Bateri Aliran Vanadium Menjelaskan Penukar Permainan untuk Penyimpanan Tenaga Boleh Diperbaharui

Baru-baru ini, projek bateri aliran vanadium Horizon Power untuk Kununurra telah menjadi sohor kini di seluruh internet. Tetapi mengapa projek bateri aliran vanadium semakin berleluasa? Untuk memahami perkara ini, kita harus bermula dengan mempelajari lebih lanjut mengenai bateri aliran vanadium：

Bateri Aliran Vanadium: Era Baharu dalam Penyimpanan Tenaga

Bateri Aliran Vanadium (VFB) ialah sejenis bateri di mana kedua-dua elektrod positif dan negatif menggunakan larutan vanadium yang beredar sebagai medium penyimpanan tenaga. Melalui proses pengecasan dan nyahcas, bateri membolehkan penukaran antara tenaga elektrik dan tenaga kimia, dengan itu menyimpan dan membebaskan tenaga.

Struktur Bateri Aliran Vanadium berbeza daripada bateri lithium-ion konvensional dan bateri plumbum-karbon. Ia terdiri daripada komponen utama berikut: timbunan (atau sel individu), tangki elektrolit positif (menyimpan elektrolit positif), tangki elektrolit negatif (menyimpan elektrolit negatif), pam edaran dan sistem pengurusan. Timbunan terdiri daripada berbilang sel individu yang disambungkan secara bersiri, setiap satu termasuk elektrod positif, elektrod negatif, pemisah dan plat bipolar. Timbunan bateri aliran vanadium berbilang membentuk modul storan tenaga, dan berbilang modul bersama-sama membentuk sistem atau stesen storan tenaga yang lengkap.

Prinsip Penyimpanan Tenaga dalam Bateri Aliran Vanadium

Ion vanadium wujud dalam empat keadaan valens yang berbeza. Bahan simpanan tenaga aktif dalam elektrolit positif dan negatif Bateri Aliran Vanadium ialah ion vanadium. Proses pengecasan dan nyahcas adalah berdasarkan perubahan dalam keadaan valens ion vanadium dalam kedua-dua elektrolit positif dan negatif, mencapai penyimpanan dan pelepasan tenaga.

1. Semasa Mengecas:Dalam elektrolit positif, ion vanadium dalam keadaan valensi +4 dioksidakan kepada keadaan +5, kehilangan elektron dan menghasilkan dua ion hidrogen. Dalam elektrolit negatif, ion vanadium dalam keadaan valens +3 mendapat elektron dan dikurangkan kepada keadaan +2, memakan satu ion hidrogen.

2. Semasa Menyahcas:Dalam elektrolit positif, ion vanadium dalam keadaan valens +5 dikurangkan kepada keadaan +4, memperoleh elektron dan memakan dua ion hidrogen. Dalam elektrolit negatif, ion vanadium dalam keadaan +2 dioksidakan kepada keadaan +3, membebaskan satu ion hidrogen.

3. 
   

Proses di atas menunjukkan bahawa semasa pengecasan, ion hidrogen berhijrah dari sisi positif ke sisi negatif, manakala semasa nyahcas, prosesnya diterbalikkan. Tindak balas elektrokimia di dalam bateri menjelma sebagai penghijrahan ion hidrogen, yang menghasilkan arus elektrik dalam litar luaran.

Tindak balas Elektrod Bateri Aliran Vanadium:

• Elektrod Positif: ${\text{VO}}_2^{+}+{\text{H}}_2\text{THE}-{\mathrm{dan}}^{-}\rightleftharpoons {\text{VO}}_2^{+}+2{\text{H}}^{+}$, ${\mathrm{DAN}}_0=1.004V$

• Elektrod Negatif: ${\text{V}}^{3+}+{\mathrm{dan}}^{-}\rightleftharpoons {\text{V}}^{2+}$, ${\mathrm{DAN}}_0=-0.255V$

• Reaksi Keseluruhan: ${\text{VO}}_2^{+}+{\text{V}}^{3+}+{\text{H}}_2\text{THE}\rightleftharpoons {\text{VO}}_2^{+}+{\text{V}}^{2+}+2{\text{H}}^{+}$, ${\mathrm{DAN}}_0=1.259V$

Oleh kerana keselamatannya yang tinggi, kapasiti penyimpanan tenaga berskala besar, hayat kitaran cas dan nyahcas yang panjang, elektrolit boleh dikitar semula, keberkesanan kos sepanjang kitaran hayatnya, dan kemesraan alam sekitar, bateri aliran vanadium (VFB) telah mendapat perhatian global yang semakin meningkat dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Penyelidikan, pembangunan dan aplikasi kejuruteraan sistem storan tenaga VFB telah mencapai kemajuan yang ketara, dengan pembangunan pesat, peningkatan teknologi, pengurangan kos, dan memasuki peringkat perindustrian dan aplikasi meluas, membentangkan potensi pasaran yang sangat besar.

2. Ciri-ciri Teknikal Bateri Aliran Vanadium

Kelebihan Teknikal

①Keselamatan Intrinsik dan Mesra Alam Sekitar

Sistem penyimpanan tenaga bateri aliran Vanadium secara intrinsik selamat dan boleh dipercayai dalam operasi, dengan kitaran hayat mesra alam. Elektrolit dalam bateri aliran vanadium terdiri daripada larutan akueus ion vanadium dalam asid sulfurik cair. Selagi voltan pemotongan cas dan nyahcas dikawal dengan betul dan sistem bateri disimpan dalam ruang pengudaraan yang baik, ia sememangnya selamat tanpa risiko kebakaran atau letupan. Elektrolit diedarkan dalam ruang tertutup dan biasanya tidak menghasilkan bahan pencemar alam sekitar semasa penggunaan, dan juga tidak dicemari oleh kekotoran luaran.

Selain itu, kedua-dua elektrolit positif dan negatif dalam bateri aliran vanadium menggunakan ion vanadium, yang menghalang kemerosotan kapasiti tidak dapat dipulihkan daripada percampuran elektrolit positif dan negatif. Selama bertahun-tahun beroperasi, kemerosotan kapasiti yang disebabkan oleh tindak balas sampingan kecil dan sedikit pencampuran terkumpul elektrolit positif dan negatif boleh dijana semula dan digunakan semula melalui penjanaan semula dalam talian atau luar talian.

Tindanan dan sistem terutamanya terdiri daripada bahan karbon, plastik dan logam. Apabila sistem bateri aliran vanadium dinyahaktifkan, bahan logam boleh dikitar semula, dan bahan karbon dan plastik boleh digunakan sebagai bahan api. Oleh itu, keseluruhan kitaran hayat sistem bateri aliran vanadium adalah selamat, mempunyai beban alam sekitar yang minimum, dan sangat mesra alam.

②Kuasa Keluaran Bebas dan Kapasiti Tenaga

Kuasa keluaran dan kapasiti tenaga sistem storan tenaga bateri aliran vanadium adalah bebas antara satu sama lain, dengan reka bentuk dan pemasangan yang fleksibel, menjadikannya sesuai untuk penyimpanan tenaga berskala besar, berkapasiti tinggi dan jangka panjang.

Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1, kuasa keluaran sistem bateri aliran vanadium ditentukan oleh saiz dan bilangan tindanan bateri, manakala kapasiti tenaga ditentukan oleh isipadu elektrolit. Untuk meningkatkan kuasa keluaran, kawasan elektrod tindanan bateri boleh ditambah atau bilangan tindanan boleh ditambah. Untuk meningkatkan kapasiti tenaga, isipadu elektrolit boleh ditingkatkan. Ini menjadikan bateri aliran vanadium amat sesuai untuk aplikasi yang memerlukan storan tenaga berskala besar, berkapasiti tinggi, dan berjangka panjang. Kuasa keluaran sistem bateri aliran vanadium biasanya berjulat dari ratusan watt hingga ratusan megawatt, dan kapasiti tenaga berjulat dari ratusan kilowatt-jam hingga ratusan megawatt-jam.

③Kecekapan Penukaran Tenaga Tinggi, Permulaan Pantas, Tiada Perubahan Fasa

Kecekapan penukaran tenaga adalah tinggi, dan peralihan antara keadaan cas dan nyahcas adalah pantas. Bateri aliran vanadium beroperasi pada suhu bilik, dengan larutan elektrolit beredar di antara tangki elektrolit dan timbunan bateri. Semasa proses cas dan nyahcas, penyimpanan dan pelepasan tenaga berlaku melalui perubahan dalam keadaan valens ion vanadium yang dilarutkan dalam larutan akueus, tanpa sebarang perubahan fasa.

Oleh itu, peralihan antara keadaan cas dan nyahcas adalah pantas, dengan sistem storan tenaga dalam storan tenaga berskala megawatt mampu bertukar daripada 80% cas kepada 80% nyahcas dalam masa kurang daripada 100 milisaat, terutamanya ditentukan oleh kelajuan penghantaran isyarat kawalan. Ini membolehkan bateri aliran vanadium digunakan untuk modulasi amplitud dan modulasi frekuensi, penyepaduan grid tenaga boleh diperbaharui, perkhidmatan sampingan, pencukuran puncak untuk grid kuasa dan simpanan tenaga sandaran kecemasan.

④Reka Bentuk Modular Memudahkan Integrasi dan Penskalaan Sistem

Tindanan bateri aliran vanadium dipasang daripada berbilang sel tunggal yang disusun dengan cara penekan penapis. Pada masa ini, kuasa keluaran terkadar bagi timbunan sel tunggal perindustrian biasanya antara 30 dan 80 kW. Sistem storan tenaga lazimnya terdiri daripada berbilang unit modular, setiap satu dengan kuasa keluaran berkadar sekitar 500 kW. Berbanding dengan bateri lain, susunan bateri aliran vanadium dan modul sistem storan tenaga mempunyai kuasa keluaran berkadar besar, keseragaman yang baik, dan lebih mudah untuk disepadukan dan ditingkatkan.

2. Had Bateri Aliran Vanadium

①Kerumitan Sistem

Sistem storan tenaga terdiri daripada berbilang subsistem, menjadikannya kompleks.

②Peralatan Sokongan Tenaga

Untuk memastikan operasi stabil yang berterusan, sistem penyimpanan tenaga memerlukan peralatan tambahan seperti pam edaran elektrolit, peranti kawalan elektronik, sistem pengudaraan dan sistem kawalan suhu elektrolit, yang seterusnya perlu dikuasakan. Akibatnya, sistem bateri aliran vanadium biasanya tidak sesuai untuk sistem penyimpanan tenaga berskala kecil.

③Ketumpatan Tenaga Rendah

Disebabkan oleh had keterlarutan ion vanadium dan faktor lain, bateri aliran vanadium mempunyai ketumpatan tenaga yang lebih rendah. Ia lebih sesuai untuk stesen simpanan tenaga tetap di mana volum dan berat bukanlah kekangan yang ketara tetapi tidak sesuai untuk digunakan sebagai sumber kuasa mudah alih atau untuk bateri dinamik.

3. Analisis Kos Kitaran Hayat Bateri Aliran Vanadium

Rajah berikut menggambarkan anggaran kos kitaran hayat sistem penyimpanan tenaga bateri aliran vanadium dengan tempoh penyimpanan 4 jam dan 10 jam.

① Sistem Penyimpanan Tenaga Bateri Aliran Vanadium 1 MW/10 MWj Anggaran Kos Sebenar:

② Sistem Penyimpanan Tenaga Bateri Aliran Vanadium 1 MW/10 MWj Anggaran Kos Sebenar:

Oleh itu, untuk sistem penyimpanan tenaga bateri aliran vanadium, semakin lama tempoh penyimpanan tenaga, semakin rendah kos kitaran hayat keseluruhan.

4. Komposisi Rantaian Industri

Rantaian industri bateri aliran vanadium termasuk bahan huluan, pembuatan bateri, reka bentuk modul dan penyepaduan sistem. Bateri aliran cecair arus perdana yang sedang dikaji ialah bateri aliran vanadium. Bahan mentah huluannya terutamanya termasukvanadium pentoksida (V2O5)danmembran asid perfluorosulfonik. Midstream melibatkan reka bentuk dan pembuatan sistem penyimpanan bateri aliran vanadium, yang terdiri daripada komponen sepertipenyongsang,pengawal pintar,timbunan bahan api,selaput,elektrolit, dantangki simpanan. Antaranya, komponen yang paling kritikal ialahtimbunan bahan apidanelektrolit. Aplikasi hiliran termasuk penjanaan kuasa angin, penjanaan kuasa fotovoltaik, pencukuran puncak grid dan banyak lagi.

Pemprosesan Bijih Vanadium dan Vanadium

Vanadium ialah unsur litofil, biasanya ditemui dalam keadaan tersebar dalam bijih. Ciri pengedaran semulajadinya ialah rizab yang besar, pengedaran meluas, dan kandungan yang rendah.Vanadium-titanium magnetitadalah bijih yang mengandungi vanadium yang paling biasa. Mineral ini ditemui di seluruh dunia dan kini merupakan sumber utama vanadium, menyumbang lebih85% daripada pengeluaran vanadium tahunan global.