Analisi sperimentale e modellistica dei cicli di carica-scarica di una batteria a flusso vanadio-vanadio

Vanadium redox flow batteries are a promising technology for stationary energy storage, they can acquire a great importance in national electric grid, in which renewable sources are continuously increasing their quote of the energy production. The batteries are really interesting because of their characteristics such as: the independence between the stored energy and the peak power they can provide. Moreover this technology has high efficiency, quick response to load changes, flexibility of use and durability. These advantages are counterbalanced by the low energy density and the high cost, but not far beyond from other batteries. Recent studies demonstrate that an increase in molarity of vanadium will increase energy density. This thesis’ goal is to analyze the performance during charge-discharge cycles, in conditions as realistic as possible. The work proposed a combined experimental and modeling approach, the model deepens physics’ understanding and the equations that best describe the electrochemistry. The experiments 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 conducted on few electrodes, flow rates, charge-discharge currents, interesting information were obtained to find out the right way to an efficient use of energy. The physical model becomes an instrument to interpret the experimental results, analyze the variables otherwise difficult to measure.

Le batterie a flusso al vanadio sono una tecnologia promettente per l’accumulo stazionario di energia elettrica, acquisiscono particolare importanza nel sistema elettrico, nel quale le fonti rinnovabili contribuiscono ad una crescente quota a livello internazionale. Il sistema è interessante in quanto l’energia accumulabile è correlata alla grandezza dei serbatoi, la cui dimensione è indipendente dalla potenza di picco elaborabile. Inoltre verrà mostrato come tali batterie siano caratterizzate da un’efficienza competitiva ad altri sistemi di accumulo, rapidità di risposta e flessibilità d’utilizzo. Tali vantaggi sono in parte controbilanciati da un elevato costo e dalla ridotta densità energetica, il primo di questi aspetti ha ampio margine di miglioramento, inoltre non è molto distante dall’attuale costo di altre batterie. Recenti studi dimostrano la possibilità di aumentare la molarità del vanadio per incrementare la densità energetica, ma tale strategia è limitata dalla precipitazione dei sali di vanadio. Questa tesi si pone l’obiettivo di analizzare il comportamento delle batterie in condizioni dinamiche e quanto più simili a delle plausibili condizioni di funzionamento. Il lavoro si fonda sullo sviluppo di un modello e su una campagna sperimentale, nel primo si approfondiscono le conoscenze fisiche e le equazioni che descrivono al meglio l’elettrochimica, perno del funzionamento; il secondo ha permesso una misura dei parametri di funzionamento e una fase di sensibilizzazione sui parametri più influenti. La parte sperimentale si è svolta in occasione di un contratto di stage presso il Renewable Energy and Environmental R&D Center - Istituto ENI Donegani, in cui si sono svolti test su diversi elettrodi, condizioni di flusso e correnti di funzionamento, ottenendo utili informazioni su quale sia la direzione da intraprendere per lavorare in regime di elevata efficienza. Il modello fisico ha permesso di interpetare i risultati ed è divenenuto uno strumento di indagine per comprendere il comportamento di altre variabili altrimenti difficilmente misurabili.