Grøn Energi Revolution: Industrielt Affald Driver Næste Generations Batterier

Bevidstheden om miljømæssige problemer blandt både unge og voksne vokser verden over. Mens vi står over for truslen fra klimaforandringer og dens skadelige påvirkning af vores planet, er en stigende del af befolkningen bekymret for, hvordan deres handlinger påvirker miljøet, og deltager i bevægelser, der fokuserer på at redde Jorden.

PwC’s 2021 Global Consumer Insights Pulse Survey afslørede, at halvdelen af de globalt adspurgte forbrugere sagde, at de er blevet mere miljøvenlige, mens deres 2023‑undersøgelse viser, at otte ud af ti forbrugere er villige til at betale op til 5 % mere for bæredygtigt producerede varer.

I sammenligning med resultaterne fra 2019‑undersøgelsen, hvor 35 % af respondenterne sagde, at de valgte bæredygtige produkter, 37 % sagde, at de søgte miljøvenlig emballage, og 41 % sagde, at de undgik plast, når de kunne, viste 2021‑undersøgelsen procenter, der var ti til 20 point højere for de samme spørgsmål. 

En bæredygtig livsstil bliver stadigt vigtigere for forbrugere over hele kloden, som også ønsker, at virksomheder og mærker bliver mere bæredygtige og miljøvenlige.

Denne adfærdsændring er positiv, idet der globalt hvert år produceres omkring 2 milliarder ton industrielt affald. Ikke kun udgør industrielt affald omkring halvdelen af alt affald, men kun omkring 2 % af det bliver faktisk genanvendt.

Den primære årsag til industrielt affald er biprodukter fra en bred vifte af processer, herunder metalbearbejdning, kemisk fremstilling, fødevareforarbejdning, farmaceutisk produktion samt olie- og gasudvinding. Forkerte håndteringsmetoder kan yderligere generere endnu mere industrielt affald, som påvirker miljøet negativt.

Men med den stigende bevidsthed blandt forbrugerne, flere lande, der fokuserer på effektiv affaldshåndtering, og den hurtigt voksende efterspørgsel efter løsninger til industriel affaldshåndtering, forventes det globale marked for industriel affaldshåndtering at vokse til $1.79 billion inden 2032. Fremkomsten af nye teknologier og de typer affald, der genereres, bliver mere komplekse, hvilket også bidrager til denne vækst. 

I USA forventes markedet for industriel affaldshåndtering at vokse endnu mere, og det er anslået at nå en værdi på $323,81 billion i denne periode.

Udover affaldshåndtering undersøger forskere og virksomheder også andre måder at håndtere affald på, såsom upcycling, produktomdesign, biologisk nedbrydelige alternativer, cirkulære økonomimodeller, mikrobielle løsninger og innovative genbrugsteknologier.

At forvandle affald til skat har været forskernes seneste bestræbelse. Vi delte for nylig, hvordan et forskerteam fra Cornell udvandt guld fra e‑affald og derefter brugte det som katalysator til at omdanne CO₂ til organiske materialer.

En ny undersøgelse udvikler nu grønne batterier ud fra industrielt affald og tilbyder et alternativ til de batterier, der bruges i vores enheder som telefoner og endda biler.

De batterier, der i øjeblikket anvendes, er afhængige af metaller som lithium og kobolt, som begge udvindes gennem invasiv og intensiv minedrift.

Den stigende udbredelse af elbiler, sammen med det voksende behov for e‑bikes, forbrugerelektronik, energilagring, elværktøj og andre batteritunge anvendelser, kræver et skift væk fra metalbaserede løsninger og fremmer den grønne energiovergang.

Udnyttelse af Industrielt Affald til Energilagring

Med den stigende afhængighed af vedvarende og naturligt uregelmæssige energikilder opfordrer et team af forskere fra Northwestern til en udvidelse af energilagringskapaciteten for at imødekomme vores netværks behov, og for at gøre dette har de omdannet et industrielt organisk affald til en effektiv lagringsløsning, der kan levere bæredygtig energi. 

Fokus i undersøgelsen var på redox‑flow‑batterier (RFB), som er genopladelige batterier, der undersøges på grund af deres fleksibilitet, skalerbarhed og lange cyklingskapacitet. 

Markedet for redox‑flow‑batterier udgør i øjeblikket kun en lille del af batterimarkedet, men forventes at vokse fra under $300 millioner i 2024 til langt over $1 billion inden 2033. Denne udvidelse vil blive drevet af en øget overgang til vedvarende energikilder, behovet for pålidelige og store energilagringsløsninger, gunstige regeringsinitiativer og løbende teknologiske fremskridt, der forbedrer batterieffektiviteten og sænker omkostningerne.

Fremskridt inden for RFB’er gør dem til en praktisk mulighed for stor‑skala energilagring, men de har lav energitæthed. 

I de senere år er der gjort fremskridt med at øge stabiliteten af redox‑aktive organiske molekyler (ROM), som betragtes som lovende kandidater til at konstruere bæredygtige RFB’er til stor‑skala energilagring. De fleste ROM’er, der evalueres, kræver dog en flertrinssyntese, og der er begrænset tilgængelighed af udgangsmaterialer, hvilket hæmmer deres anvendelse.

Derudover mangler anolytter ofte stabilitet. Anolytter anvendes i RFB’er, hvor de gennemgår elektrokemiske reaktioner, der producerer strøm og lagrer energi. Den type anolytt, der bruges i en RFB, kan påvirke dens kapacitet, reversibilitet og stabilitet.

Så gik forskerne fra Northwestern videre med at anvende et organisk stof afledt af industrielt affald som ROM til ikke‑vandige RFB‑applikationer (NARFB). Selvom mange iterationer af disse batterier undersøges til net‑skala anvendelser, markerer denne brug af organisk affaldsmateriale den første i feltet.

Affaldsmolekylet er triphenylfosfinoxid (TPPO), et velkendt industrielt biprodukt på tusinder af ton, som hvert år genereres gennem forskellige organiske industrielle synteseprocesser. Dette kemiske biprodukt, som er kemisk stabilt og har begrænsede anvendelser, er ubrugeligt og skal bortskaffes omhyggeligt.

Det uudnyttede sideprodukt, som har ingen værdi, tolereres kun på grund af den imponerende reaktivitet, som dets forløber, triphenylfosfin (TPP), udviser.

Med støtte fra Northwestern, DOE’s Office of Basic Energy Sciences og National Science Foundation Graduate Research Fellowship lykkedes det forskerne dog at omdanne dette affald til et værdifuldt produkt gennem en ‘one‑pot’-reaktion. Den resulterende løsning viser stort potentiale som en måde at lagre energi på og baner vejen for gennemførlige, affalds‑afledte organiske redox‑flow‑batterier.

“Vores opdagelse demonstrerer potentialet i at omdanne affaldsstoffer til værdifulde ressourcer og tilbyder en bæredygtig vej for innovation inden for batteriteknologi.”

– Første forfatter Christian Malapit, en kemiker fra Northwestern og lektor i Kemisk Institut ved Weinberg College of Arts and Sciences

Han påpegede, hvordan ingeniører og materialeforskere dominerer batteriforskning, men som deres forskning viser, kan syntetiske kemikere også ‘bidrage til feltet ved molekylært at omdanne et organisk affaldsprodukt til et energilagrende molekyle.’

Ikke så populære som traditionelle lithium‑ eller solid‑state‑batterier, som lagrer store mængder energi i henholdsvis flydende eller faste elektroder, anvender redox‑flow‑batterier en kemisk reaktion, der muliggør energiens flow mellem elektrolytter for at lagre energi.

Den seneste opdagelse gør RFB’er yderst fordelagtige, da de bruger et organisk molekyle og kan opnå høj stabilitet samt høj energitæthed, hvilket bringer dem tættere på metalbaserede konkurrenter.

Disse to specifikke parametre, ifølge første forfatter Emily Mahoney, som er Ph.D.-kandidat i Malapit‑laboratoriet, har traditionelt været ‘svære at optimere samtidigt’, men nu hvor de er demonstreret for et affaldsdrevet molekyle, er det simpelthen ‘spændende’.

Dog kræver opnåelsen af både energitæthed og stabilitet en metode, der tillader elektroner at pakke sig tæt sammen uden at miste lagringskapacitet over tid. Forskerteamet fandt deres strategi i en artikel fra et halvt århundrede siden, der beskrev elektrokemien af fosfinoxider, en funktionel gruppe i organisk kemi.

Undersøgelsen var faktisk den ‘første forekomst’ af brug af fosfinoxider som den redox‑aktive komponent i batteriforskning.

Reducerede fosfinoxider har traditionelt været meget ustabile, men den molekylære ingeniørtilgang i den seneste undersøgelse løste denne ustabilitet og dermed ‘baner vejen for deres anvendelse i energilagring.’

For at vurdere molekylets ydeevne udførte forskerne derefter tests ved hjælp af statiske elektrokemiske opladnings‑ og afladningsforsøg. Efter at have gennemgået 350 cyklusser af batteriopladning, brug og genopladning fandt teamet, at batteriet bevarede sin bemærkelsesværdige tilstand og kun mistede en ubetydelig kapacitet over tid.

At opleve ingen kapacitetsnedgang over 350 cyklusser konkluderer undersøgelsen, at ‘dette molekyle kan lede feltet, takket være ikke kun dets imponerende ydeevne, men også dets ressource‑bæredygtighed.’

Når det gælder redox‑flow‑batterier, ud over brugen af industrielt kemisk affald, triphenylfosfinoxid, til energilagring, bidrager anden forskning, der spænder fra innovativ membrandesign, brug af DMQA som elektrolytisk materiale, og justering af Hirshfeld‑ladning af TEMPO‑katolyter, også til fremskridt inden for RFB’er.

Andre Industris Affald Driver Batteriteknologi 

Selvom det er et vigtigt gennembrud, er denne undersøgelse ikke den eneste, der udnytter et almindeligt industrielt, ikke‑genanvendt affald til et nyttigt produkt; gennem årene har flere studier brugt affald til at forbedre batteriteknologien.

Dette inkluderer brug af stålslag, et biprodukt fra stålproduktion, som er blevet undersøgt som energilagringsmateriale. I et studie skabte forskere grønne strukturelle superkondensatorceller (SSC’er) med stålslagspulver (SSP) og glaspulver (GP), som udviste god multifunktionalitet i styrke og arealkapacitans. 

I endnu et studie undersøgte forskere den termiske ydeevne af stålslag og fandt, at det er et egnet varmelagringsmateriale. Na2CO3‑aktivering gjorde det muligt for dem at øge materialets varmelagringskapacitet med over 25 % og varmeledningsevne med over 32 %.

Brugen af stålindustriens største affaldsbiprodukt er dog ikke begrænset til forskning. Selv verdens næststørste stålproducent, ArcelorMittal (ARRD.DE ) (MT ), testede biproduktet som termisk energilagring i stålproduktionsprocessen for at reducere brugen af fossilt brændstof til varme. Virksomheden anvender faktisk Linz-Donawitz (LD) slag til at fremstille omkring 30 nye produkter, som bruges til at bygge veje og hegnsstolper, som råmateriale til cement og til spildevandsfiltrering.

Stålslag, kulaske og mineaffald, blandt andre materialer, udnyttes også til holdbar kulstoflagring. CO₂‑lagringspotentialet for industrielle biprodukter anslås til mellem 2,9 og 8,5 milliarder ton om året inden 2100, afhængigt af produktionen af industrielt affald.

Fly-ash er et andet materiale, der er biprodukt fra kulfyrede kraftværker og undersøges som batterianoder. Forskere fra Saudi-Arabien brugte fly-ash‑kulstof som anodemateriale til alkalimetal‑ion‑batterier, hvilket viste relativt høje kapaciteter og fremragende cyklusstabilitet. I et separat studie indså forskerne den høje additive værdi af biproduktet ved at omdanne det til nanostruktureret siliciumpulver og anvende det som aktivt anodemateriale i lithium‑ion‑batterier, som udviste god elektrokemisk ydeevne.

Uudnyttet biomasse og affaldsmaterialer, der genereres under energiproduktion, kan også effektivt udnyttes til at skabe kulstofmaterialer til energilagringsenheder såsom batterier, solceller og superkondensatorer. Ud over at bruge affaldet fjerner det vanskelighederne ved sikker genanvendelse af affaldsbestanddele og forbruget af fossile brændstoffer. 

Kulstoffer afledt af biomasse dannes ved at omdanne planter og animalsk affald til porøse kulstofmaterialer gennem kunstige processer. De resulterende strukturer, med deres relativt høje ledningsevne, overfladeareal og porøsitet, gør dem til fremragende kandidater til energilagringsapplikationer, især superkondensatorer.

Da kulstofmaterialer anvendes bredt i superkondensatorer som elektroder på grund af høj porøsitet og specifikt overfladeareal, skiller biomassekulstof sig yderligere ud på grund af sin brede kilde, lave omkostninger, høje effekt‑densitet, forlængede levetid og mindre forurening.

Forskere bruger endda plastaffald til at fremstille højtydende batterianoder til næste generation af batterier. Et team af singaporeanske forskere udviklede en metode, der indebærer nedbrydning af kemisk bundne molekyler til kortere kæder for at fremstille polymer‑elektrolytter fra affalds‑polyethylenterephthalat (PET)‑plastflasker.

Derudover er der genanvendelse af gamle lithium‑ion‑batterier, som muliggør genvinding af kobolt, lithium og nikkel samt deres genbrug i nye energilagringssystemer. 

Den store majoritet af verdens lithium‑forsyning (Li) forekommer naturligt som primærprodukt i saltlake og hårde bjergarter og findes primært i Australien, Kina og Latinamerika. Koboltforsyningen, derimod (mindre end 10 % forekommer som primærprodukt, mens resten produceres som biprodukt fra kobber‑ og nikkelminer), domineres af Den Demokratiske Republik Congo (DRC), som udgør 65 % af den globale produktion.

Således reducerer genanvendelse af komponenterne i gamle batterier ikke kun affald, men også behovet for nye råmaterialer, som, selvom de er rigelige i udbud, står over for udfordringer med ressource‑intensiv minedrift og begrænset geografisk fordeling.

Relevante Offentlige Virksomheder 

Lad os nu se på de virksomheder, der gør fremskridt inden for relaterede industrier. 

1. Fluence Energy, Inc.

En global leverandør af energilagringsløsninger, Fluence har til formål at drive den grønne energiovergang gennem Gridstack Pro, Gridstack, Sunstack, Edgestack og Ultrastack. Derudover findes Fluence IQ Platformen, som leverer AI‑tjenester til at styre og optimere vedvarende energi og lagring.

Fluence Energy, med en markedsværdi på $3 milliarder, handles på nuværende tidspunkt til $16,56, op 4,28 % år‑til‑dato. Den har en EPS (TTM) på -0,08 og en P/E (TTM) på -219,92. For kvartalet, der sluttede den 30. september, rapporterede virksomheden en omsætning på $1,3 milliard og et positivt nettoresultat på $67,7 millioner for første gang. Den kvartalsvise ordreindgang var $1,2 milliard, mens backloggen steg til cirka $4,5 milliarder. Dens likviditet udgjorde derimod $518,7 millioner.

Den ‘højeste nogensinde omsætning og rentabilitet’, bemærkede administrerende direktør Julian Nebreda som ‘et betydningsfuldt milepæl i virksomhedens vækstbane.’ Fremadrettet udtalte Nebreda, at han ser en ‘uforudset efterspørgsel efter batteri‑energihåndteringsløsninger verden over, primært drevet af det amerikanske marked.’

2. Waste Management

Fokuseret på industriel affaldsgenanvendelse tilbyder Waste Management miljøløsninger, der omfatter indsamling, genanvendelse og bortskaffelsestjenester for private, kommercielle og kommunale kunder.

Med en markedsværdi på $83,29 milliarder handles Waste Management‑aktier på nuværende tidspunkt til $207,53, op 2,84 % år‑til‑dato. Den har en EPS (TTM) på 6,54 og en P/E (TTM) på 31,71, mens udbytteafkastet er 1,45 %.

For Q3 2024 rapporterede virksomheden en stigning på 7,9 % i omsætningen takket være stærk prisgennemførelse, højere markedspriser for de genanvendelige råvarer, den sælger, samt en betydelig stigning i deponimængder. Waste Management har nu gennemført otte genanvendelsesprojekter i kvartalet, og mere end halvdelen af de planlagte automatiserings‑ og nye projekter har bidraget med 1,5 million ton årlig genanvendelseskapacitet i Nordamerika.

“Vores stærke resultater er blevet drevet af vores indsamling‑ og bortskaffelsesforretning, hvor vores fokuserede indsats på fastholdelse af frontlinjen, optimering af vores omkostningsstruktur og levering af differentieret service til vores kunder har stimuleret indtjeningsvæksten.”

– CEO Jim Fish

Konklusion

Industrielt affald vokser konstant på grund af den stigende befolkning og teknologisk udvikling, og hvis det ikke håndteres korrekt, kan det medføre dødelige konsekvenser. Ud over luft‑ og vandforurening fører dette affald til jordforringelse, global opvarmning og skade på vores økosystem. Da kun en lille del af dette affald genanvendes, er de seneste opdagelser, der omdanner industrielt affald til en energilagringsagent, yderst gavnlige for miljøet og baner vejen mod en bæredygtig og sundere fremtid.

Klik her for en liste over de bedste batteriaktier.