Giải thích về Pin Vanadi Flow Một bước ngoặt cho việc lưu trữ năng lượng tái tạo

Gần đây, dự án pin dòng chảy vanadi của Horizon Power cho Kununurra đã trở thành xu hướng trên internet. Nhưng tại sao các dự án pin dòng chảy vanadi lại ngày càng phổ biến? Để hiểu điều này, chúng ta nên bắt đầu bằng cách tìm hiểu thêm về pin dòng chảy vanadi:

Pin Vanadi Flow: Kỷ nguyên mới trong lưu trữ năng lượng

Pin lưu lượng Vanadi (VFB) là loại pin mà cả điện cực dương và điện cực âm đều sử dụng dung dịch vanadi tuần hoàn làm môi trường lưu trữ năng lượng. Thông qua quá trình sạc và xả, pin cho phép chuyển đổi giữa năng lượng điện và năng lượng hóa học, do đó lưu trữ và giải phóng năng lượng.

Cấu trúc của Pin dòng chảy Vanadi khác với pin lithium-ion thông thường và pin chì-cacbon. Pin bao gồm các thành phần chính sau: một ngăn xếp (hoặc cell riêng lẻ), một bình điện phân dương (lưu trữ chất điện phân dương), một bình điện phân âm (lưu trữ chất điện phân âm), một bơm tuần hoàn và một hệ thống quản lý. Ngăn xếp được tạo thành từ nhiều cell riêng lẻ được kết nối theo chuỗi, mỗi cell bao gồm điện cực dương, điện cực âm, bộ tách và các tấm lưỡng cực. Nhiều ngăn xếp pin dòng chảy Vanadi tạo thành một mô-đun lưu trữ năng lượng và nhiều mô-đun cùng nhau tạo thành một hệ thống lưu trữ năng lượng hoặc trạm hoàn chỉnh.

Nguyên lý lưu trữ năng lượng trong pin dòng chảy Vanadi

Ion vanadi tồn tại ở bốn trạng thái hóa trị khác nhau. Vật liệu lưu trữ năng lượng hoạt động trong chất điện phân dương và âm của Pin dòng chảy vanadi là ion vanadi. Quá trình sạc và xả dựa trên sự thay đổi trạng thái hóa trị của ion vanadi trong cả chất điện phân dương và âm, đạt được khả năng lưu trữ và giải phóng năng lượng.

1. Trong khi sạc:Trong chất điện phân dương, các ion vanadi ở trạng thái hóa trị +4 bị oxy hóa thành trạng thái +5, mất một electron và tạo ra hai ion hydro. Trong chất điện phân âm, các ion vanadi ở trạng thái hóa trị +3 nhận được một electron và bị khử thành trạng thái +2, tiêu thụ một ion hydro.

2. Trong quá trình xả:Trong chất điện phân dương, các ion vanadi ở trạng thái hóa trị +5 bị khử thành trạng thái +4, thu được một electron và tiêu thụ hai ion hydro. Trong chất điện phân âm, các ion vanadi ở trạng thái +2 bị oxy hóa thành trạng thái +3, giải phóng một ion hydro.

3. 
   

Quá trình trên cho thấy trong quá trình sạc, các ion hydro di chuyển từ cực dương sang cực âm, trong khi trong quá trình xả, quá trình này ngược lại. Phản ứng điện hóa bên trong pin biểu hiện dưới dạng sự di chuyển của các ion hydro, tạo ra dòng điện trong mạch ngoài.

Phản ứng điện cực của pin dòng chảy Vanadi:

• Điện cực dương: ${\text{VO}}_2^{+}+{\text{H}}_2\text{THE}-{\mathrm{Và}}^{-}\rightleftharpoons {\text{VO}}_2^{+}+2{\text{H}}^{+}$, ${\mathrm{VÀ}}_0=1.004\mathrm{V.}$

• Điện cực âm: ${\text{V.}}^{3+}+{\mathrm{Và}}^{-}\rightleftharpoons {\text{V.}}^{2+}$, ${\mathrm{VÀ}}_0=-\mathrm{0,255}\mathrm{V.}$

• Phản ứng chung: ${\text{VO}}_2^{+}+{\text{V.}}^{3+}+{\text{H}}_2\text{THE}\rightleftharpoons {\text{VO}}_2^{+}+{\text{V.}}^{2+}+2{\text{H}}^{+}$, ${\mathrm{VÀ}}_0=1.259\mathrm{V.}$

Do tính an toàn cao, khả năng lưu trữ năng lượng quy mô lớn, tuổi thọ chu kỳ sạc và xả dài, chất điện phân có thể tái chế, hiệu quả về chi phí trong suốt vòng đời và thân thiện với môi trường, pin dòng chảy vanadi (VFB) đã thu hút sự chú ý ngày càng tăng trên toàn cầu trong những năm gần đây. Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng kỹ thuật của hệ thống lưu trữ năng lượng VFB đã đạt được những tiến bộ đáng kể, với sự phát triển nhanh chóng, cải thiện công nghệ, giảm chi phí và bước vào giai đoạn công nghiệp hóa và ứng dụng rộng rãi, mang lại tiềm năng thị trường to lớn.

2. Tính năng kỹ thuật của Pin Vanadi Flow

Ưu điểm kỹ thuật

①An toàn nội tại và thân thiện với môi trường

Hệ thống lưu trữ năng lượng pin dòng chảy Vanadi về bản chất là an toàn và đáng tin cậy khi vận hành, với vòng đời thân thiện với môi trường. Chất điện phân trong pin dòng chảy Vanadi bao gồm dung dịch nước ion Vanadi trong axit sunfuric loãng. Miễn là điện áp ngắt sạc và xả được kiểm soát đúng cách và hệ thống pin được lưu trữ trong không gian thông gió tốt, thì về bản chất là an toàn mà không có nguy cơ cháy nổ. Chất điện phân được lưu thông trong không gian kín và thường không tạo ra chất gây ô nhiễm môi trường trong quá trình sử dụng, cũng không bị ô nhiễm bởi tạp chất bên ngoài.

Ngoài ra, cả chất điện phân dương và âm trong pin dòng chảy vanadi đều sử dụng ion vanadi, ngăn ngừa sự suy giảm dung lượng không thể đảo ngược do sự trộn lẫn của chất điện phân dương và âm. Qua nhiều năm hoạt động, sự suy giảm dung lượng do các phản ứng phụ nhỏ và sự trộn lẫn nhẹ tích lũy của chất điện phân dương và âm có thể được tái tạo và tái sử dụng thông qua quá trình tái tạo trực tuyến hoặc ngoại tuyến.

Hệ thống và ngăn xếp chủ yếu được tạo thành từ vật liệu cacbon, nhựa và kim loại. Khi hệ thống pin dòng chảy vanadi ngừng hoạt động, vật liệu kim loại có thể được tái chế và vật liệu cacbon và nhựa có thể được sử dụng làm nhiên liệu. Do đó, toàn bộ vòng đời của hệ thống pin dòng chảy vanadi đều an toàn, có tải trọng môi trường tối thiểu và rất thân thiện với môi trường.

②Công suất đầu ra độc lập và khả năng năng lượng

Công suất đầu ra và dung lượng năng lượng của hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin dòng chảy vanadi độc lập với nhau, có thiết kế và lắp đặt linh hoạt, phù hợp để lưu trữ năng lượng quy mô lớn, dung lượng cao và thời gian dài.

Như thể hiện trong Hình 1, công suất đầu ra của hệ thống pin dòng chảy vanadi được xác định bởi kích thước và số lượng các ngăn xếp pin, trong khi dung lượng năng lượng được xác định bởi thể tích của chất điện phân. Để tăng công suất đầu ra, có thể tăng diện tích điện cực của ngăn xếp pin hoặc tăng số lượng các ngăn xếp. Để tăng dung lượng năng lượng, có thể tăng thể tích của chất điện phân. Điều này làm cho pin dòng chảy vanadi đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu lưu trữ năng lượng quy mô lớn, dung lượng cao, thời gian dài. Công suất đầu ra của hệ thống pin dòng chảy vanadi thường dao động từ hàng trăm watt đến hàng trăm megawatt và dung lượng năng lượng dao động từ hàng trăm kilowatt-giờ đến hàng trăm megawatt-giờ.

③Hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, khởi động nhanh, không thay đổi pha

Hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao và quá trình chuyển đổi giữa trạng thái sạc và xả diễn ra nhanh chóng. Pin dòng chảy vanadi hoạt động ở nhiệt độ phòng, với dung dịch điện phân lưu thông giữa các bình điện phân và ngăn xếp pin. Trong quá trình sạc và xả, quá trình lưu trữ và giải phóng năng lượng diễn ra thông qua sự thay đổi trạng thái hóa trị của các ion vanadi hòa tan trong dung dịch nước, mà không có bất kỳ sự thay đổi pha nào.

Do đó, quá trình chuyển đổi giữa trạng thái sạc và xả diễn ra nhanh chóng, với hệ thống lưu trữ năng lượng trong lưu trữ năng lượng quy mô megawatt có thể chuyển từ trạng thái sạc 80% sang trạng thái xả 80% trong vòng chưa đầy 100 mili giây, chủ yếu được xác định bởi tốc độ truyền tín hiệu điều khiển. Điều này cho phép sử dụng pin dòng chảy vanadi để điều chế biên độ và điều chế tần số, tích hợp lưới điện năng lượng tái tạo, dịch vụ phụ trợ, cắt đỉnh cho lưới điện và lưu trữ năng lượng dự phòng khẩn cấp.

④Thiết kế mô-đun tạo điều kiện thuận lợi cho việc tích hợp và mở rộng hệ thống

Pin lưu lượng vanadi được lắp ráp từ nhiều cell đơn được xếp chồng theo kiểu lọc ép. Hiện tại, công suất đầu ra định mức của một pin đơn công nghiệp thường nằm trong khoảng từ 30 đến 80 kW. Hệ thống lưu trữ năng lượng thường bao gồm nhiều đơn vị mô-đun, mỗi đơn vị có công suất đầu ra định mức khoảng 500 kW. So với các loại pin khác, pin lưu lượng vanadi và các mô-đun hệ thống lưu trữ năng lượng có công suất đầu ra định mức lớn, tính đồng nhất tốt và dễ tích hợp và mở rộng quy mô hơn.

2. Hạn chế của Pin dòng chảy Vanadi

①Độ phức tạp của hệ thống

Hệ thống lưu trữ năng lượng bao gồm nhiều hệ thống con, khiến nó trở nên phức tạp.

②Thiết bị hỗ trợ năng lượng

Để đảm bảo hoạt động ổn định liên tục, hệ thống lưu trữ năng lượng cần có các thiết bị bổ sung như bơm tuần hoàn chất điện phân, thiết bị điều khiển điện tử, hệ thống thông gió và hệ thống điều khiển nhiệt độ chất điện phân, sau đó cần được cấp điện. Do đó, hệ thống pin dòng chảy vanadi thường không phù hợp với hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô nhỏ.

③Mật độ năng lượng thấp hơn

Do hạn chế về độ hòa tan ion vanadi và các yếu tố khác, pin dòng chảy vanadi có mật độ năng lượng thấp hơn. Chúng phù hợp hơn với các trạm lưu trữ năng lượng cố định, nơi thể tích và trọng lượng không phải là những hạn chế đáng kể nhưng không phù hợp để sử dụng làm nguồn điện di động hoặc làm pin động.

3. Phân tích chi phí vòng đời của pin dòng chảy Vanadi

Sơ đồ sau đây minh họa ước tính chi phí vòng đời của hệ thống lưu trữ năng lượng pin dòng chảy vanadi với thời gian lưu trữ là 4 giờ và 10 giờ.

① Hệ thống lưu trữ năng lượng pin Vanadi Flow 1 MW/10 MWh Ước tính chi phí thực tế:

② Hệ thống lưu trữ năng lượng pin Vanadi Flow 1 MW/10 MWh Ước tính chi phí thực tế:

Do đó, đối với hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin dòng chảy vanadi, thời gian lưu trữ năng lượng càng dài thì chi phí vòng đời tổng thể càng thấp.

4. Thành phần chuỗi ngành

Chuỗi công nghiệp pin dòng chảy vanadi bao gồm vật liệu thượng nguồn, sản xuất pin, thiết kế mô-đun và tích hợp hệ thống. Pin dòng chảy chất lỏng chính hiện đang được nghiên cứu là pin dòng chảy vanadi. Nguyên liệu thô thượng nguồn của nó chủ yếu bao gồmvanadi pentoxit (V2O5)Vàmàng axit perfluorosulfonic. Giai đoạn giữa bao gồm thiết kế và sản xuất hệ thống lưu trữ pin dòng chảy vanadi, bao gồm các thành phần nhưbộ biến tần,bộ điều khiển thông minh,ống nhiên liệu,màng,chất điện phân, Vàbồn chứaTrong số đó, các thành phần quan trọng nhất làống nhiên liệuVàchất điện phân. Các ứng dụng hạ nguồn bao gồm phát điện gió, phát điện quang điện, giảm phụ tải lưới điện và nhiều ứng dụng khác.

Quặng Vanadi và chế biến Vanadi

Vanadi là một nguyên tố ưa đá, thường được tìm thấy ở trạng thái phân tán trong quặng. Đặc điểm phân bố tự nhiên của nó là trữ lượng lớn, phân bố rộng rãi và hàm lượng thấp.Magnetit vanadi-titanlà loại quặng chứa vanadi phổ biến nhất. Khoáng sản này được tìm thấy trên toàn cầu và hiện là nguồn cung cấp vanadi chính, chiếm hơn85% sản lượng vanadi hàng năm trên toàn cầu.