Revolución de la Energía Verde: Residuos Industriales Impulsando las Baterías de Próxima Generación

La conciencia sobre los problemas ambientales, tanto entre jóvenes como adultos, está creciendo en todo el mundo. A medida que enfrentamos la amenaza del cambio climático y su efecto perjudicial en nuestro planeta, una población cada vez mayor se preocupa por cómo sus acciones afectan al medio ambiente y participa en movimientos centrados en salvar la Tierra.

La Encuesta Global de Perspectivas del Consumidor 2021 de PwC reveló que la mitad de los consumidores encuestados a nivel mundial dijeron haber adoptado hábitos más ecológicos, mientras que su encuesta de 2023 muestra que ocho de cada diez consumidores están dispuestos a pagar hasta un 5 % más por productos fabricados de manera sostenible.

En comparación con los resultados de la encuesta de 2019, donde el 35 % de los encuestados dijo que elegía productos sostenibles, el 37 % dijo que buscaba envases ecológicos y el 41 % dijo que evitaba el uso de plástico cuando podía, los resultados de la encuesta de 2021 mostraron porcentajes entre diez y veinte puntos más altos en respuesta a lo mismo.

Un estilo de vida sostenible está cobrando cada vez más importancia para los consumidores de todo el mundo, que también desean que las empresas y marcas sean más sostenibles y respetuosas con el medio ambiente.

Este cambio de comportamiento es positivo, dado que se producen alrededor de 2 mil millones de toneladas de residuos industriales al año a nivel mundial. No solo los residuos industriales son responsables de aproximadamente la mitad de todos los desechos, sino que solo alrededor del solo alrededor del 2 % se recicla realmente.

La causa principal de los residuos industriales son los subproductos de una amplia variedad de procesos, incluidos el trabajo de metales, la fabricación química, el procesamiento de alimentos, la fabricación farmacéutica y la extracción de petróleo y gas. Las prácticas inadecuadas de gestión de residuos pueden generar aún más desechos industriales que afectan negativamente al medio ambiente.

Sin embargo, con la creciente conciencia entre los consumidores, junto con más países que se centran en la eliminación eficaz de residuos y la demanda de soluciones de gestión de residuos industriales que aumenta rápidamente, se proyecta que el mercado global de gestión de residuos industriales crecerá a $1.79 mil millones para 2032. La aparición de nuevas tecnologías y la complejidad creciente de los tipos de residuos generados también están contribuyendo a este crecimiento.

En EE. UU., se espera que el mercado de gestión de residuos industriales crezca aún más, y se proyecta que alcance un valor estimado de $323.81 mil millones durante este período.

Además de la gestión de residuos, investigadores y empresas están explorando otras formas de abordar los desechos, como el upcycling, el rediseño de productos, alternativas biodegradables, modelos de economía circular, soluciones microbianas y tecnologías innovadoras de reciclaje.

Convertir la basura en tesoro ha sido el último empeño de los investigadores. Recientemente compartimos cómo un equipo de investigación de Cornell extrajo oro de residuos electrónicos y lo utilizó como catalizador para convertir CO2 en materiales orgánicos.

Un nuevo estudio está desarrollando baterías verdes a partir de residuos industriales y ofreciendo una alternativa a las baterías utilizadas en nuestros dispositivos, como teléfonos e incluso automóviles.

Las baterías actualmente en uso dependen de metales como el litio y el cobalto, ambos obtenidos mediante una minería invasiva e intensiva.

La creciente adopción de vehículos eléctricos, junto con la creciente necesidad de bicicletas eléctricas, electrónica de consumo, almacenamiento de energía, herramientas eléctricas y otras aplicaciones intensivas en baterías, exige un cambio de soluciones basadas en metales y facilita la transición hacia la energía verde.

Utilizando Residuos Industriales para Almacenar Energía

Con la creciente dependencia de recursos energéticos renovables e inherentemente intermitentes, un equipo de investigadores de Northwestern aboga por el aumento de la capacidad de almacenamiento de energía para satisfacer las demandas de nuestra red, y para ello han transformado un residuo orgánico a escala industrial en una solución de almacenamiento eficiente que puede proporcionar energía sostenible.

El enfoque del estudio se centró en las baterías de flujo redox (RFB), que son baterías recargables exploradas por su flexibilidad, escalabilidad y largas capacidades de ciclado.

El mercado de las baterías de flujo redox actualmente representa una pequeña parte del mercado de baterías, pero se proyecta que crezca de menos de $300 millones en 2024 a mucho más de $1 mil millones para 2033. Esta expansión será impulsada por un mayor cambio hacia fuentes de energía renovable, la necesidad de soluciones de almacenamiento de energía fiables y a gran escala, iniciativas gubernamentales favorables y avances tecnológicos continuos para mejorar la eficiencia de las baterías y reducir los costos.

Los avances en las RFB las convierten en una opción práctica para el almacenamiento de energía a gran escala, pero presentan una baja densidad energética.

En los últimos años, se ha avanzado en aumentar la estabilidad de las moléculas orgánicas redoxactivas (ROM), que se consideran candidatas prometedoras para construir RFB sostenibles para el almacenamiento de energía a gran escala. Sin embargo, la mayoría de las ROM evaluadas requieren una síntesis de varios pasos, y la disponibilidad limitada de materias primas obstaculiza su aplicación.

Luego está el hecho de que los anolitos a menudo carecen de estabilidad. Los anolitos se utilizan en las RFB, donde atraviesan reacciones electroquímicas que generan energía y la almacenan. El tipo de anolito usado en una RFB puede afectar su capacidad, reversibilidad y estabilidad.

Así, los investigadores de Northwestern utilizaron un compuesto orgánico derivado de residuos industriales como ROM para aplicaciones de RFB no acuosas (NARFB). Aunque se están investigando muchas iteraciones de estas baterías para aplicaciones a escala de red, este uso de material orgánico de desecho marca el primero en el campo.

La molécula de desecho es óxido de trifenilfosfina (TPPO), un subproducto industrial bien conocido de miles de toneladas, que se genera cada año a través de varios procesos de síntesis orgánica industrial. El subproducto químico, que es químicamente estable y tiene aplicaciones limitadas, queda sin uso y necesita ser eliminado cuidadosamente.

El subproducto no utilizado, que no tiene valor, solo se tolera debido a las impresionantes reactividades mostradas por su precursor, trifenilfosfina (TPP).

Con el apoyo de Northwestern, la Oficina de Ciencias Básicas de Energía del DOE y la Beca de Investigación de Posgrado de la National Science Foundation, los investigadores lograron convertir este desecho en un producto valioso mediante una reacción de “una sola olla”. La solución resultante muestra una gran promesa como método para almacenar energía, abriendo el camino a baterías de flujo redox orgánicas derivadas de desechos factibles.

“Nuestro descubrimiento muestra el potencial de transformar compuestos de desecho en recursos valiosos, ofreciendo una vía sostenible para la innovación en la tecnología de baterías.”

– Autor principal Christian Malapit, químico de Northwestern y profesor asistente en el Departamento de Química del Weinberg College of Arts and Sciences

Él señaló cómo los ingenieros y científicos de materiales dominan la investigación de baterías, pero según su investigación, los químicos sintéticos también pueden “contribuir al campo mediante la ingeniería molecular de un producto orgánico de desecho en una molécula que almacene energía”.

No tan populares como las baterías tradicionales de litio o las baterías de estado sólido, que almacenan grandes cantidades de energía en electrodos líquidos o sólidos respectivamente, las baterías de flujo redox utilizan una reacción química que facilita el flujo de energía entre electrolitos para almacenar energía.

El último descubrimiento hace que las RFB sean altamente beneficiosas, dado que utilizan una molécula orgánica y pueden lograr alta estabilidad así como alta densidad energética, acercándose a los competidores basados en metales.

Estos dos parámetros particulares, según la primera autora Emily Mahoney, candidata a Ph.D. en el laboratorio de Malapit, han sido “tradicionalmente difíciles de optimizar conjuntamente”, pero ahora que los han demostrado en una molécula impulsada por desechos, simplemente es “emocionante”.

Sin embargo, lograr tanto densidad energética como estabilidad requiere idear una forma que permita que los electrones se empaqueten estrechamente sin perder capacidad de almacenamiento con el tiempo. El equipo de investigación encontró su estrategia en un artículo de hace medio siglo que describía la electroquímica de los óxidos de fosfina, un grupo funcional en química orgánica.

El estudio fue en realidad el “primer caso” de uso de óxidos de fosfina como componente redoxactivo en la investigación de baterías.

Los óxidos de fosfina reducidos han sido tradicionalmente muy inestables, pero el enfoque de ingeniería molecular del último estudio abordó esa inestabilidad, allanando así “el camino para su aplicación en el almacenamiento de energía”.

Ahora, para evaluar el rendimiento de la molécula, los investigadores realizaron pruebas usando experimentos estáticos de carga y descarga electroquímica. Después de pasar por 350 ciclos de carga, uso y recarga de la batería, el equipo descubrió que la batería mantuvo su notable salud y solo perdió una capacidad insignificante con el tiempo.

Al no experimentar pérdida de capacidad durante 350 ciclos, el estudio concluye que “esta molécula liderará el campo, atribuyéndose no solo a su impresionante rendimiento sino también a la sostenibilidad de los recursos”.

En lo que respecta a las baterías de flujo redox, además del uso del residuo químico industrial óxido de trifenilfosfina para el almacenamiento de energía, otras investigaciones que van desde el diseño innovador de membranas, el uso de DMQA como material electrolítico, y el ajuste de la carga Hirshfeld de los catiólitos TEMPO también están contribuyendo al avance de las RFB.

Otros Residuos Industriales Impulsando la Tecnología de Baterías 

Aunque es un avance importante, este estudio no es el único que utiliza un residuo industrial no reciclado común en un producto útil; a lo largo de los años, varios estudios han aprovechado los desechos para mejorar la tecnología de baterías.

Esto incluye el uso de escoria de acero, un subproducto de la fabricación de acero que ha sido explorado como material de almacenamiento de energía. En un estudio, los investigadores crearon celdas supercapacitoras estructurales verdes (SSCs) con polvo de escoria de acero (SSP) y polvo de vidrio (GP) que mostraron una buena multifuncionalidad de resistencia y capacitancia areal.

En otro estudio, los investigadores examinaron el rendimiento térmico de la escoria de acero y la encontraron como un material de almacenamiento de calor sensible. La activación con Na2CO3 les permitió aumentar la capacidad de almacenamiento de calor del material en más del 25 % y la conductividad térmica en más del 32 %.

El uso del mayor subproducto de desecho de la industria del acero no se limita a la investigación. Incluso el segundo mayor productor de acero del mundo, ArcelorMittal (ARRD.DE ) (MT ), probó el subproducto como almacenamiento de energía térmica dentro del proceso de fabricación de acero para reducir el uso de combustibles fósiles para el calor. La empresa realmente utiliza escoria Linz-Donawitz (LD) para fabricar alrededor de 30 nuevos productos, que se usan para construir carreteras y postes de cerca, como materia prima para cemento y para filtración de aguas residuales.

La escoria de acero, la ceniza de carbón y los relaves mineros, entre otros materiales, también se están utilizados para el almacenamiento duradero de carbono. El potencial de almacenamiento de CO2 de los subproductos industriales se estima entre 2,9 y 8,5 mil millones de toneladas al año para 2100, dependiendo de la producción de residuos industriales.

La ceniza volante es otro material que es subproducto de las centrales eléctricas de carbón y se está explorando para ánodos de baterías. Investigadores de Arabia Saudita utilizaron carbono de ceniza volante como material de ánodo para baterías de iones metálicos alcalinos, lo que mostró capacidades relativamente altas y excelente estabilidad de ciclado. En un estudio separado, los investigadores comprendieron el alto valor aditivo del subproducto al transformarlo en polvos de silicio nan Estructurados y aplicarlos como materiales activos de ánodo para baterías de iones de litio, mostrando un buen rendimiento electroquímico.

La biomasa y los materiales de desecho no utilizados que se generan durante la producción de energía también pueden ser aprovechados eficazmente para crear materiales de carbono para dispositivos de almacenamiento de energía como baterías, celdas solares y supercondensadores. Además de aprovechar los desechos, se eliminan las dificultades relacionadas con el reciclaje seguro de los componentes de desecho y el consumo de combustibles fósiles.

Los carbonos derivados de biomasa se forman convirtiendo residuos vegetales y animales en materiales de carbono poroso mediante procesos artificiales. Las estructuras resultantes, con su relativamente alta conductividad, área superficial y porosidad, los convierten en excelentes candidatos para aplicaciones de almacenamiento de energía, especialmente supercondensadores.

Con los materiales de carbono ampliamente usados en supercondensadores como electrodos debido a su alta porosidad y área superficial específica, el carbono de biomasa destaca además por su amplia fuente, bajo costo, alta densidad de potencia, vida útil prolongada y menor contaminación.

Los científicos incluso están utilizando residuos plásticos para fabricar electrolitos poliméricos a partir de botellas de plástico PET desechadas.

Luego está el reciclaje de baterías de iones de litio usadas, que permite la recuperación de cobalto, litio y níquel y su reutilización en nuevos sistemas de almacenamiento de energía.

La gran mayoría del suministro mundial de litio (Li) se encuentra en la naturaleza como producto primario en salmueras y menas de roca dura, y se localiza principalmente en Australia, China y América Latina. El suministro de cobalto, por su parte (menos del 10 % del cual ocurre como producto primario y el resto se produce como subproducto de minas de cobre y níquel), está dominado por la República Democrática del Congo (RDC), que representa el 65 % de la producción mundial.

Así, el reciclaje de los componentes de baterías usadas no solo reduce los desechos, sino también la necesidad de materias primas nuevas, que, aunque abundantes en suministro, enfrentan el problema de una minería intensiva en recursos y una distribución geográfica limitada.

Empresas Públicas Relevantes 

Ahora, echemos un vistazo a las empresas que están logrando avances en industrias relacionadas.

1. Fluence Energy, Inc.

Proveedor global de soluciones de almacenamiento de energía, Fluence busca impulsar la transición hacia la energía limpia mediante Gridstack Pro, Gridstack, Sunstack, Edgestack y Ultrastack. También está la Plataforma Fluence IQ, que brinda servicios de IA para gestionar y optimizar renovables y almacenamiento.

Las acciones de Fluence Energy, con una capitalización de mercado de $3 mil millones, cotizan a $16.56, con un aumento del 4,28 % en lo que va del año. Tiene un EPS (TTM) de -0.08 y un P/E (TTM) de -219.92. Para el trimestre que terminó el 30 de septiembre, la compañía reportó ingresos de $1.3 mil millones y una utilidad neta positiva de $67.7 millones por primera vez. La captación de pedidos trimestral fue de $1.2 mil millones, mientras que la cartera aumentó a aproximadamente $4.5 mil millones. Su posición de efectivo, por su parte, fue de $518.7 millones.

El “ingreso y rentabilidad más altos de la historia”, señaló el CEO Julian Nebreda, como “un hito significativo en la trayectoria de crecimiento de la compañía”. De cara al futuro, Nebreda declaró observar una “demanda sin precedentes de soluciones de almacenamiento de energía en baterías en todo el mundo, impulsada principalmente por el mercado de EE. UU.”

2. Waste Management

Enfocado en el reciclaje de residuos industriales, Waste Management ofrece soluciones medioambientales que incluyen servicios de recolección, reciclaje y eliminación para clientes residenciales, comerciales y municipales.

Con una capitalización de mercado de $83.29 mil millones, las acciones de Waste Management cotizan a $207.53, con un aumento del 2,84 % en lo que va del año. Tiene un EPS (TTM) de 6.54 y un P/E (TTM) de 31.71, mientras que el rendimiento de dividendos es del 1,45 %.

Para el tercer trimestre de 2024, la compañía reportó un aumento del 7,9 % en sus ingresos gracias a una fuerte ejecución en precios, precios de mercado más altos para los productos reciclables que vende y un aumento significativo en los volúmenes de vertederos. Waste Management ha completado ahora ocho proyectos de reciclaje en el trimestre, y más de la mitad de su automatización planificada y nuevos proyectos han contribuido con 1,5 millones de toneladas de capacidad de reciclaje anual en Norteamérica.

“Nuestros sólidos resultados han sido impulsados por nuestro negocio de Recolección y Eliminación, donde nuestros esfuerzos enfocados en la retención del personal de primera línea, la optimización de nuestra estructura de costos y la prestación de un servicio diferenciado a nuestros clientes han impulsado el crecimiento de ganancias.”

– CEO Jim Fish

Conclusión

Los residuos industriales están en constante aumento debido al crecimiento de la población y al avance tecnológico, y si no se gestionan adecuadamente, pueden causar consecuencias mortales. Además de la contaminación del aire y del agua, estos desechos provocan degradación del suelo, calentamiento global y daño a nuestro ecosistema. Dado que solo una pequeña parte de estos residuos se recicla, los últimos descubrimientos que transforman los residuos industriales en un agente de almacenamiento de energía son extremadamente beneficiosos para el medio ambiente y allanan el camino hacia un futuro sostenible y más saludable.

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