Ванадієві редокс-батареї - загальна характеристика, принцип роботи, плюси і мінуси

Ванадієва редокс-батарея (вона ж - ванадиевая проточна батарея) - тип перезаряджаються проточних батарей, які використовують іони ванадію в різних ступенях окислення для зберігання хімічної енергії. Ванадієва проточна батарея використовує здатність ванадію зберігатися в розчині в чотирьох різних ступенях окислення, і застосовує це властивість в батареї, яка потребує в одному електрично активному елементі, а не в двох. З кількох причин, що включає їх великі габарити, більшість ванадієвих батарей використовуються для накопичення енергії в електромережах, будучи підключеними до електростанцій або електромереж.

 

 

Ванадієва редокс-батарея:
• Питома енергія: 10-20 В * ч / кг (36-72 Дж / г)
• Щільність енергії: 15-25 В * ч / л (54-65 кДж / л)
• ККД зарядки / розрядки: 75-80% +
• Термін служби: 20-30 років
• Кількість циклів: 100000+
• Номінальна напруга елемента: 1,15-1,55 В

 

Можливість створення ванадиевой проточною батареї була різною мірою досліджена Антуаном Піссурі в 1930-х роках, дослідниками НАСА і вченими Пеллігрі і Спаціанте в 1970-х, але ніхто з них не зміг продемонструвати цю технологію. Першим, хто успішно продемонстрував повністю ванадієву проточну редокс-батарею, яка використовує ванадій, розчинений в сірчаної кислоти в кожній з половин, стала Марія Скіллас-Казакос з Університету Південного Уельсу в 1980-х роках. Її концепт використовував сірчану кислоту як електроліт, і був запатентований Університетом Південного Уельсу в Австралії в 1986 році.

 

Головними перевагами ванадиевой проточною батареї є:
1. Майже необмежена енергоємність за рахунок простого збільшення ємності для зберігання електроліту
2. Здатність без наслідків переносити тривалі періоди в розрядженому стані
3. Відсутність шкоди в разі випадкового змішування електролітів
4. Неможливість зменшення ємності окремих елементів в непроточних батареях за рахунок єдиного стану заряду між двома електролітами;
5. Безпека і незаймистість електроліту (води)
6. Використання формули розчину третього покоління (суміш кислот), розробленої Тихоокеанської північно-західної національної лабораторії, який працює при більш широкому діапазоні температур і дає можливість пасивного охолодження.

 

Головними недоліками ванадиевой проточною технології є відносно невелика питома об'ємна енергія в порівнянні зі стандартними акумуляторними батареями (хоча формулювання третього покоління стверджує про подвоєння енергетичної щільності системи), а також - те, що водний електроліт збільшує вагу батареї, а значить - робить її ефективною тільки для стаціонарного використання.
Багато компаній і організації залучені в фінансування і розробку ванадієвих редокс-батарей, серед них - «Vions» (колишня «Premium Power»), «UniEnergy Technologies» і «Ashlawn Energy» в США; «Renewable Energy Dynamics Technology» в Ірландії; «Gildemeister AG» (раніше - «Cellstrom GmbH» в Австрії, енергетичний підрозділ зараз розформовано) в Німеччині; «Cellennium» в Тайської енергокомпанії; «Prudent Energy» в Китаї; «Sumitomo» в Японії; «H2, Inc.» в Південній Кореї; «RedT.» В Британії; «Australian Vanadium» в Австралії і нині не існуюча «Imergy» (колишня «Deeya»). Трохи пізніше кілька ванадієвих проточних редокс-батарей було придбано для житлових потреб. Основними клієнтами стали американська компанія «StorEn Technologies» і німецькі «Schmid Group» і «VoltStorage».

 

експлуатація
Ванадієва редокс-батарея складається з ряду елементів живлення, де два електроліту розділені мембраною протонного обміну. Обидва електроліту - на основі ванадію: електроліт в позитивно зарядженому електроді порівняння містить іони VO2 + і VO2 +, а в негативно зарядженому - іони V3 + і V2 +. Електроліт може бути створений за рахунок будь-якого з декількох процесів, включаючи велектролітичні дисоціацію оксиду ванадію (V) (V2O5) в сірчаної кислоти (H2SO4). Розчин при роботі залишається вкрай кислим.

 

У ванадієвих проточних батареях обидва електроди порівняння додатково підключені до ємностей для зберігання і насосів, щоб дуже великі обсяги електроліту могли циркулювати крізь елемент. Циркуляція рідкого електроліту кілька ускладнюється і обмежує використання ванадієвих проточних батарей в вимагають мобільності галузях, роблячи їх ефективними в великих стаціонарних будівлях.
Коли ванадиевая батарея заряджена, іони VO2 + в позитивно зарядженому електроді порівняння перетворюються в іони VO2 +, коли електрони від'єднуються від позитивної клеми батареї. Подібним чином у негативному електроді порівняння електрони перетворять іони V3 + у V2 +. Під час розряду цей процес відбувається в зворотному напрямку, що дає напругу в розімкнутої ланцюга в 1,41 В при 25С. 

 

Серед інших корисних властивостей ванадієвих проточних батарей - дуже швидкий відгук на зміни навантаження і вкрай висока перевантажувальна здатність. Дослідження в Університеті Нового Південного Уельсу показали, що вони можуть досягати часу відгуку в менше половини мілісекунди при 100% зміні навантаження і витримувати перевантаження в 400% тривалістю понад 10 секунд. Час відгуку в більшості випадків обмежена електричним обладнанням. Ванадієві батареї на основі сірчаної кислоти працюють тільки при температурах в 10-40C. Якщо температура нижче цього діапазону - іони сірчаної кислоти кристалізуються. ККД при зворотно-поступальному русі в повсякденному застосуванні зберігається на рівні 65-75%.

 

 

пропоновані поліпшення
Ванадієві редокс-батареї другого покоління (ванадієво-бромні) можуть приблизно вдвічі збільшити щільність енергії і наростити температурний діапазон, при якому батарея зможе працювати.
Незважаючи на стандартну потреба в накачуванні, компанія «nanoFlowcell AG» розробила запатентовану систему зберігання енергії для електротранспорту, продемонстровану на декількох прототипах електромобіля «Quant», що використовують швидку заміну електроліту для перезаправлення батареї.

 

Питома енергія і щільність енергії
Зроблені на сьогоднішній день ванадієві редокс-батареї досягають рівня питомої енергії близько 20 Вт * ч / кг (72 кДж / кг) при наявності електроліту. Більш свіжі дослідження Університету Нового Південного Уельсу показали, що використання інгібітору опадів може збільшити щільність приблизно до 35 Вт * чкг (126 кДж / кг), а шляхом контролю температури електроліту можливо досягти ще більших показників. Питома енергія - досить низька порівняно з іншими типами перезаряджаються батарей (наприклад, у свинцево-кислої - 30-40 Вт * ч / кг (108-144 кДж / кг), у іонно-літієвої - 80-200 Вт-ч / кг (288-720 кДж / кг)).

 

Області застосування
Надвисока ємність, характерна для ванадієвих редокс-батарей, робить їх відмінно підходять для використання в галузях, які потребують зберігання великих обсягів енергії. Наприклад, допомога в зрівноважуванні обсягу виробництва таких джерел енергії типу вітряної або сонячної або допомогу генераторів в погашенні великих стрибків енергії при необхідності або зрівноважуванні поставок і потреби в енергії для віддалених районів.

 

Обмежені характеристики саморозряду для ванадієвих редокс-батарей роблять їх корисними в тих галузях, де батареї повинні зберігатися довгий час з мінімальним обслуговуванням і станом готовності. Це призвело до їх вживання в деяких видах військової електроніки, наприклад, в датчиках системи мінування «GATOR». Їх здатність до повного циклу і знаходженню в стані 0 заряду робить їх придатними для сонячної енергетики і тих галузей, де батареї повинні починати день порожніми і заряджатися в залежності від завантаження і погоди. Наприклад, іонно-літієві батареї часто пошкоджуються, коли їм дають розрядку нижче 20% від обсягу, тому найчастіше вони працюють в діапазоні від 20 до 100%, що означає, що вони можуть використовувати лише 20% своєї номінальної ємності.

 

Їх украй швидкий час відгуку також робить їх практично незамінними для джерел безперебійного живлення, де вони можуть використовуватися замість свинцево-кислих батарей і навіть дизельних генераторів. Також швидкий час відгуку робить їх придатними для управління частотою. На даний момент ні ІБП, ні заходи з управління частотою не ефективні самі по собі, але, найімовірніше, батарея зможе знайти отримати застосування в цих галузях при капіталізації з різних джерел фінансування. Крім цього, ці можливості роблять ванадієві редокс-батареї ефективним «цілісним» рішенням для малих електромереж, залежних від надійної роботи, управління частотою і потребують перемиканні навантаження (як від високого ступеня проникнення поновлюваних джерел енергії, сильно змінюється навантаження або бажання оптимізувати ККД генератора з допомогою зміщення часу реагування).

 

Найбільші робочі ванадієві редокс-батареї
Підстанція «Мінамі Хайакіта»:
• Дата запуску: грудень 2015 року
• Енергія: 60 МВт * год
• Потужність: 15 МВт
• Час роботи: 4 години
• Країна: Японія

 

Вонюші, провінція Ляонін
• Дата запуску: н / д
• Енергія: 10 МВт * год
• Потужність: 5 МВт
• Час роботи: 2 години
• Країна: Китай

 

вітропарк Томамае
• Дата запуску: 2005 рік
• Енергія: 6 МВт * год
• Потужність: 4 МВт
• Час роботи: 1 година 30 хвилин
• Країна: Японія

 

Проект «Чжанбей»
• Дата запуску 2016 рік
• Енергія: 8 МВт * год
• Потужність: 2 МВт
• Час роботи: 4 години.
• Країна: Китай

 

Проект «SnoPUD MESA 2»
• Дата запуску: март 2017 року
• Енергія: 8 МВт * год
• Потужність: 2 МВт
• Час роботи: 4 години.
• Країна: США

 

Підстанція в Ескондідо
• Дата запуску діє до: 2017 рік
• Енергія: 8 МВт * год
• Потужність: 2 МВт
• Час роботи: 4 години.
• Країна: США 

 

 

Підстанція в Пулмані (штат Вашингтон)
• Дата запуску: квітень 2015 року
• Енергія: 4 МВт * год
• Потужність: 1 МВт
• Час роботи: 4 години
• Країна: США

 

До 2018 року очікується завершення розробки ванадієвої редокс-батареї в Китаї. Її енергія складе 800 МВт * год, потужність - 200 МВт, а час роботи - 4 години.

 
Школа ремонту
Главная Страница Контактная Информация Поиск по сайту Контактная Информация Поиск по сайту