Graphit

Brennstoffzellen haben sich zu einer praktikablen umweltfreundlichen Energiequelle entwickelt, und die Technologie wird weiterhin weiterentwickelt. Heute werden Brennstoffzellen bereits zur Primär- und Notstromversorgung von Gewerbe-, Industrie- und Wohngebäuden eingesetzt. Brennstoffzellen werden jedoch auch zum Antrieb einer Vielzahl von Fahrzeugen eingesetzt, darunter Gabelstapler, Autos, Busse, Boote, Motorräder und U-Boote. Mit der Weiterentwicklung der Brennstoffzellentechnologie wird die Bedeutung der Verwendung von hochreinem Graphit in den Bipolarplatten, Gasdiffusionsschichten und Katalysatoren von Brennstoffzellen immer offensichtlicher.

Da die Elektrofahrzeugindustrie (EV) wächst, hat sich die Reichweite als große Herausforderung erwiesen. Brennstoffzellen können sowohl stationär als auch mobil eingesetzt werden, wobei für letztere der Zugang zu einer Tankstelle erforderlich ist. Allerdings sind herkömmliche Elektrofahrzeuge noch viel stärker durch ihre Batterien eingeschränkt. Dies ist in vielen kommerziellen Anwendungen, in denen Fahrzeuge große Entfernungen zurücklegen, oder in Ländern mit geringerer Bevölkerungsdichte und langen Fahrstrecken nicht sehr praktikabel. Brennstoffzellen können elektrische Energie mit Reichweiten liefern, die mit denen von Benzin- oder Dieselmotoren vergleichbar sind. Daher werden Brennstoffzellen häufig in Massentransportmitteln/Bussen eingesetzt, beispielsweise in China und Nordamerika, insbesondere in Flottenanwendungen, bei denen die Fahrzeuge jeden Tag zu einem zentralen Punkt zurückkehren. Brennstoffzellenbusse sind in mehreren US-Bundesstaaten und auch im Vereinigten Königreich im Einsatz.

Automobilhersteller beschäftigen sich zunehmend mit dieser Technologie in größerem Maßstab. Daimler und Honda leasen bereits Brennstoffzellenfahrzeuge, andere Automobilhersteller wie Toyota und Hyundai folgen ihnen.

Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemisches Gerät, das die chemische Energie eines Brennstoffs durch eine elektrochemische Reaktion des wasserstoffhaltigen Brennstoffs mit Luftsauerstoff oder einem anderen Oxidationsmittel in Elektrizität umwandelt. Bipolarplatten (BPs) sind ein zentraler Bestandteil von Brennstoffzellen mit multifunktionalem Charakter: Sie leiten elektrischen Strom von Zelle zu Zelle, führen Wärme aus dem aktiven Bereich ab und verhindern das Austreten von Gasen und Kühlmittel. Um das Brenngas und den Sauerstoff aus der Luft gleichmäßig zu verteilen, sind Gasdiffusionsschichten (GDL) unerlässlich. Katalysatoren und Katalysatorsubstrate sind entscheidend, um die Geschwindigkeit der elektrochemischen Reaktionen der Brennstoffzelle zu erhöhen.

Graphit wird in Brennstoffzellen als leitfähiges Material für die Bipolarplatten verwendet, die ein wesentlicher Bestandteil der Brennstoffzellenstruktur sind. Superdünne Graphit-Bipolarplatten müssen rein und von hoher Qualität sein, um die elektrische und thermische Leitfähigkeit zu verbessern und einen langlebigen Betrieb zu gewährleisten.

Die Bipolarplatten in Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen, einer der beliebtesten Technologien, erfordern großflockigen, hochreinen Graphit. Auch feinkörniger Graphit wird als Zusatzstoff und Füllstoff verwendet, dieser ist jedoch ein relativ kleiner Bestandteil von Brennstoffzellen.

Graphit wird auch in GDL verwendet, wo Graphit die Porosität dieser Schicht beeinflusst.

Schließlich wird hochreiner Graphit als Katalysatorsubstrat verwendet, wodurch die wertvollen Katalysatormetalle in engem Kontakt mit den Reaktionschemikalien stehen und gleichzeitig jegliche Kontamination vermieden wird.

Brennstoffzellen basieren auf einem elektrochemischen Prozess und nicht auf einer Verbrennung. Schadstoffemissionen von Brennstoffzellen gibt es tatsächlich nicht – ein absoluter Gamechanger, selbst im Vergleich zu den saubersten Kraftstoffverbrennungsprozessen. Wasser und Wärme sind die einzigen Nebenprodukte von Brennstoffzellen. Brennstoffzellen sind auch bei der Umwandlung von Kraftstoff in Energie wesentlich effizienter als Verbrennungsmotoren. Da sie keine beweglichen Teile haben, sind Brennstoffzellen leise, langlebig, zuverlässig und langlebig bei geringem Wartungsaufwand.

Die EU strebt aktiv die internationale Zusammenarbeit bei Forschung und Innovation im Bereich erneuerbarer Wasserstoff durch Mission Innovation an, eine globale Initiative zur Beschleunigung der Bemühungen um Innovationen im Bereich erneuerbare Energien. Ziel der Clean Hydrogen Mission ist es, die Kosten für sauberen Wasserstoff für den Endverbraucher bis 2030 auf 2 US-Dollar/kg zu senken und bis 2030 weltweit mindestens 100 Wasserstofftäler zu entwickeln. Die geltenden nationalen Richtlinien wurden von der Internationalen Energieagentur erfasst (IEA) Bericht über Wasserstoff.1

Im Rahmen ihrer RePowerEuropePlan-Strategie2 hat die Europäische Union im Jahr 2020 eine umfassende Wasserstoffstrategie3 verabschiedet, die aus einer Reihe von Maßnahmen besteht: einem Wasserstoffbeschleuniger, einem Wasserstoff-Energienetzwerk, einer Europäischen Allianz für sauberen Wasserstoff und einer Vielzahl von Forschungsinitiativen. Am 8. Juli dieses Jahres verabschiedete die Europäische Kommission die EU-Strategie für Energiesystemintegration und Wasserstoff.4 Erstere befasst sich mit Ladeinfrastruktur und Netzen, während sich die Wasserstoffstrategie auf Langstrecken- und Schwerlastfahrzeuge sowie Wasserstoffinfrastruktur konzentriert.

Bei der Wasserstoffinfrastruktur für Transportfahrzeuge gibt es im Hinblick auf die Betankungsinfrastruktur andere Probleme als bei Privatfahrzeugen. Für Transportflotten ist die Europäische Kommission der Ansicht, dass Wasserstofftankstellen „leicht durch regionale oder lokale Elektrolyseure versorgt werden können, ihr Einsatz muss jedoch auf einer klaren Analyse der Flottennachfrage und unterschiedlichen Anforderungen für leichte und schwere Nutzfahrzeuge aufbauen“. Daher sollten Wasserstoff-Brennstoffzellen in schweren Straßenfahrzeugen, Reisebussen, Spezialfahrzeugen und im Fernstraßengüterverkehr weiter gefördert werden.

Die Europäische Kommission stellte außerdem fest, dass etwa 46 % des europäischen Hauptstreckennetzes derzeit noch mit Dieseltechnologie bedient werden und daher Wasserstoff-Brennstoffzellenzüge für andere realisierbare kommerzielle Zugstrecken entwickelt werden könnten, deren Elektrifizierung ansonsten schwierig oder nicht kosteneffektiv wäre.

Parallel dazu veranstaltet die European Clean Hydrogen Alliance5 Rundtischgespräche mit den Schwerpunkten Lkw/Busse, leichte Nutzfahrzeuge, Züge, Schiffe, Brennstoffzellen, Antriebsstränge, Tanks und Wasserstofftankstellen (HRS). Die Wasserstoffpolitik ist mittlerweile auch auf viele europäische Länder verteilt, allerdings mit großen Unterschieden. Im Jahr 2021 verfügten 19 von 34 Mitgliedstaaten über eine nationale Wasserstoffstrategie und die geopolitischen Veränderungen haben die Diskussionen und Aktivitäten beschleunigt.

Im Anschluss an einen Bericht der Gemeinsamen Forschungsstelle (JRC) der Europäischen Kommission über den weltweiten Einsatz von stationären Brennstoffzellen mit großer Kapazität (200 kW oder mehr), in dem Treiber und Hindernisse für den Aufbau einer stärkeren europäischen Präsenz identifiziert werden, wurde das Fuel Cell and Hydrogen Observatory (FCHO)6 veröffentlichte im Juni 2022 seine Berichte zu Technologien, Angebot und Nachfrage, Richtlinien und Standards.7

Die European Clean Hydrogen Alliance8 identifizierte eine Pipeline von über 750 Investitionsprojekten, die ihre Mitglieder bis 2030 durchführen wollen. Die Projekte befinden sich in fast allen EU-Mitgliedstaaten und umfassen die Produktion von Wasserstoff (Projekte zur Installation von über 50 GW-Elektrolyseuren) und den Transport und seine Nutzung in der Industrie, bei Mobilitätsanwendungen, Energiesystemen und in Gebäuden.

Die Clean Hydrogen Partnership9 im Rahmen von Horizon Europe erhöht das Forschungsniveau mit einer EU-Förderung von 1 Milliarde Euro für den Zeitraum 2021–2027, ergänzt durch mindestens einen entsprechenden Betrag an privaten Investitionen (von den privaten Mitgliedern der Partnerschaft), wodurch das Gesamtbudget erreicht wird auf über 2 Mrd. Euro.

In ihrem Bericht zum Thema Wasserstoff stellte die Internationale Energieagentur dar, dass Europa bei der Entwicklung der Patentanmeldungen für Brennstoffzellen 2010–201910 nach Japan an zweiter Stelle liegt.

Die EU verfügt über ein System zur Identifizierung wichtiger Projekte von gemeinsamem europäischem Interesse (IPCEI). Das erste IPCEI in diesem Bereich heißt „IPCEI Hy2Tech“, umfasst 41 Projekte und wurde im Juli 2022 genehmigt. Ziel ist die Entwicklung innovativer Technologien für die Wasserstoff-Wertschöpfungskette zur Dekarbonisierung industrieller Prozesse und des Mobilitätssektors mit Fokus auf Endverbraucher.

Im September 2022 genehmigte die Kommission „IPCEI Hy2Use“, ein zweites Projekt, das IPCEI Hy2Tech ergänzt und den Aufbau wasserstoffbezogener Infrastruktur und die Entwicklung innovativer und nachhaltigerer Technologien für die Integration von Wasserstoff in die Industriesektoren unterstützen wird. An diesem Projekt sind 29 Unternehmen und 35 Projekte aus 13 Mitgliedstaaten beteiligt. Die Mitgliedstaaten werden bis zu 5,2 Milliarden Euro an öffentlichen Mitteln bereitstellen, wodurch voraussichtlich weitere 7 Milliarden Euro an privaten Investitionen freigesetzt werden.

In einem gemeinsamen Forschungsprojekt namens „miniBIP II“11 haben das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden, der deutsche Automobilkonzern Daimler und der finnische Stahlkonzern Outokumpu Nirosta nun eine wirtschaftliche Alternative für ein schnelleres und weniger komplexes Verfahren entwickelt kostspielige und umweltverträglichere Massenproduktion. Anstatt bei der kontinuierlichen Produktion von Bipolarplatten Gold zu verwenden, überziehen sie die Platten mit einer hauchdünnen Kohlenstoffschicht. Bei der physikalischen Gasphasenabscheidung verdampft ein Elektroauto in einer Vakuumkammer zunächst den Kohlenstoff, der anschließend in einer hochreinen, gleichmäßigen und sehr dünnen Schicht auf dem Edelstahl abgeschieden wird.

Ein weiteres Projekt im Rahmen von Horizon Europe ist PEMTASTIC, das Imerys, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Brennstoffzellenhersteller und Wissenschaftler zusammenbringt und darauf abzielt, die wichtigsten technischen Herausforderungen zu meistern, um die Haltbarkeit von Membran-Elektroden-Baugruppen (MEAs) für HD-Anwendungen zu erhöhen. Diese Herausforderungen werden mit einer Kombination aus modellbasiertem Design und der Entwicklung eines langlebigen CCM unter Verwendung innovativer Materialien angegangen, die auf den Hochleistungsbetrieb bei hohen Temperaturen (105 °C) zugeschnitten sind. Die quantitativen Ziele entsprechen einer Haltbarkeit von 20.000 Stunden, wobei eine hochmoderne Leistungsdichte von 1,2 W/cm2 bei 0,65 V bei einer Pt-Beladung von 0,30 g/kW aufrechterhalten wird.

Laut JRCs Kritische Rohstoffe für strategische Technologien und Sektoren in der EU. Eine vorausschauende Studie12: „Der Übergang zur E-Mobilität erfordert Batterien, Brennstoffzellen und leichte Traktionsmotoren nicht nur für Autos, sondern auch für E-Bikes, Roller und Schwerlasttransporte. Verteidigung und Luft- und Raumfahrt waren schon immer strategisch wichtig und bleiben es auch.“ an der Spitze der technologischen Entwicklungen; sie nutzen nahezu alle Technologien.“

In ihrem Bericht weist die GFS darauf hin, dass die Engpässe bei der Rohstoffversorgung, einschließlich Graphit, für diese Anwendungen behoben werden müssen.

In den USA wird geschätzt, dass in einem Brennstoffzellenfahrzeug mehr Graphit enthalten ist als in einem Elektrofahrzeug. Der United States Geological Survey erklärte: „Brennstoffzellen haben das Potenzial, genauso viel Graphit zu verbrauchen wie alle anderen Anwendungen zusammen.“ Der globale Brennstoffzellenmarkt verzeichnet ein rasantes Wachstum und wird voraussichtlich bis 2025 mit einer jährlichen Wachstumsrate von 20,9 % weiter wachsen.

Die Investitionen in Forschungsprojekte werden wahrscheinlich fortgesetzt, wobei in den kommenden Jahren neue Entwicklungen bei Brennstoffzellenmaterialien erwartet werden. Das nächste Europäische Brennstoffzellenforum13 findet vom 4. bis 7. Juli 2023 in Luzern, Schweiz, statt.

Dr. Corina Hebestreit Generalsekretärin der European Carbon and Graphite Association http://www.ecga.net/ https://www.linkedin.com/company/ecga-carbon-graphite/?originalSubdomain=be https://twitter.com/ Ecga_C

Bitte beachten Sie, dass dieser Artikel auch in der zwölften Ausgabe unseres erscheinen wirdvierteljährliche Veröffentlichung.

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