Vanadium Flow-batterier förklarade en förändring för lagring av förnybar energi

Nyligen har Horizon Powers vanadinflödesbatteriprojekt för Kununurra varit trendigt över internet. Men varför blir projekt med vanadinflödesbatterier mer och mer förekommande? För att förstå detta bör vi börja med att lära oss mer om vanadinflödesbatterier:

Vanadium Flow Battery: En ny era inom energilagring

Ett Vanadium Flow Battery (VFB) är en typ av batteri där både de positiva och negativa elektroderna använder cirkulerande vanadinlösningar som energilagringsmedium. Genom laddning och urladdning möjliggör batteriet omvandlingen mellan elektrisk energi och kemisk energi, och därigenom lagrar och frigör energi.

Strukturen hos ett vanadinflödesbatteri skiljer sig från konventionella litiumjonbatterier och bly-kolbatterier. Den består av följande nyckelkomponenter: en stack (eller enskild cell), en positiv elektrolyttank (lagrar den positiva elektrolyten), en negativ elektrolyttank (lagrar den negativa elektrolyten), en cirkulationspump och ett ledningssystem. Stapeln består av flera individuella celler kopplade i serie, var och en inklusive den positiva elektroden, negativa elektroden, separatorn och bipolära plattor. Flera vanadinflödesbatteristaplar bildar en energilagringsmodul och flera moduler tillsammans utgör ett komplett energilagringssystem eller -station.

Principen för energilagring i vanadinflödesbatterier

Vanadinjoner finns i fyra olika valenstillstånd. Det aktiva energilagringsmaterialet i de positiva och negativa elektrolyterna i ett Vanadium Flow Battery är vanadinjoner. Laddnings- och urladdningsprocessen är baserad på förändringarna i valenstillstånden för vanadinjoner i både de positiva och negativa elektrolyterna, vilket uppnår energilagring och frigöring.

1. Under laddning:I den positiva elektrolyten oxideras vanadinjoner i +4-valenstillståndet till +5-tillståndet, förlorar en elektron och genererar två vätejoner. I den negativa elektrolyten får vanadinjoner i valenstillståndet +3 en elektron och reduceras till +2-tillståndet och förbrukar en vätejon.

2. Under urladdning:I den positiva elektrolyten reduceras vanadinjoner i valenstillståndet +5 till +4-tillståndet, vilket får en elektron och förbrukar två vätejoner. I den negativa elektrolyten oxideras vanadinjoner i +2-tillståndet till +3-tillståndet och frigör en vätejon.

3. 
   

Ovanstående process visar att under laddning migrerar vätejoner från den positiva till den negativa sidan, medan processen är omvänd under urladdning. Den elektrokemiska reaktionen inuti batteriet manifesterar sig som migration av vätejoner, vilket genererar en elektrisk ström i den externa kretsen.

Elektrodereaktioner för vanadinflödesbatterier:

• Positiv elektrod: ${\text{VO}}_2^{+}+{\text{H}}_2\text{DE}-{\mathrm{och}}^{-}\rightleftharpoons {\text{VO}}_2^{+}+2{\text{H}}^{+}$, ${\mathrm{OCH}}_0=\mathrm{1,004}V$

• Negativ elektrod: ${\text{V}}^{3+}+{\mathrm{och}}^{-}\rightleftharpoons {\text{V}}^{2+}$, ${\mathrm{OCH}}_0=-\mathrm{0,255}V$

• Övergripande reaktion: ${\text{VO}}_2^{+}+{\text{V}}^{3+}+{\text{H}}_2\text{DE}\rightleftharpoons {\text{VO}}_2^{+}+{\text{V}}^{2+}+2{\text{H}}^{+}$, ${\mathrm{OCH}}_0=\mathrm{1,259}V$

På grund av dess höga säkerhet, storskaliga energilagringskapacitet, långa laddnings- och urladdningscykellivslängd, återvinningsbar elektrolyt, kostnadseffektivitet under hela livscykeln och miljövänlighet, har vanadinflödesbatterier (VFB) fått ökande global uppmärksamhet de senaste åren. Forskning, utveckling och tekniska tillämpningar av VFB-energilagringssystem har gjort betydande framsteg, med snabb utveckling, förbättrad teknologi, minskade kostnader och inträde i industrialiseringsstadiet och utbredd tillämpning, vilket presenterar enorm marknadspotential.

2. Tekniska egenskaper hos Vanadium Flow-batterier

Tekniska fördelar

①Egensäkerhet och miljövänlighet

Vanadium flow batteri energilagringssystem är i sig säkra och pålitliga i drift, med en miljövänlig livscykel. Elektrolyten i vanadinflödesbatterier består av en vattenlösning av vanadinjoner i utspädd svavelsyra. Så länge som laddnings- och urladdningsspänningen kontrolleras korrekt och batterisystemet förvaras i ett välventilerat utrymme, är det i sig säkert utan risk för brand eller explosion. Elektrolyten cirkuleras i ett förseglat utrymme och producerar vanligtvis inte miljöföroreningar under användning, och den är inte heller förorenad av externa föroreningar.

Dessutom använder både de positiva och negativa elektrolyterna i vanadinflödesbatteriet vanadinjoner, vilket förhindrar irreversibel kapacitetsförsämring från blandningen av de positiva och negativa elektrolyterna. Under år av drift kan kapacitetsförsämring orsakad av mindre sidoreaktioner och den kumulativa lätta blandningen av de positiva och negativa elektrolyterna regenereras och återanvändas genom online- eller offline-regenerering.

Stapeln och systemet består huvudsakligen av kolmaterial, plaster och metaller. När ett vanadinflödesbatterisystem tas ur drift kan metallmaterialen återvinnas och kolmaterial och plast kan användas som bränsle. Därför är hela livscykeln för ett vanadinflödesbatterisystem säker, har en minimal miljöbelastning och är mycket miljövänlig.

②Oberoende uteffekt och energikapacitet

Uteffekten och energikapaciteten hos energilagringssystem för vanadinflödesbatterier är oberoende av varandra, med flexibel design och installation, vilket gör dem lämpliga för storskalig, hög kapacitet och långvarig energilagring.

Såsom visas i figur 1 bestäms uteffekten från ett vanadinflödesbatterisystem av storleken och antalet batteristaplar, medan energikapaciteten bestäms av volymen av elektrolyten. För att öka uteffekten kan elektrodarean för batteristapeln ökas eller antalet staplar kan ökas. För att öka energikapaciteten kan volymen av elektrolyten ökas. Detta gör vanadinflödesbatterier särskilt lämpliga för tillämpningar som kräver storskalig, hög kapacitet och långvarig energilagring. Uteffekten från vanadinflödesbatterisystem sträcker sig vanligtvis från hundratals watt till hundratals megawatt, och energikapaciteten varierar från hundratals kilowattimmar till hundratals megawattimmar.

③Hög energiomvandlingseffektivitet, snabb uppstart, ingen fasförändring

Energiomvandlingseffektiviteten är hög, och övergången mellan laddnings- och urladdningstillstånd är snabb. Vanadinflödesbatteriet arbetar vid rumstemperatur, med elektrolytlösningen som cirkulerar mellan elektrolyttankarna och batteristapeln. Under laddnings- och urladdningsprocesserna sker energilagring och frisättning genom förändringar i valenstillståndet för vanadinjoner lösta i vattenlösningen, utan någon fasförändring.

Således är övergången mellan laddnings- och urladdningstillstånd snabb, med energilagringssystemet i megawatt-skala energilagring som kan byta från 80 % laddning till 80 % urladdning på mindre än 100 millisekunder, främst bestämt av överföringshastigheten för styrsignaler. Detta gör att vanadinflödesbatterier kan användas för amplitudmodulering och frekvensmodulering, integrering av förnybar energinät, kringtjänster, peak shaving för elnätet och reservenergilagring för nödsituationer.

④Modulär design underlättar systemintegration och skalning

Vanadinflödesbatteristapeln är sammansatt av flera enstaka celler staplade på ett filter-press-sätt. För närvarande är den nominella uteffekten för en industrialiserad encellsstack i allmänhet mellan 30 och 80 kW. Energilagringssystemet består vanligtvis av flera modulära enheter, var och en med en märkeffekt på cirka 500 kW. Jämfört med andra batterier har vanadinflödesbatteristaplar och energilagringssystemmoduler stor nominell uteffekt, god enhetlighet och är lättare att integrera och skala upp.

2. Begränsningar för Vanadium Flow-batterier

①Systemkomplexitet

Energilagringssystemet är sammansatt av flera delsystem, vilket gör det komplext.

②Energistödutrustning

För att säkerställa kontinuerlig stabil drift kräver energilagringssystemet ytterligare utrustning såsom elektrolytcirkulationspumpar, elektroniska styranordningar, ventilationssystem och elektrolyttemperaturkontrollsystem, som i sin tur behöver drivas. Som ett resultat är vanadinflödesbatterisystem i allmänhet inte lämpliga för småskaliga energilagringssystem.

③Lägre energitäthet

På grund av begränsningarna för vanadinjonlöslighet och andra faktorer har vanadinflödesbatterier lägre energitäthet. De är mer lämpade för fasta energilagringsstationer där volym och vikt inte är betydande begränsningar men inte är lämpliga för användning som mobila strömkällor eller för dynamiska batterier.

3. Livscykelkostnadsanalys av vanadinflödesbatterier

Följande diagram illustrerar de uppskattade livscykelkostnaderna för energilagringssystem för vanadinflödesbatterier med 4 timmar och 10 timmars lagringstid.

① 1 MW/10 MWh vanadinflödesbatteri Energilagringssystem Faktisk kostnadsuppskattning:

② 1 MW/10 MWh vanadinflödesbatteri Energilagringssystem Faktisk kostnadsuppskattning:

Därför, för energilagringssystem för vanadinflödesbatterier, ju längre energilagringstiden är, desto lägre blir den totala livscykelkostnaden.

4. Industrikedjans sammansättning

Industrikedjan för vanadinflödesbatterier inkluderar uppströmsmaterial, batteritillverkning, moduldesign och systemintegration. Det vanliga vätskeflödesbatteriet som för närvarande undersöks är vanadinflödesbatteriet. Dess uppströms råvaror inkluderar främstvanadinpentoxid (V2O5)ochperfluorsulfonsyramembran. Midstream involverar design och tillverkning av vanadium flow batteri lagringssystem, som består av komponenter som t.ex.växelriktare,smarta kontroller,bränslestaplar,membran,elektrolyt, ochlagringstankar. Bland dessa är de mest kritiska komponenternabränslestapelochelektrolyt. Nedströmsapplikationerna inkluderar vindkraftsgenerering, fotovoltaisk kraftgenerering, grid peak-shaving och mer.

Vanadinmalm och vanadinbearbetning

Vanadin är ett litofilt grundämne, som vanligtvis finns i ett dispergerat tillstånd i malmer. Dess naturliga utbredningsegenskaper är stora reserver, utbredd spridning och lågt innehåll.Vanadin-titan magnetitär den vanligaste vanadinhaltiga malmen. Detta mineral finns globalt och är för närvarande den primära källan till vanadin och står för över85 % av den globala årliga vanadinproduktionen.