Ванадиевые редокс-батареи уже сегодня?

Ванадиевая редокс-батарея (она же – ванадиевая проточная батарея) – тип перезаряжаемых проточных батарей, использующих ионы ванадия в различных степенях окисления для хранения химической энергии. Ванадиевая проточная батарея использует способность ванадия сохраняться в растворе в четырех разных степенях окисления, и применяет это свойство в батарее, нуждающейся в одном электрически активном элементе, а не в двух. По нескольким причинам, включающим их крупные габариты, большинство ванадиевых батарей используются для накопления энергии в электросетях, будучи подключенными к электростанциям или электросетям.

Ванадиевая редокс-батарея:

• Удельная энергия: 10-20 В*ч/кг (36-72 Дж/г)
• Плотность энергии: 15-25 В*ч/л (54-65 кДж/л)
• КПД зарядки/разрядки: 75-80 %+
• Срок службы: 20-30 лет
• Количество циклов: 100000+
• Номинальное напряжение элемента: 1,15-1,55 В

Возможность создания ванадиевой проточной батареи была в разной степени исследована Антуаном Писсуром в 1930-х годах, исследователями НАСА и учеными Пеллигри и Спацианте в 1970-х, но никто из них не смог продемонстрировать эту технологию. Первым, кто успешно продемонстрировал полностью ванадиевую проточную редокс-батарею, использующую ванадий, растворенный в серной кислоте в каждой из половин, стала Мария Скиллас-Казакос из Университета Южного Уэльса в 1980-х годах. Ее концепт использовал серную кислоту как электролит, и был запатентован Университетом Южного Уэльса в Австралии в 1986 году.

Главными преимуществами ванадиевой проточной батареи являются:

1. Почти неограниченная энергоемкость за счет простого увеличения емкости для хранения электролита
2. Способность без последствий переносить длительные периоды в разряженном состоянии
3. Отсутствие ущерба в случае случайного смешения электролитов
4. Невозможность уменьшения емкости отдельных элементов в непроточных батареях за счет единого состояния заряда между двумя электролитами;
5. Безопасность и невоспламеняемость электролита (воды)
6. Использование формулы раствора третьего поколения (смесь кислот), разработанной Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией, который работает при более широком диапазоне температур и дает возможность пассивного охлаждения.

Главными недостатками ванадиевой проточной технологии являются относительно небольшая удельная объемная энергия в сравнении со стандартными аккумуляторными батареями (хотя формулировка третьего поколения утверждает об удвоении энергетической плотности системы), а также – то, что водный электролит увеличивает вес батареи, а значит – делает ее эффективной только для стационарного использования.

Многие компании и организации вовлечены в финансирование и разработку ванадиевых редокс-батарей, среди них – «Vions» (бывшая «Premium Power»), «UniEnergy Technologies» и «Ashlawn Energy» в США; «Renewable Energy Dynamics Technology» в Ирландии; «Gildemeister AG» (ранее – «Cellstrom GmbH» в Австрии, энергетическое подразделение сейчас расформировано) в Германии; «Cellennium» в Тайской энергокомпании; «Prudent Energy» в Китае; «Sumitomo» в Японии; «H2, Inc.» в Южной Корее; «redT.» в Британии; «Australian Vanadium» в Австралии и ныне не существующая «Imergy» (бывшая «Deeya»). Чуть позже несколько ванадиевых проточных редокс-батарей было приобретено для жилищных нужд. Основными клиентами стали американская компания «StorEn Technologies» и немецкие «Schmid Group» и «VoltStorage».

Эксплуатация

Ванадиевая редокс-батарея состоит из ряда элементов питания, где два электролита разделены мембраной протонного обмена. Оба электролита – на основе ванадия: электролит в положительно заряженном электроде сравнения содержит ионы VO2+ и VO2+, а в негативно заряженном – ионы V3+ и V2+. Электролит может быть создан за счет любого из нескольких процессов, включая электролитическую диссоциацию оксида ванадия (V) (V2O5) в серной кислоте (H2SO4). Раствор при работе остается крайне кислым.

В ванадиевых проточных батареях оба электрода сравнения дополнительно подключены к емкостям для хранения и насосам, чтобы очень большие объемы электролита могли циркулировать сквозь элемент. Циркуляция жидкого электролита несколько затрудняется и ограничивает использование ванадиевых проточных батарей в требующих мобильности отраслях, делая их эффективными в крупных стационарных зданиях.

Когда ванадиевая батарея заряжена, ионы VO2+ в положительно заряженном электроде сравнения превращаются в ионы VO2+, когда электроны отсоединяются от положительной клеммы батареи. Сходным образом в негативном электроде сравнения электроны преобразуют ионы V3+ в V2+. Во время разряда этот процесс происходит в обратном направлении, что дает напряжение в разомкнутой цепи в 1,41 В при 25С.

Среди других полезных свойств ванадиевых проточных батарей – очень быстрый отклик на изменения нагрузки и крайне высокая перегрузочная способность. Исследования в Университете Нового Южного Уэльса показали, что они могут достигать времени отклика в меньше половины миллисекунды при 100 % изменении нагрузки и выдерживать перегрузку в 400 % длительностью свыше 10 секунд. Время отклика в большинстве случаев ограничено электрическим оборудованием. Ванадиевые батареи на основе серной кислоты работают только при температурах в 10-40C. Если температура ниже этого диапазона – ионы серной кислоты кристаллизуются. КПД при возвратно-поступательном движении в повседневном применении сохраняется на уровне 65-75 %.

Предлагаемые улучшения

Ванадиевые редокс-батареи второго поколения (ванадиево-бромные) могут примерно вдвое увеличить плотность энергии и нарастить температурный диапазон, при котором батарея сможет работать.

Несмотря на стандартную потребность в накачке, компания «nanoFlowcell AG» разработала патентованную систему хранения энергии для электротранспорта, продемонстрированную на нескольких прототипах электромобиля «Quant», использующих быструю замену электролита для перезаправки батареи.

Удельная энергия и плотность энергии

Произведенные на сегодняшний день ванадиевые редокс-батареи достигают уровня удельной энергии около 20 Вт*ч/кг (72 кДж/кг) при наличии электролита. Более свежие исследования Университета Нового Южного Уэльса показали, что использование ингибитора осадков может увеличить плотность примерно до 35 Вт*чкг (126 кДж/кг), а путем контроля температуры электролита возможно добиться еще больших показателей. Удельная энергия – достаточно низка по сравнению с другими типами перезаряжаемых батарей (к примеру, у свинцово-кислой – 30-40 Вт*ч/кг (108-144 кДж/кг), у ионно-литиевой – 80-200 Вт-ч/кг (288-720 кДж/кг)).

Области применения

Сверхвысокая емкость, характерная для ванадиевых редокс-батарей, делает их отлично подходящими для использования в отраслях, требующих хранения больших объемов энергии. Например, помощь в уравновешивании объема производства таких источников энергии типа ветряной или солнечной или помощь генераторам в погашении больших скачков энергии при необходимости или уравновешивании поставок и потребности в энергии для удаленных районов.

Ограниченные характеристики саморазряда для ванадиевых редокс-батарей делают их полезными в тех отраслях, где батареи должны храниться долгое время с минимальным обслуживанием и состоянием готовности. Это привело к их употреблению в некоторых видах военной электроники, например, в датчиках системы минирования «GATOR». Их способность к полному циклу и нахождению в состоянии 0 заряда делает их подходящими для солнечной энергетики и тех отраслей, где батареи должны начинать день пустыми и заряжаться в зависимости от загрузки и погоды. К примеру, ионно-литиевые батареи зачастую повреждаются, когда им дают разрядку ниже 20 % от объема, поэтому чаще всего они работают в диапазоне от 20 до 100 %, что означает, что они могут использовать лишь 20 % своей номинальной емкости.

Их крайне быстрое время отклика также делает их практически незаменимыми для источников бесперебойного питания, где они могут использоваться вместо свинцово-кислых батарей и даже дизельных генераторов. Также быстрое время отклика делает их подходящими для управления частотой. На данный момент ни ИБП, ни меры по управлению частотой не эффективны сами по себе, но, вероятнее всего, батарея сможет найти получить применения в этих отраслях при капитализации из различных источников финансирования. Помимо этого, эти возможности делают ванадиевые редокс-батареи эффективным «цельным» решениям для малых электросетей, зависимых от надежной работы, управления частотой и нуждающихся в переключении нагрузки (как от высокой степени проникновения возобновляемых источников энергии, сильно изменяющейся нагрузки или желания оптимизировать КПД генератора с помощью смещения времени реагирования).

Крупнейшие рабочие ванадиевые редокс-батареи

Подстанция «Минами Хайакита»:

• Дата запуска: декабрь 2015 года
• Энергия: 60 МВт*ч
• Мощность: 15 МВт
• Время работы: 4 часа
• Страна: Япония

Вонюши, провинция Ляонин

• Дата запуска: н/д
• Энергия: 10 МВт*ч
• Мощность: 5 МВт
• Время работы: 2 часа
• Страна: Китай

Ветропарк Томамаэ

• Дата запуска: 2005 год
• Энергия: 6 МВт*ч
• Мощность: 4 МВт
• Время работы: 1 час 30 минут
• Страна: Япония

Проект «Чжанбей»

• Дата запуска 2016 год
• Энергия: 8 МВт*ч
• Мощность: 2 МВт
• Время работы: 4 часа.
• Страна: Китай

Проект «SnoPUD MESA 2»

• Дата запуска: март 2017 года
• Энергия: 8 МВт*ч
• Мощность: 2 МВт
• Время работы: 4 часа.
• Страна: США

Подстанция в Эскондидо

• Дата запуска: 2017 год
• Энергия: 8 МВт*ч
• Мощность: 2 МВт
• Время работы: 4 часа.
• Страна: США

Подстанция в Пулмане (штат Вашингтон)

• Дата запуска: апрель 2015 года
• Энергия: 4 МВт*ч
• Мощность: 1 МВт
• Время работы: 4 часа
• Страна: США

К 2018 году ожидается завершение разработки ванадиевой редокс-батареи в Китае. Ее энергия составит 800 МВт*ч, мощность – 200 МВт, а время работы – 4 часа.