เมื่อไม่นานนี้ โครงการแบตเตอรี่วาเนเดียมโฟลว์ของ ขอบฟ้า พลัง สำหรับ คูนูนูร์รา ได้รับความสนใจอย่างมากในอินเทอร์เน็ต แต่เหตุใดโครงการแบตเตอรี่วาเนเดียมโฟลว์จึงได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อยๆ เพื่อทำความเข้าใจเรื่องนี้ เราควรเริ่มต้นด้วยการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับแบตเตอรี่วาเนเดียมโฟลว์:
แบตเตอรี่วาเนเดียมโฟลว์: ยุคใหม่แห่งการจัดเก็บพลังงาน
แบตเตอรี่วาเนเดียมโฟลว์ (วีเอฟบี) เป็นแบตเตอรี่ชนิดหนึ่งที่ขั้วบวกและขั้วลบใช้สารละลายวาเนเดียมหมุนเวียนเป็นตัวกลางในการกักเก็บพลังงาน โดยผ่านกระบวนการชาร์จและคายประจุ แบตเตอรี่จะช่วยแปลงพลังงานไฟฟ้าและพลังงานเคมี จึงสามารถกักเก็บและปลดปล่อยพลังงานได้
โครงสร้างของแบตเตอรี่ไหลวาเนเดียมแตกต่างจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไปและแบตเตอรี่ตะกั่ว-คาร์บอน แบตเตอรี่ไหลวาเนเดียมประกอบด้วยส่วนประกอบสำคัญดังต่อไปนี้: สแต็ก (หรือเซลล์เดี่ยว) ถังอิเล็กโทรไลต์บวก (เก็บอิเล็กโทรไลต์บวก) ถังอิเล็กโทรไลต์ลบ (เก็บอิเล็กโทรไลต์ลบ) ปั๊มหมุนเวียน และระบบการจัดการ สแต็กประกอบด้วยเซลล์เดี่ยวหลายเซลล์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม โดยแต่ละเซลล์ประกอบด้วยอิเล็กโทรดบวก อิเล็กโทรดลบ ตัวคั่น และแผ่นไบโพลาร์ สแต็กแบตเตอรี่ไหลวาเนเดียมหลายชุดประกอบเป็นโมดูลจัดเก็บพลังงาน และโมดูลหลายชุดประกอบกันเป็นระบบหรือสถานีจัดเก็บพลังงานที่สมบูรณ์
หลักการกักเก็บพลังงานในแบตเตอรี่ไหลวาเนเดียม
ไอออนวาเนเดียมมีอยู่ในสถานะวาเลนซ์ที่แตกต่างกันสี่สถานะ วัสดุกักเก็บพลังงานที่ใช้งานอยู่ในอิเล็กโทรไลต์บวกและลบของแบตเตอรี่วาเนเดียมโฟลว์คือไอออนวาเนเดียม กระบวนการชาร์จและคายประจุขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงสถานะวาเลนซ์ของไอออนวาเนเดียมในอิเล็กโทรไลต์ทั้งบวกและลบ ทำให้เกิดการกักเก็บและปลดปล่อยพลังงาน
ระหว่างการชาร์จ:ในอิเล็กโทรไลต์บวก ไอออนวาเนเดียมในสถานะวาเลนซ์ +4 จะถูกออกซิไดซ์ไปเป็นสถานะ +5 โดยสูญเสียอิเล็กตรอนและสร้างไอออนไฮโดรเจนสองตัว ในอิเล็กโทรไลต์ลบ ไอออนวาเนเดียมในสถานะวาเลนซ์ +3 จะได้รับอิเล็กตรอนหนึ่งตัวและถูกทำให้ลดลงไปเป็นสถานะ +2 โดยกินไอออนไฮโดรเจนหนึ่งตัว
ระหว่างการปลดประจำการ:ในอิเล็กโทรไลต์บวก ไอออนวาเนเดียมในสถานะวาเลนซ์ +5 จะถูกทำให้ลดลงเหลือสถานะ +4 โดยได้รับอิเล็กตรอน 1 ตัวและใช้ไอออนไฮโดรเจน 2 ตัว ในอิเล็กโทรไลต์ลบ ไอออนวาเนเดียมในสถานะ +2 จะถูกออกซิไดซ์เป็นสถานะ +3 โดยปลดปล่อยไอออนไฮโดรเจน 1 ตัว
กระบวนการข้างต้นแสดงให้เห็นว่าในระหว่างการชาร์จ ไอออนไฮโดรเจนจะเคลื่อนที่จากด้านบวกไปยังด้านลบ ในขณะที่ในระหว่างการคายประจุ กระบวนการจะย้อนกลับ ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าภายในแบตเตอรี่แสดงออกมาในรูปของไอออนไฮโดรเจนที่เคลื่อนที่ ซึ่งสร้างกระแสไฟฟ้าในวงจรภายนอก
ปฏิกิริยาของอิเล็กโทรดของแบตเตอรี่ไหลวาเนเดียม:
ขั้วบวก: -
ขั้วลบ: -
ปฏิกิริยาโดยรวม: -
เนื่องด้วยความปลอดภัยสูง ความจุในการกักเก็บพลังงานขนาดใหญ่ อายุการใช้งานของวงจรการชาร์จและการคายประจุที่ยาวนาน อิเล็กโทรไลต์ที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ความคุ้มทุนตลอดอายุการใช้งาน และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม แบตเตอรี่ไหลวาเนเดียม (วีเอฟบี) จึงได้รับความสนใจจากทั่วโลกมากขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การวิจัย พัฒนา และการประยุกต์ใช้ด้านวิศวกรรมของระบบกักเก็บพลังงาน วีเอฟบี ได้มีการพัฒนาก้าวหน้าอย่างมาก โดยมีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว เทคโนโลยีที่พัฒนาขึ้น ต้นทุนที่ลดลง และเข้าสู่ขั้นตอนของการทำให้เป็นอุตสาหกรรมและการใช้งานอย่างแพร่หลาย นำเสนอศักยภาพทางการตลาดมหาศาล
2. คุณสมบัติทางเทคนิคของแบตเตอรี่วาเนเดียมโฟลว์
ข้อได้เปรียบทางเทคนิค
①ความปลอดภัยโดยธรรมชาติและความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
ระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่แบบไหลวาเนเดียมมีความปลอดภัยในตัวและเชื่อถือได้ในการใช้งาน โดยมีอายุการใช้งานที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม อิเล็กโทรไลต์ในแบตเตอรี่แบบไหลวาเนเดียมประกอบด้วยสารละลายวาเนเดียมไอออนในกรดซัลฟิวริกเจือจาง ตราบใดที่แรงดันตัดการชาร์จและการคายประจุได้รับการควบคุมอย่างเหมาะสม และระบบแบตเตอรี่ได้รับการจัดเก็บในพื้นที่ที่มีการระบายอากาศที่ดี ก็จะปลอดภัยโดยเนื้อแท้โดยไม่มีความเสี่ยงต่อการเกิดไฟไหม้หรือการระเบิด อิเล็กโทรไลต์จะหมุนเวียนในพื้นที่ปิดและโดยทั่วไปจะไม่ก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อมในระหว่างการใช้งาน และไม่มีการปนเปื้อนจากสิ่งเจือปนภายนอก
นอกจากนี้ อิเล็กโทรไลต์ทั้งบวกและลบในแบตเตอรี่วาเนเดียมไหลใช้ไอออนวาเนเดียม ซึ่งป้องกันการเสื่อมของความจุที่ไม่สามารถย้อนกลับได้จากการที่อิเล็กโทรไลต์บวกและลบผสมกัน เมื่อใช้งานไปหลายปี ความจุที่เสื่อมลงอันเกิดจากปฏิกิริยาข้างเคียงเล็กน้อยและอิเล็กโทรไลต์บวกและลบผสมกันเล็กน้อยสามารถฟื้นฟูและนำกลับมาใช้ใหม่ได้ผ่านการฟื้นฟูแบบออนไลน์หรือออฟไลน์
สแต็กและระบบประกอบด้วยวัสดุคาร์บอน พลาสติก และโลหะเป็นหลัก เมื่อระบบแบตเตอรี่ไหลวาเนเดียมถูกปลดประจำการ วัสดุโลหะสามารถนำกลับมารีไซเคิลได้ และวัสดุคาร์บอนและพลาสติกสามารถนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงได้ ดังนั้น วงจรชีวิตทั้งหมดของระบบแบตเตอรี่ไหลวาเนเดียมจึงปลอดภัย มีภาระด้านสิ่งแวดล้อมน้อยที่สุด และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมาก
②กำลังขับและความจุพลังงานอิสระ
กำลังขาออกและความจุพลังงานของระบบกักเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่กระแสวาเนเดียมเป็นอิสระจากกัน โดยมีการออกแบบและการติดตั้งที่ยืดหยุ่น ทำให้เหมาะสำหรับการจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่ ความจุสูง และระยะเวลายาวนาน
ดังแสดงในรูปที่ 1 กำลังไฟฟ้าขาออกของระบบแบตเตอรี่ไหลวาเนเดียมถูกกำหนดโดยขนาดและจำนวนของชุดแบตเตอรี่ ในขณะที่ความจุพลังงานถูกกำหนดโดยปริมาตรของอิเล็กโทรไลต์ หากต้องการเพิ่มกำลังไฟฟ้าขาออก อาจเพิ่มพื้นที่อิเล็กโทรดของชุดแบตเตอรี่หรือเพิ่มจำนวนชุดแบตเตอรี่ก็ได้ หากต้องการเพิ่มความจุพลังงาน อาจเพิ่มปริมาตรของอิเล็กโทรไลต์ได้ ซึ่งทำให้แบตเตอรี่ไหลวาเนเดียมเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ต้องการการจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่ ความจุสูง และยาวนาน โดยทั่วไปแล้ว กำลังไฟฟ้าขาออกของระบบแบตเตอรี่ไหลวาเนเดียมจะอยู่ระหว่างหลายร้อยวัตต์ถึงหลายร้อยเมกะวัตต์ และความจุพลังงานอยู่ระหว่างหลายร้อยกิโลวัตต์-ชั่วโมงถึงหลายร้อยเมกะวัตต์-ชั่วโมง
③ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูง สตาร์ทได้รวดเร็ว ไม่ต้องเปลี่ยนเฟส
ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานนั้นสูง และการเปลี่ยนผ่านระหว่างสถานะการชาร์จและการคายประจุนั้นรวดเร็ว แบตเตอรี่วาเนเดียมไหลทำงานที่อุณหภูมิห้อง โดยที่สารละลายอิเล็กโทรไลต์จะหมุนเวียนระหว่างถังอิเล็กโทรไลต์และชุดแบตเตอรี่ ในระหว่างกระบวนการชาร์จและการคายประจุ จะมีการกักเก็บและปลดปล่อยพลังงานผ่านการเปลี่ยนแปลงสถานะวาเลนซ์ของไอออนวาเนเดียมที่ละลายอยู่ในสารละลายในน้ำ โดยไม่มีการเปลี่ยนเฟสใดๆ
ดังนั้น การเปลี่ยนผ่านระหว่างสถานะการชาร์จและการคายประจุจึงรวดเร็ว โดยระบบกักเก็บพลังงานในระบบกักเก็บพลังงานขนาดเมกะวัตต์สามารถสลับจากการชาร์จ 80% เป็นการคายประจุ 80% ได้ในเวลาไม่ถึง 100 มิลลิวินาที โดยกำหนดโดยหลักจากความเร็วในการส่งสัญญาณควบคุม ซึ่งทำให้สามารถใช้แบตเตอรี่วาเนเดียมโฟลว์สำหรับการปรับแอมพลิจูดและการปรับความถี่ การบูรณาการโครงข่ายพลังงานหมุนเวียน บริการเสริม การลดพีคสำหรับโครงข่ายไฟฟ้า และการกักเก็บพลังงานสำรองในกรณีฉุกเฉิน
④การออกแบบแบบโมดูลาร์ช่วยให้การรวมระบบและการปรับขนาดเป็นไปได้สะดวกยิ่งขึ้น
แบตเตอรีแบบไหลวาเนเดียมประกอบขึ้นจากเซลล์เดี่ยวหลายเซลล์ที่วางซ้อนกันในลักษณะของตัวกรอง ปัจจุบัน พลังงานเอาต์พุตที่กำหนดของแบตเตอรีแบบเซลล์เดี่ยวที่ใช้ในภาคอุตสาหกรรมโดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 30 ถึง 80 กิโลวัตต์ ระบบกักเก็บพลังงานโดยทั่วไปประกอบด้วยหน่วยโมดูลาร์หลายหน่วย โดยแต่ละหน่วยมีพลังงานเอาต์พุตที่กำหนดอยู่ที่ประมาณ 500 กิโลวัตต์ เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรีอื่นๆ แบตเตอรีแบบไหลวาเนเดียมและโมดูลระบบกักเก็บพลังงานจะมีพลังงานเอาต์พุตที่กำหนดสูง มีความสม่ำเสมอที่ดี และง่ายต่อการผสานรวมและขยายขนาด
2. ข้อจำกัดของแบตเตอรี่วาเนเดียมโฟลว์
①ความซับซ้อนของระบบ
ระบบการกักเก็บพลังงานประกอบด้วยระบบย่อยหลายระบบ ทำให้มีความซับซ้อน
②อุปกรณ์สนับสนุนด้านพลังงาน
เพื่อให้แน่ใจว่าการทำงานจะเสถียรอย่างต่อเนื่อง ระบบกักเก็บพลังงานจะต้องมีอุปกรณ์เพิ่มเติม เช่น ปั๊มหมุนเวียนอิเล็กโทรไลต์ อุปกรณ์ควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ ระบบระบายอากาศ และระบบควบคุมอุณหภูมิอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งจะต้องมีการจ่ายไฟ ดังนั้น โดยทั่วไปแล้ว ระบบแบตเตอรี่ไหลวาเนเดียมจะไม่เหมาะสำหรับระบบกักเก็บพลังงานขนาดเล็ก
③ความหนาแน่นของพลังงานต่ำ
เนื่องด้วยข้อจำกัดของความสามารถในการละลายของไอออนวาเนเดียมและปัจจัยอื่นๆ แบตเตอรี่วาเนเดียมแบบไหลจึงมีความหนาแน่นของพลังงานต่ำกว่า แบตเตอรี่ชนิดนี้จึงเหมาะสำหรับสถานีกักเก็บพลังงานแบบคงที่ซึ่งปริมาตรและน้ำหนักไม่ได้เป็นข้อจำกัดที่สำคัญแต่ไม่เหมาะสำหรับใช้เป็นแหล่งพลังงานเคลื่อนที่หรือสำหรับแบตเตอรี่แบบไดนามิก
3. การวิเคราะห์ต้นทุนวงจรชีวิตของแบตเตอรี่วาเนเดียมโฟลว์
แผนภาพต่อไปนี้แสดงให้เห็นต้นทุนวงจรชีวิตโดยประมาณของระบบกักเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่วาเนเดียมโฟลว์ที่มีระยะเวลากักเก็บ 4 ชั่วโมงและ 10 ชั่วโมง
① ระบบกักเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่วาเนเดียมไหล 1 เอ็มดับบลิว/10 เมกะวัตต์ชั่วโมง ประมาณการต้นทุนจริง:
② ระบบกักเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่วาเนเดียมไหล 1 เอ็มดับบลิว/10 เมกะวัตต์ชั่วโมง ประมาณการต้นทุนจริง:
ดังนั้น สำหรับระบบกักเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่ไหลวาเนเดียม ยิ่งระยะเวลากักเก็บพลังงานยาวนานขึ้น ต้นทุนอายุการใช้งานโดยรวมก็จะยิ่งลดลง
4. องค์ประกอบของห่วงโซ่อุตสาหกรรม
ห่วงโซ่อุตสาหกรรมแบตเตอรี่ไหลวาเนเดียมประกอบด้วยวัสดุต้นน้ำ การผลิตแบตเตอรี่ การออกแบบโมดูล และการบูรณาการระบบ แบตเตอรี่ไหลของเหลวกระแสหลักที่กำลังมีการวิจัยอยู่ในปัจจุบันคือแบตเตอรี่ไหลวาเนเดียม วัตถุดิบต้นน้ำประกอบด้วยวาเนเดียมเพนทอกไซด์ (V2O5)และเมมเบรนกรดเพอร์ฟลูออโรซัลโฟนิก. ขั้นกลางเกี่ยวข้องกับการออกแบบและการผลิตระบบจัดเก็บแบตเตอรี่แบบไหลวาเนเดียม ซึ่งประกอบด้วยส่วนประกอบ เช่นอินเวอร์เตอร์-ตัวควบคุมอัจฉริยะ-กองเชื้อเพลิง-เยื่อหุ้มเซลล์-อิเล็กโทรไลต์, และถังเก็บน้ำ. ในบรรดานี้ ส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดคือกองเชื้อเพลิงและอิเล็กโทรไลต์การใช้งานปลายทาง ได้แก่ การผลิตพลังงานลม การผลิตพลังงานไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ การลดค่าพีคของระบบไฟฟ้า และอื่นๆ อีกมากมาย
แร่วาเนเดียมและการแปรรูปวาเนเดียม
วาเนเดียมเป็นธาตุประเภทลิธไฟล์ โดยทั่วไปจะพบในสถานะกระจัดกระจายในแร่ ลักษณะการกระจายตามธรรมชาติคือมีปริมาณสำรองมาก กระจายอยู่ทั่วไป และมีปริมาณน้อยวาเนเดียม-ไททาเนียมแมกนีไทต์เป็นแร่ที่มีวาเนเดียมมากที่สุด แร่ชนิดนี้พบได้ทั่วโลกและปัจจุบันเป็นแหล่งวาเนเดียมหลัก คิดเป็นสัดส่วนมากกว่า85% ของผลผลิตวาเนเดียมประจำปีทั่วโลก-