Im 19. Jahrhundert galt Aluminium als wertvoller als Gold oder Silber, da die Herstellung in großen Mengen sehr teuer war. Durch das Hall-Héroult-Schmelzverfahren, das 1886 den Vorreiter bei der elektrochemischen Reduktion von Aluminiumoxid war, machten Fortschritte in der Elektrochemie Aluminium zugänglicher und erschwinglicher und verwandelten es schnell in eine Materialbasis für die Herstellung von Flugzeugen, Stromleitungen, Lebensmittelbehältern usw viel mehr.
Während die Gesellschaft gegen die Klimakrise, mit der wir heute konfrontiert sind, mobilisiert, suchen wir nach transformativen Lösungen zur Bewältigung der Umweltherausforderungen. So wie die Elektrochemie die Aluminiumproduktion modernisiert hat, liegt in der Wissenschaft der Schlüssel zur Revolutionierung der Stahl- und Eisenherstellung.
Elektrochemie kann helfen, den Planeten zu retten
Da die Welt zur Bewältigung der Klimakrise saubere Energielösungen wie Windkraftanlagen, Elektrofahrzeuge und Solarpaneele einsetzt, wird es unerlässlich, unsere Herangehensweise an die Fertigung zu ändern. Die traditionelle Stahlproduktion, die eine erhebliche Menge Energie erfordert, um fossile Brennstoffe bei Temperaturen über 1.600 °C zu verbrennen und Erz in Eisen umzuwandeln, ist derzeit für etwa 10 % der jährlichen CO-Emissionen des Planeten verantwortlich.2 Emissionen. Die weitere Anwendung herkömmlicher Methoden birgt die Gefahr, dass Fortschritte bei der Erreichung der Umweltziele gefährdet werden.
Wissenschaftler nutzen bereits die Elektrochemie, die es ermöglicht, Redoxreaktionen direkt elektrisch zu steuern, um Erz in Eisen umzuwandeln. Diese Umstellung ist ein wesentlicher Schritt in der Stahlproduktion und der umweltschädlichste. Elektrochemieingenieure können den Übergang zu einer saubereren Stahl- und Eisenindustrie vorantreiben, indem sie Optimierungen neu überdenken und priorisieren.
Als ich 1998 mit dem Studium der technischen Thermodynamik begann, galt Elektrizität, die fünfmal so viel kostete wie ein Joule Wärme, als erstklassige Energieform, die nur in Zeiten der absoluten Notwendigkeit genutzt werden sollte.
Seitdem ist der Strompreis stetig gesunken. Aber wir wissen jetzt, dass Emissionen viel schädlicher und kostspieliger sind.
Ingenieure müssen heute die derzeit akzeptierten Praktiken anpassen, um neue Lösungen zu entwickeln, bei denen die Masseneffizienz Vorrang vor der Energieeffizienz hat.
Zusammen mit elektrochemischen Ingenieuren, die sich für eine sauberere Stahl- und Eisenindustrie einsetzen, haben uns technologische Fortschritte und billigere erneuerbare Energien in einen „elektrochemischen Moment“ gebracht, der in vielen Branchen Veränderungen verspricht.
Sinkende Preise für Photovoltaikanlagen und Windkraftanlagen haben beispielsweise erneuerbaren Strom erschwinglicher gemacht. Fortschritte bei elektrischen Verteilungssystemen für Elektrofahrzeuge können für modulare elektrochemische Reaktoren genutzt werden.
Die Elektrochemie hat das Potenzial, die Entwicklung einer sauberen und umweltfreundlichen Infrastruktur über Batterien, Elektrolyseure und Brennstoffzellen hinaus zu unterstützen. Elektrochemische Prozesse und Methoden können skaliert werden, um Metalle, Keramik, Verbundwerkstoffe und sogar Polymere in Maßstäben herzustellen, die bisher thermochemischen Prozessen vorbehalten waren. Mit genügend Aufwand und Überlegung kann die elektrochemische Produktion zu Milliarden Tonnen Metall, Beton und Kunststoff führen. Und da die Elektrochemie direkt auf den für die Chemie grundlegenden Elektronentransfer zugreift, können dieselben Materialien mithilfe erneuerbarer Energien recycelt werden.
Da erneuerbare Energien in den nächsten fünf Jahren voraussichtlich mehr als 90 % des weltweiten Stromausbaus ausmachen werden, müssen Elektrochemie-Wissenschaftler und -Ingenieure herausfinden, wie sie Windenergie und kostengünstige Solarenergie am besten nutzen können.
Die Grundkomponenten elektrochemischer Systeme, darunter komplexe Oxide, korrosionsbeständige Metalle und leistungsstarke Präzisionsstromwandler, bilden nun ein spannendes Werkzeugset für die nächste Entwicklung der elektrochemischen Technik.
Wissenschaftler vor uns haben einen stabilen Satz von Bausteinen geschaffen; Die nächste Generation elektrochemischer Ingenieure muss damit elegante, zuverlässige Reaktoren und andere Systeme entwickeln, um die Prozesse der Zukunft zu ermöglichen.
Vor dreißig Jahren waren Studiengänge im Bereich Elektrochemie größtenteils Wahlfächer und Kurse für Hochschulabsolventen. Heute bieten fast alle führenden institutionellen Forschungs- und Entwicklungszentren umfassende Kurse in Elektrochemie an. Studierende, die sich für dieses Fachgebiet interessieren, sollten Kurse in elektroanalytischer Chemie und elektrochemischen Methoden sowie Kurse in elektrochemischer Energiespeicherung und Materialverarbeitung belegen.
Obwohl eine großtechnische elektrochemische Produktion möglich ist, ist sie nicht zwangsläufig. Um sein Potenzial auszuschöpfen, bedarf es der gemeinsamen Anstrengungen der nächsten Generation von Ingenieuren.
So wie Wissenschaftler einen Weg gefunden haben, das Potenzial von Aluminium zu nutzen, das einst reichlich vorhanden und unzugänglich war, haben Ingenieure jetzt die Möglichkeit, eine sauberere, nachhaltigere Zukunft zu gestalten. Die Elektrochemie hat die Macht, den Prozess hin zu sauberer Energie zu verändern und den Weg für eine Welt zu ebnen, in der Umweltverträglichkeit und industrieller Fortschritt Hand in Hand gehen.