Vanadium-flowbatterijen uitgelegd: een game-changer voor de opslag van hernieuwbare energie

Onlangs is Horizon Power's vanadium flow battery project voor Kununurra trending op internet. Maar waarom worden vanadium flow battery projecten steeds populairder? Om dit te begrijpen, moeten we beginnen met meer te leren over vanadium flow batteries:

Vanadium Flow Battery: een nieuw tijdperk in energieopslag

Een Vanadium Flow Battery (VFB) is een type batterij waarin zowel de positieve als negatieve elektroden circulerende vanadiumoplossingen gebruiken als energieopslagmedium. Door het proces van opladen en ontladen, maakt de batterij de omzetting tussen elektrische energie en chemische energie mogelijk, waardoor energie wordt opgeslagen en vrijgegeven.

De structuur van een Vanadium Flow Battery verschilt van conventionele lithium-ionbatterijen en lood-koolstofbatterijen. Het bestaat uit de volgende hoofdcomponenten: een stapel (of individuele cel), een positieve elektrolyttank (waar de positieve elektrolyt wordt opgeslagen), een negatieve elektrolyttank (waar de negatieve elektrolyt wordt opgeslagen), een circulatiepomp en een managementsysteem. De stapel bestaat uit meerdere individuele cellen die in serie zijn geschakeld, elk met de positieve elektrode, negatieve elektrode, separator en bipolaire platen. Meerdere vanadium flow battery stacks vormen een energieopslagmodule en meerdere modules vormen samen een compleet energieopslagsysteem of -station.

Principe van energieopslag in vanadiumstroombatterijen

Vanadiumionen bestaan ​​in vier verschillende valentietoestanden. Het actieve energieopslagmateriaal in de positieve en negatieve elektrolyten van een Vanadium Flow Battery zijn vanadiumionen. Het laad- en ontlaadproces is gebaseerd op de veranderingen in de valentietoestanden van vanadiumionen in zowel de positieve als negatieve elektrolyten, waardoor energieopslag en -afgifte wordt bereikt.

1. Tijdens het opladen:In de positieve elektrolyt worden vanadiumionen in de +4-valentietoestand geoxideerd tot de +5-toestand, waarbij ze een elektron verliezen en twee waterstofionen genereren. In de negatieve elektrolyt krijgen vanadiumionen in de +3-valentietoestand een elektron en worden ze gereduceerd tot de +2-toestand, waarbij ze één waterstofion verbruiken.

2. Tijdens het ontladen:In de positieve elektrolyt worden vanadiumionen in de +5-valentietoestand gereduceerd tot de +4-toestand, waarbij ze een elektron winnen en twee waterstofionen verbruiken. In de negatieve elektrolyt worden vanadiumionen in de +2-toestand geoxideerd tot de +3-toestand, waarbij één waterstofion vrijkomt.

3. 
   

Het bovenstaande proces laat zien dat tijdens het opladen waterstofionen migreren van de positieve naar de negatieve kant, terwijl tijdens het ontladen het proces omgekeerd is. De elektrochemische reactie in de batterij manifesteert zich als de migratie van waterstofionen, wat een elektrische stroom genereert in het externe circuit.

Elektrodereacties van vanadiumstroombatterijen:

• Positieve elektrode: ${\text{VO}}_2^{+}+{\text{H}}_2\text{DE}-{\mathrm{En}}^{-}\rightleftharpoons {\text{VO}}_2^{+}+2{\text{H}}^{+}$, ${\mathrm{EN}}_0=1.004V$

• Negatieve elektrode: ${\text{V}}^{3+}+{\mathrm{En}}^{-}\rightleftharpoons {\text{V}}^{2+}$, ${\mathrm{EN}}_0=-\mathrm{0,255}V$

• Algemene reactie: ${\text{VO}}_2^{+}+{\text{V}}^{3+}+{\text{H}}_2\text{DE}\rightleftharpoons {\text{VO}}_2^{+}+{\text{V}}^{2+}+2{\text{H}}^{+}$, ${\mathrm{EN}}_0=1.259V$

Vanwege de hoge veiligheid, grootschalige energieopslagcapaciteit, lange levensduur van laad- en ontlaadcycli, recyclebare elektrolyt, kosteneffectiviteit gedurende de gehele levenscyclus en milieuvriendelijkheid, hebben vanadium flowbatterijen (VFB's) de afgelopen jaren wereldwijd steeds meer aandacht gekregen. Onderzoek, ontwikkeling en technische toepassingen van VFB-energieopslagsystemen hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt, met snelle ontwikkeling, verbeterde technologie, dalende kosten en het betreden van de fase van industrialisatie en wijdverbreide toepassing, wat een enorm marktpotentieel biedt.

2. Technische kenmerken van vanadium-flowbatterijen

Technische voordelen

①Intrinsieke veiligheid en milieuvriendelijkheid

Vanadium flow batterij energieopslagsystemen zijn intrinsiek veilig en betrouwbaar in gebruik, met een milieuvriendelijke levenscyclus. De elektrolyt in vanadium flow batterijen bestaat uit een waterige oplossing van vanadiumionen in verdund zwavelzuur. Zolang de laad- en ontlaadafsnijspanning goed wordt geregeld en het batterijsysteem wordt opgeslagen in een goed geventileerde ruimte, is het inherent veilig zonder het risico op brand of explosie. De elektrolyt circuleert in een afgesloten ruimte en produceert doorgaans geen milieuverontreinigende stoffen tijdens gebruik, noch wordt het verontreinigd door externe onzuiverheden.

Bovendien gebruiken zowel de positieve als negatieve elektrolyten in de vanadium flow batterij vanadiumionen, wat onomkeerbare capaciteitsdegradatie door het mengen van de positieve en negatieve elektrolyten voorkomt. Na jaren van gebruik kan capaciteitsdegradatie veroorzaakt door kleine nevenreacties en de cumulatieve lichte menging van de positieve en negatieve elektrolyten worden geregenereerd en hergebruikt via online of offline regeneratie.

De stapel en het systeem bestaan ​​voornamelijk uit koolstofmaterialen, kunststoffen en metalen. Wanneer een vanadium-flowbatterijsysteem wordt ontmanteld, kunnen de metalen materialen worden gerecycled en kunnen koolstofmaterialen en kunststoffen worden gebruikt als brandstof. Daarom is de volledige levenscyclus van een vanadium-flowbatterijsysteem veilig, heeft het een minimale milieubelasting en is het zeer milieuvriendelijk.

②Onafhankelijk uitgangsvermogen en energiecapaciteit

Het uitgangsvermogen en de energiecapaciteit van energieopslagsystemen met vanadium-flowbatterijen zijn onafhankelijk van elkaar. Ze zijn flexibel in ontwerp en installatie, waardoor ze geschikt zijn voor grootschalige, hoge capaciteit en langdurige energieopslag.

Zoals weergegeven in Figuur 1, wordt het uitgangsvermogen van een vanadium-flowbatterijsysteem bepaald door de grootte en het aantal batterijstapels, terwijl de energiecapaciteit wordt bepaald door het volume van de elektrolyt. Om het uitgangsvermogen te vergroten, kan het elektrodeoppervlak van de batterijstapel worden vergroot of kan het aantal stapels worden vergroot. Om de energiecapaciteit te vergroten, kan het volume van de elektrolyt worden vergroot. Dit maakt vanadium-flowbatterijen bijzonder geschikt voor toepassingen die grootschalige, hoge capaciteit en langdurige energieopslag vereisen. Het uitgangsvermogen van vanadium-flowbatterijsystemen varieert doorgaans van honderden watt tot honderden megawatt, en de energiecapaciteit varieert van honderden kilowattuur tot honderden megawattuur.

③Hoge energieconversie-efficiëntie, snelle opstart, geen faseverandering

De energieomzettingsefficiëntie is hoog en de overgang tussen laad- en ontlaadtoestanden is snel. De vanadium-flowbatterij werkt bij kamertemperatuur, waarbij de elektrolytoplossing circuleert tussen de elektrolyttanks en de batterijstapel. Tijdens de laad- en ontlaadprocessen vinden energieopslag en -afgifte plaats door veranderingen in de valentietoestand van vanadiumionen die zijn opgelost in de waterige oplossing, zonder enige faseverandering.

De overgang tussen laad- en ontlaadtoestanden is dus snel, waarbij het energieopslagsysteem in megawatt-schaal energieopslag in staat is om te schakelen van 80% lading naar 80% ontlading in minder dan 100 milliseconden, voornamelijk bepaald door de transmissiesnelheid van regelsignalen. Hierdoor kunnen vanadium-flowbatterijen worden gebruikt voor amplitudemodulatie en frequentiemodulatie, integratie van hernieuwbare energienetwerken, ondersteunende diensten, piekafvlakking voor het elektriciteitsnet en noodback-up energieopslag.

④Modulair ontwerp vergemakkelijkt systeemintegratie en -schaling

De vanadium flow battery stack is samengesteld uit meerdere afzonderlijke cellen die op een filterpersmanier zijn gestapeld. Momenteel ligt het nominale uitgangsvermogen van een geïndustrialiseerde enkele celstapel doorgaans tussen de 30 en 80 kW. Het energieopslagsysteem bestaat doorgaans uit meerdere modulaire eenheden, elk met een nominaal uitgangsvermogen van ongeveer 500 kW. Vergeleken met andere batterijen hebben vanadium flow battery stacks en modules voor energieopslagsystemen een groot nominaal uitgangsvermogen, goede uniformiteit en zijn ze gemakkelijker te integreren en op te schalen.

2. Beperkingen van vanadium-flowbatterijen

①Systeemcomplexiteit

Het energieopslagsysteem bestaat uit meerdere subsystemen, wat het complex maakt.

②Energieondersteunende apparatuur

Om een ​​continue stabiele werking te garanderen, vereist het energieopslagsysteem extra apparatuur zoals elektrolytcirculatiepompen, elektronische regelapparaten, ventilatiesystemen en elektrolyttemperatuurregelsystemen, die op hun beurt van stroom moeten worden voorzien. Als gevolg hiervan zijn vanadiumstroombatterijsystemen over het algemeen niet geschikt voor kleinschalige energieopslagsystemen.

③Lagere energiedichtheid

Vanwege de beperkingen van de oplosbaarheid van vanadiumionen en andere factoren hebben vanadiumflowbatterijen een lagere energiedichtheid. Ze zijn meer geschikt voor vaste energieopslagstations waar volume en gewicht geen significante beperkingen zijn, maar zijn niet geschikt voor gebruik als mobiele energiebronnen of voor dynamische batterijen.

3. Levenscycluskostenanalyse van vanadium-flowbatterijen

Het onderstaande diagram illustreert de geschatte levenscycluskosten van energieopslagsystemen met vanadium-flowbatterijen met opslagduren van 4 uur en 10 uur.

① 1 MW/10 MWh Vanadium Flow Battery Energy Storage System Werkelijke kostenraming:

② 1 MW/10 MWh Vanadium Flow Battery Energy Storage System Werkelijke kostenraming:

Voor energieopslagsystemen met vanadium-flowbatterijen geldt daarom: hoe langer de energieopslagduur, hoe lager de totale levenscycluskosten.

4. Samenstelling van de industriële keten

De keten van de vanadium flow battery-industrie omvat upstream-materialen, batterijproductie, moduleontwerp en systeemintegratie. De belangrijkste vloeistofflowbatterij die momenteel wordt onderzocht, is de vanadium flow battery. De upstream-grondstoffen omvatten voornamelijkvanadiumpentoxide (V2O5)EnperfluorosulfonzuurmembranenDe midstream omvat het ontwerp en de productie van vanadium-flowbatterijopslagsystemen, die bestaan ​​uit componenten zoalsomvormers,slimme controllers,brandstofstapels,membranen,elektrolyt, EnopslagtanksDe meest kritische componenten hiervan zijn debrandstofstapelEnelektrolytDe downstream-toepassingen omvatten windenergieopwekking, fotovoltaïsche energieopwekking, netpiekafvlakking en meer.

Vanadiumerts en vanadiumverwerking

Vanadium is een lithofiel element, dat doorgaans in een verspreide toestand in ertsen wordt aangetroffen. De natuurlijke distributiekenmerken zijn grote reserves, wijdverspreide distributie en een laag gehalte.Vanadium-titanium magnetietis het meest voorkomende vanadiumhoudende erts. Dit mineraal wordt wereldwijd gevonden en is momenteel de belangrijkste bron van vanadium, goed voor meer dan85% van de wereldwijde jaarlijkse vanadiumproductie.