Akumulator redoks wanadowy - Vanadium redox battery

Schematyczny projekt układu akumulatora przepływowego redox wanadu

Kontenerowy akumulator przepływowy wanadowy o mocy 1 MW 4 MWh należący do Avista Utilities i wyprodukowany przez UniEnergy Technologies

Przepływowa bateria wanadu redox zlokalizowana na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii w Sydney, Australia

Akumulatora redoks wanadu (VRB), znany również jako akumulator przepływu wanadu (OSP) lub wanadu akumulator przepływu redoks (VRFB) jest typu naładowania baterii przepływu , który wykorzystuje wanadu jonów w różnych stopniach utlenienia do przechowywania chemiczną energię potencjalną. Bateria redoks wanadu wykorzystuje zdolność wanadu do istnienia w roztworze na czterech różnych stopniach utlenienia i wykorzystuje tę właściwość do stworzenia baterii, która ma tylko jeden pierwiastek elektroaktywny zamiast dwóch. Z kilku powodów, w tym ich względnej objętości, większość baterii wanadowych jest obecnie wykorzystywana do magazynowania energii w sieci , tj. do przyłączania do elektrowni lub sieci elektrycznych.

Możliwość stworzenia baterii przepływowej wanadu była badana przez Pissoorta w latach 30. XX wieku, naukowców z NASA w latach 70. oraz Pellegri i Spaziante w latach 70., ale żadnemu z nich nie udało się zademonstrować tej technologii. Pierwszą udaną demonstrację całkowicie wanadowego akumulatora przepływowego redoks, w którym zastosowano wanad w roztworze kwasu siarkowego w każdej połowie, przeprowadziła Maria Skyllas-Kazacos z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii w latach 80. XX wieku. Jej projekt wykorzystywał elektrolity kwasu siarkowego i został opatentowany przez University of New South Wales w Australii w 1986 roku.

W finansowanie i rozwój akumulatorów wanadowo-redoks zaangażowanych jest wiele firm i organizacji.

Zalety w stosunku do innych typów baterii

Głównymi zaletami akumulatora redoks wanadu jest to, że może on zaoferować prawie nieograniczoną pojemność energetyczną po prostu dzięki zastosowaniu większych zbiorników do przechowywania elektrolitu; można go pozostawić całkowicie rozładowanym przez długi czas bez żadnych negatywnych skutków; jeśli elektrolity zostaną przypadkowo zmieszane, akumulator nie ulegnie trwałemu uszkodzeniu; pojedynczy stan naładowania między dwoma elektrolitami pozwala uniknąć degradacji pojemności z powodu pojedynczego ogniwa w akumulatorach bezprzepływowych; elektrolit jest wodny, z natury bezpieczny i niepalny; a formuła trzeciej generacji wykorzystująca roztwór mieszanego kwasu opracowany przez Krajowe Laboratorium Pacific Northwest działa w szerszym zakresie temperatur, umożliwiając chłodzenie pasywne. Akumulatory VRFB mogą być używane przy głębokości rozładowania (DOD) około 90% i więcej, tj. głębszych DOD niż akumulatory półprzewodnikowe (np. akumulatory litowe i sodowe, które zwykle określa się jako DOD=80%). Ponadto VRFB charakteryzują się bardzo długimi cyklami życia: większość producentów określa trwałość cyklu na ponad 15 000-20 000 cykli ładowania/rozładowania. Wartości te znacznie wykraczają poza cykl życia akumulatorów półprzewodnikowych, który zwykle wynosi 4 000-5 000 cykli ładowania/rozładowania. W konsekwencji uśredniony koszt energii (LCOE, tj. koszt systemu podzielony przez energię użytkową, cykl życia i sprawność w obie strony) obecnych systemów VRFB jest zwykle rzędu kilkudziesięciu centów lub eurocentów, znacznie niższy niż LCOE równoważnych akumulatorów półprzewodnikowych i zbliżony do celów, odpowiednio, 0,05 USD i 0,05 EUR, określonych odpowiednio przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych i Strategiczny Plan Technologii Energetycznych Komisji Europejskiej (SET).

Wady innych typów baterii

Głównymi wadami technologii redox wanadu są stosunkowo niski stosunek energii do objętości w porównaniu ze standardowymi akumulatorami oraz stosunkowo niska wydajność w obie strony. Ponadto wodny elektrolit sprawia, że ​​akumulator jest ciężki i dlatego nadaje się tylko do zastosowań stacjonarnych. Inną wadą jest stosunkowo wysoka toksyczność tlenków wanadu (patrz wanad § Bezpieczeństwo ).

Operacja

Schemat baterii przepływowej wanadu

Bateria redoks wanadu składa się z zestawu ogniw zasilających , w których dwa elektrolity są oddzielone membraną wymiany protonów . Elektrody w ogniwie VRB są oparte na węglu; najczęstszymi typami są filc węglowy, papier węglowy, tkanina węglowa i filc grafitowy. Ostatnio duże zainteresowanie społeczności naukowej wzbudziły elektrody oparte na nanorurkach węglowych . Oba elektrolity wanadu -na elektrolit w dodatniej połówce komórek zawiera VO ₂ ⁺ i VO ²⁺ jony elektrolit w ujemnym półogniw, V ³⁺ i V ²⁺ jony. Elektrolity można wytworzyć dowolnymi z wielu sposobów, w tym elektrolityczne rozpuszczenie wanadu (V ₂ O ₅ ) w kwasie siarkowym (H ₂ SO ₄ ). Podczas użytkowania roztwór pozostaje silnie kwaśny.

W akumulatorach przepływowych wanadu oba półogniwa są dodatkowo połączone ze zbiornikami magazynowymi i pompami, dzięki czemu w ogniwie mogą krążyć bardzo duże objętości elektrolitów. Ta cyrkulacja ciekłych elektrolitów jest nieco kłopotliwa i ogranicza stosowanie baterii przepływowych wanadu w zastosowaniach mobilnych, skutecznie ograniczając je do dużych instalacji stacjonarnych.

Gdy bateria jest ładowana wanadu, Vo ²⁺ jony w dodatnim półogniwa są przekształcane VO ₂ ⁺ jony gdy elektrony usuwane są z dodatniego zacisku baterii. Podobnie do ujemnego półogniwa wprowadzane są elektrony przekształcające jony V ³⁺ w V ²⁺ . Podczas rozładowania proces ten jest odwrócony i daje typowe napięcie w obwodzie otwartym 1,41 V przy 25°C.

Połowa reakcji elektrody dodatniej (katody) jest

${\ Displaystyle {\ ce {VO2+ + 2H+ + e- <=> VO ^ 2+ + H2O}}}$

Połowa reakcji elektrody ujemnej (anody) jest

${\ Displaystyle {\ ce {V ^ 2+ <=> V ^ 3+ + e ^ -}}}$

Pełna reakcja (od lewej do prawej: rozładowanie, od prawej do lewej: ładowanie) to

${\ Displaystyle {\ ce {VO2+ + 2H+ + V^2+ <=> VO^2+ + H2O + V^3+}}}$

Należy zauważyć, że proton musi zostać przeniesiony przez błonę komórkową, gdy elektron jest przenoszony między elektrodami, aby zachować neutralność ładunku.

Innymi użytecznymi właściwościami akumulatorów wanadowych przepływowych są ich bardzo szybka reakcja na zmieniające się obciążenia i ich wyjątkowo duże przeciążenia. Badania przeprowadzone przez University of New South Wales wykazały, że mogą osiągnąć czas reakcji poniżej pół milisekundy przy 100% zmianie obciążenia i pozwalają na przeciążenia do 400% przez 10 sekund. Czas odpowiedzi jest w większości ograniczony przez sprzęt elektryczny. O ile nie zostały specjalnie zaprojektowane dla chłodniejszych lub cieplejszych klimatów, większość akumulatorów wanadowych na bazie kwasu siarkowego działa tylko w temperaturach od około 10 do 40 °C. Poniżej tego zakresu temperatur krystalizuje kwas siarkowy z jonami. Sprawność w obie strony w zastosowaniach praktycznych wynosi około 65–75%.

Proponowane ulepszenia

Akumulatory redoks wanadu drugiej generacji ( wanad / brom ) mogą w przybliżeniu podwoić gęstość energii i zwiększyć zakres temperatur, w których może działać akumulator. Systemy wanadu / bromu i inne systemy oparte na wanadzie zmniejszają również koszt akumulatorów redoks wanadu poprzez zastąpienie wanadu w elektrolicie dodatnim lub ujemnym tańszymi alternatywami, takimi jak cer.

Energia właściwa i gęstość energii

Obecnie produkowane akumulatory wanadowo-redoks osiągają energię właściwą około 20 Wh/kg (72 kJ/kg) elektrolitu. Nowsze badania w UNSW wskazują, że zastosowanie inhibitorów wytrącania może zwiększyć gęstość do około 35 Wh/kg (126 kJ/kg), przy czym nawet wyższe gęstości są możliwe dzięki kontrolowaniu temperatury elektrolitu. Ta energia właściwa jest dość niska w porównaniu z innymi typami akumulatorów (np. ołowiowo-kwasowych 30-40 Wh/kg (108-144 kJ/kg) i litowo-jonowych 80-200 Wh/kg (288-720 kJ/ kg)).

Aplikacje

Niezwykle duże pojemności możliwe z akumulatorów wanadowo-redoks sprawiają, że są one dobrze przystosowane do zastosowania w dużych zastosowaniach związanych z magazynowaniem energii, takich jak pomoc w uśrednieniu produkcji wysoce zmiennych źródeł wytwarzania, takich jak energia wiatrowa lub słoneczna, pomagając generatorom radzić sobie z dużymi skokami popytu lub poziomowaniem podaż/popyt w regionie o ograniczonym przesyle.

Ograniczone właściwości samorozładowania akumulatorów wanadowo-redoks sprawiają, że są one przydatne w zastosowaniach, w których akumulatory muszą być przechowywane przez długi czas przy niewielkiej konserwacji przy zachowaniu stanu gotowości. Doprowadziło to do ich przyjęcia w niektórych wojskowych urządzeniach elektronicznych, takich jak elementy czujników systemu górniczego GATOR . Ich zdolność do pełnego cyklu i utrzymywania stanu naładowania 0% sprawia, że ​​nadają się do zastosowań słonecznych + przechowywania, w których akumulator musi uruchamiać się każdego dnia rozładowany i napełniany w zależności od obciążenia i pogody. Na przykład akumulatory litowo-jonowe są zazwyczaj uszkodzone, gdy pozwalają na rozładowanie poniżej 20% stanu naładowania, więc zazwyczaj działają tylko między około 20% a 100%, co oznacza, że ​​wykorzystują tylko 80% pojemności ich tabliczki znamionowej.

Ich niezwykle szybkie czasy reakcji sprawiają, że doskonale nadają się do zastosowań typu bezprzerwowego zasilania (UPS), w których mogą być używane do wymiany akumulatorów kwasowo-ołowiowych, a nawet generatorów diesla. Również szybki czas odpowiedzi sprawia, że ​​dobrze nadają się do regulacji częstotliwości. Ponadto te możliwości sprawiają, że akumulatory wanadu redox są skutecznym rozwiązaniem typu „wszystko w jednym” dla mikrosieci, które zależą od niezawodnych operacji, regulacji częstotliwości i wymagają zmiany obciążenia (z wysokiej penetracji odnawialnej, wysoce zmiennego obciążenia lub chęci optymalizacji wydajność generatora poprzez przesunięcie w czasie wysyłki).

Największe baterie siatkowe wanadu

W Chinach trwa budowa baterii redoks wanadu o mocy 200 MW, 800 MWh (4 godziny); miał zostać ukończony do 2018 roku, a jego pierwszy etap 250 kW/1MWh został uruchomiony pod koniec 2018 roku

Firmy finansujące lub rozwijające akumulatory wanadowo-redoks

Spółki obejmują UniEnergy Technologies , StorEn Technologies, Largo Energy i Ashlawn Energy w Stanach Zjednoczonych; H2 w Korei Południowej; Renewable Energy Dynamics Technology, Invinity Energy i VoltStorage w Europie; Roztropna energia w Chinach; australijski wanad w Australii; EverFlow Energy JV SABIC SCHMID Group w Arabii Saudyjskiej i Bushveld Minerals w RPA.

Zobacz też

• Lista typów baterii
• Bateria z bromku polisiarczkowego
• Akumulator elektryczny
• Ogniwo paliwowe
• Magazynowanie energii

Bibliografia

Dodatkowe referencje

• Referat z konferencji IEEE letniej 2001
• Strona UNSW dotycząca akumulatorów wanadowych
• Raport World Energy
• Mapa świata globalnych złóż wanadu Geologia wanadu jest dość niezwykła w porównaniu z rudą metali nieszlachetnych.
• „Ulepszone akumulatory Redox Flow do samochodów elektrycznych” . ScienceDaily / Fraunhofer-Gesellschaft . 13 października 2009 . Pobrano 21 czerwca 2014 .

Zewnętrzne linki

• Rozwój VRFB na UNSW
• VRB we wszystkim2
• Zapotrzebowanie na magazynowanie energii wanadu redoks w generatorach turbin wiatrowych Wytwarzanie netto energii elektrycznej ze wszystkich form energii odnawialnej w Ameryce wzrosło o ponad 15% w latach 2005-2009.
• redT i Avalon połączyły się jako Invinity Energy Systems, światowy lider w dziedzinie akumulatorów wanadowych