Grüne Energie‑Revolution: Industrieller Abfall treibt die nächste Generation von Batterien an

Das Bewusstsein für Umweltfragen wächst weltweit sowohl bei jungen Menschen als auch bei Erwachsenen. Angesichts der Bedrohung durch den Klimawandel und seiner schädlichen Auswirkungen auf unseren Planeten ist immer mehr Bevölkerung besorgt darüber, wie ihr Handeln die Umwelt beeinflusst, und beteiligt sich an Bewegungen, die sich dem Schutz der Erde widmen.

Die Global Consumer Insights Pulse Survey 2021 von PwC ergab, dass die Hälfte der weltweit befragten Verbraucher angab, umweltfreundlicher geworden zu sein, während die Umfrage von 2023zeigt, dass acht von zehn Verbrauchern bereit sind, bis zu 5 % mehr für nachhaltig produzierte Produkte zu zahlen.

Im Vergleich zu den Umfrageergebnissen von 2019, bei denen 35 % der Befragten angaben, nachhaltige Produkte zu wählen, 37 % sagten, sie suchten nach umweltfreundlicher Verpackung, und 41 % sagtensie, Plastik zu vermeiden, wenn sie konnten, zeigten die Ergebnisse von 2021 Prozentsätze, die zehn bis zwanzig Punkte höher lagen.

Ein nachhaltiger Lebensstil wird für Verbraucher weltweit immer wichtiger, die zudem von Unternehmen und Marken mehr Nachhaltigkeit und Umweltfreundlichkeit erwarten.

Diese Verhaltensänderung ist positiv, da weltweit jährlich etwa 2 Milliarden Tonnen Industrieabfallproduziert werden anfallen. Industrieabfall ist nicht nur für etwa die Hälfte des gesamten Abfalls verantwortlich, sondernnur etwa 2%davon werden tatsächlich recycelt.

Die Hauptursache für Industrieabfall sind Nebenprodukte aus einer Vielzahl verschiedener Prozesse, darunter Metallbearbeitung, chemische Herstellung, Lebensmittelverarbeitung, pharmazeutische Produktion und Öl- und Gasförderung. Unzureichende Abfallmanagementpraktiken können zudem noch mehr Industrieabfall erzeugen, der die Umwelt negativ belastet.

Allerdings wird mit dem wachsenden Bewusstsein der Verbraucher, zusammen mit immer mehr Ländern, die sich auf eine effektive Abfallentsorgung konzentrieren, und der schnell steigenden Nachfrage nach Lösungen für das Management von Industrieabfall, prognostiziert, dass der globale Markt für das Management von Industrieabfall bis$1.79 billion by 2032wachsen wird. Das Auftreten neuer Technologien und die zunehmende Komplexität der erzeugten Abfallarten tragen ebenfalls zu diesem Wachstum bei.

In den USA wird der Markt für das Management von Industrieabfallvoraussichtlich noch stärker wachsen, und erist prognostiziert einen geschätzten Wert von $323.81 billion during this period zu erreichen.

Neben dem Abfallmanagement untersuchen Forscher und Unternehmen weitere Möglichkeiten zur Abfallbewältigung, wie Upcycling, Produktneugestaltung, biologisch abbaubare Alternativen, Kreislaufwirtschaftsmodelle, mikrobielle Lösungen und innovative Recyclingtechnologien.

Müll in Schätze zu verwandeln ist das jüngste Vorhaben von Forschern. Kürzlich haben wir gezeigt, wie ein Cornell-Forschungsteam Gold aus Elektroschrott extrahierte und es dann als Katalysator nutzte, um CO₂ in organische Materialien umzuwandeln.

Eine neue Studie entwickelt derzeit grüne Batterien aus Industrieabfall und bietet eine Alternative zu den Batterien, die in unseren Geräten wie Handys und sogar Autos verwendet werden.

Die derzeit verwendeten Batterien basieren auf Metallen wie Lithium und Kobalt, dieaus invasiven und intensiven Bergbaumethoden gewonnen werden 

Die wachsende Akzeptanz von Elektrofahrzeugen, zusammen mit dem steigenden Bedarf an E‑Bikes, Unterhaltungselektronik, Energiespeichern, Elektrowerkzeugen und anderen batteriereichen Anwendungen, erfordert einen Wechsel weg von metallbasierten Lösungen undermöglicht die grüne Energiewende.

Industrieabfall zur Energiespeicherung nutzen

Mit zunehmender Abhängigkeit von erneuerbaren und von Natur aus intermittierenden Energiequellen fordert ein Team von Northwestern-Forschern ein Wachstum der Energiespeicherkapazität, um die Anforderungen unseres Netzes zu erfüllen, undhaben sie einen industriellen organischen Abfall in eine effiziente Speicherlösung umgewandelt, die nachhaltige Energie bereitstellen kann.

Der Schwerpunkt derStudielag auf Redox‑Flow‑Batterien (RFB), die aufgrund ihrer Flexibilität, Skalierbarkeit und langen Zyklenfähigkeit als wiederaufladbare Batterien untersucht werden.

Der Markt für Redox‑Flow‑Batterien macht derzeit nur einen kleinen Teil des Batteriemarktes aus, wird jedoch voraussichtlich von unter $300 Millionen im Jahr 2024 auf deutlich über $1 Milliarde bis 2033 wachsen. Diese Expansion wird durch eine verstärkte Hinwendung zu erneuerbaren Energiequellen, den Bedarf an zuverlässigen großskaligen Energiespeicherlösungen, günstige staatliche Initiativen und kontinuierliche technologische Fortschritte zur Verbesserung der Batterieleffizienz und Senkung der Kosten angetrieben.

Fortschritte bei RFBs machen sie zu einer praktikablen Option für die großskalige Energiespeicherung, jedoch weisen sie eine geringe Energiedichte auf.

In den letzten Jahren wurden Fortschrittegemacht bei der Erhöhung der Stabilität von redoxaktiven organischen Molekülen (ROM), dieals vielversprechende Kandidaten für den Bau nachhaltiger RFBs für die großskalige Energiespeicherung angesehen werden. Die meisten ROMs die evaluiert werden, erfordern jedoch eine mehrstufige Synthese, und es gibt eine begrenzte Verfügbarkeit von Ausgangsmaterialien, die ihre Anwendung behindern.

Dann gibt es die Tatsache, dass Anolyte häufig an Stabilität mangeln. Anolytewerden verwendet in RFBs, wo sie elektrochemische Reaktionen durchlaufen, die Energie erzeugen und speichern. Die Art des in RFBs verwendeten Anolyts kann seine Kapazität, Rückführbarkeit und Stabilität beeinflussen.

Daher nutzten Northwestern-Forscher eine aus Industrieabfall gewonnene organische Verbindung als ROM für nicht‑wässrige RFB (NARFB)-Anwendungen. Während viele Varianten dieser Batterienuntersucht werden für netzskalige Anwendungen, stellt diese Nutzung von Abfall‑organischem Material die erste ihrer Art im Feld dar.

Das Abfallmolekül ist Triphenylphosphinoxid (TPPO), ein bekanntes Industrieabfall‑Nebenprodukt von tausenden Tonnen, das jährlich durch verschiedene organische Industriesyntheseprozesse entsteht. Das chemische Nebenprodukt, das chemisch stabil ist und nur begrenzte Anwendungen hat, wird ungenutzt gelassen und muss sorgfältig entsorgt werden.

Das nicht genutzte Nebenprodukt, das keinen Wert hat, wird nur wegen der beeindruckenden Reaktivität seines Vorläufers, Triphenylphosphin (TPP), toleriert.

Mit Unterstützung von Northwestern, dem DOE Office of Basic Energy Sciences und dem National Science Foundation Graduate Research Fellowship konnten die Forscher dieses Abfallprodukt jedoch in ein wertvolles Produkt durch eine „One‑Pot“-Reaktion umwandeln. Die resultierende Lösung zeigt großes Potenzial als Energiespeicher und eröffnet die Möglichkeit praktikabler, aus Abfall gewonnenen organischen Redox‑Flow‑Batterien.

“Unsere Entdeckung zeigt das Potenzial, Abfallverbindungen in wertvolle Ressourcen zu verwandeln, und bietet einen nachhaltigen Weg für Innovationen in der Batterietechnologie.”

– Leitender Autor Christian Malapit, ein Chemiker von Northwestern und Assistenzprofessor im Fachbereich Chemie am Weinberg College of Arts and Sciences

Er wies darauf hin, dass Ingenieure und Materialwissenschaftler die Batterieforschung dominieren, aber wie ihre Forschung zeigt, können synthetische Chemiker ebenfalls “einen Beitrag zum Feld leisten, indem sie ein organisches Abfallprodukt molekular zu einem energielagernden Molekül umgestalten”.

Nicht so populär wie herkömmliche Lithium‑ oder Festkörperbatterien, die große Energiemengen in flüssigen bzw. festen Elektroden speichern, nutzen Redox‑Flow‑Batterien eine chemische Reaktion, die den Energiefluss zwischen Elektrolyten ermöglicht, um Energie zu speichern.

Die neueste Entdeckung macht RFBs äußerst vorteilhaft, da sie ein organisches Molekül verwenden und sowohl hohe Stabilität als auch hohe Energiedichte erreichen können, was sie den metallbasierten Konkurrenten näherbringt.

Diese beiden Parameter, so die Erstautorin Emily Mahoney, Doktorandin im Malapit‑Labor, waren “traditionell schwer gemeinsam zu optimieren”, doch jetzt, wo sie für ein abfallgetriebenes Molekül demonstriert wurden, ist das einfach “aufregend”.

Allerdings erfordert das Erreichen von sowohl Energiedichte als auch Stabilität eine Methode, bei der Elektronen dicht gepackt werden können, ohne dass die Speicherkapazität im Laufe der Zeit verloren geht. Das Forschungsteam fand ihre Strategie in einem vor einem halben Jahrhundert veröffentlichten Papier, das die Elektrochemie von Phosphinoxiden, einer funktionellen Gruppe der organischen Chemie, beschrieb.

Die Studie war tatsächlich das „erste Beispiel“ für die Verwendung von Phosphinoxiden als redoxaktive Komponente in der Batterieforschung.

Reduzierte Phosphinoxide waren traditionell stark instabil, doch der molekulare Engineering‑Ansatz der neuesten Studie hat diese Instabilität behoben und damit “den Weg für ihre Anwendung in der Energiespeicherung geebnet”.

Um die Leistungsfähigkeit des Moleküls zu beurteilen, führten die Forscher anschließend Tests mit statischen elektrochemischen Lade‑ und Entladeversuchen durch. Nach 350 Lade‑Entlade‑Zyklen stellte das Team fest, dass die Batterie ihre bemerkenswerte Gesundheit beibehielt und nur einen vernachlässigbaren Kapazitätsverlust über die Zeit zeigte.

Das Fehlen eines Kapazitätsverlustes über 350 Zyklen, so die Studie, positioniert “dieses Molekül an der Spitze des Feldes, nicht nur aufgrund seiner beeindruckenden Leistung, sondern auch wegen seiner Ressourcennachhaltigkeit”.

Bei Redox‑Flow‑Batterien, neben der Verwendung des industriellen Chemieabfalls Triphenylphosphinoxid zur Energiespeicherung, tragen weitere Forschungen von innovative membrane design, der Nutzung von DMQA as an electrolyte material und adjusting Hirshfeld charge of TEMPO catholytes ebenfalls zum Fortschritt von RFBs bei.

Andere Industriewaste treiben Batterietechnologie an

Obwohl es ein wichtiger Durchbruch ist, ist diese Studie nicht die einzige, die einen häufigen, nicht recycelten Industrieabfall in ein nützliches Produkt umwandelt; im Laufe der Jahre haben mehrere Studien Abfall genutzt, um die Batterietechnologie zu verbessern.

Dies umfasst die Verwendung von Stahlschlacke, einem Nebenprodukt der Stahlherstellung, das für Energiespeichermaterialien untersucht wurde. In einer Studie haben Forscher grüne strukturelle Superkondensatorzellen (SSCs) mit Stahlslackpulver (SSP) und Glaspulver (GP) hergestellt, die eine gute Multifunktionalität von Festigkeit und Flächenkapazität zeigten.

In einer weiterenStudie, untersuchten Forscher die thermische Leistungsfähigkeit von Stahlschlacke und stellten fest, dass sie ein geeignetes Wärmespeichermaterial ist. Durch Na2CO3‑Aktivierung konnten sie die Wärmespeicherkapazität des Materials um über 25 % und die Wärmeleitfähigkeit um über 32 % steigern.

Der Einsatz des größten Abfallprodukts der Stahlindustrie ist nicht auf die Forschung beschränkt. Selbst der weltweit zweitgrößte Stahlproduzent, ArcelorMittal (ARRD.DE ) (MT ), testete das Nebenprodukt als thermische Energiespeicherung im Stahlherstellungsprozess, um den Einsatz fossiler Brennstoffe für Wärme zu reduzieren. Das Unternehmennutzt Linz‑Donawitz (LD)-Schlacke, um etwa 30 neue Produkte herzustellen, dieverwendet werden zum Bau von Straßen und Zaunpfosten, als Rohstoff für Zement und für die Abwasserfiltration.

Stahlschlacke, Kohlenasche und Bergschlacken sowie andere Materialien werden ebenfallsfür dauerhafte Kohlenstoffspeicherung genutzt. Das CO₂‑Speicherpotenzial von Industrieabfällen wird für das Jahr 2100 auf 2,9 bis 8,5 Milliarden Tonnen pro Jahr geschätzt, abhängig von der Produktion industriellen Abfalls.

Flugasche ist ein weiteres Material, das als Nebenprodukt von Kohlekraftwerken entsteht und für Batterianoden erforscht wird. Forscher aus Saudi‑Arabien nutzten Flugaschenkohlenstoff als Anodenmaterial für alkalische Metall‑Ion‑Batterien, waszeigte relativ hohe Kapazitäten und ausgezeichnete Zyklusstabilität zeigte. In einer separaten Studie stellten Forscher den hohen Zusatzwert des Nebenprodukts fest, indem sie es in nanostrukturierte Siliziumpulver umwandelten und als aktive Anodenmaterialien für Lithium‑Ion‑Batterien einsetzten, die eine gute elektrochemische Leistung aufwiesen.

Unverwertete Biomasse und Abfallmaterialien, diebei der Energieerzeugung entstehen können aucheffektiv genutzt werden um Kohlenstoffmaterialien für Energiespeichergeräte wie Batterien, Solarzellen und Superkondensatoren zu erzeugen. Neben der Nutzung des Abfalls beseitigt dies die Schwierigkeiten beim sicheren Recycling von Abfallbestandteilen und dem Verbrauch fossiler Brennstoffe.

Aus Biomasse gewonnene Kohlenstoffe entstehen durch die Umwandlung von Pflanzen- und Tierabfällen in poröse Kohlenstoffmaterialien mittels künstlicher Verfahren. Die resultierenden Strukturen mit ihrer relativ hohen Leitfähigkeit, Oberfläche und Porosität sind hervorragende Kandidaten für Energiespeicheranwendungen, insbesondere Superkondensatoren.

Da Kohlenstoffmaterialien aufgrund ihrer hohen Porosität und spezifischen Oberfläche häufig als Elektroden in Superkondensatoren verwendet werden, zeichnet sich Biomasse‑Kohlenstoff zusätzlich durch seine breite Verfügbarkeit, niedrige Kosten, hohe Leistungsdichte, lange Lebensdauer und geringere Umweltbelastung aus.

Wissenschaftler nutzen sogar Plastikabfall, um Hochleistung‑Batterieanoden für die nächste Batteriegeneration herzustellen. Ein Team von Wissenschaftlern aus Singapur entwickelte ein Verfahren, das das chemische Aufbrechen verknüpfter Moleküle in kürzere Einheiten beinhaltet, umPolymer‑Elektrolyte aus Abfall‑Polyethylenterephthalat (PET)-Plastikflaschen herzustellen.

Dann gibt es das Recycling alter Lithium‑Ion‑Batterien, das die Rückgewinnung von Kobalt, Lithium und Nickel ermöglicht und deren Wiederverwendung in neuen Energiespeichersystemen erlaubt.

Der überwiegende Teil des weltweiten Lithium‑Vorrats (Li) kommt in der Natur als Primärprodukt in Sole- und Hartgesteinsvorkommen vor und ist hauptsächlich in Australien, China und Lateinamerika zu finden. Der Kobalt‑Vorrat, der größtenteils (weniger als 10 %) als Primärprodukt vorkommt und der Rest als Nebenprodukt von Kupfer‑ und Nickelminen entsteht, wird von der Demokratischen Republik Kongo (DRC) dominiert, die 65 % der globalen Produktion liefert.

Daher reduziert das Recycling von Komponenten alter Batterien nicht nur Abfall, sondern auch den Bedarf an neuen Rohstoffen, die zwar reichlich vorhanden, jedoch mit ressourcenintensivem Abbau und begrenzter geografischer Verteilung verbunden sind.

Relevante börsennotierte Unternehmen

Werfen wir nun einen Blick auf die Unternehmen, die in verwandten Branchen Fortschritte erzielen.

1. Fluence Energy, Inc.

Ein globaler Anbieter von Energiespeicherlösungen, Fluence zielt darauf ab, die saubere Energiewende durch Gridstack Pro, Gridstack, Sunstack, Edgestack und Ultrastack voranzutreiben. Außerdem gibt es die Fluence‑IQ‑Plattform, die KI‑Dienstleistungen zur Verwaltung und Optimierung von erneuerbaren Energien und Speicher bereitstellt.

Die Aktien von Fluence Energy mit einer Marktkapitalisierung von 3 Milliarden US‑Dollar werden zum Zeitpunkt der Erstellung zu 16,56 $ gehandelt, ein Anstieg von 4,28 % seit Jahresbeginn. Das Unternehmen weist ein EPS (TTM) von -0,08 und ein KGV (TTM) von -219,92 auf. Für das am 30. September endende Quartal meldete das Unternehmen einen Umsatz von 1,3 Mrd. $ und zum ersten Mal einen positiven Nettogewinn von 67,7 Mio. $. Der quartalsweise Auftragseingang betrug 1,2 Mrd. $, während das Backlog auf etwa 4,5 Mrd. $ anstieg. Gleichzeitig verfügte das Unternehmen über liquide Mittel in Höhe von 518,7 Mio. $.

Der CEO Julian Nebreda bemerkte, dass das „höchste jemals erzielte Umsatz- und Gewinnniveau“ ein bedeutender Meilenstein in der Wachstumskurve des Unternehmens sei. Ausblickend sagte Nebreda, er sehe eine „beispiellose Nachfrage nach Batteriespeicherlösungen weltweit, vor allem getrieben vom US‑Markt“.

2. Waste Management

Auf die industrielle Abfallrecycling spezialisiert, bietet Waste Management Umweltlösungen, die Sammlung, Recycling und Entsorgungsdienste für private, gewerbliche und kommunale Kunden umfassen.

Die Aktien von Waste Management mit einer Marktkapitalisierung von 83,29 Milliarden US‑Dollar werden zum Zeitpunkt der Erstellung zu 207,53 $ gehandelt, ein Anstieg von 2,84 % seit Jahresbeginn. Das Unternehmen weist ein EPS (TTM) von 6,54 und ein KGV (TTM) von 31,71 auf, während die Dividendenrendite 1,45 % beträgt.

Für das dritte Quartal 2024 meldete das Unternehmen einen Umsatzanstieg von 7,9 % dank starker Preisumsetzung, höherer Marktpreise für die verkauften recycelbaren Rohstoffe und einem signifikanten Anstieg der Deponiemengen. Waste Management hat im Quartal acht Recyclingprojekte abgeschlossen, und mehr als die Hälfte der geplanten Automatisierungs- und Neubauprojekte haben zu einer jährlichen Recyclingkapazität von 1,5 Mio. Tonnen in Nordamerika beigetragen.

“Unsere starken Ergebnisse wurden von unserem Geschäftsbereich Sammlung und Entsorgung geleitet, wo unsere fokussierten Bemühungen um Frontline‑Retention, Optimierung unserer Kostenstruktur und die Bereitstellung differenzierter Dienstleistungen für unsere Kunden das Gewinnwachstum angetrieben haben.”

– CEO Jim Fish

Fazit

Industrieabfall nimmt aufgrund der wachsenden Bevölkerung und des technologischen Fortschritts stetig zu, und wenn er nicht ordnungsgemäß behandelt wird, kann er tödliche Folgen haben. Neben Luft- und Wasserverschmutzung führt dieser Abfall zu Bodendegradation, globaler Erwärmung und Schäden an unserem Ökosystem. Da nur ein kleiner Teil dieses Abfalls recycelt wird, sind die neuesten Entdeckungen, die Industrieabfall in ein Energiespeichermittel verwandeln, für die Umwelt äußerst vorteilhaft und ebnen den Weg zu einer nachhaltigen und gesünderen Zukunft.

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