Batterie al flusso di vanadio spiegate: una svolta per l'accumulo di energia rinnovabile

Di recente, il progetto di batteria a flusso di vanadio di Horizon Power per Kununurra è stato di tendenza su Internet. Ma perché i progetti di batterie a flusso di vanadio stanno diventando sempre più diffusi? Per capirlo, dovremmo iniziare a saperne di più sulle batterie a flusso di vanadio:

Batteria al flusso di vanadio: una nuova era nell'accumulo di energia

Una batteria a flusso di vanadio (VFB) è un tipo di batteria in cui sia gli elettrodi positivi che quelli negativi utilizzano soluzioni di vanadio circolanti come mezzo di accumulo di energia. Attraverso il processo di carica e scarica, la batteria consente la conversione tra energia elettrica ed energia chimica, immagazzinando e rilasciando così energia.

La struttura di una batteria al flusso di vanadio è diversa dalle batterie agli ioni di litio convenzionali e dalle batterie al piombo-carbone. È composta dai seguenti componenti chiave: uno stack (o cella individuale), un serbatoio dell'elettrolita positivo (che immagazzina l'elettrolita positivo), un serbatoio dell'elettrolita negativo (che immagazzina l'elettrolita negativo), una pompa di circolazione e un sistema di gestione. Lo stack è costituito da più celle individuali collegate in serie, ciascuna comprendente l'elettrodo positivo, l'elettrodo negativo, il separatore e le piastre bipolari. Più stack di batterie al flusso di vanadio formano un modulo di accumulo di energia e più moduli insieme costituiscono un sistema o una stazione di accumulo di energia completo.

Principio di accumulo di energia nelle batterie al flusso di vanadio

Gli ioni di vanadio esistono in quattro diversi stati di valenza. Il materiale di accumulo di energia attiva negli elettroliti positivi e negativi di una batteria a flusso di vanadio è costituito da ioni di vanadio. Il processo di carica e scarica si basa sui cambiamenti negli stati di valenza degli ioni di vanadio sia negli elettroliti positivi che in quelli negativi, ottenendo l'accumulo e il rilascio di energia.

1. Durante la ricarica:Nell'elettrolita positivo, gli ioni vanadio nello stato di valenza +4 vengono ossidati allo stato +5, perdendo un elettrone e generando due ioni idrogeno. Nell'elettrolita negativo, gli ioni vanadio nello stato di valenza +3 ​​guadagnano un elettrone e vengono ridotti allo stato +2, consumando uno ione idrogeno.

2. Durante lo scarico:Nell'elettrolita positivo, gli ioni vanadio nello stato di valenza +5 vengono ridotti allo stato +4, guadagnando un elettrone e consumando due ioni idrogeno. Nell'elettrolita negativo, gli ioni vanadio nello stato +2 vengono ossidati allo stato +3, rilasciando uno ione idrogeno.

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Il processo sopra descritto mostra che durante la carica, gli ioni di idrogeno migrano dal lato positivo a quello negativo, mentre durante la scarica, il processo è invertito. La reazione elettrochimica all'interno della batteria si manifesta come migrazione di ioni di idrogeno, che genera una corrente elettrica nel circuito esterno.

Reazioni degli elettrodi delle batterie al flusso di vanadio:

• Elettrodo positivo: ${\text{VO}}_2^{+}+{\text{H}}_2\text{IL}-E^{-}\rightleftharpoons {\text{VO}}_2^{+}+2{\text{H}}^{+}$, $E_0=1.004V$

• Elettrodo negativo: ${\text{V}}^{3+}+E^{-}\rightleftharpoons {\text{V}}^{2+}$, $E_0=-\mathrm{0,255}V$

• Reazione generale: ${\text{VO}}_2^{+}+{\text{V}}^{3+}+{\text{H}}_2\text{IL}\rightleftharpoons {\text{VO}}_2^{+}+{\text{V}}^{2+}+2{\text{H}}^{+}$, $E_0=1.259V$

Grazie alla sua elevata sicurezza, alla capacità di accumulo di energia su larga scala, al lungo ciclo di carica e scarica, all'elettrolita riciclabile, alla convenienza per tutto il ciclo di vita e al rispetto dell'ambiente, le batterie al flusso di vanadio (VFB) hanno guadagnato sempre più attenzione a livello mondiale negli ultimi anni. La ricerca, lo sviluppo e le applicazioni ingegneristiche dei sistemi di accumulo di energia VFB hanno fatto notevoli progressi, con un rapido sviluppo, un miglioramento della tecnologia, una riduzione dei costi e l'ingresso nella fase di industrializzazione e applicazione diffusa, presentando un enorme potenziale di mercato.

2. Caratteristiche tecniche delle batterie al flusso di vanadio

Vantaggi tecnici

①Sicurezza intrinseca e rispetto dell'ambiente

I sistemi di accumulo di energia con batteria al flusso di vanadio sono intrinsecamente sicuri e affidabili nel funzionamento, con un ciclo di vita ecologico. L'elettrolita nelle batterie al flusso di vanadio è costituito da una soluzione acquosa di ioni di vanadio in acido solforico diluito. Finché la tensione di interruzione di carica e scarica è controllata correttamente e il sistema di batterie è conservato in uno spazio ben ventilato, è intrinsecamente sicuro senza il rischio di incendio o esplosione. L'elettrolita viene fatto circolare all'interno di uno spazio sigillato e in genere non produce inquinanti ambientali durante l'uso, né è contaminato da impurità esterne.

Inoltre, sia gli elettroliti positivi che quelli negativi nella batteria a flusso di vanadio utilizzano ioni di vanadio, che impediscono la degradazione irreversibile della capacità dovuta alla miscelazione degli elettroliti positivi e negativi. Nel corso di anni di funzionamento, la degradazione della capacità causata da piccole reazioni collaterali e dalla leggera miscelazione cumulativa degli elettroliti positivi e negativi può essere rigenerata e riutilizzata tramite rigenerazione online o offline.

La pila e il sistema sono composti principalmente da materiali in carbonio, plastica e metalli. Quando un sistema di batterie a flusso di vanadio viene dismesso, i materiali metallici possono essere riciclati e i materiali in carbonio e la plastica possono essere utilizzati come combustibile. Pertanto, l'intero ciclo di vita di un sistema di batterie a flusso di vanadio è sicuro, ha un carico ambientale minimo ed è molto ecologico.

②Potenza di uscita indipendente e capacità energetica

La potenza di uscita e la capacità energetica dei sistemi di accumulo di energia con batterie a flusso di vanadio sono indipendenti l'una dall'altra e presentano una progettazione e un'installazione flessibili, il che li rende adatti per l'accumulo di energia su larga scala, ad alta capacità e di lunga durata.

Come mostrato nella Figura 1, la potenza di uscita di un sistema di batterie a flusso di vanadio è determinata dalle dimensioni e dal numero di pile di batterie, mentre la capacità energetica è determinata dal volume dell'elettrolita. Per aumentare la potenza di uscita, è possibile aumentare l'area dell'elettrodo della pila di batterie o il numero di pile. Per aumentare la capacità energetica, è possibile aumentare il volume dell'elettrolita. Ciò rende le batterie a flusso di vanadio particolarmente adatte per applicazioni che richiedono un accumulo di energia su larga scala, ad alta capacità e di lunga durata. La potenza di uscita dei sistemi di batterie a flusso di vanadio varia in genere da centinaia di watt a centinaia di megawatt e la capacità energetica varia da centinaia di kilowattora a centinaia di megawattora.

③Elevata efficienza di conversione energetica, avvio rapido, nessun cambio di fase

L'efficienza di conversione energetica è elevata e la transizione tra gli stati di carica e scarica è rapida. La batteria a flusso di vanadio funziona a temperatura ambiente, con la soluzione elettrolitica che circola tra i serbatoi dell'elettrolita e la pila della batteria. Durante i processi di carica e scarica, l'accumulo e il rilascio di energia avvengono attraverso i cambiamenti nello stato di valenza degli ioni di vanadio disciolti nella soluzione acquosa, senza alcun cambiamento di fase.

Pertanto, la transizione tra gli stati di carica e scarica è rapida, con il sistema di accumulo di energia in un accumulo di energia su scala di megawatt in grado di passare dall'80% di carica all'80% di scarica in meno di 100 millisecondi, determinato principalmente dalla velocità di trasmissione dei segnali di controllo. Ciò consente di utilizzare le batterie a flusso di vanadio per la modulazione di ampiezza e la modulazione di frequenza, l'integrazione della rete di energia rinnovabile, i servizi ausiliari, il peak shaving per la rete elettrica e l'accumulo di energia di backup di emergenza.

④Il design modulare facilita l'integrazione e la scalabilità del sistema

Lo stack di batterie a flusso di vanadio è assemblato da più celle singole impilate in un modo filtro-pressa. Attualmente, la potenza di uscita nominale di uno stack di celle singole industrializzato è generalmente compresa tra 30 e 80 kW. Il sistema di accumulo di energia è in genere costituito da più unità modulari, ciascuna con una potenza di uscita nominale di circa 500 kW. Rispetto ad altre batterie, gli stack di batterie a flusso di vanadio e i moduli del sistema di accumulo di energia hanno una grande potenza di uscita nominale, una buona uniformità e sono più facili da integrare e aumentare.

2. Limitazioni delle batterie al flusso di vanadio

①Complessità del sistema

Il sistema di accumulo dell'energia è composto da più sottosistemi, il che lo rende complesso.

②Attrezzatura di supporto energetico

Per garantire un funzionamento stabile e continuo, il sistema di accumulo di energia richiede apparecchiature aggiuntive come pompe di circolazione dell'elettrolita, dispositivi di controllo elettronici, sistemi di ventilazione e sistemi di controllo della temperatura dell'elettrolita, che a loro volta devono essere alimentati. Di conseguenza, i sistemi di batterie a flusso di vanadio non sono generalmente adatti per sistemi di accumulo di energia su piccola scala.

③Densità energetica inferiore

A causa delle limitazioni della solubilità degli ioni di vanadio e di altri fattori, le batterie a flusso di vanadio hanno una densità energetica inferiore. Sono più adatte per stazioni di accumulo di energia fisse in cui volume e peso non sono vincoli significativi, ma non sono adatte per l'uso come fonti di energia mobili o per batterie dinamiche.

3. Analisi del costo del ciclo di vita delle batterie al flusso di vanadio

Il diagramma seguente illustra i costi stimati del ciclo di vita dei sistemi di accumulo di energia con batterie al flusso di vanadio con durate di accumulo di 4 e 10 ore.

① Stima del costo effettivo del sistema di accumulo di energia con batteria al flusso di vanadio da 1 MW/10 MWh:

② Stima del costo effettivo del sistema di accumulo di energia con batteria a flusso di vanadio da 1 MW/10 MWh:

Pertanto, per i sistemi di accumulo di energia con batterie al flusso di vanadio, maggiore è la durata dell'accumulo di energia, minore è il costo complessivo del ciclo di vita.

4. Composizione della filiera industriale

La filiera industriale delle batterie a flusso al vanadio include materiali upstream, produzione di batterie, progettazione di moduli e integrazione di sistema. La batteria a flusso liquido mainstream attualmente oggetto di ricerca è la batteria a flusso al vanadio. Le sue materie prime upstream includono principalmentepentossido di vanadio (V2O5)Emembrane di acido perfluorosolfonico. Il midstream riguarda la progettazione e la produzione di sistemi di accumulo di batterie al flusso di vanadio, che consistono in componenti qualiinverter,controllori intelligenti,ciminiere di carburante,membrane,elettrolita, Eserbatoi di stoccaggioTra questi, i componenti più critici sono ipila di carburanteEelettrolitaLe applicazioni downstream includono la generazione di energia eolica, la generazione di energia fotovoltaica, il peak-shaving della rete e altro ancora.

Minerale di vanadio e lavorazione del vanadio

Il vanadio è un elemento litofilo, solitamente presente in uno stato disperso nei minerali. Le sue caratteristiche di distribuzione naturale sono grandi riserve, distribuzione diffusa e basso contenuto.Magnetite al vanadio-titanioè il minerale contenente vanadio più comune. Questo minerale si trova in tutto il mondo ed è attualmente la fonte primaria di vanadio, rappresentando oltre85% della produzione annuale mondiale di vanadio.