वैनेडियम फ्लो बैटरियों की व्याख्या अक्षय ऊर्जा भंडारण के लिए एक गेम-चेंजर

हाल ही में, कुनुनुरा के लिए होराइज़न पावर की वैनेडियम फ़्लो बैटरी परियोजना इंटरनेट पर ट्रेंड कर रही है। लेकिन वैनेडियम फ़्लो बैटरी परियोजनाएँ अधिक प्रचलित क्यों हो रही हैं? इसे समझने के लिए, हमें वैनेडियम फ़्लो बैटरी के बारे में अधिक जानने से शुरुआत करनी चाहिए:

वैनेडियम फ्लो बैटरी: ऊर्जा भंडारण में एक नया युग

वैनेडियम फ्लो बैटरी (वीएफ़बी) एक प्रकार की बैटरी है जिसमें सकारात्मक और नकारात्मक दोनों इलेक्ट्रोड ऊर्जा भंडारण माध्यम के रूप में परिसंचारी वैनेडियम घोल का उपयोग करते हैं। चार्जिंग और डिस्चार्जिंग की प्रक्रिया के माध्यम से, बैटरी विद्युत ऊर्जा और रासायनिक ऊर्जा के बीच रूपांतरण को सक्षम बनाती है, जिससे ऊर्जा का भंडारण और विमोचन होता है।

वैनेडियम फ्लो बैटरी की संरचना पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरी और लेड-कार्बन बैटरी से अलग होती है। इसमें निम्नलिखित मुख्य घटक होते हैं: एक स्टैक (या व्यक्तिगत सेल), एक सकारात्मक इलेक्ट्रोलाइट टैंक (सकारात्मक इलेक्ट्रोलाइट को संग्रहीत करना), एक नकारात्मक इलेक्ट्रोलाइट टैंक (नकारात्मक इलेक्ट्रोलाइट को संग्रहीत करना), एक परिसंचारी पंप और एक प्रबंधन प्रणाली। स्टैक श्रृंखला में जुड़े कई अलग-अलग सेल से बना होता है, जिनमें से प्रत्येक में सकारात्मक इलेक्ट्रोड, नकारात्मक इलेक्ट्रोड, विभाजक और द्विध्रुवीय प्लेट शामिल होते हैं। कई वैनेडियम फ्लो बैटरी स्टैक एक ऊर्जा भंडारण मॉड्यूल बनाते हैं, और कई मॉड्यूल एक साथ मिलकर एक पूर्ण ऊर्जा भंडारण प्रणाली या स्टेशन बनाते हैं।

वैनेडियम फ्लो बैटरी में ऊर्जा भंडारण का सिद्धांत

वैनेडियम आयन चार अलग-अलग वैलेंस अवस्थाओं में मौजूद होते हैं। वैनेडियम फ्लो बैटरी के सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोलाइट्स में सक्रिय ऊर्जा भंडारण सामग्री वैनेडियम आयन हैं। चार्जिंग और डिस्चार्जिंग प्रक्रिया सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोलाइट्स दोनों में वैनेडियम आयनों की वैलेंस अवस्थाओं में परिवर्तन पर आधारित है, जिससे ऊर्जा भंडारण और रिलीज प्राप्त होती है।

1. चार्जिंग के दौरान:धनात्मक इलेक्ट्रोलाइट में, +4 वैलेंस अवस्था में वैनेडियम आयन +5 अवस्था में ऑक्सीकृत हो जाते हैं, जिससे एक इलेक्ट्रॉन खो जाता है और दो हाइड्रोजन आयन बनते हैं। ऋणात्मक इलेक्ट्रोलाइट में, +3 वैलेंस अवस्था में वैनेडियम आयन एक इलेक्ट्रॉन प्राप्त करते हैं और +2 अवस्था में अपचयित हो जाते हैं, जिससे एक हाइड्रोजन आयन समाप्त हो जाता है।

2. निर्वहन के दौरान:धनात्मक इलेक्ट्रोलाइट में, +5 वैलेंस अवस्था में वैनेडियम आयन +4 अवस्था में अपचयित हो जाते हैं, जिससे एक इलेक्ट्रॉन प्राप्त होता है और दो हाइड्रोजन आयन समाप्त हो जाते हैं। ऋणात्मक इलेक्ट्रोलाइट में, +2 अवस्था में वैनेडियम आयन +3 अवस्था में ऑक्सीकृत हो जाते हैं, जिससे एक हाइड्रोजन आयन मुक्त होता है।

3. 
   

उपरोक्त प्रक्रिया से पता चलता है कि चार्जिंग के दौरान हाइड्रोजन आयन पॉजिटिव से नेगेटिव की ओर चले जाते हैं, जबकि डिस्चार्जिंग के दौरान प्रक्रिया उलट जाती है। बैटरी के अंदर विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया हाइड्रोजन आयनों के प्रवास के रूप में प्रकट होती है, जो बाहरी सर्किट में विद्युत धारा उत्पन्न करती है।

वैनेडियम फ्लो बैटरी की इलेक्ट्रोड प्रतिक्रियाएं:

• धनात्मक इलेक्ट्रोड: ${\text{वो}}_2^{+}+{\text{एच}}_2\text{हे}-{\mathrm{और}}^{-}\rightleftharpoons {\text{वो}}_2^{+}+2{\text{एच}}^{+}$, ${\mathrm{और}}_0=1.004\mathrm{वी}$

• नकारात्मक इलेक्ट्रोड: ${\text{वी}}^{3+}+{\mathrm{और}}^{-}\rightleftharpoons {\text{वी}}^{2+}$, ${\mathrm{और}}_0=-0.255\mathrm{वी}$

• समग्र प्रतिक्रिया: ${\text{वो}}_2^{+}+{\text{वी}}^{3+}+{\text{एच}}_2\text{O}\rightleftharpoons {\text{वो}}_2^{+}+{\text{वी}}^{2+}+2{\text{एच}}^{+}$, ${\mathrm{और}}_0=1.259\mathrm{वी}$

अपनी उच्च सुरक्षा, बड़े पैमाने पर ऊर्जा भंडारण क्षमता, लंबे चार्ज और डिस्चार्ज चक्र जीवन, पुनर्चक्रणीय इलेक्ट्रोलाइट, अपने पूरे जीवन चक्र में लागत-प्रभावशीलता और पर्यावरण मित्रता के कारण, वैनेडियम फ्लो बैटरी (वीएफ़बी) ने हाल के वर्षों में वैश्विक ध्यान आकर्षित किया है। वीएफ़बी ऊर्जा भंडारण प्रणालियों के अनुसंधान, विकास और इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों ने तेजी से विकास, प्रौद्योगिकी में सुधार, लागत में कमी और औद्योगीकरण और व्यापक अनुप्रयोग के चरण में प्रवेश करने के साथ महत्वपूर्ण प्रगति की है, जिससे बाजार में अपार संभावनाएं हैं।

2. वैनेडियम फ्लो बैटरी की तकनीकी विशेषताएं

तकनीकी लाभ

①आंतरिक सुरक्षा और पर्यावरण मित्रता

वैनेडियम फ्लो बैटरी ऊर्जा भंडारण प्रणालियाँ संचालन में आंतरिक रूप से सुरक्षित और विश्वसनीय हैं, साथ ही इनका जीवन चक्र पर्यावरण के अनुकूल है। वैनेडियम फ्लो बैटरी में इलेक्ट्रोलाइट तनु सल्फ्यूरिक एसिड में वैनेडियम आयनों का जलीय घोल होता है। जब तक चार्ज और डिस्चार्ज कटऑफ वोल्टेज को ठीक से नियंत्रित किया जाता है और बैटरी सिस्टम को अच्छी तरह हवादार जगह पर संग्रहीत किया जाता है, तब तक यह आग या विस्फोट के जोखिम के बिना स्वाभाविक रूप से सुरक्षित है। इलेक्ट्रोलाइट को एक सीलबंद जगह में परिचालित किया जाता है और आमतौर पर उपयोग के दौरान पर्यावरण प्रदूषक उत्पन्न नहीं करता है, न ही यह बाहरी अशुद्धियों से दूषित होता है।

इसके अतिरिक्त, वैनेडियम फ्लो बैटरी में सकारात्मक और नकारात्मक दोनों इलेक्ट्रोलाइट्स वैनेडियम आयनों का उपयोग करते हैं, जो सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोलाइट्स के मिश्रण से अपरिवर्तनीय क्षमता गिरावट को रोकता है। संचालन के वर्षों में, मामूली साइड रिएक्शन और सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोलाइट्स के संचयी मामूली मिश्रण के कारण होने वाली क्षमता गिरावट को ऑनलाइन या ऑफलाइन पुनर्जनन के माध्यम से पुनर्जीवित और पुनः उपयोग किया जा सकता है।

स्टैक और सिस्टम मुख्य रूप से कार्बन सामग्री, प्लास्टिक और धातुओं से बने होते हैं। जब वैनेडियम फ्लो बैटरी सिस्टम को बंद कर दिया जाता है, तो धातु सामग्री को रीसाइकिल किया जा सकता है, और कार्बन सामग्री और प्लास्टिक को ईंधन के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है। इसलिए, वैनेडियम फ्लो बैटरी सिस्टम का पूरा जीवन चक्र सुरक्षित है, इसमें न्यूनतम पर्यावरणीय भार है, और यह पर्यावरण के लिए बहुत अनुकूल है।

②स्वतंत्र आउटपुट पावर और ऊर्जा क्षमता

वैनेडियम फ्लो बैटरी ऊर्जा भंडारण प्रणालियों की आउटपुट शक्ति और ऊर्जा क्षमता एक दूसरे से स्वतंत्र होती हैं, तथा इनका डिजाइन और स्थापना लचीला होता है, जिससे ये बड़े पैमाने पर, उच्च क्षमता और लंबी अवधि के ऊर्जा भंडारण के लिए उपयुक्त होती हैं।

जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, वैनेडियम फ्लो बैटरी सिस्टम की आउटपुट पावर बैटरी स्टैक के आकार और संख्या से निर्धारित होती है, जबकि ऊर्जा क्षमता इलेक्ट्रोलाइट की मात्रा से निर्धारित होती है। आउटपुट पावर बढ़ाने के लिए, बैटरी स्टैक के इलेक्ट्रोड क्षेत्र को बढ़ाया जा सकता है या स्टैक की संख्या बढ़ाई जा सकती है। ऊर्जा क्षमता बढ़ाने के लिए, इलेक्ट्रोलाइट की मात्रा बढ़ाई जा सकती है। यह वैनेडियम फ्लो बैटरी को बड़े पैमाने पर, उच्च क्षमता, लंबी अवधि के ऊर्जा भंडारण की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए विशेष रूप से उपयुक्त बनाता है। वैनेडियम फ्लो बैटरी सिस्टम की आउटपुट पावर आमतौर पर सैकड़ों वाट से लेकर सैकड़ों मेगावाट तक होती है, और ऊर्जा क्षमता सैकड़ों किलोवाट-घंटे से लेकर सैकड़ों मेगावाट-घंटे तक होती है।

③उच्च ऊर्जा रूपांतरण दक्षता, तेज़ स्टार्ट-अप, कोई चरण परिवर्तन नहीं

ऊर्जा रूपांतरण दक्षता उच्च है, और चार्ज और डिस्चार्ज अवस्थाओं के बीच संक्रमण तेज़ है। वैनेडियम फ्लो बैटरी कमरे के तापमान पर संचालित होती है, जिसमें इलेक्ट्रोलाइट समाधान इलेक्ट्रोलाइट टैंक और बैटरी स्टैक के बीच घूमता रहता है। चार्ज और डिस्चार्ज प्रक्रियाओं के दौरान, जलीय घोल में घुले वैनेडियम आयनों की वैलेंस अवस्था में परिवर्तन के माध्यम से ऊर्जा भंडारण और रिलीज होता है, बिना किसी चरण परिवर्तन के।

इस प्रकार, चार्ज और डिस्चार्ज अवस्थाओं के बीच संक्रमण त्वरित है, मेगावाट-स्केल ऊर्जा भंडारण में ऊर्जा भंडारण प्रणाली 100 मिलीसेकंड से भी कम समय में 80% चार्ज से 80% डिस्चार्ज पर स्विच करने में सक्षम है, जो मुख्य रूप से नियंत्रण संकेतों की संचरण गति द्वारा निर्धारित होती है। यह वैनेडियम फ्लो बैटरियों को आयाम मॉड्यूलेशन और आवृत्ति मॉड्यूलेशन, नवीकरणीय ऊर्जा ग्रिड एकीकरण, सहायक सेवाओं, पावर ग्रिड के लिए पीक शेविंग और आपातकालीन बैकअप ऊर्जा भंडारण के लिए उपयोग करने की अनुमति देता है।

④मॉड्यूलर डिज़ाइन सिस्टम एकीकरण और स्केलिंग को सुविधाजनक बनाता है

वैनेडियम फ्लो बैटरी स्टैक को फ़िल्टर-प्रेस तरीके से स्टैक किए गए कई सिंगल सेल से इकट्ठा किया जाता है। वर्तमान में, एक औद्योगिक सिंगल सेल स्टैक की रेटेड आउटपुट पावर आम तौर पर 30 से 80 किलोवाट के बीच होती है। ऊर्जा भंडारण प्रणाली में आम तौर पर कई मॉड्यूलर इकाइयाँ होती हैं, जिनमें से प्रत्येक की रेटेड आउटपुट पावर लगभग 500 किलोवाट होती है। अन्य बैटरियों की तुलना में, वैनेडियम फ्लो बैटरी स्टैक और ऊर्जा भंडारण प्रणाली मॉड्यूल में बड़ी रेटेड आउटपुट पावर, अच्छी एकरूपता होती है, और उन्हें एकीकृत करना और बढ़ाना आसान होता है।

2. वैनेडियम फ्लो बैटरी की सीमाएं

①सिस्टम जटिलता

ऊर्जा भंडारण प्रणाली कई उप-प्रणालियों से बनी होती है, जो इसे जटिल बनाती है।

②ऊर्जा सहायता उपकरण

निरंतर स्थिर संचालन सुनिश्चित करने के लिए, ऊर्जा भंडारण प्रणाली को इलेक्ट्रोलाइट परिसंचरण पंप, इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रण उपकरण, वेंटिलेशन सिस्टम और इलेक्ट्रोलाइट तापमान नियंत्रण प्रणाली जैसे अतिरिक्त उपकरणों की आवश्यकता होती है, जिन्हें बदले में बिजली की आवश्यकता होती है। नतीजतन, वैनेडियम फ्लो बैटरी सिस्टम आमतौर पर छोटे पैमाने की ऊर्जा भंडारण प्रणालियों के लिए उपयुक्त नहीं होते हैं।

③कम ऊर्जा घनत्व

वैनेडियम आयन घुलनशीलता और अन्य कारकों की सीमाओं के कारण, वैनेडियम प्रवाह बैटरियों में ऊर्जा घनत्व कम होता है। वे स्थिर ऊर्जा भंडारण स्टेशनों के लिए अधिक उपयुक्त हैं जहाँ आयतन और वजन महत्वपूर्ण बाधाएँ नहीं हैं, लेकिन मोबाइल पावर स्रोतों या गतिशील बैटरियों के रूप में उपयोग के लिए उपयुक्त नहीं हैं।

3. वैनेडियम फ्लो बैटरी का जीवन चक्र लागत विश्लेषण

निम्नलिखित आरेख 4 घंटे और 10 घंटे की भंडारण अवधि वाले वैनेडियम फ्लो बैटरी ऊर्जा भंडारण प्रणालियों की अनुमानित जीवन चक्र लागत को दर्शाता है।

① 1 मेगावाट/10 मेगावाट घंटा वैनेडियम फ्लो बैटरी ऊर्जा भंडारण प्रणाली वास्तविक लागत अनुमान:

② 1 मेगावाट/10 मेगावाट घंटा वैनेडियम फ्लो बैटरी ऊर्जा भंडारण प्रणाली वास्तविक लागत अनुमान:

इसलिए, वैनेडियम फ्लो बैटरी ऊर्जा भंडारण प्रणालियों के लिए, ऊर्जा भंडारण अवधि जितनी लंबी होगी, समग्र जीवनचक्र लागत उतनी ही कम होगी।

4. उद्योग श्रृंखला संरचना

वैनेडियम फ्लो बैटरी उद्योग श्रृंखला में अपस्ट्रीम सामग्री, बैटरी निर्माण, मॉड्यूल डिजाइन और सिस्टम एकीकरण शामिल हैं। वर्तमान में शोध की जा रही मुख्यधारा की लिक्विड फ्लो बैटरी वैनेडियम फ्लो बैटरी है। इसके अपस्ट्रीम कच्चे माल में मुख्य रूप से शामिल हैंवैनेडियम पेंटोक्साइड (V2O5)औरपरफ्लुओरोसल्फोनिक एसिड झिल्लीमिडस्ट्रीम में वैनेडियम फ्लो बैटरी स्टोरेज सिस्टम का डिज़ाइन और निर्माण शामिल है, जिसमें निम्नलिखित घटक शामिल हैंइन्वर्टर,स्मार्ट नियंत्रक,ईंधन के ढेर,झिल्ली,इलेक्ट्रोलाइट, औरभंडारण टंकियांइनमें से सबसे महत्वपूर्ण घटक हैंईंधन ढेरऔरइलेक्ट्रोलाइटडाउनस्ट्रीम अनुप्रयोगों में पवन ऊर्जा उत्पादन, फोटोवोल्टिक विद्युत उत्पादन, ग्रिड पीक-शेविंग आदि शामिल हैं।

वैनेडियम अयस्क और वैनेडियम प्रसंस्करण

वैनेडियम एक लिथोफाइल तत्व है, जो आम तौर पर अयस्कों में बिखरी हुई अवस्था में पाया जाता है। इसकी प्राकृतिक वितरण विशेषताएँ बड़े भंडार, व्यापक वितरण और कम मात्रा हैं।वैनेडियम-टाइटेनियम मैग्नेटाइटसबसे आम वैनेडियम युक्त अयस्क है। यह खनिज विश्व स्तर पर पाया जाता है और वर्तमान में वैनेडियम का प्राथमिक स्रोत है, जो 1,000 मिलियन टन से अधिक वैनेडियम का उत्पादन करता है।वैश्विक वार्षिक वैनेडियम उत्पादन का 85%.