Yeşil Enerji Devrimi: Endüstriyel Atıkların Yeni Nesil Pilleri Güçlendirmesi

Çevre sorunlarına yönelik farkındalık, hem gençler hem de yetişkinler arasında dünya çapında artıyor. İklim değişikliğinin tehdidi ve gezegenimize olan zararlı etkileriyle karşı karşıya olduğumuzda, giderek daha fazla insan eylemlerinin çevreyi nasıl etkilediği konusunda endişeleniyor ve Dünya’yı korumaya odaklanan hareketlere katılıyor.

PwC’nin 2021 Küresel Tüketici İçgörüleri Anketi, dünya çapında ankete katılan tüketicilerin yarısının daha çevre dostu hâle geldiğini ortaya koydu; 2023 anketi ise gösteriyor ki on tüketiciden sekizi, sürdürülebilir üretilen ürünler için %5’e kadar daha fazla ödeme yapmaya istekli.

2019 anket sonuçlarıyla karşılaştırıldığında, yanıt verenlerin %35’i sürdürülebilir ürünleri tercih ettiklerini, %37’si çevre dostu ambalaj aradıklarını ve %41’i mümkün olduğunda plastik kullanımından kaçındıklarını belirtmişti; 2021 anket sonuçları ise aynı sorulara verilen yanıtların yüzde on ila yirmi puan daha yüksek olduğunu gösterdi. 

Sürdürülebilir bir yaşam tarzı, dünya genelindeki tüketiciler için giderek daha önemli hâle geliyor; bu tüketiciler aynı zamanda şirketlerin ve markaların daha sürdürülebilir ve çevre dostu olmasını istiyor.

Bu davranış değişikliği olumlu bir gelişme, çünkü dünya çapında yılda yaklaşık 2 milyar ton endüstriyel atık üretiliyor. Endüstriyel atık, toplam atıkların yaklaşık yarısını oluştururken, sadece yaklaşık %2’si gerçekten geri dönüştürülüyor.

Endüstriyel atığın temel nedeni, metal işleme, kimya üretimi, gıda işleme, farmasötik üretimi ve petrol ve gaz çıkarımı gibi çok çeşitli süreçlerden kaynaklanan yan ürünlerdir. Atık yönetimindeki uygunsuz uygulamalar, çevreyi olumsuz etkileyen daha fazla endüstriyel atığa yol açabilir. 

Bununla birlikte, tüketicilerdeki artan farkındalık ve daha fazla ülkenin etkili atık bertarafına odaklanması, endüstriyel atık yönetimi çözümlerine olan talebin hızla artmasıyla, küresel endüstriyel atık yönetimi piyasasının $1.79 billion by 2032 büyümesi öngörülüyor. Yeni teknolojilerin ortaya çıkması ve üretilen atık türlerinin daha karmaşık hâle gelmesi de bu büyümeye katkıda bulunuyor. 

ABD’de Endüstriyel Atık Yönetimi pazarının daha da büyümesi bekleniyor ve bu dönemde tahmini değerin 323,81 milyar dolar olması öngörülüyor.

Atık yönetiminin yanı sıra, araştırmacılar ve şirketler atıkla başa çıkmanın diğer yollarını da araştırıyor; bunlar arasında yukarı akış (upcycling), ürün yeniden tasarımı, biyobozunur alternatifler, döngüsel ekonomi modelleri, mikrobiyal çözümler ve yenilikçi geri dönüşüm teknolojileri yer alıyor.

Çöpü hazineye dönüştürmek, araştırmacıların son girişimi oldu. Yakın zamanda Cornell araştırma ekibinin e-atıktan altın çıkardığını ve bunu CO₂’yi organik maddelere dönüştüren bir katalizör olarak kullandığını paylaştık.

Yeni bir çalışma, endüstriyel atıktan yeşil piller geliştiriyor ve telefonlarımız ve hatta arabalarımız gibi cihazlarda kullanılan piller için bir alternatif sunuyor. 

Şu anda kullanılan piller, lityum ve kobalt gibi metallere dayanıyor; bu metalller ise yıkıcı ve yoğun madencilikle elde ediliyor. 

Elektrikli araçların gittikçe artan benimsenmesi, e-bisiklet, tüketici elektroniği, enerji depolama, güç aletleri ve diğer pil yoğun uygulamalara artan ihtiyaçla birlikte, metal temelli çözümlerden uzaklaşmayı ve yeşil enerji geçişini kolaylaştırmayı gerektiriyor.

Endüstriyel Atığı Enerji Depolamak İçin Kullanmak

Yenilenebilir ve doğası gereği dalgalı enerji kaynaklarına olan bağımlılık arttıkça, Northwestern araştırmacılarından oluşan bir ekip, şebekemizin taleplerini karşılamak için enerji depolama kapasitesinin artırılmasını savunuyor ve bunun için endüstriyel ölçekli organik atığı verimli bir depolama çözümüne dönüştürerek sürdürülebilir enerji sağlayabiliyor. 

Çalışmanın odak noktası, esnekliği, ölçeklenebilirliği ve uzun çevrim yetenekleri nedeniyle araştırılan şarj edilebilir piller olan redoks akış pilleriydi (RFB), çalışma.

Redoks akış pilleri pazarı şu anda pil pazarının küçük bir kısmını oluşturuyor ancak 2024’te 300 milyon doların altında olan pazarın 2033’te 1 milyar doların çok üzerine çıkması öngörülüyor. Bu genişleme, yenilenebilir enerji kaynaklarına artan geçiş, güvenilir ve büyük ölçekli enerji depolama çözümlerine ihtiyaç, hükümet teşvikleri ve pil verimliliğini artırıp maliyetleri düşürmeye yönelik sürekli teknolojik ilerlemeler tarafından desteklenecek. 

RFB’lerdeki gelişmeler, onları büyük ölçekli enerji depolama için pratik bir seçenek haline getiriyor, ancak enerji yoğunlukları düşüktür. 

Son yıllarda, Redoks-aktif organik moleküllerin (ROM) stabilitesini artırma konusunda ilerleme kaydedildi; bu moleküller, büyük ölçekli enerji depolama için sürdürülebilir RFB’ler inşa etmede umut verici adaylar olarak görülüyor. Değerlendirilen çoğu ROM, çok adımlı sentez gerektiriyor ve başlangıç malzemelerinin sınırlı bulunabilirliği uygulamalarını engelliyor. 

Ayrıca anolitlerin genellikle stabilite eksikliği olduğu bir gerçek var. Anolitler, RFB’lerde güç üreten ve enerjiyi depolayan elektrokimyasal reaksiyonlardan geçer. RFB’de kullanılan anolit türü, kapasite, tersine çevrilebilirlik ve stabiliteyi etkileyebilir. 

Bu nedenle Northwestern araştırmacıları, endüstriyel atıktan elde edilen organik bir bileşiği Nonaqueous RFB (NARFB) uygulamaları için ROM olarak kullanmaya karar verdi. Bu pillerin birçok iterasyonu şebeke ölçeğinde araştırılıyor olsa da, atık organik malzemenin bu şekilde kullanılması alanda ilk kez görülüyor. 

Atık molekül, her yıl binlerce ton üretilen ve çeşitli organik endüstriyel sentez süreçleriyle ortaya çıkan iyi bilinen bir endüstriyel atık yan ürünü olan trifenilfosfin oksit (TPPO) dir. Kimyasal olarak stabil olan bu yan ürün, sınırlı uygulamaya sahip ve kullanılmaz durumda, dikkatli bir şekilde bertaraf edilmesi gerekir. 

Değeri olmayan kullanılmayan yan ürün, yalnızca öncülü trifenilfosfin (TPP) tarafından gösterilen etkileyici reaktivite nedeniyle tolere ediliyor. 

Northwestern, DOE’nun Temel Enerji Bilimleri Ofisi ve Ulusal Bilim Vakfı Lisansüstü Araştırma Bursu’nun desteğiyle araştırmacılar, bu atığı bir “tek kap” reaksiyonla değerli bir ürüne dönüştürmeyi başardı. Ortaya çıkan çözelti, enerji depolamanın güçlü bir yolu olarak büyük vaat gösteriyor ve atıktan elde edilen organik redoks akış pillerine geçişi mümkün kılıyor.

“Keşfimiz, atık bileşenleri değerli kaynaklara dönüştürme potansiyelini gösteriyor ve pil teknolojisinde sürdürülebilir bir yenilik yolu sunuyor.”

– Baş yazar Christian Malapit, Northwestern kimyageri ve Weinberg College of Arts and Sciences Kimya Bölümü’nde yardımcı doçent

Mühendislerin ve malzeme bilimcilerin batarya araştırmalarını domine ettiğini, ancak araştırmalarının gösterdiği gibi sentetik kimyagerlerin de “organik bir atık ürününü enerji depolayan bir molekül haline getirerek alana katkıda bulunabileceğini” vurguladı.

Geleneksel lityum ya da katı hal pilleri kadar popüler olmasa da, bu piller sıvı ya da katı elektrotlarda büyük miktarda enerji depolar, redoks akış pilleri ise elektrolitler arasında enerjinin akışını sağlayan kimyasal bir reaksiyon kullanarak enerji depolar. 

Son keşif, RFB’leri organik bir molekül kullanmaları ve yüksek stabilite ile yüksek enerji yoğunluğunu elde edebilmeleri sayesinde metal tabanlı rakiplerine yaklaşan çok faydalı hâle getiriyor. 

Bu iki parametre, birinci yazar Emily Mahoney’ye göre, genellikle birlikte optimize edilmesi zor olan özellikler; ancak artık atıktan elde edilen bir molekülle bunları gösterdikleri için bu durum “heyecan verici”. 

Bununla birlikte, hem enerji yoğunluğunu hem de stabiliteyi sağlamak, elektronların zaman içinde depolama kapasitesini kaybetmeden sıkı bir şekilde paketlenmesini gerektiriyor. Araştırma ekibi, bu stratejiyi yarım yüzyıl önce fosfin oksitlerinin elektrokimyası üzerine bir makaleden buldu. 

Bu çalışma, fosfin oksitlerini batarya araştırmalarında redoks-aktif bileşen olarak kullanan “ilk örnek” olarak kayıtlara geçti. 

Azaltılmış fosfin oksitleri geleneksel olarak çok kararsızdır; ancak son çalışmanın moleküler mühendislik yaklaşımı bu kararsızlığı gidererek “enerji depolamada uygulanmalarının önünü açtı.” 

Şimdi, molekülün performansını değerlendirmek için araştırmacılar, statik elektrokimyasal şarj ve deşarj deneyleri yaptılar. 350 şarj-deşarj döngüsünden sonra pil, olağanüstü sağlığını korudu ve zaman içinde ihmal edilebilir bir kapasite kaybı gösterdi. 

350 döngü boyunca kapasite kaybı yaşamaması, çalışmanın sonucunda “bu molekülün sadece etkileyici performansı değil, aynı zamanda kaynak sürdürülebilirliği nedeniyle de alana öncülük ettiğini” gösteriyor. 

Redoks akış pilleri söz konusu olduğunda, endüstriyel kimyasal atık trifenilfosfin oksitinin enerji depolamada kullanılmasının yanı sıra, yenilikçi membran tasarımı, DMQA’yı elektrolit malzemesi olarak kullanma ve TEMPO katotları için Hirshfeld yükünün ayarlanması gibi araştırmalar da RFB’lerin ilerlemesine katkıda bulunuyor.

Diğer Endüstri Atıkları Pil Teknolojisini Güçlendiriyor 

Önemli bir atılım olmasına rağmen, bu çalışma tek başına endüstriyel geri dönüştürülmemiş atığı faydalı bir ürüne dönüştürmekte yalnız değildir; yıllar içinde birçok çalışma, atıkları pil teknolojisini iyileştirmek için kullandı. 

Bu, çelik üretiminin bir yan ürünü olan çelik cürufunun enerji depolama malzemeleri olarak araştırılmasını içeriyor. Bir çalışmada, araştırmacılar çelik cüruf tozu (SSP) ve cam tozu (GP) ile yeşil yapısal süperkapasitör hücreleri (SSC) oluşturdu; bu hücreler hem dayanıklılık hem de alan kapasiteliğinde iyi çok fonksiyonluluk gösterdi. 

Başka bir çalışmada, araştırmacılar çelik cürufunun termal performansını inceledi ve bunun akıllı ısı depolama malzemesi olduğunu buldu. Na2CO3 aktivasyonu, malzemenin ısı depolama kapasitesini %25’in üzerinde ve ısı iletkenliğini %32’nin üzerinde artırdı.

Çelik endüstrisinin en büyük yan ürününün kullanımı sadece araştırmayla sınırlı değil. Dünyanın ikinci büyük çelik üreticisi ArcelorMittal (ARRD.DE ) (MT ), byproductı çelik üretim sürecinde termal enerji depolama olarak test etti ve fosil yakıt kullanımını azaltmayı hedefledi. Şirket aslında Linz-Donawitz (LD) cürufuyu yaklaşık 30 yeni ürün üretmek için kullanıyor; bu ürünler yollar ve çit direkleri inşa etmek, çimento hammaddesi ve kanalizasyon filtrasyonu için kullanılmakta.

Çelik cürufu, kömür külü ve maden atıkları gibi diğer malzemeler de dayanıklı karbon depolama için kullanılmaktadır. Endüstriyel yan ürünlerin CO₂ depolama potansiyeli, 2100 yılına kadar yıllık 2,9 ila 8,5 milyar ton arasında tahmin edilmektedir; bu, endüstriyel atık üretimine bağlıdır.

Uçtaş, kömürle çalışan enerji santrallerinin bir yan ürünü olup, pil anotları için araştırılıyor. Suudi Arabistan’dan araştırmacılar, uçtaş karbonunu alkali metal-iyon piller için anot malzemesi olarak kullandılar; bu yüksek kapasiteler ve mükemmel çevrim stabilitesi gösterdi. Ayrı bir çalışmada, araştırmacılar yan ürünün yüksek katkı değerini nanoyapılı silikon tozlarına dönüştürerek lityum-iyon piller için anot aktif malzemeleri olarak uyguladılar; bu da iyi elektrokimyasal performans sergiledi.

Enerji üretimi sırasında oluşan kullanılmamış biyokütle ve atık malzemeler de karbon malzemeleri üretmek için etkili bir şekilde kullanılabilir; bu malzemeler piller, güneş hücreleri ve süperkapasitörler gibi enerji depolama cihazları için karbon malzemeleri oluşturur. Atığın kullanılmasının yanı sıra, atık bileşenlerin güvenli geri dönüşümündeki zorlukları ve fosil yakıt tüketimini de ortadan kaldırır. 

Biyokütleden elde edilen karbonlar, bitki ve hayvan atıklarının yapay süreçlerle gözenekli karbon malzemelerine dönüştürülmesiyle oluşur. Ortaya çıkan yapılar, nispeten yüksek iletkenlik, yüzey alanı ve gözeneklilikleri sayesinde özellikle süperkapasitörlerde enerji depolama uygulamaları için mükemmel adaylardır.

Karbon malzemeler, yüksek gözeneklilik ve özgül yüzey alanı nedeniyle süperkapasitörlerde elektrot olarak yaygın şekilde kullanılır; biyokütle karbonu ise geniş kaynak, düşük maliyet, yüksek güç yoğunluğu, uzun çevrim ömrü ve daha az kirlilik gibi avantajlarıyla öne çıkar.

Bilim insanları, bir sonraki nesil piller için yüksek performanslı pil anotları üretmek amacıyla plastik atığı da kullanıyor. Singapurlu bilim insanları, kimyasal olarak bağlı molekülleri daha kısa parçalara ayırarak atık polietilen tereftalat (PET) plastik şişelerden polimer elektrolitler üretme yolunu geliştirdi.

Daha sonra eski lityum-iyon pillerin geri dönüşümü geliyor; bu süreç kobalt, lityum ve nikelin geri kazanılmasını ve yeni enerji depolama sistemlerinde yeniden kullanılmasını sağlıyor. 

Dünyadaki lityum (Li) arzının büyük çoğunluğu, doğal olarak brinlerden ve sert kaya cevherlerinden birincil ürün olarak elde edilir ve esas olarak Avustralya, Çin ve Latin Amerika’da bulunur. Kobalt arzı ise (birincil ürün olarak %10’dan az ve geri kalan kısmı bakır ve nikel madenlerinin yan ürünü olarak üretilir) Demokratik Kongo Cumhuriyeti (DRK) tarafından domine edilir; bu ülke küresel üretimin %65’ini karşılar.

Dolayısıyla, eski pillerin bileşenlerinin geri dönüştürülmesi sadece atığı azaltmakla kalmaz, aynı zamanda yeni hammadde ihtiyacını da düşürür; bu hammadde bol olmasına rağmen, kaynak yoğun madencilik ve sınırlı coğrafi dağılım sorunlarıyla karşı karşıyadır.

İlgili Halka Açık Şirketler 

Şimdi, ilgili sektörlerde ilerleme kaydeden şirketlere bir göz atalım. 

1. Fluence Energy, Inc.

Enerji depolama çözümlerinin küresel sağlayıcısı Fluence, Gridstack Pro, Gridstack, Sunstack, Edgestack ve Ultrastack aracılığıyla temiz enerji geçişini hızlandırmayı hedefliyor. Ayrıca, yenilenebilir enerji ve depolamayı yönetmek ve optimize etmek için AI hizmetleri sunan Fluence IQ Platformu da bulunuyor.

3 milyar dolar piyasa değerine sahip Fluence Energy hisseleri, yazım anında hisse başına 16,56 $ fiyatla, YTD %4,28 artış gösteriyor. EPS (TTM) -0,08 ve P/E (TTM) -219,92. 30 Eylül itibarıyla sona eren çeyrek için şirket, ilk kez 1,3 milyar dolar gelir ve 67,7 milyon dolar net kar açıkladı. Çeyrek sipariş hacmi 1,2 milyar dolar iken, birikmiş siparişler yaklaşık 4,5 milyar dolara yükseldi. Nakit pozisyonu ise 518,7 milyon dolar.

CEO Julian Nebreda, “tarihin en yüksek gelir ve kârlılık” olarak nitelendirilen bu durumu “şirketin büyüme yolundaki önemli bir kilometre taşı” olarak belirtti. Nebreda, dünya genelinde, özellikle ABD pazarının öncülüğünde, batarya enerji depolama çözümlerine olan talebin benzeri görülmemiş bir seviyeye ulaştığını vurguladı.

2. Waste Management

Endüstriyel atık geri dönüşümüne odaklanan Waste Management, konut, ticari ve belediye müşterileri için toplama, geri dönüşüm ve bertaraf hizmetleri dahil olmak üzere çevresel çözümler sunar.

83,29 milyar dolar piyasa değerine sahip Waste Management hisseleri, yazım anında 207,53 $ fiyatla, YTD %2,84 artış gösteriyor. EPS (TTM) 6,54 ve P/E (TTM) 31,71; temettü getirisi %1,45.

2024’ün üçüncü çeyreği için şirket, fiyatlandırmadaki güçlü uygulama, satılan geri dönüştürülebilir emtiaların daha yüksek piyasa fiyatları ve çöp sahası hacmindeki önemli artış sayesinde gelirinde %7,9 artış bildirdi. Waste Management, çeyrekte sekiz geri dönüşüm projesini tamamladı ve planladığı otomasyon ve yeni projelerin yarısından fazlası, Kuzey Amerika genelinde yıllık 1,5 milyon tonluk ek geri dönüşüm kapasitesine katkı sağladı.

“Güçlü sonuçlarımız, toplama ve bertaraf işimiz tarafından yönlendirildi; ön saflarda çalışan personel tutma, maliyet yapısını optimize etme ve müşterilerimize farklılaştırılmış hizmet sunma odaklı çabalarımız, kazanç büyümesini tetikledi.”

– CEO Jim Fish

Sonuç

Endüstriyel atık, artan nüfus ve teknolojik ilerlemeler nedeniyle sürekli büyüyor ve doğru yönetilmediği takdirde ölümcül sonuçlara yol açabilir. Hava ve su kirliliğinin yanı sıra, bu atık toprak bozulması, küresel ısınma ve ekosistemimize zarar vermektedir. Bu atığın yalnızca küçük bir kısmı geri dönüştürüldüğü göz önüne alındığında, endüstriyel atığı enerji depolama aracı haline dönüştüren son keşifler çevre için son derece faydalı ve sürdürülebilir, daha sağlıklı bir geleceğe giden yolu açmaktadır.

En iyi pil hisselerinin listesi için buraya tıklayın.