Révolution de l’énergie verte: les déchets industriels alimentent les batteries de prochaine génération

La prise de conscience des enjeux environnementaux tant chez les jeunes que chez les adultes augmente à l’échelle mondiale. Face à la menace du changement climatique et à ses effets néfastes sur notre planète, une population croissante s’inquiète de l’impact de ses actions sur l’environnement et participe à des mouvements visant à sauver la Terre.

L’enquête Global Consumer Insights Pulse Survey 2021 de PwC a révélé que la moitié des consommateurs interrogés dans le monde ont déclaré être devenus plus écologiques, tandis que son enquête de 2023 montre que huit consommateurs sur dix sont prêts à payer jusqu’à 5 % de plus pour des produits fabriqués de manière durable.

En comparaison avec les résultats de l’enquête de 2019, où 35 % des répondants déclaraient choisir des produits durables, 37 % cherchaient des emballages respectueux de l’environnement et 41 % évitaient d’utiliser du plastique lorsqu’ils le pouvaient, les résultats de l’enquête de 2021 ont montré des pourcentages supérieurs de dix à vingt points.

Un mode de vie durable devient de plus en plus important pour les consommateurs du monde entier, qui souhaitent également que les entreprises et les marques soient plus durables et respectueuses de l’environnement.

Ce changement de comportement est positif, étant donné qu’environ 2 milliards de tonnes de déchets industriels sont produits chaque année à l’échelle mondiale. Non seulement les déchets industriels représentent environ la moitié de tous les déchets, mais seulement environ 2 % sont réellement recyclés.

La principale cause des déchets industriels provient des sous‑produits d’un large éventail de procédés, notamment l’usinage des métaux, la fabrication chimique, la transformation alimentaire, la production pharmaceutique et l’extraction de pétrole et de gaz. Des pratiques de gestion des déchets inappropriées peuvent générer encore plus de déchets industriels, impactant négativement l’environnement.

Cependant, avec la prise de conscience croissante des consommateurs, ainsi que le nombre croissant de pays se concentrant sur une élimination efficace des déchets et la demande de solutions de gestion des déchets industriels qui augmente rapidement, le marché mondial de la gestion des déchets industriels devrait atteindre $1.79 billion by 2032. L’émergence de nouvelles technologies et la diversité des déchets générés deviennent plus complexes, ce qui contribue également à cette croissance.

Aux États‑Unis, le marché de la gestion des déchets industriels devrait croître davantage et devrait atteindre une valeur estimée à $323.81 billion during this period.

En plus de la gestion des déchets, les chercheurs et les entreprises explorent d’autres moyens de traiter les déchets, tels que l’upcycling, la refonte de produits, les alternatives biodégradables, les modèles d’économie circulaire, les solutions microbiennes et les technologies de recyclage innovantes.

Transformer les déchets en trésor est la dernière initiative des chercheurs. Nous avons récemment partagé comment une équipe de recherche de Cornell a extrait de l’or des déchets électroniques, puis l’a utilisé comme catalyseur pour convertir le CO₂ en matériaux organiques.

Une nouvelle étude développe désormais des batteries vertes à partir de déchets industriels, offrant une alternative aux batteries utilisées dans nos appareils tels que les téléphones et même les voitures.

Les batteries actuellement utilisées dépendent de métaux tels que le lithium et le cobalt, tous deux extraits par des méthodes minières invasives et intensives.

L’adoption croissante des véhicules électriques, ainsi que le besoin grandissant de vélos à assistance électrique, d’électronique grand public, de stockage d’énergie, d’outils électriques et d’autres applications à forte consommation de batteries, nécessite un passage des solutions basées sur les métaux et facilite la transition vers une énergie verte.

Utiliser les déchets industriels pour stocker l’énergie

Avec la dépendance croissante aux sources d’énergie renouvelables et intrinsèquement intermittentes, une équipe de chercheurs de Northwestern plaide pour l’augmentation de la capacité de stockage d’énergie afin de répondre aux besoins de notre réseau, et pour cela, ils ont transformé un déchet organique à l’échelle industrielle en une solution de stockage efficace capable de fournir une énergie durable.

L’accent de l’étude était porté sur les batteries à flux redox (RFB), qui sont des batteries rechargeables étudiées en raison de leur flexibilité, de leur évolutivité et de leurs capacités de cyclage prolongées.

Le marché des batteries à flux redox ne représente actuellement qu’une petite part du marché des batteries, mais il devrait passer de moins de $300 million en 2024 à bien plus d’un $1 billion d’ici 2033. Cette expansion sera stimulée par une transition accrue vers les sources d’énergie renouvelables, le besoin de solutions de stockage d’énergie fiables et à grande échelle, des initiatives gouvernementales favorables et des avancées technologiques continues visant à améliorer l’efficacité des batteries et à réduire les coûts.

Les avancées des RFB en font une option pratique pour le stockage d’énergie à grande échelle, mais elles présentent une faible densité énergétique.

Ces dernières années, des progrès ont été réalisés pour augmenter la stabilité des molécules organiques redox‑actives (ROM), considérées comme des candidates prometteuses pour la construction de RFB durables destinés au stockage d’énergie à grande échelle. Cependant, la plupart des ROM évaluées nécessitent une synthèse en plusieurs étapes, et la disponibilité limitée de matières premières entrave leur application.

Il faut également constater que les anolytes manquent souvent de stabilité. Les anolytes sont utilisés dans les RFB, où ils subissent des réactions électrochimiques qui produisent de l’énergie et la stockent. Le type d’anolyte employé dans une RFB peut influencer sa capacité, sa réversibilité et sa stabilité.

Ainsi, les chercheurs de Northwestern ont exploité un composé organique dérivé de déchets industriels comme ROM pour les applications de RFB non aqueuses (NARFB). Bien que de nombreuses itérations de ces batteries soient étudiées pour des applications à l’échelle du réseau, l’utilisation de matière organique issue de déchets représente une première dans ce domaine.

La molécule de déchet est l’oxyde de triphénylphosphine (TPPO), un sous‑produit industriel bien connu, produit à hauteur de milliers de tonnes chaque année à travers divers procédés de synthèse organique industrielle. Ce sous‑produit chimique, stable mais aux applications limitées, reste inutile et doit être éliminé avec précaution.

Le sous‑produit inutilisé, qui n’a aucune valeur, n’est toléré qu’en raison des réactivités impressionnantes de son précurseur, le triphénylphosphine (TPP).

Avec le soutien de Northwestern, du Bureau des sciences fondamentales de l’énergie du DOE et de la bourse de recherche diplômée de la National Science Foundation, les chercheurs ont toutefois pu transformer ces déchets en un produit précieux grâce à une réaction « one‑pot ». La solution obtenue montre un fort potentiel comme moyen de stockage d’énergie, ouvrant la voie à des batteries à flux redox organiques dérivées de déchets.

“Notre découverte met en évidence le potentiel de transformation des composés de déchets en ressources précieuses, offrant une voie durable pour l’innovation dans la technologie des batteries.”

– Auteur principal Christian Malapit, chimiste à Northwestern et professeur assistant au département de chimie du Weinberg College of Arts and Sciences

Il a souligné que les ingénieurs et les scientifiques des matériaux dominent la recherche sur les batteries, mais comme le montre leur travail, les chimistes synthétiques peuvent également « contribuer au domaine en concevant moléculairement un produit de déchet organique en une molécule de stockage d’énergie ».

Moins populaires que les batteries traditionnelles au lithium ou les batteries à état solide, qui stockent de grandes quantités d’énergie dans des électrodes liquides ou solides respectivement, les batteries à flux redox utilisent une réaction chimique qui facilite le flux d’énergie entre les électrolytes pour stocker l’énergie.

La découverte la plus récente rend les RFB très avantageuses du fait qu’elles utilisent une molécule organique et peuvent atteindre une grande stabilité ainsi qu’une haute densité énergétique, se rapprochant ainsi des concurrents à base de métaux.

Ces deux paramètres particuliers, selon la première auteure Emily Mahoney, doctorante dans le laboratoire Malapit, ont été « traditionnellement difficiles à optimiser simultanément », mais maintenant qu’ils ont été démontrés pour une molécule issue de déchets, c’est simplement « exaltant ».

Cependant, atteindre à la fois une densité énergétique et une stabilité nécessite de concevoir une méthode permettant aux électrons de se regrouper étroitement sans perdre de capacité de stockage au fil du temps. L’équipe de recherche a trouvé sa stratégie dans un article datant d’il y a un demi‑siècle décrivant l’électrochimie des oxydes de phosphine, un groupe fonctionnel en chimie organique.

L’étude était en fait la « première utilisation » des oxydes de phosphine comme composant redox‑actif dans la recherche sur les batteries.

Les oxydes de phosphine réduits ont traditionnellement été très instables, mais l’approche d’ingénierie moléculaire de la dernière étude a résolu cette instabilité, ouvrant ainsi la voie à leur utilisation dans le stockage d’énergie.

Pour évaluer la performance de la molécule, les chercheurs ont ensuite réalisé des tests à l’aide d’expériences de charge et de décharge électrochimiques statiques. Après avoir traversé 350 cycles de charge, d’utilisation et de recharge de la batterie, l’équipe a constaté que la batterie conservait son état remarquable et ne perdait qu’une capacité négligeable au fil du temps.

Ne présentant aucune perte de capacité pendant 350 cycles, l’étude conclut que « cette molécule est destinée à mener le domaine, non seulement grâce à ses performances impressionnantes mais aussi à sa durabilité en termes de ressources ».

En ce qui concerne les batteries à flux redox, en plus de l’utilisation du déchet chimique industriel oxydes de triphénylphosphine pour le stockage d’énergie, d’autres recherches allant de la conception innovante de membranes, à l’utilisation de DMQA comme matériau électrolytique, et à l’ajustement de la charge Hirshfeld des catholytes TEMPO contribuent également à l’avancement des RFB.

Déchets d’autres industries alimentant la technologie des batteries

Bien que cette avancée soit importante, cette étude n’est pas la seule à exploiter un déchet industriel non recyclé en produit utile ; au fil des ans, plusieurs études ont utilisé les déchets pour améliorer la technologie des batteries.

Cela inclut l’utilisation du laitier d’acier, sous‑produit de la fabrication de l’acier, qui a été étudié comme matériau de stockage d’énergie. Dans une étude, des chercheurs ont créé des cellules supercondensatrices structurelles vertes (SSC) avec de la poudre de laitier d’acier (SSP) et de la poudre de verre (GP) qui présentaient une bonne multifonctionnalité en termes de résistance et de capacité surfacique.

Dans une autre étude, des chercheurs ont examiné les performances thermiques du laitier d’acier et l’ont trouvé comme matériau de stockage de chaleur sensible. L’activation au Na2CO3 leur a permis d’augmenter la capacité de stockage thermique du matériau de plus de 25 % et sa conductivité thermique de plus de 32 %.

L’utilisation du plus grand sous‑produit de l’industrie sidérurgique ne se limite pas à la recherche. Même le deuxième plus grand producteur d’acier au monde, ArcelorMittal (ARRD.DE ) (MT ), a testé le sous‑produit comme stockage d’énergie thermique dans le processus de fabrication de l’acier afin de réduire l’utilisation de combustibles fossiles pour le chauffage. L’entreprise utilise en fait le laitier Linz‑Donawitz (LD) pour fabriquer environ 30 nouveaux produits, qui sont utilisés pour construire des routes et des poteaux de clôture, comme matière première pour le ciment et pour la filtration des eaux usées.

Le laitier d’acier, les cendres de charbon et les résidus miniers, parmi d’autres matériaux, sont également utilisés pour le stockage durable du carbone. Le potentiel de stockage de CO₂ des sous‑produits industriels est estimé entre 2,9 et 8,5 milliards de tonnes par an d’ici 2100, selon la production de déchets industriels.

Les cendres volantes sont un autre matériau, sous‑produit des centrales à charbon, et sont explorées comme anodes de batterie. Des chercheurs d’Arabie Saoudite ont utilisé le carbone des cendres volantes comme matériau d’anode pour les batteries à ions métalliques alcalins, ce qui a montré des capacités relativement élevées et une excellente stabilité de cyclage. Dans une autre étude, des chercheurs ont réalisé la grande valeur ajoutée du sous‑produit en le transformant en poudres de silicium nanostructurées et en les appliquant comme matériaux actifs d’anode pour les batteries lithium‑ion, présentant de bonnes performances électrochimiques.

La biomasse et les matériaux de déchets non exploités générés lors de la production d’énergie peuvent également être utilisés efficacement pour créer des matériaux carbonés destinés aux dispositifs de stockage d’énergie tels que les batteries, les cellules solaires et les supercondensateurs. En plus d’utiliser les déchets, cela élimine les difficultés liées au recyclage sûr des ingrédients de déchets et à la consommation de combustibles fossiles.

Les carbones dérivés de la biomasse sont obtenus en convertissant les déchets végétaux et animaux en matériaux carbonés poreux via des procédés artificiels. Les structures résultantes, avec leur conductivité, surface spécifique et porosité relativement élevées, en font d’excellents candidats pour les applications de stockage d’énergie, notamment les supercondensateurs.

Les matériaux carbonés, largement utilisés dans les supercondensateurs comme électrodes en raison de leur haute porosité et surface spécifique, se distinguent davantage grâce à la biomasse carbone, qui bénéficie d’une source abondante, d’un faible coût, d’une haute densité de puissance, d’une durée de cycle prolongée et d’une moindre pollution.

Des scientifiques utilisent même les déchets plastiques pour fabriquer des anodes de batterie haute performance pour la prochaine génération de batteries. Une équipe de scientifiques singapouriens a développé une méthode consistant à décomposer les molécules chimiquement liées en molécules plus courtes afin de fabriquer des électrolytes polymères à partir de bouteilles en plastique PET usagées.

Il y a également le recyclage des anciennes batteries lithium‑ion, qui permet de récupérer le cobalt, le lithium et le nickel et de les réutiliser dans de nouveaux systèmes de stockage d’énergie.

La grande majorité de l’approvisionnement mondial en lithium (Li) provient naturellement de produits primaires issus de saumures et de gisements de roche dure, et se trouve principalement en Australie, en Chine et en Amérique latine. L’approvisionnement en cobalt, quant à lui (moins de 10 % provenant d’un produit primaire et le reste étant un sous‑produit des mines de cuivre et de nickel), est dominé par la République démocratique du Congo (RDC), qui représente 65 % de la production mondiale.

Ainsi, le recyclage des composants des anciennes batteries réduit non seulement les déchets mais aussi la nécessité de nouvelles matières premières, qui, bien que disponibles en abondance, posent le problème d’une extraction gourmande en ressources et d’une distribution géographique limitée.

Entreprises publiques pertinentes

Voyons maintenant les entreprises qui réalisent des avancées dans les industries connexes.

1. Fluence Energy, Inc.

Fournisseur mondial de solutions de stockage d’énergie, Fluence vise à accélérer la transition énergétique propre grâce à Gridstack Pro, Gridstack, Sunstack, Edgestack et Ultrastack. Il existe également la plateforme Fluence IQ, qui propose des services d’IA pour gérer et optimiser les énergies renouvelables et le stockage.

Les actions de Fluence Energy, d’une capitalisation boursière de 3 milliards de dollars, s’échangent à 16,56 $ au moment de la rédaction, en hausse de 4,28 % depuis le début de l’année. Elles affichent un BPA (TTM) de -0,08 et un PER (TTM) de -219,92. Pour le trimestre se terminant le 30 septembre, la société a déclaré un chiffre d’affaires de 1,3 milliard de dollars et un bénéfice net positif de 67,7 millions de dollars pour la première fois. Le carnet de commandes trimestriel était de 1,2 milliard de dollars, tandis que le backlog a augmenté à environ 4,5 milliards de dollars. Sa trésorerie s’élevait, quant à elle, à 518,7 millions de dollars.

Le « chiffre d’affaires et la rentabilité les plus élevés jamais enregistrés », a souligné le PDG Julian Nebreda, le qualifiant de « jalon important dans la trajectoire de croissance de l’entreprise ». En regardant vers l’avenir, Nebreda a déclaré observer une « demande sans précédent pour les solutions de stockage d’énergie par batterie à travers le monde, principalement tirée par le marché américain ».

2. Waste Management

Spécialisée dans le recyclage des déchets industriels, Waste Management propose des solutions environnementales comprenant la collecte, le recyclage et l’élimination pour les clients résidentiels, commerciaux et municipaux.

Les actions de Waste Management, d’une capitalisation boursière de 83,29 milliards de dollars, s’échangent à 207,53 $ au moment de la rédaction, en hausse de 2,84 % depuis le début de l’année. Elles affichent un BPA (TTM) de 6,54 et un PER (TTM) de 31,71, tandis que le rendement du dividende est de 1,45 %.

Pour le troisième trimestre 2024, la société a enregistré une hausse de 7,9 % de son chiffre d’affaires grâce à une exécution solide des prix, à des prix de marché plus élevés pour les produits recyclables qu’elle vend, et à une augmentation significative des volumes de décharges. Waste Management a désormais achevé huit projets de recyclage au cours du trimestre, et plus de la moitié de ses projets d’automatisation et nouveaux projets prévus ont contribué à 1,5 million de tonnes de capacité de recyclage annuelle en Amérique du Nord.

“Nos résultats solides ont été menés par notre activité de collecte et d’élimination, où nos efforts ciblés sur la rétention du personnel de première ligne, l’optimisation de notre structure de coûts et la fourniture d’un service différencié à nos clients ont stimulé la croissance des bénéfices.”

– PDG Jim Fish

Conclusion

Les déchets industriels augmentent constamment en raison de la croissance démographique et des avancées technologiques, et s’ils ne sont pas gérés correctement, ils peuvent entraîner des conséquences mortelles. En plus de la pollution de l’air et de l’eau, ces déchets provoquent la dégradation des sols, le réchauffement climatique et des dommages à notre écosystème. Étant donné qu’une petite partie seulement de ces déchets est recyclée, les dernières découvertes qui transforment les déchets industriels en agents de stockage d’énergie sont extrêmement bénéfiques pour l’environnement et ouvrent la voie à un avenir durable et plus sain.

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