Tesis:
Microfluidic Membraneless Vanadium Redox Flow Battery
- Autor: ORAÁ POBLETE, Beatriz
- Título: Microfluidic Membraneless Vanadium Redox Flow Battery
- Fecha: 2024
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: SIN DEPARTAMENTO DEFINIDO
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/81148/
- Director/a 1º: PALMA DEL VAL, Jesús
- Director/a 2º: RUIZ CASTELLÓ, Beatriz
- Resumen: Currently, society is immersed in a process of energy transition towards a decarbonized, decentralized, and digitalized economic and technological model, setting increasingly ambitious objectives in terms of reducing polluting gas emissions, as well as increasing the penetration of renewable energy sources. This generates an increase in intermittency in energy production due to the dependence on climatic conditions by renewable energy. Furthermore, the operation of the electricity market was proposed in an energy and technological context different from the current one and must be adapted to maintain the quality and robustness conditions necessary in the electricity supply. The uncertainty generated by these events requires a technical solution that is also economically viable. Energy Storage Systems (ESS) are positioned as a possible solution due to their ability to store significant amounts of electrical energy for certain periods of time, providing stability and flexibility to the network.
Among these systems, redox flow batteries (RFBs) are considered the best candidate due to their availability of decouple energy and power and their long cycle life. Vanadium redox flow batteries (VRFBs) are the most commercially available in the market. Although, recently, some advanced redox flow batteries have emerged, applying new concepts such as microfluidics, they have still to face various challenges to become a competitive technology.
This thesis aims to contribute to the field of energy storage by providing a proof-of-concept of a Microfluidic Membraneless Vanadium Redox Flow Battery (MMVRFB). On the other hand, this thesis is part of an industrial development together with the start-up Micro Electrochemical Technologies S.L. (B5tec), within the scope of applying microfluidics to redox flow batteries, in order to improve the performance and obtain a Minimum Viable Product (MVP). To this end, this research is organized in five chapters.
Chapter 1 introduces the context of this work and the importance of energy storage systems. The state of the art is described with detail and the conventional and advanced storage technologies with potential for use in the integration of renewables are reviewed and compared. Finally, scope and motivation of this new research is detailed.
Chapter 2 assesses different designs and manufacturing techniques for the micro reactors, as well as different hydraulic systems alternatives and interface stabilization concerns.
Chapter 3 focuses, from one side, on a complete study of the different materials (planar and three-dimensional materials) that could perform as porous electrodes in the microfluidic battery. Then, microfluidic cell reactors are manufactured with these porous electrodes, with and without membrane. On the other hand, different flow control systems are experimentally evaluated. Finally, flow control system is integrated together with microfluidic membrane vanadium redox flow battery to check the operational availability.
Chapter 4 develops the first microfluidic membraneless vanadium redox flow battery proof-of-concept, with an automated closed-loop control, using micro actuators and micro sensors, in recirculation mode. Both the preconditioning process associated with the vanadium electrolyte and a charging and discharging process are studied.
Chapter 5 explains general conclusions, dissemination contributions and future work.
RESUMEN
La sociedad actual se encuentra inmersa en un proceso de transición energética hacia un modelo económico y tecnológico de descarbonización, descentralizado y digitalizado, fijando objetivos cada vez más ambiciosos en términos de reducción de emisiones de gases contaminantes, así como de aumento de la penetración de fuentes de energía renovables. Esto genera un aumento de la intermitencia en la producción de energía, debido a la dependencia de las condiciones climáticas por parte de las energías renovables. Además, el funcionamiento del mercado eléctrico se planteó en un contexto energético y tecnológico diferente al actual y debe adaptarse para mantener las condiciones de calidad y robustez necesarias en el suministro eléctrico. La incertidumbre que generan estos acontecimientos requiere una solución técnica que sea económicamente viable. Los Sistemas de Almacenamiento de Energía (ESS) se posicionan como una posible solución, debido a su capacidad de almacenar cantidades importantes de energía durante determinados periodos de tiempo, aportando estabilidad y flexibilidad a la red.
Entre dichos sistemas, las baterías de flujo redox (RFB) se consideran el mejor candidato, debido a su disponibilidad para desacoplar energía y potencia, y su largo ciclo de vida. Las baterías de flujo redox de vanadio (VRFB) son las más disponibles en el mercado. Aunque recientemente han surgido algunas baterías de flujo redox avanzadas que aplican nuevos conceptos como la microfluídica, aún deben enfrentar varios desafíos para convertirse en una tecnología competitiva.
Esta tesis tiene como objetivo contribuir al campo del almacenamiento de energía proporcionando una prueba de concepto de una microfluídica batería de flujo redox de vanadio sin membrana (MMVRFB). Por otro lado, esta tesis forma parte de un desarrollo industrial junto con la PYME Micro Electrochemical Technologies S.L. (B5tec), dentro del ámbito de la aplicación de la microfluídica a baterías de flujo redox, con el fin de mejorar su rendimiento y obtener un Producto Mínimo Viable (MVP). Para ello, esta investigación se organiza en cinco capítulos.
El capítulo 1 presenta el contexto de este trabajo y la importancia de los sistemas de almacenamiento de energía. Se describe con detalle el estado del arte y se revisan y comparan las tecnologías de almacenamiento convencionales y avanzadas con potencial de uso en la integración con renovables. Se detalla el alcance y motivación de esta nueva investigación.
El capítulo 2 evalúa la configuración experimental, describiendo diferentes diseños y técnicas de fabricación para los micro reactores, así como las diferentes alternativas de sistemas hidráulicos, teniendo en cuenta la estabilización de la interfase.
El capítulo 3 detalla, por un lado, un estudio completo de los diferentes materiales (planos y tridimensionales) que podrían actuar como electrodos porosos en la micro batería. Además, se fabrican reactores microfluídicos con y sin membrana con estos electrodos porosos y se evalúan experimentalmente diferentes sistemas de control de flujo. Finalmente, el sistema de control de flujo está integrado junto con una batería microfluídica de flujo redox de vanadio con membrana para verificar la disponibilidad operativa.
El capítulo 4 desarrolla la primera prueba de concepto de batería microfluídica de flujo redox de vanadio sin membrana. Con ese objetivo, en la primera etapa se presenta por primera vez el desarrollo de una batería de flujo micro redox de vanadio sin membrana (MVMRFB) con un control automatizado de circuito cerrado, utilizando micro actuadores y microsensores, en modo de recirculación. Se estudia tanto el proceso de preacondicionamiento asociado al electrolito de vanadio como un proceso de carga y descarga.
El capítulo 5 explica las conclusiones generales, los aportes de difusión y el trabajo futuro.