Grafito

Las celdas de combustible se han convertido en una fuente de energía ecológica viable, y se siguen realizando avances en la tecnología. Hoy en día, las celdas de combustible ya se utilizan como energía primaria y de respaldo para edificios comerciales, industriales y residenciales. Sin embargo, las celdas de combustible también se utilizan para impulsar una variedad de vehículos, incluidos montacargas, automóviles, autobuses, botes, motocicletas y submarinos. A medida que mejora la tecnología de celdas de combustible, la importancia de usar grafito de alta pureza en las placas bipolares, las capas de difusión de gas y los catalizadores de las celdas de combustible se vuelve cada vez más evidente.

A medida que crece la industria de los vehículos eléctricos (EV), la autonomía ha demostrado ser un gran desafío. Las pilas de combustible se pueden utilizar tanto en aplicaciones estacionarias como móviles, aunque estas últimas requieren el acceso a una estación de servicio. Sin embargo, los vehículos eléctricos estándar todavía están mucho más limitados por sus baterías. Esto no es muy práctico en muchas aplicaciones comerciales donde los vehículos cubren grandes distancias, o en países que están menos densamente poblados y tienen largas distancias de conducción. Las celdas de combustible pueden entregar energía eléctrica en rangos de manejo comparables a los motores de gasolina o diesel. Por lo tanto, las celdas de combustible se usan con frecuencia en el transporte masivo/autobuses, por ejemplo en China y América del Norte, particularmente en aplicaciones de tipo flota donde los vehículos regresan a un punto central todos los días. Los autobuses de pila de combustible operan en varios estados de EE. UU. y también en el Reino Unido.

Cada vez más, los fabricantes de automóviles están considerando esta tecnología a mayor escala. Daimler y Honda ya están alquilando vehículos de pila de combustible y otros fabricantes de automóviles como Toyota y Hyundai les están siguiendo.

Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte la energía química de un combustible en electricidad a través de una reacción electroquímica del combustible que contiene hidrógeno con el oxígeno del aire u otro agente oxidante. Las placas bipolares (BP) son un componente clave de las celdas de combustible con carácter multifuncional: conducen la corriente eléctrica de celda a celda, eliminan el calor del área activa y evitan la fuga de gases y refrigerante. Las capas de difusión de gas (GDL) son esenciales para distribuir uniformemente el gas combustible y el oxígeno del aire. Los catalizadores y los sustratos de los catalizadores son decisivos para aumentar la velocidad de las reacciones electroquímicas de las pilas de combustible.

El grafito en las celdas de combustible se utiliza como material conductor para las placas bipolares, que son un componente esencial de la estructura de la celda de combustible. Las placas bipolares de grafito superfinas deben ser puras y de alta calidad para mejorar la conductividad eléctrica y térmica, así como para garantizar un funcionamiento prolongado.

Las placas bipolares en las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones, una de las tecnologías más populares, requieren grafito de alta pureza en escamas grandes. El grafito de grano fino también se usa como aditivo y relleno, pero es un componente relativamente pequeño de las celdas de combustible.

El grafito también se usa en GDL, donde el grafito afecta la porosidad de esta capa.

Finalmente, el grafito de alta pureza se utiliza como sustrato del catalizador, lo que permite que los metales preciosos del catalizador estén en estrecho contacto con los reactivos químicos, al tiempo que se evita cualquier contaminación.

Las celdas de combustible se basan en un proceso electroquímico y no en una combustión, las emisiones nocivas de las celdas de combustible son realmente inexistentes, un cambio absoluto incluso en comparación con los procesos de combustión de combustible más limpios. El agua y el calor son los únicos subproductos de las pilas de combustible. Las celdas de combustible también son mucho más eficientes que los motores de combustión para convertir el combustible en energía. Como no tienen partes móviles, las celdas de combustible son silenciosas, duraderas, confiables y duraderas con poco mantenimiento.

La UE está buscando activamente la cooperación internacional en investigación e innovación de hidrógeno renovable a través de Mission Innovation, una iniciativa global para acelerar los esfuerzos en innovación de energía renovable. El objetivo de la Misión de Hidrógeno Limpio es reducir los costos del hidrógeno limpio para el usuario final a $2/kg para 2030, y desarrollar al menos 100 valles de hidrógeno en todo el mundo para 2030. Las políticas nacionales vigentes han sido registradas por la Agencia Internacional de Energía. (AIE) informe sobre hidrógeno.1

Como parte de su estrategia RePowerEuropePlan2, en 2020, la Unión Europea adoptó una estrategia integral sobre el hidrógeno3 que consta de una serie de acciones: un acelerador de hidrógeno, una red de energía de hidrógeno, una alianza europea de hidrógeno limpio y una variedad de iniciativas de investigación. El 8 de julio de este año, la Comisión Europea adoptó la Estrategia de la UE para la Integración del Sistema Energético y el Hidrógeno.4 La primera aborda la infraestructura y las redes de carga, mientras que la Estrategia del Hidrógeno se centra en los vehículos pesados ​​y de larga distancia y la infraestructura del hidrógeno.

Para la infraestructura de hidrógeno para vehículos de transporte, existen diferentes problemas en torno a la infraestructura de reabastecimiento de combustible que los vehículos privados. Para las flotas de transporte, la Comisión Europea cree que las estaciones de servicio de hidrógeno pueden "suministrarse fácilmente mediante electrolizadores regionales o locales, pero su despliegue deberá basarse en un análisis claro de la demanda de la flota y los diferentes requisitos para vehículos ligeros y pesados". Por lo tanto, las pilas de combustible de hidrógeno deben fomentarse aún más en los vehículos pesados ​​de carretera, los autocares, los vehículos especiales y el transporte de mercancías por carretera de larga distancia.

La Comisión Europea también señaló que alrededor del 46 % de la red principal europea todavía está siendo abastecida con tecnología diésel y, por lo tanto, los trenes de celdas de combustible de hidrógeno podrían desarrollarse para otras rutas comerciales de trenes viables que de otro modo serían difíciles o no rentables de electrificar.

Paralelamente, la European Clean Hydrogen Alliance5 está organizando mesas redondas centradas en camiones/autobuses, vehículos ligeros, trenes, barcos, pilas de combustible, trenes motrices, tanques y estaciones de servicio de hidrógeno (HRS). Las políticas de hidrógeno ahora también se extienden a muchos países europeos, pero con grandes diferencias. En 2021, 19 de los 34 Estados miembros tenían una estrategia nacional de hidrógeno y los cambios geopolíticos han acelerado las discusiones y actividades.

A raíz de un informe del Centro Común de Investigación (JRC) de la Comisión Europea sobre el despliegue global de pilas de combustible estacionarias de gran capacidad (200 kW o más) que identifica los impulsores y las barreras para construir una presencia europea más fuerte, el Observatorio de Pilas de Combustible e Hidrógeno (FCHO)6 publicó sus informes en junio de 2022 sobre tecnologías, oferta y demanda, políticas y estándares.7

La European Clean Hydrogen Alliance8 identificó una cartera de más de 750 proyectos de inversión que sus miembros indicaron emprender para 2030. Los proyectos están ubicados en casi todos los Estados miembros de la UE e incluyen la producción de hidrógeno (proyectos para la instalación de electrolizadores de más de 50 GW), transporte y su uso en la industria, aplicaciones de movilidad, sistemas de energía y en edificios.

La Asociación para el Hidrógeno Limpio9 en el marco de Horizonte Europa está elevando el nivel de investigación con un apoyo de la UE de 1 000 millones EUR para el período 2021-2027, complementado con al menos una cantidad equivalente de inversión privada (de los miembros privados de la asociación), elevando el presupuesto total por encima de los 2.000 millones de euros.

En su informe sobre el hidrógeno, la Agencia Internacional de la Energía ilustró que, con el desarrollo de solicitudes de patentes para pilas de combustible 2010-2019,10 Europa ocupa el segundo lugar después de Japón.

La UE dispone de un sistema de identificación de Proyectos Importantes de Interés Común Europeo (IPCEI). El primer IPCEI en esta área se denomina 'IPCEI Hy2Tech', que incluye 41 proyectos y fue aprobado en julio de 2022. Tiene como objetivo desarrollar tecnologías innovadoras para la cadena de valor del hidrógeno para descarbonizar los procesos industriales y el sector de la movilidad con foco en los usuarios finales.

En septiembre de 2022, la Comisión aprobó 'IPCEI Hy2Use', un segundo proyecto que complementa IPCEI Hy2Tech y que apoyará la construcción de infraestructura relacionada con el hidrógeno y el desarrollo de tecnologías innovadoras y más sostenibles para la integración del hidrógeno en los sectores industriales. En este proyecto participan 29 empresas y 35 proyectos de 13 Estados miembros. Los Estados miembros proporcionarán hasta 5 200 millones EUR en financiación pública, lo que se espera que desbloquee 7 000 millones EUR adicionales en inversiones privadas.

En un proyecto de investigación conjunto denominado 'miniBIP II',11 el Instituto Fraunhofer de Tecnología de Materiales y Vigas IWS Dresden, el grupo automotriz alemán Daimler y la empresa siderúrgica finlandesa Outokumpu Nirosta han desarrollado ahora una alternativa económica para una solución más rápida, menos compleja y menos costosa. una producción en masa más costosa y más sostenible desde el punto de vista ambiental. En lugar de utilizar oro en la producción continua de placas bipolares, recubren las placas con una capa de carbono muy fina. Mediante el uso de la deposición física de vapor, un automóvil eléctrico en una cámara de vacío primero vaporiza el carbono, que luego se deposita sobre el acero inoxidable en una capa muy pura, uniforme y muy delgada.

Otro proyecto en el marco de Horizon Europe es PEMTASTIC, que reúne a Imerys, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, productores de pilas de combustible y académicos, y tiene como objetivo superar los desafíos técnicos clave para aumentar la durabilidad de los conjuntos de electrodos de membrana (MEA) para aplicaciones HD. Estos desafíos se abordan con una combinación de diseño basado en modelos y el desarrollo de un CCM duradero utilizando materiales innovadores adaptados para operaciones de servicio pesado a alta temperatura (105 °C). Los objetivos cuantitativos corresponden a una durabilidad de 20.000 horas, manteniendo una densidad de potencia de última generación de 1,2 W/cm2@0,65 V a una carga de Pt de 0,30 g/kW.

Según las materias primas críticas para tecnologías y sectores estratégicos de la UE del JRC. Un estudio prospectivo12: "El cambio a la movilidad eléctrica requerirá baterías, celdas de combustible y motores de tracción livianos no solo para automóviles sino también para bicicletas eléctricas, scooters y transporte pesado. La defensa y la industria aeroespacial siempre han sido estratégicamente importantes y siguen siendo a la vanguardia de los desarrollos tecnológicos; despliegan casi todas las tecnologías".

A lo largo de su informe, el JRC identifica la necesidad de abordar los cuellos de botella en el suministro de materias primas, incluido el grafito, para estas aplicaciones.

En los EE. UU., se ha estimado que hay más grafito en un vehículo de pila de combustible que en un vehículo eléctrico. El Servicio Geológico de los Estados Unidos declaró que: "Las celdas de combustible tienen el potencial de consumir tanto grafito como todos los demás usos combinados". El mercado global de pilas de combustible está experimentando un rápido crecimiento y se espera que continúe creciendo a una CAGR del 20,9 % hasta 2025.

Es probable que continúe la inversión en proyectos de investigación, y se esperan nuevos desarrollos en materiales para celdas de combustible en los próximos años. El próximo Foro Europeo de Pilas de Combustible13 se llevará a cabo del 4 al 7 de julio de 2023 en Lucerna, Suiza.

Dra. Corina Hebestreit Secretaria General Asociación Europea de Carbono y Grafito http://www.ecga.net/ https://www.linkedin.com/company/ecga-carbon-graphite/?originalSubdomain=be https://twitter.com/ Ecga_C

Tenga en cuenta que este artículo también aparecerá en la duodécima edición de nuestropublicación trimestral.

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