Tesis:
Adaptive Modelling and Control of a Membraneless Micro Redox Flow Battery
- Autor: BERNALDO DE QUIROS SANZ, Alberto
- Título: Adaptive Modelling and Control of a Membraneless Micro Redox Flow Battery
- Fecha: 2024
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/81145/
- Director/a 1º: UCEDA ANTOLÍN, Javier
- Resumen: Green energy transition is pressing global demand for renewable energy solutions, leading to extensive research in the field of energy storage technologies in order to integrate them with intermittent renewable energy sources. In this context, redox flow batteries (RFBs) are significantly relevant due to the characteristics they can offer, including scalability, long cycle life, low degradation, high depth-of-discharge and ability to decouple energy and power. Therefore, RFBs can provide large-scale, flexible, and long-duration energy storage solutions that do not suffer as much degradation as other technologies from intermittent operation.
An alternative design for traditional RFBs are micro-scale membraneless redox flow reactors (MRFB), whose development has been led by the advances in microfabrication together with the growing interest in microfluidics. These designs are defined by the absence of a membrane, which is possible by passing the electrolytes through the reactors in a laminar regime which prevents the flows from mixing and creates an interface between the two species that minimizes the advective mixing. The lack of membrane reduces costs and optimizes the battery performance, as it decreases internal electrical resistance. Besides these advantages, microfluidics also allows to raise the efficiency and rate of electrochemical energy conversion through enhanced mass transport. Similarly, using microfabrication provides a flexible cell design using a cheaper and simpler manufacturing method.
However, MRFBs also have drawbacks and unfavourable intrinsic characteristics that have stopped their industrial application. They need a very precise control of the electrolyte interface within the reactor. Otherwise, their mixing and self-discharge losses are significantly larger than for conventional RFBs due to crossover, plummeting their coulombic efficiency, reactant conversion ratio and cycle life. In order to handle this, it is necessary to deal with inherent microfluidics behaviour: limited instrumentation, stochasticity and changes in system properties. All this casuistic is why, regardless several designs and scientific works being developed in the last decade, until recently there was not any of them that proved a complete true battery system (continuous charge and discharge cycles with electrolyte recirculation). The project in which this thesis takes place in the form of industrial PhD has been the first to accomplish this milestone and its currently working towards its scaling and industrialization.
Modelling of batteries is a key factor to study its properties and response. Battery models are valuable from design research and optimization until its integration in an electric grid. Therefore they should cover a wide range of dimensions (electrochemical, thermal, fluidic, electrical). This works has been done for traditional RFBs, but for MRFB it has been bounded to study its primary electrochemical processes and its design optimization. Hence, there is a lack of this models in the membraneless micro scale scenario, whose peculiarities do not allow to extend the ones from conventional RFBs.
Electrical modelling allows to characterize the electrical output of batteries under different working conditions. It can be used to compare and optimize these working conditions and the control applied. These models parametrize charge and discharge cycles and give and equivalent electrical model useful also for future grid integration.
Fluidic dynamic modelling is critical in any system using moving liquids for the purpose of guaranteeing safe and proper operation. In the context of batteries is even more important due to energy efficiency considerations of the pumping system. Moreover, MRFB depend on proper positioning of the liquid interface between electrolytes in a microscale reactor with no physical separation. This makes the MRFB case unique, and its modelling vital. This model shall be used to characterize response to different working conditions, and to optimize its fluidic control. Fluidic control strategies that optimize the modelled fluidic dynamics define the efficiency of the whole battery system, reaching the point of making the battery viable or not, and limiting its possible applications. Strategies can vary from flowing the electrolytes at the fixed maximum flow to assure always maximum power availability, to model-free strategies (such as basic PID algorithm) or model based (different optimal control algorithms, predictive control).
The objective of this thesis is to propose MRFB models that precisely represent their behaviour and can be used for its working conditions effects study, reactor design optimization, grid integration and fluidic control design. These models are applied to its electrical and fluid dynamics characteristics. Electrical model defines an equivalent electrical circuit, studying the parametrization of the elements of this circuit, and measuring its fitness with electrochemical tests. It also accounts for the fluid dynamic influence on this electrical part. Besides, the fluid dynamic model presents equations describing flows at the reactor based on system active elements action. In summary, the final goal is to obtain a fluidic model that can be used to design a proper control strategy of the operation of the active elements, and to validate it with the electrical model which also is needed for the future grid integration of the battery.
The methodology used in this work has consisted in, first, defining the fluidic system architecture to work with the battery cells. To do this it was necessary to study the state of the art previous works and their microfluidic setup, together with the instrumentation ready to use in the market and adapt or develop any missing element. When these devices were already integrated in a working microfluidic solution, other topics were reviewed in the state of the art. These topics include existing fluidic models for MRFB, electrical equivalent circuits for RFB, greybox modelling, parameter identification, real time correction and estimation filters, and control strategies. Then, electrochemical experiments were performed to learn about the electrical behaviour and propose an electrical model for the equivalent circuit, and to model metrics such as power and mixing and self-discharge losses. Equivalently, for the fluidic modelling there was an experimental and data gathering phase, followed with the proposal of the dynamic equations. For this model, there was also a real time correction study, based on heuristics and from stochasticity observed that is incorporated to the model with estimation filters. Fluidic model is used to design new state-space control strategies, which are then compared and evaluated using the electrical model.
RESUMEN
La transición energética está presionando la demanda mundial de soluciones de energía renovables, lo que ha dado lugar a una amplia investigación en el campo de las tecnologías de almacenamiento de energía con el fin de integrarlas con aquellas fuentes de energía renovables intermitentes. En este contexto, las baterías de flujo redox (RFB) adquieren una relevancia significativa debido a las características que pueden ofrecer, como escalabilidad, larga ciclabilidad, baja degradación, alta profundidad de descarga y capacidad para desacoplar energía y potencia. Por lo tanto, las RFB pueden proporcionar soluciones de almacenamiento de energía a gran escala, flexibles y de larga duración que no sufren tanta degradación como otras tecnologías durante el funcionamiento intermitente.
Un diseño alternativo a las RFB tradicionales son los micro reactores de flujo redox sin membranas (MRFB), cuyo desarrollo se ha visto impulsado por los avances en microfabricación junto con el creciente interés en microfluídica. Estos diseños se definen por la ausencia de membrana, lo que es posible haciendo pasar los electrolitos a través de los reactores en un régimen laminar que impide que los flujos se mezclen y crea una interfaz entre las dos especies que minimiza la mezcla advectiva. La ausencia de membrana reduce los costes y optimiza el rendimiento de la batería, ya que disminuye la resistencia eléctrica interna. Además de estas ventajas, la microfluídica también permite aumentar la eficiencia y la tasa de conversión electroquímica de energía gracias a la mejora en el transporte de masa. Del mismo modo, el uso de microfabricación proporciona un diseño de celda flexible utilizando métodos de fabricación más baratos y sencillos.
Sin embargo, las MRFB también presentan inconvenientes y características intrínsecas desfavorables que han frenado su uso a escala industrial. Necesitan un control muy preciso de la interfaz de electrolitos en el reactor. De lo contrario, sus pérdidas por mezcla y autodescarga son significativamente mayores que las de las RFB convencionales debido al cruce de especies, lo que desploma su eficiencia coulómbica, la relación de conversión de reactante y la ciclabilidad. Para mitigar esto es necesario lidiar con problemática inherente a la microfluídica: instrumentación limitada, estocasticidad y cambios en las propiedades del sistema.
Toda esta casuística es la razón por la que, a pesar de que en la última década se han desarrollado varios diseños y trabajos científicos, hasta hace poco no había ninguno de ellos que demostrara ser un verdadero sistema de batería completo (ciclos continuos de carga y descarga con recirculación del electrolito). El proyecto en el que se enmarca esta tesis, en forma de doctorado industrial, ha sido el primero en lograr este hito y actualmente trabaja para su escalado e industrialización. El modelado de las baterías es un factor clave para estudiar sus propiedades y su respuesta. Los modelos de baterías son valiosos en todo el ámbito de trabajo, desde la investigación del diseño y su optimización hasta la integración en la red eléctrica. Por lo tanto, deben abarcar una amplia gama de dimensiones (electroquímica, térmica, fluídica, eléctrica). Estos trabajos se han realizado para las RFB tradicionales, pero para las MRFB se han limitado a estudiar sus procesos electroquímicos primarios y la optimización de su diseño. Por lo tanto, existe una carencia de estos modelos en el caso de los diseños micro sin membrana, cuyas peculiaridades no permiten extender los de las RFBs convencionales.
El modelado eléctrico permite caracterizar el rendimiento eléctrico de las baterías en diferentes condiciones de trabajo. Puede utilizarse para comparar y optimizar estas condiciones de trabajo así como el control aplicado. Estos modelos parametrizan los ciclos de carga y descarga y proporcionan un modelo eléctrico equivalente útil también para la futura integración en red. El modelado fluidodinámico es fundamental en cualquier sistema que utilice líquidos en movimiento para garantizar un funcionamiento seguro y adecuado. En un contexto de uso en baterías es aún más importante debido a las consideraciones de eficiencia energética del sistema de bombeo. Aún más, las MRFB dependen del posicionamiento adecuado de la interfaz líquida entre electrolitos en un reactor micro sin separación física. Esto hace que el caso MRFB sea único, y su modelado crítico. Este modelo se utilizará para caracterizar la respuesta en diferentes condiciones de trabajo, y para optimizar su control fluídico.
Las estrategias de control fluídico para optimizar la fluido dinámica modelada definen la eficiencia del conjunto del sistema de la batería, hasta el punto de hacerla viable o no, y limitar sus posibles aplicaciones. Las estrategias pueden variar desde hacer fluir los electrolitos a un caudal máximo fijo para garantizar siempre la máxima disponibilidad de potencia eléctrica, hasta estrategias de control sin modelo (como un algoritmo PID básico) o basadas en modelo (diferentes algoritmos de control óptimo, control predictivo).
El objetivo de esta tesis es proponer modelos de MRFB que representen con precisión su comportamiento y puedan ser utilizados para el estudio de los efectos de las condiciones de operación, la optimización del diseño del reactor, la integración en red y el diseño del control fluídico. Estos modelos se aplican a sus características eléctricas y fluidodinámicas. El modelo eléctrico define un circuito eléctrico equivalente, estudiando la parametrización de los elementos de este circuito, y midiendo su idoneidad con ensayos electroquímicos. También tiene en cuenta la influencia fluidodinámica en esta parte eléctrica. Además, el modelo fluidodinámico presenta ecuaciones que describen los flujos en el reactor en función de la acción de los elementos activos del sistema. En resumen, el objetivo final es obtener un modelo fluidodinámico que pueda ser utilizado para diseñar una estrategia de control adecuada del funcionamiento de los elementos activos, y que es validado con el modelo eléctrico, que también es necesario para la futura integración en red de la batería.
La metodología empleada en este trabajo ha consistido, en primer lugar, en definir la arquitectura del sistema fluídico para trabajar con las celdas de la batería. Para ello fue necesario estudiar el estado del arte de trabajos previos y su configuración microfluídica, junto con la instrumentación en el mercado y adaptar o desarrollar cualquier elemento que faltase. Cuando estos dispositivos ya estaban integrados en una solución microfluídica en funcionamiento, se revisaron otras temáticas del estado de la técnica. Estas temáticas incluyen los modelos fluídicos existentes para MRFB, los circuitos eléctricos equivalentes para RFB, la modelización de caja gris, la identificación de parámetros, los filtros de corrección y estimación en tiempo real y las estrategias de control. A continuación, se realizaron experimentos electroquímicos para conocer el comportamiento eléctrico y proponer un modelo eléctrico para el circuito equivalente, así como para modelizar métricas como la potencia y las pérdidas por mezcla y autodescarga. De forma equivalente, para la modelización fluídica hubo una fase experimental y de recopilación de datos, seguida de la propuesta de las ecuaciones dinámicas.
Para este modelo, también hubo un estudio de corrección en tiempo real, basado en heurísticos y a partir de la estocasticidad observada, que se incorpora al modelo con filtros de estimación. El modelo fluídico se utiliza para diseñar nuevas estrategias de control en espacio de estados, que luego son comparadas y evaluadas con el modelo eléctrico.