Vanadium Akış Pilleri Açıklandı Yenilenebilir Enerji Depolaması İçin Bir Oyun Değiştirici

Son zamanlarda, Horizon Power'ın Kununurra için vanadyum akışlı pil projesi internette trend oldu. Peki vanadyum akışlı pil projeleri neden giderek daha yaygın hale geliyor? Bunu anlamak için, vanadyum akışlı piller hakkında daha fazla bilgi edinerek başlamalıyız:

Vanadium Akışlı Pil: Enerji Depolamada Yeni Bir Dönem

Vanadyum Akışlı Pil (VFB), hem pozitif hem de negatif elektrotların enerji depolama ortamı olarak dolaşan vanadyum çözeltilerini kullandığı bir pil türüdür. Şarj ve deşarj süreci boyunca pil, elektrik enerjisi ile kimyasal enerji arasında dönüşüme olanak tanır ve böylece enerjiyi depolar ve serbest bırakır.

Vanadium Akışlı Pilin yapısı geleneksel lityum iyon pillerden ve kurşun-karbon pillerden farklıdır. Aşağıdaki temel bileşenlerden oluşur: bir yığın (veya ayrı hücre), pozitif elektrolit tankı (pozitif elektroliti depolar), negatif elektrolit tankı (negatif elektroliti depolar), sirkülasyon pompası ve bir yönetim sistemi. Yığın, her biri pozitif elektrot, negatif elektrot, ayırıcı ve bipolar plakaları içeren seri olarak bağlanmış birden fazla ayrı hücreden oluşur. Birden fazla vanadium akışlı pil yığını bir enerji depolama modülü oluşturur ve birden fazla modül bir araya gelerek eksiksiz bir enerji depolama sistemi veya istasyonu oluşturur.

Vanadyum Akışlı Pillerde Enerji Depolama Prensibi

Vanadyum iyonları dört farklı değerlik durumunda bulunur. Bir Vanadyum Akışlı Pilin pozitif ve negatif elektrolitlerindeki aktif enerji depolama malzemesi vanadyum iyonlarıdır. Şarj ve deşarj süreci, hem pozitif hem de negatif elektrolitlerdeki vanadyum iyonlarının değerlik durumlarındaki değişikliklere dayanır ve enerji depolama ve salınımı sağlar.

1. Şarj Sırasında:Pozitif elektrolitte, +4 değerlik durumundaki vanadyum iyonları +5 durumuna oksitlenir, bir elektron kaybeder ve iki hidrojen iyonu üretir. Negatif elektrolitte, +3 değerlik durumundaki vanadyum iyonları bir elektron kazanır ve +2 durumuna indirgenir, bir hidrojen iyonu tüketir.

2. Boşaltma Sırasında:Pozitif elektrolitte, +5 değerlik durumundaki vanadyum iyonları +4 durumuna indirgenir, bir elektron kazanır ve iki hidrojen iyonu tüketir. Negatif elektrolitte, +2 durumundaki vanadyum iyonları +3 durumuna oksitlenir ve bir hidrojen iyonu serbest bırakılır.

3. 
   

Yukarıdaki işlem, şarj sırasında hidrojen iyonlarının pozitif taraftan negatif tarafa göç ettiğini, deşarj sırasında ise işlemin tersine döndüğünü göstermektedir. Pilin içindeki elektrokimyasal reaksiyon, hidrojen iyonlarının göçü olarak ortaya çıkar ve bu da harici devrede bir elektrik akımı oluşturur.

Vanadyum Akış Pillerinin Elektrot Reaksiyonları:

• Pozitif Elektrot: ${\text{Seslendirme}}_2^{+}+{\text{H}}_2\text{THE}-{\mathrm{Ve}}^{-}\rightleftharpoons {\text{Seslendirme}}_2^{+}+2{\text{H}}^{+}$, ${\mathrm{VE}}_0=1.004V$

• Negatif Elektrot: ${\text{V}}^{3+}+{\mathrm{Ve}}^{-}\rightleftharpoons {\text{V}}^{2+}$, ${\mathrm{VE}}_0=-\mathrm{0,255}V$

• Genel Tepki: ${\text{Seslendirme}}_2^{+}+{\text{V}}^{3+}+{\text{H}}_2\text{THE}\rightleftharpoons {\text{Seslendirme}}_2^{+}+{\text{V}}^{2+}+2{\text{H}}^{+}$, ${\mathrm{VE}}_0=1.259V$

Yüksek güvenliği, büyük ölçekli enerji depolama kapasitesi, uzun şarj ve deşarj döngüsü ömrü, geri dönüştürülebilir elektrolit, yaşam döngüsü boyunca maliyet etkinliği ve çevre dostu olması nedeniyle vanadyum akışlı piller (VFB'ler) son yıllarda giderek daha fazla küresel ilgi görmektedir. VFB enerji depolama sistemlerinin araştırma, geliştirme ve mühendislik uygulamaları önemli ilerlemeler kaydetmiş, hızlı gelişme, gelişen teknoloji, azalan maliyetler ve endüstrileşme ve yaygın uygulama aşamasına girerek muazzam bir pazar potansiyeli sunmuştur.

2. Vanadium Akış Pillerinin Teknik Özellikleri

Teknik Avantajlar

①İçsel Güvenlik ve Çevre Dostluğu

Vanadyum akışlı pil enerji depolama sistemleri, çevre dostu bir yaşam döngüsüne sahip, işletimde özünde güvenli ve güvenilirdir. Vanadyum akışlı pillerdeki elektrolit, seyreltik sülfürik asitte vanadyum iyonlarının sulu bir çözeltisinden oluşur. Şarj ve deşarj kesme voltajı düzgün bir şekilde kontrol edildiği ve pil sistemi iyi havalandırılmış bir alanda saklandığı sürece, yangın veya patlama riski olmadan özünde güvenlidir. Elektrolit, kapalı bir alanda dolaştırılır ve kullanım sırasında genellikle çevre kirleticileri üretmez veya harici kirliliklerle kirlenmez.

Ek olarak, vanadyum akışlı bataryadaki hem pozitif hem de negatif elektrolitler, pozitif ve negatif elektrolitlerin karışmasından kaynaklanan geri döndürülemez kapasite düşüşünü önleyen vanadyum iyonları kullanır. Yıllar süren çalışma boyunca, küçük yan reaksiyonlar ve pozitif ve negatif elektrolitlerin kümülatif hafif karışımı nedeniyle oluşan kapasite düşüşü, çevrimiçi veya çevrimdışı rejenerasyon yoluyla yenilenebilir ve yeniden kullanılabilir.

Yığın ve sistem esas olarak karbon malzemeler, plastikler ve metallerden oluşur. Bir vanadyum akışlı pil sistemi devre dışı bırakıldığında, metal malzemeler geri dönüştürülebilir ve karbon malzemeler ve plastikler yakıt olarak kullanılabilir. Bu nedenle, bir vanadyum akışlı pil sisteminin tüm yaşam döngüsü güvenlidir, minimum çevresel yüke sahiptir ve çok çevre dostudur.

②Bağımsız Çıkış Gücü ve Enerji Kapasitesi

Vanadyum akışlı batarya enerji depolama sistemlerinin çıkış gücü ve enerji kapasitesi birbirinden bağımsızdır, esnek tasarım ve kuruluma sahiptir, bu da onları büyük ölçekli, yüksek kapasiteli ve uzun süreli enerji depolama için uygun hale getirir.

Şekil 1'de gösterildiği gibi, vanadyum akışlı pil sisteminin çıkış gücü, pil yığınlarının boyutu ve sayısıyla belirlenirken, enerji kapasitesi elektrolit hacmiyle belirlenir. Çıkış gücünü artırmak için, pil yığınının elektrot alanı artırılabilir veya yığın sayısı artırılabilir. Enerji kapasitesini artırmak için, elektrolit hacmi artırılabilir. Bu, vanadyum akışlı pilleri, büyük ölçekli, yüksek kapasiteli, uzun süreli enerji depolama gerektiren uygulamalar için özellikle uygun hale getirir. Vanadyum akışlı pil sistemlerinin çıkış gücü genellikle yüzlerce watt ile yüzlerce megawatt arasında değişir ve enerji kapasitesi yüzlerce kilowatt-saat ile yüzlerce megawatt-saat arasında değişir.

③Yüksek Enerji Dönüşüm Verimliliği, Hızlı Başlatma, Faz Değişimi Yok

Enerji dönüşüm verimliliği yüksektir ve şarj ve deşarj durumları arasındaki geçiş hızlıdır. Vanadyum akışlı batarya, elektrolit çözeltisinin elektrolit tankları ve batarya yığını arasında dolaşmasıyla oda sıcaklığında çalışır. Şarj ve deşarj süreçleri sırasında, enerji depolama ve salınımı, herhangi bir faz değişimi olmaksızın sulu çözeltide çözünmüş vanadyum iyonlarının değerlik durumundaki değişiklikler yoluyla gerçekleşir.

Böylece, şarj ve deşarj durumları arasındaki geçiş hızlıdır ve megavat ölçekli enerji depolamasındaki enerji depolama sistemi, öncelikle kontrol sinyallerinin iletim hızı tarafından belirlenen 100 milisaniyeden daha kısa sürede %80 şarjdan %80 deşarja geçebilmektedir. Bu, vanadyum akışlı pillerin genlik modülasyonu ve frekans modülasyonu, yenilenebilir enerji şebekesi entegrasyonu, yardımcı hizmetler, elektrik şebekesi için tepe tıraşlama ve acil durum yedek enerji depolaması için kullanılmasına olanak tanır.

④Modüler Tasarım Sistem Entegrasyonunu ve Ölçeklendirmeyi Kolaylaştırır

Vanadyum akışlı pil yığını, filtre presleme yöntemiyle istiflenmiş birden fazla tek hücreden oluşur. Şu anda, endüstriyel tek hücre yığınının nominal çıkış gücü genellikle 30 ila 80 kW arasındadır. Enerji depolama sistemi genellikle her biri yaklaşık 500 kW nominal çıkış gücüne sahip birden fazla modüler üniteden oluşur. Diğer pillerle karşılaştırıldığında, vanadyum akışlı pil yığınları ve enerji depolama sistemi modülleri büyük nominal çıkış gücüne, iyi bir tekdüzeliğe sahiptir ve entegre edilmesi ve ölçeklendirilmesi daha kolaydır.

2. Vanadium Akışlı Pillerin Sınırlamaları

①Sistem Karmaşıklığı

Enerji depolama sistemi, çok sayıda alt sistemden oluştuğu için karmaşık bir yapıya sahiptir.

②Enerji Destek Ekipmanları

Sürekli kararlı bir çalışma sağlamak için enerji depolama sistemi, elektrolit sirkülasyon pompaları, elektronik kontrol cihazları, havalandırma sistemleri ve elektrolit sıcaklık kontrol sistemleri gibi ek ekipmanlara ihtiyaç duyar ve bu da güçlendirilmesi gerekir. Sonuç olarak, vanadyum akışlı pil sistemleri genellikle küçük ölçekli enerji depolama sistemleri için uygun değildir.

③Düşük Enerji Yoğunluğu

Vanadyum iyon çözünürlüğünün ve diğer faktörlerin sınırlamaları nedeniyle, vanadyum akış pilleri daha düşük enerji yoğunluğuna sahiptir. Hacim ve ağırlığın önemli kısıtlamalar olmadığı sabit enerji depolama istasyonları için daha uygundurlar ancak mobil güç kaynakları veya dinamik piller için kullanılmaya uygun değildirler.

3. Vanadyum Akış Pillerinin Yaşam Döngüsü Maliyet Analizi

Aşağıdaki diyagram, 4 saatlik ve 10 saatlik depolama sürelerine sahip vanadyum akışlı pil enerji depolama sistemlerinin tahmini yaşam döngüsü maliyetlerini göstermektedir.

① 1 MW/10 MWh Vanadyum Akışlı Pil Enerji Depolama Sistemi Gerçek Maliyet Tahmini:

② 1 MW/10 MWh Vanadyum Akışlı Pil Enerji Depolama Sistemi Gerçek Maliyet Tahmini:

Bu nedenle vanadyum akışlı batarya enerji depolama sistemlerinde enerji depolama süresi ne kadar uzun olursa, genel yaşam döngüsü maliyeti de o kadar düşük olur.

4. Endüstri Zinciri Kompozisyonu

Vanadyum akışlı pil endüstrisi zinciri, yukarı akış malzemeleri, pil üretimi, modül tasarımı ve sistem entegrasyonunu içerir. Şu anda araştırılan ana akım sıvı akışlı pil, vanadyum akışlı pildir. Yukarı akışlı ham maddeleri öncelikle şunları içerir:vanadyum pentoksit (V2O5)Veperflorosülfonik asit membranlarOrta akış, bileşenlerden oluşan vanadyum akışlı pil depolama sistemlerinin tasarımını ve üretimini içerir.invertörler,akıllı kontrolörler,yakıt yığınları,zarlar,elektrolit, Vedepolama tanklarıBunlar arasında en kritik bileşenler şunlardır:yakıt yığınıVeelektrolitAşağı akış uygulamaları arasında rüzgar enerjisi üretimi, fotovoltaik enerji üretimi, şebeke tepe noktasının azaltılması ve daha fazlası yer almaktadır.

Vanadyum cevheri ve vanadyum işleme

Vanadyum, tipik olarak cevherlerde dağılmış halde bulunan bir litofil elementtir. Doğal dağılım özellikleri büyük rezervler, yaygın dağılım ve düşük içeriktir.Vanadyum-titanyum manyetiten yaygın vanadyum içeren cevherdir. Bu mineral küresel olarak bulunur ve şu anda vanadyumun birincil kaynağıdır veKüresel yıllık vanadyum üretiminin %85'i.