Vanadium-Flow-Batterien erklärt: Ein Wendepunkt für die Speicherung erneuerbarer Energien

In letzter Zeit hat das Vanadium-Flow-Batterie-Projekt von Horizon Power für Kununurra im Internet Schlagzeilen gemacht. Aber warum werden Vanadium-Flow-Batterie-Projekte immer häufiger? Um dies zu verstehen, sollten wir zunächst mehr über Vanadium-Flow-Batterien erfahren:

Vanadium-Flow-Batterie: Eine neue Ära der Energiespeicherung

Eine Vanadium-Flow-Batterie (VFB) ist ein Batterietyp, bei dem sowohl die positiven als auch die negativen Elektroden zirkulierende Vanadiumlösungen als Energiespeichermedium verwenden. Durch den Lade- und Entladevorgang ermöglicht die Batterie die Umwandlung zwischen elektrischer Energie und chemischer Energie und speichert und gibt so Energie ab.

Der Aufbau einer Vanadium-Flow-Batterie unterscheidet sich von herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien und Blei-Kohle-Batterien. Sie besteht aus den folgenden Hauptkomponenten: einem Stapel (oder einer einzelnen Zelle), einem positiven Elektrolyttank (zur Speicherung des positiven Elektrolyten), einem negativen Elektrolyttank (zur Speicherung des negativen Elektrolyten), einer Umwälzpumpe und einem Managementsystem. Der Stapel besteht aus mehreren in Reihe geschalteten Einzelzellen, die jeweils die positive Elektrode, die negative Elektrode, den Separator und die Bipolarplatten enthalten. Mehrere Stapel von Vanadium-Flow-Batterien bilden ein Energiespeichermodul, und mehrere Module bilden zusammen ein komplettes Energiespeichersystem oder eine komplette Energiespeicherstation.

Prinzip der Energiespeicherung in Vanadium-Flow-Batterien

Vanadiumionen kommen in vier verschiedenen Valenzzuständen vor. Das aktive Energiespeichermaterial in den positiven und negativen Elektrolyten einer Vanadium-Flow-Batterie sind Vanadiumionen. Der Lade- und Entladevorgang basiert auf den Änderungen der Valenzzustände von Vanadiumionen sowohl im positiven als auch im negativen Elektrolyten, wodurch Energie gespeichert und freigesetzt wird.

1. Während des Ladevorgangs:Im positiven Elektrolyten werden Vanadiumionen im Valenzzustand +4 in den Zustand +5 oxidiert, wobei sie ein Elektron verlieren und zwei Wasserstoffionen entstehen. Im negativen Elektrolyten gewinnen Vanadiumionen im Valenzzustand +3 ein Elektron und werden in den Zustand +2 reduziert, wobei ein Wasserstoffion verbraucht wird.

2. Während des Entladens:Im positiven Elektrolyten werden Vanadiumionen im Valenzzustand +5 in den Zustand +4 reduziert, wobei ein Elektron gewonnen und zwei Wasserstoffionen verbraucht werden. Im negativen Elektrolyten werden Vanadiumionen im Zustand +2 in den Zustand +3 oxidiert, wobei ein Wasserstoffion freigesetzt wird.

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Der obige Vorgang zeigt, dass beim Laden Wasserstoffionen von der positiven zur negativen Seite wandern, während beim Entladen der Vorgang umgekehrt ist. Die elektrochemische Reaktion innerhalb der Batterie äußert sich in der Wanderung von Wasserstoffionen, die im externen Schaltkreis einen elektrischen Strom erzeugen.

Elektrodenreaktionen von Vanadium-Flow-Batterien:

• Positive Elektrode: ${\text{VO}}_2^{+}+{\text{H}}_2\text{DER}-{\mathrm{Und}}^{-}\rightleftharpoons {\text{VO}}_2^{+}+2{\text{H}}^{+}$, ${\mathrm{UND}}_0=1.004V$

• Negative Elektrode: ${\text{V}}^{3+}+{\mathrm{Und}}^{-}\rightleftharpoons {\text{V}}^{2+}$, ${\mathrm{UND}}_0=-\mathrm{0,255}V$

• Gesamtreaktion: ${\text{VO}}_2^{+}+{\text{V}}^{3+}+{\text{H}}_2\text{DER}\rightleftharpoons {\text{VO}}_2^{+}+{\text{V}}^{2+}+2{\text{H}}^{+}$, ${\mathrm{UND}}_0=1.259V$

Aufgrund ihrer hohen Sicherheit, ihrer großen Energiespeicherkapazität, ihrer langen Lade- und Entladezyklen, ihres wiederverwertbaren Elektrolyts, ihrer Kosteneffizienz während des gesamten Lebenszyklus und ihrer Umweltfreundlichkeit haben Vanadium-Flow-Batterien (VFBs) in den letzten Jahren weltweit zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen. Forschung, Entwicklung und technische Anwendungen von VFB-Energiespeichersystemen haben erhebliche Fortschritte gemacht. Die rasante Entwicklung, die Verbesserung der Technologie, die sinkenden Kosten und der Eintritt in die Phase der Industrialisierung und weit verbreiteten Anwendung bieten ein enormes Marktpotenzial.

2. Technische Merkmale von Vanadium-Flow-Batterien

Technische Vorteile

①Eigensicherheit und Umweltfreundlichkeit

Energiespeichersysteme aus Vanadium-Flow-Batterien sind im Betrieb von Natur aus sicher und zuverlässig und haben einen umweltfreundlichen Lebenszyklus. Der Elektrolyt in Vanadium-Flow-Batterien besteht aus einer wässrigen Lösung von Vanadiumionen in verdünnter Schwefelsäure. Solange die Lade- und Entladeschlussspannung richtig kontrolliert wird und das Batteriesystem in einem gut belüfteten Raum gelagert wird, ist es von Natur aus sicher und es besteht keine Brand- oder Explosionsgefahr. Der Elektrolyt zirkuliert in einem abgedichteten Raum und erzeugt während des Gebrauchs normalerweise keine Umweltschadstoffe und wird auch nicht durch äußere Verunreinigungen verunreinigt.

Darüber hinaus verwenden sowohl die positiven als auch die negativen Elektrolyte in der Vanadium-Flow-Batterie Vanadiumionen, was einen irreversiblen Kapazitätsabbau durch die Vermischung der positiven und negativen Elektrolyte verhindert. Im Laufe des Betriebsjahres kann der Kapazitätsabbau, der durch kleinere Nebenreaktionen und die kumulierte leichte Vermischung der positiven und negativen Elektrolyte verursacht wird, durch Online- oder Offline-Regeneration regeneriert und wiederverwendet werden.

Der Stapel und das System bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoffmaterialien, Kunststoffen und Metallen. Wenn ein Vanadium-Flow-Batteriesystem außer Betrieb genommen wird, können die Metallmaterialien recycelt und Kohlenstoffmaterialien und Kunststoffe als Brennstoff verwendet werden. Daher ist der gesamte Lebenszyklus eines Vanadium-Flow-Batteriesystems sicher, hat eine minimale Umweltbelastung und ist sehr umweltfreundlich.

②Unabhängige Ausgangsleistung und Energiekapazität

Die Ausgangsleistung und Energiekapazität von Energiespeichersystemen mit Vanadium-Redox-Batterien sind voneinander unabhängig. Aufgrund ihrer flexiblen Konstruktion und Installation eignen sie sich für die groß angelegte, hochleistungsfähige und lang anhaltende Energiespeicherung.

Wie in Abbildung 1 dargestellt, wird die Ausgangsleistung eines Vanadium-Flow-Batteriesystems durch die Größe und Anzahl der Batteriestapel bestimmt, während die Energiekapazität durch das Volumen des Elektrolyten bestimmt wird. Um die Ausgangsleistung zu erhöhen, kann die Elektrodenfläche des Batteriestapels vergrößert oder die Anzahl der Stapel erhöht werden. Um die Energiekapazität zu erhöhen, kann das Volumen des Elektrolyten vergrößert werden. Dadurch eignen sich Vanadium-Flow-Batterien besonders für Anwendungen, die eine groß angelegte, hochleistungsfähige und lang anhaltende Energiespeicherung erfordern. Die Ausgangsleistung von Vanadium-Flow-Batteriesystemen reicht typischerweise von Hunderten Watt bis Hunderten Megawatt, und die Energiekapazität reicht von Hunderten Kilowattstunden bis Hunderten Megawattstunden.

③Hohe Energieumwandlungseffizienz, schneller Start, kein Phasenwechsel

Die Energieumwandlungseffizienz ist hoch und der Übergang zwischen Lade- und Entladezustand erfolgt schnell. Die Vanadium-Flow-Batterie arbeitet bei Raumtemperatur, wobei die Elektrolytlösung zwischen den Elektrolyttanks und dem Batteriestapel zirkuliert. Während der Lade- und Entladevorgänge erfolgt die Energiespeicherung und -freisetzung durch die Änderungen des Valenzzustands der in der wässrigen Lösung gelösten Vanadiumionen, ohne dass es zu einem Phasenwechsel kommt.

Der Übergang zwischen Lade- und Entladezustand erfolgt daher schnell, wobei das Energiespeichersystem bei Energiespeichern im Megawattbereich in weniger als 100 Millisekunden von 80 % Ladung auf 80 % Entladung umschalten kann, was in erster Linie von der Übertragungsgeschwindigkeit der Steuersignale abhängt. Dadurch können Vanadium-Flow-Batterien für Amplituden- und Frequenzmodulation, die Integration erneuerbarer Energien in das Stromnetz, Nebendienstleistungen, die Spitzenlastkappung im Stromnetz und die Speicherung von Notstromenergie verwendet werden.

④Modulares Design erleichtert Systemintegration und Skalierung

Der Vanadium-Flow-Batteriestapel wird aus mehreren Einzelzellen zusammengesetzt, die wie eine Filterpresse gestapelt sind. Derzeit liegt die Nennleistung eines industrialisierten Einzelzellenstapels im Allgemeinen zwischen 30 und 80 kW. Das Energiespeichersystem besteht typischerweise aus mehreren modularen Einheiten mit jeweils einer Nennleistung von etwa 500 kW. Im Vergleich zu anderen Batterien haben Vanadium-Flow-Batteriestapel und Energiespeichersystemmodule eine hohe Nennleistung, eine gute Gleichmäßigkeit und sind einfacher zu integrieren und zu skalieren.

2. Einschränkungen von Vanadium-Flow-Batterien

①Systemkomplexität

Das Energiespeichersystem besteht aus mehreren Subsystemen, was es komplex macht.

②Energieunterstützungsausrüstung

Um einen kontinuierlichen stabilen Betrieb zu gewährleisten, benötigt das Energiespeichersystem zusätzliche Geräte wie Elektrolytumwälzpumpen, elektronische Steuergeräte, Belüftungssysteme und Elektrolyttemperaturkontrollsysteme, die wiederum mit Strom versorgt werden müssen. Daher sind Vanadium-Flow-Batteriesysteme im Allgemeinen nicht für Energiespeichersysteme im kleinen Maßstab geeignet.

③Geringere Energiedichte

Aufgrund der begrenzten Löslichkeit von Vanadiumionen und anderer Faktoren haben Vanadium-Flow-Batterien eine geringere Energiedichte. Sie eignen sich eher für stationäre Energiespeicherstationen, bei denen Volumen und Gewicht keine wesentlichen Einschränkungen darstellen, sind jedoch nicht für den Einsatz als mobile Stromquellen oder für dynamische Batterien geeignet.

3. Lebenszykluskostenanalyse von Vanadium-Flow-Batterien

Das folgende Diagramm veranschaulicht die geschätzten Lebenszykluskosten von Vanadium-Redox-Flow-Batterie-Energiespeichersystemen mit 4-stündiger und 10-stündiger Speicherdauer.

① Tatsächliche Kostenschätzung für ein 1 MW/10 MWh Vanadium-Flow-Batterie-Energiespeichersystem:

② Tatsächliche Kostenschätzung für ein 1 MW/10 MWh Vanadium-Flow-Batterie-Energiespeichersystem:

Daher gilt bei Energiespeichersystemen mit Vanadium-Redox-Batterien: Je länger die Energiespeicherdauer, desto geringer sind die Gesamtkosten über die gesamte Lebensdauer.

4. Zusammensetzung der Industriekette

Die Industriekette der Vanadium-Flow-Batterie umfasst vorgelagerte Materialien, Batterieherstellung, Moduldesign und Systemintegration. Die derzeit erforschte Hauptflussbatterie ist die Vanadium-Flow-Batterie. Zu den vorgelagerten Rohstoffen gehören hauptsächlichVanadiumpentoxid (V2O5)UndPerfluorsulfonsäuremembranen. Der Midstream umfasst die Entwicklung und Herstellung von Vanadium-Flow-Batteriespeichersystemen, die aus Komponenten wieWechselrichter,intelligente Controller,Brennstoffstapel,Membranen,Elektrolyt, UndLagertanksDie kritischsten Komponenten sind dabei dieBrennstoffstapelUndElektrolyt. Zu den nachgelagerten Anwendungen zählen die Stromerzeugung durch Windkraft und Photovoltaik, die Kappung von Netzspitzen und mehr.

Vanadiumerz und Vanadiumverarbeitung

Vanadium ist ein lithophiles Element, das typischerweise in dispergiertem Zustand in Erzen vorkommt. Seine natürlichen Verbreitungsmerkmale sind große Reserven, weitverbreitete Verbreitung und ein geringer Gehalt.Vanadium-Titan-Magnetitist das am häufigsten vorkommende Vanadium enthaltende Erz. Dieses Mineral kommt weltweit vor und ist derzeit die wichtigste Vanadiumquelle mit einem Anteil von über85 % der weltweiten jährlichen Vanadiumproduktion.