Исследование тепловых процессов в ванадиевых проточных аккумуляторах с целью повышения их энергоэффективности и надежности

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-79-01239

НазваниеИсследование тепловых процессов в ванадиевых проточных аккумуляторах с целью повышения их энергоэффективности и надежности

Руководитель Пугач Михаил Александрович, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)

Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий» , г Москва

Конкурс №84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-601 - Теория, методы проектирования и эффективность функционирования технических систем

Ключевые слова система накопления энергии; ванадиевый проточный аккумулятор; неизотремические процессы; энергоэффективность; тепловые потери; надежность

Код ГРНТИ44.41.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Ванадиевые проточные аккумуляторы (ВПА) являются одной из наиболее перспективных технологий стационарного накопления электрической энергии. По сравнению с аккумуляторами других типов в качестве стационарных накопителей они обладают рядом конкурентных преимуществ: раздельное масштабирование мощности и емкости, модульный дизайн, низкий саморазряд, малое падение емкости при долгой эксплуатации. Большие сетевые накопители такого типа (МВт/МВт·ч) были реализованы в нескольких проектах в Италии, Германии, США, Китае и Японии. Тем не менее, обеспечение оптимальной эксплуатации систем ВПА остается во многом нерешенной задачей из-за того, что в процессе эксплуатации, температура электрохимических ячеек ВПА повышается из-за внутренних процессов, которые приводят к потерям энергии в виде выделения тепла. Таким образом, температура электролита также повышается, что может быть критичным при достижении значения 45 градусов (С), поскольку при этой температуре понижается растворимость солей ванадия посилита (электролита со стороны положительного электрода), и они выпадают в осадок, что приводит к необратимым потерям емкости аккумулятора. В тоже время, температура электролита не должна опускаться ниже 50 С, поскольку в этом случае понижается растворимость солей ванадия негалита (электролита со стороны отрицательного электрода). Потеря емкости, в свою очередь, приводит к тому, что аккумулятор начинает работать меньшее время, что может приводить к серьёзным сбоям и авариям в электрической сети. Таким образом, мониторинг температуры электролита является одной из наиболее важных задач для стабильной работы ВПА систем. Проект направлен на исследование влияния неизотермических процессов на работу ванадиевого проточного аккумулятора (ВПА) с целью повышения надежности и энергоэффективности таких систем. Полученные результаты будут важны для разработки систем накопления энергии на базе ванадиевых проточных аккумуляторов, адаптированных для эксплуатации в климатических условиях нашей страны.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Хан Я., Идрисов И., Пугач М., Ибанез Ф. Real-Time Analysis of Battery State of Health in Supercapacitor-Battery Hybrid Systems for Electric Motorcycles IEEE Access, VOLUME 12, 2024, с. 151403 - 151414 (год публикации - 2024)
10.1109/ACCESS.2024.3478375

2. Богданов С., Парсегов С., Ибаньес Ф., Пугач М. Modeling of Vanadium Redox Flow Battery under Different Operating Temperatures IEEE , 2024 IEEE 7th International Electrical and Energy Conference (CIEEC | 979-8-3503-5955-8/24/$31.00 ©2024 IEEE) (Scopus) (год публикации - 2024)
10.1109/CIEEC60922.2024.10583773

3. Идрисов И. Н., Хан Я., Богданов С. Д., Пугач М. А., Ибаньес Ф. М. Digital Twin for State of Charge Estimation of a Vanadium Redox Flow Battery IEEE, 2024 IEEE 25th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM); IEEE, 2024; pp 1880–1884. (год публикации - 2024)
10.1109/edm61683.2024.10615087

4. Хан, Я.; Пугач, М. А.; Ибаньес, Ф. М. State of Charge and Health Estimation of Vanadium Redox Flow Battery via Extended Kalman Filter IEEE, 2024 IEEE 25th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM); IEEE, 2024; pp 1590–1596. (Scopus) (год публикации - 2024)
10.1109/edm61683.2024.10614995

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Проект направлен на исследование влияния неизотермических процессов на работу ванадиевых проточных аккумуляторов, что является важной задачей для разработки отечественных систем хранения энергии большого масштаба. В рамках работы в течение второго года проекта были проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования ванадиевых проточных аккумуляторов (ВПА), направленные на верификацию неизотермической модели, разработанной в первый год проекта, а также оптимизацию рабочих параметров системы. Экспериментальные исследования были выполнена на установке ВПА мощностью 3 кВт и емкостью 2200 Ач, размещенной в климатической камере с возможностью регулирования температуры в диапазоне 5-25°C. Валидация модели показала хорошую точность со средней погрешностью менее 2% для напряжения и 3% для температуры стека и резервуаров во всех диапазонах рабочих параметров. Проведен анализа влияния неизотермических процессов на энергетическую эффективность ванадиевых проточных аккумуляторов (ВПА). Результаты позволили установить ряд важных закономерностей, имеющих существенное значение для практического применения данной технологии. Проведенные исследования основывались на детальном численном моделировании работы ВПА в широком диапазоне эксплуатационных параметров, что обеспечило получение репрезентативных данных о поведении системы в различных условиях. Методика исследования предусматривала систематическое варьирование трех ключевых параметров: плотности тока в диапазоне от 40 до 120 мА/см², мощности насосов в диапазоне от 20 до 80 Вт и температуры окружающей среды в диапазоне от 5°C до 25°C. Детальный анализ показал, что положение максимума энергетической эффективности существенно зависит от рабочих параметров. Было установлено, что при повышении мощности насосов этот максимум смещается в сторону более высоких токов, однако сама эффективность снижается за счёт роста потерь на работу насосов. Исследование энергетических характеристик выявило, что максимальная отдаваемая энергия достигается при наибольшей мощности насосов (80 Вт), что объясняется увеличением доступной емкости системы благодаря более интенсивной циркуляции электролита. При этом доступная энергия линейно снижается с ростом тока, и падает при пониженных температурах из-за увеличения вязкости электролита. Таким образом, выявлено, что максимальная энергетическая эффективность достигается при низкой мощности насосов, тогда как максимальная отдаваемая энергия — при высокой, что указывает на необходимость компромисса при выборе режима эксплуатации ВПА. Выполнено исследования оптимальных условий эксплуатации ванадиевых проточных аккумуляторов (ВПА) при различных температурах окружающей среды. Для решения этой задачи был предложен обобщённый критерий оптимальности в виде целевой функции, которая представляет линейную комбинацию нормированной энергетической эффективности и нормированной энергии разряда с весовыми коэффициентами, определяющими приоритеты в зависимости от сценария применения ВПА. В ходе исследования был проведен комплексный анализ трех ключевых режимов работы: режим максимальной энергетической эффективности, сбалансированный режим и режим максимальной энергии Результаты показали, что оптимальные параметры эксплуатации зависят от температуры и выбранного сценария. Например, при 25 °C в режиме максимальной эффективности оптимальны ток 60 мА/см² и мощность насоса 20 Вт, а в режиме максимальной энергии — 40 мА/см² и 40 Вт. При этом максимальное значение целевой функции уменьшается на 15% при снижении температуры до 5 °C, что говорит об уменьшении эффективности эксплуатации ВПА при низких температурах. Однако такая эксплуатация возможна при правильном выборе параметров ВПА системы. Полученные результаты имеют важное практическое значение для проектирования и эксплуатации ванадиевых проточных аккумуляторов в реальных условиях эксплуатации, особенно в регионах с существенными сезонными колебаниями температуры. Результаты исследования могут быть использованы как основа для разработки адаптивных алгоритмов управления, способных автоматически подстраивать параметры работы ВПА в зависимости от текущих температурных условий и требований к системе.

Публикации