Révolution de l’énergie verte: Déchets industriels alimentant les batteries de nouvelle génération

La prise de conscience des enjeux environnementaux tant chez les jeunes que chez les adultes augmente à travers le monde. Alors que nous faisons face à la menace du changement climatique et à ses effets néfastes sur notre planète, une population croissante s’inquiète de la façon dont leurs actions affectent l’environnement et participe à des mouvements axés sur la sauvegarde de la Terre.

L’enquête 2021 Global Consumer Insights Pulse Survey de PwC a révélé que la moitié des consommateurs interrogés dans le monde ont déclaré être devenus plus éco‑responsables, 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 ont indiqué choisir des produits durables, 37 % ont déclaré rechercher des emballages respectueux de l’environnement, et 41 % ont affirmé éviter l’utilisation du plastique lorsqu’ils le pouvaient, les résultats de l’enquête de 2021 ont montré des pourcentages supérieurs de dix à vingt points pour les mêmes réponses. 

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

Cependant, avec la prise de conscience croissante des consommateurs, ainsi que de plus en plus de pays se concentrant sur une élimination efficace des déchets et une demande croissante de solutions de gestion des déchets industriels, le marché mondial de la gestion des déchets industriels devrait atteindre $1,79 milliard d’ici 2032. L’émergence de nouvelles technologies et la complexité croissante des types de déchets générés contribuent également à cette croissance. 

Aux États‑Unis, le marché de la gestion des déchets industriels devrait croître encore davantage et devrait atteindre une valeur estimée à 323,81 milliards de dollars au cours de cette période.

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 le dernier effort 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 comme le lithium et le cobalt, tous deux obtenus par une exploitation minière invasive et intensive. 

L’adoption croissante des véhicules électriques, ainsi que le besoin croissant d’e‑bikes, d’électronique grand public, de stockage d’énergie, d’outils électriques et d’autres applications intensives en batteries, appelle à un éloignement des solutions à base de métaux et facilite la transition énergétique verte.

Utilisation des 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 une augmentation de la capacité de stockage d’énergie afin de répondre aux exigences de notre réseau, et pour cela, ils ont transformé un déchet organique à l’échelle industrielle en une solution de stockage efficace pouvant fournir de l’énergie durable. 

L’objectif de la étude portait sur les batteries à flux redox (RFB), qui sont des batteries rechargeables étudiées pour leur flexibilité, leur évolutivité et leurs capacités de cyclage prolongé. 

Le marché des batteries à flux redox représente actuellement une petite part du marché des batteries, mais devrait passer de moins de 300 millions de dollars en 2024 à bien plus d’un milliard de dollars 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 dans les RFB en font une option pratique pour le stockage d’énergie à grande échelle, mais elles affichent une faible densité énergétique. 

Ces dernières années, des progrès ont été réalisés pour augmenter la stabilité des molécules organiques redox‑actives (ROM), qui sont perçues comme des candidates prometteuses pour la construction de RFB durables pour le stockage d’énergie à grande échelle. La plupart des ROM en cours d’évaluation, cependant, nécessitent une synthèse à plusieurs étapes, et la disponibilité limitée des matières premières entrave leur application.

Ensuite, il faut noter 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 stockent l’énergie. Le type d’anolyte utilisé dans une RFB peut affecter sa capacité, sa réversibilité et sa stabilité.

Ainsi, les chercheurs de Northwestern ont utilisé 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 en cours de recherche pour des applications à l’échelle du réseau, cette utilisation de matière organique issue de déchets représente une première dans le domaine.

La molécule de déchet est le trioxyde de triphénylphosphine (TPPO), un sous‑produit industriel bien connu produit à des milliers de tonnes chaque année à travers divers processus de synthèse organique industrielle. Ce sous‑produit chimique, chimiquement stable et aux applications limitées, est laissé inutilisé et doit être éliminé avec soin.

Le sous‑produit inutilisé, qui n’a aucune valeur, n’est toléré que grâce aux réactivités impressionnantes de son précurseur, le triphénylphosphine (TPP). 

Avec le soutien de Northwestern, du Bureau des sciences de base de l’énergie du DOE et de la bourse de recherche doctorale de la National Science Foundation, les chercheurs ont toutefois pu transformer ce déchet en un produit précieux grâce à une réaction « one‑pot ». La solution résultante montre un fort potentiel comme moyen de stocker l’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 leurs recherches le démontrent, les chimistes synthétiques peuvent également « contribuer au domaine en ingénierie moléculaire d’un produit de déchet organique en une molécule de stockage d’énergie ».

Moins populaires que le lithium traditionnel 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, étant donné qu’elles utilisent une molécule organique et peuvent atteindre une haute stabilité ainsi qu’une haute densité énergétique, se rapprochant ainsi des concurrents à base de métal. 

Ces deux paramètres particuliers, selon la première auteure Emily Mahoney, candidate au doctorat 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 la densité énergétique et la stabilité nécessite de concevoir une méthode permettant aux électrons de se placer étroitement sans perdre la capacité de stockage au fil du temps. L’équipe de recherche a trouvé sa stratégie dans un article 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 le « premier cas » d’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 application dans le stockage d’énergie ».

Pour évaluer les performances de la molécule, les chercheurs ont ensuite réalisé des tests utilisant des expériences de charge et de décharge électrochimiques statiques. Après avoir traversé 350 cycles de charge, d’utilisation et de recharge, l’équipe a constaté que la batterie maintenait son état de santé 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, attribuée non seulement à ses performances impressionnantes mais aussi à la durabilité des ressources ».

En ce qui concerne les batteries à flux redox, en plus de l’utilisation du déchet chimique industriel triphénylphosphine oxydé pour le stockage d’énergie, d’autres recherches allant de conceptions de membranes innovantes, 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 percée soit importante, cette étude n’est pas la seule à exploiter un déchet industriel commun non recyclé en un produit utile ; au fil des années, 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 exploré comme matériau de stockage d’énergie. Dans une étude, les chercheurs ont créé des cellules supercondensateurs structurelles vertes (SSC) avec de la poudre de laitier d’acier (SSP) et de la poudre de verre (GP) qui ont présenté une bonne multifonctionnalité de résistance et de capacité areale. 

Dans une autre étude, les chercheurs ont examiné la performance thermique 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 la conductivité thermique de plus de 32 %.

L’utilisation du plus grand sous‑produit de déchets 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 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, entre autres matériaux, sont également utilisés pour le stockage durable du carbone. Le potentiel de stockage du 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.

La cendre volante est un autre matériau, sous‑produit des centrales à charbon, qui est exploré pour les anodes de batteries. Des chercheurs d’Arabie Saoudite ont utilisé le carbone de la cendre volante comme matériau d’anode pour les batteries à ions métal alcalin, ce qui a montré des capacités relativement élevées et une excellente stabilité de cyclage. Dans une autre étude, les chercheurs ont réalisé la haute 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.

Les biomasses et matériaux de déchets non exploités qui sont générés lors de la production d’énergie peuvent également être efficacement utilisés 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 relativement élevée, leur surface spécifique et leur porosité, en font d’excellents candidats pour les applications de stockage d’énergie, notamment les supercondensateurs.

Les matériaux carbonés sont largement utilisés dans les supercondensateurs comme électrodes en raison de leur haute porosité et surface spécifique ; le carbone de biomasse se distingue également par sa source abondante, son faible coût, sa haute densité de puissance, sa durée de cycle prolongée et sa moindre pollution.

Les scientifiques utilisent même les déchets plastiques pour fabriquer des anodes de batterie haute performance pour la prochaine génération de batteries. Une équipe de scientifiques de Singapour 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 PET (polyéthylène téréphtalate) usagées.

Ensuite, il y a le recyclage des anciennes batteries lithium‑ion, qui permet la récupération du cobalt, du lithium et du nickel et leur réutilisation dans de nouveaux systèmes de stockage d’énergie. 

La grande majorité de l’approvisionnement mondial en lithium (Li) provient naturellement de produits primaires dans les saumures et les gisements de roches dures, 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 produit comme 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 abondantes, 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 fournit 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 au moment de la rédaction, se négocient à 16,56 $, 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 clos 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. Les commandes trimestrielles s’élevaient à 1,2 milliard de dollars, tandis que le carnet de commandes 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 noté le PDG Julian Nebreda, constituant « une étape importante 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

Axée sur le recyclage des déchets industriels, Waste Management (WM ) propose des solutions environnementales incluant 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 au moment de la rédaction, se négocient à 207,53 $, 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 déclaré 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 matières premières recyclables qu’elle vend, et à une augmentation significative des volumes d’enfouissement. Waste Management a désormais achevé huit projets de recyclage au cours du trimestre, et plus de la moitié de son automatisation prévue et de ses nouveaux projets ont contribué à 1,5 million de tonnes de capacité de recyclage annuelle à travers l’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 conduisent à la dégradation des sols, au réchauffement climatique et aux dommages à notre écosystème. Étant donné qu’une petite partie seulement de ces déchets est recyclée, les découvertes récentes qui transforment les déchets industriels en agents de stockage d’énergie sont extrêmement bénéfiques pour l’environnement et ouvrent la voie vers un avenir durable et plus sain.

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