Bosch presenta sus tecnologías para toda la cadena de valor del H2

Ya sea en el transporte, en los edificios o en la industria manufacturera, el hidrógeno verde se presenta como un vector energético muy importante para lograr la neutralidad climática. En esta línea, Bosch desarrolla tecnologías para la producción, compresión, el almacenamiento y el uso de del hidrógeno. Durante el Bosch Tech Day 2023, la compañía dio algunas pinceladas sobre su cartera de productos y servicios.

Para que los vehículos puedan repostar hidrógeno de forma rápida y sencilla, el gas debe comprimirse hasta los 900 bares. Los compresores con accionamientos eficientes y de bajo mantenimiento  desempeñarán un papel importante en la creación de una infraestructura de hidrógeno. Por ejemplo, Bosch Rexroth y Maximator Hydrogen han desarrollado una solución para la compresión eficiente de hidrógeno para estaciones de servicio, depósitos de almacenamiento y tuberías.

“Maximator Hydrogen tiene previsto fabricar unos 4.000 sistemas de compresión de aquí a 2030. Para el funcionamiento energéticamente eficiente de los compresores de hidrógeno, Bosch Rexroth ofrece una solución de sistemas escalable y de bajo mantenimiento. Las unidades de accionamiento escalables con potencias de hasta 250 kilovatios permiten a los operadores de estaciones de servicio una forma asequible de introducirse en la tecnología del hidrógeno. Los nuevos compresores basados en contenedores pueden reducir potencialmente el coste total de propiedad a la mitad en comparación con las alternativas disponibles en el mercado”, aseguraron fuentes de la compañía en una nota de prensa.

La pila de combustible PEM es el corazón del sistema de pilas de combustible móviles. PEM significa membrana de intercambio protónico. La pila para aplicaciones móviles se compone de muchas pilas de combustible individuales, que en función de la potencia necesaria pueden llegar a estar compuestas por varios centenares. En estas pilas, el hidrógeno reacciona con el oxígeno para producir electricidad y agua. La membrana de una pila de combustible impide que la electricidad circule entre el ánodo y el cátodo. Al mismo tiempo, también impide que el hidrógeno pase al oxígeno. La membrana es conductora de protones y deja pasar los iones de hidrógeno.

“Una de las tecnologías empleadas en la fabricación de las placas bipolares es la soldadura láser de alta velocidad, un proceso que sólo existe en Bosch. Se utiliza para hacer estancas al hidrógeno 1.200 metros de soldaduras en cada pila. Bosch fabrica estas pilas en sus plantas de Bamberg (Alemania) y Wuxi (China). A finales de 2022, las pilas ya estaban listas para la producción en serie. Están previstos otros lugares de fabricación, por ejemplo, en Estados Unidos”.

Vida útil de las pilas de combustible PEM-soluciones contra el envejecimiento

A lo largo de su vida útil, las pilas de combustible sufren un proceso de desgaste: las partículas de platino y los soportes de carbono se oxidan y se degradan; las partículas de platino crecen y las capas de catalizador se hacen más finas. “Para solucionar este problema, los investigadores de Bosch han desarrollado un recubrimiento especial que puede mitigar estos procesos. Además, las medidas sistémicas permiten una estrategia de funcionamiento que evita cargas relevantes para el envejecimiento, como las altas tensiones de la célula, y ayudarán a prolongar aún más la vida útil de las pilas de combustible PEM hasta 30.000 horas de funcionamiento en el futuro. Además, algunos efectos del envejecimiento se pueden invertir: en estos casos, los investigadores de Bosch han desarrollado procesos de restauración”.

Para propulsar vehículos, el hidrógeno puede utilizarse no sólo en pilas de combustible, sino también en motores de combustión de hidrógeno. Estos equipos son especialmente adecuados para los vehículos pesados que circulan durante periodos prolongados con cargas especialmente pesadas, tales como el transporte de mercancías de larga distancia o la maquinaria agrícola y de construcción.

“El único producto residual relevante emitido por un motor de hidrógeno es el óxido de nitrógeno”.

“Los motores y propulsiones disponibles actualmente son una buena base para ello, ya que muchos de los componentes de los sistemas de propulsión existentes se pueden transferir a la estructura fundamental del sistema de combustible, de alimentación de aire y de escape. Bosch está desarrollando dos sistemas para motores de hidrógeno: la inyección de hidrógeno por puerto y la inyección directa. En estos motores, la inyección directa debe funcionar sin la lubricación del combustible líquido y abrirse y cerrarse de forma fiable aproximadamente mil millones de veces a lo largo de la vida útil de un camión”.

El único producto residual relevante emitido por un motor de hidrógeno es el óxido de nitrógeno. “Utilizando sistemas de tratamiento de gases de escape de eficacia probada, no tiene ningún efecto apreciable sobre la calidad del aire. Se espera que los primeros vehículos de producción equipados con estos motores aparezcan en las carreteras en 2024”, aseguraron desde Bosch.

Actualmente, el hidrógeno para vehículos de pila de combustible se almacena en depósitos de gran volumen reforzados con fibra de carbono a 700 bares. Los investigadores de Bosch han desarrollado un depósito con dos características nuevas. En primer lugar, está compuesto por cilindros de acero. En segundo lugar, se trata de un depósito bajo el suelo, que encaja en el espacio que, de otro modo, ocuparían las baterías. Exteriormente, el sistema se parece a los depósitos de acero convencionales. Pero el hidrógeno puede hacer que el acero se vuelva quebradizo. “A través de un proyecto financiado con fondos públicos, Bosch ha creado un prototipo que cumple plenamente las exigentes normas internacionales para sistemas de tanques de alta presión. Además, El material del depósito le confiere una ventaja económica y lo hace reciclable”.

Los compresores con accionamientos eficientes y de bajo mantenimiento desempeñarán un papel importante en la creación de una infraestructura de hidrógeno.

El Iveco Heavy Duty FCEV (vehículo eléctrico de pila de combustible) es un semirremolque impulsado por hidrógeno diseñado para el mercado europeo. “Con su propulsión eléctrica por pila de combustible, y en combinación con hidrógeno verde, el semirremolque emite cero emisiones locales. Con una carga útil de unos 70 kilos de hidrógeno, el camión puede recorrer hasta 800 kilómetros sin repostar. Actualmente, se tarda unos 20 minutos en repostar. Esto hace que el Iveco Heavy Duty FCEV sea adecuado para muchos usos, hasta para largos recorridos”.

Bosch ofrece diferentes soluciones de propulsión para camiones de larga distancia. Entre ellas se encuentran la propulsión eléctrica con pila de combustible, la propulsión eléctrica con batería y la propulsión híbrida. "Cuanto más pesada es la carga útil y más largo es el trayecto, más se impone la propulsión por pila de combustible, que permite paradas cortas para repostar y una gran autonomía. Si el hidrógeno utilizado procede de fuentes renovables, el funcionamiento de la pila de combustible también es neutro para el clima”.

"Cuanto mayor es la carga y el trayecto, más se impone la propulsión por pila de combustible, que permite paradas cortas para repostar y una gran autonomía.

En este caso, Bosch ofrece componentes individuales para la propulsión eléctrica, la pila de combustible y los sistemas de almacenamiento de H₂, así como el módulo de potencia de pila de combustible completo. Este módulo, el FCPM, es escalable y, aparte de la pila, combina todos los submódulos para el suministro de hidrógeno, el suministro de aire y la toma de corriente. Un sistema complejo diseñado para convertirse en una solución fácil de integrar.

Bosch no sólo quiere utilizar hidrógeno, sino también ofrecer una tecnología inteligente para su producción. Para ello, la compañía está desarrollando la pila de electrólisis, el elemento central de un electrolizador. Se compone de más de 100 células de electrólisis que dividen el agua en oxígeno e hidrógeno mediante electricidad. Está diseñada para una potencia de 1,25 megavatios. “Esto equivale a la producción de 23 kilogramos de H₂ por hora”.

En el lado del hidrógeno, la presión resultante es de más de 30 bares. La pila de electrólisis de Bosch se puede utilizar tanto en instalaciones pequeñas de un megavatio como en instalaciones más grandes. “Se espera que esta solución esté lista para el mercado a partir de 2025. Actualmente, se están desarrollando los primeros proyectos piloto con clientes, que comenzarán el año que viene. Además, Bosch planea combinar la pila electrolizadora con una unidad de control, electrónica de potencia y diversos sensores para crear un ‘módulo de electrólisis inteligente’. Estos elementos están diseñados para ser compatibles y ahorrar espacio, así como para optimizar la eficiencia, fiabilidad, instalación y configuración de los sistemas”.

Los sistemas de pilas de combustible de óxido sólido (Sofc) de Bosch son centrales eléctricas distribuidas que pueden utilizarse en edificios comerciales, plantas industriales y centros informáticos. Un sistema Sofc genera una potencia de 100 kilovatios y, dependiendo de las necesidades de potencia, se pueden combinar varios sistemas para obtener una potencia a escala de megavatios.

“Un sistema Sofc utiliza combustibles convencionales (biometano o gas natural; en el futuro también hidrógeno) para generar calor y electricidad. Alcanza una eficiencia global de hasta el 90%. Para fabricar estas pilas de combustible estacionarias se pueden utilizar los conocimientos en cerámica funcional adquiridos para la fabricación de las sondas Lambda para vehículos. Se espera que estén listas para la producción a mediados de esta década”.

Reciclaje del platino de las pilas de combustible

La fabricación de pilas de combustible PEM requiere materias primas valiosas, como el platino. Este proceso se puede hacer mucho más sostenible y económico si se recupera el platino al final de su vida útil. Para ello, Bosch ha desarrollado nuevos modelos de contrato que garantizan a la empresa el derecho de recompra de pilas para aplicaciones móviles. “De este modo, se crean cadenas de suministro previsibles y estables, se mejora la disponibilidad de los recursos y, además, se reducen considerablemente las emisiones de carbono”. Adicionalmente, los investigadores de Bosch han desarrollado soluciones que utilizan procesos químicos para recuperar el platino de forma más ecológica. Para estos procesos, la compañía ha solicitado más de 20 familias de patentes.

Sin embargo, la conservación de los recursos no empieza sólo al final del ciclo de vida del producto, durante su funcionamiento también está previsto utilizar gemelos digitales para controlar la vida útil y el funcionamiento de los componentes en electrolizadores y pilas de combustible en aplicaciones móviles y estacionarias. Esto permite planificar con antelación el mantenimiento, la reparación y el reciclaje.

Bosch Manufacturing Solutions, la división de maquinaria especial de la marca suministra equipos de fabricación avanzados y tecnología de ensayo para la elaboración de pilas de combustible, desde componentes individuales hasta sistemas completos. “En total, más del 50% del equipamiento necesario para la fabricación procede de la propia compañía. Por ejemplo, los bancos de pruebas en Feuerbach fueron desarrollados por Moehwald, la filial de Bosch en Homburg. En los ensayos de pilas y módulos se simulan las condiciones naturales para el ensayo final de funcionamiento, en el que se ponen a prueba las pilas de combustible PEM. Aquí, la composición de los gases, la temperatura, la presión y la humedad son las mismas que en el vehículo actual”.

“Con sus sistemas de calderas industriales preparados para el futuro, Bosch ayuda a los países a reducir sus costes energéticos y a alcanzar sus objetivos de sostenibilidad, hasta conseguir que sus procesos de calor sean neutros para el clima”. La industria es responsable de aproximadamente una quinta parte de las emisiones globales de carbono, parte de las cuales proceden de la generación de vapor, calor y agua caliente. El hidrógeno y la electricidad verde tienen un enorme potencial para la calefacción industrial y el calor de proceso.

Calderas preparadas para H_²: solución tecnológicamente neutra para una calefacción respetuosa con el clima

Las calderas H2-ready de Bosch han sido diseñadas para funcionar inicialmente con gas natural y, posteriormente, convertirse fácilmente al hidrógeno cuando éste esté disponible. También es posible añadir un 20% de hidrógeno al gas de red sin necesidad de reequipar la caldera, según datos del fabricante. “Una vez que se disponga de hidrógeno al 100%, los instaladores expertos pueden convertir las calderas H2-ready en tan sólo una hora para que funcionen solamente con hidrógeno. Sólo hay que sustituir algunos componentes, como el quemador. Una caldera preparada para H₂ ocupa muy poco, lo que la convierte en una alternativa atractiva para edificios antiguos en los que el espacio es reducido”.