Wyjaśnienie akumulatorów przepływowych wanadowych Przełom w magazynowaniu energii odnawialnej

Ostatnio projekt baterii przepływowej wanadowej Horizon Power dla Kununurra stał się popularny w Internecie. Ale dlaczego projekty baterii przepływowych wanadowych stają się coraz bardziej popularne? Aby to zrozumieć, powinniśmy zacząć od dowiedzenia się więcej o bateriach przepływowych wanadowych:

Akumulator przepływowy wanadowy: nowa era w magazynowaniu energii

Akumulator przepływowy wanadowy (VFB) to rodzaj akumulatora, w którym zarówno elektrody dodatnie, jak i ujemne wykorzystują krążące roztwory wanadu jako medium magazynujące energię. Poprzez proces ładowania i rozładowywania akumulator umożliwia konwersję energii elektrycznej na energię chemiczną, a tym samym magazynowanie i uwalnianie energii.

Struktura akumulatora przepływowego wanadowego różni się od konwencjonalnych akumulatorów litowo-jonowych i akumulatorów ołowiowo-węglowych. Składa się z następujących kluczowych komponentów: stosu (lub pojedynczej celi), zbiornika z dodatnim elektrolitem (przechowującego dodatni elektrolit), zbiornika z ujemnym elektrolitem (przechowującego ujemny elektrolit), pompy cyrkulacyjnej i systemu zarządzania. Stos składa się z wielu pojedynczych ogniw połączonych szeregowo, z których każde zawiera elektrodę dodatnią, elektrodę ujemną, separator i płyty bipolarne. Wiele stosów akumulatorów przepływowych wanadowych tworzy moduł magazynowania energii, a wiele modułów razem stanowi kompletny system magazynowania energii lub stację.

Zasada magazynowania energii w akumulatorach przepływowych wanadowych

Jony wanadu występują w czterech różnych stanach walencyjnych. Aktywnym materiałem magazynującym energię w dodatnich i ujemnych elektrolitach akumulatora przepływowego wanadu są jony wanadu. Proces ładowania i rozładowywania opiera się na zmianach stanów walencyjnych jonów wanadu w dodatnich i ujemnych elektrolitach, co pozwala na magazynowanie i uwalnianie energii.

1. Podczas ładowania:W elektrolicie dodatnim jony wanadu w stanie walencyjnym +4 są utleniane do stanu +5, tracąc elektron i generując dwa jony wodorowe. W elektrolicie ujemnym jony wanadu w stanie walencyjnym +3 zyskują elektron i są redukowane do stanu +2, zużywając jeden jon wodorowy.

2. Podczas rozładowywania:W elektrolicie dodatnim jony wanadu w stanie walencyjnym +5 są redukowane do stanu +4, zyskując elektron i zużywając dwa jony wodoru. W elektrolicie ujemnym jony wanadu w stanie +2 są utleniane do stanu +3, uwalniając jeden jon wodoru.

3. 
   

Powyższy proces pokazuje, że podczas ładowania jony wodoru migrują ze strony dodatniej do ujemnej, podczas gdy podczas rozładowywania proces ten jest odwrócony. Reakcja elektrochemiczna wewnątrz akumulatora objawia się migracją jonów wodoru, która generuje prąd elektryczny w obwodzie zewnętrznym.

Reakcje elektrod akumulatorów przepływowych wanadowych:

• Elektroda dodatnia: ${\text{VO}}_2^{+}+{\text{H}}_2\text{TO}-I^{-}\rightleftharpoons {\text{VO}}_2^{+}+2{\text{H}}^{+}$, $I_0=\mathrm{1,004}V$

• Elektroda ujemna: ${\text{V}}^{3+}+I^{-}\rightleftharpoons {\text{V}}^{2+}$, $I_0=-\mathrm{0,255}V$

• Ogólna reakcja: ${\text{VO}}_2^{+}+{\text{V}}^{3+}+{\text{H}}_2\text{TO}\rightleftharpoons {\text{VO}}_2^{+}+{\text{V}}^{2+}+2{\text{H}}^{+}$, $I_0=1.259V$

Ze względu na wysokie bezpieczeństwo, dużą pojemność magazynowania energii, długi cykl ładowania i rozładowania, nadający się do recyklingu elektrolit, opłacalność w całym cyklu życia i przyjazność dla środowiska, akumulatory przepływowe wanadowe (VFB) zyskały w ostatnich latach coraz większą uwagę na świecie. Badania, rozwój i zastosowania inżynieryjne systemów magazynowania energii VFB poczyniły znaczne postępy, dzięki szybkiemu rozwojowi, udoskonalaniu technologii, zmniejszaniu kosztów i wejściu w fazę industrializacji i powszechnego stosowania, prezentując ogromny potencjał rynkowy.

2. Cechy techniczne akumulatorów przepływowych wanadowych

Zalety techniczne

①Bezpieczeństwo wewnętrzne i przyjazność dla środowiska

Systemy magazynowania energii w akumulatorach przepływowych z wanadem są wewnętrznie bezpieczne i niezawodne w działaniu, z przyjaznym dla środowiska cyklem życia. Elektrolit w akumulatorach przepływowych z wanadem składa się z wodnego roztworu jonów wanadu w rozcieńczonym kwasie siarkowym. O ile napięcie odcięcia ładowania i rozładowania jest odpowiednio kontrolowane, a system akumulatora jest przechowywany w dobrze wentylowanej przestrzeni, jest on z natury bezpieczny bez ryzyka pożaru lub wybuchu. Elektrolit krąży w zamkniętej przestrzeni i zazwyczaj nie wytwarza zanieczyszczeń środowiskowych podczas użytkowania, ani nie jest zanieczyszczony zewnętrznymi zanieczyszczeniami.

Ponadto zarówno dodatnie, jak i ujemne elektrolity w akumulatorze przepływowym wanadowym wykorzystują jony wanadu, co zapobiega nieodwracalnej degradacji pojemności spowodowanej mieszaniem dodatnich i ujemnych elektrolitów. W ciągu lat eksploatacji degradacja pojemności spowodowana drobnymi reakcjami ubocznymi i kumulującym się niewielkim mieszaniem dodatnich i ujemnych elektrolitów może zostać zregenerowana i ponownie wykorzystana poprzez regenerację online lub offline.

Stos i system składają się głównie z materiałów węglowych, tworzyw sztucznych i metali. Gdy system akumulatora przepływowego z wanadem jest wycofywany z eksploatacji, materiały metalowe można poddać recyklingowi, a materiały węglowe i tworzywa sztuczne można wykorzystać jako paliwo. Dlatego cały cykl życia systemu akumulatora przepływowego z wanadem jest bezpieczny, ma minimalne obciążenie dla środowiska i jest bardzo przyjazny dla środowiska.

②Niezależna moc wyjściowa i pojemność energetyczna

Moc wyjściowa i pojemność energetyczna systemów magazynowania energii w postaci akumulatorów przepływowych wanadowych są od siebie niezależne. Systemy te charakteryzują się elastyczną konstrukcją i instalacją, co sprawia, że ​​nadają się do magazynowania energii na dużą skalę, o dużej pojemności i długim okresie użytkowania.

Jak pokazano na rysunku 1, moc wyjściowa systemu akumulatorów przepływowych wanadowych jest określana przez rozmiar i liczbę stosów akumulatorów, podczas gdy pojemność energetyczna jest określana przez objętość elektrolitu. Aby zwiększyć moc wyjściową, można zwiększyć powierzchnię elektrody stosu akumulatorów lub liczbę stosów. Aby zwiększyć pojemność energetyczną, można zwiększyć objętość elektrolitu. Dzięki temu akumulatory przepływowe wanadowe są szczególnie odpowiednie do zastosowań wymagających magazynowania energii na dużą skalę, o dużej pojemności i długim czasie trwania. Moc wyjściowa systemów akumulatorów przepływowych wanadowych zwykle waha się od setek watów do setek megawatów, a pojemność energetyczna od setek kilowatogodzin do setek megawatogodzin.

③Wysoka wydajność konwersji energii, szybki rozruch, brak zmiany fazy

Wydajność konwersji energii jest wysoka, a przejście między stanami ładowania i rozładowania jest szybkie. Akumulator przepływowy wanadowy działa w temperaturze pokojowej, a roztwór elektrolitu krąży między zbiornikami elektrolitu a stosem akumulatorów. Podczas procesów ładowania i rozładowania magazynowanie i uwalnianie energii następuje poprzez zmiany stanu walencyjnego jonów wanadu rozpuszczonych w roztworze wodnym, bez żadnej zmiany fazy.

W ten sposób przejście między stanami ładowania i rozładowania jest szybkie, a system magazynowania energii w megawatowym magazynowaniu energii jest w stanie przełączyć się z 80% naładowania do 80% rozładowania w czasie krótszym niż 100 milisekund, co jest głównie określane przez prędkość transmisji sygnałów sterujących. Pozwala to na wykorzystanie baterii przepływowych wanadowych do modulacji amplitudy i częstotliwości, integracji sieci energii odnawialnej, usług pomocniczych, ograniczania szczytowego napięcia w sieci energetycznej i awaryjnego magazynowania energii zapasowej.

④Modułowa konstrukcja ułatwia integrację i skalowanie systemów

Stos akumulatorów przepływowych z wanadem jest montowany z wielu pojedynczych ogniw ułożonych w stos w prasie filtracyjnej. Obecnie znamionowa moc wyjściowa przemysłowego stosu pojedynczych ogniw wynosi zazwyczaj od 30 do 80 kW. System magazynowania energii zazwyczaj składa się z wielu modułowych jednostek, z których każda ma znamionową moc wyjściową około 500 kW. W porównaniu z innymi akumulatorami, stosy akumulatorów przepływowych z wanadem i moduły systemów magazynowania energii mają dużą znamionową moc wyjściową, dobrą jednorodność i są łatwiejsze do zintegrowania i skalowania.

2. Ograniczenia akumulatorów przepływowych wanadowych

①Złożoność systemu

System magazynowania energii składa się z wielu podsystemów, co sprawia, że ​​jest skomplikowany.

②Sprzęt wspomagający energię

Aby zapewnić ciągłą stabilną pracę, system magazynowania energii wymaga dodatkowego sprzętu, takiego jak pompy cyrkulacyjne elektrolitu, elektroniczne urządzenia sterujące, systemy wentylacyjne i systemy kontroli temperatury elektrolitu, które z kolei muszą być zasilane. W rezultacie systemy akumulatorów przepływowych wanadowych na ogół nie nadają się do małych systemów magazynowania energii.

③Niższa gęstość energii

Ze względu na ograniczenia rozpuszczalności jonów wanadu i inne czynniki, akumulatory przepływowe wanadowe mają niższą gęstość energii. Są bardziej odpowiednie do stacjonarnych stacji magazynowania energii, gdzie objętość i waga nie stanowią istotnych ograniczeń, ale nie nadają się do użytku jako mobilne źródła zasilania lub do akumulatorów dynamicznych.

3. Analiza kosztów cyklu życia akumulatorów przepływowych wanadowych

Poniższy diagram ilustruje szacunkowe koszty cyklu życia systemów magazynowania energii w postaci akumulatorów przepływowych wanadowych o czasie przechowywania wynoszącym 4 i 10 godzin.

① Rzeczywisty kosztorys systemu magazynowania energii w akumulatorze przepływowym wanadowym o mocy 1 MW/10 MWh:

② Rzeczywisty kosztorys systemu magazynowania energii w akumulatorze przepływowym wanadowym o mocy 1 MW/10 MWh:

Dlatego w przypadku systemów magazynowania energii w akumulatorach przepływowych wanadowych im dłuższy czas magazynowania energii, tym niższy całkowity koszt cyklu życia.

4. Skład łańcucha przemysłowego

Łańcuch przemysłowy baterii przepływowych z wanadem obejmuje materiały w górnym biegu, produkcję baterii, projektowanie modułów i integrację systemów. Głównym obecnie badanym akumulatorem przepływowym z cieczą jest akumulator przepływowy z wanadem. Jego surowce w górnym biegu obejmują główniepięciotlenek wanadu (V2O5)Imembrany kwasu perfluorosulfonowego. W ramach midstreamu projektuje się i produkuje systemy magazynowania energii w akumulatorach przepływowych z wanadem, które składają się z takich komponentów, jak:falowniki,inteligentne kontrolery,stosy paliwowe,membrany,elektrolit, Izbiorniki magazynoweWśród nich najbardziej krytycznymi elementami sąstos paliwowyIelektrolitDalsze zastosowania obejmują generację energii wiatrowej, generację energii fotowoltaicznej, ograniczanie szczytowego zapotrzebowania sieci i inne.

Ruda wanadu i przetwarzanie wanadu

Wanad jest pierwiastkiem litofilnym, zwykle występującym w stanie rozproszonym w rudach. Jego naturalne cechy dystrybucyjne to duże rezerwy, szerokie rozprzestrzenienie i niska zawartość.Magnetyt wanadowo-tytanowyjest najpowszechniejszą rudą zawierającą wanad. Minerał ten występuje na całym świecie i obecnie jest głównym źródłem wanadu, stanowiąc ponad85% światowej rocznej produkcji wanadu.