Les batteries à flux de vanadium expliquées : une révolution dans le stockage des énergies renouvelables

Récemment, le projet de batterie à flux de vanadium d'Horizon Power pour Kununurra a fait le buzz sur Internet. Mais pourquoi les projets de batteries à flux de vanadium deviennent-ils de plus en plus courants ? Pour comprendre cela, nous devons commencer par en savoir plus sur les batteries à flux de vanadium :

Batterie à flux de vanadium : une nouvelle ère dans le stockage de l'énergie

Une batterie à flux de vanadium (VFB) est un type de batterie dans lequel les électrodes positives et négatives utilisent des solutions de vanadium circulantes comme moyen de stockage d'énergie. Grâce au processus de charge et de décharge, la batterie permet la conversion entre l'énergie électrique et l'énergie chimique, stockant et libérant ainsi de l'énergie.

La structure d'une batterie à flux de vanadium est différente de celle des batteries lithium-ion classiques et des batteries plomb-carbone. Elle se compose des éléments clés suivants : une pile (ou cellule individuelle), un réservoir d'électrolyte positif (stockant l'électrolyte positif), un réservoir d'électrolyte négatif (stockant l'électrolyte négatif), une pompe de circulation et un système de gestion. La pile est composée de plusieurs cellules individuelles connectées en série, chacune comprenant l'électrode positive, l'électrode négative, le séparateur et les plaques bipolaires. Plusieurs piles de batteries à flux de vanadium forment un module de stockage d'énergie, et plusieurs modules constituent ensemble un système ou une station de stockage d'énergie complet.

Principe de stockage d'énergie dans les batteries à flux de vanadium

Les ions vanadium existent dans quatre états de valence différents. Le matériau de stockage d'énergie actif dans les électrolytes positifs et négatifs d'une batterie à flux de vanadium est constitué d'ions vanadium. Le processus de charge et de décharge est basé sur les changements des états de valence des ions vanadium dans les électrolytes positifs et négatifs, ce qui permet de stocker et de libérer de l'énergie.

1. Pendant la charge :Dans l'électrolyte positif, les ions vanadium de l'état de valence +4 sont oxydés à l'état +5, perdant un électron et générant deux ions hydrogène. Dans l'électrolyte négatif, les ions vanadium de l'état de valence +3 gagnent un électron et sont réduits à l'état +2, consommant un ion hydrogène.

2. Pendant la décharge :Dans l'électrolyte positif, les ions vanadium de l'état de valence +5 sont réduits à l'état +4, gagnant un électron et consommant deux ions hydrogène. Dans l'électrolyte négatif, les ions vanadium de l'état +2 sont oxydés à l'état +3, libérant un ion hydrogène.

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Le processus ci-dessus montre que pendant la charge, les ions hydrogène migrent du côté positif vers le côté négatif, tandis que pendant la décharge, le processus est inversé. La réaction électrochimique à l'intérieur de la batterie se manifeste par la migration des ions hydrogène, ce qui génère un courant électrique dans le circuit externe.

Réactions des électrodes des batteries à flux de vanadium :

• Électrode positive : ${\text{VO}}_2^{+}+{\text{H}}_2\text{LE}-{\mathrm{et}}^{-}\rightleftharpoons {\text{VO}}_2^{+}+2{\text{H}}^{+}$, ${\mathrm{ET}}_0=1.004V$

• Électrode négative : ${\text{V}}^{3+}+{\mathrm{et}}^{-}\rightleftharpoons {\text{V}}^{2+}$, ${\mathrm{ET}}_0=-\mathrm{0,255}V$

• Réaction générale : ${\text{VO}}_2^{+}+{\text{V}}^{3+}+{\text{H}}_2\text{LE}\rightleftharpoons {\text{VO}}_2^{+}+{\text{V}}^{2+}+2{\text{H}}^{+}$, ${\mathrm{ET}}_0=1.259V$

En raison de leur sécurité élevée, de leur capacité de stockage d'énergie à grande échelle, de leur longue durée de vie en cycle de charge et de décharge, de leur électrolyte recyclable, de leur rentabilité tout au long de leur cycle de vie et de leur respect de l'environnement, les batteries à flux de vanadium (VFB) ont suscité une attention croissante à l'échelle mondiale ces dernières années. La recherche, le développement et les applications techniques des systèmes de stockage d'énergie VFB ont fait des progrès significatifs, avec un développement rapide, une amélioration de la technologie, une diminution des coûts et une entrée dans la phase d'industrialisation et d'application généralisée, présentant un énorme potentiel de marché.

2. Caractéristiques techniques des batteries à flux de vanadium

Avantages techniques

①Sécurité intrinsèque et respect de l'environnement

Les systèmes de stockage d'énergie à batterie au vanadium sont intrinsèquement sûrs et fiables en fonctionnement, avec un cycle de vie respectueux de l'environnement. L'électrolyte des batteries au vanadium est constitué d'une solution aqueuse d'ions vanadium dans de l'acide sulfurique dilué. Tant que la tension de coupure de charge et de décharge est contrôlée correctement et que le système de batterie est stocké dans un espace bien ventilé, il est intrinsèquement sûr sans risque d'incendie ou d'explosion. L'électrolyte circule dans un espace scellé et ne produit généralement pas de polluants environnementaux pendant son utilisation, ni n'est contaminé par des impuretés externes.

De plus, les électrolytes positifs et négatifs de la batterie à flux de vanadium utilisent des ions vanadium, ce qui empêche la dégradation irréversible de la capacité due au mélange des électrolytes positifs et négatifs. Au fil des années de fonctionnement, la dégradation de la capacité causée par des réactions secondaires mineures et le léger mélange cumulé des électrolytes positifs et négatifs peut être régénérée et réutilisée grâce à la régénération en ligne ou hors ligne.

La pile et le système sont principalement composés de matériaux en carbone, de plastiques et de métaux. Lorsqu'un système de batterie à flux de vanadium est mis hors service, les matériaux métalliques peuvent être recyclés et les matériaux en carbone et les plastiques peuvent être utilisés comme combustible. Par conséquent, l'ensemble du cycle de vie d'un système de batterie à flux de vanadium est sûr, a une charge environnementale minimale et est très respectueux de l'environnement.

②Puissance de sortie et capacité énergétique indépendantes

La puissance de sortie et la capacité énergétique des systèmes de stockage d'énergie par batterie à flux de vanadium sont indépendantes les unes des autres, avec une conception et une installation flexibles, ce qui les rend adaptés au stockage d'énergie à grande échelle, à haute capacité et à longue durée.

Comme le montre la figure 1, la puissance de sortie d'un système de batterie à flux de vanadium est déterminée par la taille et le nombre des piles de batteries, tandis que la capacité énergétique est déterminée par le volume de l'électrolyte. Pour augmenter la puissance de sortie, la surface des électrodes de la pile de batteries peut être augmentée ou le nombre de piles peut être augmenté. Pour augmenter la capacité énergétique, le volume de l'électrolyte peut être augmenté. Cela rend les batteries à flux de vanadium particulièrement adaptées aux applications nécessitant un stockage d'énergie à grande échelle, de grande capacité et de longue durée. La puissance de sortie des systèmes de batterie à flux de vanadium varie généralement de plusieurs centaines de watts à plusieurs centaines de mégawatts, et la capacité énergétique varie de plusieurs centaines de kilowattheures à plusieurs centaines de mégawattheures.

③Efficacité de conversion énergétique élevée, démarrage rapide, aucun changement de phase

L'efficacité de conversion d'énergie est élevée et la transition entre les états de charge et de décharge est rapide. La batterie à flux de vanadium fonctionne à température ambiante, la solution électrolytique circulant entre les réservoirs d'électrolyte et la batterie. Pendant les processus de charge et de décharge, le stockage et la libération d'énergie se produisent grâce aux changements de l'état de valence des ions vanadium dissous dans la solution aqueuse, sans aucun changement de phase.

Ainsi, la transition entre les états de charge et de décharge est rapide, le système de stockage d'énergie à l'échelle du mégawatt étant capable de passer de 80 % de charge à 80 % de décharge en moins de 100 millisecondes, principalement déterminée par la vitesse de transmission des signaux de commande. Cela permet aux batteries à flux de vanadium d'être utilisées pour la modulation d'amplitude et de fréquence, l'intégration au réseau d'énergie renouvelable, les services auxiliaires, l'écrêtement des pics pour le réseau électrique et le stockage d'énergie de secours.

④La conception modulaire facilite l'intégration et la mise à l'échelle du système

La pile à flux de vanadium est assemblée à partir de plusieurs cellules individuelles empilées selon un procédé de filtre-presse. Actuellement, la puissance de sortie nominale d'une pile à cellule unique industrialisée est généralement comprise entre 30 et 80 kW. Le système de stockage d'énergie se compose généralement de plusieurs unités modulaires, chacune ayant une puissance de sortie nominale d'environ 500 kW. Par rapport aux autres batteries, les piles à flux de vanadium et les modules du système de stockage d'énergie ont une puissance de sortie nominale élevée, une bonne uniformité et sont plus faciles à intégrer et à faire évoluer.

2. Limitations des batteries à flux de vanadium

①Complexité du système

Le système de stockage d’énergie est composé de plusieurs sous-systèmes, ce qui le rend complexe.

②Équipement de soutien énergétique

Pour assurer un fonctionnement stable et continu, le système de stockage d'énergie nécessite des équipements supplémentaires tels que des pompes de circulation d'électrolyte, des dispositifs de contrôle électronique, des systèmes de ventilation et des systèmes de contrôle de la température de l'électrolyte, qui doivent à leur tour être alimentés. Par conséquent, les systèmes de batteries à flux de vanadium ne conviennent généralement pas aux systèmes de stockage d'énergie à petite échelle.

③Densité énergétique plus faible

En raison des limites de solubilité des ions vanadium et d'autres facteurs, les batteries à flux au vanadium ont une densité énergétique plus faible. Elles sont plus adaptées aux stations de stockage d'énergie fixes où le volume et le poids ne constituent pas des contraintes importantes, mais ne sont pas adaptées à une utilisation comme sources d'énergie mobiles ou pour des batteries dynamiques.

3. Analyse du coût du cycle de vie des batteries à flux de vanadium

Le diagramme suivant illustre les coûts estimés du cycle de vie des systèmes de stockage d’énergie par batterie à flux de vanadium avec des durées de stockage de 4 heures et de 10 heures.

① Estimation des coûts réels d'un système de stockage d'énergie par batterie à flux de vanadium de 1 MW/10 MWh :

② Estimation des coûts réels d'un système de stockage d'énergie par batterie à flux de vanadium de 1 MW/10 MWh :

Par conséquent, pour les systèmes de stockage d’énergie à batterie à flux de vanadium, plus la durée de stockage d’énergie est longue, plus le coût global du cycle de vie est faible.

4. Composition de la chaîne industrielle

La chaîne industrielle des batteries à flux de vanadium comprend les matériaux en amont, la fabrication des batteries, la conception des modules et l'intégration des systèmes. La batterie à flux de liquide la plus courante actuellement étudiée est la batterie à flux de vanadium. Ses matières premières en amont comprennent principalementpentoxyde de vanadium (V2O5)etmembranes d'acide perfluorosulfonique. Le secteur intermédiaire comprend la conception et la fabrication de systèmes de stockage de batteries à flux de vanadium, qui se composent de composants tels queonduleurs,contrôleurs intelligents,cheminées à combustible,membranes,électrolyte, etréservoirs de stockage. Parmi ceux-ci, les composants les plus critiques sont lespile à combustibleetélectrolyteLes applications en aval comprennent la production d’énergie éolienne, la production d’énergie photovoltaïque, l’écrêtement des pointes du réseau, etc.

Minerai de vanadium et traitement du vanadium

Le vanadium est un élément lithophile, généralement présent à l'état dispersé dans les minerais. Ses caractéristiques de distribution naturelle sont de grandes réserves, une large distribution et une faible teneur.Magnétite vanadium-titaneest le minerai contenant du vanadium le plus courant. Ce minéral est présent dans le monde entier et constitue actuellement la principale source de vanadium, représentant plus de85 % de la production annuelle mondiale de vanadium.