In de 19e eeuw werd aluminium als waardevoller beschouwd dan goud of zilver, omdat het zo duur was om het metaal in welke hoeveelheid dan ook te produceren. Dankzij het Hall-Héroult-smeltproces, dat in 1886 een pionier was in de elektrochemische reductie van aluminiumoxide, maakte de vooruitgang in de elektrochemie aluminium beter beschikbaar en betaalbaarder, waardoor het snel veranderde in een basismateriaal dat werd gebruikt bij de vervaardiging van vliegtuigen, elektriciteitsleidingen en voedselopslagcontainers. . en meer.
Terwijl de samenleving zich mobiliseert tegen de urgente klimaatcrisis waarmee we vandaag de dag worden geconfronteerd, zoeken we naar transformatieve oplossingen om de uitdagingen op milieugebied het hoofd te bieden. Net zoals de elektrochemie de aluminiumproductie heeft gemoderniseerd, bezit de wetenschap de sleutel tot een revolutie in de staal- en ijzerproductie.
Elektrochemie kan de planeet helpen redden
Nu de wereld schone energieoplossingen zoals windturbines, elektrische voertuigen en zonnepanelen omarmt om de klimaatcrisis aan te pakken, wordt het veranderen van de manier waarop we de productie benaderen van cruciaal belang. De traditionele staalproductie – waarbij een aanzienlijke hoeveelheid energie nodig is om fossiele brandstoffen te verbranden bij temperaturen boven de 1600°C en het erts in ijzer om te zetten – is momenteel verantwoordelijk voor ongeveer 10 procent van de jaarlijkse CO2-uitstoot van de planeet.2 uitstoot. Als u doorgaat met conventionele methoden, bestaat het gevaar dat de vooruitgang op weg naar de milieudoelstellingen in gevaar komt.
Wetenschappers passen al elektrochemie toe – die directe elektrische controle biedt over oxidatie-reductiereacties – om erts in ijzer om te zetten. Conversie is een essentiële stap in de staalproductie en het onderdeel met de meeste uitstoot. Elektrochemische ingenieurs kunnen een verschuiving naar een schonere staal- en ijzerindustrie initiëren door optimalisaties te heroverwegen en opnieuw te prioriteren.
Toen ik in 1998 voor het eerst technische thermodynamica studeerde, werd elektriciteit – die vijf keer zoveel kostte per joule warmte – beschouwd als een superieure vorm van energie die alleen kon worden gebruikt als het absoluut noodzakelijk was.
Sindsdien is de prijs van elektriciteit voortdurend gedaald. Maar het is nu bekend dat emissies veel schadelijker en duurder zijn.
Ingenieurs moeten vandaag de dag de huidige geaccepteerde praktijken aanpassen om nieuwe oplossingen te ontwikkelen die prioriteit geven aan massa-efficiëntie boven energie-efficiëntie.
Naast elektrochemische ingenieurs die werken aan een schonere staal- en ijzerindustrie, hebben technologische vooruitgang en goedkopere hernieuwbare energiebronnen ons op een ‘elektrochemisch moment’ gebracht dat belooft veel sectoren te veranderen.
Dalende kosten van fotovoltaïsche panelen en windturbines hebben bijvoorbeeld geleid tot meer betaalbare hernieuwbare elektriciteit. Vooruitgang in elektrische distributiesystemen die zijn ontworpen voor elektrische voertuigen kunnen worden hergebruikt voor modulaire elektrochemische reactoren.
Elektrochemie heeft het potentieel om de ontwikkeling van een schone, groene infrastructuur te ondersteunen die verder gaat dan batterijen, elektrolyzers en brandstofcellen. Elektrochemische processen en methoden kunnen worden opgeschaald om metalen, keramiek, composieten en zelfs polymeren te produceren op een schaal die voorheen voorbehouden was aan thermochemische processen. Met voldoende inspanning en nadenken kan elektrochemische productie leiden tot miljarden tonnen metalen, beton en kunststoffen. En omdat de elektrochemie de voor de chemie fundamentele elektronenoverdracht rechtstreeks benadert, kunnen dezelfde materialen worden gerecycled met behulp van hernieuwbare energie.
Aangezien hernieuwbare energiebronnen naar verwachting de komende vijf jaar ruim 90 procent van de mondiale elektriciteitsgroei zullen voor hun rekening nemen, moeten wetenschappers en ingenieurs die zich richten op elektrochemie uitzoeken hoe ze goedkope wind- en zonne-energie het beste kunnen benutten.
De kerncomponenten van elektrochemische systemen, waaronder complexe oxiden, corrosiebestendige metalen en krachtige precisie-energieomzetters, vormen nu een opwindende toolkit voor de volgende evolutie van elektrochemische technologie.
Wetenschappers die eerder kwamen, creëerden een stabiele reeks bouwstenen; de volgende generatie elektrochemische ingenieurs zou ze moeten gebruiken om elegante, betrouwbare reactoren en andere systemen te creëren om de processen van de toekomst te produceren.
Dertig jaar geleden waren cursussen elektrochemische technologie voornamelijk keuzevakken en graduate-cursussen. Nu heeft bijna elk institutioneel onderzoeks- en ontwikkelingscentrum volledige sporen van elektrochemische technologie. Studenten die geïnteresseerd zijn in dit vakgebied moeten lessen volgen in elektroanalytische chemie en elektrochemische methoden en cursussen in elektrochemische energieopslag en materiaalverwerking.
Hoewel elektrochemische productie mogelijk is, is dit niet onvermijdelijk. Er zullen de gezamenlijke inspanningen van de volgende generatie ingenieurs nodig zijn om hun potentiële schaal te bereiken.
Net zoals wetenschappers een manier hebben gevonden om het potentieel van het overvloedige, ooit ongrijpbare aluminium te ontsluiten, hebben ingenieurs nu de mogelijkheid om een schonere en duurzamere toekomst vorm te geven. Elektrochemie heeft de kracht om de overstap naar schone energie om te zetten, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor een wereld waarin ecologische harmonie en industriële vooruitgang hand in hand gaan.