Rivoluzione dell’Energia Verde: Rifiuti industriali alimentano le batterie di nuova generazione

La consapevolezza delle problematiche ambientali, sia tra i giovani che tra gli adulti, sta crescendo in tutto il mondo. Di fronte alla minaccia del cambiamento climatico e al suo effetto dannoso sul nostro pianeta, una popolazione sempre più numerosa è preoccupata di come le proprie azioni influenzino l’ambiente e partecipa a movimenti focalizzati sul salvare la Terra.

Il Global Consumer Insights Pulse Survey 2021 di PwC ha rivelato che la 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 ha dichiarato di scegliere prodotti sostenibili, il 37% ha detto di cercare imballaggi ecologici e il 41% ha affermato di evitare l’uso della plastica quando potevano, i risultati del sondaggio del 2021 hanno mostrato percentuali da dieci a venti punti più alte rispetto a quanto sopra. 

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

Questo cambiamento di comportamento è positivo, dato che circa 2 miliardi di tonnellate di rifiuti industriali vengono prodotti annualmente 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 sono i sottoprodotti di una vasta gamma di processi diversi, tra cui la lavorazione dei metalli, la produzione chimica, la trasformazione alimentare, la produzione farmaceutica e l’estrazione di petrolio e gas. Pratiche inadeguate di gestione dei rifiuti possono generare ulteriori rifiuti industriali che impattano negativamente sull’ambiente.

Tuttavia, con la crescente consapevolezza tra i consumatori, insieme a un maggior numero di paesi che si concentrano su una gestione efficace dei rifiuti e una domanda in rapida crescita di soluzioni per la gestione dei rifiuti industriali, si prevede che il mercato globale della gestione dei rifiuti industriali crescerà fino a $1.79 billion by 2032. $1.79 billion by 2032. L’emergere di nuove tecnologie e la complessità dei tipi di rifiuti generati contribuiscono anch’essi a questa crescita. 

Negli Stati Uniti, il mercato della gestione dei rifiuti industriali dovrebbe crescere ancora di più e si prevede che raggiunga un valore stimato di $323.81 billion during this period.

Oltre alla gestione dei rifiuti, ricercatori e aziende stanno esplorando altri modi per affrontare i rifiuti, come l’upcycling, il redesign dei prodotti, le alternative biodegradabili, i modelli di economia circolare, le soluzioni microbiche e le tecnologie innovative di riciclaggio.

Trasformare i rifiuti in tesoro è stato l’ultimo impegno dei ricercatori. Abbiamo recentemente condiviso come un team di ricerca della Cornell abbia estratto oro dai rifiuti elettronici e poi lo abbia utilizzato come catalizzatore per convertire CO2 in materiali organici.

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

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

L’adozione crescente di veicoli elettrici, insieme al crescente fabbisogno di e-bike, elettronica di consumo, stoccaggio energetico, utensili elettrici e altre applicazioni ad alta intensità di batterie, richiede un passaggio dalle soluzioni basate sui metalli e facilita 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 stoccaggio efficiente che può fornire energia sostenibile. 

L’obiettivo dello studio era 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 attualmente rappresenta una piccola parte del mercato delle batterie, ma si prevede che crescerà da meno di $300 million in 2024 a ben oltre $1 billion by 2033. Questa espansione sarà guidata da un crescente spostamento verso fonti di energia rinnovabile, dalla necessità di soluzioni di stoccaggio energetico affidabili e su larga scala, da iniziative governative favorevoli e da continui progressi tecnologici per migliorare l’efficienza delle batterie e ridurre i costi.

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

Negli ultimi anni, sono stati compiuti progressi nell’aumentare la stabilità delle molecole organiche redox-attive (ROM), considerate promettenti candidate per costruire RFB sostenibili per lo stoccaggio di energia su larga scala. Tuttavia, la maggior parte delle ROM valutate richiede una sintesi multistep e la disponibilità limitata di materie prime ostacola la loro applicazione.

Poi c’è il fatto che gli anoliti spesso mancano di stabilità. Gli anoliti sono utilizzati nelle RFB, dove subiscono reazioni elettrochimiche che producono energia e la immagazzinano. Il tipo di anolita usato nella RFB può influenzare la sua capacità, reversibilità e stabilità.

Così, i ricercatori della Northwestern hanno utilizzato un composto organico derivato da rifiuti industriali come ROM per applicazioni di RFB non acquose (NARFB). Sebbene molte iterazioni di queste batterie siano oggetto di ricerca per applicazioni su scala di rete, questo uso di materiale organico di scarto rappresenta il primo nel settore.

La molecola di scarto è il trifenilfosfina ossido (TPPO), un noto sottoprodotto industriale di migliaia di tonnellate, generato ogni anno attraverso vari processi di sintesi organica industriale. Il sottoprodotto chimico, stabile e con applicazioni limitate, rimane inutilizzato e necessita di una corretta eliminazione.

Il sottoprodotto inutilizzato, privo di valore, è tollerato solo per le impressionanti reattività dimostrate dal suo precursore, il trifenilfosfina (TPP). 

Con il supporto della Northwestern, dell’Ufficio delle Scienze di Base dell’Energia del DOE e della Borsa di Ricerca per Laureati della National Science Foundation, i ricercatori sono riusciti a trasformare questo scarto in un prodotto prezioso mediante una reazione “one-pot”. La soluzione risultante mostra una forte promessa come metodo per immagazzinare energia, aprendo la strada a batterie a flusso redox organiche derivanti da rifiuti fattibili.

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

– Autore principale Christian Malapit, chimico della Northwestern e professore assistente nel 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 la loro ricerca, i chimici sintetici possono anche “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 utilizzano una reazione chimica che facilita il flusso di energia tra gli elettroliti per immagazzinarla.

L’ultima scoperta rende le RFB altamente vantaggiose poiché utilizzano una molecola organica e possono raggiungere alta stabilità e alta densità energetica, avvicinandosi ai concorrenti basati sui metalli.

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

Tuttavia, raggiungere sia la densità energetica che la stabilità richiede di trovare un modo che consenta agli elettroni di impacchettarsi strettamente senza perdere capacità di immagazzinamento nel tempo. Il team di ricerca ha trovato la loro 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 occorrenza” dell’uso degli ossidi di fosfina come componente redox-attivo nella ricerca sulle batterie.

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

Ora, per valutare le prestazioni della molecola, i ricercatori hanno eseguito test utilizzando esperimenti di carica e scarica elettrochimica statica. Dopo aver attraversato 350 cicli di carica, utilizzo e ricarica della batteria, il team ha scoperto che la batteria ha mantenuto la sua notevole salute e ha perso solo una capacità trascurabile nel tempo.

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

Per quanto riguarda le batterie a flusso redox, oltre all’uso del rifiuto chimico industriale ossido di trifenilfosfina per lo stoccaggio di energia, altre ricerche che vanno dal design innovativo delle membrane, all’uso di DMQA come materiale elettrolitico, e alla regolazione della carica di Hirshfeld dei catoliti TEMPO contribuiscono anch’esse al progresso delle RFB.

Altri rifiuti industriali alimentano la tecnologia delle batterie 

Sebbene sia una scoperta importante, questo studio non è l’unico a utilizzare un comune rifiuto industriale non riciclato in 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, un sottoprodotto della produzione di acciaio che è stato esplorato per i materiali di stoccaggio energetico. In uno studio, i ricercatori hanno creato celle supercapacitor strutturali verdi (SSC) con polvere di scoria d’acciaio (SSP) e polvere di vetro (GP) che hanno mostrato una 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 trovata un materiale di accumulo di calore sensibile. L’attivazione con Na2CO3 ha permesso loro di aumentare la capacità di accumulo di calore del materiale di oltre il 25% e la conducibilità termica di oltre il 32%.

L’uso del più grande sottoprodotto di rifiuto dell’industria dell’acciaio non è limitato alla ricerca. Anche il secondo più grande produttore di acciaio al mondo, ArcelorMittal, ha testato il sottoprodotto come accumulo di energia termica nel processo di produzione dell’acciaio per ridurre l’uso di combustibili fossili per il calore. L’azienda utilizza effettivamente la scoria Linz-Donawitz (LD) per realizzare circa 30 nuovi prodotti, che sono usati per costruire strade e pali recinzione, 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, vengono anche utilizzati per lo stoccaggio durevole di carbonio. Il potenziale di stoccaggio di CO2 dei sottoprodotti industriali è stimato tra 2.9 e 8.5 billion tonnes per year by 2100, depending on the industrial waste production.

La cenere volante è un altro materiale, sottoprodotto delle centrali a carbone, che viene esplorato per gli anodi delle batterie. Ricercatori dell’Arabia Saudita hanno utilizzato il carbonio della cenere volante come materiale anodico per batterie agli ioni di metalli alcalini, dimostrando capacità relativamente elevate e eccellente stabilità di ciclaggio. In uno studio separato, i ricercatori hanno riconosciuto l’alto valore aggiunto del sottoprodotto trasformandolo in polveri di silicio nanostrutturate e impiegandole come materiali attivi anodici per batterie al litio, mostrando buone prestazioni elettrochimiche.

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

I carboni derivati dalla biomassa si formano convertendo rifiuti vegetali e animali in materiali di carbonio porosi mediante processi artificiali. Le strutture risultanti, con la loro relativamente alta conduttività, superficie e porosità, li rendono eccellenti candidati per applicazioni di stoccaggio energetico, specialmente per i supercondensatori.

Con i materiali di carbonio ampiamente usati nei supercondensatori come elettrodi grazie all’alta porosità e all’area superficiale specifica, il carbonio della biomassa si distingue ulteriormente per la sua ampia fonte, basso costo, alta densità di potenza, vita ciclica prolungata e minore inquinamento.

Gli scienziati stanno persino utilizzando i rifiuti plastici per realizzare anodi di batterie ad alte prestazioni per la prossima generazione di batterie. Un team di scienziati di Singapore ha sviluppato un metodo che prevede la scomposizione di molecole chimicamente legate in molecole più corte per produrre elettroliti polimerici da bottiglie di plastica PET (polietilentereftalato) di scarto.

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

La stragrande maggioranza delle riserve di litio (Li) del mondo si trova in natura come prodotto primario in salamoie e miniere di roccia dura ed è principalmente presente in Australia, Cina e America Latina. L’approvvigionamento di cobalto, invece (meno del 10% dei quali è prodotto primario e il resto è prodotto come sottoprodotto delle miniere di rame e nichel), è dominato dalla Repubblica Democratica del Congo (RDC), che rappresenta il 65% della produzione globale.

Quindi, il riciclaggio dei componenti delle vecchie batterie non solo riduce i rifiuti ma anche la necessità di nuove materie prime, le quali, pur essendo abbondanti, affrontano il problema di un’estrazione intensiva di risorse e una distribuzione geografica limitata.

Aziende pubbliche rilevanti 

Ora, diamo un’occhiata alle aziende che stanno facendo progressi nei settori correlati. 

1. Fluence Energy, Inc. (FLNC )

Un fornitore globale di soluzioni di stoccaggio energetico, Fluence mira a guidare la transizione verso l’energia pulita attraverso Gridstack Pro, Gridstack, Sunstack, Edgestack e Ultrastack. C’è anche la piattaforma Fluence IQ, 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 di dollari, al momento della stesura sono quotate a 16.56 $, in rialzo del 4.28% YTD. Ha un EPS (TTM) di -0.08 e un P/E (TTM) di -219.92. Per il trimestre conclusosi il 30 settembre, l’azienda ha riportato un fatturato di 1.3 bln e un utile netto positivo di 67.7 million per la prima volta. L’ordine trimestrale è stato di 1.2 billion, mentre il backlog è aumentato a circa 4.5 billion. La sua posizione di liquidità, nel frattempo, era di 518.7 million.

Il CEO Julian Nebreda ha definito il “fatturato e la redditività più alti di sempre” come “una tappa significativa nella traiettoria di crescita dell’azienda”. Guardando al futuro, Nebreda ha osservato una “domanda senza precedenti per soluzioni di stoccaggio energetico a batteria in tutto il mondo, guidata principalmente dal mercato statunitense”.

2. Waste Management (WM )

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

Le azioni di Waste Management, con una capitalizzazione di mercato di 83.29 billion, al momento della stesura sono quotate a 207.53 $, in rialzo del 2.84% YTD. Ha un EPS (TTM) di 6.54 e un P/E (TTM) di 31.71, mentre il rendimento del dividendo è dell’1.45%.

Per il terzo trimestre del 2024, l’azienda ha riportato un aumento del 7.9% del fatturato grazie a una forte esecuzione sulla determinazione dei prezzi, a prezzi di mercato più alti per le materie prime riciclabili che vende e a un significativo aumento dei volumi di discarica. Waste Management ha ora completato otto progetti di riciclaggio nel trimestre, e più della metà della sua automazione pianificata e dei nuovi progetti ha contribuito a una capacità di riciclaggio annuale di 1.5 million tons across North America.

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

– CEO Jim Fish

Conclusione

I rifiuti industriali sono in costante aumento a causa della crescita della popolazione e del progresso tecnologico, e se non gestiti correttamente possono causare conseguenze letali. Oltre all’inquinamento dell’aria e dell’acqua, questi rifiuti portano a degradazione 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 un agente di stoccaggio energetico sono estremamente vantaggiose per l’ambiente e aprono la strada verso un futuro sostenibile e più sano.

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