Hybrid hydrogen-vanadium redox flow batteries: experimental analysis of electrodes and techno-economic assessment

The landscape of energy is undergoing a rapid transformation towards sustainability, progressively integrating renewable sources in the current national energy context. To ensure a reliable match between the intermittent nature of this power production and the stability of the grid, energy storage systems become crucial. Within this framework, Vanadium Redox Flow Batteries (VRFBs) represent a valid large-scale solution, providing the possibility of decoupling power and energy, high round trip efficiency, long lifetime and fast response times. However, some limitations hinder their commercialization, as the elevated investment costs mainly due to the expensive electrolyte, together with the capacity decay attributable to the crossover of vanadium. To overcome these issues, innovative redox couples are assessed, among which the Hydrogen-Vanadium Redox Flow Batteries (HVRFBs) are increasingly gaining relevance. Indeed, they offer the same abovementioned advantages of the VRFBs, but the use of hydrogen at the negative side instead of a second vanadium electrolyte leads to a reduction in the costs, together with a mitigation of capacity decay due to vanadium crossover. Nevertheless, this technology is still under investigation, thus a deepen research is required to completely understand the involved physics, in particular at the negative side, and to improve the performance of this battery. Hence, this thesis focuses on the experimental characterization of positive and negative electrodes, which represent a key component for the reactions to occur. Specifically, at MRT Fuel Cell & Battery Lab different morphologies and treatments have been evaluated for the positive side, while various platinum loadings have been examined at the negative, where a catalyst is required to enhance hydrogen redox reactions. The aim of the work is to investigate the influence of these properties of the electrodes on performance and electrolyte utilization. Parallelly, a physical-based model has been developed and calibrated on the experimental data to assess the technical features and the economic feasibility of a HVRFB in a real scenario, where it is employed as storage system between a load and two different energy sources: photovoltaic or wind. The analysis evaluates the viability of the battery focusing on the effects of different energy inputs and stack configurations on the Levelized Cost of Storage and system performance, with a particular regard on shunt current losses.

Il panorama energetico sta subendo una rapida trasformazione verso la sostenibilità, inserendo progressivamente fonti di energia rinnovabile nell’attuale contesto energetico nazionale. Per garantire affidabilità all’intermittenza della produzione di potenza da rinnovabili e stabilità della rete, i sistemi di accumulo diventano fondamentali. In questo contesto, le batterie a flusso di vanadio (VRFB) rappresentano una valida soluzione su larga scala, offrendo la possibilità di disaccoppiare potenza ed energia, alte efficienze energetiche, lunga vita utile e tempi di risposta rapidi. Tuttavia, alcune limitazioni di questa tecnologia ostacolano la sua commercializzazione, fra cui gli elevati costi di investimento dovuti principalmente all’elettrolita e la perdita di capacità a causa del flusso indesiderato di ioni vanadio. Per superare queste criticità, l’attenzione si è spostata su chimiche alternative e le batterie a flusso ibride idrogeno-vanadio (HVRFB) forniscono gli stessi vantaggi citati precedentemente per le VRFB, ma l’uso di idrogeno al lato negativo del sistema invece che di un secondo elettrolita porta a una riduzione dei costi e una mitigazione della perdita di capacità dovuta al passaggio di ioni vanadio. Ciononostante, questa tecnologia è ancora in fase di sperimentazione, ed è quindi necessaria una ricerca approfondita per comprendere nel dettaglio la fisica, soprattutto del lato negativo, e per migliorarne le prestazioni. Pertanto, questa tesi si focalizza sulla caratterizzazione sperimentale degli elettrodi positivi e negativi della batteria, che sono componenti chiave per lo sviluppo delle reazioni. In particolare, presso l’MRT Fuel Cell & Battery Lab varie morfologie e trattamenti sono stati valutati per l’elettrodo positivo, mentre diversi carichi di platino sono stati studiati per il lato negativo, dove è necessario l’utilizzo di un catalizzatore per intensificare le reazioni di ossido-riduzione dell’idrogeno. L’obiettivo è l’analisi degli effetti di queste proprietà degli elettrodi su efficienze e utilizzo dell’elettrolita. In parallelo, è stato sviluppato un modello fisico, calibrato su dati sperimentali, per esaminare le caratteristiche tecniche e la fattibilità economica di una HVRFB in un’applicazione reale, dove è il sistema di accumulo fra un carico e due diverse fonti energetiche: solare o eolica. L’analisi valuta la viabilità della batteria concentrandosi sugli effetti di diversi apporti energetici e disposizione delle celle sul costo dell’accumulo energetico livellato e prestazioni, soffermandosi sulle correnti parassite.