Experimental characterization of innovative components for Vanadium Redox Flow Batteries and techno-economic assessment in future scenarios

The increase in intermittent renewable energy production has highlighted the need for large-scale energy storage technologies to ensure the stability and security of the grid. Among these technologies, Vanadium Redox Flow Batteries (VRFBs) are one of the most promising. They offer several advantages such as the possibility to decouple energy and power, long lifetime, fast response times and high round-trip efficiency. However, VRFBs also have some disadvantages, such as low energy and power density. Additionally, the non ideal selectivity of the membrane causes the undesired passage of vanadium between the positive and negative half-cells, leading to battery self-discharge and capacity reduction. These drawbacks contribute to increasing investment and maintenance costs, hindering the widespread commercialization of VRFBs. In order to promote the feasibility of the technology, the primary objective of this work is to explore the potential of some innovative components that have been proposed in previous studies, moving from a typical lab-scale size cell of 25 cm^2 to a larger cell size of 100 cm^2, which is more representative of real system dimensions. The performance of the innovative components is characterized through an experimental campaign, during which are evaluated the efficiency of the cell, the electrolyte utilization, the local current density distribution and pressure drop over the cell. Subsequently, a techno-economic assessment of VRFB systems is conducted in a future scenario where the battery is coupled with a photovoltaic field. The evaluation is carried out using a model based on experimental data, which reproduces the actual operating conditions of the cell. This allows for the calculation of system costs and analysis of the relationship between the technical aspects of the system and the economic parameters. The model used in this evaluation has been further improved to account for the battery capacity reduction under real operating conditions. This enables the estimation of the operating and maintenance costs associated with capacity restoration procedures.

L’aumento della produzione di energia rinnovabile, caratterizzata da un’elevata intermittenza, ha evidenziato la necessità di tecnologie di accumulo su larga scala per garantire la stabilità e la sicurezza della rete. Tra queste tecnologie, le batterie a flusso di vanadio (VRFB) sono tra le più promettenti. Esse offrono diversi vantaggi tra cui la possibilità di disaccoppiare energia e potenza, una lunga vita utile, tempi di risposta rapidi ed un’elevata efficienza energetica. Tuttavia, le VRFB presentano anche alcuni svantaggi, come la bassa densità di energia e potenza. Inoltre, la selettività non ideale della membrana causa il passaggio indesiderato di ioni di vanadio tra le semi-celle positiva e negativa, comportando l’autoscarica della batteria e la sua riduzione della capacità. Questi svantaggi contribuiscono ad aumentare i costi di investimento e manutenzione, che rappresentano il principale ostacolo alla commercializzazione su larga scala delle VRFB. Al fine di promuovere la fattibilità della tecnologia, il primo obiettivo di questo lavoro è approfondire le potenzialità di alcuni componenti innovativi già proposti in precedenti studi, passando da una cella delle dimensioni di 25 cm^2 a una cella di dimensioni maggiori, pari a 100 cm^2, più rappresentativa delle dimensioni di un sistema reale. Le prestazioni dei componenti innovativi vengono caratterizzate attraverso una campagna sperimentale, durante la quale vengono valutate l’efficienza della cella, l’utilizzo dell’elettrolita, la distribuzione locale delle correnti e la caduta di pressione nella cella. Successivamente, è stata eseguita una valutazione tecnico-economica dei sistemi VRFB in uno scenario futuro in cui la batteria è accoppiata a un campo fotovoltaico. La valutazione viene effettuata utilizzando un modello basato su dati sperimentali, che permette di riprodurre le reali condizioni operative della cella. Ciò consente di calcolare i costi del sistema e analizzare la relazione tra gli aspetti tecnici del sistema e i parametri economici. Il modello utilizzato in questa valutazione è stato successivamente ulteriormente migliorato per tener conto della riduzione di capacità della batteria in condizioni operative reali. Questo consente di stimare i costi di esercizio e manutenzione legati alle procedure di ripristino della capacità.