Erneuerbare Energie wächst. Bis jetzt waren in 2018 70-Prozent der Netto-Stromerzeugungskapazitäten Erneuerbare gemäß dem 2018 Global Status Report von REN21. Ein Fünftel der weltweiten Energie stammt bereits aus erneuerbaren Quellen - Tendenz steigend.

In diesem Übergang steht die Solarenergie als eine der vielversprechendsten und schnell wachsenden erneuerbaren Energiequellen im Vordergrund.

In diesem Artikel berichten wir über das Wachstum der Solarenergie und beleuchten die Anstrengungen von Universitätsforschern auf der ganzen Welt, die an der Entwicklung neuer Solartechnologien arbeiten.

Eine blühende Industrie

Mit dem Übergang der Welt zu nachhaltiger Energie werden die solaren Zahlen als eine der wichtigsten Energiequellen, die wir nutzen werden, um den Planeten zu versorgen, im Zentrum der erneuerbaren Revolution stehen.

Schon jetzt hat Solar in den letzten zehn Jahren ein bemerkenswertes Wachstum verzeichnet. Am Ende von 2017 erreichte der gesamte Solarstrom der Welt 405 Gigawatt, von denen 89 in den letzten 7 Jahren installiert wurde.

Obwohl a Satz von Tarifen auf importierten Sonnenkollektoren kürzlich von der Trump-Regierung verhängt Drohungen, die US-Solarproduktion für die nächsten paar Jahre zu verlangsamen, gibt es keine Verlangsamung der solaren Revolution.

Fünfundfünfzig Prozent der neuen erneuerbaren Energieanlagen in 2018 weltweit waren Solar-Photovoltaik, mehr als die Zugabe von fossilen Brennstoffen und Atomkraft. China führt das Paket an, nachdem es installiert wurde 52.8 Gigawatt in 2017 - Mehr als die Hälfte der neuen Solarkapazität wurde im vergangenen Jahr hinzugefügt. Im ersten Quartal von 2018 55 Prozent von alle Strom (Dazu gehören fossile Brennstoffe, nukleare und erneuerbare Energiequellen) in den USA wurde Solar hinzugefügt.

Der haussierende Markt scheint darauf hinzudeuten, dass Elon Musk vielleicht Recht hatte, als er das sagte Solarenergie wird die weltweit größte Energiequelle sein von 2031.

Aber es gibt noch viel zu tun, bevor die Solarenergie ihr volles Potenzial entfalten kann. Universitäten auf der ganzen Welt leisten wichtige Beiträge zum Umstieg auf Solar, sei es durch bahnbrechende Forschung, Entwicklung von Solartechnologien oder Installation von Solarenergie auf dem Campus.

Stanford - Batterie auf Wasserbasis zur Speicherung von Solar- und Windenergie

Stanford University Forscher haben ein entwickelt kostengünstige wasserbasierte Batterie Das könnte zur Speicherung von Solar- und Windenergie genutzt werden, was möglicherweise eine Lösung für eine der wichtigsten Hindernisse für den vollständigen Übergang zu erneuerbaren Energien darstellt.

Sie haben einen kleinen Prototyp entwickelt, der nur drei Zoll groß ist und nur bescheidene 20 Milliwattstunden Strom erzeugt, aber sie sind zuversichtlich, dass sie ihr Modell auf ein industrielles System skalieren können.

Die Mangan-Wasserstoff-Batterie basiert auf einer chemischen Reaktion zwischen Wasser und Mangansulfat, einem billigen und reichlich vorhandenen Industriesalz. Die Reaktion wurde im Labor von Yi Cui, ein Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften und leitender Autor auf dem Papier.

"Wir haben ein spezielles Salz in Wasser geworfen, in eine Elektrode getropft und eine reversible chemische Reaktion erzeugt, die Elektronen in Form von Wasserstoffgas speichert", sagte Cui in einer Erklärung.

Wenn Energie in die Batterie eingespeist wird, reagieren die Elektronen mit dem Mangansulfat im Wasser, wobei Mangandioxid an den Elektroden haftet. Dieser Prozess erzeugt elektrisch geladenes Wasserstoffgas, das wieder in Elektrizität umgewandelt werden kann.

Der Übergang zu Solar- und Windenergie erfordert erhebliche Änderungen in der Art und Weise, wie Energie gespeichert und verteilt wird. Diese beiden Energiequellen sind sehr variabel. Das heißt, die Sonne scheint nicht immer und der Wind weht nicht immer.

Dies belastet das Energienetz. Wenn die Nachfrage steigt, wenn die Sonne nicht scheint, müssen die Energieversorger in der Lage sein, kurzfristig erhebliche Energiemengen zu senden. In der Regel verfügen die Energieversorger über sogenannte „dispatchable“ Kraftwerke, die sich innerhalb von Minuten einschalten lassen, um schnell Energie zu produzieren. Diese Strategie ist effektiv, aber die Kraftwerke sind in der Regel auf fossile Brennstoffe angewiesen, weshalb sie nicht gerade klimabewusst sind.

Die Speicherung von Wind- und Sonnenenergie für die Nutzung zu Stoßzeiten in Batterien mit hoher Kapazität bietet eine saubere Alternative. Betrachten Sie diese Option einen regnerischen Tag Fonds für Versorgungsunternehmen. Wenn die Nachfrage hoch ist und die Sonne niedrig ist, können Versorgungsunternehmen einfach von der Energie profitieren, die in den Batterien gespeichert ist.

Die Herausforderung besteht darin, eine Batterie zu entwickeln, die zuverlässig und kostengünstig ist. Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien, wie die in Ihrem Telefon und Laptop, verwenden seltene Materialien und sind daher im großen Maßstab zu teuer.

"Andere wiederaufladbare Batterietechnologien verursachen im Laufe der Lebensdauer mit Leichtigkeit mehr als das Fünffache dieser Kosten", sagte Cui in einer Erklärung.

Die neue Batterie, bestehend aus billigen und reichlich vorhandenen Materialien, könnte die Lösung sein.

Yale, Princeton, Lincoln & NASA - Sonnenenergie aus Algen

Schon lange vor der Erfindung der Sonnenkollektoren nutzten Algen die Sonnenenergie. Algen wurden - wie alle photosynthetischen Organismen - in Milliarden von Jahren der Evolution biologisch auf Lichtabsorption optimiert.

Jetzt hat ein Team von Forschern der Yale University, der Princeton University, der Lincoln University und der NASA herausgefunden wie man die photosynthetischen Fähigkeiten von Algen nutzbar macht um die Leistung von organischen Sonnenkollektoren zu verbessern.

Die Forschung wurde von geführt André Taylor, Professor für Chemieingenieurwesen und Umwelttechnik in Yale, der die Universität leitet Transformative Materialien und Geräte Labor.

Wenn Sonnenlicht auf eine organische Solarzelle fällt, nehmen Elektronen in den „aktiven Schichten“ Energie auf und beginnen, diese durch den Kern des Solarmoduls zu transportieren.

Die zur Erzeugung der aktiven Schicht verwendeten Materialien sind sehr selten und teuer. Diese Tatsache hat ein Problem für Solarpanel-Entwickler aufgeworfen.

Die Forscher fanden jedoch heraus, dass eine häufig vorkommende Algenart, die als "Kieselalge" oder "Juwel des Meeres" bezeichnet wird, verwendet werden kann, um die Leistung der aktiven Schicht zu verbessern.

Sie dispergierten Diatomeen in der gesamten aktiven Schicht der Solarzelle, wodurch effektiv die Menge an Material, die für die aktive Schicht benötigt wird, reduziert wird, während die gleiche elektrische Ausgangsleistung aufrechterhalten wird.

"Wir konnten sehen, wie hoch die Konzentration war und wie viel Material wir in unsere Solarzellen stecken mussten, um eine Verbesserung zu erzielen", sagte Lyndsey McMillon-Brown, Doktorandin in Taylors Labor und Hauptautorin der Studie eine Erklärung. „Das ist sehr vorteilhaft, da die von uns verwendeten aktiven Schichtmaterialien teuer und sehr selten sind.“

Während sie ihre Technologie weiterentwickeln, experimentieren die Forscher mit verschiedenen Algenstämmen, um die Leistung ihrer Solarmodule zu optimieren.

"Wir hoffen, dass diese Arbeit mehr Licht auf die Möglichkeit werfen wird, Biomimik oder biologisch inspirierte Designs zur Lösung technischer Probleme zu nutzen", sagte McMillon-Brown.

„Die Natur hat viele Lösungen entwickelt, mit denen sich viele unserer technischen Probleme lösen lassen. Wir müssen nur lernen, wie man sie anpasst und anwendet.“

Michigan State - transparente Sonnenkollektoren

Eine Gruppe von Ingenieuren der Michigan State University behauptet, dass transparente Sonnenkollektoren, die mit einer Glasscheibe identisch erscheinen, die Energieerzeugung revolutionieren könnten.

In 2014, MSU-Forscher entwickelte eine neue Art von Solarkonzentrator das ist in der lage, unsichtbares licht der sonne zu sammeln und in nutzbare energie umzuwandeln. Die Paneele sind vollständig transparent, sodass sie auf einer Vielzahl von Glasoberflächen platziert werden können - von Fenstern bis hin zu Mobiltelefonen.

In ein neueres PapierDie Wissenschaftler berichteten, dass die Technologie, sobald sie weiter optimiert wurde, unzählige neue Möglichkeiten für die Gewinnung von Solarenergie eröffnen könnte.

„Hochtransparente Solarzellen sind die Welle der Zukunft für neue Solaranwendungen“ Richard Lunt, sagte der Johansen Crosby Dozenten Professor für Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften an der MSU, in einer Erklärung.

„Wir haben ihr Potenzial analysiert und gezeigt, dass diese Geräte, wenn sie nur unsichtbares Licht nutzen, ein ähnliches Potenzial für die Stromerzeugung bieten wie Solardächer. Gleichzeitig bieten sie zusätzliche Funktionen, um die Effizienz von Gebäuden, Automobilen und mobiler Elektronik zu verbessern.“

Die Forscher stellen fest, dass es in den USA schätzungsweise 5 Milliarden bis 7 Milliarden Quadratmeter Glasfläche gibt. Wenn all dieses Glas mit transparenten Solarzellen bedeckt wäre, könnten wir 40 Prozent des US-Energiebedarfs allein aus dieser Quelle beziehen.

Das geschätzte Potenzial von opaken Dachsolarpaneelen liegt ebenfalls bei 40 Prozent. Die Forscher schlagen vor, dass die transparenten Zellen in Verbindung mit Dachsolarpaneelen verwendet werden könnten.

"Der kostenlose Einsatz beider Technologien", so Lunt in einer Erklärung, "könnte uns nahe an 100 bringen, wenn wir auch den Energiespeicher verbessern."

Transparente Solarzellen sind derzeit noch weit weniger effizient als herkömmliche Solarmodule. Sie zeichnen sich durch eine Effizienz von mehr als 5 aus, verglichen mit etwa 15 bis 18 für die meisten herkömmlichen Solarzellen.

Lunt sagte jedoch, dass sie mindestens so effizient sein könnten wie herkömmliche Solarzellen mit mehr Entwicklung. Er betonte, dass transparente Solarmodule immer noch eine sehr neue Technologie sind und derzeit nur etwa ein Drittel ihres realistischen Gesamtpotenzials ausmachen.

"Darauf arbeiten wir hin", sagte Lunt in einer Erklärung.

„Traditionelle Solaranwendungen werden seit über fünf Jahrzehnten aktiv erforscht. Wir arbeiten jedoch erst seit etwa fünf Jahren an diesen hochtransparenten Solarzellen. Letztendlich ist diese Technologie ein vielversprechender Weg für eine kostengünstige, weit verbreitete Solarakzeptanz auf kleinen und großen Flächen, auf die zuvor nicht zugegriffen werden konnte.

University of Maryland - nachhaltiges „Haus als Teilesatz“

Ein Studententeam der University of Maryland platziert zuerst in den USA und zweitens in der Welt beim Solar Decathlon 2017 des US-Energieministeriums für die Einführung eines Prototyps eines energieeffizienten, solarbetriebenen Hauses mit dem Namen resilient Adaptive Climate Technology (reACT).

Der Zehnkampf ist ein jährlicher, internationaler Wettbewerb, der Teams aus der ganzen Welt dazu bringt, ein solarbetriebenes Haus in voller Größe zu entwerfen.

Der vom UMD-Team entworfene Prototyp wird als „Haus als Teilesatz“ bezeichnet. Er besteht aus fünf anpassungsfähigen Modulen, die um einen Innenhof herum angeordnet sind.

Der Innenhof fungiert als Mittelpunkt des Hauses. Es dient sowohl als komfortabler Wintergarten als auch als großzügiger Sonnenkollektor zum Vorheizen von Luft und Wasser.

Das Haus verfügt auch über einen getäfelten Innenraum mit von seiner Struktur getrennten Wohnsystemen, die den Eigentümern die Möglichkeit geben, das Haus an ihre Bedürfnisse und Wünsche anzupassen. Es arbeitet mit vollständiger Selbstversorgung und umfasst Systeme, die Abfall, Wasser und Energie erfassen.

 

Die Forscher sagten, dass ReACT in völliger Übereinstimmung mit der Natur entwickelt wurde.

„An möglichst vielen Orten wurde nach integrierten und ganzheitlichen Designlösungen gesucht, um ein Zuhause im Einklang mit der Natur zu schaffen, in dem nichts Organisches verschwendet wird“, sagte Chris Cestello Hinojosa, stellvertretender Direktor für Kommunikation und Außenbeziehungen an der School of Architecture, Planning und Erhaltung.

"Wir haben unser Design auf die Philosophie der Biophilie und Regeneration ausgerichtet. das ist eine Verwendung für das "Abfallprodukt" eines Prozesses, der als Ressource für einen anderen dienen kann. "

UC–Irvine, Caltech & Carnegie Institution for Science – Beschaffung von US-Energie aus Wind und Sonne

Eine gemeinsame Studie von Forschern der University of California-Irvine, des California Institute of Technology und der Carnegie Institution for Science ergab, dass die USA mit großen Investitionen zuverlässig Quelle 80 Prozent seines Strombedarfs von Wind- und Solarenergie allein.

Die Forschung trägt dazu bei, Bedenken auszuräumen, dass Sonnen- und Windenergie zu unzuverlässig sind, da sie vom Wetter abhängen, das von Natur aus variabel ist.

"Die Sonne geht unter, und der Wind weht nicht immer" Steven Davis, ein außerordentlicher Professor für Erdsystemwissenschaften an der UCI und Mitautor der Studie, sagte in einer Erklärung. "Wenn wir ein zuverlässiges Stromsystem auf der Basis dieser Ressourcen wollen, wie gehen wir mit den täglichen und saisonalen Veränderungen um?"

Die Forscher analysierten 36-Jahre (1980-2015) von stündlichen US-Wetterdaten, um zu verstehen, wie signifikant die Variabilität von Sonne und Wind die Zuverlässigkeit dieser beiden Quellen beeinflussen würde.

"Die 80-Prozentzahl beruht auf der natürlichen Variabilität von Sonne und Wind", sagte Davis. „Wenn wir mehr als 80 Prozent unseres Stroms aus diesen beiden Quellen beziehen möchten, steigt die erforderliche Menge an Energiespeicher oder Solar- und Windkraftkapazität stark an.“

Um die 80-Prozent-Marke zu erreichen, müssten die USA erhebliche Investitionen in alle Aspekte der Sonnen- und Windenergie tätigen, um Energie zu gewinnen, und, was noch wichtiger ist, über genügend Reserven, um den Wetterschwankungen standzuhalten.

"Die Analyse geht davon aus, dass wir viele Sonnenkollektoren und Windturbinen bauen würden, um diese Ressourcen zu nutzen", sagte Davis.

"Ein Erreichen von 80 Prozent würde jedoch auch eine erhebliche Steigerung des Energiespeichers oder unserer Fähigkeit erfordern, Elektrizität über Übertragungsleitungen landesweit zu übertragen."

Diese Investition würde den Bau eines Übertragungsnetzes oder von Einrichtungen im kontinentalen Maßstab einschließen, die bis zu 12 Stunden Energie für die gesamte Nation speichern könnten. Ein solches Projekt könnte Hunderte Milliarden Dollar - wenn nicht Billionen - in heutigen Dollar kosten, aber sinkende Preise könnten es in Zukunft praktikabler machen.

Die Beschaffung von 100 Prozent unserer Energie aus Wind und Sonne ist weniger wahrscheinlich. Die Kosten steigen stark über die 80-Prozentschwelle hinaus. Das würde bedeuten, doppelt so viele Sonnenkollektoren und Windturbinen zu bauen oder mehrere Wochen Lagerzeit zu haben.

Dies legt nahe, dass wir Solar- und Windenergie mit anderen Energiequellen ergänzen müssen, die sowohl erneuerbare Energiequellen wie Wasserkraft als auch saubere, nicht erneuerbare Quellen wie Kernkraft umfassen können.

Dennoch sind die Ergebnisse der Studie ein gutes Zeichen für die Zukunft der erneuerbaren Energien.

"Die Tatsache, dass wir 80 Prozent unseres Stroms allein aus Wind und Sonne beziehen können, ist sehr ermutigend", sagte Davis in einer Erklärung.

"Vor fünf Jahren bezweifelten viele Menschen, dass diese Ressourcen mehr als 20 oder 30 Prozent ausmachen könnten."

Also, wo verlässt uns das?

Es gibt eindeutig noch viel zu tun. Im Moment arbeiten wir rückwärts im Kampf gegen den Klimawandel. Wir haben bereits verbraucht unsere natürlichen Ressourcen für das Jahrund die Auswirkungen des Klimawandels werden immer klarer und gefährlicher.

Bedeutende Fortschritte in der Solarbranche könnten jedoch einen Ausweg bieten - oder zumindest einen Weg, um in den kommenden Jahren auf erneuerbare Energien umzusteigen. In 2017 nur 1.3 Prozent der US-Energie wurde aus Solarenergie gewonnen. Mit fortgesetzten Investitionen in und Entwicklung von Solartechnologien wird diese Zahl in den kommenden Jahren sicher steigen.

Ohne die bahnbrechenden Bemühungen von Universitätsforschern auf der ganzen Welt wäre es unmöglich, dorthin zu gelangen.