Grønn energirevolusjon: Industriavfall driver neste generasjons batterier

Bevisstheten om miljøspørsmål blant både unge og voksne øker over hele verden. Etter hvert som vi står overfor trusselen fra klimaendringer og dens skadelige påvirkning på planeten vår, er en økende del av befolkningen bekymret for hvordan handlingene deres påvirker miljøet og deltar i bevegelser som fokuserer på å redde jorden.

2021 Global Consumer Insights Pulse Survey fra PwC viste at halvparten av de spurte forbrukerne verden over sa at de har blitt mer miljøvennlige, mens 2023‑undersøkelsen viser at åtte av ti forbrukere er villige til å betale opptil 5 % mer for bærekraftig produserte varer.

Sammenlignet med resultatene fra 2019‑undersøkelsen, hvor 35 % av respondentene sa at de valgte bærekraftige produkter, 37 % sa de lette etter miljøvennlig emballasje, og 41 % sa de unngikk plast når de kunne, viste 2021‑undersøkelsen prosenter som var ti til 20 poeng høyere på samme spørsmål. 

En bærekraftig livsstil blir stadig viktigere for forbrukere over hele verden, som også ønsker at selskaper og merker skal være mer bærekraftige og miljøvennlige.

Denne endringen i atferd er positiv, gitt at rundt 2 milliarder tonn industriavfall produseres årlig globalt. Ikke bare er industriavfall ansvarlig for omtrent halvparten av alt avfall, men bare omtrent 2 % av det blir faktisk resirkulert.

Den primære årsaken til industriavfall er biprodukter fra et bredt spekter av prosesser, inkludert metallbearbeiding, kjemisk produksjon, matforedling, farmasøytisk produksjon og olje‑ og gassutvinning. Feil praksis for avfallshåndtering kan ytterligere generere mer industriavfall som påvirker miljøet negativt. 

Imidlertid, med den økende bevisstheten blant forbrukere, samt flere land som fokuserer på effektiv avfallshåndtering og den raskt økende etterspørselen etter løsninger for industriavfallshåndtering, forventes det globale markedet for industriavfallshåndtering å vokse til $1.79 billion by 2032. Fremveksten av nye teknologier og de mer komplekse avfallstypene bidrar også til denne veksten. 

I USA forventes markedet for industriavfallshåndtering å vokse enda mer, og det er anslått å nå en verdi på 323,81 milliarder dollar i denne perioden.

I tillegg til avfallshåndtering utforsker forskere og selskaper andre måter å håndtere avfall på, som oppsirkulering, produktredesign, biologisk nedbrytbare alternativer, sirkulærøkonomimodeller, mikrobielle løsninger og innovative resirkuleringsteknologier.

Å forvandle søppel til skatt har vært forskernes siste satsing. Vi delte nylig hvordan et Cornell‑forskningslag ekstraherte gull fra e‑avfall og deretter brukte det som katalysator for å omdanne CO₂ til organiske materialer.

En ny studie utvikler nå grønne batterier fra industriavfall og gir et alternativ til batteriene som brukes i våre enheter som telefoner og til og med biler.

Batteriene som brukes i dag er avhengige av metaller som litium og kobolt, som begge utvinnes gjennom invasiv og intensiv gruvedrift. 

Den økende bruken av el‑biler, sammen med det økende behovet for el‑sykler, forbrukerelektronikk, energilagring, verktøy og andre batterikrevende applikasjoner, krever et skifte bort fra metallbaserte løsninger og fremmer den grønne energiovergangen.

Utnyttelse av industriavfall til energilagring

Ettersom avhengigheten av fornybare og iboende intermitterende energikilder øker, argumenterer et team av forskere fra Northwestern for økt energilagringskapasitet for å møte etterspørselen i vårt nett, og for at de har omdannet et organisk avfall i industriell skala til en effektiv lagringsløsning som kan levere bærekraftig energi. 

Fokuset i studien var på redoks‑flyt‑batterier (RFB), som er oppladbare batterier undersøkt på grunn av deres fleksibilitet, skalerbarhet og lang syklustid. 

Markedet for redoks‑flyt‑batterier utgjør for tiden en liten del av batterimarkedet, men forventes å vokse fra under 300 millioner dollar i 2024 til godt over 1 milliard dollar innen 2033. Denne ekspansjonen vil bli drevet av et økt skifte mot fornybare energikilder, behovet for pålitelige og storskalige energilagringsløsninger, gunstige offentlige initiativer og kontinuerlige teknologiske fremskritt for å forbedre batterieffektiviteten og senke kostnadene.

Fremskritt innen RFB gjør dem til et praktisk alternativ for storskalalagring av energi, men de har lav energitetthet. 

I de siste årene har det blitt gjort fremskritt i å øke stabiliteten til redoks‑aktive organiske molekyler (ROM), som anses som lovende kandidater for å konstruere bærekraftige RFB for storskalalagring av energi. De fleste ROM‑ene som evalueres, krever imidlertid en flertrinnssyntese, og det er begrenset tilgjengelighet av startmaterialer som hindrer deres anvendelse.

Deretter er det faktum at anolytter ofte mangler stabilitet. Anolytter brukes i RFB, hvor de gjennomgår elektrokjemiske reaksjoner som produserer kraft og lagrer energi. Typen anolytt som brukes i RFB kan påvirke kapasiteten, reversibiliteten og stabiliteten.

Så brukte forskere fra Northwestern et industriavfalls‑avledet organisk stoff som ROM for ikke‑vannbaserte RFB (NARFB)-applikasjoner. Mens mange varianter av disse batteriene forskes for nett‑skala applikasjoner, markerer denne bruken av avfalls‑organisk materiale den første i feltet.

Avfalls‑molekylet er triphenylfosfinoksid (TPPO), et velkjent industriavfalls‑biprodukt på tusenvis av tonn, som genereres hvert år gjennom ulike organiske industrielle synteseprosesser. Det kjemiske biproduktet er kjemisk stabilt og har begrensede bruksområder, og blir stående ubrukelig og må avhendes forsvarlig.

Det ubrukte sideproduktet, som har ingen verdi, tolereres kun på grunn av den imponerende reaktiviteten til forløperen, triphenylfosfin (TPP). 

Med støtte fra Northwestern, DOE sin Office of Basic Energy Sciences og National Science Foundation Graduate Research Fellowship klarte forskerne likevel å omdanne dette avfallet til et verdifullt produkt gjennom en «one‑pot»-reaksjon. Den resulterende løsningen viser stort potensial som en måte å lagre energi på, og åpner for gjennomførbare avfalls‑avledede organiske redoks‑flyt‑batterier.

«Vår oppdagelse viser potensialet for å omdanne avfallsforbindelser til verdifulle ressurser, og gir en bærekraftig vei for innovasjon innen batteriteknologi.»

– Hovedforfatter Christian Malapit, en Northwestern‑kjemiker og førsteamanuensis ved Institutt for kjemi ved Weinberg College of Arts and Sciences

Han påpekte hvordan ingeniører og materialvitere dominerer batteriforskning, men som deres forskning viser, kan syntetiske kjemikere også «bidra til feltet ved molekylært å omforme et organisk avfallsprodukt til et energilagrende molekyl.»

Ikke like populært som tradisjonell litium eller fast‑stoff‑batterier, som lagrer store mengder energi i henholdsvis flytende eller faste elektroder, benytter redoks‑flyt‑batterier en kjemisk reaksjon som muliggjør energiflyt mellom elektrolytter for energilagring.

Den siste oppdagelsen gjør RFB svært fordelaktige ettersom de bruker et organisk molekyl og kan oppnå høy stabilitet samt høy energitetthet, noe som nærmer seg metallbaserte konkurrenter. 

Disse to spesifikke parametrene, ifølge første forfatter Emily Mahoney, som er Ph.D.-kandidat i Malapit‑labben, har tradisjonelt vært «vanskelige å optimalisere samtidig», men nå som de er demonstrert for et avfalls‑drevet molekyl, er det ganske «spennende».

Imidlertid krever oppnåelse av både energitetthet og stabilitet en metode som gjør at elektroner kan pakkes tett sammen uten å miste lagringskapasitet over tid. Forskerteamet fant strategien i en artikkel fra et halvt århundre siden som beskrev elektrokjemien til fosfinoksider, en funksjonell gruppe i organisk kjemi.

Studien var faktisk den «første forekomsten» av bruk av fosfinoksider som den redoks‑aktive komponenten i batteriforskning.

Reduserte fosfinoksider har tradisjonelt vært svært ustabile, men den molekylære ingeniørtilnærmingen i den siste studien adresserte denne ustabiliteten, og dermed «baner vei for deres anvendelse i energilagring.»

For å vurdere ytelsen til molekylet utførte forskerne deretter tester med statiske elektrokjemiske ladings‑ og utladeseksperimenter. Etter å ha gjennomgått 350 sykluser med batterilading, bruk og deretter gjenlading, fant teamet at batteriet beholdt sin bemerkelsesverdige helse og kun mistet neglisjerbar kapasitet over tid.

Opplevelsen av ingen kapasitetsnedgang over 350 sykluser, konkluderer studien, plasserer «dette molekylet i frontlinjen, takket være ikke bare den imponerende ytelsen, men også ressursbærekraften.»

Når det gjelder redoks‑flyt‑batterier, i tillegg til bruk av industrielt kjemisk avfall triphenylfosfinoksid for energilagring, bidrar også annen forskning, fra innovativ membrandesign, bruk av DMQA som elektrolyttmateriale, og justering av Hirshfeld‑ladning på TEMPO‑katholytter, til fremdriften av RFB.

Andre industrisøppel driver batteriteknologi 

Selv om dette er et viktig gjennombrudd, er studien ikke alene om å bruke et vanlig industrielt, ikke‑resirkulert avfall til et nyttig produkt; gjennom årene har flere studier benyttet avfall for å forbedre batteriteknologi.

Dette inkluderer bruk av stålslag, som er et biprodukt fra stålproduksjon og har blitt utforsket for energilagringsmaterialer. I en studie utviklet forskere grønne strukturelle superkondensatorceller (SSC) med stålslagpulver (SSP) og glasspulver (GP) som viste god flerfunksjonalitet i styrke og arealkapasitet. 

I enda en studie undersøkte forskerne den termiske ytelsen til stålslag og fant at det er et egnet varmelagringsmateriale. Na2CO3‑aktivering gjorde det mulig å øke materialets varmelagringskapasitet med over 25 % og varmeledningsevnen med over 32 %.

Bruken av stålindustriens største avfalls‑biprodukt er ikke begrenset til forskning. Selv verdens nest største stålprodusent, ArcelorMittal (ARRD.DE ) (MT ), testet biproduktet som varmelagring i stålproduksjonsprosessen for å redusere bruken av fossilt brensel til oppvarming. Selskapet faktisk bruker Linz-Donawitz (LD) slag til å lage omtrent 30 nye produkter, som brukes til å bygge veier og gjerdeposter, som råmateriale for sement, og for avløpsfiltrering.

Stålslag, kullaske og gruvedriftsavfall, blant andre materialer, blir også utnyttet for holdbar karbonlagring. CO₂‑lagringspotensialet til industrielle biprodukter anslås til mellom 2,9 og 8,5 milliarder tonn per år innen 2100, avhengig av produksjonen av industriavfall.

Flyaske er et annet materiale som er biprodukt fra kullkraftverk og blir utforsket som anodemateriale for alkali‑metall‑ion‑batterier. Forskere fra Saudi-Arabia benyttet flyaske‑karbon som anodemateriale for alkali‑metall‑ion‑batterier, som viste relativt høy kapasitet og utmerket syklusstabilitet. I en separat studie innså forskerne den høye tilleggsverdien av biproduktet ved å omdanne det til nanostrukturerte silisiumpulver og bruke dem som aktive anodematerialer for litium‑ion‑batterier, som viste god elektrokjemisk ytelse.

Utnyttet biomasse og avfallsmaterialer som genereres under energiproduksjon kan også effektivt brukes til å lage karbonmaterialer for energilagringsenheter som batterier, solceller og superkondensatorer. I tillegg til å bruke avfallet, fjerner dette vanskelighetene rundt sikker resirkulering av avfallsbestanddeler og forbruket av fossilt brensel. 

Karboner avledet fra biomasse dannes ved å konvertere plante- og dyreavfall til porøse karbonmaterialer gjennom kunstige prosesser. De resulterende strukturene, med relativt høy ledningsevne, overflateareal og porøsitet, gjør dem til utmerkede kandidater for energilagringsapplikasjoner, spesielt superkondensatorer.

Siden karbonmaterialer brukes bredt i superkondensatorer som elektroder på grunn av høy porøsitet og spesifikt overflateareal, skiller biomasse‑karbon seg ytterligere ut på grunn av sin brede kilde, lave kostnad, høye effekt‑tetthet, lange syklus‑levetid og mindre forurensning.

Forskere bruker til og med plastavfall til å lage høy‑ytelses batterianoder for neste generasjons batterier. Et team av forskere fra Singapore utviklet en metode som innebærer å bryte ned kjemisk bundne molekyler til kortere for å lage polymer‑elektrolytter fra avfalls‑polyetylentereftalat (PET) plastflasker.

Deretter er resirkulering av gamle litium‑ion‑batterier, som gjør det mulig å hente ut kobolt, litium og nikkel og gjenbruke dem i nye energilagringssystemer. 

Det store flertallet av verdens litium‑forsyning forekommer naturlig som primærprodukt i saltlake og hard‑steinforekomster, og finnes hovedsakelig i Australia, Kina og Latin-Amerika. Koboltforsyningen, derimot (mindre enn 10 % forekommer som primærprodukt og resten produseres som biprodukt fra kobber‑ og nikkelgruver), domineres av Den demokratiske republikken Kongo (DRC), som står for 65 % av den globale produksjonen.

Så, resirkulering av komponentene i gamle batterier reduserer ikke bare avfall, men også behovet for nye råmaterialer, som selv om de er rikelige, medfører ressurs‑intensiv gruvedrift og begrenset geografisk fordeling.

Relevante børsnoterte selskaper 

La oss nå se på selskapene som gjør fremskritt i relaterte industrier. 

1. Fluence Energy, Inc.

En global leverandør av energilagringsløsninger, Fluence har som mål å drive den rene energiovergangen gjennom Gridstack Pro, Gridstack, Sunstack, Edgestack og Ultrastack. Det finnes også Fluence IQ‑plattformen, som leverer AI‑tjenester for å administrere og optimalisere fornybar energi og lagring.

Fluence Energy, med en markedsverdi på 3 milliarder dollar, handles per skrivende stund til $16,56, opp 4,28 % år‑til‑dato. Selskapet har en EPS (TTM) på -0,08 og en P/E (TTM) på -219,92. For kvartalet som sluttet 30. september rapporterte selskapet en omsetning på 1,3 milliarder dollar og positiv nettoinntekt på 67,7 millioner dollar for første gang. Ordremengden for kvartalet var 1,2 milliarder dollar, mens backloggen økte til omtrent 4,5 milliarder dollar. Kontantbeholdningen var 518,7 millioner dollar.

Den «høyeste inntekten og lønnsomheten noensinne», bemerket administrerende direktør Julian Nebreda som et «signifikant milepæl i selskapets vekstbane». Fremover sa Nebreda at han ser en «enestående etterspørsel etter batteri‑energilagringsløsninger over hele verden, hovedsakelig drevet av det amerikanske markedet».

2. Waste Management

Fokusert på industriavfallsresirkulering, tilbyr Waste Management miljøløsninger som inkluderer innsamling, resirkulering og avhending for bolig-, kommersielle og kommunale kunder.

Waste Management, med en markedsverdi på 83,29 milliarder dollar per skrivende stund, handles til $207,53, opp 2,84 % år‑til‑dato. Selskapet har en EPS (TTM) på 6,54 og en P/E (TTM) på 31,71, mens utbytteavkastningen er 1,45 %.

For Q3 2024 rapporterte selskapet en økning på 7,9 % i omsetning takket være sterk prisgjennomføring, høyere markedspriser for de resirkulerbare varene de selger, og en betydelig økning i deponi‑volumer. Waste Management har nå fullført åtte resirkuleringsprosjekter i kvartalet, og mer enn halvparten av planlagt automatisering og nye prosjekter har bidratt med 1,5 millioner tonn årlig resirkuleringskapasitet i Nord‑America.

«Våre sterke resultater har blitt ledet av vår innsamling‑ og avhendingsvirksomhet hvor vårt fokuserte arbeid med frontlinjepersonell, optimalisering av kostnadsstrukturen og levering av differensierte tjenester til våre kunder har drevet inntjeningsvekst.»

– CEO Jim Fish

Konklusjon

Industriavfall vokser kontinuerlig på grunn av økende befolkning og teknologisk fremgang, og dersom den ikke håndteres riktig, kan den ha dødelige konsekvenser. I tillegg til luft‑ og vannforurensning fører dette avfallet til jordforringelse, global oppvarming og skade på økosystemet vårt. Gitt at kun en liten del av dette avfallet resirkuleres, er de siste oppdagelsene som omdanner industriavfall til en energilagringsagent ekstremt gunstige for miljøet og baner vei mot en bærekraftig og sunnere fremtid.

Klikk her for en liste over de beste batteriaktiene.