Groene Energie Revolutie: Industrieel Afval Aangedreven Door De Volgende Generatie Batterijen

Het bewustzijn van milieuproblemen onder zowel jongeren als volwassenen groeit wereldwijd.

Uit de Global Consumer Insights Pulse Survey 2021 van PwC bleek dat de helft van de wereldwijd ondervraagde consumenten aangeeft milieuvriendelijker te zijn geworden, terwijl de enquête van 2023 toont dat acht van de tien consumenten bereid zijn tot 5 % meer te betalen voor duurzaam geproduceerde goederen.

In vergelijking met de resultaten van de enquête uit 2019, waarin 35 % van de respondenten aangaf duurzame producten te kiezen, 37 % zei te zoeken naar milieuvriendelijke verpakkingen, en 41 % zei zij vermeden plasticgebruik wanneer ze konden, toonden de resultaten van de enquête van 2021 percentages die tien tot twintig punten hoger lagen.

Een duurzame levensstijl wordt steeds belangrijker voor consumenten wereldwijd, die ook willen dat bedrijven en merken duurzamer en milieuvriendelijker zijn.

Deze gedragsverandering is positief, aangezien er wereldwijd jaarlijks ongeveer 2 billion ton industrieel afval wordt geproduceerd. Niet alleen is industrieel afval verantwoordelijk voor ongeveer de helft van al het afval, maar slechts ongeveer 2% wordt daadwerkelijk gerecycled.

De belangrijkste oorzaak van industrieel afval zijn bijproducten van een breed scala aan processen, waaronder metaalbewerking, chemische productie, voedselverwerking, farmaceutische productie en olie- en gaswinning. Onjuiste afvalbeheerspraktijken kunnen bovendien nog meer industrieel afval genereren dat een negatieve impact op het milieu heeft.

Echter, met het groeiende bewustzijn onder consumenten, samen met meer landen die zich richten op effectieve afvalverwerking en de vraag naar oplossingen voor industrieel afvalbeheer snel stijgt, zal de wereldwijde markt voor industrieel afvalbeheer groeien tot $1,79 miljard tegen 2032. De opkomst van nieuwe technologieën en de complexere soorten afval die worden gegenereerd dragen ook bij aan deze groei.

In de VS wordt verwacht dat de markt voor industrieel afvalbeheer nog meer zal groeien, en men voorspelt dat deze een geschatte waarde van $323,81 miljard zal bereiken gedurende deze periode.

Naast afvalbeheer onderzoeken onderzoekers en bedrijven ook andere manieren om afval aan te pakken, zoals upcycling, productherontwerp, biologisch afbreekbare alternatieven, circulaire‑economiemodellen, microbiële oplossingen en innovatieve recyclingtechnologieën.

Afval omzetten in schatten is de nieuwste inspanning van onderzoekers. We deelden onlangs hoe een onderzoeksteam van Cornell goud uit e‑afval haalde en dit vervolgens als katalysator gebruikte om CO₂ om te zetten in organische materialen.

Een nieuwe studie ontwikkelt nu groene batterijen uit industrieel afval en biedt een alternatief voor batterijen die in onze apparaten zoals telefoons en zelfs auto’s worden gebruikt.

De batterijen die momenteel in gebruik zijn, zijn afhankelijk van metalen zoals lithium en kobalt, die beide worden gewonnen via invasieve en intensieve mijnbouw.

De groeiende adoptie van elektrische voertuigen, samen met de toenemende behoefte aan e‑bikes, consumentenelektronica, energieopslag, elektrisch gereedschap en andere batterijintensieve toepassingen, vraagt om een verschuiving weg van metaalgebaseerde oplossingen en faciliteren de transitie naar groene energie.

Industrieel Afval Benutten om Energie op te Slaan

Naarmate de afhankelijkheid van hernieuwbare en van nature intermitterende energiebronnen toeneemt, pleit een team van Northwestern‑onderzoekers voor een groei in de opslagcapaciteit om te voldoen aan de eisen van ons net, en daartoe hebben ze een organisch afval op industriële schaal omgevormd tot een efficiënte opslagoplossing die duurzame energie kan leveren.

De focus van de studie lag op redox flow batterijen (RFB), die oplaadbare batterijen zijn die worden onderzocht vanwege hun flexibiliteit, schaalbaarheid en lange cyclische mogelijkheden.

De markt voor redox flow batterijen vertegenwoordigt momenteel een klein deel van de batterijenmarkt, maar wordt naar verwachting gegroeid van onder $300 miljoen in 2024 tot ruim $1 miljard tegen 2033. Deze uitbreiding zal worden aangedreven door een toenemende verschuiving naar hernieuwbare energiebronnen, de behoefte aan betrouwbare en grootschalige energieopslagoplossingen, gunstige overheidsinitiatieven en voortdurende technologische vooruitgang om de efficiëntie van batterijen te verbeteren en de kosten te verlagen.

Vooruitgang in RFB’s maakt ze een praktische optie voor grootschalige energieopslag, maar ze vertonen een lage energiedichtheid.

In de afgelopen jaren is er vooruitgang geboeid in het verhogen van de stabiliteit van redox‑actieve organische moleculen (ROM), die worden gezien als veelbelovende kandidaten voor het bouwen van duurzame RFB’s voor grootschalige energieopslag. De meeste ROM’s die worden geëvalueerd, vereisen echter een meerstapsynthese, en er is een beperkte beschikbaarheid van uitgangsmaterialen die hun toepassing belemmeren.

Dan is er het feit dat anolyten vaak geen stabiliteit hebben. Anolyten worden gebruikt in RFB’s, waar ze door elektrochemische reacties energie produceren en opslaan. Het type anolyte dat in een RFB wordt gebruikt, kan invloed hebben op de capaciteit, omkeerbaarheid en stabiliteit.

Dus gingen de Northwestern‑onderzoekers een industrieel afvalafgeleid organisch verbinding gebruiken als ROM voor niet‑waterige RFB (NARFB)-toepassingen. Terwijl veel iteraties van deze batterijen onderzocht voor toepassingen op netwerkschaal, markeert dit gebruik van afvalorganisch materiaal de eerste in het veld.

Het afvalmolecuul is triphenylfosfine‑oxide (TPPO), een bekend industrieel bijproduct van duizenden ton, dat elk jaar wordt gegenereerd via diverse organische industriële syntheseprocessen. Het chemische bijproduct, dat chemisch stabiel is en beperkte toepassingen heeft, blijft nutteloos en moet zorgvuldig worden afgevoerd.

Het ongebruikte bijproduct, dat geen waarde heeft, wordt alleen getolereerd vanwege de indrukwekkende reactiviteit van zijn precursor, triphenylfosfine (TPP).

Met steun van Northwestern, het DOE Office of Basic Energy Sciences en de National Science Foundation Graduate Research Fellowship konden onderzoekers dit afval echter omzetten in een waardevol product via een “one‑pot”-reactie. De resulterende oplossing toont sterk potentieel als een manier om energie op te slaan, wat de weg vrijmaakt voor haalbare afval‑afgeleide organische redox flow batterijen.

“Onze ontdekking toont het potentieel van het omvormen van afvalverbindingen tot waardevolle grondstoffen, en biedt een duurzame route voor innovatie in batterijtechnologie.”

– Hoofdauteur Christian Malapit, een chemicus van Northwestern en assistent‑professor in de afdeling Scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences

Hij wees erop hoe ingenieurs en materiaalkundigen het batterijonderzoek domineren, maar zoals hun onderzoek aantoont, kunnen synthetische chemici ook “bijdragen aan het veld door een organisch afvalproduct moleculair te ontwerpen tot een energie‑opslagmolecuul.”

Niet zo populair als traditionele lithium‑ of solid‑state batterijen, die grote hoeveelheden energie opslaan in respectievelijk vloeibare of vaste elektroden, maken redox flow batterijen gebruik van een chemische reactie die de energiestroom tussen elektrolyten faciliteert om energie op te slaan.

De nieuwste ontdekking maakt RFB’s zeer voordelig, aangezien ze een organisch molecuul gebruiken en zowel hoge stabiliteit als een hoge energiedichtheid kunnen bereiken, waardoor ze dichter bij metaalgebaseerde concurrenten komen.

Deze twee specifieke parameters, volgens eerste auteur Emily Mahoney, een Ph.D.-kandidaat in het Malapit‑lab, zijn traditioneel moeilijk samen te optimaliseren, maar nu ze voor een afval‑gedreven molecuul zijn aangetoond, is dat simpelweg ‘opwindend’.

Het bereiken van zowel energiedichtheid als stabiliteit vereist echter een methode waarbij elektronen dicht opeen kunnen worden gepakt zonder na verloop van tijd opslagcapaciteit te verliezen. Het onderzoeksteam vond hun strategie in een paper van een halve eeuw geleden die de elektrochemie van fosfine‑oxiden beschreef, een functionele groep in de organische chemie.

De studie was eigenlijk het ‘eerste voorbeeld’ van het gebruik van fosfine‑oxiden als redox‑actieve component in batterijonderzoek.

Gereduceerde fosfine‑oxiden waren traditioneel zeer onstabiel, maar de moleculaire engineeringbenadering van de nieuwste studie loste die instabiliteit op, waardoor ‘de weg wordt vrijgemaakt voor hun toepassing in energieopslag’.

Om nu de prestaties van het molecuul te beoordelen, voerden de onderzoekers vervolgens tests uit met statische elektrochemische laad‑ en ontlaadexperimenten. Na 350 cycli van batterijladen, gebruik en vervolgens opnieuw opladen, constateerde het team dat de batterij haar opmerkelijke gezondheid behield en slechts een verwaarloosbaar verlies in capaciteit vertoonde.

Het feit dat er geen capaciteitsverlies optreedt gedurende 350 cycli, concludeert de studie, plaatst ‘dit molecuul in de leidende positie in het veld, niet alleen vanwege de indrukwekkende prestaties, maar ook vanwege de duurzaamheid van de hulpbronnen.’

Als het gaat om redox flow batterijen, naast het gebruik van industrieel chemisch afval triphenylfosfine‑oxide voor energieopslag, dragen ook onderzoek naar innovatief membraanontwerp, het gebruik van DMQA als elektrolytisch materiaal, en het aanpassen van de Hirshfeld‑lading van TEMPO‑katholyten bij aan de vooruitgang van RFB’s.

Afval uit Andere Industrieën Aangedreven Door Batterijtechnologie

Hoewel dit een belangrijke doorbraak is, staat deze studie niet alleen in het benutten van een veelvoorkomend industrieel niet‑gerecycled afval tot een nuttig product; in de loop der jaren hebben verschillende onderzoeken afval gebruikt om batterijtechnologie te verbeteren.

Dit omvat het gebruik van staalslag, een bijproduct van staalproductie, dat is onderzocht voor energieopslagmaterialen. In één studie creëerden onderzoekers groene structurele supercondensatorcellen (SSCs) met staalslagpoeder (SSP) en glaspoeder (GP) die een goede multifunctionaliteit van sterkte en oppervlaktecapaciteit vertoonden.

In nog een studie onderzochten onderzoekers de thermische prestatie van staalslag en vonden het een geschikt materiaal voor warmte‑opslag. Na2CO3‑activatie stelde hen in staat de warmte‑opslagcapaciteit met meer dan 25 % en de warmtegeleiding met meer dan 32 % te verhogen.

Het gebruik van het grootste afvalbijproduct van de staalindustrie is echter niet beperkt tot onderzoek. Zelfs de op één na grootste staalproducent ter wereld, ArcelorMittal (ARRD.DE ) (MT ), testte het bijproduct als thermische energieopslag binnen het staalproductieproces om het gebruik van fossiele brandstoffen voor warmte te verminderen. Het bedrijf gebruikt Linz‑Donawitz (LD) slag om ongeveer 30 nieuwe producten te maken, die worden gebruikt voor de bouw van wegen en omheiningen, als grondstof voor cement en voor rioolfiltratie.

Staalslag, kolen As, en mijnafval, naast andere materialen, worden ook benut voor duurzame koolstofopslag. Het CO₂‑opslagpotentieel van industriële bijproducten wordt geschat op tussen de 2,9 en 8,5 billion ton per jaar tegen 2100, afhankelijk van de productie van industrieel afval.

Fly Ash is een ander materiaal dat een bijproduct is van kolencentrales en wordt onderzocht voor batterij‑anodes. Onderzoekers uit Saoedi‑Arabie maakten gebruik van fly‑ash‑koolstof als anodemateriaal voor alkalimetalen‑ionbatterijen, wat toonde relatief hoge capaciteit en uitstekende cyclische stabiliteit. In een aparte studie realiseerden onderzoekers de hoge toegevoegde waarde van het bijproduct door het om te vormen tot nanogestructureerde siliciumpoeders en deze te gebruiken als anode‑actief materiaal voor lithium‑ionbatterijen, die goede elektrochemische prestaties vertoonden.

Onbenutte biomassa en afvalmaterialen die worden gegenereerd tijdens energieproductie kunnen ook effectief worden benut om koolstofmaterialen te creëren voor energieopslagapparaten zoals batterijen, zonnecellen en supercondensatoren. Naast het gebruik van het afval, verwijdert het de moeilijkheden rond veilig recyclen van afvalingrediënten en het verbruik van fossiele brandstoffen.

Koolstoffen afgeleid van biomassa worden gevormd door planten- en dierlijk afval om te zetten in poreuze koolstofmaterialen via kunstmatige processen. De resulterende structuren, met hun relatief hoge geleidbaarheid, oppervlaktes en porositeit, maken ze uitstekende kandidaten voor energieopslagtoepassingen, vooral supercondensatoren.

Met koolstofmaterialen die breed worden gebruikt in supercondensatoren als elektroden vanwege hoge porositeit en specifiek oppervlak, onderscheidt biomassa‑koolstof zich verder door zijn brede bron, lage kosten, hoge vermogensdichtheid, verlengde levensduur en minder vervuiling.

Wetenschappers gebruiken zelfs plastic afval om hoog‑presterende batterij‑anodes te maken voor de volgende generatie batterijen. Een team van Singaporese wetenschappers ontwikkelde een methode die chemisch gekoppelde moleculen afbreekt tot kortere ketens om polymeer‑elektrolyten te maken van afval‑polyethyleen‑tereftalaat (PET) plasticflessen.

Daarna is er het recyclen van oude lithium‑ionbatterijen, waardoor kobalt, lithium en nikkel kunnen worden teruggewonnen en hergebruikt in nieuwe energieopslagsystemen.

Het overgrote deel van de wereldwijde lithium‑ (Li) voorraden komt in de natuur voor als primair product in pekel en hard‑rock ertsen en wordt voornamelijk gevonden in Australië, China en Latijns‑Amerika. De cobalt‑voorraad, ondertussen (minder dan 10 % daarvan komt als primair product voor en de rest wordt geproduceerd als bijproduct van koper‑ en nikkel­mijnen), wordt gedomineerd door de Democratische Republiek Congo (DRC), die 65 % van de wereldproductie levert.

Dus, het recyclen van componenten van oude batterijen vermindert niet alleen afval, maar ook de behoefte aan nieuwe ruwe materialen, die, hoewel overvloedig, te maken hebben met hulpbron‑intensieve mijnbouw en beperkte geografische distributie.

Relevante Openbare Bedrijven

Laten we nu kijken naar de bedrijven die vooruitgang boeken in verwante sectoren.

1. Fluence Energy, Inc.

Een wereldwijde leverancier van energieopslagoplossingen, Fluence streeft ernaar de transitie naar schone energie te versnellen via Gridstack Pro, Gridstack, Sunstack, Edgestack en Ultrastack. Daarnaast is er het Fluence IQ Platform, dat AI‑diensten levert om hernieuwbare energie en opslag te beheren en te optimaliseren.

De aandelen van Fluence Energy, met een marktkapitalisatie van $3 miljard, worden op het moment van schrijven verhandeld tegen $16,56, een stijging van 4,28 % jaar‑tot‑datum. Het heeft een EPS (TTM) van -0,08 en een P/E (TTM) van -219,92. Voor het kwartaal eindigend op 30 september rapporteerde het bedrijf een omzet van $1,3 mrd en voor het eerst een positieve nettowinst van $67,7 miljoen. De kwartaalorderintake bedroeg $1,2 mrd, terwijl de achterstand toenam tot ongeveer $4,5 mrd. De kaspositie bedroeg ondertussen $518,7 miljoen.

De “hoogste ooit behaalde omzet en winstgevendheid,” merkte CEO Julian Nebreda op als “een belangrijke mijlpaal in de groeicurve van het bedrijf.” Vooruitkijkend, stelde Nebreda dat hij een “ongekende vraag naar batterij‑energieopslagoplossingen wereldwijd zag, voornamelijk gedreven door de Amerikaanse markt.”

2. Waste Management

Met focus op recycling van industrieel afval biedt Waste Management milieuproblematische oplossingen, waaronder inzameling, recycling en afvalverwerking voor particuliere, commerciële en gemeentelijke klanten.

De aandelen van Waste Management, met een marktkapitalisatie van $83,29 miljard, worden op het moment van schrijven verhandeld tegen $207,53, een stijging van 2,84 % jaar‑tot‑datum. Het heeft een EPS (TTM) van 6,54 en een P/E (TTM) van 31,71, terwijl het dividendrendement 1,45 % bedraagt.

Voor Q3 2024 rapporteerde het bedrijf een omzetstijging van 7,9 % dankzij een sterke uitvoering van prijsstrategieën, hogere marktprijzen voor de recyclebare grondstoffen die het verkoopt, en een aanzienlijke toename van de stortvolumes. Waste Management heeft nu acht recyclingprojecten in het kwartaal afgerond, en meer dan de helft van de geplande automatisering en nieuwe projecten heeft bijgedragen aan een jaarlijkse recyclingcapaciteit van 1,5 miljoen ton in Noord‑America.

“Onze sterke resultaten zijn geleid door ons Collectie‑ en Afvalverwerkingssegment, waar onze gerichte inspanningen op frontlinieresultaatbehoud, optimalisatie van onze kostenstructuur en het bieden van gedifferentieerde service aan onze klanten de winstgroei hebben gestimuleerd.”

– CEO Jim Fish

Conclusie

Industrieel afval groeit voortdurend door de toenemende bevolking en technologische vooruitgang, en als het niet goed wordt beheerd, kan het dodelijke gevolgen hebben. Naast lucht‑ en watervervuiling leidt dit afval tot bodemdegradatie, opwarming van de aarde en schade aan ons ecosysteem. Aangezien slechts een klein deel van dit afval wordt gerecycled, zijn de nieuwste ontdekkingen die industrieel afval omvormen tot een energieopslagmiddel uiterst gunstig voor het milieu en banen ze de weg naar een duurzame en gezondere toekomst.

Klik hier voor een lijst van de beste batterij‑aandelen.