Vanadium Flow baterie vysvětlily změnu hry pro ukládání obnovitelné energie

V poslední době je na internetu trendem projekt vanadových baterií Horizon Power pro Kununurra. Ale proč jsou projekty vanadových baterií stále více rozšířené? Abychom to pochopili, měli bychom začít tím, že se dozvíme více o vanadových bateriích:

Vanadium Flow Battery: Nová éra v ukládání energie

Vanadium Flow Battery (VFB) je typ baterie, ve které kladná i záporná elektroda používá cirkulující roztoky vanadu jako médium pro uchovávání energie. Prostřednictvím procesu nabíjení a vybíjení baterie umožňuje přeměnu mezi elektrickou energií a chemickou energií, čímž energii uchovává a uvolňuje.

Struktura Vanadium Flow Battery se liší od běžných lithium-iontových baterií a olověných uhlíkových baterií. Skládá se z následujících klíčových součástí: zásobník (nebo samostatný článek), nádrž s kladným elektrolytem (uchovává kladný elektrolyt), záporná nádrž na elektrolyt (uchovává záporný elektrolyt), oběhové čerpadlo a řídicí systém. Stoh se skládá z několika jednotlivých článků zapojených do série, z nichž každý obsahuje kladnou elektrodu, zápornou elektrodu, separátor a bipolární desky. Vícenásobné sady vanadových baterií tvoří modul pro ukládání energie a více modulů dohromady tvoří kompletní systém nebo stanici pro ukládání energie.

Princip skladování energie ve vanadových průtokových bateriích

Vanadové ionty existují ve čtyřech různých valenčních stavech. Aktivním materiálem pro ukládání energie v kladných a záporných elektrolytech vanadové průtokové baterie jsou ionty vanadu. Proces nabíjení a vybíjení je založen na změnách valenčních stavů iontů vanadu v kladných i záporných elektrolytech, čímž se dosahuje akumulace a uvolňování energie.

1. Během nabíjení:V kladném elektrolytu se ionty vanadu ve valenčním stavu +4 oxidují na stav +5, ztrácejí elektron a vytvářejí dva vodíkové ionty. V negativním elektrolytu získávají ionty vanadu ve valenčním stavu +3 elektron a redukují se na stav +2, přičemž spotřebují jeden vodíkový iont.

2. Během vybíjení:V kladném elektrolytu se ionty vanadu ve valenčním stavu +5 redukují na stav +4, získávají elektron a spotřebovávají dva vodíkové ionty. V negativním elektrolytu jsou ionty vanadu ve stavu +2 oxidovány na stav +3, přičemž se uvolňuje jeden vodíkový iont.

3. 
   

Výše uvedený proces ukazuje, že během nabíjení vodíkové ionty migrují z kladné na zápornou stranu, zatímco při vybíjení je proces obrácený. Elektrochemická reakce uvnitř baterie se projevuje jako migrace vodíkových iontů, které generují elektrický proud ve vnějším obvodu.

Reakce elektrod vanadových průtokových baterií:

• Pozitivní elektroda: ${\text{VO}}_2^{+}+{\text{H}}_2\text{THE}-a^{-}\rightleftharpoons {\text{VO}}_2^{+}+2{\text{H}}^{+}$, $A_0=\mathrm{1,004}V$

• Negativní elektroda: ${\text{V}}^{3+}+a^{-}\rightleftharpoons {\text{V}}^{2+}$, $A_0=-\mathrm{0,255}V$

• Celková reakce: ${\text{VO}}_2^{+}+{\text{V}}^{3+}+{\text{H}}_2\text{THE}\rightleftharpoons {\text{VO}}_2^{+}+{\text{V}}^{2+}+2{\text{H}}^{+}$, $A_0=\mathrm{1,259}V$

Díky své vysoké bezpečnosti, velkokapacitní kapacitě skladování energie, dlouhé životnosti cyklu nabíjení a vybíjení, recyklovatelnému elektrolytu, nákladové efektivitě během celého životního cyklu a šetrnosti k životnímu prostředí si vanadové průtokové baterie (VFB) v posledních letech získaly stále větší celosvětovou pozornost. Výzkum, vývoj a inženýrské aplikace systémů pro ukládání energie VFB dosáhly významného pokroku, s rychlým vývojem, zlepšováním technologie, snižováním nákladů a vstupem do fáze industrializace a široké aplikace, což představuje obrovský tržní potenciál.

2. Technické vlastnosti vanadových průtokových baterií

Technické výhody

①Vnitřní bezpečnost a šetrnost k životnímu prostředí

Systémy pro ukládání energie vanadových baterií jsou skutečně bezpečné a spolehlivé v provozu s ekologickým životním cyklem. Elektrolyt v vanadových průtokových bateriích se skládá z vodného roztoku iontů vanadu ve zředěné kyselině sírové. Pokud je nabíjecí a vybíjecí vypínací napětí správně řízeno a bateriový systém je uložen v dobře větraném prostoru, je ze své podstaty bezpečný bez rizika požáru nebo výbuchu. Elektrolyt cirkuluje v uzavřeném prostoru a během používání typicky neprodukuje látky znečišťující životní prostředí, ani není kontaminován vnějšími nečistotami.

Navíc, jak kladný, tak záporný elektrolyt v vanadové průtokové baterii používají ionty vanadu, které brání nevratné degradaci kapacity v důsledku smíchání kladných a záporných elektrolytů. Během let provozu lze degradaci kapacity způsobenou menšími vedlejšími reakcemi a kumulativním mírným promícháním kladných a záporných elektrolytů regenerovat a znovu použít prostřednictvím online nebo offline regenerace.

Stoh a systém se skládají převážně z uhlíkových materiálů, plastů a kovů. Když je systém vanadových baterií vyřazen z provozu, kovové materiály mohou být recyklovány a uhlíkové materiály a plasty mohou být použity jako palivo. Proto je celý životní cyklus vanadového průtokového bateriového systému bezpečný, má minimální zátěž pro životní prostředí a je velmi šetrný k životnímu prostředí.

②Nezávislý výstupní výkon a energetická kapacita

Výstupní výkon a energetická kapacita systémů pro ukládání energie vanadových baterií jsou na sobě nezávislé, s flexibilním designem a instalací, díky čemuž jsou vhodné pro velkokapacitní, vysokokapacitní a dlouhodobé skladování energie.

Jak je znázorněno na obrázku 1, výstupní výkon vanadového průtokového bateriového systému je určen velikostí a počtem sad baterií, zatímco energetická kapacita je určena objemem elektrolytu. Pro zvýšení výstupního výkonu lze zvětšit plochu elektrod sady baterií nebo zvýšit počet sad baterií. Pro zvýšení energetické kapacity lze zvětšit objem elektrolytu. Díky tomu jsou vanadové průtokové baterie zvláště vhodné pro aplikace vyžadující velkokapacitní, vysokokapacitní a dlouhodobé skladování energie. Výstupní výkon systémů vanadových baterií se obvykle pohybuje od stovek wattů do stovek megawattů a energetická kapacita se pohybuje od stovek kilowatthodin do stovek megawatthodin.

③Vysoká účinnost přeměny energie, rychlé spuštění, žádná změna fáze

Účinnost přeměny energie je vysoká a přechod mezi stavy nabití a vybití je rychlý. Vanadová průtoková baterie pracuje při pokojové teplotě, přičemž roztok elektrolytu cirkuluje mezi nádržemi s elektrolytem a baterií. Během nabíjecích a vybíjecích procesů dochází k ukládání a uvolňování energie prostřednictvím změn valenčního stavu iontů vanadu rozpuštěných ve vodném roztoku, bez jakékoli změny fáze.

Přechod mezi stavy nabití a vybití je tedy rychlý, přičemž systém ukládání energie v akumulaci energie v megawattovém měřítku je schopen přepnout z 80 % nabití na 80 % vybití za méně než 100 milisekund, což je primárně určeno přenosovou rychlostí řídicích signálů. To umožňuje použití vanadových baterií pro amplitudovou modulaci a frekvenční modulaci, integraci do sítě obnovitelných zdrojů energie, doplňkové služby, omezování špiček pro rozvodnou síť a nouzové záložní skladování energie.

④Modulární design usnadňuje integraci systému a škálování

Sada vanadových průtokových baterií je sestavena z několika jednotlivých článků naskládaných způsobem kalolisu. V současné době je jmenovitý výstupní výkon průmyslové sady s jedním článkem obecně mezi 30 a 80 kW. Systém skladování energie se obvykle skládá z několika modulárních jednotek, z nichž každá má jmenovitý výstupní výkon přibližně 500 kW. Ve srovnání s jinými bateriemi mají sestavy vanadových baterií a moduly systému skladování energie velký jmenovitý výstupní výkon, dobrou rovnoměrnost a lze je snadněji integrovat a zvětšovat.

2. Omezení vanadových průtokových baterií

①Složitost systému

Systém skladování energie se skládá z více subsystémů, což jej činí složitým.

②Zařízení na podporu energie

Aby byl zajištěn nepřetržitý stabilní provoz, systém akumulace energie vyžaduje další vybavení, jako jsou čerpadla pro cirkulaci elektrolytu, elektronická řídicí zařízení, ventilační systémy a systémy pro regulaci teploty elektrolytu, které je zase třeba napájet. V důsledku toho nejsou systémy vanadových baterií obecně vhodné pro systémy skladování energie v malém měřítku.

③Nižší hustota energie

Kvůli omezení rozpustnosti vanadiových iontů a dalším faktorům mají vanadové průtokové baterie nižší hustotu energie. Jsou vhodnější pro pevné skladovací stanice energie, kde objem a hmotnost nepředstavují významná omezení, ale nejsou vhodné pro použití jako mobilní zdroje energie nebo pro dynamické baterie.

3. Analýza nákladů životního cyklu vanadových průtokových baterií

Následující diagram ilustruje odhadované náklady životního cyklu systémů pro ukládání energie vanadových baterií s dobou skladování 4 hodiny a 10 hodin.

① 1 MW/10 MWh Vanadium Flow Battery Systém skladování energie Skutečný odhad nákladů:

② 1 MW/10 MWh Vanadium Flow Battery Systém skladování energie Skutečný odhad nákladů:

Proto u systémů pro ukládání energie vanadových baterií platí, že čím delší je doba skladování energie, tím nižší jsou celkové náklady životního cyklu.

4. Složení průmyslového řetězce

Průmyslový řetězec vanadových baterií zahrnuje materiály, výrobu baterií, návrh modulů a systémovou integraci. Hlavní proudovou baterií, která je v současnosti zkoumána, je vanadová baterie. Mezi její výchozí suroviny patří předevšímoxid vanadičný (V2O5)amembrány kyseliny perfluorsulfonové. Střední proud zahrnuje návrh a výrobu vanadových průtokových bateriových úložných systémů, které se skládají z komponent, jako jsou napřstřídače,chytré ovladače,zásobníky paliva,membrány,elektrolytaskladovací nádrže. Mezi nimi jsou nejkritičtější komponentyzásobník palivaaelektrolyt. Následné aplikace zahrnují výrobu větrné energie, výrobu fotovoltaické energie, omezování špiček sítě a další.

Vanadová ruda a zpracování vanadu

Vanad je litofilní prvek, který se obvykle nachází v rozptýleném stavu v rudách. Jeho přirozené vlastnosti distribuce jsou velké zásoby, rozšířené rozšíření a nízký obsah.Vanad-titanový magnetitje nejrozšířenější rudou obsahující vanad. Tento minerál se vyskytuje po celém světě a v současné době je primárním zdrojem vanadu, což je více než více85 % celosvětové roční produkce vanadu.