الطاقة
ثورة الطاقة الخضراء: النفايات الصناعية تشغل بطاريات الجيل التالي
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
الوعي بالقضايا البيئية بين الشباب والكبار يتزايد حول العالم. بينما نواجه تهديد تغير المناخ وتأثيره الضار على كوكبنا، يزداد قلق عدد متزايد من الناس حول كيفية تأثير أفعالهم على البيئة ويشاركون في الحركات التي تركز على إنقاذ الأرض.
أظهر مسح PwC العالمي للوعي الاستهلاكي لعام 2021 أن نصف المستهلكين الذين شملهم الاستطلاع حول العالم قالوا إنهم أصبحوا أكثر صديقة للبيئة، بينما يُظهر مسحه لعام 2023يُظهر أن ثمانية من كل عشرة مستهلكين مستعدون لدفع ما يصل إلى 5٪ أكثر مقابل السلع المنتجة بشكل مستدام.
بالمقارنة مع نتائج مسح 2019، حيث قال 35٪ من المستجيبين إنهم اختاروا منتجات مستدامة، و37٪ قالوا إنهم يبحثون عن عبوات صديقة للبيئة، و41٪ قالوا هم تجنبوا استخدام البلاستيك عندما كان ذلك ممكنًا، أظهرت نتائج مسح 2021 نسبًا أعلى بنحو 10 إلى 20 نقطة لنفس الأسئلة.
أصبح أسلوب الحياة المستدام أكثر أهمية للمستهلكين في جميع أنحاء 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. ليس فقط أن النفايات الصناعية مسؤولة عن حوالي نصف جميع النفايات ولكنتُنتج، حوالي 2٪ فقط من بينها يتم إعادة تدويرها فعليًا.
السبب الرئيسي للنفايات الصناعية هو المنتجات الثانوية من مجموعة واسعة من العمليات المختلفة، بما في ذلك تشغيل المعادن، وتصنيع المواد الكيميائية، ومعالجة الأغذية، وتصنيع 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 السوق العالمي لإدارة النفايات الصناعية إلى$1.79 مليار بحلول 2032. ظهور تقنيات جديدة وأنواع النفايات المتولدة أصبحت أكثر تعقيدًا، مما يساهم أيضًا في هذا النمو.
في الولايات المتحدة، سوق إدارة النفايات الصناعية من المتوقع أن ينمو أكثر، وهو من المتوقع أن يصل إلى قيمة تقديرية قدرها $323.81 مليار خلال هذه الفترة.
إلى جانب إدارة النفايات، يستكشف الباحثون والشركات طرقًا أخرى للتعامل مع النفايات، مثل إعادة التدوير المتقدم، وإعادة تصميم المنتجات، والبدائل القابلة للتحلل، ونماذج الاقتصاد الدائري، والحلول الميكروبية، وتقنيات إعادة التدوير المبتكرة.
تحويل النفايات إلى كنوز كان أحدث مسعى 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.
تقوم دراسة جديدة الآن بتطوير بطاريات خضراء من النفايات الصناعية وتوفير بديل للبطاريات المستخدمة في أجهزتنا مثل الهواتف وحتى السيارات.
البطاريات الحالية المستخدمة تعتمد على معادن مثل الليثيوم والكوبالت، كلاهما يُستخرج باستخدام عمليات تعدين غازية ومكثفة.
إن الاعتماد المتزايد على المركبات الكهربائية، إلى جانب الطلب المتزايد على الدراجات الكهربائية، والإلكترونيات الاستهلاكية، وتخزين الطاقة، والأدوات الكهربائية، وغيرها من التطبيقات التي تتطلب بطاريات، يتطلب تحولًا بعيدًا عن الحلول القائمة على المعادن ويسهل التحول إلى الطاقة الخضراء.
استخدام النفايات الصناعية لتخزين الطاقة
مع زيادة الاعتماد على موارد الطاقة المتجددة والمتقطعة بطبيعتها، يدعو فريق من باحثي جامعة نورثويسترن إلى زيادة سعة تخزين الطاقة لتلبية متطلبات شبكتنا، ولـلذلك، قاموا بتحويل نفاية عضوية على نطاق صناعي إلى حل تخزين فعال يمكنه توفير طاقة مستدامة.
تركز الدراسة على بطاريات التدفق الأحمر (RFB)، وهي بطاريات قابلة لإعادة الشحن تُستكشف بسبب مرونتها وقابليتها للتوسع وقدرتها على دورات طويلة.
سوق بطاريات التدفق الأحمر يمثل حاليًا جزءًا صغيرًا من سوق البطاريات ولكنه من المتوقع أن ينمو من أقل من 300 مليون دولار في 2024 إلى أكثر من 1 مليار دولار بحلول 2033. سيتقود هذا التوسع التحول المتزايد إلى مصادر الطاقة المتجددة، والحاجة إلى حلول تخزين طاقة موثوقة وعلى نطاق واسع، والمبادرات الحكومية المواتية، والتطورات التقنية المستمرة لتحسين كفاءة البطاريات وخفض التكاليف.
التقدم في بطاريات التدفق الأحمر يجعلها خيارًا عمليًا لتخزين الطاقة على نطاق واسع، لكنها تتميز بكثافة طاقة منخفضة.
في السنوات الأخيرة، تمتحقيق تقدم في زيادة استقرار الجزيئات العضوية النشطة للردوكس (ROM)، والتيتُعتبر مرشحات واعدة لبناء بطاريات تدفق مستدامة لتخزين الطاقة على نطاق واسع. معظم ROMs قيد التقييم، ومع ذلك، تتطلب عملية تخليق متعددة الخطوات، وهناك توفر محدود للمواد الأولية التي تعيق تطبيقها.
ثم هناك حقيقة أن الأنودات غالبًا ما تفتقر إلى الاستقرار. الأنودات تُستخدم في بطاريات التدفق الأحمر، حيث تمر بتفاعلات كيميائية كهربائية تنتج طاقة وتخزنها. نوع الأنود المستخدم في بطاريات التدفق يمكن أن يؤثر على سعتها، وعكسيتها، واستقرارها.
لذلك، استخدم باحثو نورثويسترن مركبًا عضويًا مستخلصًا من نفايات صناعية كـ ROM لتطبيقات بطاريات التدفق غير المائية (NARFB). بينما يتمدراسة هذه البطاريات لتطبيقات على مستوى الشبكة، فإن استخدام المادة العضوية النفاية يمثل الأول من نوعه في هذا المجال.
الجزيء النفاية هو أكسيد ثلاثي الفينيل فوسفين (TPPO)، وهو منتج نفاية صناعية معروف ينتج آلاف الأطنان كل عام من خلال عمليات تصنيع صناعية عضوية مختلفة. هذا المنتج الكيميائي مستقر كيميائيًا وله تطبيقات محدودة يُترك غير مفيد ويحتاج إلى التخلص منه بعناية.
المنتج الجانبي غير المستغل، الذي لا قيمة له، يُحتَمل فقط بفضل التفاعلات المذهلة التي يُظهرها سلفه، ثلاثي الفينيل فوسفين (TPP).
بدعم من جامعة نورثويسترن، ومكتب العلوم الأساسية للطاقة التابع لوزارة الطاقة، وزمالة البحث الخريجي للعلوم الوطنية، تمكن الباحثون من تحويل هذه النفاية إلى منتج قيم من خلال تفاعل “واحد-في-وعاء”. الحل الناتج يُظهر وعدًا قويًا كطريقة لتخزين الطاقة، مما يفتح الطريق لبطاريات تدفق عضوية مستمدة من النفايات.
اكتشافنا يبرز إمكانات تحويل مركبات النفايات إلى موارد ذات 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 لمنتج نفاية عضوية إلى جزيء يخزن الطاقة”.
ليس شائعًا مثل الليثيوم التقليدي أو البطاريات الصلبة، التي تخزن كميات كبيرة من الطاقة في أقطاب سائلة أو صلبة على التوالي، فإن بطاريات التدفق الأحمر تستخدم تفاعلًا كيميائيًا يسهل تدفق الطاقة بين الإلكتروليتات لتخزين الطاقة.
الاكتشاف الأخير يجعل بطاريات التدفق الأحمر مفيدة للغاية نظرًا لأنها تستخدم جزيءًا عضويًا ويمكنها تحقيق استقرار عالٍ وكثافة طاقة مرتفعة، مما يقترب من المنافسين القائمين على المعادن.
هذان المتغيران المحددان، وفقًا للمؤلفة الأولى إميلي ماهوني، التي هي مرشحة دكتوراه في مختبر مالابيت، كانا “تقليديًا صعبين تحسينهما معًا”، ولكن الآن بعد أن أثبتاها لجزيء مدفوع بالنفايات، فإن الأمر ببساطة “مثير”.
مع ذلك، تحقيق كل من كثافة الطاقة والاستقرار يتطلب إيجاد طريقة تسمح للإلكترونات بالتجمع بشكل محكم دون فقد سعة التخزين مع مرور الوقت. وجدت فريق البحث استراتيجيتهم من ورقة من نصف قرن مضى تصف الكهروكيمياء لأكسيدات الفوسفين، وهي مجموعة وظيفية في الكيمياء العضوية.
كانت الدراسة في الواقع “الحالة الأولى” لاستخدام أكسيدات الفوسفين كمكون نشط للردوكس في أبحاث البطاريات.
كانت أكسيدات الفوسفين المخفضة تقليديًا غير مستقرة للغاية، لكن نهج الهندسة الجزيئية في الدراسة الأخيرة عالج تلك عدم الاستقرار، وبالتالي “مهّد الطريق لتطبيقها في تخزين الطاقة”.
الآن، لتقييم أداء الجزيء، أجرى الباحثون اختبارات باستخدام تجارب شحن وتفريغ كيميائية ثابتة. بعد خوض 350 دورة من شحن البطارية واستخدامها ثم إعادة شحنها، وجد الفريق أن البطارية حافظت على صحتها المذهلة وفقدت سعة ضئيلة فقط مع مرور الوقت.
عدم حدوث تلاشي في السعة خلال 350 دورة، كما تستنتج الدراسة، يضع “هذا الجزيء في صدارة المجال، ليس فقط بفضل أدائه المذهل ولكن أيضًا بسبب استدامة موارده”.
عند الحديث عن بطاريات التدفق الأحمر، بالإضافة إلى استخدام النفاية الكيميائية الصناعية ثلاثي الفينيل فوسفين لتخزين الطاقة، هناك أبحاث أخرى تتراوح بين تصميم أغشية مبتكرة، استخدام DMQA كمادة إلكتروليت، وتعديل شحنة هيرشفيلد لكاثودات TEMPO التي تساهم أيضًا في تقدم بطاريات التدفق الأحمر.
نفايات الصناعات الأخرى التي تشغل تكنولوجيا البطاريات
على الرغم من كونه اختراقًا مهمًا، فإن هذه الدراسة ليست الوحيدة التي تستخدم نفاية صناعية غير معاد تدويرها في منتج مفيد؛ على مر السنين، استخدمت عدة دراسات النفايات لتحسين تكنولوجيا البطاريات.
هذا يشمل استخدام خبث الصلب، وهو منتج ثانوي من تصنيع الصلب وقد تم استكشافه لمواد تخزين الطاقة. في دراسة واحدة، 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.دراسة، 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 منتج نفاية في صناعة الصلب ليس مقصورًا على البحث فقط. حتى ثاني أكبر منتج صلب في العالم، أرسيلور ميتال (ARRD.DE ) (MT ), اختبر المنتج الثانوي كمواد تخزين حراري ضمن عملية صهر الصلب لتقليل استخدام الوقود الأحفوري للتسخين. الشركة فعليًاتستفيد من خبث لينز-دوناويتز (LD) لإنتاج حوالي 30 منتجًا جديدًا، التيتُستخدم لبناء الطرق وأعمدة الأسوار، كمواد خام للخرسانة، ولتنقية مياه الصرف.
خبث الصلب، رماد الفحم، ومخلفات المناجم، وغيرها من المواد، تُستَخدم أيضًاللتخزين الكربوني المتين. يُقدّر أن إمكانات تخزين ثاني أكسيد الكربون للمنتجات الثانوية الصناعية تتراوح بين 2.9 و8.5 مليار طن سنويًا بحلول عام 2100، اعتمادًا على إنتاج النفايات الصناعية.
رماد الطيران هو مادة أخرى هي منتج ثانوي لمفاعلات الطاقة التي تعمل بالفحم وتُستكشف كمواد أنودية للبطاريات. استخدم باحثون من المملكة العربية السعودية كربون رماد الطيران كمواد أنودية لبطاريات أيونات المعادن القلوية، والتي أظهرت سعات عالية نسبيًا وثباتًا ممتازًا في الدورات. في دراسة منفصلة، أدرك الباحثون القيمة المضافة العالية للمنتج الثانوي من خلال تحويله إلى مساحيق سيليكون نانوية وتطبيقها كمواد أنودية نشطة لبطاريات الليثيوم-أيون التي أظهرت أداءً كهروكيميائيًا جيدًا.
الكتلة الحيوية والمواد النفاية غير المستغلة التيتُنتج خلال إنتاج الطاقة يمكن أيضًاأن تُستَخدم بفعاليةلإنشاء مواد كربونية لأجهزة تخزين الطاقة مثل البطاريات، الخلايا الشمسية، والمكثفات الفائقة. إلى جانب الاستفادة من النفايات، فإن ذلك يزيل الصعوبات المتعلقة بإعادة تدوير مكونات النفايات بأمان واستهلاك الوقود الأحفوري.
الكربونات المستخرجة من الكتلة الحيوية تتكون من تحويل النباتات ومخلفات الحيوانات إلى مواد كربونية مسامية عبر عمليات صناعية. الهياكل الناتجة، ذات التوصيل العالي نسبيًا والمساحة السطحية والمسامية، تجعلها مرشحات ممتازة لتطبيقات تخزين الطاقة، خاصة المكثفات الفائقة.
مع استخدام مواد الكربون على نطاق واسع في المكثفات الفائقة كأقطاب بفضل مساميتها العالية ومساحتها السطحية المحددة، يبرز كربون الكتلة الحيوية أيضًا لمصدره الواسع، وتكلفته المنخفضة، وكثافة طاقته العالية، وعمر دوراته الممتد، وقلة التلوث.
العلماء يستخدمون حتى نفايات البلاستيك لصنع أنودات بطاريات عالية الأداء للجيل القادم من البطاريات. طور فريق من العلماء في سنغافورة طريقة تتضمن تفكيك الجزيئات المرتبطة كيميائيًا إلى جزيئات أقصر لـ صنع إلكتروليتات بوليمرية من زجاجات PET البلاستيكية النفاية.
ثم هناك إعادة تدوير بطاريات الليثيوم-أيون القديمة، مما يتيح استعادة الكوبالت والليثيوم والنيكل وإعادة استخدامها في أنظمة تخزين طاقة جديدة.
تشكل الغالبية العظمى من إمدادات الليثيوم (Li) في العالم طبيعةً كمنتج أساسي في المياه المالحة والصخور الصلبة، وتوجد أساسًا في أستراليا، الصين، وأمريكا اللاتينية. أما إمدادات الكوبالت، فبينما (أقل من 10٪ منها تُنتج كمنتج أساسي والبقية تُنتج كمنتج ثانوي من مناجم النحاس والنيكل)، يهيمن عليها جمهورية الكونغو الديمقراطية (DRC)، التي تمثل 65٪ من الإنتاج العالمي.
لذا، فإن إعادة تدوير مكونات البطاريات القديمة لا يقلل النفايات فحسب، بل يقلل أيضًا الحاجة إلى مواد خام جديدة، والتي رغم وفرتها، تواجه مشكلة التعدين المستهلك للموارد وتوزيع جغرافي محدود.
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 عبر Gridstack Pro وGridstack وSunstack وEdgestack وUltrastack. كما توجد منصة Fluence IQ التي تقدم خدمات الذكاء الاصطناعي لإدارة وتحسين الطاقة المتجددة والتخزين.
FLNC مخطط السعر
القيمة السوقية التي تبلغ 3 مليارات دولار لأسهم Fluence Energy، حتى كتابة هذه السطور، تُتداول عند 16.56 دولار، بارتفاع 4.28٪ منذ بداية العام. لديها ربحية السهم (TTM) قدرها -0.08 ومضاعف السعر إلى الأرباح (TTM) -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 الربعوية 1.2 مليار دولار، بينما ارتفعت الأعمال المتراكمة إلى حوالي 4.5 مليار دولار. وفي الوقت نفسه، كان موقفها النقدي 518.7 مليون دولار.
قال الرئيس التنفيذي جوليان نبريدا إن “أعلى إيرادات وربحية على الإطلاق” يمثل “معلمًا مهمًا في مسار نمو الشركة”. وأشار إلى أنه يتوقع “طلبًا غير مسبوق على حلول تخزين الطاقة للبطاريات في جميع أنحاء العالم، مدفوعًا أساسًا بالسوق الأمريكية”.
2. Waste Management
تركز على إعادة تدوير النفايات الصناعية، تقدم Waste Management حلولًا بيئية تشمل الجمع وإعادة التدوير وخدمات التخلص للعملاء السكنيين والتجاريين والبلديين.
القيمة السوقية التي تبلغ 83.29 مليار دولار لأسهم Waste Management، حتى كتابة هذه السطور، تُتداول عند 207.53 دولار، بارتفاع 2.84٪ منذ بداية العام. لديها ربحية السهم (TTM) قدرها 6.54 ومضاعف السعر إلى الأرباح (TTM) 31.71، بينما عائد الأرباح هو 1.45٪.
WM مخطط السعر
في الربع 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 بـ 1.5 مليون طن من القدرة السنوية لإعادة التدوير عبر أمريكا الشمالية.
لقد قادت نتائجنا القوية أعمال الجمع والتخلص حيث ساهم تركيزنا 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 النمو السكاني والتقدم التكنولوجي، وإذا لم تُدار بشكل صحيح، يمكن أن تسبب 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 أكثر.
