektricitet.

Detta beror på att dessa celler består av en blandning av två material; en av dem samlar in elektroner (donator) men måste sedan interagera med den andra för att överföra dem (acceptor), och gränssnitten mellan de två är ansvariga för en spänningsförlust, vilket begränsar organiska solcellers effektivitet.

Den senaste studien fann att både energidifferensen mellan de ingående donator- och acceptormaterialen samt energiodordning längs gränssnitten driver spänningsförluster.

Enligt medförfattare Aram Amassian, professor i materialvetenskap och teknik vid NC State University, minskar val av material med minimala energiskillnader spänningsförluster. Lösningsmedel och bearbetningsparametrar som minskar interfacial oordning kan ytterligare reducera energi-förluster.

En annan nylig studie tog sig an uppgiften att på ett tillförlitligt sätt uppskatta kapaciteten för hushållens energilagringssystem för att få en uppfattning om framtida implementering av effektiva bostads-PV-system.

För detta introducerade forskarna en skalbar kapacitetsestimeringsteknik, som involverar tre nyckelsteg: att bestämma när ett lagringssystem är fullt och när det är tomt samt att beräkna kapaciteten mellan dessa två tillstånd.

Den användes sedan för att mäta 21 litiumjonbatteribaserade system i privata hushåll i Tyskland under åtta år. Analysen visade att systemen i genomsnitt förlorade 2–3 % av sin kapacitet årligen.

Metoden kan särskilt användas av tillverkare och solenergiföretag för att uppskatta kapaciteten i deras energilagringssystem. Dessutom publicerade forskarna en omfattande datamängd som omfattar 14 miljarder datapunkter från över 100 år, som kan användas för att genomföra ytterligare studier eller träna beräkningsmodeller.

Tidigare i år, i juni, utvecklade forskarna också ett innovativt ljusinsamlingssystem som kan “absorbera en stor mängd ljusenergi i ett relativt tunt lager“, mycket likt naturliga ljusinsamlingssystem.

Genom att ha en bandstruktur som liknar oorganiska halvledare kan den absorbera ljus panchromatiskt över hela det synliga spektrumet, medan användning av höga absorptionskoefficienter av organiska färgämnen gör att den kan absorbera mycket energi.

Systemet har fyra olika merocyaninfärger som är vikta och staplade tätt tillsammans, vilket möjliggör ultrasnabb och effektiv energitransport inom det. Systemet har visat sig kunna omvandla 38 % av den bestrålade ljusenergin.

För effektiv lagring av solenergi och minskning av konverteringsförluster samlades forskare från hela världen också tidigare i år för att studera dynamiken i foto- och elektrokemisk omvandling för att designa en mer lämplig molekyl för de önskade funktionerna.

Forskarna undersöker norbornadien för detta, vilket är en kolväteisomer med två molekylringar som, när den utsätts för UV-ljus, omvandlas till en mer starkt spänd quadricyclan.

Med tanke på att den rena energitätheten i norbornadien-quadricyclan-systemet är jämförbar med ett litiumjonbatteri, om dess omvända omvandling kan kontrolleras pålitligt, kan det möjliggöra en effektiv solmodul som också är lämplig för lagring av elektricitet.

Att fokusera på kolvätemolekyler erbjuder en kostnadseffektiv metod som inte kräver några sällsynta metaller och som enkelt kan återvinnas eller avyttras. Alla dessa senaste utvecklingar inom sektorn är ett bevis på det växande fokuset på att öka antagandet av solenergi världen över.

Företag som är positionerade att dra nytta av framstegen

Nu ska vi titta på två av de mest framstående namnen som kan dra nytta av eller erbjuda ett sådant molekylärt solenergilagringssystem. Dessa två namn är NextEra Energy, Inc. (NEE ) och Enphase Energy, Inc. (ENPH ), som båda är amerikanska företag och aktivt involverade i förnybar energi.

1. NextEra Energy (NEE )

Känd för sina investeringar i förnybara energiteknologier kan NextEra Energy dra nytta av sådan teknik när det gäller lagringseffektivitet.

Med ett börsvärde på 161 miljarder dollar handlas NextEra-aktier för närvarande till 78,37 $, upp över 29 % i år hittills. Företaget har en EPS (TTM) på 3,37 och ett P/E (TTM) på 23,24, samtidigt som det betalar en utdelningsavkastning på 2,63 %.

Energiinfrastrukturföretaget rapporterade nyligen resultaten för 3Q24, vilket avslöjade att nettoresultatet steg till 1,85 miljarder dollar, jämfört med 1,29 miljarder dollar i Q3 2023. Justerade vinst per aktie ökade samtidigt med 10 % år‑över‑år. Dessa resultat, enligt VD John Ketchum, visar “fortsatt solid finansiell och operativ prestation.”

Samtidigt hade NextEra Energy-ägda Florida Power & Light Company (FPL) ett nettoresultat på 1,29 miljarder dollar, medan deras kapitalutgifter var 2 miljarder dollar, och regulatoriskt kapital ökade med 9,5 % år‑över‑år. När han talade om sina floridanska kunder som påverkades av orkanerna Helene och Milton, noterade Ketchum att FPL:s “investeringar i förstärkning och smart‑grid‑teknik förhindrade hundratusentals strömavbrott.

Nu har NextEra Energy Resources, för andra kvartalet i rad, lagt till cirka 3 gigawatt nya förnybara och lagringsprojekt till sin backlogg. De meddelade också avtal med två Fortune‑50‑kunder för utveckling av förnybara och lagringsprojekt, med en total på upp till 10,5 gigawatt till 2030.

“Den fortsatta starka prestationen av våra verksamheter och vår skala, erfarenhet och teknik kommer att göra det möjligt för oss att kapitalisera på den möjlighet som den ökade efterfrågan på kraft ger vår sektor.”

– Ketchum, VD för NextEra Energy

Förra veckan gick det ledande renenergiföretaget in i ett avtal om att sälja aktieenheter till ett värde av 1,5 miljarder dollar till stora finansinstitut, inklusive Goldman Sachs (GS ), J.P. Morgan och Mizuho. Medlen kommer att användas för investeringar i AI‑relaterade energi‑ och kraftprojekt samt för att återbetala sina utestående kommersiella pappersförpliktelser.

När AI‑mani leder till ökad efterfrågan på kraft från AI‑datacenter och företaget fokuserar på att växa sin förnybara energiverksamhet, genomför NextEra Energy också studier och har diskussioner med federala regulatorer om att återstarta kärnkraftverket Duane Arnold i Iowa.

2. Enphase Energy, Inc. (ENPH )

Specialiserat på solinvertrar och lagring kan Enphase Energy också potentiellt expandera för att inkludera innovativ molekylär lagring om den är kommersiellt livskraftig för att förbättra energiresiliens och effektivitet för sina konsumenter.

Med ett börsvärde på 11,8 miljarder dollar handlas Enphase-aktier för närvarande till 87,46 $, ner 33,87 % i år. Företaget har en EPS (TTM) på 0,44 och ett P/E (TTM) på 198,82. För Q3 2024 rapporterade det globala energiteknikföretaget en omsättning på 380,9 miljoner dollar och en icke‑GAAP bruttomarginal på 48,1 %. Under denna period levererade Enphase mer än 1,73 miljoner mikroinvertrar och 172,9 MWh batterier.

Världens ledande leverantör av mikroinverterbaserade sol- och batterisystem avslutade samtidigt kvartalet med 161,6 miljoner dollar i fritt kassaflöde medan kontanter, likvida medel och marknadspapper var 1,77 miljarder dollar.

Under denna period lanserade Enphase AI‑baserad mjukvara för att optimera energianvändning genom att integrera sol‑ och konsumtionsprognoser med eltariffer för att hjälpa konsumenter maximera besparingar.

I oktober började företaget leverera IQ8™‑mikroinvertrar för att stödja nyare, högpresterande solpaneler i utvalda länder, utökade sitt stöd för nätverkstjänstprogram (eller virtuella kraftverk) i utvalda amerikanska delstater, och lanserade IQ8X‑mikroinvertrar med den längst standardgarantin för bostäder på 25 år i Australien.

Under de två månaderna före detta lanserade den sitt mest kraftfulla Enphase Energy System hittills, meddelade en lösning för att utöka äldre net energy metering (NEM) solenergisystem i Kalifornien utan påföljd, lanserade NACS‑kontakter för IQ‑EV‑laddare, och levererade IQ8‑mikroinvertrar för att stödja nyare, högpresterande solmoduler i utvalda länder i hela Europa. Den introducerade också IQ Energy Management för att möjliggöra stöd för dynamiska elpriser och integration av tredjeparts‑EV‑laddare och värmepumpar i Nederländerna.

Företaget förbereder nu lanseringen av den andra generationens IQ®‑EV‑laddare, 3‑fas IQ‑batteri med backup, och IQ®‑Balcony Solar Kit för den europeiska marknaden, medan deras fjärde generationens energisystem, med IQ®‑Meter Collar, 10 kWh IQ‑batteri och förbättrad IQ®‑Combiner, kommer att debutera i USA tidigt nästa år.

Sammantaget minskade Enphases försäljning i Europa med 15 % från Q2 på grund av “ytterligare avmattning i europeisk efterfrågan”, medan återgången av lager till normala nivåer ökade dess amerikanska intäkter med 43 % sekventiellt.

Slutsats

Mitt i den globala satsningen på förnybar energi har solkraft framträtt som en framstående aktör som erbjuder en ren och riklig lösning. Dess globala antagande påverkas dock av kostnad, mer effektiva lösningar och brist på infrastruktur, bland andra faktorer.

De senaste framstegen, från molekylär solenergilagring till innovationer inom organiska solceller, erbjuder stor potential att göra solenergi mer effektiv, hjälpa till att möta den globala efterfrågan på kraft, även under ogynnsamma förhållanden, och bana vägen för en hållbar framtid.

Klicka här för en lista över de bästa solkraftaktierna.