Vihreä energiarevoluutio: Teollisuusjätteet voimaannuttavat seuraavan sukupolven akut

Ympäristöongelmien tietoisuus sekä nuorten että aikuisten keskuudessa kasvaa ympäri maailmaa. Kun kohtaamme ilmastonmuutoksen uhan ja sen haitallisen vaikutuksen planeettaamme, yhä suurempi väestö on huolissaan siitä, miten heidän toimintansa vaikuttaa ympäristöön, ja osallistuu maapallon pelastamiseen keskittyviin liikkeisiin.

PwC:n 2021 Global Consumer Insights Pulse -kysely paljasti, että puolet maailmanlaajuisesti kyseltyistä kuluttajista on muuttunut ympäristöystävällisemmäksi, kun taas sen 2023 kysely osoittaa, että kahdeksan kymmenestä kuluttajasta on valmis maksamaan jopa 5 % enemmän kestävästi tuotetuista tuotteista.

Verrattuna vuoden 2019 kyselyn tuloksiin, joissa 35 % vastaajista sanoi valitsevansa kestävät tuotteet, 37 % etsivät ympäristöystävällistä pakkausta ja 41 % väsi muovin käyttöä kun se oli mahdollista, vuoden 2021 kyselyn tulokset osoittivat kymmenen‑20 prosenttiyksikön korkeammat vastaukset samaan.

Kestävä elämäntapa on yhä tärkeämpi kuluttajille ympäri maailmaa, jotka myös haluavat yritysten ja brändien olevan kestävämpiä ja ympäristöystävällisempiä.

Tämä käyttäytymisen muutos on positiivinen, kun otetaan huomioon, että maailmanlaajuisesti tuotetaan noin 2 miljardia tonnia teollisuusjätettä vuosittain. Teollisuusjätteet vastaavat noin puolta kaikesta jätteestä, mutta vain noin 2 % siitä kierrätetään.

Teollisuusjätteen ensisijainen syy on eri prosessien sivutuotteet, kuten metallintyöstö, kemianteollisuus, elintarviketeollisuus, lääketeollisuus sekä öljy- ja kaasuntuotanto. Virheelliset jätehuoltokäytännöt voivat lisäksi tuottaa entistä enemmän teollisuusjätettä, mikä vaikuttaa negatiivisesti ympäristöön.

Kuitenkin kuluttajien kasvavan tietoisuuden, sekä yhä useamman maan keskittyessä tehokkaaseen jätteiden hävittämiseen ja teollisuusjätteiden hallintaratkaisujen kysynnän nopeaan kasvuun, globaalia teollisuusjätteiden hallintamarkkinaa ennustetaan kasvavan $1,79 miljardiin vuoteen 2032. Uusien teknologioiden syntyminen ja syntyvien jätteiden monimutkaistuminen myös edistävät tätä kasvua.

Yhdysvalloissa teollisuusjätteiden hallintamarkkinan odotetaan kasvavan entisestään, ja sen arvioidaan saavuttavan noin 323,81 miljardia dollaria tänä ajanjaksona.

Jätteiden hallinnan lisäksi tutkijat ja yritykset tutkivat myös muita tapoja käsitellä jätettä, kuten upcyclingia, tuotteen uudelleensuunnittelua, biohajoavia vaihtoehtoja, kiertotalousmalleja, mikrobisia ratkaisuja ja innovatiivisia kierrätysteknologioita.

Roskasta aarteeseen muuttaminen on ollut tutkijoiden viimeisin pyrkimys. Äskettäin jaoimme, kuinka Cornellin tutkimusryhmä uuttoi kultaa e-jätteestä ja käytti sitä katalyyttinä muuntaakseen CO2:ta orgaanisiksi materiaaleiksi.

Uusi tutkimus kehittää nyt vihreitä akkuja teollisuusjätteestä ja tarjoaa vaihtoehdon laitteissamme, kuten puhelimissa ja jopa autoissa, käytettäville akuille.

Nykyiset akut perustuvat metalleihin, kuten litiumiin ja kobolttiin, joita haetaan invasiivisella ja intensiivisellä kaivostoiminnalla.

Sähköautojen kasvava käyttöönotto, sekä lisääntyvä tarve e-pyörille, kulutuselektroniikalle, energian varastoinnille, sähkötyökaluille ja muille akkuintensiivisille sovelluksille, vaatii siirtymistä metallipohjaisista ratkaisuista ja edistää vihreän energian siirtymää.

Teollisuusjätteen hyödyntäminen energian varastointiin

Kun riippuvuus uusiutuvista ja luontaisesti epäsäännöllisistä energialähteistä kasvaa, Northwesternin tutkijaryhmä kannattaa energian varastointikapasiteetin kasvua sähköverkon tarpeiden täyttämiseksi, ja sen vuoksi he ovat muuntaneet teollisuustason orgaanisen jätteen tehokkaaksi varastointiratkaisuksi, joka voi tarjota kestävää energiaa.

Tutkimuksen keskityttiin punosähkövirta-akkuihin (RFB), jotka ovat ladattavia akkuja, joita tutkitaan niiden joustavuuden, skaalautuvuuden ja pitkän syklisyyskyvyn vuoksi.

Punokiertovirta-akkujen markkinat muodostavat tällä hetkellä pienen osan akkumarkkinoista, mutta niiden odotetaan kasvavan alle 300 miljoonan dollarin tasolta vuonna 2024 yli miljardiin dollariin vuoteen 2033 mennessä. Tämä laajeneminen johtuu siirtymisestä yhä enemmän uusiutuviin energialähteisiin, luotettavien ja suurten energian varastointiratkaisujen tarpeesta, suotuisista hallituksen aloitteista ja jatkuvista teknologisista edistysaskelista, jotka parantavat akkujen tehokkuutta ja alentavat kustannuksia.

Edistysaskeleet RFB-tekniikassa tekevät niistä käytännöllisen vaihtoehdon energian massiiviseen varastointiin, mutta ne osoittavat alhaisen energian tiheyden.

Viime vuosina on saavutettu edistystä Redox-aktiivisten orgaanisten molekyylien (ROM) vakauden lisäämisessä, joita pidetään lupaavina ehdokkaina kestävien RFB:ien rakentamisessa suurten energiamäärien varastointiin. Useimmat arvioitavat ROM-molekyylit kuitenkin vaativat monivaiheisen synteesin, ja lähtöaineiden rajoitettu saatavuus estää niiden soveltamista.

Lisäksi anolyytit usein kärsivät vakaudesta. Anolyytit käytetään RFB-akuissa, joissa ne käyvät läpi elektrokemiallisia reaktioita, jotka tuottavat energiaa ja varastoivat sen. Anolyytin tyyppi RFB:ssä voi vaikuttaa sen kapasiteettiin, käänteiskelpoisuuteen ja vakauteen.

Joten Northwesternin tutkijat päättivät hyödyntää teollisuusjätteestä johdettua orgaanista yhdisteä ROM:na ei-vesi- (Nonaqueous) RFB (NARFB) -sovelluksiin. Vaikka näiden akkujen monia versioita tutkitaan verkostokokoisiin sovelluksiin, tämä jätteen orgaanisen materiaalin käyttö on ensimmäinen alalla.

Jäteaine on trifenyllifosfiinidioksidi (TPPO), tunnettu teollisuuden sivutuote, jonka vuosituotanto on tuhansia tonneja eri orgaanisten teollisten synteesiprosessien kautta. Tämä kemiallinen sivutuote on kemiallisesti vakaa ja sillä on rajalliset käyttökohteet, joten se jää hyödyttömäksi ja on huolellisesti hävitettävä.

Käyttämätön sivutuote, jolla ei ole arvoa, sietyy vain sen esiasteena olevan trifenyllifosfiinin (TPP) vaikuttavan reaktiivisuuden vuoksi.

Northwesternin, DOE:n Perusenergia-tieteen toimiston ja National Science Foundationin Graduate Research Fellowship -ohjelman tuella tutkijat pystyivät kuitenkin muuttamaan tämän jätteen arvokkaaksi tuotteeksi “yksi-astia”-reaktion avulla. Tuloksena syntynyt liuos osoittaa vahvaa potentiaalia energian varastointiin, avaten mahdollisuuden käyttökelpoisiin jätteestä johdettuihin orgaanisiin punokiertovirta-akkuihin.

“Löytömme osoittaa jätteen muuntamisen arvokkaiksi resursseiksi, tarjoten kestävän polun innovaatiolle akkuteknologiassa.”

– Pääkirjoittaja Christian Malapit, Northwesternin kemisti ja apulaisprofessori kemian laitoksessa Weinberg College of Arts and Sciences

Hän huomautti, että insinöörit ja materiaalitieteilijät hallitsevat akkututkimusta, mutta heidän tutkimuksensa osoittaa, että synteettiset kemistit voivat myös “myötävaikuttaa alaan molekyylisuunnittelemalla orgaanisen jäteaineen energian varastoivaksi molekyyliksi”.

Ei yhtä suosittuja kuin perinteiset litium- tai kiinteän tilan akut, jotka varastoivat suuria energiamääriä nestemäisissä tai kiinteissä elektrodeissa, punokiertovirta-akkut hyödyntävät kemiallista reaktiota, joka mahdollistaa energian virtauksen elektrolyyttien välillä energian varastointiin.

Uusin löytö tekee RFB:istä erittäin hyödyllisiä, sillä ne käyttävät orgaanista molekyyliä ja voivat saavuttaa korkean vakauden sekä korkean energian tiheyden, lähestyen metallipohjaisia kilpailijoita.

Nämä kaksi erityistä parametria, ensimmäisen kirjoittajan Emily Mahoneyn mukaan, jotka ovat Ph.D.-kandidaatti Malapit-laboratoriossa, ovat perinteisesti olleet “haastavia optimoida yhdessä”, mutta nyt kun ne on osoitettu jätteen ohjaamalle molekyylille, se on yksinkertaisesti “innostavaa”.

Kuitenkin sekä energian tiheyden että vakauden saavuttaminen edellyttää keinoa, jonka avulla elektronit voivat pakata tiiviisti yhteen menettämättä varastointikapasiteettia ajan myötä. Tutkimusryhmä löysi strategiansa puoleen vuosisataa vanhasta artikkelista, jossa kuvattiin fosfiinidioksidien elektrolyysi, orgaanisen kemian funktionaalinen ryhmä.

Tutkimus oli itse asiassa “ensimmäinen tapaus” fosfiinidioksidien käyttämisestä punokiertovirta-akkututkimuksen punokiertaktiivisena komponenttina.

Vähennetyt fosfiinidioksidit ovat perinteisesti olleet erittäin epävakaita, mutta viimeaikaisen tutkimuksen molekyylisuunnittelulähestymistapa ratkaisi tämän epävakauden, “raivaten tietä niiden soveltamiselle energian varastointiin”.

Nyt, arvioidakseen molekyylin suorituskykyä, tutkijat suorittivat testejä staattisilla elektrokemiallisilla lataus- ja purkauskoeilla. Käytyään läpi 350 syklin akkujen latauksen, käytön ja uudelleenlatauksen, tiimi havaitsi, että akku säilytti poikkeuksellisen kuntonsa eikä menettänyt merkittävää kapasiteettia ajan myötä.

Kokematta kapasiteetin heikkenemistä 350 syklin aikana, tutkimus toteaa, että “tämä molekyyli johtaa alaa, ei pelkästään sen vaikuttavan suorituskyvyn vuoksi, vaan myös resurssien kestävyyden takia”.

Punokiertovirta-akkuihin liittyen, teollisuuden kemiallisesta jätteestä trifenyllifosfiinidioksidin käyttö energian varastointiin lisäksi, muut tutkimukset, jotka vaihtelevat innovatiivisesta kalvosuunnittelusta, DMQA:n käyttö elektrolyyttimateriaalina, ja Hirshfeld-varauksen säätämisestä TEMPO-kathodialle, myös edistävät RFB:iden kehitystä.

Muiden teollisuuden jätteet akkuteknologian voimanlähteenä

Vaikka kyseessä on merkittävä läpimurto, tämä tutkimus ei ole ainoa, joka hyödyntää yleistä teollisuuden kierrättämätöntä jätettä hyödylliseen tuotteeseen; vuosien varrella useat tutkimukset ovat käyttäneet jätettä parantaakseen akkuteknologiaa.

Tämä sisältää teräskivun (steel slag) käytön, joka on teräksen valmistuksen sivutuote ja jota on tutkittu energian varastointimateriaaleina. Yhdessä tutkimuksessa tutkijat loivat vihreitä rakenteellisia superkondensaattorisolukkoja (SSCs) teräskivujauheesta (SSP) ja lasijauheesta (GP), jotka osoittivat hyvän monitoimisuuden vahvuuden ja pinta-aluekapasitanssin suhteen.

Toisessa tutkimuksessa tutkijat tarkastelivat teräskivun lämpöominaisuuksia ja havaitsivat sen olevan järkevä lämpövarastomateriaali. Na2CO3-aktivointi mahdollisti lämmön varastointikapasiteetin kasvattamisen yli 25 % ja lämmönjohtavuuden yli 32 %.

Käyttö ei rajoitu pelkästään tutkimukseen. Jopa maailman toiseksi suurin teräksen valmistaja, ArcelorMittal (ARRD.DE ) (MT ), testasi sivutuotetta lämpöenergiavarastona teräksenvalmistusprosessissa fossiilisten polttoaineiden käytön vähentämiseksi. Yritys hyödyntää Linz-Donawitz (LD) -kivua tehdäkseen noin 30 uutta tuotetta, joita käytetään teiden ja aitaosien rakentamiseen, sementin raaka-aineena sekä jäteveden suodatuksessa.

Teräskivi, hiilijauhe ja kaivosjätteet, muiden materiaalien ohella, hyödyntävät kestävään hiilivarastointiin. Teollisuuden sivutuotteiden CO2-varastointipotentiaali arvioidaan olevan 2,9–8,5 miljardia tonnia vuodessa vuoteen 2100 mennessä, riippuen teollisuusjätteiden tuotannosta.

Fly Ash on toinen materiaali, joka on hiilivoimaloiden sivutuote ja jota tutkitaan akkujen anodeina. Saudi-Arabiasta kotoisin olevat tutkijat hyödynsivät fly ash -hiiltä anodi-materiaalina alkalimetallioniakkujen valmistukseen, mikä näytti suhteellisen korkeat kapasiteetit ja erinomaisen syklivakauden. Erillisessä tutkimuksessa tutkijat havaitsivat, että sivutuotteen korkea lisäarvo voidaan hyödyntää muuntamalla se nanorakenteisiksi piimäjauheiksi ja käyttämällä niitä litiumioniakkujen anodiaktiivisina materiaaleina, jotka osoittivat hyvän elektrokemiallisen suorituskyvyn.

Hyödyntämättömät biomassa- ja jäteaineet, jotka syntyvät energian tuotannon aikana, voidaan myös tehokkaasti hyödyntää hiilimateriaalien luomiseen energian varastointilaitteisiin, kuten akkuihin, aurinkokennoihin ja superkondensaattoreihin. Jätteen käyttö poistaa myös haasteet, jotka liittyvät jätteen turvalliseen kierrättämiseen ja fossiilisten polttoaineiden kulutukseen.

Biomassasta johdetut hiilit muodostuvat muuntamalla kasvi- ja eläinjätteet huokoisiksi hiilimateriaaleiksi keinotekoisilla prosesseilla. Tuloksena syntyvät rakenteet, joilla on suhteellisen korkea johtavuus, pinta-ala ja huokosrakenne, tekevät niistä erinomaisia energian varastointisovelluksiin, erityisesti superkondensaattoreihin.

Koska hiilimateriaaleja käytetään laajasti superkondensaattoreissa elektrodeina korkean huokoisuuden ja erityispinta-alan vuoksi, biomassi-hiili erottuu edukseen laajan lähdeaineistonsa, alhaisen kustannuksensa, korkean tehotiheytensä, pitkän käyttöiän ja vähäisen saastumisen ansiosta.

Tiedemiehet käyttävät jopa muovijätettä valmistamaan korkean suorituskyvyn akkuanodeja seuraavan sukupolven akuille. Singaporen tutkijaryhmä kehitti menetelmän, jossa kemiallisesti sidotut molekyylit hajotetaan lyhyemmiksi, jotta valmistaa polymerielektrolyyttejä jätettä olevista polyeteenitereftalaattipulloista (PET).

Sitten on vanhojen litiumioniakkujen kierrätys, joka mahdollistaa koboltin, litiumin ja nikkelin talteenoton ja niiden uudelleenkäytön uusissa energian varastointijärjestelmissä.

Suurin osa maailman litiumista (Li) esiintyy luonnossa ensisijaisena tuotoksena suolajärvissä ja kallioperämalmeissa, ja sitä löytyy pääasiassa Australiassa, Kiinassa ja Latinalaisessa Amerikassa. Koboltin toimitus, jonka osuus ensisijaisena tuotoksena on alle 10 % ja loput syntyvät kuparin ja nikkelin kaivosten sivutuotteena, hallitsee Kongon demokraattinen tasavalta (DRC), joka tuottaa 65 % maailman tuotannosta.

Joten vanhojen akkujen komponenttien kierrättäminen ei ainoastaan vähennä jätettä, vaan myös uusien raaka-aineiden tarvetta, jotka vaikka ovat runsaasti saatavilla, kohtaavat resurssitehokkaan kaivostoiminnan ja rajoitetun maantieteellisen jakautumisen haasteet.

Relevantit julkiset yritykset 

Katsotaanpa nyt yrityksiä, jotka tekevät edistysaskeleita liittyvillä toimialoilla. 

1. Fluence Energy, Inc.

Globaalinen energian varastointiratkaisujen tarjoaja Fluence pyrkii edistämään puhtaan energian siirtymää Gridstack Pro, Gridstack, Sunstack, Edgestack ja Ultrastack -tuotteiden avulla. Lisäksi on Fluence IQ -alusta, joka tarjoaa tekoälypalveluita uusiutuvien energialähteiden ja varastoinnin hallintaan ja optimointiin.

Fluencen $3 miljardia markkina-arvoinen osake, kirjoitushetkellä, noteerataan hintaan $16,56, mikä on 4,28 % nousu vuoden alusta. Sen EPS (TTM) on -0,08 ja P/E (TTM) -219,92. Tammikuun 30. päivänä päättyneeltä neljännekseltä yhtiö raportoi liikevaihdoksi $1,3 miljardia ja positiiviseksi nettotulokseksi $67,7 miljoonaa ensimmäistä kertaa. Neljänneksen tilausmäärä oli $1,2 miljardia, kun taas backlog kasvoi noin $4,5 miljardiin. Sen kassavarat olivat $518,7 miljoonaa.

“Korkein koskaan saavutettu liikevaihto ja kannattavuus,” toimitusjohtaja Julian Nebreda totesi olevan “merkittävä virstanpylväs yhtiön kasvupolulla.” Katsoessaan tulevaisuuteen Nebreda mainitsi näkevänsä “ennennäkemättömän kysynnän akkuenergia-varastointiratkaisuja maailmanlaajuisesti, erityisesti Yhdysvaltain markkinoilla”.

2. Waste Management

Keskittyen teollisuuden jätteiden kierrätykseen, Waste Management (WM ) tarjoaa ympäristöratkaisuja, jotka sisältävät keräyksen, kierrätyksen ja hävittämisen palvelut asuin-, kaupallis- ja kunnallisasiakkaille.

Waste Managementin $83,29 miljardia markkina-arvoinen osake, kirjoitushetkellä, noteerataan hintaan $207,53, mikä on 2,84 % nousu vuoden alusta. Sen EPS (TTM) on 6,54 ja P/E (TTM) 31,71, ja osinkotuotto on 1,45 %.

Vuoden 2024 kolmannelle neljännekselle yhtiö raportoi 7,9 % liikevaihdon kasvun vahvan hinnoittelun toteuttamisen, kierrätyskelpoisten raaka-aineiden markkinahintojen nousun ja merkittävän kaatopaikkavolyymin kasvun ansiosta. Waste Management on nyt suorittanut kahdeksan kierrätyshankkeen neljänneksellä, ja yli puolet suunnitellusta automaatiosta ja uusista projekteista on tuottanut 1,5 miljoonaa tonnia vuotuista kierrätyskapasiteettia Pohjois-Amerikassa.

“Vahvat tuloksemme ovat johtuneet keräys- ja hävityspalveluistamme, joissa keskittyneet ponnistelumme etulinjan säilyttämisessä, kustannusrakenteemme optimoinnissa ja erottuvien palveluiden tarjoamisessa asiakkaillemme ovat vauhdittaneet tuloskasvua.”

– Toimitusjohtaja Jim Fish

Yhteenveto

Teollisuusjätteet kasvavat jatkuvasti väestönkasvun ja teknologisen kehityksen myötä, ja jos niitä ei hallita asianmukaisesti, ne voivat aiheuttaa vakavia seurauksia. Ilman ilman- ja vesipäästöjen lisäksi tämä jäte aiheuttaa maaperän köyhtymistä, ilmaston lämpenemistä ja vahingoittaa ekosysteemiämme. Koska vain pieni osa tästä jätteestä kierrätetään, viimeisimmät löydökset, jotka muuntavat teollisuusjätettä energian varastointiaineeksi, ovat äärimmäisen hyödyllisiä ympäristölle ja raivaavat tietä kohti kestävää ja terveellisempää tulevaisuutta.

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista akkuosakkeista.