BR112019020306A2

BR112019020306A2 - modalidade de tanques de uma bateria de fluxo

Info

Publication number: BR112019020306A2
Application number: BR112019020306A
Authority: BR
Inventors: D'ANZI Angelo; Alberto BROVERO Carlo; PIRACCINI Gianluca; TAPPI Maurizio
Original assignee: Storen Tech Inc
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2020-05-05
Also published as: CN110770952A; US20200411891A1; PE20200028A1; EA201992269A1; EP3602660A1; CO2019011952A2; AU2018246139A1; JP2020516035A; EP3602660A4; KR20200037129A; CL2019002780A1; CA3093161A1; IL269663A; EA039624B1; ECSP19076920A; WO2018183289A1

Abstract

trata-se de uma bateria de fluxo do tipo que compreende pelo menos uma pilha de células planas (17), pelo menos um tanque de eletrólito negativo (3), pelo menos um tanque de eletrólito positivo (4), pelo menos duas bombas (5, 6), para fornecer eletrólitos para pelo menos uma pilha de células planas (17). o primeiro tanque (3) e o segundo tanque (4), ou ambos, um gabinete primário (19), um recipiente de tanques subterrâneos (20), que tem um isolamento térmico (18) entre o dito recipiente de tanques (20) e os tanques (3, 4), em pelo menos um trocador de calor secundário (21), em pelo menos um trocador de calor primário (22), em pelo menos uma bomba de refrigeração (23), em que o dito recipiente (20) está enterrado abaixo do nível do solo.

Description

“MODALIDADE DE TANQUES DE UMA BATERÍA DE FLUXO”

CAMPO DA TÉCNICA [0001] A presente invenção refere-se a uma batería de fluxo, e particularmente, a um módulo de batería de fluxo inovador, no qual o tanque de anólito e o tanque de católito são enterrados abaixo do nível do solo, de modo a manter a temperatura do eletrólito em uma faixa segura.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO [0002] Uma batería de fluxo é um tipo de batería recarregável, na qual os eletrólitos que contêm uma ou mais substâncias eletroativas dissolvidas fluem através de uma célula eletroquímica, que converte a energia química diretamente em energia elétrica. Os eletrólitos são armazenados em tanques externos e bombeados através das células do reator.

[0003] As baterias de fluxo têm a vantagem de ter um layout flexível (devido à separação entre os componentes de potência e os componentes de energia), um ciclo de vida longo, tempos de resposta rápidos, sem necessidade de suavizar a carga e sem emissões nocivas.

[0004] As baterias de fluxo são usadas para aplicações estacionárias com demanda de energia entre 1 kWh e vários MWh: as mesmas são usadas para suavizar a carga da rede, em que a batería é usada para acumular, durante a noite, energia a baixo custo e devolver a mesma à rede quando for mais dispendioso, mas também acumula potência de fontes renováveis, como energia solar e eólica, para, em seguida, fornecer durante períodos de pico de demanda de energia.

[0005] Em particular, uma batería de fluxo de vanádio inclui um conjunto de células eletroquímicas, nas quais os dois eletrólitos são separados por uma membrana de troca de prótons. Ambos os eletrólitos são à base de vanádio: o eletrólito na meiacélula positiva contém ions V <4+> e V <5+>, enquanto o eletrólito na meia-célula negativa contém ions V <3+> e V <2+>. Os eletrólitos podem ser preparados de vários modos, por exemplo, por dissolução eletrolítica de pentóxido de vanádio (V205) em ácido sulfúrico (H2S04). A solução usada permanece fortemente ácida. Em baterias de fluxo de vanádio, as duas meias-células são conectadas adicionalmente aos

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2/8 tanques de armazenamento que contêm um volume muito grande de eletrólito, que é feito para circular através da célula, por meio de bombas.

[0006] Enquanto a batería está sendo carregada na meia-célula positiva, o vanádio é oxidado, convertendo V <4+> em V <5+>. Os elétrons removidos são transferidos para a meia-célula negativa, onde reduzem o vanádio de V <3+> para V <2+>. Durante a operação, o processo ocorre em sentido inverso, e obtém-se uma diferença de potencial de 1,41 V, a 25 °C, em um circuito aberto. O eletrólito de anólito e o eletrólito de católito são estáveis em uma faixa de temperatura limitada, tipicamente entre 0 e 50 Celsius. Fora dessa faixa de temperatura, ocorrerá uma precipitação de espécies de vanádio, que não participam mais das reações de batería, perdendo a capacidade de armazenamento.

[0007] A batería de fluxo de vanádio é a única batería que acumula energia elétrica no eletrólito, e não nas placas ou nos eletrodos, como ocorre normalmente em todas as outras tecnologias de batería.

[0008] Diferentemente de todas as outras baterias, na batería de vanádio Redox, o eletrólito contido nos tanques, uma vez carregado, não é submetido a descarga automática, enquanto a porção de eletrólito que é estacionária, dentro da célula eletroquímica, é submetida a descarga automática ao longo do tempo.

[0009] A quantidade de energia elétrica armazenada na batería é determinada pelo volume de eletrólito contido nos tanques.

[0010] De acordo com uma solução construtiva específica particularmente eficiente, uma batería de fluxo de vanádio inclui um conjunto de células eletroquímicas, dentro das quais dois eletrólitos mutuamente separados por um eletrólito de membrana polimérica. Ambos os eletrólitos são constituídos por uma solução ácida de vanádio dissolvido. O eletrólito positivo contém os ions V <5+> e V <4+>, enquanto o negativo contém os ions V <2+> e V <3+>. Enquanto a batería está sendo carregada, na meia-célula positiva, o vanádio é oxidado, enquanto na meia-célula negativa o vanádio é reduzido. Durante a etapa de descarga, o processo é revertido. A conexão de várias células em uma série elétrica permite aumentar a tensão através da batería, que é igual ao número de células multiplicadas por 1,41 V.

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3/8 [0011] Durante a fase de carregamento, para armazenar energia, as bombas são ligadas, fazendo o eletrólito fluir dentro da célula com relação eletroquímica. A energia elétrica aplicada à célula eletroquímica facilita a troca de prótons por meio da membrana, carregando a batería.

[0012] Durante a fase de descarga, as bombas são ligadas, fazendo o eletrólito fluir dentro da célula eletroquímica, o que cria uma pressão positiva na célula relacionada, liberando, desse modo, a energia acumulada.

[0013] Durante a operação da batería, devido à resistência interna, as reações redox geram calor. O dito calor deve ser dissipado, a fim de evitar atingir o limite de 50 °C, visto que a temperatura crítica, pela qual as espécies de vanádio dissolvidas no eletrólito se precipitarão para o fundo do tanque, não participa mais das reações redox.

ANTECEDENTES DA TÉCNICA [0014] A Figura 1 é uma vista esquemática que mostra uma batería convencional de fluxo redox de vanádio. Conforme mostrado na Figura 1, a batería convencional de fluxo redox de vanádio inclui uma pluralidade de eletrodos positivos 7, uma pluralidade de eletrodos negativos 8, um eletrólito positivo 1, um eletrólito negativo 2, um tanque de eletrólito positivo 3 e um tanque de eletrólito negativo 4. O eletrólito positivo 1 e o eletrólito negativo 2 são armazenados respectivamente no tanque 3 e no tanque 4. Ao mesmo tempo, o eletrólito positivo 1 e o eletrólito negativo 2 passam respectivamente pelo eletrodo positivo 7 e pelo eletrodo negativo 8, através dos dutos de conexão positiva e dos dutos de conexão negativa, para formar os respectivos circuitos, também indicados na Figura 1 com as setas. As bombas 5 e 6, com frequência, são instaladas nos dutos de conexão para o transporte contínuo dos eletrólitos para o eletrodo.

[0015] Além disso, uma unidade de conversão de potência 11, por exemplo, um conversor CA/CC, pode ser usada em uma batería de fluxo redox de vanádio, e a unidade de conversão de potência 11 é, de forma respectiva, eletricamente conectada ao eletrodo positivo 7 e ao eletrodo negativo 8, através das linhas de conexão positivas 9 e das linhas de conexão negativa 10, e a unidade de conversão de potência 11

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4/8 também pode ser eletricamente conectada, de forma respectiva, a uma fonte de alimentação de entrada externa 12 e uma carga externa 13, a fim de converter a potência de CA gerada pela fonte de potência de entrada externa 12 em potência de CC, para carregar a batería de fluxo redox de vanádio, ou converter a potência de CC, descarregada pela batería de fluxo redox de vanádio, em potência de CA para saída para a carga externa 13.

[0016] A Figura 2 mostra uma vista esquemática de uma batería de fluxo convencional, de acordo com o estado da técnica, que inclui, no gabinete dedicado 15, toda a batería de fluxo, conforme descrito na Figura 1. A fim de manter a batería na faixa de temperatura segura, um dispositivo de gerenciamento térmico 14 é incorporado.

[0017] O gabinete dedicado mencionado acima 15 foi projetado para instalação externa. Por meio do isolamento térmico 16, o gabinete 15 protege a batería do clima severo na estação fria e do calor proveniente da irradiação solar durante a estação quente, ao passo que um dispositivo de gerenciamento térmico 14, 17 (que pode ser, por exemplo, um aparelho de ar condicionado ou um trocador de calor simples que se comunica com um dissipador de calor), junto com as bombas 5 e 6, conforme mostrado na Figura 2, com uso da energia da batería, dissipará o calor, quando a temperatura exceder o limite máximo de temperatura ou, alternativamente, aquecerá a batería em caso de tempo frio.

[0018] No entanto, as desvantagens da batería de fluxo convencional mencionada acima, de acordo com o estado da técnica, causarão uma diminuição na eficiência, devido ao consumo de potência do dispositivo de gerenciamento térmico 14, 17, quando operado, a fim de manter a batería dentro da faixa de temperatura ideal.

[0019] Uma desvantagem adicional da batería de fluxo convencional mencionada acima, de acordo com o estado da técnica, é que o tamanho do gabinete 15 é significativo, o que exclui determinadas instalações em que o tamanho é crítico, como uma torre de telecomunicações ou para residências.

[0020] Por isso, há uma necessidade de fornecer uma batería de fluxo redox de vanádio com gerenciamento térmico melhorado, a fim de solucionar os problemas

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5/8 apresentados pelos projetos de batería de fluxo convencional descritos acima, para obter maior eficiência e confiabilidade e, ao mesmo tempo, reduzir os custos operacionais e encurtar o período de retorno.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO [0021] Conforme mostrado na Figura 3, o objetivo da presente invenção é fornecer um módulo de batería de fluxo redox de vanádio, que tem um formato inovador, que inclui: pelo menos uma pilha 17, pelo menos um tanque de eletrólito negativo 3, pelo menos um tanque de eletrólito positivo 4, pelo menos duas bombas 5 e 6, um gabinete primário 19, um recipiente subterrâneo 20 para os tanques 3 e 4, em que o recipiente 20 tem um isolamento térmico 18 entre o recipiente 20 e os tanques 3 e 4, pelo menos um trocador de calor secundário 21, pelo menos um trocador de calor primário 22, pelo menos uma bomba de refrigeração 23, em que o recipiente 20 é enterrado abaixo do nível do solo, enquanto o gabinete primário 19 deve permanecer acima do nível do solo. O recipiente de tanque subterrâneo 20 tem uma função adicional, também, de atuar como um recipiente de contenção de derramamento.

[0022] O recipiente subterrâneo 20 será enterrado, por exemplo, a 2 metros abaixo do nível do solo, a fim de capturar a energia geotérmica para manter a temperatura do eletrólito dentro da faixa segura, conforme descrito na Figura 4, o que minimiza o consumo de potência do sistema de gerenciamento térmico. Enquanto isso, na presente invenção, aumentam a eficácia geral e a confiabilidade, devido à estabilidade da temperatura geotérmica. A 2 metros abaixo do nível do solo, a temperatura do solo permanece dentro da faixa ideal para a estabilidade das baterias de fluxo de vanádio, o que protege o módulo de baterias contra amplas flutuações de temperatura, típicas de uma instalação no nível da superfície.

[0023] Um objetivo adicional da presente invenção é fornecer uma batería de fluxo que tenha tamanho pequeno, seja relativamente simples de colocar em operação e seja segura de usar.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0024] As características e vantagens adicionais da invenção se tornarão mais evidentes a partir da descrição de uma modalidade preferencial, mas não exclusiva,

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6/8 da batería de fluxo, de acordo com a invenção, ilustrada a título de exemplo, sem limitação, nos desenhos anexos, em que:

A Figura 1 é uma vista esquemática que mostra uma batería de fluxo de vanádio convencional;

A Figura 2 é uma vista esquemática de um módulo de batería de fluxo, de acordo com o estado da técnica;

A Figura 3 é uma vista esquemática de uma batería de fluxo de vanádio, de acordo com a presente invenção;

A Figura 4 é um diagrama que mostra um exemplo de temperatura geotérmica ao longo do ano, em diferentes profundidades.

DESCRIÇÃO DE MODALIDADES [0025] Conforme mostrado na Figura 3, o objetivo da presente invenção é fornecer um módulo de batería de fluxo redox de vanádio, que tem um formato inovador, que inclui: pelo menos uma pilha 17, pelo menos um tanque de eletrólito negativo 3, pelo menos um tanque de eletrólito positivo 4, pelo menos duas bombas 5 e 6, um gabinete primário 19, um recipiente subterrâneo 20 para os tanques 3 e 4, em que o recipiente 20 tem um isolamento térmico 18 entre o recipiente 20 e os tanques 3 e 4, pelo menos um trocador de calor secundário 21, pelo menos um trocador de calor primário 22, pelo menos uma bomba de refrigeração 23, em que o recipiente 20 é enterrado abaixo do nível do solo, enquanto o gabinete primário 19 deve permanecer acima do nível do solo. O recipiente de tanque subterrâneo 20 tem uma função adicional, também, de atuar como um recipiente de contenção de derramamento.

[0026] O recipiente subterrâneo 20 será enterrado, por exemplo, a 2 metros abaixo do nível do solo, a fim de capturar a energia geotérmica para manter a temperatura do eletrólito dentro da faixa segura, conforme descrito na Figura 4, o que minimiza o consumo de potência do sistema de gerenciamento térmico. Enquanto isso, na presente invenção, aumentam a eficácia geral e a confiabilidade, devido à estabilidade da temperatura geotérmica. A 2 metros abaixo do nível do solo, a temperatura do solo permanece dentro da faixa ideal para a estabilidade das baterias de fluxo de vanádio, o que protege o módulo de baterias contra amplas flutuações de temperatura, típicas

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7/8 de uma instalação no nível da superfície.

[0027] Um objetivo adicional da presente invenção é fornecer uma batería de fluxo que tenha tamanho pequeno, seja relativamente simples de colocar em operação e seja segura de usar.

[0028] A Figura 4 mostra, em termos gerais, um diagrama que mostra um exemplo de temperatura do solo versus dia do ano para diferentes profundidades. A excursão térmica, por exemplo, a 2 metros, é estável na faixa compreendida entre 6 graus Celsius, na estação fria, e 13 graus Celsius, na estação quente.

[0029] No módulo da batería de fluxo, de acordo com a presente invenção, o recipiente subterrâneo 20 será enterrado, por exemplo, a 2 metros abaixo do nível do solo, onde a excursão à temperatura do solo é mais estável do que em ambiente externo, como o descrito na Figura 4, o que elimina os picos de temperatura, que exigem um consumo de energia para o condicionamento térmico. No módulo de batería de fluxo, de acordo com a presente invenção, o isolamento térmico 18, respectivamente, entre o recipiente de tanques subterrâneos 20 e os dois tanques 3 e 4, manterá os tanques de eletrólitos termicamente isolados.

[0030] No módulo de batería de fluxo, de acordo com a presente invenção, o trocador de calor tubular secundário 21 é colocado ao redor do recipiente de tanques subterrâneos 20. O trocador de calor tubular secundário 21 pode ser produzido a partir de material plástico de baixo custo, como polipropileno ou polietileno, e o trocador de calor tubular secundário está em contato direto com o solo, obtendo perto da melhor transferência de calor e tentando maximizar a eficiência.

[0031] No módulo de batería de fluxo, de acordo com a presente invenção, o trocador de calor tubular primário 22 é colocado dentro dos tanques de eletrólitos 3 e 4, em contato direto com o eletrólito. Por uma bomba de refrigeração 23, um lado do trocador de calor tubular primário é conectado a um lado do trocador de calor tubular secundário 21, em que os outros lados tanto do trocador de calor primário 22 quanto do trocador de calor tubular secundário 21 são conectados de forma alternada, o que cria um circuito único. Uma solução de etileno glicol preenche a parte interna do circuito do trocador de calor.

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8/8 [0032] O módulo de batería de fluxo, de acordo com a presente invenção, no caso de um clima severo, por meio da temperatura geotérmica transferida para o recipiente de tanques subterrâneos 20, permanecerá dentro de uma faixa de temperatura ideal entre +5 graus Celsius e +13 graus Celsius.

[0033] O módulo de batería de fluxo, de acordo com a presente invenção, no caso de um clima quente, transferirá o calor do recipiente de tanques subterrâneos 20 para o solo e permanecerá dentro da faixa de temperatura ideal, visto que o calor produzido pelas reações é dissipado pelo solo por meio do circuito do trocador de calor.

[0034] No módulo de batería de fluxo da presente invenção, uma vantagem adicional é constituída pelo fato de que o tamanho é mais compacto que os convencionais, em que os tanques colocados no subsolo também são protegidos de possíveis danos derivados de golpes ou tiros externos. No módulo de batería de fluxo da presente invenção, uma vantagem adicional é constituída pelo fato de que o recipiente de tanques subterrâneos 20 tem uma função adicional que atua como um recipiente de contenção de derramamento.

[0035] Enquanto isso, na presente invenção, aumentam a eficiência geral e a confiabilidade por meio da estabilidade da temperatura geotérmica, que permanecerá dentro de uma faixa ideal para o armazenamento seguro do eletrólito, o que minimiza o consumo de energia do dispositivo de gerenciamento térmico.

[0036] Onde os recursos da técnica mencionados em qualquer reivindicação são seguidos por sinais de referência, aqueles sinais de referência foram incluídos com o único propósito de aumentar a inteligibilidade das reivindicações e, consequentemente, tais sinais de referência não têm nenhum efeito de limitação na interpretação de cada elemento identificado, a título de exemplo, por meio de tais sinais de referência. Embora a presente invenção tenha sido descrita em referência às modalidades preferenciais da mesma, fica evidente, para aqueles versados na técnica, que uma variedade de modificações e alterações podem ser feitas, sem se afastar do escopo da presente invenção, que se destina a ser definida pelas reivindicações anexas.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Batería de fluxo caracterizada pelo fato de que compreende: pelo menos uma pilha (17), pelo menos um tanque de eletrólito negativo (3), pelo menos um tanque de eletrólito positivo (4); pelo menos duas bombas (5, 6); um gabinete primário (19); um recipiente subterrâneo para tanques (20); um isolamento térmico (18) entre os ditos tanques (3, 4) e o dito recipiente (20), e entre os tanques auxiliares (3,4); pelo menos um trocador de calor secundário (21); pelo menos um trocador de calor primário (22); pelo menos uma bomba de refrigeração (23); e em que o dito recipiente de tanque subterrâneo (20) é enterrado abaixo do nível do solo; e em que o dito gabinete primário (19) é disposto acima do nível do solo.
2. Batería de fluxo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o dito gabinete primário (19) pode ser eliminado colocando-se todos os componentes também no subsolo, dentro do recipiente de tanque subterrâneo (20), permitindo um acesso na superfície do solo.
3. Batería de fluxo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o dito recipiente de tanque subterrâneo é colocado a uma determinada profundidade, em que a faixa de temperatura é estável em um nível adequado.
4. Batería de fluxo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o trocador de calor secundário pode ter formato tubular ou outro formato em seção transversal, é composto de material de plástico de custo relativamente baixo, como polipropileno ou polietileno, e em que o dito trocador de calor secundário, de formato tubular ou outro formato em seção transversal, está em contato direto com o solo, obtendo a melhor transferência de calor, maximizando a eficiência.
5. Batería de fluxo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o trocador de calor primário, de formato tubular ou outro formato, pode ser produzido a partir de material de plástico de baixo custo, como um exemplo, de polipropileno ou polietileno, e é colocado dentro de ambos os tanques de eletrólitos, em contato direto com o eletrólito, obtendo a melhor transferência de calor, maximizando a eficiência.
6. Batería de fluxo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato

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2/2 de que uma bomba de refrigeração é conectada a um lado do trocador de calor primário, de formato tubular ou outro formato em seção transversal, enquanto o outro lado da bomba é conectado ao trocador de calor secundário, de formato tubular ou outro formato em seção transversal, em que os outros lados de ambos trocador de calor primário e secundário são conectados de forma alternada um ao outro, criando um único circuito.
7. Batería de fluxo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que uma solução de composto de etileno glicol ou outro anticongelante é usada, dentro do circuito do trocador de calor.
8. Batería de fluxo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o calor produzido pelas reações é dissipado no solo por meio do circuito de trocador de calor.
9. Batería de fluxo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o tamanho é mais compacto que um convencional, enquanto os tanques que são colocados no subsolo também são protegidos de dano potencial derivado de impactos externos.
10. Batería de fluxo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o recipiente de tanque subterrâneo (20) tem uma função adicional como um recipiente de contenção de derramamento.