Các công nghệ lưu trữ năng lượng sẽ giúp điện mặt trời và điện gió không còn bất ổn nữa
Kể từ khi phát hiện ra điện, chúng ta đã tìm kiếm các phương pháp hiệu quả để lưu trữ năng lượng đó để sử dụng theo nhu cầu. Trong thế kỷ qua, ngành công nghiệp lưu trữ năng lượng đã tiếp tục phát triển, thích ứng và đổi mới để đáp ứng với những yêu cầu năng lượng đang thay đổi và những tiến bộ trong công nghệ.
Hệ thống lưu trữ năng lượng cung cấp một loạt các phương pháp tiếp cận công nghệ để quản lý nguồn cung cấp điện của chúng ta nhằm tạo ra một cơ sở hạ tầng năng lượng linh hoạt hơn và mang lại sự tiết kiệm chi phí cho công ty điện lực và khách hàng sử dụng điện. Để giúp hiểu các phương pháp tiếp cận đa dạng hiện đang được triển khai trên khắp thế giới, chúng tôi đã chia chúng thành năm loại chính:
Pin ( Batteries)– một loạt các giải pháp lưu trữ điện hóa, bao gồm pin hóa học tiên tiến, pin dòng chảy và tụ điện
Nhiệt – thu nhiệt và lạnh để tạo ra năng lượng theo yêu cầu hoặc bù đắp nhu cầu năng lượng
Lưu trữ cơ học – các công nghệ cải tiến khác để khai thác động năng hoặc năng lượng hấp dẫn để lưu trữ điện
Hydrogen – sản xuất điện dư thừa có thể được chuyển đổi thành hydro thông qua quá trình điện phân và lưu trữ
Thủy điện bơm (Pumped Hydropower ) – tạo ra các hồ chứa năng lượng quy mô lớn bằng nước
Pin (bateries)
Những đóng góp của một số nhà khoa học và nhà sáng tạo đã tạo ra sự hiểu biết của chúng ta về các lực của điện, nhưng Alessandro Volta được ghi nhận là người đã phát minh ra loại pin đầu tiên vào năm 1800. Ở cấp độ cơ bản nhất, pin là một thiết bị bao gồm một hoặc nhiều điện hóa tế bào chuyển đổi năng lượng hóa học dự trữ thành năng lượng điện. Mỗi cell chứa một cực dương hoặc cực âm. Chất điện phân cho phép các ion di chuyển giữa các điện cực và thiết bị đầu cuối, cho phép dòng điện chạy ra khỏi pin để thực hiện công việc.
Những tiến bộ trong công nghệ và vật liệu đã làm tăng đáng kể độ tin cậy, sản lượng và mật độ của các hệ thống pin hiện đại, và tính kinh tế theo quy mô đã làm giảm đáng kể chi phí liên quan. Sự đổi mới liên tục đã tạo ra các công nghệ mới như tụ điện hóa có thể được sạc và xả đồng thời và ngay lập tức và cung cấp tuổi thọ hoạt động gần như không giới hạn. Các trang sau cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về các công nghệ này và nhiều ứng dụng mà chúng được sử dụng để tạo ra một lưới điện năng lượng thích ứng và mạnh mẽ hơn.
Pin Lithium Ion (Li-Ion)
Lithium Ion (Li-Ion) BatteriesSau khi nhà hóa học Stanley Whittingham của Exxon phát triển khái niệm về pin lithium-ion vào những năm 1970, Sony và Asahi Kasei đã tạo ra sản phẩm thương mại đầu tiên vào năm 1991. Những viên pin đầu tiên được sử dụng cho thiết bị điện tử tiêu dùng và hiện nay, dựa trên sự thành công của những viên pin Li-ion này, nhiều công ty đang phát triển các tế bào định dạng lớn hơn để sử dụng trong các ứng dụng lưu trữ năng lượng. Nhiều người cũng kỳ vọng sẽ có sự hợp lực đáng kể với sự xuất hiện của xe điện (EV – electric vehicles) chạy bằng pin Li-ion. Tính linh hoạt của công nghệ Li-ion trong các ứng dụng EV, từ pin công suất cao, đến pin công suất trung bình.
Cách thức hoạt động của pin Lithium Ion
Thuật ngữ “lithium-ion” không dùng để chỉ một cặp điện hóa đơn lẻ mà là một loạt các hóa chất khác nhau, tất cả đều được đặc trưng bởi sự chuyển các ion lithium giữa các điện cực trong quá trình phản ứng tích điện và phóng điện. Tế bào li-ion không chứa liti kim loại; thay vào đó, các ion được đưa vào cấu trúc của các vật liệu khác, chẳng hạn như oxit kim loại hoặc phốt phát nung chảy ở điện cực dương (cực âm) và cacbon (thường là graphit) hoặc liti titanat ở điện cực âm (cực dương).
Thuật ngữ “polyme lithium” (hay chính xác hơn, polyme lithium-ion) đề cập đến thiết kế Li-ion trong đó các điện cực được liên kết với nhau bằng một nền polyme xốp. Chất điện phân lỏng được truyền vào ma trận xốp và trở nên cố định, cho phép các ngăn xếp điện cực được lắp ráp thành “túi” dạng lá cung cấp độ linh hoạt hình học và mật độ năng lượng được cải thiện so với các tế bào hình trụ. Tuy nhiên, những ưu điểm như vậy ít đáng kể hơn vì các tế bào được mở rộng để có dung lượng lớn hơn.
Lưu ý rằng cũng có các công nghệ “polymer kim loại lithium”, trong đó âm tính lithium kim loại được thực hiện với polymer dẫn điện để tạo ra hệ thống pin ở trạng thái rắn. Những công nghệ như vậy không nằm dưới sự che chở của Li-ion và vẫn chưa được triển khai thành công trong các ứng dụng lưu trữ năng lượng.
Các công nghệ có cực dương oxit kim loại được phủ lớp phủ và cực âm cacbon có điện áp tế bào cao (thường từ 3,6 V đến 3,7 V) và mật độ năng lượng tương ứng cao. Những công nghệ này có tuổi thọ và đặc điểm an toàn rất khác nhau. Tế bào có vật liệu tích cực dựa trên lithium sắt phosphate vốn dĩ an toàn hơn so với các loại ôxít kim loại / carbon nhưng điện áp thấp hơn (khoảng 3,2 V), cũng như mật độ năng lượng. Các thiết kế với cực dương oxit kim loại được phủ lớp phủ và cực âm bằng titanat liti có điện áp thấp nhất (khoảng 2,5 V) và mật độ năng lượng thấp nhưng có khả năng cấp nguồn cao hơn nhiều và lợi thế về an toàn.
Tế bào Li-ion có thể được sản xuất ở dạng hình trụ hoặc lăng trụ (hình chữ nhật). Sau đó, các tế bào này thường được tích hợp thành các mô-đun đa cell trong dãy nối tiếp và / hoặc các mảng song song, và các mô-đun được kết nối với nhau để tạo thành một chuỗi pin ở điện áp yêu cầu, với mỗi chuỗi được điều khiển bởi một hệ thống quản lý pin. Hệ thống phụ điện tử là một tính năng quan trọng đối với pin Li-ion, loại pin này thiếu khả năng của các công nghệ nước (ví dụ như pin axit-chì) để tiêu tán năng lượng quá tải. Đặc tính an toàn của pin Li-ion cuối cùng được xác định bởi các thuộc tính của thiết kế hệ thống, bao gồm các đặc tính cơ và nhiệt, điện tử và truyền thông, và các thuật toán điều khiển – bất kể điện hóa học.
Pin chì – Lead Batteries
Pin chì là công nghệ pin sạc được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới. Nó có một hồ sơ theo dõi vô song về độ tin cậy và an toàn, cùng với cơ sở nhà cung cấp được thiết lập tốt trên toàn thế giới, khiến nó trở thành loại pin thống trị về MWh sản xuất. Ắc quy chì được sử dụng rộng rãi trên ô tô và xe tải, được sử dụng trên hầu hết các loại xe, hỗ trợ tăng cường quá trình lai hóa và điện khí hóa xe, từ công nghệ dừng khởi động đến xe chạy hoàn toàn bằng điện. Ngoài ra, pin chì được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp, nơi chúng cung cấp năng lượng cho viễn thông, cung cấp điện liên tục, nguồn điện an toàn, lực kéo điện và để lưu trữ năng lượng cho các tiện ích cũng như các ứng dụng trong nước và thương mại.
Tại sao pin chì có ý nghĩa trong việc lưu trữ năng lượng
Pin chì có một lịch sử lâu đời được sử dụng thành công trong việc lưu trữ năng lượng và các khả năng và hạn chế của chúng đã được nghiên cứu cẩn thận. Độ tin cậy của chúng được thiết lập tốt và chúng có thể được điều chỉnh cho một loạt các chu kỳ nhiệm vụ, điều này sẽ đảm bảo chúng cung cấp một giải pháp tốt có khả năng cạnh tranh với các phương pháp tiếp cận khác.
Ngoài ra, pin chì được tái chế rộng rãi. Nhờ chương trình thu gom và tái chế lâu đời, hầu hết tất cả các loại pin chì đã qua sử dụng đều được thu gom để tái chế khi hết tuổi thọ – công nghệ cao nhất trong số các công nghệ pin.
Pin chì thể hiện các nguyên tắc cơ bản của thiết kế sinh thái: chúng được thiết kế để tái chế khi hết tuổi thọ với hơn 90% nguyên liệu được thu hồi. Pin chì trung bình được sản xuất ngày nay chứa hơn 80% vật liệu tái chế, và hầu như tất cả lượng chì được thu hồi trong quá trình tái chế được sử dụng để sản xuất pin chì mới.
Đối với các ứng dụng lưu trữ năng lượng, pin cần có tuổi thọ chu kỳ dài cả trong các ứng dụng chu kỳ sâu và chu kỳ nông. Dịch vụ chu kỳ sâu yêu cầu vật liệu hoạt tính tích cực có tính toàn vẹn cao với các tính năng thiết kế để giữ lại vật liệu hoạt tính. Dịch vụ chu kỳ nông tạo thêm áp lực lên vật liệu hoạt động tiêu cực và pin phải được thiết kế để tránh bị sunfat hóa. Việc sạc và quản lý pin là rất quan trọng và có thể đạt được hiệu suất năng lượng 90%.
Các Consortium cho Pin Innovation (CBI) là một ngành công nghiệp tài trợ nghiên cứu và phát triển thị trường tổ chức trước cả cạnh tranh. CBI đã tích cực hỗ trợ các phát triển mới cho pin chì trong hơn 25 năm, góp phần quan trọng trong việc cải thiện vòng đời trong các điều kiện khác nhau.
Pin chì có thể được sử dụng để điều chỉnh tần số và quản lý tải cho các tiện ích và được triển khai rộng rãi để hỗ trợ việc lắp đặt PV cả trong các cơ sở thương mại và trong nước. Pin chì tốt nhất trong lớp có thể đạt được 5000 chu kỳ đến độ sâu xả 70%, sẽ cung cấp tuổi thọ gần 15 năm khi được sử dụng nhiều. Pin chì có giá thành thấp hơn các loại hóa chất khác và khi hết tuổi thọ, có giá trị dương đối với kim loại chì có sẵn để tái chế. Chúng cũng an toàn vì chúng có chất điện phân dạng nước và các vật liệu hoạt động không dễ cháy. Pin Li-ion có chất điện phân hữu cơ dễ cháy và các vật liệu thành phần dễ phản ứng. Kỹ thuật an toàn là quan trọng đối với tất cả các hệ thống pin nhưng đối với Li-ion thì các tiêu chuẩn rất cao được yêu cầu.
Pin VRLA để lưu trữ năng lượng tiện ích được lắp đặt ở Springfield, Missouri (Pin: Pin NorthStar)
Kỹ thuật
Hóa học pin chì
Hóa chất của pin chì rất đơn giản và mạnh mẽ. Vật liệu hoạt động là chì điôxít trên các bản cực dương và chì được chia nhỏ trên các bản cực âm. Cả hai vật liệu này đều phản ứng với axit sunfuric khi phóng điện để tạo thành chì sunfat và nước và các phản ứng ngược lại diễn ra khi nạp lại.
Pin chì để lưu trữ năng lượng được chế tạo ở một số loại khác nhau. Chúng có thể bị ngập nước, có nghĩa là chúng cần được bổ sung nước để bảo dưỡng theo thời gian hoặc các loại axit-chì được điều chỉnh bằng van (VRLA) không cần bảo dưỡng định kỳ ngoài việc kiểm tra an toàn. Pin VRLA được chế tạo sao cho quá trình tiến hóa hydro bị triệt tiêu và oxy được tái kết hợp về mặt hóa học để hầu như loại bỏ sự mất nước. Có hai công nghệ có sẵn; một loại sử dụng tấm lót thủy tinh hấp thụ (AGM) làm chất phân tách và loại kia sử dụng silica đã được phân chia mịn để tạo gel cho chất điện phân. Cả hai đều hoạt động theo một cách tương tự nhưng có những đặc điểm khác nhau. Pin chì cũng có các thiết kế khác nhau cho các ứng dụng cụ thể và chủ yếu được phân biệt bởi tấm dương có thể là hình ống hoặc tấm dán phẳng.
Cấu tạo pin VRLA với bộ phân tách AGM
Pin dòng oxy hóa khử
Pin dòng oxy hóa khử (RFB) đại diện cho một loại thiết bị lưu trữ năng lượng điện hóa. Tên “oxy hóa khử” đề cập đến các phản ứng khử và oxy hóa hóa học được sử dụng trong RFB để lưu trữ năng lượng trong các dung dịch điện phân lỏng chảy qua pin tế bào điện hóa trong quá trình sạc và xả.
Trong quá trình phóng điện, một điện tử được giải phóng thông qua phản ứng oxy hóa từ trạng thái tiềm năng hóa học cao ở phía cực âm hoặc cực dương của pin. Electron di chuyển qua một mạch ngoài để làm công việc có ích. Cuối cùng, điện tử được chấp nhận thông qua phản ứng khử ở trạng thái tiềm năng hóa học thấp hơn ở cực dương hoặc cực âm của pin. Chiều của dòng điện và các phản ứng hóa học bị đảo ngược trong quá trình sạc.
Tổng hiệu điện thế hóa học giữa các trạng thái hóa học của các nguyên tố hoạt động trên hai mặt của pin quyết định sức điện động (emf hoặc hiệu điện thế) được tạo ra trong mỗi tế bào của pin. Điện áp do RFB phát triển là đặc trưng cho các loại hóa chất tham gia vào các phản ứng và số lượng tế bào được kết nối theo chuỗi. Dòng điện do pin phát triển được xác định bởi số lượng nguyên tử hoặc phân tử của các loại hóa chất hoạt động được phản ứng trong tế bào như một hàm của thời gian. Công suất do RFB phân phối là sản phẩm của tổng dòng điện và tổng điện áp được phát triển trong các tế bào điện hóa. Lượng năng lượng được lưu trữ trong RFB được xác định bằng tổng lượng hóa chất hoạt động có trong thể tích dung dịch điện phân có trong hệ thống.
Cách hoạt động của pin dòng oxy hóa khử
Sự tách biệt giữa nguồn và năng lượng là điểm khác biệt chính của RFB, so với các hệ thống lưu trữ điện hóa khác. Như đã mô tả ở trên, năng lượng của hệ thống được lưu trữ trong thể tích chất điện phân, có thể dễ dàng và tiết kiệm trong khoảng từ kilowatt giờ đến hàng chục megawatt-giờ, tùy thuộc vào kích thước của bể chứa. Khả năng cấp nguồn của hệ thống được xác định bởi kích thước của ngăn xếp tế bào điện hóa. Lượng chất điện phân chảy trong ngăn xếp điện hóa tại bất kỳ thời điểm nào hiếm khi nhiều hơn một vài phần trăm tổng lượng chất điện phân hiện có (đối với xếp hạng năng lượng tương ứng với phóng điện ở công suất danh định trong hai đến tám giờ). Dòng chảy có thể dễ dàng bị dừng trong điều kiện lỗi. Kết quả là, tính dễ bị tổn thương của hệ thống đối với việc giải phóng năng lượng không được kiểm soát trong trường hợp RFB bị giới hạn bởi kiến trúc hệ thống ở một vài phần trăm tổng năng lượng được lưu trữ. Tính năng này trái ngược với các kiến trúc lưu trữ tích hợp, đóng gói (axit-chì, NAS, Li Ion), nơi năng lượng đầy đủ của hệ thống được kết nối mọi lúc và luôn sẵn sàng để xả.
Việc tách biệt quyền lực và năng lượng cũng mang lại sự linh hoạt trong thiết kế trong việc ứng dụng RFB. Khả năng cấp nguồn (kích thước ngăn xếp) có thể được điều chỉnh trực tiếp cho tải liên quan hoặc nội dung tạo ra. Khả năng lưu trữ (kích thước của bể chứa) có thể được điều chỉnh độc lập cho nhu cầu lưu trữ năng lượng của ứng dụng cụ thể. Bằng cách này, RFB có thể cung cấp một cách kinh tế hệ thống lưu trữ được tối ưu hóa cho từng ứng dụng. Ngược lại, tỷ lệ công suất trên năng lượng được cố định cho các ô tích hợp tại thời điểm thiết kế và sản xuất ô. Quy mô kinh tế trong sản xuất tế bào giới hạn số lượng thực tế của các thiết kế tế bào khác nhau có sẵn. Do đó, các ứng dụng lưu trữ với các ô tích hợp thường sẽ dư thừa năng lượng hoặc năng lượng.
RFB có thể được chia thành hai loại: 1) pin dòng oxy hóa khử thực sự, trong đó tất cả các loại hóa chất hoạt động trong việc lưu trữ năng lượng luôn được hòa tan hoàn toàn trong dung dịch; và 2) pin dòng oxy hóa khử lai, trong đó ít nhất một mẫu hóa học được mạ thành chất rắn trong tế bào điện hóa trong quá trình sạc. Ví dụ về RFB thực sự bao gồm hệ thống vanadi-vanadi và sắt-crom. Ví dụ về các RFB lai bao gồm hệ thống kẽm-brom và kẽm-clo.
Hoàn toàn tách biệt điện và cơ năng RFB thực sự đạt được sự tách biệt hoàn toàn giữa điên và cơ năng, cùng với đầy đủ các ưu điểm. Trong các RFB lai, không đạt được sự tách biệt hoàn toàn giữa công suất và năng lượng, vì năng lượng được lưu trữ trong kim loại được mạ trong ngăn xếp điện hóa trong quá trình tích điện. Khả năng lưu trữ năng lượng lớn hơn đòi hỏi một ngăn xếp lớn hơn, do đó, sự khác biệt của RFB lai với các kiến trúc tế bào tích hợp chỉ đạt được một phần.
Cuối cùng, RFB rất phù hợp cho các ứng dụng có yêu cầu năng lượng trong khoảng hàng chục kilowatt đến hàng chục megawatt và yêu cầu lưu trữ năng lượng trong khoảng 500 kilowatt giờ đến hàng trăm megawatt-giờ. RFB có thể là sự lựa chọn kinh tế nhất trong phạm vi này vì bể chứa và bộ điều khiển lưu lượng dễ dàng và kinh tế để mở rộng quy mô và các ngăn xếp điện hóa có thể có các đơn vị lặp lại với xếp hạng công suất từ hàng chục đến hàng trăm kilowatt.
Pin dòng oxy hóa khử có một nhược điểm chính về kiến trúc so với kiến trúc tế bào tích hợp của lưu trữ điện hóa. RFB có xu hướng có mật độ năng lượng thể tích thấp hơn so với kiến trúc tế bào tích hợp, đặc biệt là trong các ứng dụng công suất cao, thời gian ngắn. Điều này là do khối lượng của các thành phần điều khiển và phân phối dòng điện phân của hệ thống, không được sử dụng để lưu trữ năng lượng, vì vậy một hệ thống không nhỏ gọn như các công nghệ khác có thể cho một đầu ra tương tự. Mặc dù vậy, các RFB có sẵn với dấu chân hệ thống dưới mục tiêu của trạm biến áp EPRI là <500 ft2 / MWh.
Pin dòng oxy hóa khử cung cấp một phương tiện tiết kiệm, ít tổn thương để lưu trữ năng lượng điện ở quy mô lưới điện. Pin dòng oxy hóa khử cũng cung cấp tính linh hoạt cao hơn để điều chỉnh độc lập xếp hạng công suất và xếp hạng năng lượng cho một ứng dụng nhất định so với các phương tiện điện hóa khác để lưu trữ năng lượng điện. Pin dòng oxy hóa khử phù hợp cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng với công suất xếp hạng từ hàng chục kW đến hàng chục MW và thời lượng lưu trữ từ hai đến 10 giờ.
Pin dòng oxy hóa khử Vanadium (VRB)
Pin ôxy hóa khử Vanadium (VRB®) ¹ là pin dòng ôxy hóa khử thực sự (RFB), dự trữ năng lượng bằng cách sử dụng các cặp ôxy hóa khử vanadi (V2 + / V3 + ở cực âm và V4 + / V5 + ở nửa ô dương). Các chất hóa học hoạt động này luôn được hòa tan hoàn toàn trong dung dịch điện phân axit sulfuric. Giống như các RFB thực sự khác, xếp hạng công suất và năng lượng của Pin oxy hóa khử Vanadium độc lập với nhau và mỗi loại có thể được tối ưu hóa riêng cho một ứng dụng cụ thể. Tất cả những lợi ích và sự khác biệt khác của RFB thực sự so với các hệ thống lưu trữ năng lượng khác đều được VRB thực hiện. Pin ôxy hóa khử vanadi hoạt động đầu tiên đã được trình diễn thành công tại Đại học New South Wales vào cuối những năm 1980 và các phiên bản thương mại đã hoạt động trên quy mô hơn 8 năm.
Mục Lục
Cách hoạt động của pin oxy hóa khử dòng Vanadium
Trong chu kỳ phóng điện, V2 + bị oxy hóa thành V3 + trong nửa tế bào âm và một điện tử được giải phóng để thực hiện công việc ở mạch ngoài (DC hoặc đối với hệ thống AC, thông qua bộ chuyển đổi AC / DC).
Trong nửa cell dương, V5 + ở dạng VO2 + nhận một điện tử từ mạch ngoài và bị khử thành V4 + ở dạng VO2 +. Các ion hydro (H +) được trao đổi giữa hai nửa tế bào để duy trì tính trung hòa về điện tích. Các ion hydro khuếch tán qua màng polyme thấm anion hoặc cation-ion ngăn cách các nửa tế bào. Các loại vanadi tích điện và nước cũng có thể khuếch tán qua màng. Sự khuếch tán chéo dẫn đến tổn thất năng lượng trực tiếp cho chu trình đó. Tuy nhiên, khi vanadi là nguyên tố duy nhất hiện diện ở cả hai mặt của tế bào, cơ chế khuếch tán chéo này không dẫn đến mất dung lượng vĩnh viễn, miễn là tổng vanadi trong hệ thống không đổi (tức là không bị mất do kết tủa) .
Trong hệ thống chỉ chữ V, không cần duy trì sự cân bằng giữa các mặt tích cực và tiêu cực của hệ thống. Trong nửa tế bào dương, vanadi có trong dung dịch dưới dạng oxy-cation. Các oxy-cation này dễ bị kết tủa không thuận nghịch dưới dạng V2O5 nếu nhiệt độ điện phân vượt quá ~ 50-60oC. Tuy nhiên, khi kết tủa xảy ra, nó thường xảy ra ở dạng các hợp chất lành tính, không phải V2O5.
Nhiệt độ hoạt động bình thường của VRB là khoảng từ 10-40oC. Hệ thống phụ làm mát tích cực được sử dụng nếu nhiệt độ môi trường vượt quá 40-45oC. Có thể làm mát hệ thống một cách chủ động là một lợi thế vì hệ thống có thể tiếp tục hoạt động mà không có nguy cơ hư hỏng. Ngược lại, nếu kiến trúc ô tích hợp quá nóng, tùy chọn tốt nhất là ngừng sử dụng chúng cho đến khi chúng nguội đi.
Điện áp của tế bào là 1,4-1,6 volt và mật độ công suất của tế bào là hàng trăm mW / cm2 (mặc dù Prudent Energy báo cáo mật độ công suất của chúng cao hơn). Hiệu suất DC-DC của pin này đã được báo cáo trong khoảng 60-80%. Theo EPRI, pin ôxy hóa khử vanadi phù hợp với các hệ thống điện trong khoảng từ 100 kW đến 10 MW, với thời lượng lưu trữ trong khoảng 2-8 giờ.
Pin ôxy hóa khử vanadi cung cấp điện áp tế bào tương đối cao, điều này thuận lợi cho công suất và mật độ năng lượng cao hơn so với các RFB thực khác, như hệ thống sắt-crôm. Tuy nhiên, điện áp cao hơn và chất điện phân V5 + có tính oxy hóa cao gây ra nhiều áp lực hóa học hơn đối với các vật liệu được sử dụng trong điện cực tế bào, màng và các thành phần xử lý chất lỏng. Sự vận chuyển chéo của các ion vanadi qua màng cũng được báo cáo là một thách thức, và các màng trao đổi ion khá đắt tiền phải được sử dụng để giảm thiểu tổn thất do vận chuyển qua màng. Các màng này có thể dễ bị bám bẩn, trong đó các ion vanadi bị giữ lại trong màng không thể phục hồi và làm tăng tổn thất điện trở trong tế bào. Mặt khác, các màng có chi phí thấp hơn đang được phát triển.
Vanadi là một vật liệu sẵn có, được sử dụng trong sản xuất thép và làm chất xúc tác hóa học, được tìm thấy tự nhiên và cũng có thể được thu hồi từ các dòng chất thải khác nhau. Tuy nhiên, giá thị trường của vanadi như V2O5 đã khá biến động kể từ năm 2017 sau vài năm ở mức giá thấp.
Pin Nickel-Cadmium (NI-CD)
Trong sản xuất thương mại từ những năm 1910, niken-cadmium (Ni-Cd) là một loại pin truyền thống đã chứng kiến những tiến bộ định kỳ trong công nghệ điện cực và đóng gói để duy trì khả năng tồn tại. Mặc dù không vượt trội về các biện pháp thông thường như mật độ năng lượng hoặc chi phí đầu tiên, pin Ni-Cd vẫn phù hợp bằng cách cung cấp cách thực hiện đơn giản mà không cần hệ thống quản lý phức tạp, đồng thời cung cấp tuổi thọ cao và dịch vụ đáng tin cậy.
Cách hoạt động của pin Nickel-Cadmium
Các tế bào Ni-Cd ban đầu sử dụng công nghệ tấm bỏ túi, một thiết kế vẫn còn được sản xuất cho đến ngày nay. Các tấm thiêu kết được đưa vào sản xuất từ giữa thế kỷ 20, sau đó là tấm sợi, điện cực liên kết nhựa và tấm xốp. Các tế bào có tấm dạng túi và tấm sợi thường sử dụng cùng một thiết kế điện cực cho cả cực dương niken và cực âm cadimi, trong khi các cực âm thiêu kết và bọt hiện được sử dụng phổ biến hơn với các bản cực âm được liên kết bằng nhựa.
Tất cả các thiết kế Ni-Cd công nghiệp đều là loại thông hơi, cho phép tiêu tán khí hình thành khi sạc quá mức nhưng cần bổ sung nước ở một mức độ nào đó để bù đắp. Điều này đã dẫn đến việc thực hiện các thiết kế phân tách cho phép các mức độ tái kết hợp khác nhau, với một số sản phẩm được thiết kế cho các ứng dụng năng lượng tái tạo viễn thông hoặc ngoài lưới điện đạt được hoạt động gần như không cần bảo trì đối với chất điện phân.
Pin Ni-Cd được sử dụng trong một số ứng dụng lưu trữ năng lượng trước đó, đáng chú ý nhất là của Hiệp hội Điện Thung lũng Vàng BESS, có kích thước 27 megawatt trong 15 phút và được đưa vào sử dụng vào năm 2003. Ni-Cd cũng được sử dụng để ổn định các hệ thống năng lượng gió, với một hệ thống 3 megawatt trên đảo Bonaire được đưa vào hoạt động vào năm 2010 như một phần của dự án để hòn đảo trở thành cộng đồng đầu tiên với 100% năng lượng được lấy từ các nguồn bền vững.
Pin Natri Sulfur (NaS)
Pin Natri Lưu huỳnh (NaS) ban đầu được Ford Motor Company phát triển vào những năm 1960 và sau đó công nghệ này được bán cho công ty NGK của Nhật Bản. NGK hiện sản xuất hệ thống pin cho các ứng dụng tĩnh. Hệ thống hoạt động ở nhiệt độ cao, 300 đến 350 ° C, có thể là một vấn đề vận hành khi hoạt động không liên tục. Các hệ thống lắp đặt đáng kể để lưu trữ năng lượng đã được sử dụng để tạo điều kiện cho việc trì hoãn xây dựng đường dây phân phối. Hiệu suất chuyến đi khứ hồi nằm trong phạm vi 90%, do đó cung cấp việc sử dụng năng lượng hiệu quả.
Cách hoạt động của pin lưu huỳnh natri
Các vật liệu hoạt động trong pin NaS là lưu huỳnh nóng chảy làm điện cực dương và natri nóng chảy làm điện cực âm. Các điện cực được ngăn cách bởi một sứ rắn, natri alumina, cũng đóng vai trò là chất điện phân. Loại gốm này chỉ cho phép các ion natri tích điện dương đi qua. Trong quá trình phóng điện, các điện tử bị bứt ra khỏi kim loại natri (một điện tử mang điện tích âm cho mỗi nguyên tử natri) dẫn đến sự hình thành các ion natri sau đó di chuyển qua chất điện phân đến ngăn điện cực dương. Các electron bị tách ra khỏi kim loại natri di chuyển qua mạch rồi quay trở lại pin ở điện cực dương, tại đây chúng được lưu huỳnh nóng chảy hấp thụ để tạo thành polysulfua. Các ion natri tích điện dương di chuyển vào ngăn điện cực dương làm cân bằng dòng điện tích. Trong quá trình sạc, quá trình này được đảo ngược. Pin phải được giữ nóng (thường> 300 ºC) để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình (tức là các bộ sưởi độc lập là một phần của hệ thống pin). Nhìn chung, các tế bào Na / S có hiệu suất cao (thường là 89%).
Công nghệ pin NaS đã được chứng minh tại hơn 190 địa điểm ở Nhật Bản. Hơn 270 MW năng lượng dự trữ thích hợp cho 6 giờ cạo cao điểm hàng ngày đã được lắp đặt. Tại Abu Dhabi, mười lăm hệ thống NaS phối hợp hoạt động cung cấp 108 MW / 648 MWh để hoãn đầu tư sản xuất hóa thạch và cung cấp các dịch vụ đáp ứng tần số và kiểm soát điện áp.
Tụ điện hóa
Tụ điện hóa (EC) – đôi khi được gọi là tụ điện “hai lớp điện” – cũng xuất hiện dưới các tên thương mại như “Siêu tụ điện” hoặc “Siêu tụ điện”. Cụm từ “hai lớp” dùng để chỉ điện tích lưu trữ vật lý của chúng tại bề mặt phân cách điện phân của các điện cực cacbon có diện tích bề mặt cao. Có hai loại EC, đối xứng và không đối xứng, với các đặc tính khác nhau phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Thị trường và ứng dụng cho tụ điện hóa đang phát triển nhanh chóng và các ứng dụng liên quan đến lưới điện sẽ là một phần của sự tăng trưởng đó.
Tụ điện hóa hoạt động như thế nào
Khi hai điện cực của EC được kết nối theo đường dẫn dòng điện bên ngoài, dòng điện chạy cho đến khi đạt được sự cân bằng điện tích hoàn toàn. Sau đó, tụ điện có thể trở lại trạng thái tích điện bằng cách đặt điện áp. Bởi vì điện tích được lưu trữ vật lý, không có sự thay đổi pha hoặc hóa học diễn ra, quá trình này diễn ra nhanh chóng và có tính thuận nghịch cao và chu kỳ phóng điện có thể lặp đi lặp lại nhiều lần, hầu như không có giới hạn. Do diện tích bề mặt cao và độ dày lớp kép nhỏ, các thiết bị này có thể có điện dung riêng và thể tích rất cao. Điều này cho phép họ kết hợp mật độ điện dung không thể đạt được trước đây với vòng đời chu kỳ sạc-xả không giới hạn về cơ bản. Điện áp hoạt động của một tế bào chỉ bị giới hạn bởi điện thế đánh thủng của chất điện phân và thường nhỏ hơn 3 V. 
Do đó,có hai loại EC: loại có
1) thiết kế đối xứng, trong đó cả điện cực dương và điện cực âm đều được làm bằng carbon có diện tích bề mặt cao giống nhau
2) thiết kế không đối xứng với các vật liệu khác nhau cho hai điện cực, một loại có diện tích bề mặt cao carbon và loại còn lại là điện cực giống pin dung lượng cao hơn.
EC đối xứng có giá trị năng lượng cụ thể lên đến ~ 6 Wh / kg và hiệu suất năng lượng cao hơn so với tụ điện không đối xứng trong đó các thiết kế có giá trị năng lượng cụ thể tiếp cận 20 Wh / kg. Có sự khác biệt khác về đặc điểm và hiệu suất của hai loại này dẫn đến việc sử dụng trong các ứng dụng khác nhau.
Do công suất cao, vòng đời dài, độ tin cậy tốt và các đặc tính khác, thị trường và các ứng dụng cho EC đang gia tăng đều đặn. Có hàng chục nhà sản xuất và nhiều nhà sản xuất khác đang tham gia vào thị trường vì sự tăng trưởng của thị trường. Các ứng dụng bao gồm từ thiết bị điện tử di động và thiết bị y tế đến các mục đích sử dụng hỗn hợp nặng và giao thông vận tải khác. ECs phù hợp hơn pin cho các ứng dụng đòi hỏi tuổi thọ chu kỳ cao và thời gian sạc hoặc xả từ 1 giây trở xuống. Rào cản lớn nhất đối với sự tăng trưởng của thị trường là sự thiếu hiểu biết về công nghệ và các ứng dụng mà nó phù hợp nhất. Công nghệ EC bất đối xứng của chất điện phân trong nước mang đến cơ hội đạt được khả năng lưu trữ năng lượng lớn với chi phí thấp đặc biệt.
Có những yêu cầu khác nhau đối với việc lưu trữ năng lượng trong các ứng dụng liên quan đến lưới điện khác nhau, từ hỗ trợ điện áp và tải sau cho đến tích hợp tạo gió và dịch chuyển thời gian. Các EC đối xứng có thời gian đáp ứng theo thứ tự 1 giây và rất thích hợp cho các ứng dụng công suất cao trong thời gian ngắn liên quan đến cả điều chỉnh lưới điện và điều chỉnh tần số. EC không đối xứng phù hợp hơn cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng lưới có thời lượng dài, chẳng hạn như lưu trữ sạc vào ban đêm / sử dụng trong ngày (tức là lưu trữ năng lượng lớn). Một số sản phẩm EC không đối xứng đã được tối ưu hóa cho thời gian sạc ~ 5 giờ với thời gian xả ~ 5 giờ. Ưu điểm của EC trong các ứng dụng này bao gồm vòng đời dài, hiệu quả tốt, chi phí vòng đời thấp và mật độ năng lượng phù hợp.
Pin lưu lượng Iron-Chromium (ICB)
Pin dòng sắt-crom được NASA tiên phong và nghiên cứu rộng rãi trong những năm 1970 – 1980 và Mitsui ở Nhật Bản. Pin dòng sắt-crom là pin dòng oxy hóa khử (RFB). Năng lượng được lưu trữ bằng cách sử dụng các cặp oxi hóa khử Fe2 + – Fe3 + và Cr2 + – Cr3 +. Các loại hóa chất hoạt động được hòa tan hoàn toàn trong chất điện ly nước tại mọi thời điểm. Giống như các RFB thực sự khác, xếp hạng công suất và năng lượng của hệ thống sắt-crom độc lập với nhau và chúng có thể được tối ưu hóa riêng cho từng ứng dụng. Tất cả những lợi ích và sự khác biệt khác của RFB thực sự so với các hệ thống lưu trữ năng lượng khác đều được thực hiện bởi RFB sắt-crom.
Cách hoạt động của pin dòng sắt-Chromium
Trong chu kỳ phóng điện, Cr2 + bị oxy hóa thành Cr3 + trong nửa tế bào âm và một điện tử được giải phóng để thực hiện công việc ở mạch ngoài thông qua cực âm và cực dương của bộ chuyển đổi AC / DC. Trong nửa tế bào dương trong quá trình phóng điện, Fe3 + nhận một êlectron từ mạch ngoài và bị khử thành Fe2 +. Các phản ứng này được đảo ngược trong quá trình sạc, khi dòng điện được cung cấp từ mạch bên ngoài thông qua bộ chuyển đổi AC / DC. Các ion hydro (H +) được trao đổi giữa hai nửa tế bào để duy trì tính trung hòa về điện tích khi các điện tử rời khỏi một bên của tế bào và quay trở lại phía bên kia. Các ion hydro khuếch tán qua thiết bị phân tách, ngăn cách điện tử các nửa ô. Trong những lần triển khai ban đầu của RFB sắt-crom,
Các công thức điện phân hiện đại sử dụng hỗn hợp sắt và crom trên cả hai mặt của thiết bị phân tách đã loại bỏ sự mất mát không thể phục hồi và cho phép sử dụng vật liệu phân tách xốp, chi phí thấp. Các thiết bị phân tách xốp này cũng đã loại bỏ chế độ hư hỏng “tắc nghẽn màng” xảy ra với các màng trao đổi ion được sử dụng trong sắt-crôm sơ khai và một số công nghệ RFB hiện tại khác.
Điện áp tế bào tiêu chuẩn là 1,18 vôn và mật độ công suất tế bào thường là 70-100 mW / cm2. Điện áp tế bào tương đối thấp dẫn đến mật độ năng lượng thấp và do đó thiết bị lớn hơn so với trường hợp của các công nghệ khác, nhưng các nhà phát triển vẫn có thể đáp ứng mục tiêu dấu chân của EPRI là 500 ft2 trên mỗi MWh lưu trữ. Hiệu suất DC / DC của pin này đã được báo cáo trong khoảng 70-80%. Hiệu quả của hệ thống này được nâng cao ở nhiệt độ hoạt động cao hơn trong khoảng 40-60 oC (105-140 oF), làm cho RFB này rất phù hợp với khí hậu ấm áp và thực tế ở tất cả các vùng khí hậu nơi khả thi lưu trữ năng lượng điện hóa. Hóa học sắt và crom rất lành tính với môi trường so với các hệ thống điện hóa khác, trong đó các loại sắt và crom có mặt có độc tính rất thấp và loãng, chất điện phân gốc nước có áp suất hơi rất thấp. Những yếu tố này kết hợp với nhau để làm cho RFB sắt-crom trở thành một trong những hệ thống an toàn nhất để lưu trữ năng lượng về mặt nhân sự và môi trường.
Thế chuẩn của cặp Cr2 + – Cr3 + gần với thế tiến hóa hydro. Cần phải cẩn thận trong việc thiết kế các RFB sắt-crôm để giảm thiểu các phản ứng phụ do ký sinh trùng gây ra và sau đó để đảo ngược sự mất công suất liên quan và sự mất cân bằng điện giải. Các nhà phát triển hiện tại của RFB sắt-crom dường như đã giảm thiểu phản ứng phụ này và thực hiện các hệ thống con tái cân bằng hiệu quả với mức độ mất hiệu quả hệ thống tối thiểu.
Pin lưu lượng sắt-crom có sẵn để dự phòng viễn thông ở quy mô 5 kW – 3 giờ và đã được chứng minh ở quy mô tiện ích. Các nhà phát triển hiện tại đang làm việc để giảm chi phí và nâng cao độ tin cậy. Các hệ thống này có tiềm năng rất hiệu quả về chi phí ở quy mô MW – MWh.
Pin lưu lượng kẽm-Brom (ZNBR)
Pin kẽm-brom là pin dòng oxy hóa khử lai, vì phần lớn năng lượng được tích trữ bằng cách mạ kim loại kẽm như một chất rắn lên các tấm cực dương trong ngăn xếp điện hóa trong quá trình tích điện. Do đó, tổng dung lượng lưu trữ năng lượng của hệ thống phụ thuộc vào cả kích thước ngăn xếp (diện tích điện cực) và kích thước của các bể chứa chất điện phân. Do đó, xếp hạng công suất và năng lượng của pin dòng kẽm-brom không được tách ra hoàn toàn. Pin lưu lượng kẽm-brom được Exxon phát triển như một hệ thống pin lưu lượng hỗn hợp vào đầu những năm 1970.
Cách hoạt động của pin kẽm-brom
Trong mỗi ô của pin kẽm-brom, hai chất điện phân khác nhau chảy qua các điện cực composite nhựa carbon trong hai ngăn, được ngăn cách bởi một màng polyolefin xốp siêu nhỏ. Bình điện phân ở cực dương (cực âm) hoàn toàn là nước, còn bình điện phân ở cực dương cũng chứa hợp chất amin hữu cơ để giữ brom trong dung dịch.
Trong quá trình tích điện, kẽm kim loại được mạ (khử) như một lớp màng dày ở phía cực dương của điện cực composite nhựa cacbon. Trong khi đó, các ion bromua bị oxy hóa thành brom và phát triển ở phía bên kia của màng. Brom có khả năng tan trong nước rất hạn chế, nhưng amin hữu cơ ở catot phản ứng với brom tạo thành dầu brom đậm đặc, nhớt và chìm xuống đáy bình catot. Dầu brom sau đó phải được trộn lại với phần còn lại của dung dịch catốt để có thể phóng điện.
Trong quá trình phóng điện, kim loại kẽm được mạ trên cực dương trong quá trình tích điện, bị ôxy hóa thành ion Zn2 + và hòa tan vào dung dịch nước. Hai electron được giải phóng ở anot để làm công việc ở mạch ngoài. Các electron quay trở lại catot và khử các phân tử brom (Br2) thành các ion bromua, chúng tan trong dung dịch nước catot. Brom ở catot được tách khỏi amin và chuyển thành hai ion bromua (Br-) ở catot, cân bằng cation Zn2 + và tạo thành dung dịch kẽm bromua. Quá trình hóa học được sử dụng để tạo ra dòng điện làm tăng nồng độ ion kẽm và ion bromua trong cả hai bình điện phân. Hiệu suất DC-DC thuần của pin này được báo cáo nằm trong khoảng 65-75%.
Những thách thức thực tế
Pin oxy hóa khử kẽm-brom cung cấp một trong những điện áp tế bào cao nhất và giải phóng hai điện tử trên mỗi nguyên tử kẽm. Các thuộc tính này kết hợp để cung cấp mật độ năng lượng cao nhất trong số các loại pin lưu lượng. Tuy nhiên, điện áp tế bào cao và nguyên tố oxy hóa cao, brom, các điện cực tế bào, màng và các thành phần xử lý chất lỏng có thể chịu được các điều kiện hóa học. Những vật liệu này đắt tiền. Brom là một nguyên liệu có độc tính cao qua đường hô hấp và hấp thụ. Duy trì phức amin ổn định với brom là chìa khóa cho sự an toàn của hệ thống. Hệ thống làm mát tích cực được cung cấp bởi các nhà sản xuất hệ thống để duy trì sự ổn định của phức hợp bromine-amine khi nhiệt độ môi trường xung quanh có thể vượt quá 95 ° F. Ngoài ra, Việc mạ lặp lại các kim loại nói chung là khó khăn do sự hình thành của các bề mặt “nhám” (sự hình thành dendrite) có thể làm thủng bộ phân tách. Thiết kế ô đặc biệt và các chế độ hoạt động (phóng điện xung trong quá trình sạc) được yêu cầu để đạt được lớp mạ đồng nhất và hoạt động đáng tin cậy.
Hệ thống lưu trữ năng lượng Zn/Br tích hợp đã được thử nghiệm trên xe kéo có thể vận chuyển (lên đến 1 MW/3 MWh) cho các ứng dụng quy mô tiện ích. Nhiều hệ thống có kích thước này có thể được kết nối song song để sử dụng trong các ứng dụng lớn hơn nhiều. Các hệ thống Zn / Br cũng đang được cung cấp ở quy mô Lưu trữ Năng lượng Cộng đồng (CES) 5 kW/20 kWh và hiện đang được thử nghiệm bởi các công ty tiện ích, chủ yếu ở Úc.
Trong loạt bài viết tiếp theo chúng tôi sẽ giới thiệu các công nghệ Lưu trữ nhiệt, thủy điện tích năng và hydrogen.
Nguồn: energystorage.org
![Hệ thống quản lý [Pin Lithium] là gì?](https://dienxanheco.com/wp-content/uploads/2024/05/1-93-414x266-16.jpg "Hệ thống quản lý [Pin Lithium] là gì? 22")
