Vihreä energiarevoluutio: Teollisuusjätteet seuraavan sukupolven akkujen voimanlähteenä

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

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

Verrattuna vuoden 2019 tutkimustuloksiin, joissa 35 % vastaajista kertoi valitsevansa kestävät tuotteet, 37 % etsivät ympäristöystävällistä pakkausta ja 41 % väitti välttävänsä muovin käyttöä kun se oli mahdollista, vuoden 2021 tulokset osoittivat prosenttiosuuksien olevan kymmenen‑20 prosenttiyksikköä korkeampia.

Kestävä elämäntapa nousee yhä tärkeämmäksi 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 vuodessa. Teollisuusjätteet eivät ainoastaan vastaa noin puolta kaikesta jätteestä, vaan vain noin 2 % siitä kierrätetään käytännössä.

Teollisuusjätteiden pääasiallisena aiheuttajana ovat eri prosessien sivutuotteet, kuten metallintyöstö, kemianteollisuus, elintarviketeollisuus, lääketeollisuus sekä öljy- ja kaasunotto. Jätteiden huonot käsittelykäytännöt voivat lisäksi tuottaa entistä enemmän teollisuusjätettä, mikä vaikuttaa ympäristöön kielteisesti.

Kuitenkin kuluttajien kasvavan tietoisuuden, yhä useamman maan keskittyessä tehokkaaseen jätteiden hävittämiseen ja teollisuusjätteenhallintaratkaisujen kysynnän nopeaan kasvuun myötä, globaalia teollisuusjätteidenhallintamarkkinaa odotetaan kasvavan $1,79 miljardiin vuoteen 2032. Uusien teknologioiden ja syntyvien jätteiden monimuotoisuuden lisääntyminen myös edistää tätä kasvua.

Yhdysvalloissa teollisuusjätteidenhallintamarkkinan odotetaan kasvavan entisestään, ja sen arvioidaan saavuttavan noin 323,81 miljardia dollaria tarkastelujakson aikana.

Jätehuollon lisäksi tutkijat ja yritykset etsivät myös muita keinoja jätteiden käsittelemiseksi, kuten ylikäyttöä, tuotteiden uudelleensuunnittelua, biohajoavia vaihtoehtoja, kiertotalousmalleja, mikrobisia ratkaisuja ja innovatiivisia kierrätysteknologioita.

Jätteiden muuttaminen aarteeksi on ollut tutkijoiden viimeisin pyrkimys. Jaamme äskettäin, miten Cornell‑tutkimusryhmä eritti kultaa elektroniikkajätteestä ja käytti sitä katalyyttinä muuntaakseen CO₂:n orgaanisiksi aineiksi.

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, jotka hankitaan invasiivisella ja intensiivisellä kaivostoiminnalla.

Sähköajoneuvojen kasvava käyttöönotto, yhdessä e‑pyörien, kulutuselektroniikan, energian varastoinnin, sähkötyökalujen ja muiden akkua intensiivisesti käyttävien sovellusten kasvavan tarpeen kanssa, vaatii siirtymistä metallipohjaisista ratkaisuista ja edistää vihreää energiasiirtymää.

Teollisuusjätteen hyödyntäminen energian varastointiin

Uusiutuvien ja luontaisesti epäsäännöllisten energialähteiden riippuvuuden kasvaessa Northwesternin tutkijaryhmä kannattaa energian varastointikapasiteetin kasvua täyttääkseen verkkomme tarpeet, ja tähän he ovat muuntaneet teollisuusskaalan orgaanisen jätteen tehokkaaksi varastointiratkaisuksi, joka voi tarjota kestävää energiaa.

Tutkimuksen tutkimus keskittyi punosähkövirtausakkuihin (RFB), jotka ovat ladattavia akkuja niiden joustavuuden, skaalautuvuuden ja pitkän syklisyyskeston vuoksi.

Punokytkentävirtausakkujen markkinaosuus on tällä hetkellä pieni osa akkumarkkinasta, mutta sen odotetaan kasvavan alle 300 miljoonasta dollarista vuonna 2024 yli miljardiin dollariin vuoteen 2033 mennessä. Tämä laajentuminen ohjautuu lisääntyneellä siirtymällä uusiutuviin energialähteisiin, luotettavien ja suurten energian varastointiratkaisujen tarpeesta, suotuisista hallituksen aloitteista sekä jatkuvista teknologisista edistysaskelista, jotka parantavat akkujen tehokkuutta ja alentavat kustannuksia.

RFB-teknologian edistysaskeleet tekevät niistä käytännöllisen vaihtoehdon energian suurikokoiseen varastointiin, mutta ne omaavat alhaisen energiatehon.

Viime vuosina on saavutettu edistystä punokäyttöisten orgaanisten molekyylien (ROM) vakauttamisessa, joita pidetään lupaavina ehdokkaina kestävien RFB:ien rakentamiseen suurikokoista energian varastointia varten. Useimmat arvioitavat ROM:t kuitenkin vaativat monivaiheista synteesiä, ja lähtöaineiden rajoitettu saatavuus estää niiden soveltamista.

Lisäksi on se tosiasia, että anolyytit usein kärsivät vakaudesta. Anolyytit käytetään RFB:issä, joissa ne käyvät läpi elektrokemiallisia reaktioita, jotka tuottavat energiaa ja varastoivat sen. RFB:ssä käytetyn anolyytin tyyppi voi vaikuttaa sen kapasiteettiin, käännettävyyteen ja vakauteen.

Northwesternin tutkijat päättivät siis hyödyntää teollisuusjätteestä johdettua orgaanista yhdisteä ROM:na ei‑vesipohjaisiin RFB (NARFB) -sovelluksiin. Vaikka näiden akkujen monia versioita tutkitaan verkko‑skaalan sovelluksiin, tämä jäteperäisen orgaanisen materiaalin käyttö on alalla ensimmäinen.

Jäteaine on triphenyylifosfiinioksidi (TPPO), tunnettu teollisuuden sivutuote, jota syntyy vuosittain tuhansia tonneja eri orgaanisten teollisuusprosessien kautta. Tämä kemiallisesti vakaa ja rajoitetusti käytettävä sivutuote jää hyödyttömäksi ja on huolellisesti hävitettävä.

Käyttämätön sivutuote, jolla ei ole arvoa, sietää vain sen esiasteensa, triphenyylifosfiinin (TPP), vaikuttavien reaktiivisuuksien vuoksi.

Northwesternin, DOE:n Basic Energy Sciences -toimiston ja National Science Foundationin Graduate Research Fellowship -ohjelman tuella tutkijat onnistuivat kuitenkin muuntamaan tämän jätteen arvokkaaksi tuotteeksi “yksi-astiassa”-reaktion avulla. Tuloksena syntynyt liuos osoittaa vahvaa potentiaalia energian varastointimenetelmänä, avaten mahdollisuuden jäteperäisiin orgaanisiin punokytkentävirtausakkuihin.

“Löytömme osoittaa jätteen yhdisteiden muuntamisen arvokkaiksi resursseiksi, tarjoten kestävän polun akkuteknologian innovaatioille.”

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

Hän korosti, miten insinöörit ja materiaalitieteilijät hallitsevat akkututkimusta, mutta heidän tutkimuksensa osoittaa, että synteettiset kemistit voivat myös “myötävaikuttaa alaan molekyylien tasolla suunnittelemalla orgaanisen jäteaineen energian varastoivaksi molekyyliksi”.

Ei yhtä suosittu kuin perinteiset litium‑ tai kiinteän tilan akut, jotka varastoivat suuria määriä energiaa nestemäisissä tai kiinteissä elektrodeissa, punokytkentävirtausakut hyödyntävät kemiallista reaktiota, joka mahdollistaa energian virtauksen elektrolyyttien välillä energian varastointiin.

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

Nämä kaksi erityistä parametria, ensimmäisen kirjoittajan Emily Mahoneyn, Malapit‑laboratorion tohtoriopiskelijan, mukaan, ovat olleet “perinteisesti haastavia optimoida yhdessä”, mutta nyt kun ne on osoitettu jäteperäiselle molekyylille, se on yksinkertaisesti “innostavaa”.

Kuitenkin sekä energiatehon että vakauden saavuttaminen edellyttää menetelmää, jossa elektronit voivat pakata tiiviisti yhteen menettämättä varastokapasiteettia ajan myötä. Tutkimusryhmä löysi strategiansa puoli vuosisataa sitten julkaistusta artikkelista, jossa kuvattiin fosfiinioksidien elektrolyysi, orgaanisen kemian toiminnallinen ryhmä.

Tutkimus oli itse asiassa “ensimmäinen tapaus” fosfiinioksidien käyttämisestä punokäyttöisenä komponenttina akkututkimuksessa.

Redusoituneet fosfiinioksidit ovat perinteisesti olleet erittäin epävakaita, mutta viimeisimmän tutkimuksen molekyylisuunnittelulähestymistapa korjasi tämän epävakauden, avaten näin “tien niiden soveltamiselle energian varastointiin”.

Nyt, arvioidakseen molekyylin suorituskykyä, tutkijat suorittivat testejä staattisilla elektrokemiallisilla lataus‑ ja purkauskoeilla. Käytyään läpi 350 akkukierrosta latausta, käyttöä ja uudelleenlatausta, tiimi havaitsi, että akku säilytti poikkeuksellisen kuntonsa ja menetti vain vähäisen kapasiteetin ajan myötä.

Kokematta kapasiteetin heikkenemistä 350 kierroksen aikana, tutkimus toteaa, että “tämä molekyyli on valmis johtamaan alaa, ei ainoastaan sen vaikuttavan suorituskyvyn, vaan myös resurssikestävyyden vuoksi”.

Punokytkentävirtausakkujen osalta, teollisuuden kemiallisten jätteiden, kuten triphenyylifosfiinioksidin, energian varastointikäytön lisäksi, muut tutkimukset, kuten innovatiivinen kalvosuunnittelu, DMQA elektrolyyttimateriaalina ja Hirshfeld-varauksen säätäminen TEMPO‑katodilyyteissä, myös edistävät RFB-teknologian kehitystä.

Muiden teollisuudenalat jätteet, jotka voimaannuttavat akkuteollisuuden 

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 käytön, joka on teräksen valmistuksen sivutuote ja jota on tutkittu energian varastointimateriaaleina. Yhdessä tutkimuksessa tutkijat loivat vihreitä rakenteellisia superkondensaattorisoluja (SSC) teräskivujauheesta (SSP) ja lasijauheesta (GP), jotka osoittivat hyvän monitoimisuuden vahvuuden ja pinta‑kapasitanssin suhteen.

Toisessa tutkimuksessa tutkijat tarkastelivat teräskivun lämpöominaisuuksia ja havaitsivat sen olevan järkevä lämpövarastointimateriaali. Na2CO3‑aktivointi mahdollisti materiaalin lämpövarastointikapasiteetin kasvattamisen yli 25 % ja lämmönjohtavuuden yli 32 %.

Terästeollisuuden suurimman sivutuotteen käyttö ei rajoitu pelkästään tutkimukseen. Jo maailman toiseksi suurin teräksen valmistaja, ArcelorMittal (ARRD.DE ) (MT ), testasi sivutuotetta lämpöenergiavarastona teräksenvalmistusprosessissa fossiilisten polttoaineiden lämmönkäytön vähentämiseksi. Yritys hyödyntää Linz‑Donawitz (LD)‑kivua noin 30 uuden tuotteen valmistukseen, joita käytetään teiden ja aitausten rakentamiseen, sementin raaka-aineena ja jäteveden suodatuksessa.

Teräskivi, hiilijauhe ja kaivosjätteet, muiden materiaalien ohella, hyödynnetään myös kestävään hiilen varastointiin. Teollisuuden sivutuotteiden CO₂‑varastointipotentiaali arvioidaan olevan 2,9–8,5 miljardia tonnia vuodessa vuoteen 2100 mennessä, riippuen teollisuusjätteiden tuotannosta.

Lentojauhe on toinen materiaali, joka on hiilivoimaloiden sivutuote ja jota tutkitaan akkujen anodeina. Saudi-Arabiasta kotoisin olevat tutkijat hyödynsivät lentojauhehiiltä alkaalimetalli‑ioniakkujen anodemateriaalina, mikä näytti suhteellisen korkeat kapasiteetit ja erinomaisen syklisyysvakaan. Erillisessä tutkimuksessa tutkijat havaitsivat sivutuotteen korkean lisäarvon muuntamalla sen nanorakenteiseksi piipölyksi ja käyttämällä sitä litium‑ioniakkujen anodiaktiivisina materiaaleina, mikä osoitti hyvän elektrokemiallisen suorituskyvyn.

Hyödyntämättömät biomassat ja jäteaineet, jotka syntyvät energian tuotannon aikana, voidaan myös tehokkaasti hyödyntää hiilimateriaalien luomiseen energian varastointilaitteisiin, kuten akkuihin, aurinkokennoihin ja superkondensaattoreihin. Jätteen hyödyntämisen lisäksi se poistaa haasteet, jotka liittyvät jätteiden turvalliseen kierrätykseen ja fossiilisten polttoaineiden kulutukseen.

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

Koska hiilimateriaaleja käytetään laajasti superkondensaattoreiden elektrodeina niiden korkean huokoisuuden ja erityispinta-alan vuoksi, biomassahiili erottuu erityisesti laajan lähteen, alhaisen kustannuksen, korkean tehotiheyden, pitkän käyttöiän ja vähäisen saastumisen ansiosta.

Tiedemiehet käyttävät jopa muovijätettä valmistamaan suorituskykyisiä akkuanodeja seuraavan sukupolven akuille. Singaporen tiedemiehistä koostuva tiimi kehitti menetelmän, jossa kemiallisesti sidotut molekyylit hajotetaan lyhyemmiksi, jotta voidaan valmistaa polymeerielektrolyyttejä jätteen polyeteenitereftalaattipulloista (PET).

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

Suuri osa maailman litium‑ (Li) varastosta esiintyy luonnossa ensisijaisena tuotteena suoloissa ja kallioperäkaivoksissa, ja se on pääosin löydettävissä Australiassa, Kiinassa ja Latinalaisessa Amerikassa. Koboltin tarjonta, jonka osuus ensisijaisena tuotteena on alle 10 % ja loput syntyvät kuparin ja nikkelin kaivosten sivutuotteina, hallitsee Kongon demokraattinen tasavalta (DRC), joka tuottaa 65 % maailman tuotannosta.

Joten vanhojen akkujen komponenttien kierrätys ei ainoastaan vähennä jätettä, vaan myös uusien raaka-aineiden tarvetta, jotka vaikka ovatkin runsaasti saatavilla, kohtaavat resurssien intensiivisen louhinnan ja rajoitetun maantieteellisen jakautumisen haasteet.

Relevantit julkiset yhtiöt 

Katsotaanpa nyt yrityksiä, jotka tekevät edistysaskelia liittyvillä toimialoilla.

1. Fluence Energy, Inc.

Globaalinen energian varastointiratkaisujen tarjoaja Fluence pyrkii edistämään puhdasta energiasiirtymää Gridstack Pro, Gridstack, Sunstack, Edgestack ja Ultrastack -ratkaisujen avulla. Lisäksi Fluence IQ -alusta tarjoaa tekoälypalveluita uusiutuvien energialähteiden ja varastoinnin hallintaan ja optimointiin.

Fluencen osakkeiden markkina-arvo on 3 miljardia dollaria, ja ne kaupankäynnissä hintaan 16,56 $, nousua 4,28 % vuoden alusta. Yhtiöllä on EPS (TTM) -0,08 ja P/E (TTM) -219,92. 30. syyskuuta päättyneelle neljännekselle yhtiö ilmoitti 1,3 miljardia dollaria liikevaihtoa ja ensimmäistä kertaa positiivisen nettotuloksen 67,7 miljoonaa dollaria. Neljänneksen tilausmäärä oli 1,2 miljardia dollaria, ja tilausjono kasvoi noin 4,5 miljardiin dollariin. Samanaikaisesti kassavarat olivat 518,7 miljona dollaria.

Toimitusjohtaja Julian Nebreda totesi, että “korkein koskaan saavutettu liikevaihto ja kannattavuus” on “merkittävä virstanpylväs yhtiön kasvupolulla”. Katsoessaan tulevaisuuteen Nebreda mainitsi näkevänsä “ennennäkemättömän kysynnän akkuenergiavarastointiratkaisuista maailmanlaajuisesti, jota pääosin ohjaa Yhdysvaltain markkinat”.

2. Waste Management

Keskittyen teollisuuden jätteiden kierrätykseen, Waste Management tarjoaa ympäristöratkaisuja, jotka sisältävät keräys-, kierrätys- ja hävittämispalvelut asuin-, kaupallisille ja kunnallisille asiakkaille.

Waste Managementin osakkeiden markkina-arvo on 83,29 miljardia dollaria, ja ne kaupankäynnissä hintaan 207,53 $, nousua 2,84 % vuoden alusta. Yhtiöllä on EPS (TTM) 6,54 ja P/E (TTM) 31,71, ja osinkotuotto on 1,45 %.

Vuoden 2024 kolmannelle neljännekselle yhtiö ilmoitti 7,9 %:n liikevaihdon kasvun vahvan hinnoittelun toteutuksen, kierrätyskelpoisten hyödykkeiden markkinahintojen nousun ja merkittävän kaatopaikkavolyymin kasvun ansiosta. Waste Management on nyt toteuttanut kah