Οι μπαταρίες ροής βαναδίου εξήγησαν έναν εναλλάκτη παιχνιδιού για την αποθήκευση ανανεώσιμης ενέργειας

Πρόσφατα, το έργο μπαταριών ροής βαναδίου της Ορίζοντας Εξουσία για την Kununurra έγινε δημοφιλής στο διαδίκτυο. Αλλά γιατί τα έργα μπαταριών ροής βαναδίου γίνονται όλο και πιο διαδεδομένα; Για να το καταλάβουμε αυτό, θα πρέπει να ξεκινήσουμε μαθαίνοντας περισσότερα για τις μπαταρίες ροής βαναδίου:

Μπαταρία ροής βαναδίου: Μια νέα εποχή στην αποθήκευση ενέργειας

Μια μπαταρία ροής βαναδίου (VFB) είναι ένας τύπος μπαταρίας στην οποία τόσο το θετικό όσο και το αρνητικό ηλεκτρόδιο χρησιμοποιούν κυκλοφορούντα διαλύματα βαναδίου ως μέσο αποθήκευσης ενέργειας. Μέσω της διαδικασίας φόρτισης και εκφόρτισης, η μπαταρία επιτρέπει τη μετατροπή μεταξύ ηλεκτρικής ενέργειας και χημικής ενέργειας, αποθηκεύοντας και απελευθερώνοντας έτσι ενέργεια.

Η δομή μιας μπαταρίας Βανάδιο Ροή είναι διαφορετική από τις συμβατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου και τις μπαταρίες μολύβδου άνθρακα. Αποτελείται από τα ακόλουθα βασικά στοιχεία: μια στοίβα (ή μεμονωμένο στοιχείο), μια δεξαμενή θετικού ηλεκτρολύτη (αποθήκευση του θετικού ηλεκτρολύτη), μια δεξαμενή αρνητικού ηλεκτρολύτη (αποθήκευση του αρνητικού ηλεκτρολύτη), μια αντλία κυκλοφορίας και ένα σύστημα διαχείρισης. Η στοίβα αποτελείται από πολλαπλά μεμονωμένα κύτταρα συνδεδεμένα σε σειρά, το καθένα από τα οποία περιλαμβάνει το θετικό ηλεκτρόδιο, το αρνητικό ηλεκτρόδιο, τον διαχωριστή και τις διπολικές πλάκες. Πολλαπλές στοίβες μπαταριών ροής βαναδίου σχηματίζουν μια μονάδα αποθήκευσης ενέργειας και πολλές μονάδες μαζί συνιστούν ένα πλήρες σύστημα ή σταθμό αποθήκευσης ενέργειας.

Αρχή αποθήκευσης ενέργειας σε μπαταρίες ροής βαναδίου

Τα ιόντα βαναδίου υπάρχουν σε τέσσερις διαφορετικές καταστάσεις σθένους. Το υλικό αποθήκευσης ενεργής ενέργειας στους θετικούς και αρνητικούς ηλεκτρολύτες μιας μπαταρίας ροής βαναδίου είναι ιόντα βαναδίου. Η διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης βασίζεται στις αλλαγές στις καταστάσεις σθένους των ιόντων βαναδίου τόσο στους θετικούς όσο και στους αρνητικούς ηλεκτρολύτες, επιτυγχάνοντας αποθήκευση και απελευθέρωση ενέργειας.

1. Κατά τη φόρτιση:Στον θετικό ηλεκτρολύτη, τα ιόντα βαναδίου σε κατάσταση +4 σθένους οξειδώνονται στην κατάσταση +5, χάνοντας ένα ηλεκτρόνιο και δημιουργώντας δύο ιόντα υδρογόνου. Στον αρνητικό ηλεκτρολύτη, τα ιόντα βαναδίου σε κατάσταση σθένους +3 αποκτούν ένα ηλεκτρόνιο και ανάγονται στην κατάσταση +2, καταναλώνοντας ένα ιόν υδρογόνου.

2. Κατά την εκφόρτωση:Στον θετικό ηλεκτρολύτη, τα ιόντα βαναδίου σε κατάσταση σθένους +5 ανάγονται στην κατάσταση +4, αποκτώντας ένα ηλεκτρόνιο και καταναλώνοντας δύο ιόντα υδρογόνου. Στον αρνητικό ηλεκτρολύτη, τα ιόντα βαναδίου στην κατάσταση +2 οξειδώνονται στην κατάσταση +3, απελευθερώνοντας ένα ιόν υδρογόνου.

3. 
   

Η παραπάνω διαδικασία δείχνει ότι κατά τη φόρτιση, τα ιόντα υδρογόνου μεταναστεύουν από τη θετική στην αρνητική πλευρά, ενώ κατά την εκφόρτιση, η διαδικασία αντιστρέφεται. Η ηλεκτροχημική αντίδραση στο εσωτερικό της μπαταρίας εκδηλώνεται ως μετανάστευση ιόντων υδρογόνου, η οποία δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα στο εξωτερικό κύκλωμα.

Αντιδράσεις ηλεκτροδίων των μπαταριών ροής βαναδίου:

• Θετικό ηλεκτρόδιο: ${\text{VO}}_2^{+}+{\text{H}}_2\text{Ο}-{\mathrm{\kappa \alpha \iota }}^{-}\rightleftharpoons {\text{VO}}_2^{+}+2{\text{H}}^{+}$, ${\mathrm{{\rm K}{\rm A}{\rm I}}}_0=1.004V$

• Αρνητικό ηλεκτρόδιο: ${\text{V}}^{3+}+{\mathrm{\kappa \alpha \iota }}^{-}\rightleftharpoons {\text{V}}^{2+}$, ${\mathrm{{\rm K}{\rm A}{\rm I}}}_0=-\mathrm{0,255}V$

• Συνολική αντίδραση: ${\text{VO}}_2^{+}+{\text{V}}^{3+}+{\text{H}}_2\text{Ο}\rightleftharpoons {\text{VO}}_2^{+}+{\text{V}}^{2+}+2{\text{H}}^{+}$, ${\mathrm{{\rm K}{\rm A}{\rm I}}}_0=1.259V$

Λόγω της υψηλής ασφάλειας, της μεγάλης κλίμακας χωρητικότητας αποθήκευσης ενέργειας, της μεγάλης διάρκειας κύκλου φόρτισης και εκφόρτισης, του ανακυκλώσιμου ηλεκτρολύτη, της οικονομικής απόδοσης καθ' όλη τη διάρκεια του κύκλου ζωής τους και της φιλικότητας προς το περιβάλλον, οι μπαταρίες ροής βαναδίου (VFB) έχουν κερδίσει την παγκόσμια προσοχή τα τελευταία χρόνια. Οι εφαρμογές έρευνας, ανάπτυξης και μηχανικής των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας VFB έχουν σημειώσει σημαντική πρόοδο, με ταχεία ανάπτυξη, βελτίωση της τεχνολογίας, μείωση του κόστους και είσοδο στο στάδιο της εκβιομηχάνισης και της ευρείας εφαρμογής, παρουσιάζοντας τεράστιες δυνατότητες αγοράς.

2. Τεχνικά χαρακτηριστικά των μπαταριών Βανάδιο Ροή

Τεχνικά Πλεονεκτήματα

①Εγγενής ασφάλεια και φιλικότητα προς το περιβάλλον

Τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας μπαταριών ροής βαναδίου είναι εγγενώς ασφαλή και αξιόπιστα στη λειτουργία, με φιλικό προς το περιβάλλον κύκλο ζωής. Ο ηλεκτρολύτης στις μπαταρίες ροής βαναδίου αποτελείται από ένα υδατικό διάλυμα ιόντων βαναδίου σε αραιό θειικό οξύ. Εφόσον η τάση διακοπής φόρτισης και εκφόρτισης ελέγχεται σωστά και το σύστημα μπαταρίας αποθηκεύεται σε καλά αεριζόμενο χώρο, είναι εγγενώς ασφαλές χωρίς κίνδυνο πυρκαγιάς ή έκρηξης. Ο ηλεκτρολύτης κυκλοφορεί σε κλειστό χώρο και δεν παράγει συνήθως περιβαλλοντικούς ρύπους κατά τη χρήση, ούτε μολύνεται από εξωτερικές ακαθαρσίες.

Επιπλέον, τόσο οι θετικοί όσο και οι αρνητικοί ηλεκτρολύτες στη μπαταρία ροής βαναδίου χρησιμοποιούν ιόντα βαναδίου, τα οποία αποτρέπουν τη μη αναστρέψιμη υποβάθμιση της χωρητικότητας από την ανάμειξη των θετικών και αρνητικών ηλεκτρολυτών. Με τα χρόνια λειτουργίας, η υποβάθμιση της χωρητικότητας που προκαλείται από δευτερεύουσες αντιδράσεις και η σωρευτική ελαφρά ανάμειξη των θετικών και αρνητικών ηλεκτρολυτών μπορεί να αναγεννηθεί και να επαναχρησιμοποιηθεί μέσω ηλεκτρονικής ή εκτός σύνδεσης αναγέννησης.

Η στοίβα και το σύστημα αποτελούνται κυρίως από υλικά άνθρακα, πλαστικά και μέταλλα. Όταν ένα σύστημα μπαταρίας ροής βαναδίου παροπλίζεται, τα μεταλλικά υλικά μπορούν να ανακυκλωθούν και τα υλικά άνθρακα και τα πλαστικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καύσιμο. Επομένως, ολόκληρος ο κύκλος ζωής ενός συστήματος μπαταρίας ροής βαναδίου είναι ασφαλής, έχει ελάχιστο περιβαλλοντικό φορτίο και είναι πολύ φιλικό προς το περιβάλλον.

②Ανεξάρτητη Ισχύς Εξόδου και Ενέργεια

Η ισχύς εξόδου και η χωρητικότητα ενέργειας των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας μπαταρίας ροής βαναδίου είναι ανεξάρτητα μεταξύ τους, με ευέλικτη σχεδίαση και εγκατάσταση, που τα καθιστά κατάλληλα για αποθήκευση ενέργειας μεγάλης κλίμακας, υψηλής χωρητικότητας και μεγάλης διάρκειας.

Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, η ισχύς εξόδου ενός συστήματος μπαταρίας ροής βαναδίου προσδιορίζεται από το μέγεθος και τον αριθμό των στοίβων της μπαταρίας, ενώ η ενεργειακή χωρητικότητα προσδιορίζεται από τον όγκο του ηλεκτρολύτη. Για να αυξήσετε την ισχύ εξόδου, η περιοχή ηλεκτροδίων της στοίβας μπαταρίας μπορεί να αυξηθεί ή να αυξηθεί ο αριθμός των στοίβων. Για να αυξηθεί η ενεργειακή χωρητικότητα, ο όγκος του ηλεκτρολύτη μπορεί να αυξηθεί. Αυτό καθιστά τις μπαταρίες ροής βαναδίου ιδιαίτερα κατάλληλες για εφαρμογές που απαιτούν αποθήκευση ενέργειας μεγάλης κλίμακας, υψηλής χωρητικότητας και μεγάλης διάρκειας. Η ισχύς εξόδου των συστημάτων μπαταριών ροής βαναδίου κυμαίνεται τυπικά από εκατοντάδες βάτ έως εκατοντάδες μεγαβάτ και η ενεργειακή χωρητικότητα κυμαίνεται από εκατοντάδες κιλοβατώρες έως εκατοντάδες μεγαβατώρες.

③Υψηλή απόδοση μετατροπής ενέργειας, γρήγορη εκκίνηση, χωρίς αλλαγή φάσης

Η απόδοση μετατροπής ενέργειας είναι υψηλή και η μετάβαση μεταξύ καταστάσεων φόρτισης και εκφόρτισης είναι ταχεία. Η μπαταρία ροής βαναδίου λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου, με το διάλυμα ηλεκτρολύτη να κυκλοφορεί μεταξύ των δεξαμενών ηλεκτρολύτη και της στοίβας μπαταριών. Κατά τη διάρκεια των διαδικασιών φόρτισης και εκφόρτισης, η αποθήκευση και η απελευθέρωση ενέργειας συμβαίνει μέσω των αλλαγών στην κατάσταση σθένους των ιόντων βαναδίου που είναι διαλυμένα στο υδατικό διάλυμα, χωρίς καμία αλλαγή φάσης.

Έτσι, η μετάβαση μεταξύ καταστάσεων φόρτισης και εκφόρτισης είναι γρήγορη, με το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας σε αποθήκευση ενέργειας κλίμακας μεγαβάτ, ικανό να μεταβαίνει από 80% φόρτιση σε 80% εκφόρτιση σε λιγότερο από 100 χιλιοστά του δευτερολέπτου, που καθορίζεται κυρίως από την ταχύτητα μετάδοσης των σημάτων ελέγχου. Αυτό επιτρέπει στις μπαταρίες ροής βαναδίου να χρησιμοποιούνται για διαμόρφωση πλάτους και διαμόρφωση συχνότητας, ενοποίηση δικτύου ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, βοηθητικές υπηρεσίες, ξύρισμα αιχμής για το ηλεκτρικό δίκτυο και αποθήκευση εφεδρικής ενέργειας έκτακτης ανάγκης.

④Ο αρθρωτός σχεδιασμός διευκολύνει την ολοκλήρωση και την κλιμάκωση του συστήματος

Η στοίβα μπαταρίας ροής βαναδίου συναρμολογείται από πολλαπλές μεμονωμένες κυψέλες στοιβαγμένες με τρόπο φίλτρου. Επί του παρόντος, η ονομαστική ισχύς εξόδου μιας βιομηχανοποιημένης στοίβας μονής κυψέλης είναι γενικά μεταξύ 30 και 80 kW. Το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας αποτελείται συνήθως από πολλαπλές αρθρωτές μονάδες, καθεμία με ονομαστική ισχύ εξόδου περίπου 500 kW. Σε σύγκριση με άλλες μπαταρίες, οι στοίβες μπαταριών ροής βαναδίου και οι μονάδες συστήματος αποθήκευσης ενέργειας έχουν μεγάλη ονομαστική ισχύ εξόδου, καλή ομοιομορφία και είναι πιο εύκολο να ενσωματωθούν και να κλιμακωθούν.

2. Περιορισμοί των μπαταριών ροής βαναδίου

①Πολυπλοκότητα συστήματος

Το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας αποτελείται από πολλαπλά υποσυστήματα, γεγονός που το καθιστά πολύπλοκο.

②Εξοπλισμός Ενεργειακής Υποστήριξης

Για να διασφαλιστεί η συνεχής σταθερή λειτουργία, το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας απαιτεί πρόσθετο εξοπλισμό όπως αντλίες κυκλοφορίας ηλεκτρολυτών, ηλεκτρονικές συσκευές ελέγχου, συστήματα εξαερισμού και συστήματα ελέγχου θερμοκρασίας ηλεκτρολυτών, τα οποία με τη σειρά τους πρέπει να τροφοδοτούνται. Ως αποτέλεσμα, τα συστήματα μπαταριών ροής βαναδίου δεν είναι γενικά κατάλληλα για συστήματα αποθήκευσης ενέργειας μικρής κλίμακας.

③Χαμηλότερη Ενεργειακή Πυκνότητα

Λόγω των περιορισμών της διαλυτότητας ιόντων βαναδίου και άλλων παραγόντων, οι μπαταρίες ροής βαναδίου έχουν χαμηλότερη ενεργειακή πυκνότητα. Είναι πιο κατάλληλοι για σταθερούς σταθμούς αποθήκευσης ενέργειας όπου ο όγκος και το βάρος δεν αποτελούν σημαντικούς περιορισμούς, αλλά δεν είναι κατάλληλοι για χρήση ως κινητές πηγές ενέργειας ή για δυναμικές μπαταρίες.

3. Ανάλυση κόστους κύκλου ζωής των μπαταριών ροής βαναδίου

Το παρακάτω διάγραμμα απεικονίζει το εκτιμώμενο κόστος του κύκλου ζωής των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας μπαταρίας ροής βαναδίου με διάρκεια αποθήκευσης 4 και 10 ωρών.

① Σύστημα αποθήκευσης ενέργειας μπαταρίας ροής βαναδίου 1 MW/10 MWh Εκτίμηση πραγματικού κόστους:

② Σύστημα αποθήκευσης ενέργειας μπαταρίας ροής βαναδίου 1 MW/10 MWh Εκτίμηση πραγματικού κόστους:

Επομένως, για συστήματα αποθήκευσης ενέργειας μπαταρίας ροής βαναδίου, όσο μεγαλύτερη είναι η διάρκεια αποθήκευσης ενέργειας, τόσο χαμηλότερο είναι το συνολικό κόστος του κύκλου ζωής.

4. Σύνθεση Αλυσίδας Βιομηχανίας

Η αλυσίδα βιομηχανίας μπαταριών ροής βαναδίου περιλαμβάνει υλικά ανάντη, κατασκευή μπαταριών, σχεδιασμό μονάδων και ενοποίηση συστήματος. Η κύρια μπαταρία ροής υγρού που ερευνάται αυτή τη στιγμή είναι η μπαταρία ροής βαναδίου. Οι ανάντη πρώτες ύλες της περιλαμβάνουν κυρίωςπεντοξείδιο του βαναδίου (V2O5)καιμεμβράνες υπερφθοροσουλφονικού οξέος. Το μέσο του ποταμού περιλαμβάνει το σχεδιασμό και την κατασκευή συστημάτων αποθήκευσης μπαταριών ροής βαναδίου, τα οποία αποτελούνται από εξαρτήματα όπωςμετατροπείς,έξυπνοι ελεγκτές,στοίβες καυσίμων,μεμβράνες,ηλεκτρολύτη, καιδεξαμενές αποθήκευσης. Μεταξύ αυτών, τα πιο κρίσιμα συστατικά είναι ταστοίβα καυσίμουκαιηλεκτρολύτη. Οι κατάντη εφαρμογές περιλαμβάνουν την παραγωγή αιολικής ενέργειας, την παραγωγή φωτοβολταϊκής ενέργειας, την αιχμή του δικτύου και πολλά άλλα.

Μεταλλεύματος Βαναδίου και Επεξεργασία Βαναδίου

Το βανάδιο είναι ένα λιθόφιλο στοιχείο, που συνήθως βρίσκεται σε διασκορπισμένη κατάσταση στα μεταλλεύματα. Τα φυσικά χαρακτηριστικά κατανομής του είναι τα μεγάλα αποθέματα, η ευρεία κατανομή και η χαμηλή περιεκτικότητα.Μαγνητίτης βαναδίου-τιτανίουείναι το πιο κοινό μετάλλευμα που περιέχει βαναδίου. Αυτό το ορυκτό βρίσκεται παγκοσμίως και είναι επί του παρόντος η κύρια πηγή βαναδίου, που αντιπροσωπεύει πάνω απόΤο 85% της παγκόσμιας ετήσιας παραγωγής βαναδίου.