الطاقة
ثورة الطاقة الخضراء: النفايات الصناعية تشغل بطاريات الجيل القادم
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
الوعي بالقضايا البيئية بين الشباب والبالغين يتزايد حول العالم. بينما نواجه تهديد تغير المناخ وتأثيره الضار على كوكبنا، يزداد عدد السكان القلق بشأن كيفية تأثير أفعالهم على البيئة ويشاركون في حركات تهدف إلى إنقاذ الأرض.
كشف مسح PwC 2021 Global Consumer Insights Pulse Survey أن نصف المستهلكين الذين شملهم الاستطلاع حول العالم قالوا إنهم أصبحوا أكثر صداقة للبيئة، بينما يظهر أن ثمانية من كل عشرة مستهلكين على استعداد دفع ما يصل إلى 5٪ أكثر مقابل السلع المنتجة بشكل مستدام.
مقارنةً بنتائج مسح 2019، حيث قال 35٪ من المستجيبين إنهم يختارون المنتجات المستدامة، و37٪ قالوا إنهم يبحثون عن عبوات صديقة للبيئة، و41٪ قالوا إنهم يتجنبون استخدام البلاستيك عندما يستطيعون، أظهرت نتائج مسح 2021 نسبًا أعلى تتراوح بين عشرة إلى عشرين نقطة لنفس الأسئلة.
أصبح نمط الحياة المستدام أكثر أهميةً للمستهلكين حول العالم، الذين يرغبون أيضًا في أن تكون الشركات والعلامات التجارية أكثر استدامة وصديقة للبيئة.
هذا التغيير في السلوك أمر إيجابي، نظرًا لأن حوالي 2 مليار طن من النفايات الصناعية تُنتج سنويًا على مستوى العالم. ليست النفايات الصناعية مسؤولة فقط عن نصف جميع النفايات، بل يتم إعادة تدوير فقط حوالي 2٪ منها فعليًا.
السبب الرئيسي للنفايات الصناعية هو المنتجات الثانوية من مجموعة واسعة من العمليات المختلفة، بما في ذلك تشغيل المعادن، التصنيع الكيميائي، معالجة الأغذية، تصنيع الأدوية، واستخراج النفط والغاز. يمكن للممارسات غير السليمة في إدارة النفايات أن تولد مزيدًا من النفايات الصناعية التي تؤثر سلبًا على البيئة.
ومع ذلك، مع تزايد الوعي بين المستهلكين، إلى جانب تركيز المزيد من الدول على التخلص الفعال من النفايات وارتفاع الطلب على حلول إدارة النفايات الصناعية بسرعة، من المتوقع أن ينمو سوق إدارة النفايات الصناعية العالمي إلى $1.79 مليار بحلول 2032. إن ظهور تقنيات جديدة وتعقيد أنواع النفايات المتولدة يساهم أيضًا في هذا النمو.
في الولايات المتحدة، من المتوقع أن ينمو سوق إدارة النفايات الصناعية أكثر، ومن المتوقع أن يصل إلى قيمة تقديرية قدرها 323.81 مليار دولار خلال هذه الفترة.
إلى جانب إدارة النفايات، يستكشف الباحثون والشركات طرقًا أخرى للتعامل مع النفايات، مثل إعادة التدوير المتقدم، إعادة تصميم المنتجات، البدائل القابلة للتحلل، نماذج الاقتصاد الدائري، الحلول الميكروبية، وتقنيات إعادة التدوير المبتكرة.
تحويل النفايات إلى كنوز هو الجهد الأخير للباحثين. شاركنا مؤخرًا كيف فريق بحث من جامعة كورنيل استخرج الذهب من النفايات الإلكترونية ثم استخدمه كعامل محفز لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مواد عضوية.
دراسة جديدة الآن تطور بطاريات خضراء من النفايات الصناعية وتوفر بديلاً للبطاريات المستخدمة في أجهزتنا مثل الهواتف وحتى السيارات.
تعتمد البطاريات الحالية على معادن مثل الليثيوم والكوبالت، وكلاهما يُستخرج عبر عمليات تعدين غازية ومكثفة.
الاعتماد المتزايد على السيارات الكهربائية، إلى جانب الحاجة المتزايدة للدراجات الكهربائية، والإلكترونيات الاستهلاكية، وتخزين الطاقة، وأدوات الطاقة، وتطبيقات أخرى كثيفة الاستخدام للبطاريات، يتطلب تحولًا بعيدًا عن الحلول القائمة على المعادن وتسهيل الانتقال إلى الطاقة الخضراء.
استخدام النفايات الصناعية لتخزين الطاقة
مع الاعتماد المتزايد على موارد الطاقة المتجددة والمتقطعة بطبيعتها، يدعو فريق من الباحثين في جامعة نورثويسترن إلى زيادة سعة تخزين الطاقة لتلبية متطلبات شبكتنا، ولتحقيق ذلك، حولوا نفاية عضوية على نطاق صناعي إلى حل تخزين فعال يمكنه توفير طاقة مستدامة.
ركزت الدراسة على بطاريات التدفق الأحمر (RFB)، وهي بطاريات قابلة لإعادة الشحن تُستكشف بسبب مرونتها وقابليتها للتوسع وقدرتها على دورات طويلة.
السوق لبطاريات التدفق الأحمر يمثل حاليًا جزءًا صغيرًا من سوق البطاريات، لكن من المتوقع أن ينمو من أقل من 300 مليون دولار في 2024 إلى ما فوق المليار دولار بحلول 2033. سيقود هذا التوسع التحول المتزايد إلى مصادر الطاقة المتجددة، والحاجة إلى حلول تخزين طاقة موثوقة وعلى نطاق واسع، ومبادرات حكومية مواتية، وتقدمات تقنية مستمرة لتحسين كفاءة البطاريات وخفض التكاليف.
التقدم في بطاريات التدفق الأحمر يجعلها خيارًا عمليًا لتخزين الطاقة على نطاق كبير، لكنها تظهر كثافة طاقة منخفضة.
في السنوات الأخيرة، تم تحقيق تقدم في زيادة استقرار الجزيئات العضوية النشطة للردوكس (ROM)، التي تُعتبر مرشحات واعدة لبناء بطاريات تدفق حمراء مستدامة لتخزين الطاقة على نطاق كبير. معظم الـ ROMs التي يتم تقييمها، مع ذلك، تتطلب تخليقًا متعدد الخطوات، وهناك نقص في المواد الأولية المتاحة يعيق تطبيقها.
ثم هناك حقيقة أن الأنودات غالبًا ما تفتقر إلى الاستقرار. تُستخدم الأنودات في بطاريات التدفق الأحمر، حيث تمر عبر تفاعلات كيميائية كهربائية تُنتج الطاقة وتخزنها. نوع الأنود المستخدم يمكن أن يؤثر على سعتها، قابليتها للعكس، واستقرارها.
لذلك، استخدم باحثو نورثويسترن نفاية صناعية مشتقة من مركب عضوي كـ ROM لتطبيقات بطاريات التدفق غير المائية (NARFB). بينما تُبحث العديد من تكرارات هذه البطاريات لتطبيقات على مستوى الشبكة، يُعد هذا الاستخدام للمادة العضوية النفاية الأول من نوعه في المجال.
الجزيء النفاوي هو أكسيد ثلاثي فينيل الفسفور (TPPO)، وهو ناتج ثانوي صناعي معروف يُنتج بآلاف الأطنان كل عام من خلال عمليات تخليق صناعية عضوية مختلفة. هذا الناتج الكيميائي المستقر وله تطبيقات محدودة يُترك غير مُستَخدم ويحتاج إلى التخلص منه بعناية.
المنتج الجانبي غير المستَخدم، الذي لا قيمة له، يُ tolerated فقط بسبب التفاعلات المثيرة للإعجاب التي يُظهرها سلفه، ثلاثي فينيل الفسفور (TPP).
بدعم من نورثويسترن، ومكتب الطاقة الأساسية بوزارة الطاقة الأمريكية، ومنحة أبحاث الخريجين التابعة للمؤسسة الوطنية للعلوم، تمكن الباحثون من تحويل هذه النفاية إلى منتج قيم عبر تفاعل “وعاء واحد”. الحل الناتج يُظهر وعدًا قويًا كطريقة لتخزين الطاقة، مما يفتح المجال لبطاريات تدفق حمراء عضوية مشتقة من النفايات.
“اكتشافنا يبرز إمكانات تحويل مركبات النفايات إلى موارد قيمة، مقدماً مسارًا مستدامًا للابتكار في تكنولوجيا البطاريات.”
– المؤلف الرئيسي كريستيان مالابيت، كيميائي في نورثويسترن وأستاذ مساعد في قسم الكيمياء بكلية واينبرغ للفنون والعلوم
أشار إلى أن المهندسين وعلماء المواد يهيمنون على أبحاث البطاريات، لكن كما تُظهر أبحاثهم، يمكن للكيميائيين الصناعيين أيضًا “المساهمة في المجال من خلال هندسة جزيئية لمادة نفاية عضوية إلى جزيء يخزن الطاقة”.
ليس شائعًا مثل الليثيوم التقليدي أو بطاريات الحالة الصلبة، التي تخزن كميات كبيرة من الطاقة في أقطاب سائلة أو صلبة على التوالي، تستخدم بطاريات التدفق الأحمر تفاعلًا كيميائيًا يسهل تدفق الطاقة بين الإلكتروليتات لتخزين الطاقة.
الاكتشاف الأخير يجعل بطاريات التدفق الأحمر مفيدة للغاية نظرًا لاستخدامها جزيء عضوي ويمكنها تحقيق استقرار عالي بالإضافة إلى كثافة طاقة مرتفعة، مما يقترب من المنافسين القائمين على المعادن.
هذان المتغيران المحددان، وفقًا للمؤلفة الأولى إميلي ماهوني، وهي طالبة دكتوراه في مختبر مالابيت، كانا “تقليديًا صعبين التحسين معًا”، لكن الآن بعد أن أظهرا ذلك لجزيء مدفوع بالنفايات، فإن الأمر “مثير”.
مع ذلك، تحقيق كل من كثافة الطاقة والاستقرار يتطلب إيجاد طريقة تسمح للإلكترونات بالتعبئة بإحكام دون فقدان سعة التخزين مع مرور الوقت. وجد فريق البحث استراتيجيتهم في ورقة من نصف قرن مضى وصفت كيمياء الفسفور أكسيد، مجموعة وظيفية في الكيمياء العضوية.
كانت الدراسة في الواقع “الحالة الأولى” لاستخدام أكسيد الفسفور كمكون نشط للردوكس في أبحاث البطاريات.
كانت أكاسيد الفسفور المخفضة تقليديًا غير مستقرة للغاية، لكن نهج الهندسة الجزيئية في الدراسة الأخيرة عالج هذا عدم الاستقرار، وبالتالي “مهد الطريق لتطبيقها في تخزين الطاقة”.
الآن، لتقييم أداء الجزيء، أجرى الباحثون اختبارات باستخدام تجارب شحن وتفريغ كيميائية كهربائية ثابتة. بعد مرور 350 دورة من شحن البطارية واستخدامها ثم إعادة شحنها، وجد الفريق أن البطارية حافظت على صحتها المذهلة وفقدت سعة ضئيلة فقط مع الوقت.
التجربة التي لم تشهد أي تدهور في السعة على مدار 350 دورة، وفقًا للدراسة، تضع “هذا الجزيء في صدارة المجال، ليس فقط بسبب أدائه المثير للإعجاب بل أيضًا استدامة موارده”.
عند الحديث عن بطاريات التدفق الأحمر، إلى جانب استخدام أكسيد ثلاثي فينيل الفسفور النفاية الصناعية لتخزين الطاقة، تساهم أبحاث أخرى تتراوح بين تصميم أغشية مبتكرة، واستخدام DMQA كمادة إلكتروليت، وتعديل شحنة هيرشفيلد لكاثودات TEMPO في تقدم بطاريات التدفق الأحمر.
نفايات الصناعات الأخرى التي تشغل تقنية البطاريات
بينما يُعد هذا الاختراق مهمًا، فإن هذه الدراسة ليست الوحيدة التي تستغل نفاية صناعية غير مُعاد تدويرها إلى منتج مفيد؛ على مر السنين، استخدمت عدة دراسات النفايات لتحسين تقنية البطاريات.
يتضمن ذلك استخدام خبث الصلب، وهو منتج ثانوي لتصنيع الصلب وقد تم استكشافه كمواد لتخزين الطاقة. في دراسة، أنشأ الباحثون خلايا مكثفات هيكلية خضراء (SSCs) باستخدام مسحوق خبث الصلب (SSP) ومسحوق الزجاج (GP) التي أظهرت تعددية وظائف جيدة من حيث القوة والسعة السطحية.
في دراسة أخرى، فحص الباحثون الأداء الحراري لخبث الصلب ووجدوه مادة تخزين حرارة حساسة. سمح تنشيط Na2CO3 لهم بزيادة سعة تخزين الحرارة للمادة بأكثر من 25٪ وتوصيل الحرارة بأكثر من 32٪.
استخدام أكبر نفاية صناعية في صناعة الصلب ليس مقصورًا على البحث فقط. حتى أكبر منتج للصلب في العالم، أرسيلور ميتال، اختبر المنتج الفرعي كوسيلة لتخزين الطاقة الحرارية داخل عملية تصنيع الصلب لتقليل استخدام الوقود الأحفوري للتسخين. الشركة في الواقع تستخدم خبث لينز-دوناويتز (LD) لصنع حوالي 30 منتجًا جديدًا، تُستخدم هذه المنتجات في بناء الطرق وأعمدة الأسوار، وكمواد خام للإسمنت، ولترشيح مياه الصرف.
يتم أيضًا استخدام خبث الصلب، رماد الفحم، ومخلفات المناجم، وغيرها من المواد لتخزين الكربون المتين. يُقدَّر أن إمكانات تخزين CO2 للمنتجات الثانوية الصناعية تتراوح بين 2.9 و8.5 مليار طن سنويًا بحلول عام 2100، اعتمادًا على إنتاج النفايات الصناعية.
الرماد المتطاير هو مادة أخرى ناتجة عن محطات الطاقة التي تعمل بالفحم وتُستكشف لاستخدامها كأنودات للبطاريات. استخدم باحثون من السعودية كربون الرماد المتطاير كمواد أنود لبطاريات أيونات المعادن القلوية، أظهر سعات عالية نسبيًا واستقرارًا ممتازًا في الدورات. في دراسة منفصلة، أدرك الباحثون القيمة الإضافية العالية للمنتج الثانوي بتحويله إلى مساحيق سيليكون نانوية وتطبيقها كمواد أنود نشطة لبطاريات الليثيوم-أيون التي أظهرت أداءً كيميائيًا جيدًا.
المواد الحيوية غير المستغلة والمواد النفاية التي تُنتج أثناء إنتاج الطاقة يمكن أيضًا أن تُستَخدم بفعالية لإنشاء مواد كربونية لأجهزة تخزين الطاقة مثل البطاريات، الخلايا الشمسية، والمكثفات الفائقة. إلى جانب الاستفادة من النفايات، يزيل ذلك الصعوبات المتعلقة بإعادة تدوير مكونات النفايات بأمان واستهلاك الوقود الأحفوري.
الكربونات المستخرجة من الكتلة الحيوية تتشكل بتحويل نفايات النباتات والحيوانات إلى مواد كربونية مسامية عبر عمليات صناعية. الهياكل الناتجة، ذات التوصيل العالي نسبيًا والمساحة السطحية الكبيرة والمسامية، تجعلها مرشحات ممتازة لتطبيقات تخزين الطاقة، خاصةً المكثفات الفائقة.
مع الاستخدام الواسع للمواد الكربونية في المكثفات الفائقة كأقطاب بسبب المسامية العالية والمساحة السطحية المحددة، يبرز كربون الكتلة الحيوية بفضل مصدره الواسع، تكلفته المنخفضة، كثافة طاقته العالية، عمر دوراته الممتد، وقلة التلوث.
العلماء يستخدمون حتى النفايات البلاستيكية لصنع أنودات بطاريات عالية الأداء للجيل القادم من البطاريات. طور فريق من العلماء في سنغافورة طريقة تتضمن تفكيك الجزيئات المرتبطة كيميائيًا إلى جزيئات أقصر يصنع إلكتروليتات بوليمرية من زجاجات PET البلاستيكية النفاية.
ثم هناك إعادة تدوير بطاريات الليثيوم-أيون القديمة، التي تمكّن من استعادة الكوبالت والليثيوم والنيكل وإعادة استخدامها في أنظمة تخزين طاقة جديدة.
الغالبية العظمى من إمدادات الليثيوم (Li) في العالم تتواجد في الطبيعة كمنتج أساسي في الأحواض الملحية والصخور الصلبة، وتوجد أساسًا في أستراليا، الصين، وأمريكا اللاتينية. أما إمدادات الكوبالت، فبينما (أقل من 10٪ منها كمنتج أساسي والبقية تُنتج كمنتج ثانوي من مناجم النحاس والنيكل)، فهي مهيمنة من قبل جمهورية الكونغو الديمقراطية (DRC) التي تمثل 65٪ من الإنتاج العالمي.
لذلك، فإن إعادة تدوير مكونات البطاريات القديمة لا يقلل النفايات فحسب، بل يقلل أيضًا الحاجة إلى مواد خام جديدة، والتي رغم وفرتها تواجه مشكلة التعدين المكثف وتوزيعها الجغرافي المحدود.
الشركات العامة ذات الصلة
الآن، دعونا نلقي نظرة على الشركات التي تحقق تقدمًا في الصناعات ذات الصلة.
1. Fluence Energy, Inc.
مزود عالمي لحلول تخزين الطاقة، تهدف Fluence إلى دفع التحول إلى الطاقة النظيفة من خلال Gridstack Pro، Gridstack، Sunstack، Edgestack، وUltrastack. كما توجد منصة Fluence IQ التي تقدم خدمات الذكاء الاصطناعي لإدارة وتحسين الطاقة المتجددة والتخزين.
FLNC مخطط السعر
قيمة السوق التي تبلغ 3 مليارات دولار لأسهم Fluence Energy، حتى وقت كتابة هذا المقال، تتداول عند 16.56 دولار، بارتفاع 4.28٪ منذ بداية العام. لديها ربحية السهم (TTM) بقيمة -0.08 ومضاعف السعر إلى الأرباح (TTM) بقيمة -219.92. للربع المنتهي في 30 سبتمبر، أبلغت الشركة عن إيرادات قدرها 1.3 مليار دولار وصافي ربح إيجابي قدره 67.7 مليون دولار للمرة الأولى. بلغت طلبات الطلبات للربع 1.2 مليار دولار، بينما ارتفع المتراكم إلى حوالي 4.5 مليار دولار. أما موقفها النقدي فكان 518.7 مليون دولار.
أشار الرئيس التنفيذي جوليان نيبريدا إلى أن “أعلى إيرادات وربحية على الإطلاق” يمثل “معلمًا هامًا في مسار نمو الشركة”. وأعرب عن توقعه لرؤية “طلب غير مسبوق على حلول تخزين طاقة البطاريات حول العالم، مدفوع أساسًا بالسوق الأمريكية”.
2. Waste Management
تركز على إعادة تدوير النفايات الصناعية، وتقدم حلولًا بيئية تشمل الجمع، وإعادة التدوير، وخدمات التخلص للعملاء السكنيين، التجاريين، والبلديين.
قيمة السوق التي تبلغ 83.29 مليار دولار لأسهم Waste Management (WM ) ، حتى وقت كتابة هذا المقال، تتداول عند 207.53 دولار، بارتفاع 2.84٪ منذ بداية العام. لديها ربحية السهم (TTM) بقيمة 6.54 ومضاعف السعر إلى الأرباح (TTM) بقيمة 31.71، بينما عائد السهم هو 1.45٪.
WM مخطط السعر
لربع الثالث من عام 2024، أبلغت الشركة عن زيادة بنسبة 7.9٪ في إيراداتها بفضل التنفيذ القوي للتسعير، وارتفاع أسعار السلع القابلة لإعادة التدوير التي تبيعها، وزيادة ملحوظة في حجم مكبات النفايات. أكملت Waste Management الآن ثمانية مشاريع إعادة تدوير في الربع، وأكثر من نصف مشاريع الأتمتة والمشاريع الجديدة المخطط لها ساهمت في قدرة إعادة تدوير سنوية تبلغ 1.5 مليون طن عبر أمريكا الشمالية.
“قادت نتائجنا القوية أعمال الجمع والتخلص حيث ساهمت جهودنا المركزة على الاحتفاظ بالخط الأمامي، وتحسين هيكل تكاليفنا، وتقديم خدمة متميزة لعملائنا في نمو الأرباح.”
– الرئيس التنفيذي جيم فيش
الخلاصة
النفايات الصناعية في تزايد مستمر بسبب الزيادة السكانية والتقدم التكنولوجي، وإذا لم تُدار بشكل صحيح، يمكن أن تتسبب في عواقب مميتة. إلى جانب تلوث الهواء والمياه، تؤدي هذه النفايات إلى تدهور التربة، والاحترار العالمي، وتلف نظامنا البيئي. نظرًا لأن جزءًا صغيرًا فقط من هذه النفايات يُعاد تدويره، فإن الاكتشافات الأخيرة التي تحول النفايات الصناعية إلى عامل لتخزين الطاقة مفيدة للغاية للبيئة وتمهد الطريق نحو مستقبل مستدام وصحي.
