Studio sperimentale e modellistico di una batteria a flusso vanadio-vanadio

Vanadium redox flow batteries are proving to be a promising technology for grid energy storage, especially to complement and enable the renewable energy production standards which are becoming more and more massive by the day. The appeal of this technology is abundantly justified by its intrinsic characteristics, such as the high efficiency and the ability to respond rapidly to load changes. Also the flexibility of optimization, and the high durability distinguish redox flow batteries from the traditional batteries. However these advantages are balanced by some drawbacks related to the high cost and the low energy density, which still have plenty of scope for improvement against competitors. This work aims at revealing the components and the operating conditions which influence the performance of the system. In addition a physical model is developed in order to extend the understanding of the physical phenomena regulating the operation of the battery. Firstly the results of an experimental campaign are presented. The measurements were conducted during an apprenticeship at the Renewable Energy and Environmental R&D Center - Istituto ENI Donegani, in which the performance of the battery in different conditions was extensively investigated. Tests were performed combining different materials, flow rates, and reactants concentrations; the results provided interesting information about critical elements and their prospects for further improvements. The data are then analysed through a physical model of the phenomena regulating battery operation. The model is proposed as a diagnostic tool to interpret the experimental results, providing an insight into the understanding of the main mechanisms of loss.

Le batterie a flusso al vanadio sono una tecnologia che si sta rivelando molto promettente per applicazioni di accumulo di energia elettrica in ambito stazionario, in particolare nel supporto e nella messa in sicurezza della rete in coincidenza della sempre più massiccia penetrazione delle fonti rinnovabili sul panorama energetico internazionale. L'interesse per questi sistemi è ampiamente giustificato da caratteristiche intrinseche quali l'elevata efficienza e rapidità di risposta, la flessibilità in sede progettuale e l'elevata vita utile che le distingue dalle comuni batterie. I numerosi vantaggi sono tuttavia controbilanciati da alcune problematiche quali l'elevato costo e la ridotta densità energetica, che ne limitano la competitività ma lasciano intravedere ampi margini di miglioramento. Obiettivi di questo lavoro sono il rilevamento delle condizioni operative e dei componenti più influenti sulle prestazioni della batteria, e lo sviluppo di un modello che permetta di ampliare la comprensione dei fenomeni fisici che ne caratterizzano il funzionamento. Saranno dapprima esposti i risultati di una campagna sperimentale svolta in occasione di un contratto di stage presso il Renewable Energy and Environmental R&D Center - Istituto ENI Donegani, in cui si è indagata la risposta della batteria a diverse condizioni operative. Si sono svolti test su molteplici combinazioni di materiali, condizioni di flusso e concentrazioni dei reagenti, e se ne sono ricavate interessanti informazioni sui componenti più critici e sulle loro prospettive di miglioramento. Questi dati sono poi stati analizzati alla luce di un modello fisico dei fenomeni che determinano il funzionamento della batteria. Esso si propone come uno strumento interpretativo dei risultati sperimentali, in grado di mettere in luce le cause principali dei diversi meccanismi di perdita e, fornendo la possibilità di isolare i singoli contributi, di indagarne l'influenza relativa e la loro mutua interazione.