بطاريات تدفق الفاناديوم المؤكسد والمختزل (VFBs)تُعدّ تقنية تخزين الطاقة الناشئة ذات إمكانات كبيرة، لا سيما في تطبيقات التخزين واسعة النطاق وطويلة الأمد. على عكس التقنيات التقليديةتخزين البطارية القابلة لإعادة الشحنتستخدم بطاريات تدفق الفاناديوم محلول إلكتروليتي من الفاناديوم لكل من الأقطاب الموجبة والسالبة، مما يجعلها فريدة من نوعها في التصميم والتشغيل.
ما هي بطارية تدفق الفاناديوم المؤكسد والمختزل؟
البطارية الفاناديوم المؤكسدة والمختزلة (VRB)تُعرف أيضًا باسم بطارية تدفق الفاناديوم (VFB) أو بطارية تدفق الفاناديوم المؤكسد والمختزل (VRFB)، وهي نوع من بطاريات التدفق القابلة لإعادة الشحن.
تستخدم هذه التقنية أيونات الفاناديوم في حالات أكسدة مختلفة لتخزين الطاقة الكهربائية وإطلاقها. وعلى عكس البطاريات التقليدية، تخزن بطاريات تدفق الفاناديوم الطاقة في محاليل إلكتروليتية سائلة تدور عبر النظام بدلاً من الأقطاب الصلبة. يتيح هذا التصميم إمكانية التوسع والمرونة.حلول تخزين الطاقة.
المكونات الرئيسية لبطارية تدفق الفاناديوم المؤكسد المختزل
| المكون الرئيسي | وصف |
| الإلكتروليتات | - تستخدم بطارية تدفق الفاناديوم (VRFB) نوعين من الإلكتروليتات السائلة، والتي تحتوي عادةً على الفاناديوم في حالات أكسدة مختلفة (V²⁺، V³⁺، V⁴⁺، وV⁵⁺). |
| الأقطاب الكهربائية | - يقوم قطبان كهربائيان (عادة ما يكونان من الكربون أو مواد مماثلة) بتسهيل تفاعلات الأكسدة والاختزال (الاختزال والأكسدة) لإطلاق الطاقة أو تخزينها. |
| غشاء | - يقوم غشاء موصل للبروتونات (غالباً ما يكون مصنوعاً من نافيون) بفصل محلولي الإلكتروليت، مما يسمح بتدفق الأيونات بين الجانبين أثناء دورة الشحن/التفريغ. |
| المضخات ونظام التدفق | - تعمل هذه المكونات على تدوير الإلكتروليتات عبر الخلية الكهروكيميائية، مما يضمن التدفق المستمر لأيونات الفاناديوم لعملية تحويل الطاقة. |
كيف تعمل بطارية تدفق الفاناديوم المؤكسد والمختزل؟
- 1. دورة التفريغ
- أثناء عملية التفريغ، تخضع أيونات الفاناديوم في محاليل الإلكتروليت الموجبة والسالبة لتفاعلات الأكسدة والاختزال عند الأقطاب الكهربائية، مما يؤدي إلى إطلاق الطاقة الكهربائية.
- 2. دورة الشحن
- أثناء عملية الشحن، تُخزَّن الطاقة عن طريق عكس تفاعلات الأكسدة والاختزال، مما يُعيد أيونات الفاناديوم إلى حالات الأكسدة الأصلية. تتضمن هذه العملية تطبيق تيار خارجي على النظام.
- 3. الإلكتروليتات المتدفقة
- تتمثل السمة الرئيسية لبطاريات التدفق في استخدام الإلكتروليتات السائلة التي يتم ضخها عبر النظام، مما يسمح بزيادة سعة البطارية بسهولة عن طريق زيادة حجم خزانات تخزين الإلكتروليت.
مزايا بطاريات تدفق الفاناديوم المؤكسد والمختزل
- √ قابلية التوسع
يمكن توسيع نطاق بطاريات تدفق الفاناديوم بسهولة عن طريق زيادة حجم خزانات الإلكتروليت، مما يجعلها مثالية لتطبيقات تخزين الطاقة واسعة النطاق مثل موازنة الشبكة وتخزين الطاقة المتجددة. - √ عمر دورة طويل
لا يتدهور الفاناديوم أثناء دورات الشحن والتفريغ (لأنه يستخدم نفس المادة لكل من الإلكتروليتات الموجبة والسالبة)، مما يمنح بطاريات تدفق الفاناديوم عمرًا تشغيليًا أطول مقارنة بأنواع البطاريات الأخرى.
قامت شركة ناتورجي بنشر بطارية تدفق الفاناديوم هذه في زامورا، إسبانيا.
- √أمان
تُعتبر بطاريات تدفق الفاناديوم آمنة نسبيًا لأن محاليلها الإلكتروليتية غير قابلة للاشتعال وغير سامة. كما أن شكلها السائل يقلل من خطر الهروب الحراري، الذي قد يُشكل مصدر قلق في بعض أنواع البطاريات الأخرى. - √ كفاءة
يمكن أن تتراوح كفاءة دورة الشحن والتفريغ لبطاريات تدفق الفاناديوم (نسبة الطاقة المستردة أثناء التفريغ) من 65٪ إلى 85٪، وذلك حسب التصميم وظروف التشغيل. -
√ فصل الطاقة والقوة
يمكن لبطاريات تدفق الفاناديوم (VRFBs) أن تغير حجم مكونات الطاقة (حجم خزانات الإلكتروليت) والطاقة (حجم الخلية الكهروكيميائية) بشكل مستقل، مما يمنحها المرونة لتطبيقات مختلفة.
تطبيقات بطاريات تدفق الفاناديوم المؤكسد والمختزل
بطارية تدفق الفاناديوم المعبأة في حاوية بقدرة 1 ميغاواط وسعة 4 ميغاواط ساعة، مملوكة لـشركة Avista Utilities ومصنعة بواسطة شركة UniEnergy Technologies.
- ⭐تخزين الشبكة:تُعد بطاريات تدفق الفاناديوم مفيدة بشكل خاص لتخزين الطاقة الزائدة من مصادر متجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية، مما يوفر حاجزًا لتخفيف انقطاع مصادر الطاقة هذه.
- ⭐دمج الطاقة المتجددة:بإمكانها تخزين الطاقة عندما يكون الطلب منخفضاً وإطلاقها خلال ساعات ذروة الطلب.
- ⭐طاقة احتياطية:يمكن أيضًا استخدام بطاريات تدفق الفاناديوم (VRFBs) لأنظمة الطاقة الاحتياطية في البنية التحتية الحيوية.
بطارية تدفق الفاناديوم المؤكسد المختزل مقابل بطارية أيون الليثيوم
| ميزة | بطارية تدفق الفاناديوم المؤكسد المختزل (VFB) | |
| أمان | أكثر أمانًا بطبيعتها نظرًا لاحتوائها على محاليل إلكتروليتية مائية، فلا يوجد هروب حراري أو حرائق أو انفجارات. | قد تشكل مخاطر تتعلق بالسلامة، بما في ذلك الهروب الحراري أو الحرائق أو الانفجارات في حالة تعرضها للتلف أو ارتفاع درجة حرارتها. |
| قابلية التوسع | قابل للتوسع بسهولة، مما يسمح بالتوسع المعياري المناسب لمرافق التخزين الكبيرة (مئات الميغاواط ساعة). | أقل قابلية للتوسع؛ يستخدم عادة في وحدات ذات حجم ثابت، على الرغم من أنه يمكن توسيعه لبعض التطبيقات. |
| التكلفة الأولية | يتطلب استثمارًا أوليًا أعلى مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون. | تكلفة أولية أقل مقارنة بـ VFBs. |
| كثافة الطاقة | انخفاض كثافة الطاقة (12-40 واط ساعة/كجم)، مما يجعلها غير مناسبة للتطبيقات المتنقلة مثل السيارات الكهربائية. | كثافة طاقة أعلى (80-300 واط ساعة/كجم)، مثالية للتطبيقات المتنقلة مثل المركبات الكهربائية. |
| كفاءة تحويل الطاقة | كفاءة أقل (70-75٪) مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون. | كفاءة أعلى (90٪) بفضل دورات الشحن/التفريغ الأكثر كفاءة. |
| دورة الحياة | عمر دورة طويل للغاية (>10000 دورة، مع تجاوز بعضها 20000 دورة). | عمر دورة أقصر (عادةً ما يتراوح بين 1000 و3000 دورة، اعتمادًا على نوع البطارية والاستخدام). |
| التكاليف الإجمالية | تكلفة أقل لكل واط ساعة (Wh) على مدار دورة الحياة بأكملها. أكثر ملاءمة للبيئة بفضل إلكتروليتات الفاناديوم القابلة لإعادة التدوير. | ارتفاع تكلفة العمر الافتراضي لكل واط ساعة بسبب قصر عمر الدورة والتدهور بمرور الوقت. |
| تكلفة الواط/ساعة | يبلغ سعرها حاليًا حوالي 0.30-0.40 دولارًا لكل واط ساعة، وهو أكثر فعالية من حيث التكلفة لتخزين الطاقة على المدى الطويل. | عادةً ما يكون سعرها 0.50 دولار لكل واط ساعة، وتكون التكلفة أعلى للتخزين طويل الأجل بسبب قصر عمر الدورة وتدهورها بشكل أسرع. |
▲بطاريات تدفق الفاناديوم المؤكسد والمختزل (VFBs) تُعدّ هذه التقنيات أكثر ملاءمةً لتطبيقات تخزين الطاقة واسعة النطاق وطويلة الأمد، وذلك بفضل سلامتها وقابليتها للتوسع وعمرها التشغيلي الطويل وكفاءتها الاقتصادية على المدى البعيد. مع ذلك، فإنّ انخفاض كثافة الطاقة فيها وارتفاع تكلفتها الأولية يجعلانها غير مناسبة لتطبيقات مثل المركبات الكهربائية.
▲ بطاريات الليثيوم أيون (Li-ion)تُستخدم على نطاق أوسع في التطبيقات المحمولة مثل المركبات الكهربائية نظرًا لكثافة الطاقة العالية التي تتمتع بها، ولكنها تأتي مع مخاطر تتعلق بالسلامة، وعمر دورة أقصر، وتكاليف طويلة الأجل أعلى مقارنة ببطاريات تدفق الجهد.
أفضل 10 شركات لبطاريات تدفق الفاناديوم
توجد العديد من الشركات والمنظمات حول العالم التي تعمل على تطوير وتسويق بطاريات تدفق الفاناديوم المؤكسد والمختزل (VRFBs)، مع التركيز علىحلول تخزين الطاقة واسعة النطاق. تشمل بعض الجهات الفاعلة الرئيسية في سوق VRFB كلاً من الشركات الراسخة والشركات الناشئة المتخصصة في هذه التقنية.
1. شركة ريد تي للطاقة (الآن أنظمة إنفينيتي للطاقة)
- موقع: المملكة المتحدة
- ملخص: اندمجت شركة RedT Energy مع شركة HydroStar لتشكيل شركة Invinity Energy Systems. وتتخصص الشركة في حلول تخزين الطاقة طويلة الأمد القائمة على تقنية VRFB. وتستهدف منتجاتها تطبيقات تخزين الطاقة على نطاق صناعي وشبكي.
2. طاقة VRB
- موقع: الصين / كندا
- ملخص:شركة VRB Energy هي شركة تابعة لشركة شبكة الدولة الصينية، وتركز على تطوير وتسويق بطاريات تدفق الفاناديوم. تقدم الشركة حلولاً واسعة النطاق لتخزين الطاقة، وتنشط بشكل خاص في كل من السوق الصينية والأسواق الدولية.
3. Sصناعات أوميتومو الكهربائية
- موقع: اليابان
- ملخص: لعبت شركة سوميتومو دورًا محوريًا في تطوير تقنية بطاريات تدفق الفاناديوم المؤكسد والمختزل. وقد طورت الشركة أنظمة بطاريات تدفق الفاناديوم المؤكسد والمختزل الخاصة بها، وطبقتها في العديد من مشاريع تخزين الطاقة، لا سيما في السوق اليابانية.
- موقع: الولايات المتحدة
- ملخص:تتخصص شركة Imergy Power Systems في تطوير بطاريات التدفق القائمة على الفاناديوم لتخزين الطاقة على نطاق الشبكة. وتركز الشركة على دمج مصادر الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، مع أنظمة تخزين الطاقة.
5. سيفنز
- موقع:فرنسا
- ملخص: شركة سيفينز هي شركة فرنسية تعمل في مجال إنتاج أنظمة بطاريات تدفق الفاناديوم لتخزين الطاقة. وتركز الشركة على تطوير حلول تخزين طاقة فعالة من حيث التكلفة وطويلة الأمد للتطبيقات التجارية والصناعية على حد سواء.
6. شركة فاناديوم كورب للموارد المحدودة
- موقع:كندا
- ملخص: شركة فاناديوم كورب ريسورس هي شركة كندية متخصصة في التعدين والتكنولوجيا، وتركز على استخراج الفاناديوم وتطوير تقنية بطاريات تدفق الفاناديوم. تعمل الشركة على تحسين كفاءة استخراج الفاناديوم وتطوير تطبيقات جديدة لهذه البطاريات.
7. أنظمة تخزين الطاقة (ESS, Inc.)
- موقع:الولايات المتحدة
- ملخص:شركة ESS Inc. متخصصة في حلول تخزين الطاقة طويلة الأمد باستخدام تقنية بطاريات تدفق الحديد، وهي تقنية مشابهة لبطاريات تدفق الفاناديوم ولكنها تستخدم الحديد بدلاً من الفاناديوم. تقدم الشركة حلولاً واسعة النطاق لتخزين الطاقة، إلا أن عملها يندرج ضمن السوق المتنامية لبطاريات التدفق.
8. أنظمة تخزين الطاقة CellCube
- موقع:النمسا / كندا
- ملخص: تُركز شركة CellCube، التابعة لشركة Gildemeister Energy Storage، على تصنيع ونشر بطاريات تدفق الفاناديوم المؤكسدة والمختزلة لتخزين الطاقة على نطاق الشبكة. وتشارك الشركة بشكل خاص في مشاريع تخزين الطاقة واسعة النطاق في أوروبا وأمريكا الشمالية.
9. حلول الطاقة المتجددة (مجموعة RES)
- موقع: المملكة المتحدة
- ملخص:تعمل مجموعة RES، وهي شركة عالمية كبيرة في مجال الطاقة المتجددة، على دمج بطاريات تدفق الفاناديوم في أنظمة الطاقة كجزء من هدفها المتمثل في تطوير حلول تخزين طاقة مستدامة وواسعة النطاق للطاقة المتجددة.
- موقع:الصين
- ملخص: شركة بو نينغ (PNT) هي شركة صينية تقوم بتطوير وتصنيع بطاريات تدفق الفاناديوم المؤكسد والمختزل لحلول تخزين الطاقة على نطاق صغير وكبير. وتركز الشركة على دمج بطاريات تدفق الفاناديوم المؤكسد والمختزل في أنظمة الطاقة المتجددة.
التحديات والآفاق المستقبلية
على الرغم من أن بطاريات تدفق الفاناديوم المؤكسد والمختزل توفر مزايا واعدة، إلا أن هناك بعض التحديات التي يجب معالجتها:
- ●سعر بطارية تدفق الفاناديوم المؤكسد والمختزل:قد تكون تكلفة الفاناديوم والبنية التحتية اللازمة لأنظمة بطاريات تدفق الفاناديوم واسعة النطاق مرتفعة نسبيًا. ومع ذلك، من المتوقع أن تنخفض التكاليف مع نضوج التكنولوجيا وزيادة إنتاج الفاناديوم.
- ●كثافة الطاقة:رغم قدرة بطاريات تدفق الفاناديوم الممتازة على العمل لفترات طويلة، إلا أن كثافة طاقتها (كمية الطاقة المخزنة لكل وحدة حجم أو وزن) أقل من كثافة طاقة بطاريات الليثيوم أيون أو البطاريات الصلبة. وهذا ما يجعلها أقل ملاءمة للتطبيقات التي يكون فيها الحجم والوزن عاملين حاسمين.
- ●كفاءة: على الرغم من أن كفاءة بطاريات تدفق الفاناديوم عالية، إلا أنها لا تزال أقل قليلاً من كفاءة بطاريات الليثيوم أيون. ومع ذلك، من المتوقع أن تؤدي التحسينات في المواد والتصميم إلى تعزيز الكفاءة بمرور الوقت.
خاتمة
تُعدّ بطارية تدفق الفاناديوم المؤكسد-المختزل حلاً مبتكرًا وواعدًا لتخزين الطاقة، ولديها القدرة على إحداث ثورة في أنظمة تخزين الطاقة واسعة النطاق. إن قابليتها للتوسع، وعمرها التشغيلي الطويل، ومستوى أمانها، وتصميمها الصديق للبيئة، تجعلها خيارًا جذابًا لتخزين الطاقة في الشبكة، ودمج الطاقة المتجددة، وغيرها من تطبيقات تخزين الطاقة واسعة النطاق. ومع نضوج هذه التقنية وتحقيق انخفاض في التكاليف، يُمكن أن تلعب بطاريات تدفق الفاناديوم دورًا محوريًا في مستقبل تخزين الطاقة.تخزين الطاقة المستدامةمما يساعد على إنشاء شبكة طاقة أكثر مرونة وموثوقية.
تاريخ النشر: 7 يناير 2025