Rivoluzione dell'Energia Verde: Rifiuti Industriali che Alimentano le Batterie di Nuova Generazione

La consapevolezza delle problematiche ambientali sta crescendo in tutto il mondo sia tra i giovani sia tra gli adulti. Di fronte alla minaccia del cambiamento climatico e ai suoi effetti dannosi sul nostro pianeta, un numero sempre maggiore di persone è preoccupata di come le proprie azioni influenzino l’ambiente e partecipa a movimenti focalizzati sulla salvaguardia della Terra.

Il Global Consumer Insights Pulse Survey 2021 di PwC ha rivelato che metà dei consumatori intervistati a livello mondiale ha dichiarato di essere diventata più ecologica, mentre il suo sondaggio del 2023 mostra che otto consumatori su dieci sono disposti a pagare fino al 5 % in più per prodotti realizzati in modo sostenibile.

In confronto ai risultati del sondaggio del 2019, in cui il 35 % degli intervistati affermava di scegliere prodotti sostenibili, il 37 % cercava imballaggi ecologici e il 41 % evitava l’uso della plastica quando possibile, i risultati del 2021 hanno mostrato percentuali superiori di dieci‑venti punti per le stesse domande. 

Uno stile di vita sostenibile sta diventando sempre più importante per i consumatori di tutto il mondo, i quali desiderano anche che aziende e marchi siano più sostenibili ed ecologici.

Questo cambiamento di comportamento è positivo, considerando che ogni anno vengono prodotti circa 2 miliardi di tonnellate di rifiuti industriali a livello globale. Non solo i rifiuti industriali rappresentano circa la metà di tutti i rifiuti, ma solo circa il 2 % di essi viene effettivamente riciclato.

La causa principale dei rifiuti industriali è costituita dai sottoprodotti di una vasta gamma di processi, tra cui lavorazione dei metalli, produzione chimica, trasformazione alimentare, produzione farmaceutica ed estrazione di petrolio e gas. Pratiche di gestione inadeguate possono generare ulteriori rifiuti industriali con impatti ambientali negativi. 

Tuttavia, con la crescente consapevolezza dei consumatori, unitamente all’aumento dell’interesse di molti paesi per una corretta gestione dei rifiuti e alla rapida crescita della domanda di soluzioni per la gestione dei rifiuti industriali, il mercato globale della gestione dei rifiuti industriali dovrebbe raggiungere $1,79 miliardi entro il 2032. L’emergere di nuove tecnologie e la crescente complessità dei tipi di rifiuti prodotti contribuiscono anch’essi a questa crescita. 

Negli Stati Uniti, il mercato della gestione dei rifiuti industriali si prevede che crescerà ulteriormente, arrivando a un valore stimato di $323,81 miliardi nel periodo considerato.

Oltre alla gestione dei rifiuti, ricercatori e aziende stanno esplorando altri modi per trattare i rifiuti, come upcycling, riprogettazione dei prodotti, alternative biodegradabili, modelli di economia circolare, soluzioni microbiche e tecnologie innovative di riciclaggio.

Trasformare i rifiuti in risorse è l’ultimo impegno dei ricercatori. Recentemente abbiamo condiviso come un team di ricerca della Cornell abbia estratto oro dai rifiuti elettronici per poi usarlo come catalizzatore nella conversione di CO₂ in materiali organici.

Uno studio recente sta ora sviluppando batterie verdi a partire da rifiuti industriali, offrendo un’alternativa alle batterie utilizzate nei nostri dispositivi, come telefoni e persino auto. 

Le batterie attualmente in uso dipendono da metalli come litio e cobalto, entrambi estratti mediante attività minerarie invasive e intensive. 

L’adozione crescente dei veicoli elettrici, insieme all’aumento della domanda di e‑bike, elettronica di consumo, sistemi di accumulo energetico, utensili elettrici e altre applicazioni ad alta richiesta di batterie, richiede un allontanamento dalle soluzioni basate su metalli e favorisce la transizione verso l’energia verde.

Utilizzare i rifiuti industriali per immagazzinare energia

Con l’aumento della dipendenza da fonti di energia rinnovabile e intrinsecamente intermittenti, un team di ricercatori della Northwestern sta promuovendo l’espansione della capacità di stoccaggio energetico per soddisfare le esigenze della nostra rete, e per questo hanno trasformato un rifiuto organico su scala industriale in una soluzione di immagazzinamento efficiente in grado di fornire energia sostenibile. 

L’studio si è concentrato sulle batterie a flusso redox (RFB), batterie ricaricabili studiate per la loro flessibilità, scalabilità e capacità di ciclaggio prolungato. 

Il mercato delle batterie a flusso redox rappresenta attualmente una piccola parte del mercato delle batterie, ma si prevede che crescerà da meno di $300 milioni nel 2024 a oltre $1 miliardo entro il 2033. Questa espansione sarà trainata da un crescente spostamento verso fonti di energia rinnovabile, dalla necessità di soluzioni di immagazzinamento energetico affidabili e su larga scala, da iniziative governative favorevoli e da continui progressi tecnologici volti a migliorare l’efficienza delle batterie e a ridurne i costi.

I progressi nelle RFB le rendono un’opzione pratica per lo stoccaggio su larga scala, ma mostrano una bassa densità energetica. 

Negli ultimi anni, sono stati fatti progressi nell’aumentare la stabilità delle molecole organiche redox‑attive (ROM), che sono considerate candidati promettenti per costruire RFB sostenibili su larga scala. La maggior parte delle ROM valutata richiede, tuttavia, una sintesi multistep e la disponibilità limitata di materie prime ostacola la loro applicazione.

Un altro problema è la scarsa stabilità degli anoliti. Gli anoliti vengono impiegati nelle RFB, dove subiscono reazioni elettrochimiche che producono energia e la immagazzinano. Il tipo di anolita utilizzato può influenzare capacità, reversibilità e stabilità.

Così, i ricercatori della Northwestern hanno deciso di utilizzare un composto organico derivato da rifiuti industriali come ROM per applicazioni di RFB non acquose (NARFB). Sebbene molte varianti di queste batterie siano in fase di ricerca per applicazioni su scala di rete, questo uso di materiale organico di scarto segna la prima volta nel settore.

La molecola di scarto è l’ossido di trifenilfosfina (TPPO), un noto sottoprodotto industriale prodotto per migliaia di tonnellate ogni anno attraverso vari processi di sintesi organica. Questo sottoprodotto chimico, stabile ma con applicazioni limitate, viene lasciato inutilizzato e necessita di una corretta smaltimento.

Il sottoprodotto non utilizzato, privo di valore, è tollerato solo grazie alle impressionanti reattività del suo precursore, trifenilfosfina (TPP). 

Con il supporto della Northwestern, dell’Office of Basic Energy Sciences del DOE e della National Science Foundation Graduate Research Fellowship, i ricercatori sono riusciti a trasformare questo scarto in un prodotto prezioso mediante una reazione “one‑pot”. La soluzione risultante mostra un forte potenziale come metodo di immagazzinamento energetico, aprendo la strada a batterie a flusso redox organiche derivate da rifiuti.

“La nostra scoperta dimostra il potenziale di trasformare composti di scarto in risorse preziose, offrendo una via sostenibile per l’innovazione nella tecnologia delle batterie.”

– Autore principale Christian Malapit, chimico della Northwestern e professore assistente presso il Dipartimento di Chimica del Weinberg College of Arts and Sciences

Ha sottolineato come ingegneri e scienziati dei materiali dominino la ricerca sulle batterie, ma come dimostra il loro lavoro, anche i chimici sintetici possono “contribuire al campo ingegnerizzando a livello molecolare un prodotto di scarto organico in una molecola capace di immagazzinare energia”.

Meno popolari delle tradizionali batterie al litio o delle batterie allo stato solido, che immagazzinano grandi quantità di energia in elettrodi liquidi o solidi rispettivamente, le batterie a flusso redox sfruttano una reazione chimica che consente il flusso di energia tra gli elettroliti per immagazzinarla.

La scoperta più recente rende le RFB altamente vantaggiose poiché utilizzano una molecola organica e possono raggiungere alta stabilità oltre a una densità energetica elevata, avvicinandosi ai concorrenti a base metallica. 

Questi due parametri, secondo la prima autrice Emily Mahoney, candidata al dottorato nel laboratorio Malapit, sono stati “tradizionalmente difficili da ottimizzare insieme”, ma ora che sono stati dimostrati per una molecola derivata da scarto, è semplicemente “entusiasmante”.

Tuttavia, ottenere sia alta densità energetica sia stabilità richiede una strategia che permetta agli elettroni di avvicinarsi senza perdere capacità di immagazzinamento nel tempo. Il team di ricerca ha trovato la sua strategia in un articolo di mezzo secolo fa che descriveva l’elettrochimica degli ossidi di fosfina, un gruppo funzionale della chimica organica.

Lo studio è stato in realtà la “prima occasione” di utilizzo degli ossidi di fosfina come componente redox‑attivo nella ricerca sulle batterie.

Gli ossidi di fosfina ridotti sono tradizionalmente molto instabili, ma l’approccio di ingegneria molecolare dello studio più recente ha risolto tale instabilità, “spianando la via alla loro applicazione nello stoccaggio energetico”.

Per valutare le prestazioni della molecola, i ricercatori hanno poi eseguito test mediante esperimenti statici di carica e scarica elettrochimica. Dopo aver completato 350 cicli di carica, utilizzo e ricarica della batteria, il team ha scoperto che la batteria manteneva una salute notevole e perdeva solo una capacità trascurabile nel tempo.

L’assenza di degrado della capacità per 350 cicli, conclude lo studio, posiziona “questa molecola al vertice del settore, grazie non solo alle sue prestazioni impressionanti ma anche alla sostenibilità delle risorse”.

Per quanto riguarda le batterie a flusso redox, oltre all’uso dell’ossido di trifenilfosfina come scarto chimico industriale per l’immagazzinamento energetico, altre ricerche che vanno dal design innovativo di membrane, all’uso di DMQA come materiale elettrolitico, e all’adeguamento della carica di Hirshfeld dei catoliti TEMPO contribuiscono anch’essi all’avanzamento delle RFB.

Altri rifiuti industriali che alimentano la tecnologia delle batterie 

Pur essendo una scoperta importante, questo studio non è l’unico a utilizzare un comune rifiuto industriale non riciclato per creare un prodotto utile; nel corso degli anni, diversi studi hanno impiegato i rifiuti per migliorare la tecnologia delle batterie.

Ciò include l’uso di scorie d’acciaio, sottoprodotto della produzione di acciaio, che è stato esplorato come materiale per l’immagazzinamento energetico. In uno studio, i ricercatori hanno creato celle supercondensatrici strutturali verdi (SSCs) con polvere di scoria d’acciaio (SSP) e polvere di vetro (GP) che hanno mostrato buona multifunzionalità di resistenza e capacità areale. 

In un altro studio, i ricercatori hanno esaminato le prestazioni termiche della scoria d’acciaio e l’hanno identificata come materiale per lo stoccaggio di calore sensibile. L’attivazione con Na2CO3 ha permesso di aumentare la capacità di immagazzinamento termico di oltre il 25 % e la conduttività termica di oltre il 32 %.

L’uso del più grande sottoprodotto di scarto dell’industria siderurgica non è limitato alla ricerca. Anche il secondo produttore mondiale di acciaio, ArcelorMittal (ARRD.DE ) (MT ), ha testato il sottoprodotto come materiale di stoccaggio termico nel processo di produzione dell’acciaio per ridurre l’uso di combustibili fossili per il calore. L’azienda utilizza la scoria Linz‑Donawitz (LD) per produrre circa 30 nuovi prodotti, che vengono impiegati per costruire strade e pali recintati, come materia prima per il cemento e per la filtrazione delle acque reflue.

Scorie d’acciaio, cenere di carbone e residui minerari, tra gli altri materiali, sono anche utilizzati per l’immagazzinamento durevole del carbonio. Il potenziale di stoccaggio di CO₂ dei sottoprodotti industriali è stimato tra 2,9 e 8,5 miliardi di tonnellate all’anno entro il 2100, a seconda della produzione di rifiuti industriali.

La cenere volante è un altro materiale derivante dalle centrali a carbone ed è oggetto di studio per gli anodi delle batterie. Ricercatori sauditi hanno impiegato il carbonio della cenere volante come materiale anodico per batterie agli ioni di metalli alcalini, che hanno mostrato capacità relativamente elevate e ottima stabilità di ciclaggio. In un altro studio, i ricercatori hanno realizzato polveri di silicio nanostrutturate a partire dal sottoprodotto, impiegandole come materiali attivi anodici per batterie al litio, ottenendo buone prestazioni elettrochimiche.

Biomasse e materiali di scarto non utilizzati, che vengono generati durante la produzione di energia, possono anche essere impiegati efficacemente per creare materiali di carbonio destinati a dispositivi di immagazzinamento energetico come batterie, celle solari e supercondensatori. Oltre a valorizzare i rifiuti, ciò elimina le difficoltà legate al riciclaggio sicuro degli ingredienti di scarto e al consumo di combustibili fossili. 

I carboni derivati da biomassa si ottengono convertendo rifiuti vegetali e animali in materiali di carbonio porosi mediante processi artificiali. Le strutture risultanti, con elevata conduttività, superficie specifica e porosità, li rendono eccellenti candidati per applicazioni di immagazzinamento energetico, in particolare supercondensatori.

Con i materiali di carbonio ampiamente usati nei supercondensatori come elettrodi grazie all’alta porosità e superficie specifica, il carbonio da biomassa si distingue per la sua ampia disponibilità, basso costo, alta densità di potenza, vita ciclica prolungata e minore impatto ambientale.

Gli scienziati stanno persino impiegando rifiuti plastici per produrre anodi di batterie ad alte prestazioni per la prossima generazione di batterie. Un team di ricercatori di Singapore ha sviluppato un metodo che prevede la scissione chimica delle molecole legate per produrre molecole più corte e realizzare elettroliti polimerici da bottiglie di PET (polietilentereftalato) di plastica di scarto.

Poi c’è il riciclo delle vecchie batterie agli ioni di litio, che consente il recupero di cobalto, litio e nichel per il loro riutilizzo in nuovi sistemi di immagazzinamento energetico. 

La stragrande maggioranza delle riserve mondiali di litio (Li) si trova in natura come prodotto primario in salamoie e minerali rocciosi e si trova principalmente in Australia, Cina e America Latina. La fornitura di cobalto, invece (meno del 10 % del quale è prodotto come prodotto primario, il resto come sottoprodotto di miniere di rame e nichel), è dominata dalla Repubblica Democratica del Congo (RDC), che fornisce il 65 % della produzione globale.

Quindi, il riciclo dei componenti delle vecchie batterie non solo riduce i rifiuti, ma anche la necessità di nuove materie prime, le quali, pur essendo abbondanti, comportano estrazioni ad alta intensità di risorse e una distribuzione geografica limitata.

Società pubbliche rilevanti 

Ora diamo uno sguardo alle aziende che stanno facendo progressi nei settori correlati. 

1. Fluence Energy, Inc.

Fornitore globale di soluzioni di accumulo energetico, Fluence mira a guidare la transizione verso l’energia pulita attraverso Gridstack Pro, Gridstack, Sunstack, Edgestack e Ultrastack. Esiste anche la Fluence IQ Platform, che offre servizi di IA per gestire e ottimizzare le energie rinnovabili e lo stoccaggio.

Le azioni di Fluence Energy, con una capitalizzazione di mercato di $3 miliardi al momento della stesura, sono quotate a $16,56, in rialzo del 4,28 % YTD. Presentano un EPS (TTM) di -0,08 e un P/E (TTM) di -219,92. Per il trimestre conclusosi il 30 settembre, l’azienda ha registrato un fatturato di $1,3 miliardi e un utile netto positivo di $67,7 milioni per la prima volta. L’ordine trimestrale è stato di $1,2 miliardi, mentre il backlog è aumentato a circa $4,5 miliardi. La posizione di cassa, nel frattempo, era di $518,7 milioni.

Il “fatturato e la redditività più alti di sempre”, ha osservato il CEO Julian Nebreda, definendoli “un traguardo significativo nel percorso di crescita dell’azienda”. Guardando al futuro, Nebreda ha evidenziato una “domanda senza precedenti per soluzioni di accumulo energetico a batteria in tutto il mondo, trainata principalmente dal mercato statunitense”.

2. Waste Management

Concentrata sul riciclo dei rifiuti industriali, Waste Management offre soluzioni ambientali che includono servizi di raccolta, riciclo e smaltimento per clienti residenziali, commerciali e municipali.

Le azioni di Waste Management, con una capitalizzazione di mercato di $83,29 miliardi al momento della stesura, sono quotate a $207,53, in rialzo del 2,84 % YTD. Presentano un EPS (TTM) di 6,54 e un P/E (TTM) di 31,71, mentre il dividend yield è dell’1,45 %.

Per il Q3 2024, l’azienda ha registrato un aumento del 7,9 % del fatturato grazie a una forte esecuzione dei prezzi, a prezzi di mercato più alti per le materie prime riciclabili vendute e a un notevole incremento dei volumi di discarica. Waste Management ha ora completato otto progetti di riciclo nel trimestre, e più della metà dei suoi piani di automazione e nuovi progetti hanno contribuito a 1,5 milioni di tonnellate di capacità di riciclo annuale in Nord America.

“I nostri solidi risultati sono stati guidati dal nostro business di Raccolta e Smaltimento, dove gli sforzi focalizzati sulla fidelizzazione del personale di prima linea, l’ottimizzazione della struttura dei costi e la fornitura di servizi differenziati ai clienti hanno alimentato la crescita degli utili.”

– CEO Jim Fish

Conclusione

I rifiuti industriali continuano a crescere a causa dell’aumento della popolazione e del progresso tecnologico e, se non gestiti correttamente, possono provocare conseguenze letali. Oltre all’inquinamento dell’aria e dell’acqua, questi rifiuti causano degrado del suolo, riscaldamento globale e danni al nostro ecosistema. Considerato che solo una piccola parte di questi rifiuti viene riciclata, le ultime scoperte che trasformano i rifiuti industriali in agenti di immagazzinamento energetico sono estremamente vantaggiose per l’ambiente e aprono la strada verso un futuro più sostenibile e più sano.

Clicca qui per un elenco delle principali azioni di batterie.