شرح بطاريات تدفق الفاناديوم: تغيير جذري في مجال تخزين الطاقة المتجددة

في الآونة الأخيرة، كان مشروع بطارية تدفق الفاناديوم لشركة الأفق قوة في كونونورا رائجًا عبر الإنترنت. ولكن لماذا أصبحت مشاريع بطارية تدفق الفاناديوم أكثر انتشارًا؟ لفهم هذا، يجب أن نبدأ بتعلم المزيد عن بطاريات تدفق الفاناديوم:

بطارية تدفق الفاناديوم: عصر جديد في تخزين الطاقة

بطارية تدفق الفاناديوم (في اف بي) هي نوع من البطاريات حيث يستخدم كل من الأقطاب الموجبة والسالبة محاليل الفاناديوم المتداولة كوسيلة لتخزين الطاقة. ومن خلال عملية الشحن والتفريغ، تمكن البطارية من التحويل بين الطاقة الكهربائية والطاقة الكيميائية، وبالتالي تخزين وإطلاق الطاقة.

تختلف بنية بطارية تدفق الفاناديوم عن بطاريات الليثيوم أيون التقليدية وبطاريات الرصاص والكربون. فهي تتكون من المكونات الرئيسية التالية: كومة (أو خلية فردية)، وخزان إلكتروليت موجب (يخزن الإلكتروليت الموجب)، وخزان إلكتروليت سالب (يخزن الإلكتروليت السالب)، ومضخة دائرية، ونظام إدارة. تتكون الكومة من خلايا فردية متعددة متصلة على التوالي، كل منها يتضمن القطب الموجب والقطب السالب والفاصل واللوحات ثنائية القطب. تشكل مجموعات بطاريات تدفق الفاناديوم المتعددة وحدة تخزين طاقة، وتشكل الوحدات المتعددة معًا نظامًا أو محطة تخزين طاقة كاملة.

مبدأ تخزين الطاقة في بطاريات التدفق الفاناديوم

توجد أيونات الفاناديوم في أربع حالات تكافؤ مختلفة. مادة تخزين الطاقة النشطة في الإلكتروليتات الموجبة والسالبة لبطارية تدفق الفاناديوم هي أيونات الفاناديوم. تعتمد عملية الشحن والتفريغ على التغيرات في حالات التكافؤ لأيونات الفاناديوم في كل من الإلكتروليتات الموجبة والسالبة، مما يحقق تخزين الطاقة وإطلاقها.

1. أثناء الشحن:في الإلكتروليت الموجب، تتأكسد أيونات الفاناديوم في حالة التكافؤ +4 إلى الحالة +5، فتفقد إلكترونًا وتولد أيونين هيدروجين. في الإلكتروليت السالب، تكتسب أيونات الفاناديوم في حالة التكافؤ +3 إلكترونًا وتختزل إلى الحالة +2، فتستهلك أيون هيدروجين واحدًا.

2. أثناء التفريغ:في الإلكتروليت الموجب، يتم اختزال أيونات الفاناديوم في حالة التكافؤ +5 إلى الحالة +4، فتكتسب إلكترونًا وتستهلك أيونين هيدروجين. في الإلكتروليت السالب، يتم أكسدة أيونات الفاناديوم في الحالة +2 إلى الحالة +3، فتطلق أيون هيدروجين واحد.

3. 
   

تظهر العملية أعلاه أنه أثناء الشحن، تنتقل أيونات الهيدروجين من الجانب الموجب إلى الجانب السالب، بينما أثناء التفريغ، تنعكس العملية. يتجلى التفاعل الكهروكيميائي داخل البطارية في هجرة أيونات الهيدروجين، مما يولد تيارًا كهربائيًا في الدائرة الخارجية.

تفاعلات الأقطاب الكهربائية لبطاريات التدفق الفاناديوم:

• القطب الموجب: ${\text{تعليق صوتي}}_2^{+}+{\text{ح}}_2\text{ال}-{و}^{-}\rightleftharpoons {\text{تعليق صوتي}}_2^{+}+2{\text{ح}}^{+}$, ${و}_0=1.004V$

• القطب السالب: ${\text{V}}^{3+}+{و}^{-}\rightleftharpoons {\text{V}}^{2+}$, ${و}_0=-0.255V$

• رد الفعل العام: ${\text{تعليق صوتي}}_2^{+}+{\text{V}}^{3+}+{\text{ح}}_2\text{ال}\rightleftharpoons {\text{تعليق صوتي}}_2^{+}+{\text{V}}^{2+}+2{\text{ح}}^{+}$, ${و}_0=1.259V$

بفضل سلامتها العالية وقدرتها على تخزين الطاقة على نطاق واسع ودورة الشحن والتفريغ الطويلة وإمكانية إعادة تدوير الإلكتروليت وفعاليتها من حيث التكلفة طوال دورة حياتها وصديقتها للبيئة، اكتسبت بطاريات تدفق الفاناديوم (شركات الطيران) اهتمامًا عالميًا متزايدًا في السنوات الأخيرة. لقد أحرزت تطبيقات البحث والتطوير والهندسة لأنظمة تخزين الطاقة في اف بي تقدمًا كبيرًا، مع التطور السريع وتحسين التكنولوجيا وخفض التكاليف ودخول مرحلة التصنيع والتطبيق الواسع النطاق، مما يمثل إمكانات سوقية هائلة.

2. الخصائص التقنية لبطاريات تدفق الفاناديوم

المزايا التقنية

①السلامة الجوهرية والود البيئي

إن أنظمة تخزين طاقة بطاريات تدفق الفاناديوم آمنة وموثوقة بطبيعتها في التشغيل، مع دورة حياة صديقة للبيئة. يتكون الإلكتروليت في بطاريات تدفق الفاناديوم من محلول مائي من أيونات الفاناديوم في حمض الكبريتيك المخفف. طالما يتم التحكم في جهد قطع الشحن والتفريغ بشكل صحيح ويتم تخزين نظام البطارية في مساحة جيدة التهوية، فهو آمن بطبيعته دون خطر نشوب حريق أو انفجار. يتم تداول الإلكتروليت داخل مساحة محكمة الغلق ولا ينتج عادةً ملوثات بيئية أثناء الاستخدام، ولا يتلوث بالشوائب الخارجية.

بالإضافة إلى ذلك، يستخدم كل من الإلكتروليتات الموجبة والسالبة في بطارية تدفق الفاناديوم أيونات الفاناديوم، مما يمنع تدهور السعة غير القابل للعكس من اختلاط الإلكتروليتات الموجبة والسالبة. على مدار سنوات التشغيل، يمكن تجديد تدهور السعة الناجم عن التفاعلات الجانبية البسيطة والاختلاط الطفيف التراكمي للإلكتروليتات الموجبة والسالبة وإعادة استخدامها من خلال التجديد عبر الإنترنت أو دون الاتصال بالإنترنت.

تتكون المجموعة والنظام بشكل أساسي من مواد كربونية وبلاستيك ومعادن. عندما يتم إيقاف تشغيل نظام بطارية تدفق الفاناديوم، يمكن إعادة تدوير المواد المعدنية، ويمكن استخدام المواد الكربونية والبلاستيكية كوقود. وبالتالي، فإن دورة حياة نظام بطارية تدفق الفاناديوم بالكامل آمنة، ولديها حمولة بيئية ضئيلة، وصديقة للبيئة للغاية.

②طاقة الإخراج المستقلة وسعة الطاقة

إن طاقة الإخراج وسعة الطاقة لأنظمة تخزين طاقة بطارية تدفق الفاناديوم مستقلة عن بعضها البعض، مع تصميم وتركيب مرن، مما يجعلها مناسبة لتخزين الطاقة على نطاق واسع وعالي السعة وطويلة الأمد.

كما هو موضح في الشكل 1، يتم تحديد طاقة الخرج لنظام بطارية تدفق الفاناديوم من خلال حجم وعدد مجموعات البطاريات، في حين يتم تحديد سعة الطاقة من خلال حجم الإلكتروليت. لزيادة طاقة الخرج، يمكن زيادة مساحة القطب الكهربائي لمجموعة البطاريات أو زيادة عدد المجموعات. لزيادة سعة الطاقة، يمكن زيادة حجم الإلكتروليت. هذا يجعل بطاريات تدفق الفاناديوم مناسبة بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب تخزين طاقة واسع النطاق وعالي السعة وطويل الأمد. تتراوح طاقة الخرج لأنظمة بطارية تدفق الفاناديوم عادةً من مئات الواط إلى مئات الميجاواط، وتتراوح سعة الطاقة من مئات الكيلوواط في الساعة إلى مئات الميجاواط في الساعة.

③كفاءة تحويل الطاقة العالية، بدء التشغيل السريع، عدم حدوث تغيير في الطور

كفاءة تحويل الطاقة عالية، والانتقال بين حالات الشحن والتفريغ سريع. تعمل بطارية تدفق الفاناديوم في درجة حرارة الغرفة، مع تداول محلول الإلكتروليت بين خزانات الإلكتروليت ومكدس البطارية. أثناء عمليات الشحن والتفريغ، يحدث تخزين الطاقة وإطلاقها من خلال التغييرات في الحالة التكافؤية لأيونات الفاناديوم المذابة في المحلول المائي، دون أي تغيير في الطور.

وبالتالي، فإن الانتقال بين حالتي الشحن والتفريغ سريع، حيث يستطيع نظام تخزين الطاقة في تخزين الطاقة بمقياس ميغاواط التحول من 80% شحن إلى 80% تفريغ في أقل من 100 ميلي ثانية، وهو ما يتحدد في المقام الأول بسرعة نقل إشارات التحكم. وهذا يسمح باستخدام بطاريات تدفق الفاناديوم في تعديل السعة وتعديل التردد، ودمج شبكة الطاقة المتجددة، والخدمات المساعدة، وتقليص ذروة الشبكة الكهربائية، وتخزين الطاقة الاحتياطية في حالات الطوارئ.

④التصميم المعياري يسهل تكامل النظام وتوسيعه

يتم تجميع مجموعة بطاريات تدفق الفاناديوم من خلايا مفردة متعددة مكدسة بطريقة الضغط بالترشيح. حاليًا، تتراوح الطاقة الناتجة المقدرة لمجموعة الخلايا المفردة الصناعية عمومًا بين 30 و80 كيلو وات. يتكون نظام تخزين الطاقة عادةً من وحدات معيارية متعددة، كل منها بقوة خرج مقدرة تبلغ حوالي 500 كيلو وات. بالمقارنة مع البطاريات الأخرى، تتمتع مجموعات بطاريات تدفق الفاناديوم ووحدات نظام تخزين الطاقة بقوة خرج مقدرة كبيرة وتوحيد جيد، كما أنها أسهل في التكامل والتوسع.

2. حدود بطاريات تدفق الفاناديوم

①تعقيد النظام

يتكون نظام تخزين الطاقة من أنظمة فرعية متعددة، مما يجعله معقدًا.

②معدات دعم الطاقة

لضمان التشغيل المستقر المستمر، يتطلب نظام تخزين الطاقة معدات إضافية مثل مضخات دوران الإلكتروليت وأجهزة التحكم الإلكترونية وأنظمة التهوية وأنظمة التحكم في درجة حرارة الإلكتروليت، والتي تحتاج بدورها إلى الطاقة. ونتيجة لذلك، فإن أنظمة بطاريات تدفق الفاناديوم غير مناسبة بشكل عام لأنظمة تخزين الطاقة على نطاق صغير.

③انخفاض كثافة الطاقة

نظرًا للقيود المفروضة على قابلية ذوبان أيونات الفاناديوم وعوامل أخرى، فإن بطاريات تدفق الفاناديوم تتمتع بكثافة طاقة أقل. وهي أكثر ملاءمة لمحطات تخزين الطاقة الثابتة حيث لا يشكل الحجم والوزن قيودًا كبيرة ولكنها غير مناسبة للاستخدام كمصدر طاقة متنقلة أو للبطاريات الديناميكية.

3. تحليل تكلفة دورة حياة بطاريات تدفق الفاناديوم

يوضح الرسم البياني التالي تكاليف دورة الحياة المقدرة لأنظمة تخزين طاقة بطاريات تدفق الفاناديوم مع فترات تخزين مدتها 4 ساعات و10 ساعات.

① تقدير التكلفة الفعلية لنظام تخزين الطاقة ببطارية تدفق الفاناديوم 1 ميجاوات/10 ميجاوات في الساعة:

② تقدير التكلفة الفعلية لنظام تخزين الطاقة ببطارية تدفق الفاناديوم 1 ميجاوات/10 ميجاوات في الساعة:

لذلك، بالنسبة لأنظمة تخزين طاقة بطاريات تدفق الفاناديوم، كلما طالت مدة تخزين الطاقة، انخفضت التكلفة الإجمالية لدورة الحياة.

4. تكوين سلسلة الصناعة

تتضمن سلسلة صناعة بطاريات تدفق الفاناديوم المواد الأولية وتصنيع البطاريات وتصميم الوحدات وتكامل النظام. بطارية تدفق السائل السائدة التي يتم البحث عنها حاليًا هي بطارية تدفق الفاناديوم. تشمل المواد الخام الأولية الخاصة بها بشكل أساسيخامس أكسيد الفاناديوم (V2O5)وأغشية حمض البيرفلورو سلفونيك. يتضمن منتصف الطريق تصميم وتصنيع أنظمة تخزين بطاريات تدفق الفاناديوم، والتي تتكون من مكونات مثلالعاكسات,وحدات تحكم ذكية,مداخن الوقود,الأغشية,المنحل بالكهرباء، وخزانات التخزينومن بين هذه المكونات الأكثر أهمية هيكومة الوقودوالمنحل بالكهرباءوتشمل التطبيقات اللاحقة توليد طاقة الرياح، وتوليد الطاقة الكهروضوئية، وتقليص ذروة الشبكة، والمزيد.

خام الفاناديوم ومعالجة الفاناديوم

الفاناديوم هو عنصر محب للصخور، ويوجد عادة في صورة متناثرة في الخامات. وتتمثل خصائص توزيعه الطبيعية في الاحتياطيات الكبيرة والتوزيع الواسع النطاق والمحتوى المنخفض.المغنتيت الفاناديوم والتيتانيومهو أكثر خامات الفاناديوم شيوعًا. يوجد هذا المعدن عالميًا وهو حاليًا المصدر الأساسي للفاناديوم، حيث يمثل أكثر من85% من الإنتاج العالمي السنوي من الفاناديوم.