POWERPASTE - это вещество для хранения водорода сверхвысокой емкости для топливных элементов с PEM, изобретенное и разработанное Fraunhofer IFAM. POWERPASTE выделяет водород при контакте с водой. Емкость по водороду составляет около 10 мас.% (Т.е. 10 кг POWERPASTE → 1 кг водорода). Это удельная энергия 1,6 кВтч/кг и плотность энергии 1,9 кВтч/литр, что примерно в 10 раз превышает емкость литий-ионных батарей. Отмеченная наградами технология POWERPASTE запатентована (ЕС, США) и имеет множество преимуществ по сравнению с другими технологиями хранения энергии, в частности, в диапазоне мощности от 100 Вт до 10 кВт.
![Рис.1: POWERPASTE; Картридж POWERPASTE; демонстрационный источник питания 100 Вт. Рис.1: POWERPASTE; Картридж POWERPASTE; демонстрационный источник питания 100 Вт.](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/212/c6e/ed3/212c6eed3dfbf31c57b41b28fe620ca2.png)
Схематическое изображение принципа работы источника электропитания на основе POWERPASTE показано на следующей схеме:
![Рис. 2: Схематическое изображение источника эл.энергии на базе POWERPASTE. Рис. 2: Схематическое изображение источника эл.энергии на базе POWERPASTE.](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/34c/c09/ba8/34cc09ba8943c09029725a3fee50a069.png)
В отличие от батарей, системы питания на основе POWERPASTE не зависят от электросети и могут быть перезаряжены за секунды заменой картриджа. Кроме того, POWERPASTE отличается высокой стабильностью и не подвержен саморазряду. Капитальные затраты на ед. мощности и совокупная стоимость владения для энергосистем на базе POWERPASTE сопоставимы, в частности, в диапазоне мощности от 100 Вт до 10 кВт, например, для БПЛА с длительным временем полета или автомобилей с увеличенным запасом хода, а также для различных стационарных применений, таких как резервные генераторы энергии.
Основным компонентом POWERPASTE является гидрид магния, MgH2, в котором водород хранится в безопасной форме. Получение водорода из POWERPASTE можно представить следующей схемой:
![Рис. 3: Схема реакции для получения водорода. Рис. 3: Схема реакции для получения водорода.](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/432/536/4aa/4325364aa182a31efcaf8ecb0644a950.png)
Сравнение POWERPASTE с другими перспективными технологиями
Энергетические системы на основе топливных элементов стали многообещающей альтернативой батареям, но пока они были экономически успешными только на нишевых рынках. Это в основном связано с отсутствием инфраструктуры. Большинству топливных элементов нужен водород в той или иной форме, который затем может вступать в реакцию внутри топливного элемента с кислородом (или окружающим воздухом) для выработки электроэнергии. Общий принцип работы топливного элемента изображен на следующем рисунке:
![Рис. 4: Общий принцип работы топливного элемента. Рис. 4: Общий принцип работы топливного элемента.](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/f2e/eee/7fc/f2eeee7fc796eea39bd15335e705043e.png)
Существует четыре основных подхода к обеспечению водородом для энергетических систем на основе топливных элементов:
Подача газообразного водорода непосредственно в топливный элемент. Здесь водород хранится в специальных газовых баллонах (сделанных из высокопрочных материалов, таких как композит из углеродного волокна) под давлением в несколько сотен бар. Уменьшение размера резервуаров для хранения водорода высокого давления ограничено из-за обязательных компонентов безопасности. Кроме того, необходима сеть водородных заправок.
Выработка водорода в установке риформинга. При высокой температуре установка риформинга превращает обычное топливо (углеводороды, такие как дизельное топливо, СПГ или метанол) в водород и диоксид углерода (CO2).
Выработка водорода из специального топлива прямо в топливном элементе. На сегодняшний день это возможно только с метанолом в так называемых топливных элементах с прямым метанолом (DMFC), которые тоже выделяют CO2. Требуется специальная водно-метанольная смесь.
Генерировать водород при давлении, близком к окружающему, посредством химической реакции вещества-носителя водорода с водой, так называемой реакции гидролиза, при которой не выделяется CO2. Водородный носитель может поставляться в картриджах. POWERPASTE является примером такого носителя.
Сравнительный обзор наиболее актуальных технологий накопления энергии и энергоснабжения в диапазоне мощностей от 100 Вт до 10 кВт приведен в таблице:
![Таблица 1: Ключевые показатели эффективности автономных источников энергии Таблица 1: Ключевые показатели эффективности автономных источников энергии](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/260/4db/4ba/2604db4ba03fdcf899d63efce4f01140.png)
Стоит рассмотреть два наиболее важных свойства более подробно - удельную энергию и плотность энергии. На следующей диаграмме представлен обзор ряда высокоэнергетических видов топлива, в которых сравниваются эти свойства, для выработки электроэнергии в реальных условиях (в реальных системах, включая все потери преобразования):
![Рис. 5: Удельная энергия (Вт/кг) и плотность энергии (Вт/л) некоторых видов высокоэнергетического топлива. Рис. 5: Удельная энергия (Вт/кг) и плотность энергии (Вт/л) некоторых видов высокоэнергетического топлива.](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/35f/908/2dd/35f9082dd267137392007711a73f7702.png)
POWERPASTE для автономных источников питания
Предпринималось много попыток эффективно вырабатывать водород для топливных элементов с помощью химической реакции, поскольку это позволяет избежать необходимости использования высоких давлений и специальной инфраструктуры (водородные заправочные станции). Химические носители водорода (твердые или жидкие) можно легко транспортировать и заправлять. В течение некоторого времени в качестве возможного решения предлагались реакции боргидрида натрия (NaBH4) или других восстановителей с водой (так называемые реакции гидролиза). Хотя боргидрид натрия перспективен с химической точки зрения, его токсичность и рыночная оптовая цена более 15 евро/кг ограничивают его использование.
С другой стороны, было много попыток сделать возможным применение потенциально более дешевого и нетоксичного гидрида магния для эффективной и контролируемой реакции с водой. Примечательной особенностью реакции гидролиза гидрида магния является то, что половина произведенного водорода вырабатывается из воды:
MgH2 + 2 H2O → 2 H2 + Mg(OH)2
Тем не менее, предыдущие попытки получить водород в результате реакции гидрида магния и воды c контролем реакции до такой степени, что становится возможным мгновенный запуск/остановка и полное отслеживание нагрузки топливного элемента, были безуспешными. Одна из причин - образование пассивирующих слоев на гидриде магния при контакте с водой. Однако, как продемонстрировал Fraunhofer IFAM, добавление некоторых солей металлов к гидриду магния может эффективно уменьшить образование этих пассивирующих слоев.
Другая причина заключается в том, что, в отличие от NaBH4, гидрид магния не может образовывать метастабильные водные растворы, что затрудняет строго контролируемую реакцию. Только благодаря изобретению полутвердой композиции POWERPASTE, которая содержит гидрид магния и вышеупомянутые соли металлов, а также нетоксичный эфир, Fraunhofer IFAM смог создать топливо со следующей уникальной комбинацией свойств:
Очень высокая плотность энергии до 1,9 кВтч / литр
Высокодинамичная реакция с водой для мгновенного запуска/остановки топливного элемента
Возможно дозирование независимо от ориентации (наклон до +/- 90 ° во всех направлениях)
Нетоксичный и безопасный состав
Легкая утилизация или переработка
Длительный срок хранения (до 5 лет)
Низкие производственные затраты (примерно до 2 евро/кг POWERPASTE)
![Рис. 6: Динамика реакции чистого гидрида магния, гидрида магния + добавка соли металла и POWERPASTE Рис. 6: Динамика реакции чистого гидрида магния, гидрида магния + добавка соли металла и POWERPASTE](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/7b0/2c3/bb4/7b02c3bb45fd452ca4030e78f8d28888.png)
Для производства водорода с помощью POWERPASTE не требуется специальной подготовки воды. Реакция протекает с водой различного качества (в частности, различной жесткости) и возможна даже с морской водой.
Коммерческое использование энергосистем на базе POWERPASTE
Основными компонентами системы электропитания POWERPASTE являются: картридж POWERPASTE, резервуар или резервуар для воды, водородный генератор, топливный элемент PEM, исполнительные механизмы, электроника и буферная / резервная батарея. Общий вид такого источника энергии можно увидеть на следующей схеме:
![Рис. 7: Общая схема источника энергии на основе POWERPASTE Рис. 7: Общая схема источника энергии на основе POWERPASTE](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/201/c35/e38/201c35e38ba9f3dda03fb3a74afa3f3a.png)
Путем дозирования точных количеств POWERPASTE и воды, реакция в водородном генераторе контролируется таким образом, что количество производимого водорода точно совпадает с потреблением водорода топливным элементом, обеспечивая низкое давление в системе и, следовательно, уменьшает ее вес. Заправка означает просто замену картриджей, что делает ее чрезвычайно быстрой.