Применение POWERPASTE для автономных источников питания

Автор оригинала: Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials IFAM

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.

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.

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.

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.

Существует четыре основных подхода к обеспечению водородом для энергетических систем на основе топливных элементов:

  1. 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.

  2. 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).

  3. 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.

  4. 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

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.

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

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

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.

Реклама
AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

Подробнее

Комментарии 21

    +3
    я немного не понял:
    есть у меня паста зарядил я её водородом, когда мне нужно получил водород обратно.
    что с пастой? она всё? какова цена её возврата в первичное состояние? какова цена цикла использования?

    по такой логике нужно сравнивать эту пасту не с топливом, а с баком для топлива и она проиграет любой другой обсуждаемой технологии.

      +1
      Вот меня тоже всю статью интересовал этот вопрос. Каковы затраты на получение этой пасты — как временные, так и экономические, не говоря уже об экологических.
        +1
        Они ещё воду «забыли» (и это при том, что количественно водород получается именно из воды, в пасте его просто в два раза меньше, а молекула остатка имеет тот же атомарный состав, что и паста, с «лишними» двумя атомами кислорода)
          0
          вода получается при окислении водорода в топливных ячейках.
          Так что по воде цикл замкнут
        +1
        На входе паста+вода, на выходе водород+Mg(OH)2.
        Вы точно читали статью?
        0
        Интересно было бы узнать, почему не получилось использовать LiH, у которого энергетическая ёмкость должна быть ещё больше.
          +1
          … добавление некоторых солей металлов к гидриду магния...
          … содержит гидрид магния и вышеупомянутые соли металлов...
          Так какие соли металлов? Некоторые и вышеупомянутые? И это всё, что о них известно?
            +1
            Перевод — конфетка! Не иначе Магистр Йода работал
            «вещество для хранения водорода сверхвысокой емкости» — что такое " водород сверхвысокой емкости"?
            «Это удельная энергия 1,6 кВтч/кг» — так какая же удельная энергия у литра солярки\ 1,6кВтч/кг?

            В отличие от батарей, системы питания на основе POWERPASTE не зависят от электросети и могут быть перезаряжены за секунды заменой картриджа.

            Как и POWERPASTE, системы питания на основе батарей могут быть перезаряжены за секунды заменой батарей.

            Существует четыре основных подхода к обеспечению водородом для энергетических систем на основе топливных элементов


            «Водород для энергетических систем» — это " водород сверхвысокой емкости"?

              +1
              Извините, продолжу.
              «это позволяет избежать необходимости использования» — полное отсутствие наличия присутствия благозвучности.
              «картридж POWERPASTE, резервуар или резервуар для воды» — так резервуар или резервуар?

              Блин, автор! Ну как это можно читать?
              И всё таки POWERPASTE — это хранилище для топлива или само топливо? В статье то одно то другое.
                +1
                А просто метиловый спирт и топливный элемент
                ru.wikipedia.org/wiki/Прямой_метанольный_топливный_элемент
                6кВт час на 1кг метанола ну или примерно 5квт с учетом КПД топливного элемента.
                  +1
                  > Заправка означает просто замену картриджей, что делает ее чрезвычайно быстрой.
                  А сколько нужно времени чтоб извлечь из реактора осадок гидроксида магния и сдать последний в переработку?
                    +1
                    Кто-то «забыл» воду учесть (которой, если не ошибаюсь, для извлечения водорода требуется по массе примерно столько же, что и POWERPASTE)?
                      0
                      по воде замкнутый цикл, если удастся замкнуть, конечно (объёмы пара — большие, установка получится здоровенная).
                      +2
                      Похоже на перевод рекламной статьи)

                      Воду не учли. И как перезарядить разряженную пасту?
                        +1
                        не просто не учли:
                        1. водорода на выходе получается в два раза больше, чем было в пасте
                        2. водорода в остатке остаётся ровно столько, сколько было в пасте
                        3. атомарный состав остатка отличается от атомарного состава пасты только кислородом (получается, «отнятым» у воды наряду с водородом)
                          0
                          Однако, справедливости ради, воду можно гонять по кругу
                          +1
                          Разряженную «пасту» никак не перезарядить. Только полная химическая переработка, через получение металлического магния и создание пасты заново (что вряд ли будут осуществлять, разве что под экологическим принуждением).

                          Использование: MgH2 + 2H2O → Mg(OH)2 + 2H2
                          Восстановление: Mg(OH)2 → MgO + H2O; MgO + C → CO + Mg; Mg + H2 → MgH2 (один из вариантов)

                          Видимо, в пасте не только соединения магния. Поэтому ее переработка путем сдачи на предприятия, получающие магний из минеральных руд будет нерентабельна (до тех пор, пока объемы пасты не станут сравнимы с объемом руд). Магний не столь ценный, как литий.
                          0

                          Также — вызывает вопросы рис. 5 и фраза "Очень высокая плотность энергии до 1,9 кВтч / литр". Дорогая Википедия говорит нам, что 1 кВт ч это 3,6 МДж, а в бензине и метаноле содержится 32 и 16 МДж/л энергии, соответственно:
                          https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D0%BB#%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D0%BB_%D0%B2_%D0%BA%D0%B0%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B5_%D1%82%D0%BE%D0%BF%D0%BB%D0%B8%D0%B2%D0%B0
                          Особо дотошные попытаются возразить, что их надо смешать с воздухом для сжигания и параметры упадут до 2,9 и 3,1 МДж/л смеси, соответственно. Но тогда пусть сосчитают и воду (1,43 л?) для ЭнергоПасты, что уронит 1,9 кВт/л до 2,8 МДж/л.

                            0
                            Есть даже российский патент на получение гидрида магния из магния: https://patents.google.com/patent/RU2686898C1/ru
                              0
                              Будете смеяться, но есть еще один российский патент на получение магния из оксида магния: https://patents.google.com/patent/RU2190030C2/ru. Берется оксид магния и легкий углеводородный газ, нагревается и в непрерывном процессе при атмосферном давлении получается магний. А оксид магния из гидроксида получается простым нагреванием да 350 градусов.
                                0
                                Хотелось бы ещё почитать про методы и необходимую инфраструктуру для регенерации гидроксида магния.
                                Если я правильно понял, удельная и плотностная энергия указаны для самой пасты. В таком случае сравнение с литиевыми источниками не очень корректное: у них на выходе сразу готовое электричество. А тут, кроме пасты, нужны ещё генератор водорода, топливные ячейки и вода.
                                Для малых БПЛА во всю встаёт вопрос веса этого доп. оборудования, а для автомобилей среднего размера верхняя планка мощности в 10кВт — слишком мало.

                                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                Самое читаемое