바나듐 유동 배터리 설명 재생 에너지 저장을 위한 게임 체인저

최근, 수평선 Power의 쿠누누라 바나듐 유동 배터리 프로젝트가 인터넷에서 트렌드를 이루고 있습니다. 하지만 바나듐 유동 배터리 프로젝트가 점점 더 보편화되고 있는 이유는 무엇일까요? 이를 이해하려면 먼저 바나듐 유동 배터리에 대해 더 알아야 합니다.

바나듐 유동 배터리: 에너지 저장의 새로운 시대

바나듐 유동 전지(비피비(VFB))는 양극과 음극 모두 순환 바나듐 용액을 에너지 저장 매체로 사용하는 배터리 유형입니다. 충전 및 방전 과정을 통해 배터리는 전기 에너지와 화학 에너지 간의 변환을 가능하게 하여 에너지를 저장하고 방출합니다.

바나듐 유동 전지의 구조는 기존의 리튬 이온 전지 및 납-탄소 전지와 다릅니다. 스택(또는 개별 셀), 양극 전해액 탱크(양극 전해액 저장), 음극 전해액 탱크(음극 전해액 저장), 순환 펌프 및 관리 시스템으로 구성됩니다. 스택은 직렬로 연결된 여러 개의 개별 셀로 구성되며, 각각 양극, 음극, 분리기 및 양극판을 포함합니다. 여러 개의 바나듐 유동 전지 스택은 에너지 저장 모듈을 형성하고, 여러 모듈은 함께 완전한 에너지 저장 시스템 또는 스테이션을 구성합니다.

바나듐 유동 전지의 에너지 저장 원리

바나듐 이온은 4가지 다른 원자가 상태로 존재합니다. 바나듐 유동 배터리의 양극 및 음극 전해질의 활성 에너지 저장 물질은 바나듐 이온입니다. 충전 및 방전 프로세스는 양극 및 음극 전해질 모두에서 바나듐 이온의 원자가 상태의 변화에 ​​기반하여 에너지를 저장하고 방출합니다.

1. 충전 중:양극 전해질에서 +4가 상태의 바나듐 이온은 +5가 상태로 산화되어 전자를 잃고 수소 이온 두 개가 생성됩니다. 음극 전해질에서 +3가 상태의 바나듐 이온은 전자를 얻고 +2가 상태로 환원되어 수소 이온 하나를 소모합니다.

2. 방전 중:양극 전해질에서 +5 원자가 상태의 바나듐 이온은 +4 상태로 환원되어 전자를 얻고 수소 이온 두 개를 소모합니다. 음극 전해질에서 +2 상태의 바나듐 이온은 +3 상태로 산화되어 수소 이온 하나를 방출합니다.

3. 
   

위의 과정은 충전 중에 수소 이온이 양전하에서 음전하로 이동하는 반면, 방전 중에는 그 과정이 역전됨을 보여줍니다. 배터리 내부의 전기화학 반응은 수소 이온의 이동으로 나타나며, 이는 외부 회로에서 전류를 생성합니다.

바나듐 유동 전지의 전극 반응:

• 양극: ${\text{음성}}_2^{+}+{\text{시간}}_2\text{그만큼}-{\mathrm{그리고}}^{-}\rightleftharpoons {\text{음성}}_2^{+}+2{\text{시간}}^{+}$, ${\mathrm{그리고}}_0=1.004\mathrm{다섯}$

• 음극: ${\text{다섯}}^{3+}+{\mathrm{그리고}}^{-}\rightleftharpoons {\text{다섯}}^{2+}$, ${\mathrm{그리고}}_0=-0.255\mathrm{다섯}$

• 전반적인 반응: ${\text{음성}}_2^{+}+{\text{다섯}}^{3+}+{\text{시간}}_2\text{그만큼}\rightleftharpoons {\text{음성}}_2^{+}+{\text{다섯}}^{2+}+2{\text{시간}}^{+}$, ${\mathrm{그리고}}_0=1.259\mathrm{다섯}$

높은 안전성, 대규모 에너지 저장 용량, 긴 충전 및 방전 사이클 수명, 재활용 가능한 전해질, 수명 주기 전반에 걸친 비용 효율성 및 환경 친화성으로 인해 바나듐 유동 배터리(비피비(VFB))는 최근 몇 년 동안 전 세계적으로 주목을 받고 있습니다. 비피비(VFB) 에너지 저장 시스템의 연구, 개발 및 엔지니어링 응용 프로그램은 급속한 개발, 기술 개선, 비용 감소, 산업화 및 광범위한 응용 단계에 진입하면서 상당한 진전을 이루었으며, 엄청난 시장 잠재력을 보여줍니다.

2. 바나듐 유동 전지의 기술적 특징

기술적 장점

①본질적인 안전과 환경 친화성

바나듐 유동 배터리 에너지 저장 시스템은 본질적으로 안전하고 작동이 안정적이며 환경 친화적인 수명 주기를 가지고 있습니다. 바나듐 유동 배터리의 전해질은 묽은 황산에 바나듐 이온을 수용액으로 구성합니다. 충전 및 방전 차단 전압을 적절히 제어하고 배터리 시스템을 환기가 잘 되는 공간에 보관하는 한 화재나 폭발의 위험 없이 본질적으로 안전합니다. 전해질은 밀폐된 공간 내에서 순환되며 일반적으로 사용 중에 환경 오염 물질을 생성하지 않으며 외부 불순물로 오염되지 않습니다.

또한 바나듐 유동 전지의 양극 및 음극 전해질은 모두 바나듐 이온을 사용하므로 양극 및 음극 전해질의 혼합으로 인한 돌이킬 수 없는 용량 저하를 방지합니다. 수년간 작동하면 사소한 부작용과 양극 및 음극 전해질의 누적된 약간의 혼합으로 인한 용량 저하를 온라인 또는 오프라인 재생을 통해 재생하고 재사용할 수 있습니다.

스택과 시스템은 주로 탄소 재료, 플라스틱 및 금속으로 구성됩니다. 바나듐 유동 배터리 시스템이 폐기되면 금속 재료는 재활용될 수 있으며 탄소 재료와 플라스틱은 연료로 사용될 수 있습니다. 따라서 바나듐 유동 배터리 시스템의 전체 수명 주기는 안전하고 환경 부하가 최소화되며 매우 환경 친화적입니다.

②독립 출력 전력 및 에너지 용량

바나듐 흐름 배터리 에너지 저장 시스템의 출력 전력과 에너지 용량은 서로 독립적이며, 설계 및 설치가 유연하여 대규모, 고용량, 장기간 에너지 저장에 적합합니다.

그림 1에서 보듯이, 바나듐 유동 전지 시스템의 출력 전력은 배터리 스택의 크기와 수에 의해 결정되는 반면, 에너지 용량은 전해질의 부피에 의해 결정됩니다. 출력 전력을 높이기 위해 배터리 스택의 전극 면적을 늘리거나 스택 수를 늘릴 수 있습니다. 에너지 용량을 높이기 위해 전해질의 부피를 늘릴 수 있습니다. 따라서 바나듐 유동 전지는 대규모, 고용량, 장기간 에너지 저장이 필요한 응용 분야에 특히 적합합니다. 바나듐 유동 전지 시스템의 출력 전력은 일반적으로 수백 와트에서 수백 메가와트까지이고, 에너지 용량은 수백 킬로와트시에서 수백 메가와트시까지입니다.

③높은 에너지 변환 효율, 빠른 시작, 위상 변화 없음

에너지 변환 효율이 높고 충전과 방전 상태 간의 전환이 빠릅니다. 바나듐 유동 배터리는 실온에서 작동하며, 전해질 용액은 전해질 탱크와 배터리 스택 사이를 순환합니다. 충전 및 방전 프로세스 동안 에너지 저장 및 방출은 수용액에 용해된 바나듐 이온의 원자가 상태의 변화를 통해 발생하며, 상변화는 없습니다.

따라서 충전과 방전 상태 간의 전환이 빠르며, 메가와트 규모의 에너지 저장 시스템은 주로 제어 신호의 전송 속도에 의해 결정되는 100밀리초 이내에 80% 충전에서 80% 방전으로 전환할 수 있습니다. 이를 통해 바나듐 유동 배터리는 진폭 변조 및 주파수 변조, 재생 에너지 그리드 통합, 보조 서비스, 전력 그리드의 피크 셰이빙 및 비상 백업 에너지 저장에 사용할 수 있습니다.

④모듈식 설계로 시스템 통합 및 확장이 용이해집니다.

바나듐 유동 배터리 스택은 필터 프레스 방식으로 적층된 여러 개의 단일 셀로 조립됩니다. 현재 산업화된 단일 셀 스택의 정격 출력 전력은 일반적으로 30~80kW입니다. 에너지 저장 시스템은 일반적으로 각각 약 500kW의 정격 출력 전력을 가진 여러 모듈식 장치로 구성됩니다. 다른 배터리와 비교하여 바나듐 유동 배터리 스택과 에너지 저장 시스템 모듈은 정격 출력 전력이 크고 균일성이 좋으며 통합 및 확장이 더 쉽습니다.

2. 바나듐 유동 전지의 한계

①시스템 복잡성

에너지 저장 시스템은 여러 개의 하위 시스템으로 구성되어 복잡합니다.

②에너지 지원 장비

지속적인 안정적인 작동을 보장하기 위해 에너지 저장 시스템은 전해질 순환 펌프, 전자 제어 장치, 환기 시스템, 전해질 온도 제어 시스템과 같은 추가 장비가 필요하며, 이는 다시 전원을 공급해야 합니다. 결과적으로 바나듐 유동 배터리 시스템은 일반적으로 소규모 에너지 저장 시스템에 적합하지 않습니다.

③낮은 에너지 밀도

바나듐 이온 용해도 및 기타 요인의 한계로 인해 바나듐 유동 배터리는 에너지 밀도가 낮습니다. 이는 부피와 무게가 큰 제약이 되지 않는 고정 에너지 저장 스테이션에 더 적합하지만 모바일 전원이나 동적 배터리로 사용하기에는 적합하지 않습니다.

3. 바나듐 유동 전지의 수명 주기 비용 분석

다음 다이어그램은 4시간과 10시간의 저장 시간을 갖는 바나듐 흐름 배터리 에너지 저장 시스템의 예상 수명 주기 비용을 보여줍니다.

① 1MW/10MWh 바나듐 유동 배터리 에너지 저장 시스템 실제 비용 추정:

② 1MW/10MWh 바나듐 유동 배터리 에너지 저장 시스템 실제 비용 추정:

따라서 바나듐 흐름 배터리 에너지 저장 시스템의 경우, 에너지 저장 기간이 길수록 전체 수명 주기 비용은 낮아집니다.

4. 산업체인 구성

바나듐 유동 배터리 산업 사슬에는 상류 재료, 배터리 제조, 모듈 설계 및 시스템 통합이 포함됩니다. 현재 연구 중인 주류 액체 유동 배터리는 바나듐 유동 배터리입니다. 상류 원자재는 주로 다음과 같습니다.바나듐펜톡사이드(V2O5)그리고퍼플루오로설폰산 멤브레인. 중간 과정에는 바나듐 유동 배터리 저장 시스템의 설계 및 제조가 포함되며 이는 다음과 같은 구성 요소로 구성됩니다.인버터,스마트 컨트롤러,연료 스택,막,전해질, 그리고저장 탱크. 이 중 가장 중요한 구성요소는 다음과 같습니다.연료 스택그리고전해질. 하류 응용 분야에는 풍력 발전, 태양광 발전, 그리드 피크 쉐이빙 등이 포함됩니다.

바나듐 광석 및 바나듐 가공

바나듐은 친석성 원소로, 일반적으로 광석에 분산된 상태로 발견됩니다. 자연 분포 특성은 매장량이 많고, 널리 분포되어 있으며, 함량이 낮습니다.바나듐-티타늄 자철광가장 흔한 바나듐 함유 광석입니다. 이 광물은 전 세계적으로 발견되며 현재 바나듐의 주요 공급원이며 100만 개가 넘는세계 연간 바나듐 생산량의 85%.