Почему ванадиевые проточные батареи могут стать будущим накопителей энергии для коммунальных предприятий

Ранее в этом году калифорнийская энергетическая комиссия (CEC) опубликовала заявку на финансирование исследовательских проектов по развертыванию долговременных хранилищ энергии на сумму 20 миллионов долларов. Цель состояла в том, чтобы выработать четкое понимание той роли, которую длительное хранение энергии (10 часов и более) может сыграть в содействии выполнению государственных мандатов по декарбонизации электроэнергетического сектора к 2045 году. Литий-ионные аккумуляторы были исключены из заявки.

CEC отобрал четыре проекта хранения энергии, включающих ванадиевые проточные батареи (VFB) из Северной Америки и британской компании Invinity Energy Systems plc. Все четыре объекта являются коммерческими или промышленными объектами, которые хотят самостоятельно вырабатывать энергию (например, солнечную) и в некоторых случаях имеют возможность работать вне сети. Общая мощность батарей Invinity составляет 7,8 мегаватт-часа (МВтч) в четырех проектах. Часть задачи состоит в том, чтобы иметь возможность вывести эти объекты из сети на длительный период времени, чтобы избежать перебоев в их электроснабжении во время отключений электросетей.

Что такое VFB и чем он отличается от более распространенного литий-ионного аккумулятора? 

Ванадий — это элемент, который обычно может существовать в четырех различных состояниях окисления. Это просто означает, что он может существовать в виде иона с разными зарядами. Например, ион ванадия, которому не хватает трех электронов, будет иметь заряд V3+. Если вы добавите к нему электрон, он преобразуется в ион V2+. Этот перенос электронов назад и вперед является тем, что заставляет VFB заряжаться и разряжаться, поскольку ионы ванадия в батарее колеблются от V2+ до V5+.

Это отличается от литий-ионных аккумуляторов тем, что каждый раз, когда литий заряжается и разряжается, он покрывается металлом лития и обедняет его на катоде. Хотя эта реакция почти полностью обратима, она приведет к деградации через несколько тысяч циклов, и производительность снизится.

VFB состоит из двух резервуаров с электролитом, растворенным в воде и разделенным протонной обменной мембраной. Оба электролита основаны на ванадии. По мере того как батареи заряжаются и разряжаются, ионы ванадия просто перемещаются между состояниями окисления. Это может быть сделано десятки тысяч раз за период времени, измеряемый десятилетиями, без ухудшения способности ванадиевых растворов удерживать заряд.

Каждые 10-20 лет мембрана, которую пересекают ионные частицы, будет нуждаться в замене. Опять же, это не похоже на литий-ионный аккумулятор, где вся батарея должна быть заменена. 

Литий-ионные аккумуляторы действительно имеют преимущество в плотности энергии, поэтому VFB предназначены для стационарных применений. Однако, по сравнению с литий-ионными батареями для хранения в масштабе сети, нет никакого риска пожара с VFB. Литий-ионные аккумуляторы должны быть расположены на большем расстоянии друг от друга или иметь достаточный уровень пожаротушения. Таким образом, VFB могут быть упакованы более плотно, чем литий, поэтому занимаемая площадь для работы в масштабе сети сопоставима. 

Что касается стоимости, Invinity сообщает, что они продают свои батареи по той же цене, что и Li-ion за МВтч для промышленного рынка. Преимущество VFB Invinity заключается в выравнивании стоимости с течением времени из-за десятилетий обслуживания, которые может обеспечить одно устройство. VFB может заряжать и разряжать несколько полных циклов ежедневно в течение 20 лет. Даже несмотря на то, что вы можете получить тысячи циклов с литий-ионным аккумулятором, для коммунального или коммерческого хранилища, этого может быть недостаточно, чтобы дать литий-ионному аккумулятору преимущество. 

Основная технология Invinity – «стек ячеек» в основе VFB — разработана и изготовлена в Ванкувере, Канада. Компания также имеет поставщика в Китае, который делает металлические корпуса. Однако окончательная сборка производится максимально близко к тому месту, куда доставляются проекты из-за размера установок.

Invinity имеет коммерческое применение своих VFB, установленных более чем на 40 объектах в Европе, Северной Америке, Африке, Азии и Австралии. Ниже показан проект мощностью 2 МВтч в Китае, который действует уже два года.

Подход Invinity заключается в том, чтобы взять основы химии и представить их в виде готового продукта. Они полагались на производство в больших объемах, чтобы снизить цену и получить хороший контроль качества. Некоторые производители VFB не могли поставлять дешевый продукт, потому что они не стандартизировали производство. Invinity произвела около 250 модулей с 2017 года, и в настоящее время они строят площадку, часть Energy Superhub Oxford в Великобритании, которая будет состоять из 162 модулей.

В настоящее время аккумуляторные батареи V flow имеют коммерческое применение.  Основное внимание уделяется коммерческим/промышленным приложениям, которые компенсируют периоды пиковых тарифов, немалую долю в генерации в масштабе сети, а также автономным микросетям, где люди хотят быть отключенными от сети все время или во время перебоев в подаче электроэнергии.

Ванадий является 13-м самым распространенным металлическим элементом в земной коре. Он более обилен, чем медь. Кроме того, запас ванадия в батарее может быть переработан практически бесконечно, поскольку ионы ванадия перемещаются между состояниями окисления, а не разрушаются или разлагаются. В дополнение к тому, что ванадиевый электролит бесконечно многоразовый, баланс VFB Invinity почти полностью изготовлен из обычных материалов, таких как сталь и бытовые пластмассы, которые легко перерабатываются.

В настоящее время в США имеются большие запасы ванадия, 90% поставок которого идет на производство стали. Таким образом, сталелитейные регионы, такие как Китай, в настоящее время являются крупнейшими производителями ванадия.

Литий-ионные аккумуляторы доказали, что накопление энергии может быть прибыльным, и VFB извлекли выгоду из этого прогресса. Литий-ионные аккумуляторы отлично подходят для хранения 2-4 часов энергии 50 раз в год, но VFB отлично подходят для длительных приложений, где энергия требуется каждый день; например, при попытке сделать солнечную энергию доступной по запросу круглосуточно. 

Елизавета Коробкова

Редактор ЭНЕРГОСМИ.РУ