Ванадиевые проточные батареи: революционное решение для хранения возобновляемой энергии

Недавно проект ванадиевых проточных батарей Горизонт Власть для Кунунурры стал трендом в Интернете. Но почему проекты ванадиевых проточных батарей становятся все более распространенными? Чтобы понять это, мы должны начать с изучения ванадиевых проточных батарей：

Проточная ванадиевая батарея: новая эра в хранении энергии

Проточная ванадиевая батарея (ВФБ) — это тип батареи, в которой как положительные, так и отрицательные электроды используют циркулирующие растворы ванадия в качестве среды хранения энергии. В процессе зарядки и разрядки батарея обеспечивает преобразование между электрической и химической энергией, тем самым сохраняя и высвобождая энергию.

Структура ванадиевой проточной батареи отличается от обычных литий-ионных батарей и свинцово-углеродных батарей. Она состоит из следующих основных компонентов: стека (или отдельной ячейки), положительного электролитного бака (хранение положительного электролита), отрицательного электролитного бака (хранение отрицательного электролита), циркуляционного насоса и системы управления. Стек состоит из нескольких отдельных ячеек, соединенных последовательно, каждая из которых включает положительный электрод, отрицательный электрод, сепаратор и биполярные пластины. Несколько стеков ванадиевых проточных батарей образуют модуль хранения энергии, а несколько модулей вместе составляют полную систему или станцию ​​хранения энергии.

Принцип накопления энергии в ванадиевых проточных батареях

Ионы ванадия существуют в четырех различных валентных состояниях. Активным материалом для хранения энергии в положительных и отрицательных электролитах ванадиевой проточной батареи являются ионы ванадия. Процесс зарядки и разрядки основан на изменении валентных состояний ионов ванадия как в положительных, так и в отрицательных электролитах, что обеспечивает накопление и высвобождение энергии.

1. Во время зарядки:В положительном электролите ионы ванадия в валентном состоянии +4 окисляются до состояния +5, теряя электрон и образуя два иона водорода. В отрицательном электролите ионы ванадия в валентном состоянии +3 получают электрон и восстанавливаются до состояния +2, потребляя один ион водорода.

2. Во время выписки:В положительном электролите ионы ванадия в валентном состоянии +5 восстанавливаются до состояния +4, получая электрон и потребляя два иона водорода. В отрицательном электролите ионы ванадия в валентном состоянии +2 окисляются до состояния +3, выделяя один ион водорода.

3. 
   

Вышеописанный процесс показывает, что во время зарядки ионы водорода мигрируют с положительной стороны на отрицательную, тогда как во время разрядки процесс обратный. Электрохимическая реакция внутри батареи проявляется как миграция ионов водорода, которая генерирует электрический ток во внешней цепи.

Электродные реакции ванадиевых проточных батарей:

• Положительный электрод: ${\text{ВО}}_2^{+}+{\text{ЧАС}}_2\text{ТО}-{и}^{-}\rightleftharpoons {\text{ВО}}_2^{+}+2{\text{ЧАС}}^{+}$, ${И}_0=1.004В$

• Отрицательный электрод: ${\text{В}}^{3+}+{и}^{-}\rightleftharpoons {\text{В}}^{2+}$, ${И}_0=-\mathrm{0,255}В$

• Общая реакция: ${\text{ВО}}_2^{+}+{\text{В}}^{3+}+{\text{ЧАС}}_2\text{ТО}\rightleftharpoons {\text{ВО}}_2^{+}+{\text{В}}^{2+}+2{\text{ЧАС}}^{+}$, ${И}_0=1.259В$

Благодаря своей высокой безопасности, большой емкости для хранения энергии, длительному циклу заряда и разряда, перерабатываемому электролиту, экономической эффективности на протяжении всего жизненного цикла и экологичности ванадиевые проточные батареи (ВФБ) привлекают все большее внимание во всем мире в последние годы. Исследования, разработки и инженерные приложения систем хранения энергии ВФБ достигли значительного прогресса, с быстрым развитием, улучшением технологий, снижением затрат и выходом на стадию индустриализации и широкого применения, представляя огромный рыночный потенциал.

2. Технические характеристики ванадиевых проточных батарей

Технические преимущества

①Искробезопасность и экологичность

Системы хранения энергии на основе ванадиевых проточных батарей являются внутренне безопасными и надежными в эксплуатации, с экологически чистым жизненным циклом. Электролит в ванадиевых проточных батареях состоит из водного раствора ионов ванадия в разбавленной серной кислоте. Пока напряжение отсечки заряда и разряда контролируется должным образом, а система батарей хранится в хорошо проветриваемом помещении, она изначально безопасна без риска возгорания или взрыва. Электролит циркулирует в герметичном пространстве и обычно не производит загрязняющих веществ для окружающей среды во время использования, а также не загрязняется внешними примесями.

Кроме того, как положительные, так и отрицательные электролиты в ванадиевой проточной батарее используют ионы ванадия, что предотвращает необратимую деградацию емкости из-за смешивания положительных и отрицательных электролитов. За годы эксплуатации деградация емкости, вызванная незначительными побочными реакциями и кумулятивным небольшим смешиванием положительных и отрицательных электролитов, может быть восстановлена ​​и повторно использована посредством регенерации в режиме онлайн или офлайн.

Стек и система в основном состоят из углеродных материалов, пластика и металлов. Когда система ванадиевых проточных батарей выводится из эксплуатации, металлические материалы могут быть переработаны, а углеродные материалы и пластик могут использоваться в качестве топлива. Таким образом, весь жизненный цикл системы ванадиевых проточных батарей безопасен, имеет минимальную нагрузку на окружающую среду и является очень экологически чистым.

②Независимая выходная мощность и энергоемкость

Выходная мощность и энергоемкость систем хранения энергии на основе ванадиевых проточных батарей не зависят друг от друга, а их конструкция и монтаж гибки, что делает их пригодными для крупномасштабного, высокоемкого и длительного хранения энергии.

Как показано на рисунке 1, выходная мощность системы ванадиевых проточных батарей определяется размером и количеством батарейных стопок, в то время как энергоемкость определяется объемом электролита. Для увеличения выходной мощности можно увеличить площадь электродов батарейной стопки или количество стопок. Для увеличения энергоемкости можно увеличить объем электролита. Это делает ванадиевые проточные батареи особенно подходящими для приложений, требующих крупномасштабного, высокоемкого, длительного хранения энергии. Выходная мощность систем ванадиевых проточных батарей обычно составляет от сотен ватт до сотен мегаватт, а энергоемкость — от сотен киловатт-часов до сотен мегаватт-часов.

③Высокая эффективность преобразования энергии, быстрый запуск, отсутствие фазового перехода

Эффективность преобразования энергии высокая, а переход между состояниями заряда и разряда быстрый. Батарея потока ванадия работает при комнатной температуре, при этом раствор электролита циркулирует между баками с электролитом и батареей батареи. Во время процессов заряда и разряда накопление и высвобождение энергии происходит за счет изменения валентного состояния ионов ванадия, растворенных в водном растворе, без какого-либо фазового перехода.

Таким образом, переход между состояниями заряда и разряда происходит быстро, при этом система хранения энергии в мегаваттном масштабе способна переключаться с 80% заряда на 80% разряда менее чем за 100 миллисекунд, что в первую очередь определяется скоростью передачи управляющих сигналов. Это позволяет использовать ванадиевые проточные батареи для амплитудной модуляции и частотной модуляции, интеграции в возобновляемую энергетическую сеть, вспомогательных услуг, пикового сглаживания для электросети и аварийного резервного хранения энергии.

④Модульная конструкция облегчает интеграцию и масштабирование системы

Батарея ванадиевого потока собирается из нескольких отдельных ячеек, сложенных в фильтр-пресс. В настоящее время номинальная выходная мощность промышленной батареи из отдельных ячеек обычно составляет от 30 до 80 кВт. Система хранения энергии обычно состоит из нескольких модульных блоков, каждый из которых имеет номинальную выходную мощность около 500 кВт. По сравнению с другими батареями батареи ванадиевого потока и модули системы хранения энергии имеют большую номинальную выходную мощность, хорошую однородность и их легче интегрировать и масштабировать.

2. Ограничения ванадиевых проточных батарей

①Сложность системы

Система накопления энергии состоит из множества подсистем, что делает ее сложной.

②Оборудование для поддержки энергетики

Для обеспечения непрерывной стабильной работы система хранения энергии требует дополнительного оборудования, такого как насосы циркуляции электролита, электронные устройства управления, системы вентиляции и системы контроля температуры электролита, которые в свою очередь должны быть запитаны. В результате системы ванадиевых проточных батарей, как правило, не подходят для систем хранения энергии малого масштаба.

③Более низкая плотность энергии

Из-за ограничений растворимости ионов ванадия и других факторов ванадиевые проточные батареи имеют более низкую плотность энергии. Они больше подходят для стационарных станций хранения энергии, где объем и вес не являются существенными ограничениями, но не подходят для использования в качестве мобильных источников питания или для динамических батарей.

3. Анализ стоимости жизненного цикла ванадиевых проточных батарей

На следующей диаграмме показаны предполагаемые затраты на жизненный цикл систем хранения энергии на основе ванадиевых проточных батарей с продолжительностью хранения 4 и 10 часов.

① Фактическая оценка стоимости системы хранения энергии на основе ванадиевой проточной батареи мощностью 1 МВт/10 МВт·ч:

② Фактическая оценка стоимости системы хранения энергии на основе ванадиевой проточной батареи мощностью 1 МВт/10 МВт·ч:

Таким образом, для систем хранения энергии на основе ванадиевых проточных батарей, чем больше продолжительность хранения энергии, тем ниже общая стоимость жизненного цикла.

4. Состав отраслевой цепочки

Цепочка производства ванадиевых проточных батарей включает в себя исходные материалы, производство батарей, разработку модулей и системную интеграцию. Основной жидкостной проточной батареей, которая в настоящее время исследуется, является ванадиевая проточная батарея. Ее исходное сырье в первую очередь включаетпентаоксид ванадия (V2O5)имембраны из перфторсульфоновой кислоты. Средний этап включает проектирование и производство систем хранения ванадиевых проточных батарей, которые состоят из таких компонентов, какинверторы,интеллектуальные контроллеры,топливные штабеля,мембраны,электролит, ирезервуары для хранения. Среди них наиболее важными компонентами являютсятопливный стекиэлектролит. К нисходящим областям применения относятся ветроэнергетика, фотоэлектрическая генерация, ограничение пиковой нагрузки в сети и многое другое.

Ванадиевая руда и переработка ванадия

Ванадий — литофильный элемент, обычно встречающийся в рассеянном состоянии в рудах. Характерными особенностями его природного распространения являются большие запасы, широкое распространение и низкое содержание.Ванадий-титановый магнетитявляется наиболее распространенной ванадийсодержащей рудой. Этот минерал встречается во всем мире и в настоящее время является основным источником ванадия, на долю которого приходится более85% мирового годового производства ванадия.