Учёные из Сколтеха, Харбинского политехнического университета и МФТИ провели исследование работы системы накопления энергии на базе ванадиевого проточного аккумулятора в расширенном диапазоне температур окружающей среды. Для этого учёные разработали математическую модель ванадиевого проточного аккумулятора, способную описывать динамическое поведение батареи в условиях разных температур — от 5 до 40°C — и разных параметров работы накопителя.
Результаты, опубликованные в журнале Journal of Power Sources, станут основой для разработки усовершенствованных алгоритмов управления аккумуляторами в условиях низких температур с сохранением их максимальной производительности. Более того, модель также может быть применена к другим типам проточных аккумуляторов и топливным элементам. Работа поддержана грантом РНФ № 23-79-01239.
Проточные аккумуляторы используются преимущественно для крупных энергосистем, обеспечивающих длительное хранение электроэнергии для автономного энергообеспечения, а также стабильной и надёжной работы сети. Более того, такие масштабные системы помогают решить важную проблему, связанную с использованием возобновляемых источников энергии — колебания частоты и мощности. Они обеспечивают стабильное электроснабжение в сети, сглаживая колебания генерирующих установок.
Системы накопления энергии обычно занимают большие площади и часто устанавливаются на открытом воздухе. Это подвергает их сезонным колебаниям температур, которые влияют на ключевые характеристики накопителя: энергоэффективность, мощность и ёмкость. Поэтому исследование влияния температуры окружающей среды на работу таких систем накопления энергии является важной практической задачей обеспечения их надёжной и стабильной работы в широком диапазоне климатических условий.
«Мы разработали неизотермическую динамическую модель ванадиевого проточного аккумулятора, основанную на законах сохранения энергии и массы. Модель учитывает зависимость вязкости электролита от температуры и позволяет моделировать различные гидравлические характеристики накопителя энергии при различных рабочих температурах. Она также позволяет прогнозировать изменения ключевых параметров ванадиевого проточного аккумулятора, включая напряжение, концентрацию ионов ванадия, температуру стека и резервуаров, перепады давления, скорость потока электролита, ёмкость и мощность», — пояснил руководитель группы Михаил Пугач, старший научный сотрудник Центра энергетических технологий Сколтеха.
«Мы провели валидацию модели на экспериментальных данных, полученных с двух крупномасштабных ванадиевых проточных аккумуляторов мощностью 9 кВт и 35 кВт. Модель показала высокую точность предсказания температуры электролита, выходного напряжения и потерь давления в системе (с ошибкой менее 1%). Затем мы применили модель для параметрического анализа работы системы мощностью 5 кВт при различных потоках электролита (от 4 до 16 л/мин), токах нагрузки (от 20 до 140 мА/см2) и температурах окружающей среды (от 5 до 25 °C). Результаты показали, что при низкой температуре окружающей среды вязкость электролита существенно возрастает, что замедляет его циркуляцию в системе. Это, в свою очередь, приводит к значительной потере ёмкости батареи вследствие увеличения концентрационных потерь и усиленной конверсии электролита. Однако при высоких токах нагрузки (более 95 мА/см²) температура электролита может повышаться более чем на 15°C в течение 10 циклов заряда-разряда, что стабилизирует поток и ёмкость. Иными словами, за счёт самонагрева, аккумулятор способен работать стабильно даже при низких температурах окружающей среды», — рассказал о результатах исследования первый автор статьи, младший научный сотрудник Центра энергетических технологий Сколтеха Станислав Богданов.
Авторы провели анализ потерь ёмкости и мощности в двух режимах работы ванадиевого проточного аккумулятора — с постоянной скоростью потока электролита и с постоянной мощностью насоса. В режиме постоянной скорости потока на начальных циклах выявлены значительные потери мощности — до 10 %, вызванные интенсивной работой насосов при повышенной вязкости электролита. Режим постоянной мощности насосов позволяет избежать потерь мощности системы, однако в этом случае на первых циклах при низких температурах окружающей среды наблюдается снижение ёмкости аккумулятора. После нескольких циклов электролит нагревается, и уровень ёмкости восстанавливается.
По словам разработчиков, результаты исследования позволяют выявить наиболее эффективные условия работы ванадиевого проточного аккумулятора при различных температурах и в разных климатических зонах. Понимание влияния температуры на производительность и долговечность поможет создавать конструкции, устойчивые к неблагоприятным условиям эксплуатации, а регулирование рабочих характеристик аккумулятора предотвратит его преждевременный износ и снизит вероятность отказов.
