バナジウムフロー電池の説明 再生可能エネルギー貯蔵のゲームチェンジャー

最近、ホライゾンパワーのクヌナラ向けバナジウムフロー電池プロジェクトがインターネット上で話題になっています。しかし、なぜバナジウムフロー電池プロジェクトがますます普及しているのでしょうか? これを理解するには、まずバナジウムフロー電池について詳しく知る必要があります。

バナジウムフロー電池: エネルギー貯蔵の新時代

バナジウムフロー電池 (VFB) は、正極と負極の両方で循環するバナジウム溶液をエネルギー貯蔵媒体として使用するタイプの電池です。充電と放電のプロセスを通じて、電池は電気エネルギーと化学エネルギーを変換し、エネルギーを貯蔵および放出します。

バナジウムフロー電池の構造は、従来のリチウムイオン電池や鉛炭素電池とは異なります。スタック (または個々のセル)、正極電解液タンク (正極電解液を貯蔵)、負極電解液タンク (負極電解液を貯蔵)、循環ポンプ、管理システムという主要コンポーネントで構成されています。スタックは、正極、負極、セパレーター、バイポーラプレートを含む複数の個々のセルが直列に接続されて構成されています。複数のバナジウムフロー電池スタックがエネルギー貯蔵モジュールを形成し、複数のモジュールが一緒になって完全なエネルギー貯蔵システムまたはステーションを構成します。

バナジウムフロー電池のエネルギー貯蔵原理

バナジウムイオンは 4 つの異なる価数状態で存在します。バナジウムフロー電池の正極および負極電解質内のアクティブなエネルギー貯蔵材料はバナジウムイオンです。充電および放電プロセスは、正極および負極電解質の両方におけるバナジウムイオンの価数状態の変化に基づいており、エネルギーの貯蔵と放出を実現します。

1. 充電中:正の電解質では、+4 価のバナジウム イオンが +5 の状態に酸化され、電子を 1 つ失って 2 つの水素イオンが生成されます。負の電解質では、+3 価のバナジウム イオンが電子を獲得し、+2 の状態に還元され、1 つの水素イオンが消費されます。

2. 放電中:正の電解質では、+5 価のバナジウムイオンが +4 の状態に還元され、電子を獲得して 2 つの水素イオンを消費します。負の電解質では、+2 価のバナジウムイオンが +3 の状態に酸化され、1 つの水素イオンが放出されます。

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上記のプロセスは、充電中に水素イオンが正極から負極に移動し、放電中にその逆のプロセスが起こることを示しています。バッテリー内部の電気化学反応は水素イオンの移動として現れ、外部回路に電流を生成します。

バナジウムフロー電池の電極反応：

• 正極: ${\text{音声}}_2^{+}+{\text{H}}_2\text{ザ}-{\mathrm{そして}}^{-}\rightleftharpoons {\text{音声}}_2^{+}+2{\text{H}}^{+}$、 ${\mathrm{そして}}_0=1.004V$

• 負極: ${\text{V}}^{3+}+{\mathrm{そして}}^{-}\rightleftharpoons {\text{V}}^{2+}$、 ${\mathrm{そして}}_0=-0.255V$

• 全体的な反応: ${\text{音声}}_2^{+}+{\text{V}}^{3+}+{\text{H}}_2\text{ザ}\rightleftharpoons {\text{音声}}_2^{+}+{\text{V}}^{2+}+2{\text{H}}^{+}$、 ${\mathrm{そして}}_0=1.259V$

バナジウムフロー電池（VFB）は、高い安全性、大規模なエネルギー貯蔵容量、長い充放電サイクル寿命、リサイクル可能な電解質、ライフサイクル全体にわたる費用対効果、環境への配慮などの理由から、近年世界的に注目を集めています。VFBエネルギー貯蔵システムの研究、開発、エンジニアリングの応用は大きく進歩し、急速な発展、技術の向上、コストの削減、産業化と広範な応用の段階に入り、巨大な市場の可能性を示しています。

2. バナジウムフロー電池の技術的特徴

技術的な利点

①本質的な安全性と環境への配慮

バナジウムフロー電池エネルギー貯蔵システムは、本質的に安全で、動作が信頼でき、環境に優しいライフサイクルを備えています。バナジウムフロー電池の電解液は、希硫酸中のバナジウムイオンの水溶液で構成されています。充電および放電カットオフ電圧が適切に制御され、電池システムが換気の良い場所に保管されている限り、火災や爆発の危険がなく、本質的に安全です。電解液は密閉された空間内で循環され、通常、使用中に環境汚染物質を生成せず、外部の不純物によって汚染されることもありません。

さらに、バナジウムフロー電池の正極電解質と負極電解質の両方にバナジウムイオンが使用されているため、正極電解質と負極電解質の混合による不可逆的な容量低下を防止できます。長年の使用で、軽微な副反応や正極電解質と負極電解質のわずかな混合の蓄積によって引き起こされる容量低下は、オンラインまたはオフライン再生によって再生および再利用できます。

スタックとシステムは主に炭素材料、プラスチック、金属で構成されています。バナジウムフロー電池システムを廃止すると、金属材料をリサイクルでき、炭素材料とプラスチックは燃料として使用できます。そのため、バナジウムフロー電池システムのライフサイクル全体が安全で、環境負荷が最小限で、非常に環境に優しいです。

②独立した出力電力とエネルギー容量

バナジウムフロー電池エネルギー貯蔵システムの出力電力とエネルギー容量は互いに独立しており、柔軟な設計と設置が可能で、大規模、高容量、長時間のエネルギー貯蔵に適しています。

図 1 に示すように、バナジウム フロー バッテリー システムの出力はバッテリー スタックのサイズと数によって決まり、エネルギー容量は電解質の容量によって決まります。出力を増やすには、バッテリー スタックの電極面積を増やすか、スタックの数を増やすことができます。エネルギー容量を増やすには、電解質の容量を増やすことができます。このため、バナジウム フロー バッテリーは、大規模で大容量、長時間のエネルギー貯蔵を必要とする用途に特に適しています。バナジウム フロー バッテリー システムの出力は通常、数百ワットから数百メガワットの範囲で、エネルギー容量は数百キロワット時間から数百メガワット時間の範囲です。

③高いエネルギー変換効率、高速起動、相変化なし

エネルギー変換効率が高く、充電状態と放電状態の間の遷移が迅速です。バナジウムフロー電池は室温で動作し、電解液は電解液タンクと電池スタックの間を循環します。充電および放電プロセス中、エネルギーの蓄積と放出は、水溶液に溶解したバナジウムイオンの価数状態の変化によって行われ、相変化はありません。

そのため、充電状態と放電状態の間の遷移は迅速で、メガワット規模のエネルギー貯蔵システムでは、主に制御信号の伝送速度によって決まる 100 ミリ秒未満で 80% 充電から 80% 放電に切り替えることができます。これにより、バナジウムフロー電池は、振幅変調および周波数変調、再生可能エネルギーグリッド統合、補助サービス、電力グリッドのピークカット、緊急バックアップエネルギー貯蔵に使用できます。

④モジュール設計によりシステムの統合と拡張が容易になります

バナジウムフロー電池スタックは、フィルタープレス方式で積み重ねられた複数の単一セルから組み立てられます。現在、工業化された単一セルスタックの定格出力は、一般的に 30 ～ 80 キロワット です。エネルギー貯蔵システムは通常、定格出力がそれぞれ約 500 キロワット の複数のモジュールユニットで構成されています。他の電池と比較して、バナジウムフロー電池スタックとエネルギー貯蔵システムモジュールは、定格出力が大きく、均一性が高く、統合とスケールアップが容易です。

2. バナジウムフロー電池の限界

①システムの複雑さ

エネルギー貯蔵システムは複数のサブシステムで構成されているため、複雑になっています。

②エネルギーサポート機器

エネルギー貯蔵システムは、安定した連続運転を実現するために、電解液循環ポンプ、電子制御装置、換気システム、電解液温度制御システムなどの追加設備を必要とし、これらにも電力を供給する必要があります。そのため、バナジウムフロー電池システムは、一般的に小規模のエネルギー貯蔵システムには適していません。

③エネルギー密度が低い

バナジウム イオンの溶解度などの制限により、バナジウム フロー バッテリーのエネルギー密度は低くなります。体積と重量が大きな制約とならない固定エネルギー貯蔵ステーションに適していますが、移動電源や動的バッテリーとしての使用には適していません。

3. バナジウムフロー電池のライフサイクルコスト分析

次の図は、貯蔵期間が 4 時間および 10 時間のバナジウムフロー電池エネルギー貯蔵システムの推定ライフサイクル コストを示しています。

① 1MW/10MWhバナジウムフロー電池エネルギー貯蔵システムの実際のコスト見積り：

② 1MW/10MWhバナジウムフロー電池エネルギー貯蔵システムの実際のコスト見積り：

したがって、バナジウムフロー電池エネルギー貯蔵システムの場合、エネルギー貯蔵期間が長くなるほど、全体的なライフサイクルコストは低くなります。

4. 産業チェーンの構成

バナジウムフロー電池産業チェーンには、上流材料、電池製造、モジュール設計、システム統合が含まれます。現在研究されている主流の液体フロー電池はバナジウムフロー電池です。その上流原材料には主に以下が含まれます。五酸化バナジウム（V2O5）そしてパーフルオロスルホン酸膜ミッドストリームでは、次のようなコンポーネントで構成されるバナジウムフロー電池ストレージシステムの設計と製造を行っています。インバータ、スマートコントローラー、燃料スタック、膜、電解質、 そして貯蔵タンクこれらの中で最も重要なコンポーネントは燃料スタックそして電解質下流のアプリケーションには、風力発電、太陽光発電、グリッドピークシェービングなどがあります。

バナジウム鉱石とバナジウム処理

バナジウムは親岩元素で、通常は鉱石中に分散した状態で存在します。天然分布特性としては、埋蔵量が多く、分布範囲が広く、含有量が少ないことが挙げられます。バナジウムチタン磁鉄鉱最も一般的なバナジウム含有鉱石です。この鉱物は世界中で発見されており、現在ではバナジウムの主な供給源であり、世界の年間バナジウム生産量の85%。