Explicación de las baterías de flujo de vanadio: un punto de inflexión para el almacenamiento de energía renovable

Recientemente, el proyecto de baterías de flujo de vanadio de Horizon Power para Kununurra ha sido tendencia en Internet. Pero, ¿por qué los proyectos de baterías de flujo de vanadio se están volviendo cada vez más frecuentes? Para entender esto, deberíamos comenzar por aprender más sobre las baterías de flujo de vanadio:

Batería de flujo de vanadio: una nueva era en el almacenamiento de energía

Una batería de flujo de vanadio (VFB) es un tipo de batería en la que tanto los electrodos positivos como los negativos utilizan soluciones de vanadio circulantes como medio de almacenamiento de energía. A través del proceso de carga y descarga, la batería permite la conversión entre energía eléctrica y energía química, almacenando y liberando así energía.

La estructura de una batería de flujo de vanadio es diferente a la de las baterías de iones de litio y de las baterías de plomo-carbono convencionales. Consta de los siguientes componentes clave: una pila (o celda individual), un tanque de electrolito positivo (que almacena el electrolito positivo), un tanque de electrolito negativo (que almacena el electrolito negativo), una bomba de circulación y un sistema de gestión. La pila está formada por múltiples celdas individuales conectadas en serie, cada una de las cuales incluye el electrodo positivo, el electrodo negativo, el separador y las placas bipolares. Varias pilas de baterías de flujo de vanadio forman un módulo de almacenamiento de energía, y varios módulos juntos constituyen un sistema o estación de almacenamiento de energía completo.

Principio de almacenamiento de energía en baterías de flujo de vanadio

Los iones de vanadio existen en cuatro estados de valencia diferentes. El material de almacenamiento de energía activa en los electrolitos positivo y negativo de una batería de flujo de vanadio son los iones de vanadio. El proceso de carga y descarga se basa en los cambios en los estados de valencia de los iones de vanadio en los electrolitos positivo y negativo, logrando el almacenamiento y la liberación de energía.

1. Durante la carga:En el electrolito positivo, los iones de vanadio en el estado de valencia +4 se oxidan al estado +5, perdiendo un electrón y generando dos iones de hidrógeno. En el electrolito negativo, los iones de vanadio en el estado de valencia +3 ganan un electrón y se reducen al estado +2, consumiendo un ion de hidrógeno.

2. Durante la descarga:En el electrolito positivo, los iones de vanadio en el estado de valencia +5 se reducen al estado +4, ganando un electrón y consumiendo dos iones de hidrógeno. En el electrolito negativo, los iones de vanadio en el estado +2 se oxidan al estado +3, liberando un ion de hidrógeno.

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El proceso anterior muestra que durante la carga, los iones de hidrógeno migran del lado positivo al negativo, mientras que durante la descarga, el proceso se invierte. La reacción electroquímica dentro de la batería se manifiesta como la migración de iones de hidrógeno, lo que genera una corriente eléctrica en el circuito externo.

Reacciones de los electrodos de las baterías de flujo de vanadio:

• Electrodo positivo: ${\text{VO}}_2^{+}+{\text{yo}}_2\text{EL}-y^{-}\rightleftharpoons {\text{VO}}_2^{+}+2{\text{yo}}^{+}$, $Y_0=1.004V$

• Electrodo negativo: ${\text{V}}^{3+}+y^{-}\rightleftharpoons {\text{V}}^{2+}$, $Y_0=-\mathrm{0,255}V$

• Reacción general: ${\text{VO}}_2^{+}+{\text{V}}^{3+}+{\text{yo}}_2\text{EL}\rightleftharpoons {\text{VO}}_2^{+}+{\text{V}}^{2+}+2{\text{yo}}^{+}$, $Y_0=1.259V$

Debido a su alta seguridad, capacidad de almacenamiento de energía a gran escala, ciclo de vida prolongado de carga y descarga, electrolito reciclable, rentabilidad durante todo su ciclo de vida y respeto al medio ambiente, las baterías de flujo de vanadio (VFB) han ganado una creciente atención mundial en los últimos años. La investigación, el desarrollo y las aplicaciones de ingeniería de los sistemas de almacenamiento de energía VFB han logrado un progreso significativo, con un rápido desarrollo, mejora de la tecnología, reducción de costos y entrada en la etapa de industrialización y aplicación generalizada, presentando un enorme potencial de mercado.

2. Características técnicas de las baterías de flujo de vanadio

Ventajas técnicas

①Seguridad intrínseca y respeto al medio ambiente

Los sistemas de almacenamiento de energía con baterías de flujo de vanadio son intrínsecamente seguros y confiables en su funcionamiento, con un ciclo de vida respetuoso con el medio ambiente. El electrolito de las baterías de flujo de vanadio consiste en una solución acuosa de iones de vanadio en ácido sulfúrico diluido. Siempre que el voltaje de corte de carga y descarga se controle adecuadamente y el sistema de baterías se almacene en un espacio bien ventilado, es inherentemente seguro sin riesgo de incendio o explosión. El electrolito circula dentro de un espacio sellado y, por lo general, no produce contaminantes ambientales durante su uso ni se contamina con impurezas externas.

Además, tanto los electrolitos positivos como los negativos de la batería de flujo de vanadio utilizan iones de vanadio, lo que evita la degradación irreversible de la capacidad debido a la mezcla de los electrolitos positivos y negativos. A lo largo de los años de funcionamiento, la degradación de la capacidad causada por reacciones secundarias menores y la ligera mezcla acumulada de los electrolitos positivos y negativos se puede regenerar y reutilizar mediante la regeneración en línea o fuera de línea.

La pila y el sistema están compuestos principalmente de materiales de carbono, plásticos y metales. Cuando se desmantela un sistema de batería de flujo de vanadio, los materiales metálicos se pueden reciclar y los materiales de carbono y plásticos se pueden utilizar como combustible. Por lo tanto, todo el ciclo de vida de un sistema de batería de flujo de vanadio es seguro, tiene una carga ambiental mínima y es muy respetuoso con el medio ambiente.

②Capacidad de energía y potencia de salida independientes

La potencia de salida y la capacidad energética de los sistemas de almacenamiento de energía con baterías de flujo de vanadio son independientes entre sí, con un diseño e instalación flexibles, lo que los hace adecuados para el almacenamiento de energía a gran escala, de alta capacidad y de larga duración.

Como se muestra en la Figura 1, la potencia de salida de un sistema de batería de flujo de vanadio está determinada por el tamaño y la cantidad de pilas de baterías, mientras que la capacidad energética está determinada por el volumen del electrolito. Para aumentar la potencia de salida, se puede aumentar el área de electrodos de la pila de baterías o se puede aumentar la cantidad de pilas. Para aumentar la capacidad energética, se puede aumentar el volumen del electrolito. Esto hace que las baterías de flujo de vanadio sean particularmente adecuadas para aplicaciones que requieren almacenamiento de energía a gran escala, de alta capacidad y de larga duración. La potencia de salida de los sistemas de baterías de flujo de vanadio generalmente varía de cientos de vatios a cientos de megavatios, y la capacidad energética varía de cientos de kilovatios-hora a cientos de megavatios-hora.

③Alta eficiencia de conversión de energía, arranque rápido, sin cambio de fase

La eficiencia de conversión de energía es alta y la transición entre los estados de carga y descarga es rápida. La batería de flujo de vanadio funciona a temperatura ambiente, con la solución electrolítica circulando entre los tanques de electrolitos y la pila de baterías. Durante los procesos de carga y descarga, el almacenamiento y la liberación de energía se producen a través de los cambios en el estado de valencia de los iones de vanadio disueltos en la solución acuosa, sin ningún cambio de fase.

De esta manera, la transición entre los estados de carga y descarga es rápida, y el sistema de almacenamiento de energía a escala de megavatios puede pasar del 80 % de carga al 80 % de descarga en menos de 100 milisegundos, lo que depende principalmente de la velocidad de transmisión de las señales de control. Esto permite utilizar baterías de flujo de vanadio para modulación de amplitud y frecuencia, integración en la red de energía renovable, servicios auxiliares, reducción de picos de demanda para la red eléctrica y almacenamiento de energía de respaldo de emergencia.

④El diseño modular facilita la integración y el escalamiento del sistema

La pila de baterías de flujo de vanadio se ensambla a partir de múltiples celdas individuales apiladas en un sistema de filtro prensa. Actualmente, la potencia nominal de salida de una pila de celda individual industrializada generalmente está entre 30 y 80 kW. El sistema de almacenamiento de energía generalmente consta de múltiples unidades modulares, cada una con una potencia nominal de salida de alrededor de 500 kW. En comparación con otras baterías, las pilas de baterías de flujo de vanadio y los módulos del sistema de almacenamiento de energía tienen una gran potencia nominal de salida, buena uniformidad y son más fáciles de integrar y ampliar.

2. Limitaciones de las baterías de flujo de vanadio

①Complejidad del sistema

El sistema de almacenamiento de energía está compuesto de múltiples subsistemas, lo que lo hace complejo.

②Equipos de apoyo energético

Para garantizar un funcionamiento estable y continuo, el sistema de almacenamiento de energía requiere equipos adicionales, como bombas de circulación de electrolitos, dispositivos de control electrónico, sistemas de ventilación y sistemas de control de temperatura de electrolitos, que a su vez deben recibir energía. Como resultado, los sistemas de baterías de flujo de vanadio generalmente no son adecuados para sistemas de almacenamiento de energía a pequeña escala.

③Densidad energética más baja

Debido a las limitaciones de la solubilidad del ion de vanadio y otros factores, las baterías de flujo de vanadio tienen una densidad energética menor. Son más adecuadas para estaciones de almacenamiento de energía fijas donde el volumen y el peso no son limitaciones significativas, pero no son adecuadas para su uso como fuentes de energía móviles o para baterías dinámicas.

3. Análisis del costo del ciclo de vida de las baterías de flujo de vanadio

El siguiente diagrama ilustra los costos estimados del ciclo de vida de los sistemas de almacenamiento de energía con baterías de flujo de vanadio con duraciones de almacenamiento de 4 y 10 horas.

① Estimación del costo real del sistema de almacenamiento de energía con batería de flujo de vanadio de 1 MW/10 MWh:

② Estimación del costo real del sistema de almacenamiento de energía con batería de flujo de vanadio de 1 MW/10 MWh:

Por lo tanto, para los sistemas de almacenamiento de energía con baterías de flujo de vanadio, cuanto mayor sea la duración del almacenamiento de energía, menor será el costo general del ciclo de vida.

4. Composición de la cadena industrial

La cadena industrial de baterías de flujo de vanadio incluye materiales de primera línea, fabricación de baterías, diseño de módulos e integración de sistemas. La batería de flujo de líquido convencional que se está investigando actualmente es la batería de flujo de vanadio. Sus materias primas de primera línea incluyen principalmentepentóxido de vanadio (V2O5)ymembranas de ácido perfluorosulfónicoEl proceso intermedio implica el diseño y la fabricación de sistemas de almacenamiento de baterías de flujo de vanadio, que constan de componentes comoinversores,controladores inteligentes,pilas de combustible,membranas,electrólito, yTanques de almacenamientoEntre estos, los componentes más críticos son lospila de combustibleyelectrólitoLas aplicaciones posteriores incluyen la generación de energía eólica, la generación de energía fotovoltaica, la reducción de picos de energía en la red y más.

Mineral de vanadio y procesamiento de vanadio

El vanadio es un elemento litófilo que se encuentra generalmente en estado disperso en los minerales. Sus características de distribución natural son grandes reservas, amplia distribución y bajo contenido.Magnetita de vanadio y titanioEs el mineral que contiene vanadio más común. Este mineral se encuentra en todo el mundo y actualmente es la principal fuente de vanadio, representando más de85% de la producción anual mundial de vanadio.