Jakten på hållbar energi leder till okonventionella upptäckter

Den globala energiförbrukningen ökar i en accelererad takt. År 2023 var denna tillväxt 2,2 %, jämfört med ett genomsnitt på 1,5 % per år mellan 2010 och 2019.

Denna snabbare takt av energiförbrukning drivs främst av Kina, som med +6,6 % var dubbelt så hög som genomsnittet 2010‑2019. Andra bidragsgivare inkluderar Indien, Iran, Brasilien, Förenade Arabemiraten, Algeriet, Vietnam och Indonesien. I kontrast minskade energiförbrukningen i Japan, Sydkorea, Sydafrika och EU och förblev stabil i USA.

Sammanlagt har den globala energiförbrukningen ökat med ungefär en tredjedel sedan 2000. Den uppskattas för närvarande till 580 miljoner terajoule, och denna årliga globala energiförbrukning förväntas nå 740 miljoner terajoule år 2040.

Den mest oroande delen är att den stora majoriteten av denna energi—83%—kommer från fossila bränslen, med olja som den största energikällan, följt av kol och naturgas, som släpper ut enorma mängder CO₂ i atmosfären.

Detta kräver ett akut behov av innovation inom grön energi. Även om förnybar energi förväntas växa är ökningen endast 4 procent, vilket tar den till 6 % av den globala primära energianvändningen.

Så, mot denna bakgrund av ett globalt behov av att omvandla energisystemet, har solenergi framträtt som en potentiell spelväxlare. Detta beror på att den energi som genereras av solen har potential att driva hela världen och mer.

Jorden behöver bara ett par timmars solenergi för att förse hela världen med den energi den behöver för ett helt år.

Det är också den renaste och mest rikliga förnybara energikällan som finns. Dessutom har den fördelen att den avkarboniserar, minskar energikostnader, har en mycket lägre miljöpåverkan och erbjuder större energitillgång och säkerhet.

Naturligtvis finns det flera utmaningar förknippade med att utnyttja solenergi; annars skulle vi redan använda den i stor omfattning. Förutom den primära utmaningen med solens intermittens, eftersom solen inte skiner hela dagen, finns ytterligare utmaningar relaterade till plats, lagringslösningar och den teknik som krävs för att utnyttja denna energi.

När det gäller att utnyttja solenergi finns det några sätt att fånga solstrålning och omvandla den till energi.

En metod är att använda aktiv solenergi, vilket innebär att använda elektriska eller mekaniska enheter för att aktivt omvandla solenergi till en annan energiform. Detta uppnås genom fotovoltaik (PV) eller koncentrerad solkraft (CSP).

I PV omvandlas solljus till elektricitet med hjälp av halvledarmaterial som uppvisar den fotovoltaiska effekten. PV-teknik är mer allmänt känd som solpaneler, vilket är en samling solceller, där varje cell innehåller ett halvledarmaterial som skapar en elektrisk ström genom att absorbera solljus.

I CSP fokuserar linser och speglar solljus från ett stort område till ett mycket mindre för att generera elektricitet. Solugnar, som inkluderar olika typer, såsom solkraftstorn och paraboliska kanaler, är ett exempel på koncentrerad solenergi.

En annan metod är att använda passiv solenergi, som inte använder externa enheter utan utnyttjar det lokala klimatet. Till exempel är att utforma en byggnad för att få önskade mängder solljus och att konstruera byggnader med termisk isolering exempel på denna metod. Andra exempel på denna metod inkluderar kyliga tak och gröna tak.

Detta är dock inte slutet på tekniker för att utnyttja solenergi. Med tanke på dess enorma potential utforskar forskare ständigt nya sätt att fånga solkraft och omvandla den till användbar energi, samt göra den kostnadseffektiv och mer effektiv så att den faktiskt kan vara användbar i vårt dagliga liv.

Generera solenergi från telefoner och bilar  

Forskare vid Oxford University gjorde nyligen en intressant utveckling inom solenergiteknik. Med denna teknik kan solenergi genereras från ytorna på bilar och mobiltelefoner.

Källa: Oxford University

Ja, du hörde rätt: istället för att installera rader av kiselbaserade solpaneler kan man generera ökande mängder solenergi helt enkelt genom vardagsföremål.

Denna innovation möjliggörs av ett nytt kraftgenererande material som beläggs på ytorna av dessa föremål. Det ljusabsorberande materialet är tunt och flexibelt nog att kunna appliceras på nästan vilken yta som helst. Detta revolutionerande tillvägagångssätt innebär att stapla flera ljusabsorberande lager i en enda solcell.

För detta har forskare från fysikavdelningen vid Oxford University utvecklat en teknik som gjorde det möjligt att utnyttja ett bredare spektrum av ljuset, vilket genererar mer kraft från samma mängd solljus.

Materialet, tunnfilmperovskit, har också oberoende certifierats av National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) i Japan för att leverera mer än 27 % energieffektivitet. Dessa siffror matchar prestandan hos kisel-fotovoltaik, som är traditionella, enkelskikts energigenererande material.

Enligt forskarna har de efter bara fem år av experiment med den multijunction- eller staplingsmetoden ökat verkningsgraden för kraftomvandling med cirka 21 %. Detta innebär att från en initial verkningsgrad på omkring 6 % kan de nu omvandla över 22 % av energin från solljuset.

“(Deras teknik) kan möjliggöra att fotovoltaiska enheter uppnår mycket högre verkningsgrader, över 45 % (i framtiden).”

Förutom energieffektivitet är materialets mångsidighet en annan avgörande faktor. Materialet är ultratunt, bara lite över en mikron (0,001 mm) tjockt, vilket gör det nästan 150 × tunnare än en kiselplatta. Kiselplattor har vanligtvis en tjocklek mellan 0,5 mm och 400 mikron (0,4 mm), medan intervallet 2 till 25 mikron används för specifika vetenskapliga ändamål.

Denna tunnhet hos det nya materialet innebär att det kan appliceras inte bara på vanliga föremål och byggnader utan i princip på nästan vilken yta som helst, till skillnad från befintliga fotovoltaiska material.

“(De har) visat att vi kan reproducera och överträffa kisel samtidigt som vi får flexibilitet. Detta är viktigt eftersom det lovar mer solkraft utan behovet av så många kiselbaserade paneler eller specialbyggda solfarmer.”

Detta nya tillvägagångssätt förväntas göra solenergi till den mest hållbara formen av förnybar energi och ytterligare minska kostnaden, som redan har fallit med upp till 90 % under de senaste 14 åren.

Enligt World Economic Forum kostade det globalt i genomsnitt 378 $ utan några subventioner att generera en megawattimme elektricitet från solfotovoltaik år 2010, vilket sjönk till endast 68 $ år 2019. Solenergi är nu billigare än kol och kärnkraft och nästan lika ekonomiskt effektiv som landbaserad vind. Medan vindenergi också har sett en kostnadsminskning under denna period har kärnkraft och kol antingen ökat eller registrerat en liten nedgång.

Nu lovar innovationer som tunnfilmperovskit ytterligare kostnadsbesparingar genom att minska behovet av kiselpaneler och specialbyggda solfarmer.

Enligt forskarna kan denna senaste innovation bli en egen industri för att tillverka material och generera solenergi billigt och hållbart genom att använda befintliga föremål.

‘Artificial Leaf’ för att producera ren bränsle

Forskare gör inte bara det möjligt att generera solenergi billigt med hjälp av vardagsföremål, utan de omprogrammerar även fotosyntesen och därmed revolutionerar hur vi producerar rena bränslen.

År 2019 satte forskare från University of Cambridge ett nytt riktmärke när de framgångsrikt fick ett artificiellt blad att skapa syntesgas enbart genom att använda solljus, koldioxid och vatten.

Källa: Cambridge University

Syntesgas är en gas som framställs från fossila bränslen, en blandning av väte och kolmonoxid, och används för att skapa plast, läkemedel, bränslen och gödningsmedel. Eftersom vi är vana vid att producera produkter som vi konsumerar varje dag är det avgörande att vi hittar sätt att “producera den på ett hållbart sätt”.

Här kommer det artificiella bladet, en koldioxidneutral enhet som drivs av solljus och som inte släpper ut CO₂ i atmosfären. Dessutom fungerar det artificiella bladet effektivt även under mulna och molniga dagar.

Inspirerade av fotosyntes, en naturlig process där växter använder ljusenergi från solen för att omvandla koldioxid och vatten till föda, kombinerade forskarna två ljusabsorberare på det artificiella bladet med en koboltkatalsyt. När de är nedsänkta i vatten producerar en av absorberarna syre med katalysatorns hjälp, medan den andra utför den kemiska reaktionen, där vatten och CO₂ reduceras till väte och kolmonoxid, vilka bildar syntesgas.

Eftersom ljusabsorberarna fungerar även vid låga nivåer av solljus, kan denna teknik användas hela dagen och var som helst i världen.

Medan andra artificiella blad-enheter har utvecklats, påpekade Cambridge-forskarna att de endast producerar väte, till skillnad från deras egen enhet som kan producera syntesgas tack vare kombinationen av material och katalysatorer de använde.

Materialet som användes för den molekylära katalysatorn var kobolt, som är kostnadseffektivt, rikligt och bättre på att producera kolmonoxid än andra katalysatorer som platina eller silver.

Samtidigt tillverkades deras ljusabsorberare av perovskit istället för kisel eller färgkänsliga material. Perovskitljusabsorberare gav en hög fotovoltage och elektrisk ström för att driva den kemiska reaktionen, som reducerade CO₂ till CO.

Nästa steg efter syntesgas är att utveckla ett hållbart flytande bränsle som ersättning för bensin. Istället för att först skapa syntesgas och sedan omvandla den till flytande bränsle, syftar studien till att framställa det flytande bränslet direkt från koldioxid och vatten.

Eftersom elektricitet bara kan tillfredsställa en bråkdel av den totala globala energiefterfrågan kan syntetisk bensin vara en viktig utveckling, sade seniorförfattaren professor Erwin Reisner från kemiska institutionen vid Cambridge, och påpekade det “stora behovet av flytande bränslen för att driva tung transport, sjöfart och luftfart på ett hållbart sätt”.

Under de senaste åren har Reisner arbetat med sin grupp för att utveckla ett nytt artificiellt blad som omedelbart kan producera ren etanol och propanol utan att först producera syntesgas. Detta har uppnåtts genom att utveckla en katalysator baserad på koppar och palladium.

“(Att kunna) producera ett praktiskt flytande bränsle enbart med solens kraft” (gör detta) till ett spännande framsteg som öppnar helt nya vägar i vårt arbete.

För närvarande är enheten bara ett bevis på konceptet. Forskare arbetar med att optimera bladen för att bättre absorbera solljus, förfina katalysatorn för att omvandla mer solljus till bränsle och slutligen göra enheten skalbar för att producera stora volymer bränsle.

Professor Reisner tilldelades faktiskt en Royal Academy of Engineering Chair i Emerging Technologies tidigare i år. Det 2,5 miljon pund stora priset kommer att möjliggöra hans teams övergång från laboratorium till marknad för solkemiska teknologier.

Medan Reisner-teamet arbetar med att göra sin produkt skalbar, publicerade Yimin Wu, en ingenjörsprofessor vid University of Waterloo, en annan artikel ungefär samtidigt som syntesgasforskningen. Denna artikel skapade också ett ‘artificiellt blad’ som billigt omvandlade skadlig CO₂ till ett användbart alternativt bränsle.

Återigen, inspirerat av fotosyntesprocessen, producerade det artificiella bladet metanol och syre, till skillnad från det naturliga bladet som producerar glukos och syre.

Den viktigaste ingrediensen här var koppar(II)oxid, ett optimerat rött pulver, som designades för att ha partiklar med åtta sidor. Det uppstod genom att tillsätta kopparacetat, glukos, natriumdodecyl och natriumsulfat till vatten upphettat till en specifik temperatur.

När det blandades med vatten och utsattes för CO₂ fungerade det som en utlösare för en annan kemisk reaktion, som producerade syre och omvandlade CO₂ till metanol. En solsimulator användes för att bestråla med vitt ljus. När lösningen värmdes samlade reaktionen in metanol, som avdunstade.

Kvantprickar för att skapa dubbelfönsterrutor med solenergi

En annan utveckling inom detta område har varit kvantprickar, som är små halvledande partiklar i intervallet 2‑10 nanometer. Deras lilla storlek ger dem unika elektroniska och optiska egenskaper, vilket gör dem mångsidiga.

I forskning vid Los Alamos National Laboratory integrerades kvantprickar i fönsterglas för att generera elektricitet. Dessa ‘designer’-kvantprickar absorberar solljus och omvandlar det till energi utan att påverka fönstrens transparens.

Denna innovation möjliggör i princip att hela byggnader blir solenergigeneratorer utan att behöva traditionella solpaneler, som är kostsamma och tar upp mycket utrymme.

Källa: Los Alamos National Laboratory

Enligt huvudforskaren Victor Klimov erbjuder kvantprickbaserade dubbelfönsterrutor ett nytt tillvägagångssätt för att minska kostnaderna tack vare den starka prestanda som kan uppnås med dessa “låga kostnad, lösningsbearbetningsbara material”.

Denna nya metod ersätter inte nuvarande PV-teknik. Effektiva solinstrålare läggs helt enkelt till de befintliga solpanelerna. De kan också integreras som halvtransparenta fönster i en byggnads arkitektur.

Medan nuvarande fotovoltaiska paneler uppnår en verkningsgrad på omkring 25 % erbjuder kvantprickar potentialen att överträffa detta genom att använda bärarmultiplikation.

En typisk fotovoltaisk solpanel absorberar en foton av ljus och frigör en elektron, som blir energi. Genom bärarmultiplikation och införlivande av magnetiska manganjoner producerar kvantprickbaserade solpaneler dock mer än två elektroner för varje foton de absorberar.

Kärnan i detta tekniska framsteg är dock “solspektrumdelning”, som separerar bearbetningen av hög- och lågenergi-solfoton.

Detta uppnåddes genom att införliva manganjoner i kvantprickar för att fungera som starkt emissiva föroreningar. När kvantprickar absorberar ljus aktiveras föroreningarna, vilket får manganjonerna att avge ljus vid energier under absorptionsgränsen för kvantprickarna.

Nu, för att omvandla ett fönster till en tandemluminescerande solinstrålare, deponerar forskarna ett lager av kvantprickar dopade med starkt emissiv mangan på ytan av den främre glasrutan. Samtidigt deponeras ett lager av kvantprickar med kopparindiumselenid på baksidans yta.

På så sätt absorberar det främre lagret de synliga blå och ultravioletta delarna av solspektrumet medan det nedre lagret tar upp resten. När de absorberats återavger kvantprickarna fotoner vid en längre våglängd. Det återutstrålade ljuset leds genom total intern reflektion till fönstrets glaskanter, där de integrerade solcellerna samlar in ljuset och omvandlar det till elektricitet.

Dessutom undersöker Klimovs team också hur kvantprickar kan användas för att producera ammoniak, som står för över 2 % av den globala energianvändningen. I detta specifika tillämpningsområde använder de kvantprickar och solljus för att generera “fria elektroner” istället för ljus via fotoemission.

Låt oss nu titta på två stora företag inom solenergisektorn.

#1. NextEra Energy

Allmänt känt som en ledare inom förnybar energi, rapporterade NextEra Energy (NEE ) en nettovinst på 552 miljoner dollar och en justerad inkomst på 865 miljoner dollar under Q2 2024.

De lade till 3 GW till sin förnybara energikapacitet, inklusive betydande solutvecklingar, och förutspår en uppåtgående vinstkurva fram till 2027 med förväntningar om att justerade vinst per aktie ökar årligen.

#2. First Solar

First Solar (FSLR ) specialiserar sig på tillverkning av solpaneler och tillhandahåller omfattande fotovoltaiska kraftverks tjänster. Deras innovativa användning av tunnfilmshalvledarteknik särskiljer dem i solenergiindustrin.

Finansiellt rapporterade First Solar intäkter på 3,56 miljarder dollar och en nettovinst på 1,02 miljarder dollar under det senaste räkenskapsåret. Deras fokus på hållbar teknik och internationell marknadsexpansion understryker deras strategiska position inom solsektorn.

Slutsats

Dessa senaste innovationer markerar ett stort och viktigt steg framåt i att förverkliga solenergiens fulla potential. Solenergi är en ren och förnybar resurs som erbjuder ett kraftfullt alternativ till fossila bränslen, som förorenar miljön.

Med den globala energiefterfrågan förväntad att öka under det kommande året och hållbar solenergi tillgänglig i överflöd, är det avgörande att utnyttja denna gränslösa källa av ren energi. Solkraft står dock för närvarande för en mycket låg (enkel) andel av den totala globala elproduktionen från alla källor. Detta understryker det akuta behovet av kontinuerlig forskning, utveckling och samarbete mellan regering och organisationer för att verkligen driva solenergianvändningen framåt och förse hela världen med kraft.

Click here for a list of top solar power stocks.