Rebolusyon ng Luntiang Enerhiya: Industriyal na Basura na Nagpapatakbo ng Susunod na Henerasyon ng mga Baterya

Ang kamalayan sa mga isyung pangkapaligiran sa parehong kabataan at matatanda ay lumalawak sa buong mundo. Habang hinaharap natin ang banta ng pagbabago ng klima at ang mapaminsalang epekto nito sa ating planeta, dumarami ang populasyon na nag-aalala kung paano nakaaapekto ang kanilang mga kilos sa kapaligiran at nakikibahagi sa mga kilusan na nakatuon sa pagliligtas ng Daigdig.

Ipinakita ng 2021 Global Consumer Insights Pulse Survey mula sa PwC na kalahati ng mga consumer na sinuri sa buong mundo ay nagsabing naging mas eco-friendly na sila, habang ang 2023 na survey nito ay nagpapakita na walong sa sampung consumer ay handang magbayad ng hanggang 5% na higit pa para sa mga produktong gawa nang napapanatili.

Kung ihahambing sa mga resulta ng survey noong 2019, kung saan 35% ng mga sumagot ang nagsabing pinipili nila ang mga napapanatiling produkto, 37% ang nagsabing naghahanap sila ng mga pangkapaligirang kaibigang packaging, at 41% ang nagsabing iniiwasan nila ang paggamit ng plastik kapag maaari, ang mga resulta ng survey noong 2021 ay nagpakita ng mga porsyentong sampu hanggang dalawampung puntos na mas mataas na tugon sa parehong mga tanong.

Ang isang napapanatiling pamumuhay ay nagiging lalong mahalaga para sa mga consumer sa buong mundo, na nais din na ang mga kumpanya at tatak ay maging mas napapanatili at eco-friendly.

Ang pagbabagong ito sa pag-uugali ay isang magandang bagay, dahil humigit-kumulang 2 bilyong tonelada ng industriyal na basura ang nalilikha taun-taon sa buong mundo. Hindi lamang responsibilidad ng industriyal na basura ang halos kalahati ng lahat ng basura kundi tanging mga 2% lamang ang aktwal na nare-recycle.

Ang pangunahing sanhi ng industriyal na basura ay mga byproduct mula sa malawak na hanay ng iba’t ibang proseso, kabilang ang paggawa ng metal, kemikal, pagproseso ng pagkain, paggawa ng parmasyutiko, at pagkuha ng langis at gas. Ang hindi wastong mga praktis sa pamamahala ng basura ay maaaring magdulot pa ng karagdagang industriyal na basura na negatibong nakaaapekto sa kapaligiran.

Gayunpaman, sa patuloy na pagtaas ng kamalayan ng mga consumer, kasama ang mas maraming bansa na nakatuon sa epektibong pagtatapon ng basura at ang mabilis na pagtaas ng pangangailangan para sa mga solusyon sa pamamahala ng industriyal na basura, inaasahang lalago ang pandaigdigang pamilihan ng pamamahala ng industriyal na basura hanggang $1.79 bilyon pagsapit ng 2032. Ang pag-usbong ng mga bagong teknolohiya at ang uri ng nalilikha na basura ay nagiging mas kumplikado, na nag-aambag din sa paglago na ito.

Sa US, ang pamilihan ng Industrial Waste Management ay inaasahang lalago pa nang husto, at tinatayang aabot ito sa halagang $323.81 bilyon sa panahong ito.

Bukod sa pamamahala ng basura, ang mga mananaliksik at kumpanya ay nagsusuri rin ng iba pang paraan upang harapin ang basura, tulad ng upcycling, muling disenyo ng produkto, biodegradable na alternatibo, mga modelo ng circular economy, microbial na solusyon, at mga makabagong teknolohiya sa pag-recycle.

Ang pag-convert ng basura sa kayamanan ay naging pinakabagong pagsisikap ng mga mananaliksik. Kamakailan naming ibinahagi kung paano isang pangkat ng mananaliksik mula sa Cornell na nag-ekstract ng ginto mula sa e-waste at ginamit ito bilang katalista upang i-convert ang CO2 sa mga organikong materyales.

Isang bagong pag-aaral ngayon ang nagde-develop ng mga berdeng baterya mula sa industriyal na basura at nagbibigay ng alternatibo sa mga bateryang ginagamit sa ating mga aparato tulad ng mga telepono at maging mga kotse.

Ang mga bateryang kasalukuyang ginagamit ay umaasa sa mga metal tulad ng lithium at cobalt, na parehong kinukuha sa pamamagitan ng mapanghimasok at matinding pagmimina.

Ang patuloy na pag-adopt ng mga electric vehicle, kasama ang tumataas na pangangailangan para sa e-bikes, consumer electronics, energy storage, power tools, at iba pang aplikasyon na nangangailangan ng maraming baterya, ay humihiling ng paglipat mula sa mga solusyong batay sa metal at nagpapadali sa berde na paglipat ng enerhiya.

Utilizing Industrial Waste to Store Energy

Sa pagtaas ng pag-asa sa mga renewable at likas na pabagu-bagong pinagkukunan ng enerhiya, isang pangkat ng mga mananaliksik mula sa Northwestern ang nagtataguyod ng paglago sa kapasidad ng imbakan ng enerhiya upang matugunan ang pangangailangan ng ating grid, at para dito, kanilang binago ang isang organikong basura sa industriyal na sukat tungo sa isang epektibong solusyon sa imbakan na maaaring magbigay ng napapanatiling enerhiya.

Ang pokus ng pag-aaral ay sa redox flow batteries (RFB), na mga rechargeable na baterya na sinusuri dahil sa kanilang kakayahang mag-adjust, scalability, at mahabang kakayahan sa pag-cycling.

Ang pamilihan para sa redox flow batteries ay kasalukuyang maliit na bahagi lamang ng pamilihan ng baterya ngunit inaasahang lalago mula sa ilalim ng $300 milyon noong 2024 hanggang higit sa $1 bilyon pagsapit ng 2033. Ang paglawak na ito ay itutulak ng mas mataas na paglipat sa mga renewable na pinagkukunan ng enerhiya, pangangailangan para sa maaasahan at malakihang solusyon sa imbakan ng enerhiya, mga paborableng inisyatiba ng gobyerno, at patuloy na pag-unlad ng teknolohiya upang mapabuti ang kahusayan ng baterya at pababain ang gastos.

Ang mga pag-unlad sa RFB ay ginagawang praktikal na opsyon para sa malakihang imbakan ng enerhiya, ngunit nagpapakita ito ng mababang energy density.

Sa mga nagdaang taon, nagkaroon ng pag-unlad sa pagpapataas ng katatagan ng Redox-active organic molecules (ROM), na itinuturing na mga pangakong kandidato para sa pagbuo ng napapanatiling RFB para sa malakihang imbakan ng enerhiya. Karamihan sa mga ROM na sinusuri, gayunpaman, ay nangangailangan ng maraming hakbang na synthesis, at may limitadong availability ng mga panimulang materyales na humahadlang sa kanilang aplikasyon.

Mayroon ding katotohanang madalas na kulang sa katatagan ang mga anolytes. Ang mga anolytes ay ginagamit sa RFB, kung saan sila sumasailalim sa mga electrochemical na reaksyon na lumilikha ng kuryente at nag-iimbak ng enerhiya. Ang uri ng anolyte na ginagamit sa RFB ay maaaring makaapekto sa kapasidad, reversibility, at katatagan nito.

Kaya, ang mga mananaliksik mula sa Northwestern ay gumamit ng organikong compound na nagmula sa industriyal na basura bilang ROM para sa mga aplikasyon ng Nonaqueous RFB (NARFB). Habang maraming iterasyon ng mga bateryang ito ang sinusuri para sa mga aplikasyon sa sukat ng grid, ang paggamit ng organikong materyal mula sa basura ay nagmamarka ng kauna-unahang pagkakataon sa larangang ito.

Ang molekulang basura ay triphenylphosphine oxide (TPPO), isang kilalang byproduct ng industriyal na basura na umabot sa libu-libong tonelada, na nalilikha bawat taon sa pamamagitan ng iba’t ibang prosesong organikong industriyal na synthesis. Ang kemikal na byproduct na kemikal na matatag at may limitadong aplikasyon ay naiwan na walang silbi at kailangang maingat na itapon.

Ang hindi nagagamit na side product, na walang halaga, ay tinatanggap lamang dahil sa kahanga-hangang reaktibidad na ipinapakita ng kanyang precursor, triphenylphosphine (TPP).

Sa suporta mula sa Northwestern, DOE’s Office of Basic Energy Sciences, at National Science Foundation Graduate Research Fellowship, nagawang gawing mahalagang produkto ang basurang ito ng mga mananaliksik sa pamamagitan ng isang “one-pot” na reaksyon. Ipinapakita ng nabuong solusyon ang matibay na pangako bilang paraan ng pag-imbak ng enerhiya, na nagbubukas ng daan para sa mga posibleng waste-derived organic redox flow batteries.

“Ipinapakita ng aming pagtuklas ang potensyal ng pag-transform ng mga compound ng basura tungo sa mahahalagang mapagkukunan, na nag-aalok ng napapanatiling landas para sa inobasyon sa teknolohiya ng baterya.”

– Lead author Christian Malapit, isang kimiko ng Northwestern at assistant professor sa Department of Chemistry sa Weinberg College of Arts and Sciences

Binanggit niya kung paano namamayani ang mga inhinyero at material scientists sa pananaliksik ng baterya, ngunit ayon sa kanilang pananaliksik, maaaring mag-ambag din ang mga synthetic chemist sa larangan sa pamamagitan ng molekular na pagdidisenyo ng isang organikong produktong basura tungo sa isang molekulang nag-iimbak ng enerhiya.

Hindi kasing popular ng tradisyonal na lithium o solid-state na baterya, na nag-iimbak ng malaking halaga ng enerhiya sa likidong o solidong electrodes ayon sa pagkakabanggit, ang redox flow batteries ay gumagamit ng kemikal na reaksyon na nagpapadali sa daloy ng enerhiya sa pagitan ng mga electrolyte upang mag-imbak ng enerhiya.

Ang pinakabagong pagtuklas ay ginagawang lubos na kapaki-pakinabang ang RFB dahil gumagamit ito ng organikong molekula at maaaring makamit ang mataas na katatagan pati na rin ang mataas na energy density, na papalapit na sa mga kakompetensyang batay sa metal.

Ang dalawang partikular na parameter na ito, ayon sa unang may-akda na si Emily Mahoney, isang Ph.D. candidate sa Malapit lab, ay “tradisyonal na mahirap i-optimize nang magkasama,” ngunit ngayon na naipakita na nila ito para sa isang molekulang pinapagana ng basura, ito ay talagang “kapana-panabik.”

Gayunpaman, ang pag-abot ng parehong energy density at katatagan ay nangangailangan ng paraan na nagpapahintulot sa mga electron na mag-impake nang masikip nang hindi nawawalan ng kapasidad sa paglipas ng panahon. Natagpuan ng pangkat ng pananaliksik ang kanilang estratehiya mula sa isang papel noong kalahating siglo na naglalarawan ng electrochemistry ng phosphine oxides, isang functional group sa organikong kimika.

Ang pag-aaral ay talagang ang “unang pagkakataon” ng paggamit ng phosphine oxides bilang redox-active na komponent sa pananaliksik ng baterya.

Ang reduced phosphine oxides ay tradisyonal na lubhang hindi matatag, ngunit ang molecular engineering na lapit ng pinakabagong pag-aaral ay tinugunan ang kawalang katatagang iyon, kaya “nagbubukas ng daan para sa kanilang aplikasyon sa imbakan ng enerhiya.”

Ngayon, upang tasahin ang pagganap ng molekula, nagsagawa ang mga mananaliksik ng mga pagsusuri gamit ang static electrochemical charge at discharge experiments. Pagkatapos ng 350 na cycle ng pag-charge ng baterya, paggamit, at muling pag-recharge, natuklasan ng koponan na nanatili ang baterya sa kahanga-hangang kalagayan nito at bahagyang nabawasan lamang ng napakaliit na kapasidad sa paglipas ng panahon.

Ang hindi pagkaranas ng pagbaba ng kapasidad sa loob ng 350 na cycle, ayon sa konklusyon ng pag-aaral, ay naglalagay ng “molekulang ito upang pangunahan ang larangan, dahil hindi lamang sa kahanga-hangang pagganap nito kundi pati na rin sa napapanatiling paggamit ng mapagkukunan.”

Pagdating sa redox flow batteries, bukod sa paggamit ng industriyal na kemikal na basura na triphenylphosphine oxide para sa imbakan ng enerhiya, ang iba pang pananaliksik mula sa makabagong disenyo ng membrane, paggamit ng DMQA bilang materyal ng electrolyte, at pag-aayos ng Hirshfeld charge ng TEMPO catholytes ay nag-aambag din sa pag-unlad ng RFB.

Other Industries Wastes Powering Battery Tech

Bagaman isang mahalagang breakthrough, ang pag-aaral na ito ay hindi nag-iisa sa paggamit ng karaniwang industriyal na hindi nare-recycle na basura sa isang kapaki-pakinabang na produkto; sa paglipas ng mga taon, ilang pag-aaral ang gumamit ng basura upang mapabuti ang teknolohiyang baterya.

Kasama rito ang paggamit ng steel slag, na isang byproduct ng paggawa ng bakal at nasuri para sa mga materyales ng imbakan ng enerhiya. Sa isang pag-aaral, lumikha ang mga mananaliksik ng mga green structural supercapacitor cells (SSCs) gamit ang steel slag powder (SSP) at glass powder (GP) na nagpakita ng mahusay na multi-functionality ng lakas at areal capacitance.

Sa isa pang pag-aaral, sinuri ng mga mananaliksik ang thermal performance ng steel slag at natuklasan na ito ay isang praktikal na materyal para sa imbakan ng init. Ang Na2CO3 activation ay nagbigay-daan sa kanila upang dagdagan ang heat storage capacity ng materyal ng higit sa 25% at ang heat conductivity ng higit sa 32%.

Ang paggamit ng pinakamalaking byproduct ng industriya ng bakal ay hindi limitado sa pananaliksik. Maging ang pangalawang pinakamalaking prodyuser ng bakal sa mundo, ang ArcelorMittal (ARRD.DE ) (MT ), sinubukan ang byproduct bilang thermal energy storage sa proseso ng paggawa ng bakal upang bawasan ang paggamit ng fossil fuel para sa init. Ang kumpanya ay aktwal na gumagamit ng Linz-Donawitz (LD) slag upang makagawa ng humigit-kumulang 30 bagong produkto, na ginagamit sa pagtatayo ng mga kalsada at bakod, bilang hilaw na materyal para sa semento, at para sa pagsasala ng dumi.

Ang steel slag, coal ash, at mine tailings, kasama ang iba pang mga materyales, ay ginagamit para sa matibay na carbon storage. Ang potensyal na imbakan ng CO2 ng mga industriyal na byproduct ay tinatayang nasa pagitan ng 2.9 at 8.5 bilyong tonelada bawat taon pagsapit ng 2100, depende sa produksyon ng industriyal na basura.

Ang Fly Ash ay isa pang materyal na byproduct ng mga coal-fired power plant at sinusuri para sa mga anode ng baterya. Gumamit ang mga mananaliksik mula sa Saudi Arabia ng fly ash carbon bilang materyal ng anode para sa mga alkali metal-ion baterya, na nagpakita ng medyo mataas na kapasidad at mahusay na cycling stability. Sa isang hiwalay na pag-aaral, natuklasan ng mga mananaliksik ang mataas na additive value ng byproduct sa pamamagitan ng pag-convert nito sa nanostructured silicon powders at pag-aaplay bilang anode active materials para sa lithium-ion baterya na nagpakita ng magandang electrochemical performance.

Ang hindi nagamit na biomass at mga materyales ng basura na nalilikha sa panahon ng produksyon ng enerhiya ay maaari ring epektibong magamit upang lumikha ng carbon materials para sa mga energy storage device tulad ng baterya, solar cell, at supercapacitor. Bukod sa paggamit ng basura, tinatanggal nito ang mga kahirapan kaugnay ng ligtas na pag-recycle ng mga sangkap ng basura at ang konsumo ng fossil fuels.

Ang carbon na nagmula sa biomass ay nabubuo sa pamamagitan ng pag-convert ng mga halaman at hayop na basura sa porous carbon materials sa pamamagitan ng artipisyal na proseso. Ang mga nabuong estruktura, na may medyo mataas na conductivity, surface area, at porosity, ay ginagawang mahusay na kandidato para sa mga aplikasyon ng energy storage, lalo na sa mga supercapacitor.

Sa malawak na paggamit ng carbon materials sa mga supercapacitor bilang electrodes dahil sa mataas na porosity at tiyak na surface area, ang biomass carbon ay higit na namumukod-tangi dahil sa malawak nitong pinagmulan, mababang gastos, mataas na power density, mahabang cycle life, at mas kaunting polusyon.

Ang mga siyentipiko ay gumagamit pa nga ng plastic waste upang gumawa ng high-performance na anode para sa susunod na henerasyon ng mga baterya. Isang koponan ng mga siyentipiko mula sa Singapore ang nag-develop ng paraan na kinabibilangan ng pagbasag ng mga kemikal na nakaugnay na molekula sa mas maiikling bahagi upang gumawa ng polymer electrolytes mula sa waste polyethylene terephthalate (PET) plastic bottles.

Mayroon ding pag-recycle ng mga lumang lithium-ion baterya, na nagbibigay-daan sa pag-recover ng cobalt, lithium, at nickel at ang muling paggamit nito sa mga bagong sistema ng energy storage.

Ang karamihan ng suplay ng lithium (Li) sa mundo ay matatagpuan sa kalikasan bilang pangunahing produkto sa mga brine at hard-rock ores at karaniwang matatagpuan sa Australia, China, at Latin America. Ang suplay ng cobalt, samantala (mas mababa sa 10% nito ang pangunahing produkto at ang natitira ay byproduct ng mga minahan ng tanso at nickel), ay pinamumunuan ng Democratic Republic of the Congo (DRC), na nagtatala ng 65% ng pandaigdigang produksyon.

Kaya, ang pag-recycle ng mga komponent ng mga lumang baterya ay hindi lamang nagbabawas ng basura kundi pati na rin ng pangangailangan para sa mga bagong hilaw na materyales, na bagaman sagana sa suplay, ay humaharap sa isyu ng mapang-ubos na pagmimina at limitadong heograpikal na distribusyon.

Relevant Public Companies

Ngayon, tingnan natin ang mga kumpanyang nagtataguyod ng mga pag-unlad sa mga kaugnay na industriya.

1. Fluence Energy, Inc.

Isang pandaigdigang tagapagbigay ng mga solusyon sa imbakan ng enerhiya, layunin ng Fluence na itulak ang malinis na paglipat ng enerhiya sa pamamagitan ng Gridstack Pro, Gridstack, Sunstack, Edgestack, at Ultrastack. Mayroon ding Fluence IQ Platform, na nagbibigay ng AI services upang pamahalaan at i-optimize ang renewables at storage.

Ang $3 bilyong market cap ng mga shares ng Fluence Energy, sa oras ng pagsulat, ay nagte-trade sa $16.56, tumaas ng 4.28% YTD. Mayroon itong EPS (TTM) na -0.08 at P/E (TTM) na -219.92. Para sa quarter na nagtatapos noong Setyembre 30, iniulat ng kumpanya ang revenue na $1.3 bilyon at positibong net income na $67.7 milyon sa unang pagkakataon. Ang quarterly order intake ay $1.2 bilyon, habang ang backlog ay tumaas sa humigit-kumulang $4.5 bilyon. Ang cash position nito, samantala, ay $518.7 milyon.

Ang “pinakamataas na kita at kakayahang kumita,” binigyang-diin ng CEO na si Julian Nebreda bilang “isang mahalagang milestone sa paglago ng kumpanya.” Sa hinaharap, sinabi ni Nebreda na nakikita niya ang isang “hindi pa nagagawang demand para sa mga solusyon sa imbakan ng enerhiya ng baterya sa buong mundo, na pangunahing pinapalakas ng pamilihan ng U.S.”

2. Waste Management

Nakatuon sa pag-recycle ng industriyal na basura, ang Waste Management ay nag-aalok ng mga solusyon pangkapaligiran na kinabibilangan ng koleksyon, pag-recycle, at mga serbisyo ng pagtatapon para sa residential, commercial, at municipal na mga kliyente.

Ang $83.29 bilyong market cap ng mga shares ng Waste Management, sa oras ng pagsulat, ay nagte-trade sa $207.53, tumaas ng 2.84% YTD. Mayroon itong EPS (TTM) na 6.54 at P/E (TTM) na 31.71, habang ang dividend yield ay 1.45%.

Para sa Q3 ng 2024, iniulat ng kumpanya ang pagtaas ng 7.9% sa kanyang revenue dahil sa matibay na pagpapatupad ng pagpepresyo, mas mataas na market prices para sa mga recyclable commodities na kanilang ibinebenta, at malaking pagtaas sa volume ng landfill. Nakumpleto na ng Waste Management ang walong recycling project sa quarter, at higit sa kalahati ng kanilang planadong automation at mga bagong proyekto ay nag-ambag ng 1.5 milyong tonelada ng taunang kapasidad sa pag-recycle sa buong North America.

“Ang aming malalakas na resulta ay pinangunahan ng aming Collection at Disposal business kung saan ang aming nakatutok na pagsisikap sa frontline retention, pag-optimize ng aming cost structure, at pagbibigay ng natatanging serbisyo sa aming mga customer ay nagpasigla sa paglago ng kita.”

– CEO Jim Fish

Conclusion

Ang industriyal na basura ay patuloy na lumalaki dahil sa pagtaas ng populasyon at pag-unlad ng teknolohiya, at kung hindi ito maayos na pamamahalaan, maaaring magdulot ito ng mapanganib na mga kahihinatnan. Bukod sa polusyon sa hangin at tubig, ang basurang ito ay nagdudulot ng pagkasira ng lupa, pag-init ng mundo, at pinsala sa ating ekosistema. Dahil tanging maliit na bahagi lamang ng basurang ito ang nare-recycle, ang pinakabagong mga pagtuklas na nagbabago ng industriyal na basura tungo sa isang ahente ng imbakan ng enerhiya ay lubos na kapaki-pakinabang para sa kapaligiran at nagbubukas ng daan patungo sa isang napapanatili at mas malusog na hinaharap.

I-click dito para sa listahan ng mga nangungunang baterya stocks.