Исследователи из Сколтеха, Университета Сириус и Чжэцзянского университета предложили новый подход к анализу и оптимизации долгосрочной работы ванадиевых проточных аккумуляторов в широком диапазоне температур окружающей среды. Разработанная модель, подтверждённая экспериментальными данными, позволяет точно прогнозировать эффективность и энергоёмкость системы, что критически важно для их интеграции в энергосети и использования в промышленных системах хранения энергии в климатических условиях России. Результаты работы, которые позволяют повысить надежность и экономическую целесообразность крупномасштабных систем хранения энергии на основе ванадия, опубликованы в журнале Applied Energy.
Ванадиевые проточные аккумуляторы считаются одним из самых перспективных решений для создания крупномасштабных накопителей энергии. Их ключевые преимущества — долгий срок службы, способность полностью разряжаться без деградации и гибкая масштабируемость под нужды энергосистем. Одним из главных показателей таких батарей является их энергоэффективность — соотношение энергии, отданной при разряде, к энергии, затраченной на заряд. Чем выше этот показатель, тем меньше потерь и тем экономичнее и надёжнее система, что особенно важно при эксплуатации масштабных систем для поддержки энергосетей и управления нагрузкой.
Особую роль в работе аккумуляторов играют тепловые процессы. При заряде и разряде система может выделять значительное количество тепла, и это напрямую влияет на температуру, гидравлические свойства и стабильность системы. Крупные накопители энергии часто размещаются на открытом воздухе, что делает их уязвимыми к сезонным колебаниям температур. Ранее авторы уже разработали неизотермическую модель, позволяющую в реальном времени отслеживать ключевые параметры системы, включая температуру, напряжение и мощность. Однако до сих пор не было проведено комплексного исследования, как именно все эти факторы влияют на общую энергоэффективность аккумулятора в реальных условиях эксплуатации.
«В ходе исследования была впервые выведена аналитическая формула для определения равновесной температуры аккумулятора, которая устанавливается при длительной работе. Этот инструмент позволяет быстро оценить термическое состояние системы и предотвратить перегрев без использования сложных вычислений. Модель была валидирована на экспериментальной установке мощностью 5 кВт и показала высокую точность: погрешность вычисления напряжения составила менее 2%, а температуры — менее 3%», — прокомментировал первый автор исследования Станислав Богданов, младший научный сотрудник Центра энергетических технологий Сколтеха.
Систематическое исследование выявило противоречивые тенденции: в то время как энергоэффективность системы снижается с ростом мощности насоса из-за увеличения гидравлических потерь, абсолютная отдаваемая энергия может увеличиваться благодаря более интенсивной прокачке электролита. Низкие температуры позволяют достичь высокой мощности благодаря лучшему охлаждению, но требуют больших затрат энергии на прокачку вязкого электролита. И наоборот, высокая ёмкость и эффективность достигаются при комнатной температуре, но мощность приходится ограничивать во избежание перегрева.
«Представленный метод служит инструментом для обоснованного принятия решений. Например, для аварийного пуска сети приоритетом будет максимальная мощность, а для ежедневного сглаживания пиковых нагрузок — максимальная эффективность. Наше исследование предоставляет практические рекомендации для выбора оптимальных режимов работы промышленных систем накопления энергии на основе ванадиевых проточных аккумуляторов», — отметил Михаил Пугач, старший научный сотрудник Центра энергетических технологий Сколтеха, соавтор и руководитель проекта, в рамках которого была выполнена данная работа.
