Warum Vanadium-Flow-Batterien die Zukunft der Energiespeicherung im Versorgungsmaßstab sein können

Eine Vanadium-Flow-Batterie von Invinity Energy Systems wird im National Renewable Energy getestet… Labor (2019).

Invinity Energy Systems

Anfang dieses Jahres veröffentlichte die California Energy Commission (CEC) eine Aufforderung zur Finanzierung von Forschungsprojekten zur Bereitstellung langfristiger Energiespeicher in Höhe von 20 Millionen US-Dollar. Ziel war es, ein klares Verständnis dafür zu entwickeln, welche Rolle langfristige Energiespeicher (10 Stunden oder mehr) dabei spielen können, die staatlichen Mandate zur Dekarbonisierung des Stromsektors bis 2045 zu erfüllen. Lithium-Ionen-Batterien wurden von der Aufforderung ausgeschlossen.

Die KEK wählte vier Energiespeicherprojekte mit Vanadium-Flow-Batterien (“VFBs”) aus Nordamerika und der britischen Invinity Energy Systems plc aus. Die vier Standorte sind alle gewerbliche oder industrielle Einrichtungen, die Strom selbst erzeugen wollen (wie Solar) und in einigen Fällen die Möglichkeit haben, netzunabhängig zu arbeiten. Der Gesamtumfang von Invinity beträgt 7,8 Megawattstunden (MWh) Batterien in den vier Projekten. Ein Teil des Ziels besteht darin, diese Anlagen für einen längeren Zeitraum vom Netz nehmen zu können, um Unterbrechungen ihrer Stromversorgung bei Netzausfällen zu vermeiden.

Was ist eine Batterie und wie unterscheidet sie sich von der allgegenwärtigeren Lithium-Ionen-Batterie? Um diese Fragen zu beantworten und mehr über Invinity Energy Systems zu erfahren, habe ich diese Woche mit Matt Harper, Chief Commercial Officer und Mitbegründer von Invinity, und Joe Worthington, Kommunikationsdirektor des Unternehmens, gesprochen.

Matt ist ausgebildeter Maschinenbauingenieur und erklärte, dass er seit 25 Jahren saubere Energietechnologie baut. Seit 15 Jahren entwickelt er Flow-Batterien.

Vanadium ist ein Element, das üblicherweise in vier verschiedenen Oxidationsstufen vorliegen kann. Das bedeutet nur, dass es als Ion mit unterschiedlichen Ladungen existieren kann. Zum Beispiel hätte ein Vanadiumion, dem drei Elektronen fehlen, eine Ladung von V3 +. Wenn Sie ein Elektron hinzufügen, wandelt es sich in ein V2 + -Ion um. Diese Übertragung von Elektronen hin und her bewirkt, dass VFBs geladen und entladen werden, da die Vanadiumionen in der Batterie von V2 + zu V5 + schwingen.

Dies unterscheidet sich von Lithium-Ionen-Batterien dadurch, dass Lithium jedes Mal, wenn es geladen und entladen wird, Lithiummetall auf der Kathode plattiert und deplattiert. Obwohl diese Reaktion fast vollständig reversibel ist, führt sie nach einigen tausend Zyklen zu einer Verschlechterung und die Leistung nimmt ab.

Ein VFB besteht aus zwei Tanks mit Elektrolyt, die in Wasser gelöst und durch eine Protonenaustauschermembran getrennt sind. Beide Elektrolyte basieren auf Vanadium. Wenn die Batterien geladen und entladen werden, werden Vanadiumionen einfach zwischen Oxidationsstufen bewegt. Laut Matt kann dies zehntausende Male über einen Zeitraum von Jahrzehnten gemessen werden, ohne dass die Fähigkeit der Vanadiumlösungen, Ladung zu halten, beeinträchtigt wird.

Sie schätzen, dass alle 10-20 Jahre die Membran, die die ionische Spezies überquert, ersetzt werden muss. Dies ist wiederum anders als bei einer Lithium-Ionen-Batterie, bei der die gesamte Batterie ausgetauscht werden müsste. Sie verglichen dies mit der Wartung eines Autos. Matt gab an, dass sie Produkte auf dem Gebiet haben, die mehr als 30 Jahre Lade- und Entladezyklen durchgeführt haben.

Li-Ionen-Batterien haben einen Vorteil in der Energiedichte, weshalb VFBs für stationäre Anwendungen angestrebt werden. Im Vergleich zu Li-Ionen-Batterien für die Speicherung im Netzmaßstab besteht bei VFBs jedoch keine Brandgefahr. Li-Ionen-Batterien müssen weiter voneinander beabstandet sein oder eine ausreichende Brandunterdrückung aufweisen. Somit können VFBs dichter gepackt werden als Lithium, so dass der Footprint für den Netzbetrieb vergleichbar ist.

In Bezug auf die Kosten berichtet Invinity, dass sie ihre Batterien zu einem Preis verkaufen, der im gleichen Bereich liegt wie Li-Ion pro MWh für den Industriemarkt. Der Vorteil der Invinity-Technologie liegt in den im Laufe der Zeit reduzierten Kosten aufgrund der jahrzehntelangen Lebensdauer eines einzelnen Geräts. VFBs können 20 Jahre lang täglich mehrere volle Zyklen laden und entladen. Auch wenn Sie mit einem Li-Ionen-Akku Tausende von Zyklen erhalten können, reicht dies für eine Dienstprogramm- oder kommerzielle Speicheranwendung, bei der tägliches Radfahren erforderlich ist, möglicherweise nicht aus, um Li-Ion den Vorteil zu verschaffen.

Die Kerntechnologie von Invinity – der “Cell Stack” im Kern des PRODUKTS – wird in Vancouver, Kanada, entwickelt und hergestellt. Das Unternehmen hat auch einen Lieferanten in China, der Metallgehäuse herstellt. Die Endmontage erfolgt jedoch aufgrund der Größe der Anlagen so nah wie möglich am Lieferort der Projekte.

Invinity hat kommerzielle Anwendungen seiner VFBs an mehr als 40 Standorten in Europa, Nordamerika, Afrika, Asien und Australasien installiert. Unten ist ein 2 MWh-Projekt in China, das seit zwei Jahren in Betrieb ist.

2 MWh-Installation bei Huanghe Hydro in China.

Invinity Energiesysteme.

Ich habe gefragt, was Invinity in diesem Bereich anders macht als die Konkurrenz. Matt erzählte mir, dass der Ansatz von Invinity darin bestand, die Grundlagen der Chemie als schlüsselfertiges Produkt zu liefern. Sie verließen sich auf die Großserienfertigung, um den Preis zu senken und eine gute Qualitätskontrolle zu erhalten. Einige Automobilhersteller konnten kein kostengünstiges Produkt liefern, weil sie die Produktion nicht standardisierten. Invinity hat seit 2017 rund 250 Module produziert und baut derzeit einen Standort, der Teil des Energy Superhub Oxford in Großbritannien ist und 162 Module enthalten wird.

Es gibt derzeit kommerzielle Anwendungen von V-Flow-Batterien. Der Fokus liegt auf kommerziellen / industriellen Anwendungen, die Spitzentarifperioden ausgleichen, ein gutes Stück in der Erzeugung im Netzmaßstab, und auch Standalone-Microgrids, bei denen Einzelpersonen die ganze Zeit oder bei Stromausfällen netzunabhängig sein möchten.

Schließlich fragte ich nach der Versorgung mit Vanadium. Ich habe gelernt, dass Vanadium das 13. am häufigsten vorkommende metallische Element in der Erdkruste ist. Es ist häufiger als Kupfer. Ferner kann der Vorrat an Vanadium in der Batterie praktisch endlos recycelt werden, da die Vanadiumionen zwischen Oxidationsstufen bewegt werden und nicht zerstört oder abgebaut werden. Neben der unendlichen Wiederverwendbarkeit des Vanadiumelektrolyten besteht die Balance der Invinity-Batterien fast ausschließlich aus gängigen Materialien wie Stahl und Haushaltskunststoffen, die leicht recycelt werden können.

Derzeit gibt es in den USA große Vanadiumressourcen, 90% des Angebots fließen in die Stahlherstellung. So sind stahlproduzierende Regionen wie China derzeit die größten Vanadiumproduzenten.

Abschließend räumte Matt ein, dass Li-Ionen-Batterien bewiesen haben, dass Energiespeicherung rentabel sein kann, und VFBs haben von den Fortschritten profitiert. Er fügte hinzu, dass Li-Ionen-Batterien sind ideal für die Speicherung von 2-4 Stunden Energie 50 mal im Jahr, aber VFBs glänzen in Langzeit-Anwendungen, bei denen Energie jeden Tag benötigt wird; zum Beispiel, wenn Sie versuchen, Solarenergie auf Anfrage rund um die Uhr zur Verfügung zu stellen.

Aber die Konzentration auf eine bestimmte Technologie — insbesondere eine wie die Li-Ionen—Batterie, die für die Netzspeicherung fast ausschließlich offshore hergestellt wird – ist besorgniserregend. VFBs bieten also eine Diversifizierung des Speicherplatzes, sowohl am Produktionsstandort als auch auf einen Markt, der vielleicht besser passt als für Li-Ionen-Batterien.

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