Pin oxy hóa khử vanadium (pin dòng chảy vanadi)
Pin oxy hóa khử vanadium (pin dòng chảy vanadi) hay gọi tắt là VRB (Vanadium Redox Batteries) là pin thứ cấp, tức là pin sạc lại được. Pin oxy hóa khử vanadium là giải pháp lưu trữ năng lượng có thể được dùng với quy mô lắp đặt trên lưới điện hoặc quy mô người dùng. Phần dưới đây tập trung vào quy mô lưới.
Mô tả công nghệ
Pin oxy hóa khử vanadium là loại pin dòng phổ biến nhất. Một pin dòng gồm màng ngăn nơi xảy ra phản ứng hóa điện, tối thiểu một bình chứa dung dịch điện phân dương (anolyte) gồm chất điện phân hòa tan trong dung dịch cho điện cực dương (anot); và tối thiểu một bình chứa dung dịch điện phân âm (catholyte) gồm các chất điện phân trong dung dịch cho điện cực âm (catot); ống nối bình chứa với màng ngăn và các bơm cơ học để lưu thông các dung dịch điện phân trong hệ thống.
Hình dưới đây mô tả sơ đồ một pin dòng truyền thống. Vùng được bao quanh bởi các điện cực màu xám là lớp pin phản ứng.
Nhóm phản ứng âm gồm các ion V2+ và V3+ ions. Nhóm phản ứng dương gồm các ion VO2+ và VO2+ cùng với nguyên tử vanadium (V) trong trạng thái oxy hóa lần lượt là +5 và +4. Nhóm chất phản ứng đã được hòa tan trong dung môi với độ đậm đặc 1,5-2 M trong dung dịch nước a-xít sulfuric với độ đậm đặc 2-5 M. Khi được bơm vào, pin phản ứng các chất điện giải âm và dương được tách bởi một màng thấm proton
(polymer). Mô tả các hợp phần trong một pin phản ứng và một lớp phản ứng đầy đủ trong hình sau.
a) Pin phản ứng; b) Lớp điển hình
Phản ứng sau sẽ xảy ra trong khi xả do 2 proton đi qua màng và một electron đi qua mạch ngoài.
| V2+ →V3+ + e– | (Phản ứng phía cực dương) |
| VO2+ + 2H+ + e–→VO2+ + H2O | (Phản ứng phía cực âm) |
| V2+ + 2H+ + VO2+ →V3+ + VO2+ + H2O | (Phản ứng trong toàn bộ pin) |
Trong quá trình xả thì xảy ra phản ứng ngược lại. Toàn bộ phản ứng tạo ra một điện thế pin 1,26 V. Pin hoạt động trong điều kiện nhiệt độ trong phòng.
Pin oxy hóa khử vanadium khác các loại pin khác ở chỗ bộ phận chứa và sản xuất điện của nó tách khỏi nhau. Dung tích dung môi trong khoang chứa quyết định công suất lưu trữ năng lượng của pin, còn kích cỡ và số lớp pin phản ứng quyết định công suất pin. Do vậy công suất lưu trữ năng lượng và công suất pin có thể biến thiên độc lập tùy vào ứng dụng và nhu cầu của người dùng.
Một trạm Pin oxy hóa khử vanadium bao gồm tối thiểu một pin Pin oxy hóa khử vanadium như mô tả, một hệ thống quản lý pin, và một hệ thống chuyển dòng nối pin với lưới điện.
Cả đầu vào và đầu ra Pin oxy hóa khử vanadium đều là điện. Điện được chuyển sang năng lượng hóa điện (quá trình sạc) và chuyển lại thành điện (xả) như mô tả phía trên.
Xem thêm: Các phương pháp và công nghệ lưu trữ năng lượng
Hiệu suất và thất thoát năng lượng
Chất giải điện còn lại trong lớp pin trong thời gian không hoạt động sẽ tự xả dần theo thời gian nên không gây thất thoát năng lượng. Do lượng chất giải điện trong lớp pin nói chung là nhỏ hơn so với tổng khối lượng chất giải điện nên tổng thất thoát do tự xả tối đa đến 2% trong thời gian không hoạt động. Bơm hóa chất tiêu thụ năng lượng, số năng lượng này nên tính vào hiệu suất pin và không nên tính thành một khoản thất thoát riêng.
Đối với từng Pin oxy hóa khử vanadium riêng lẻ hiệu suất chuyển đổi năng lượng có thể đạt 90% nếu mật động dòng điện thấp. Hiệu suất lưới điện – lưới điện, theo nhiều nguồn tài liệu khác nhau, đạt khoảng 70% với tốc độ điều chỉnh biến thiên dòng cố định. Theo số liệu của UniEnergy Technologies thì hiệu suất đạt 75% trong ứng dụng điều tiết tần số, và 70% trong tiết giảm phụ tải đỉnh. Theo báo cáo của Vionx Energy hiệu suất dòng một chiều là 78% và dòng xoay chiều là 68% với công suất định mức.
Khả năng điều tiết và các dịch vụ hệ thống khác
Thời gian đáp ứng (thời gian cần thiết để pin có thể cấp dòng điện sạc hay xả) tùy thuộc vào từng nhà sản xuất: < 100 mili giây nếu đã có sẵn chất điện giải trong pin phản ứng, < 1 giây nếu chất điện giải phải được bơm vào pin, < 1 phút nếu bơm bị tắt. Các hệ thống lắp đặt Pin oxy hóa khử vanadium quy mô lớn có khả năng vận hành trong 30 giây với 150% công suất định mức.
Sử dụng pin với quy mô lưới tùy thuộc vào từng ứng dụng. Pin sử dụng cho mục đích dịch chuyển thời gian, nói chung, sẽ hoàn thành một chu trình sạc/xả trong vòng 24 h. Pin sử dụng cho các dịch vụ mạng, kể cả dịch vụ ổn định đầu vào từ các nguồn năng lượng tái tạo, xem ví dụ phía dưới, thường không theo chu trình thông thường mà thường thay đổi giữa sạc và xả tùy theo nhu cầu.
Do thời gian đáp ứng nhanh kết hợp với khả năng thay đổi công suất lưu trữ năng lượng và công suất phát điện nên VRB có thể cung cấp nhiều loại dịch vụ hệ thống khác nhau. Nhà sản xuất pin UniEnergy Technologies liệt kê các ứng dụng sau đây về mạng và cấp điện: trì hoãn truyền tải & phân phối (trì hoãn nâng cấp thiết bị truyền tải và phân phối), tăng giảm công suất linh hoạt, dịch chuyển phụ tải và các dịch vụ phụ trợ.
Đặc tính và công suất chủ yếu Pin oxy hóa khử vanadium
Một số ví dụ về công trình Pin oxy hóa khử vanadium quy mô lưới đã được vận hành chạy thử.
| Địa điểm | Yokohama, Nhật Bản | Hokkaido, Nhật Bản | Braderup, Đức | Pullman, Washington, Hoa Kỳ |
| Năm chạy thử | 2012 | 2016 | 2014 | 2015 |
| Công suất lưu trữ năng lượng | 5 MWh | 60 MWh | 1 MWh | 4 MWh |
| Công suất phát | 1 MW | 15 MW | 325 kW | 1 MW |
| Hãng sản xuất | Sumitomo Electric Industries |
Sumitomo Electric Industries |
UniEnergy Technologies |
UniEnergy Technologies |
Hiện nay một dự án Pin oxy hóa khử vanadium công suất 200 MW/800 MWh đang được xây dựng tại Đại Liên, Trung Quốc.
Thông số về mật độ năng lượng và năng lượng riêng của hai hãng sản xuất thương mại.
| Nhà sản xuất | Mật độ năng lượng (Wh/m3) |
Năng lượng riêng (Wh/kg) |
| UniEnergy Technologies | 9.040 | 11,8 |
| Sumitomo Electric Industries | 5.880 | 7,1 |
Thời gian lưu trữ điển hình
Thời gian lưu trữ phụ thuộc vào hoạt động, có thể từ vài phút tới vài giờ tại các cơ sở quy mô lưới. Thời gian lưu trữ không bị hạn chế về mặt công nghệ. Thời gian lưu trữ có thể kéo dài, ví dụ trong trường hợp người dùng quy mô nhỏ sử dụng Pin oxy hóa khử vanadium làm nguồn khẩn cấp.
Yêu cầu về mặt bằng
Cơ sở tại Hokkaido, Nhật Bản chạy thử năm 2016, có diện tích 5.000 m2, tương đương mức sử dụng đất 83,3 m2/MWh.
Trong tài liệu quảng cáo UniEnergy Technologies cho rằng một cơ sở công suất lưu trữ 240 MWh cần diện tích 4.000 m2, tương đương mức sử dụng đất 16,7 m2/MWh. Đây là giá trị thấp nhất được phát hiện. Diện tích sử dụng đất lớn nhất hiện nay đối với các tổ máy VRB quy mô lưới đang vận hành thương mại là 140,2 m2/MWh.
Ưu điểm, nhược điểm Pin oxy hóa khử vanadium
Ưu, nhược điểm của pin so với các công nghệ lưu trữ năng lượng khác được nêu trong Bảng sau:
| Ưu điểm | Nhược điểm |
| Thời gian đáp ứng nhanh | Vòng đời tương đối ngắn |
| Quy mô lắp đặt linh hoạt | Chi phí đầu tư lớn |
| Hiệu suất năng lượng cao | |
| Ứng dụng linh hoạt | |
| Tương đối gọn | |
| Không cần bảo dưỡng nhiều |
So với các loại pin quy mô lưới khác, Pin oxy hóa khử vanadium và các loại pin dòng khác có lợi thế lớn là công suất lưu trữ và công suất phát có thể tùy biến độc lập với nhau nên dễ dàng tối ưu hóa cho từng ứng dụng. Không giống pin natri muối nóng chảy (Na-S và Na-NiCl2) trong các ứng dụng quy mô lưới, Pin oxy hóa khử vanadium hoạt động trong điều kiện nhiệt độ bình thường.
Các chất phản ứng trong Pin oxy hóa khử vanadium hòa tan trong dung dịch qua đó cho phép công suất lưu trữ được sử dụng mà không bị xuống cấp như những pin khô khác. So với các loại pin khác, VRB cũng có tuổi thọ kỹ thuật cao hơn. Hiện nay nhiều nhà sản xuất cho ra đời Pin oxy hóa khử vanadium với số chu trình không hạn chế trong giới hạn tuổi thọ kĩ thuật lên đến 20 năm. Do có số chu kỳ và tuổi thọ kỹ thuật cao hơn các pin khác nên Pin oxy hóa khử vanadium có chi phí lưu trữ cân bằng thấp nhất (€/kWh/chu trình) trong các loại pin.
Một ưu điểm nữa của Pin oxy hóa khử vanadium chất điện giải có thể dễ dàng quay vòng và tái sử dụng. Do vanadium là chất hoạt động trong cả hai chất điện giải âm và dương nên nếu có bị rò rỉ từ bên này sang bên kia thì cũng không gây ra nhiễm bẩn chất điện giải mà chỉ gây thất thoát công suất lưu trữ. Có thể khôi phục công suất lưu trữ bằng cách điều chỉnh lại dung tích và hàm lượng vanadium trong hai hộp dung môi. Các nhà sản xuất đánh giá Pin oxy hóa khử vanadium rất an toàn.
Pin oxy hóa khử vanadium và các loại pin dòng có hiệu suất năng lượng lưới điện – lưới điện tương đối thấp so với các loại pin khác. Đó là hậu quả của việc năng lượng bị thất thoát do phải dùng bơm, phát sinh dòng rò không mong muốn (dòng cho phép điện tử đi qua mạch ngoài), rò rỉ ion vanadium qua màng pin. Tuy mật độ năng lượng và năng lượng riêng Pin oxy hóa khử vanadium đã tăng lên nhưng vẫn còn tương đối thấp so với các loại pin khác.
Trước đây giá vanadium cao, gần đây lại tiếp tục tăng thêm 50%. Chi phí nguyên vật liệu vanadium trước đây ước tính chiếm 140 USD/kWh trong chi phí pin, tương đương khoảng 20% tổng chi phí đầu tư một cơ sở Pin oxy hóa khử vanadium. Chi phí lưu trữ năng lượng Pin oxy hóa khử vanadium tối thiểu sử dụng phản ứng hóa học hiện tại vào khoảng 70 USD/kWh, giả định chi phí V2O5 là 6 USD/lb được sử dụng làm nguồn vanadium. Trong tương lai chi phí vanadium có thể còn tăng nữa. Hiện nay cầu vượt cung nên giá V2O5 đã tăng lên khoảng 9 USD/lb.
Nghiên cứu và phát triển đã giúp sử dụng các nguồn vanadium rẻ hơn làm nguyên liệu thô. Chất phản ứng vanadium có khả năng làm gỉ màng pin. Do vậy phải sử dụng màng chất lượng cao có chi phí lớn trong Pin oxy hóa khử vanadium. Hoặc phải thay màng pin trong thời gian pin còn tuổi thọ kỹ thuật.
Cơ hội và thách thức
Môi trường
Chất phản ứng trong Pin oxy hóa khử vanadium là các ion vanadium. Ngoài chi phí cao, vanadium còn có thể gây hại cho môi trường, nhưng vấn đề này cần nghiên cứu thêm. Hầu hết các bộ phận trong Pin oxy hóa khử vanadium đều có thể quay vòng sử dụng được. Chất điện giải vanadium có thể tái sử dụng trực tiếp. Nếu không, có thể tách vanadium trước khi thải ra môi trường hoặc quay vòng, qua đó có thể thu hồi một số chi phí đầu tư ban đầu. Sau khi sử dụng màng pin có thể chứa nhiều axit hoặc kiềm và nên xử lý như một chất ăn mòn.
Nghiên cứu & phát triển
Công nghệ VRB đang phát triển rất nhanh. Hiện vẫn còn nhiều vấn đề cần nghiên cứu để giảm chi phí tất cả các bộ phận của pin. Ví dụ như nghiên cứu chất điện giải phi nước. Tuy nhiên, chi phí tối thiểu sẽ có xu hướng bị ràng buộc bởi giá thành vanadium. Giá vanadium không cố định vì trong quá trình sản xuất có khả năng sử dụng nguồn vanadium rẻ hơn so với nguồn truyền thống.
Ngoài ra cũng có thể tìm cách giảm chi phí pin dòng bằng cách sử dụng các chất phản ứng khác, ví dụ các cặp oxy hóa khử khác vanadium. Pin oxy hóa khử quy mô lưới cũng có thể sử dụng các chất khác như zincbromide, bromide-polysulphide, iron-chromium, và zinc-chloride.
Ước tính chi phí đầu tư
Chi phí đầu tư của pin dòng oxy hóa khử vanadium phụ thuộc vào một số bộ phận, ví dụ màng pin, bơm thủy lực giúp đẩy dung dịch đi qua hai bể và dung dịch điện giải. Trong báo cáo năm 2019, Mongird và các tác giả đã thu thập số liệu về chi phí đầu tư từ một số nguồn để tính toán chi phí trung bình năm 2018 và dự báo chi phí năm 2025. Tuy nhiên, số liệu có sẵn về chi phí đầu tư Pin oxy hóa khử vanadium còn hạn chế.
Mongird và các tác giả đã thu thập số liệu từ các chuyên gia và nhà sản xuất Pin oxy hóa khử vanadium trong năm 2020 nhằm ước tính chi phí cho các hệ thống Pin oxy hóa khử vanadium với công suất 1 MW, 10 MW và 100 MW với các tỉ lệ chuyển đổi năng lượng sang điện khác nhau trong các năm 2020 và 2030. Dữ liệu được sử dụng để ước tính chi phí đầu tư cho Cẩm nang Công nghệ Việt Nam được thu thập từ nhiều nguồn, ví dụ như Cẩm nang Công nghệ Đan Mạch và một số báo cáo khác nhau của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và NREL.
Điều thú vị là cách thức thu thập các số liệu chi phí được nhận thấy là khá nhất quán về giá trị theo năm và xu hướng chi phí trong tương lai. Ngoài ra, đường cong học tập cho lưu trữ năng lượng được tính toán sử dụng dữ liệu dự báo từ Báo cáo Triển vọng Năng lượng thế giới năm 2021 của IEA và một lần nữa xu hướng chi phí không có sự chênh lệch đáng kể so với các dữ liệu khác được thu thập.
Các giá trị cuối cùng được ước tính dựa trên mức trung bình của dữ liệu tham chiếu và xem xét loại pin có công suất tối đa 1MW với thời gian sạc là 4 giờ.
| Chi phí đầu tư [triệu USD/MW] | Mô tả | 2018 | 2020 | 2025 | 2030 | 2050 |
| Cuốn Cẩm nang Công nghệ này | 2,63 | 1,84 | 1,45 | |||
| Cẩm nang Công nghệ Đan Mạch | 2,88 | 1,68 | 1,56 | |||
| Bộ Năng lượng Hoa Kỳ 2019 | 4 h | 3,5 | 2,65 | |||
| NREL 2021 | 10 MW – 4h | 1,97-2,41 | ||||
| Bộ Năng lượng Hoa Kỳ 2020 | 1 MW – 4h | 2,38 | 1,9 | |||
| 1 MW – 10h | 4,52 | 3,61 | ||||
| 10 MW – 4h | 2,19 | 1,76 | ||||
| 10 MW – 10h | 4,22 | 3,37 | ||||
| 100 MW – 4h | 2,05 | 1,64 | ||||
| 100 MW – 10h | 3,95 | 3,16 |
Ví dụ về các dự án hiện tại
Một số hệ thống Pin oxy hóa khử vanadium quy mô lưới hiện đang sử dụng thiết bị từ các nhà sản xuất đang hoạt động. Một số nhà sản xuất rút lui khỏi thị trường và một số mới khác xâm nhập nên thị trường biến động khá nhiều.
Sumimoto Electric đã lắp đặt một số dự án trên thế giới. Một ví dụ là Dự án Mạng lưới điện Hokkaido tại Nhật Bản, trong đó 17 MW pin dòng oxy hóa khử được lắp đặt nhằm tăng cường kiểm soát lưới điện để tiếp nhận 162 MW công suất tuabin gió. Dự án này được vận hành từ tháng 4/2022 và ước tính có tuổi thọ 21 năm.
Ngoài ra, VRB Energy mới đây công bố thỏa thuận khung cho dự án nhà máy điện tích hợp 100 MW pin mặt trời và 100 MW/500 MWh pin dòng oxy hóa khử tại Tương Dương, Trung Quốc, là dự án pin-năng lượng mặt trời lớn nhất tại quốc gia này.
Một dự án thí điểm đã được triển khai tại California do công ty San Diego Gas & Electric thực hiện, gồm một pin VRB 2 MW/8 MWh, nhằm mục đích đánh giá giá trị lợi nhuận tốt nhất cho loại pin này trong thị trường bán buôn thương mại, trong đó bao gồm cả khả năng tích hợp với lưới điện. Các chuyên gia của NREL hợp tác với Sumitomo Electric đã nghiên cứu về giá trị lợi ích của VRB quy mô lưới trong trường hợp hỗ trợ lưới điện địa phương, đánh giá khả năng điều tiết tần số, ổn định công suất, tiết giảm phụ tải đỉnh, bù phụ tải và điều tiết chênh lệch.
Xem thêm các phương pháp lưu trữ năng lượng:
- Thủy điện tích năng – Tương lai ngành thủy điện và chuyển dịch năng lượng
- Lưu trữ năng lượng khí nén (CAES)
- Pin oxy hóa khử vanadium (pin dòng chảy vanadi)
