Ang Paghahanap ng Napapanatiling Enerhiya ay Nagdadala ng Di-pangkaraniwang mga Diskubre

Ang pandaigdigang konsumo ng enerhiya ay tumataas nang mabilis. Noong 2023, ang paglago ay nasa antas na 2.2%, kumpara sa taunang average na 1.5% mula 2010 hanggang 2019.

Ang mas mabilis na rate ng konsumo ng enerhiya ay pangunahing pinapalakas ng China, na may +6.6%, dalawang beses ng average nito noong 2010-2019. Kasama rin sa mga nag-ambag ang India, Iran, Brazil, UAE, Algeria, Vietnam, at Indonesia. Sa kabilang banda, bumaba ang konsumo ng enerhiya sa Japan, South Korea, South Africa, at EU, at nanatiling matatag sa US.

Sa pangkalahatan, tumaas ng halos isang ikatlo ang pandaigdigang konsumo ng enerhiya mula noong 2000. Sa kasalukuyan tinatayang 580 milyong terajoules, ang taunang pandaigdigang konsumo ng enerhiya ay inaasahang aabot sa 740 milyong terajoules pagsapit ng 2040.

Gayunpaman, ang pinaka-nakababahalang bahagi ay ang napakalaking bahagi ng enerhiyang ito—83%—ay nagmumula sa mga fossil fuel, kung saan ang langis ang pinakamalaking pinagmumulan ng enerhiya, sinundan ng karbon at natural na gas, na naglalabas ng napakalaking dami ng CO2 sa atmospera.

Ito ay nag-uudyok ng agarang pangangailangan para sa inobasyon sa berdeng enerhiya. Bagaman inaasahang lalaki ang renewable energy, ang pagtaas ay tanging 4 porsyento lamang, na nagdadala nito sa 6% ng pandaigdigang pangunahing paggamit ng enerhiya.

Kaya, sa harap ng pangangailangang ito ng mundo na baguhin ang sistema ng enerhiya, ang solar na enerhiya ay lumitaw bilang potensyal na game-changer. Ito ay dahil ang enerhiyang nililikha ng araw ay may kakayahang magbigay ng kuryente sa buong mundo at higit pa.

Kailangan lamang ng ilang oras ng solar na enerhiya upang maibigay ng Daigdig ang enerhiyang kailangan ng buong mundo para sa isang buong taon.

Ito rin ang pinakamalinis at pinaka-abundant na renewable na pinagmumulan ng enerhiya. Higit pa rito, nagdadala ito ng benepisyo ng pag-decarbonize, pagpapababa ng gastusin sa enerhiya, mas mababang epekto sa kapaligiran, at pagbibigay ng mas malawak na akses at seguridad sa enerhiya.

Siyempre, may ilang hamon na kaakibat ng pagkuha ng solar na enerhiya; kung hindi, malamang na ginagamit na natin ito nang malawakan. Bukod sa pangunahing hamon ng solar intermittency, dahil hindi palaging sumisiklab ang araw, may karagdagang hamon kaugnay ng lokasyon, mga solusyon sa imbakan, at teknolohiyang kinakailangan upang magamit ang enerhiyang ito.

Pagdating sa pagkuha ng solar na enerhiya, may ilang paraan upang mahuli ang solar radiation at i-convert ito sa enerhiya.

Isang paraan ay ang paggamit ng aktibong solar na enerhiya, na kinabibilangan ng paggamit ng mga elektrikal o mekanikal na aparato upang aktibong i-convert ang solar na enerhiya sa ibang anyo ng enerhiya. Ito ay nakakamit sa pamamagitan ng photovoltaics (PV) o Concentrated Solar Power (CSP).

Sa PV, ang sikat ng araw ay kinoconvert sa kuryente gamit ang mga semiconductor na nagpapakita ng photovoltaic effect. Ang teknolohiyang PV ay mas kilala bilang solar panels, na koleksyon ng mga solar cell, bawat isa ay may semiconductor na lumilikha ng kuryente sa pamamagitan ng pagsipsip ng sikat ng araw.

Sa CSP, ang mga lente at salamin ay nagfofocus ng sikat ng araw mula sa malaking lugar papunta sa mas maliit na lugar upang lumikha ng kuryente. Ang mga solar furnace, na kinabibilangan ng iba’t ibang uri tulad ng solar power towers at parabolic troughs, ay halimbawa ng concentrated solar energy.

Isa pang paraan ay ang paggamit ng passive solar energy, na hindi gumagamit ng panlabas na aparato kundi sinasamantala ang lokal na klima. Halimbawa, ang pagdidisenyo ng gusali upang makakuha ng kanais-nais na dami ng sikat ng araw at pagtatayo ng mga gusali na may thermal insulation ay mga halimbawa ng pamamaraang ito. Kabilang din sa mga halimbawa nito ang cool roofs at green roofs.

Gayunpaman, hindi ito ang katapusan ng mga teknik sa paggamit ng solar na enerhiya. Dahil sa napakalaking potensyal nito, patuloy na nag-eexplore ang mga mananaliksik ng mga bagong paraan upang mahuli ang solar power at i-convert ito sa kapaki-pakinabang na enerhiya, pati na rin gawing mas mura at mas epektibo upang tunay na magamit ito sa ating pang-araw-araw na buhay.

Pagbuo ng Solar na Kuryente Mula sa mga Telepono at Sasakyan  

Kamakailan, gumawa ng kawili-wiling pag-unlad ang mga mananaliksik mula sa Oxford University sa larangan ng teknolohiyang solar na enerhiya. Sa ilalim ng teknolohiyang ito, maaaring makabuo ng solar na kuryente mula sa mga ibabaw ng mga sasakyan at mobile phone.

Pinagmulan: Oxford University

Oo, tama ang narinig mo: sa halip na maglagay ng sunud-sunod na linya ng silicon-based na solar panel, maaaring lumikha ng dumaraming solar na kuryente gamit lamang ang pang-araw-araw na mga bagay.

Ang inobasyong ito ay posible dahil sa isang bagong materyal na nag-generate ng kuryente na nilalagay sa mga ibabaw ng mga bagay na ito. Ang materyal na sumisipsip ng liwanag ay manipis at flexible na maaaring ilapat sa halos anumang ibabaw. Ang rebolusyonaryong pamamaraang ito ay nagsasangkot ng pag-stack ng ilang light-absorbing layers sa iisang solar cell.

Para dito, ang mga siyentipiko mula sa Physics Department ng Oxford University ay nagpasimuno ng isang teknik na nagbigay-daan sa kanila na masakop ang mas malawak na saklaw ng spectrum ng liwanag, na nagpo-produce ng mas maraming kapangyarihan mula sa parehong dami ng sikat ng araw.

Ang materyal, thin-film perovskite, ay independiyenteng sinertipikahan din ng National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) ng Japan na nagbibigay ng higit sa 27% na enerhiya na kahusayan. Ang mga numerong ito ay katumbas ng performance ng silicon photovoltaics, na tradisyonal, single-layer, na materyales na gumagawa ng enerhiya.

Ayon sa mga mananaliksik, matapos lamang limang taon ng mga eksperimento gamit ang multi-junction o stacking approach, napataas nila ang power conversion efficiency ng humigit-kumulang 21%. Ibig sabihin, mula sa paunang kahusayan na halos 6%, maaari na nilang i-convert ang higit sa 22% ng enerhiya mula sa sikat ng araw.

“(Ang kanilang teknik) ay maaaring magbigay-daan sa mga photovoltaic device na maabot ang mas mataas na kahusayan, na hihigit sa 45% (sa hinaharap).”

Bukod sa kahusayan ng enerhiya, ang pagiging versatile ng materyal ay isa pang mahalagang salik. Ang materyal ay ultra-manipis, bahagyang higit sa isang micron (0.001mm) ang kapal, na halos 150 beses na mas manipis kaysa sa silicon wafer. Karaniwang may kapal ang Si wafers mula 0.5mm hanggang 400 microns (0.4mm), habang ang saklaw na 2 hanggang 25 microns ay ginagamit para sa tiyak na mga layuning siyentipiko.

Ang manipis na katangian ng bagong materyal ay nangangahulugang maaari itong ilapat hindi lamang sa anumang karaniwang bagay at gusali kundi halos anumang ibabaw, kumpara sa kasalukuyang mga photovoltaic.

“(Ipinakita nila) na maaari nating ulitin at higitan ang silicon habang nakakakuha rin ng flexibility. Mahalaga ito dahil nangangako ito ng mas maraming solar na enerhiya nang hindi kailangan ng napakaraming silicon-based na panel o espesyal na ginawa na solar farms.”

Inaasahan na ang bagong pamamaraang ito ay magpapasigla sa solar bilang pinaka-sustainable na anyo ng renewable na enerhiya at higit pang magbabawas ng gastos, na bumaba na ng hanggang 90% sa nakaraang 14 na taon.

Ayon sa World Economic Forum, noong 2010, ang average na gastos sa buong mundo ay $378 nang walang anumang subsidiya upang makabuo ng isang megawatt hour ng kuryente mula sa solar photovoltaics, na bumaba lamang sa $68 noong 2019. Ang solar na enerhiya ay ngayon mas mura kaysa sa karbon at nukleyar at halos kasing epektibo ng onshore wind. Habang ang wind energy ay nakaranas din ng pagbaba ng gastos sa panahong ito, ang nukleyar at karbon ay tumaas o bahagyang bumaba.

Ngayon, ang mga inobasyon tulad ng thin-film perovskite ay nangangako ng karagdagang pagtitipid sa gastos sa pamamagitan ng pagbawas ng pangangailangan para sa silicon panels at mga espesyal na solar farm.

Ayon sa mga mananaliksik, ang pinakabagong inobasyong ito ay maaaring maging sariling industriya upang gumawa ng mga materyales at lumikha ng solar na enerhiya nang mura at sustainable gamit ang umiiral na mga bagay.

‘Artificial Leaf’ upang Lumikha ng Malinis na Panggatong

Hindi lamang pinapagana ng mga siyentipiko ang murang pagbuo ng solar na kuryente gamit ang pang-araw-araw na mga bagay, kundi binabago rin nila ang photosynthesis at, bilang resulta, binabago ang paraan ng paglikha natin ng malinis na mga panggatong.

Noong 2019, nagtakda ng bagong benchmark ang mga mananaliksik mula sa University of Cambridge nang matagumpay nilang nagawa ang isang artificial leaf na lumikha ng syngas gamit lamang ang sikat ng araw, carbon dioxide, at tubig.

Pinagmulan: Cambridge University

Ang syngas ay isang gas na gawa mula sa fossil fuels, isang halo ng hydrogen at carbon monoxide, at ginagamit upang lumikha ng plastik, gamot, panggatong, at pataba. Dahil sanay tayo sa paggawa ng mga produktong ating kinokonsumo araw-araw, napakahalaga na makahanap tayo ng mga paraan upang “gawin ito nang sustainable.”

Kaya narito ang artificial leaf, isang carbon-neutral na aparato na pinapagana ng sikat ng araw at hindi naglalabas ng CO2 sa atmospera. Higit pa rito, kahit na pinapagana ng sikat ng araw, epektibo pa rin ang artificial leaf sa maulap at maulap na mga araw.

Inspirado ng photosynthesis, isang natural na proseso kung saan ginagamit ng mga halaman ang enerhiya ng liwanag mula sa araw upang gawing pagkain ang carbon dioxide at tubig, pinagsama ng mga mananaliksik ang dalawang light absorber sa artificial leaf kasama ang cobalt catalyst. Kapag inilubog sa tubig, ang isa sa mga absorber ay gumagawa ng oxygen sa tulong ng catalyst, habang ang isa pa ay nagsasagawa ng kemikal na reaksyon, nagbabawas ng tubig at CO2 tungo sa hydrogen at carbon monoxide, na bumubuo ng syngas.

Dahil gumagana ang mga light absorber kahit sa mababang antas ng sikat ng araw, maaaring magamit ang teknolohiyang ito buong araw at kahit saan sa mundo.

Bagaman may ibang artificial leaf na nabuo, binigyang-diin ng mga mananaliksik sa Cambridge na ito ay gumagawa lamang ng hydrogen, hindi tulad ng kanilang sariling aparato na maaaring lumikha ng syngas dahil sa kombinasyon ng mga materyales at catalyst na kanilang ginamit.

Ang materyal na ginamit para sa molecular catalyst ay cobalt, na mas mura, sagana, at mas mahusay sa paggawa ng carbon monoxide kaysa sa ibang catalyst tulad ng platinum o silver.

Samantala, ang kanilang mga light absorber ay ginawa mula sa perovskite imbis na silicon o dye-sensitized na materyales. Ang perovskite light absorbers ay nagbigay ng mataas na photovoltage at electrical current upang paganahin ang kemikal na reaksyon, na nagbawas ng CO2 tungo sa CO.

Ang susunod na hakbang matapos ang syngas ay ang pagbuo ng sustainable na likidong panggatong bilang pamalit sa gasolina. Sa halip na gumawa ng syngas at pagkatapos ay i-convert ito sa likidong panggatong, layunin ng pag-aaral na gawin ang likidong panggatong mismo mula sa carbon dioxide at tubig.

Dahil ang elektrisidad ay kayang tugunan lamang ang isang bahagi ng kabuuang pandaigdigang pangangailangan sa enerhiya, ang synthetic petrol ay maaaring maging mahalagang pag-unlad, ayon kay senior author na si Propesor Erwin Reisner mula sa Chemistry Department sa Cambridge, na binigyang-diin ang “malaking pangangailangan para sa likidong panggatong upang mapagana nang sustainable ang mabibigat na transportasyon, pagpapadala, at aviation.”

Sa nakalipas na ilang taon, si Reisner ay nakipagtulungan sa kanyang grupo upang bumuo ng bagong artificial leaf na maaaring agad na lumikha ng malinis na ethanol at propanol nang hindi muna gumagawa ng syngas. Ito ay nakamit sa pamamagitan ng pag-develop ng copper—at palladium-based na catalyst.

“(Ang kakayahang) gumawa ng praktikal na likidong panggatong gamit lamang ang kapangyarihan ng Araw” (ginagawa itong) isang kapanapanabik na pag-unlad na nagbubukas ng mga bagong daan sa aming trabaho.

Sa ngayon, ang aparato ay proof of concept lamang. Ang mga mananaliksik ay nagtatrabaho upang i-optimize ang mga dahon upang mas mahusay na sumipsip ng sikat ng araw, pinuhin ang catalyst upang i-convert ang mas maraming sikat ng araw sa panggatong, at sa huli gawing scalable ang aparato upang makagawa ng malaking dami ng panggatong.

Si Propesor Reisner ay aktwal na ginawaran ng Royal Academy of Engineering Chair sa Emerging Technologies noong unang bahagi ng taong ito. Ang gantimpalang £2.5 milyon ay magpapahintulot sa kanyang koponan na maisakatuparan ang paglipat mula laboratoryo patungo sa merkado ng mga solar chemical technologies.

Habang ang koponan ni Reisner ay nagtatrabaho sa pagpapalawak ng kanilang produkto, si Yimin Wu, isang engineering professor sa University of Waterloo, ay naglabas ng isa pang papel kasabay ng pananaliksik sa Syngas. Ang papel na ito ay lumikha rin ng isang ‘artificial leaf’ na murang nagko-convert ng mapanganib na CO2 sa isang kapaki-pakinabang na alternatibong panggatong.

Muli, inspiradong ng proseso ng photosynthesis, ang artificial leaf ay lumikha ng methanol at oxygen, hindi tulad ng natural na dahon na gumagawa ng glucose at oxygen.

Ang pangunahing sangkap dito ay cuprous oxide, isang optimized na pulang pulbos, na dinisenyo upang magkaroon ng mga particle na may walong gilid. Ito ay resulta ng pagdagdag ng copper acetate, glucose, sodium dodecyl, at sulfate sodium hydroxide sa tubig na pinainit sa isang tiyak na temperatura.

Kapag hinaluan ng tubig at na-expose sa CO2, ito ay nagsilbing trigger para sa isa pang kemikal na reaksyon, na nagpo-produce ng oxygen at nagko-convert ng CO2 sa methanol. Gumamit ng solar simulator upang magbigay ng puting ilaw. Habang pinainit ang solusyon, kinolekta ng reaksyon ang methanol, na nag-evaporate.

Quantum Dots upang Lumikha ng Double-Pane Solar Windows

Isa pang pag-unlad sa larangang ito ay ang quantum dots, na maliliit na semiconducting particles na may sukat na 2-10 nanometer. Ang kanilang maliit na sukat ay nagbibigay sa kanila ng natatanging electronic at optical na katangian, na ginagawang versatile.

Sa pananaliksik sa Los Alamos National Laboratory, ang quantum dots ay inilagay sa salamin ng bintana upang lumikha ng kuryente. Ang mga ‘designer’ quantum dots na ito ay sumisipsip ng sikat ng araw at kino-convert ito sa enerhiya nang hindi nakakaapekto sa transparency ng mga bintana.

Ang inobasyong ito ay nagbibigay-daan sa buong gusali na maging generator ng solar na enerhiya nang hindi kailangan ng tradisyonal na solar panel, na mahal at kumukuha ng maraming espasyo.

Pinagmulan: Los Alamos National Laboratory

Ayon sa pangunahing mananaliksik na si Victor Klimov, ang quantum dot-based na double-pane windows ay nag-aalok ng bagong paraan upang bawasan ang gastos dahil sa malakas na performance na maaaring makamit gamit ang mga “mababang-gastos, solution-processable na materyales.”

Ang bagong pamamaraang ito ay hindi pumapalit sa kasalukuyang teknolohiyang PV. Ang mga epektibong kolektor ng sikat ng araw ay simpleng idinadagdag sa umiiral na mga solar panel. Maaari rin itong i-integrate bilang semi-transparent na mga bintana sa arkitektura ng gusali.

Habang ang kasalukuyang photovoltaic panels ay nakakamit ng kahusayan na humigit-kumulang 25%, ang quantum dots ay nag-aalok ng potensyal na lampasan ito sa pamamagitan ng carrier multiplication.

Ang tipikal na photovoltaic solar panel ay sumisipsip ng isang photon ng liwanag at naglalabas ng isang electron, na nagiging enerhiya. Gayunpaman, sa pamamagitan ng carrier multiplication at pag-incorporate ng magnetic manganese ions, ang quantum dot-based na solar panel ay gumagawa ng higit sa dalawang electron para sa bawat photon na kanilang sinisipsip.

Gayunpaman, sa pinakapuso ng teknikal na pag-unlad na ito ay ang “solar-spectrum splitting,” na naghihiwalay ng pagproseso ng mataas at mababang enerhiyang solar photons.

Ito ay nakamit sa pamamagitan ng pag-incorporate ng mga ion ng manganese sa quantum dots upang magsilbing highly emissive impurities. Kapag sumisipsip ng liwanag ang quantum dots, ang mga impurities ay na-activate, na nagdudulot sa manganese ions na mag-emit ng liwanag sa enerhiya na mas mababa kaysa sa absorption onset ng quantum dots.

Ngayon, upang gawing isang tandem luminescent sunlight collector ang isang bintana, nag-deposit ang mga mananaliksik ng isang layer ng quantum dots na doped ng highly emissive manganese sa ibabaw ng front glass pane. Samantala, isang layer ng quantum dots na may copper indium selenide ay idineposit sa ibabaw ng back pane.

Sa ganitong paraan, ang front layer ay sumisipsip ng visible na asul at ultraviolet na bahagi ng solar spectrum habang ang ibabang layer ay kumukuha ng natitira. Kapag nasipsip na, ang quantum dots ay muling nag-e-emit ng mga photon sa mas mahabang wavelength. Ang muling emitted na liwanag ay ginagabayan ng total internal reflection patungo sa mga gilid ng salamin ng bintana, kung saan kinokolekta ng integrated solar cells ang liwanag at kino-convert ito sa kuryente.

Bukod pa rito, ang koponan ni Klimov ay nag-eexplore din kung paano magagamit ang quantum dots upang gumawa ng ammonia, na bumubuo ng higit sa 2% ng pandaigdigang paggamit ng enerhiya. Sa partikular na aplikasyon na ito, ginagamit nila ang quantum dots at sikat ng araw upang lumikha ng “free electrons” sa halip na liwanag sa pamamagitan ng photoemission.

Ngayon, tingnan natin ang dalawang pangunahing kumpanya sa larangan ng solar na enerhiya.

#1. NextEra Energy

Kilala bilang isang nangunguna sa larangan ng renewable energy, ang NextEra Energy (NEE ) ay nag-ulat ng net income na $552 milyon at adjusted income na $865 milyon sa Q2 2024.

Nagdagdag sila ng 3GW sa kanilang renewable energy capacity, kabilang ang malalaking solar development, na nagtatantiya ng pataas na earnings trajectory hanggang 2027 na may inaasahang pagtaas ng adjusted earnings per share taon-taon.

#2. First Solar

Ang First Solar (FSLR ) ay dalubhasa sa paggawa ng solar panels at pagbibigay ng komprehensibong serbisyo para sa photovoltaic power plant. Ang kanilang makabagong paggamit ng thin-film semiconductor technology ay nagtatangi sa kanila sa industriya ng solar.

Sa pananalapi, iniulat ng First Solar ang kita na $3.56 bilyon at net income na $1.02 bilyon sa nakaraang fiscal year. Ang kanilang pokus sa sustainable technology at paglawak sa internasyonal na merkado ay nagpatibay sa kanilang estratehikong posisyon sa sektor ng solar.

Konklusyon

Ang mga pinakabagong inobasyong ito ay nagmamarka ng malaking at mahalagang hakbang pasulong sa pagkamit ng ang buong potensyal ng solar na enerhiya. Ang solar na enerhiya ay isang malinis at renewable na mapagkukunan na nag-aalok ng makapangyarihang alternatibo sa fossil fuels, na nagdudulot ng polusyon sa kapaligiran.

Sa inaasahang pagtaas ng pandaigdigang pangangailangan sa enerhiya sa darating na taon at ang napakaraming sustainable solar na enerhiya, mahalagang gamitin ang walang-hanggang mapagkukunan ng malinis na enerhiya na ito. Gayunpaman, ang solar power ay kasalukuyang bumubuo lamang ng napakababang (single) porsyento ng kabuuang pandaigdigang pagbuo ng kuryente mula sa lahat ng pinagmumulan. Ito ay nagbubunyag ng agarang pangangailangan para sa patuloy na pananaliksik, pag-unlad, at kolaborasyon sa pagitan ng gobyerno at mga organisasyon upang talagang itulak ang paggamit ng solar na enerhiya pasulong at mapagana ang buong mundo.

I-click dito para sa listahan ng nangungunang solar power stocks.