Ванадий в энергосистеме. Кредит: Изменено Николасом Посунько/Сколтех на основе изображения, созданного моделью Photonic AI на Deep Dream Generator
Ученые Сколтеха представили модель, которая упрощает проектирование и эксплуатацию ванадиевых окислительно-восстановительных проточных батарей. Это крупномасштабные накопители электроэнергии, которые обещают сыграть важную роль в преобразовании энергии и уже используются коммунальными службами в Китае, Германии и США для выравнивания пикового спроса на энергосистему.
Эта технология — или аналогичное решение — будет незаменимой для широкого внедрения электромобилей и возобновляемой энергии, а также для повышения эффективности и безопасности атомных электростанций и обеспечения адекватного резервного питания для критической инфраструктуры. Исследование опубликовано в Journal of Power Sources.
«Проточные батареи — это тип химического накопителя энергии, который принципиально не отличается от литий-ионных и других батарей. Основные компоненты те же: два электрода и среда, называемая электролитом, которая обеспечивает перенос ионов. Но химическая реакция, обеспечивающая энергию, происходит не на электродах, а в жидком электролите», — рассказал ведущий автор статьи, старший научный сотрудник Сколтеха Михаил Пугач из Energy.
«С практической точки зрения проточные батареи намного громоздче и тяжелее обычных аккумуляторов, поэтому они не подходят для портативных устройств. При этом они обладают большой емкостью, долговечностью и адаптивностью для хранения в масштабах сети. Кроме того, их можно быстро перезаряжать, они не создают опасности возгорания и используют сырье, поставляемое из России. А ванадий довольно легко перерабатывать», — добавил исследователь.
Ванадиевые проточные редокс-батареи — это самая передовая технология, используемая коммунальными компаниями для такого масштабного хранения энергии. Она позволяет производителям энергии сглаживать скачки спроса на электроэнергию, вызванные одновременным использованием кондиционеров и т. п.
Хотя пиковая нагрузка — это постоянная проблема, она, вероятно, усугубится, поскольку все больше водителей выбирают электромобили и начинают подключать их все сразу после вечерней поездки домой.
Ванадиевые батареи также помогают управлять переменным характером генерации электроэнергии из возобновляемых источников. Эта технология хорошо подходит в качестве резервного источника питания в центрах обработки данных, атомных электростанциях и других промышленных объектах, где требуется бесперебойная работа.
«В отличие от литий-ионных аккумуляторов, системы хранения на основе ванадия могут сохранять практически неизменную емкость в течение многих циклов эксплуатации. Для этого изначально требуется соответствующая конструкция, а также подходящие протоколы обслуживания», — сказал научный сотрудник Сколтеха Сергей Парсегов из Skoltech Energy, который был главным исследователем проекта.
«Модель, представленная в нашем исследовании, делает две вещи. Она помогает производителю оптимизировать материалы, используемые в аккумуляторе, чтобы повысить надежность и замедлить снижение емкости. Она также сообщает компании, обслуживающей систему хранения, когда и как это делать. Это включает в себя исправление дисбалансов, которые имеют тенденцию развиваться в электролите».
Таким образом, модель позволяет использовать неотъемлемое преимущество технологии, когда дело доходит до фактического внедрения ванадиевых проточных аккумуляторов.
По словам исследователей, ключевым преимуществом их подхода является то, что он не требует большого количества информации о мембране моделируемой батареи. Обычно необходимо указать материалы и точную технологию, а также размеры. Эта модель постепенно адаптируется к батарее в ходе ее работы, пока не будет достигнута соответствующая точность.
В основе модели лежит очень подробное описание основных физических процессов, происходящих в устройстве. Это то, что позволяет делать высокоточные прогнозы с минимальными входными данными.
«Физическая модель восходит к модели, которую мы с коллегами опубликовали на основе моего проекта докторской диссертации в Сколтехе», — сказал Пугач.
«Отличительной чертой новой модели является то, что мы включили факторы неопределенности для различных параметров мембраны. Это позволяет адаптировать модель к текущим условиям мембраны и устраняет необходимость в подробной информации о физических свойствах мембраны».
Модель принимает некоторые базовые параметры и использует специальный алгоритм для корректировки параметров в соответствии с фактическими значениями в системе хранения энергии в ходе короткого эксперимента.
Ранее исследователи Сколтеха предложили способ выравнивания нагрузки на электросеть путем планирования искусственного освещения в теплицах таким образом, чтобы выращивать салат именно тогда, когда цены на электроэнергию самые низкие.
Дополнительная информация: М. Пугач и др., Идентификация перекрестного потока в ячейках VRFB во время циклирования батареи, Журнал источников питания (2024). DOI: 10.1016/j.jpowsour.2024.234745
Информация о журнале: Журнал «Источники питания» Предоставлено Сколковским институтом науки и технологий
