La Acid/Base Flow Battery (AB-FB) è una batteria innovativa che rappresenta un metodo sostenibile di immagazzinare energia elettrica. Questa batteria può, in linea teorica, garantire una densità di energia pari a 11 kWh/m3 che è un valore maggiore rispetto a quello fornito dalle tecnologie attualmente più utilizzate nel mondo quali quelle che sfruttano l’energia idroelettrica, l’energia osmotica o ancora l’aria compressa. La batteria AB-FB accumula energia sottoforma di gradienti di salinità e di pH. In particolare, essa funziona grazie ad una unità chiamata “stack” al cui interno ospita una serie di canali che permettono il passaggio di soluzioni elettrolitiche a diversi pH e concentrazioni delle specie chimiche. Questi canali sono separati da membrane monopolari e bipolari a scambio ionico. Nello stack sono coinvolti due processi a membrana: l’elettrodialisi con membrane bipolari (ED-BM) e il suo processo inverso ovvero la elettrodialisi inversa con membrane bipolari (RED-BM). Il primo avviene durante la carica e il secondo durante la scarica della batteria. Questo lavoro di ricerca mira a predire le performance di questo dispositivo attraverso la messa a punto di un modello matematico basato su un approccio di tipo multi-scala. Nello specifico, il singolo canale dello stack rappresenta la scala più bassa del modello, nel quale simulazioni di fluidodinamica computazionale permettono di predire le perdite di carico e il fenomeno della polarizzazione di concentrazione lungo il canale. Il livello medio-basso del modello riguarda il cosiddetto “triplet” ossia l’unità ripetitiva dello stack. A questa scala dimensionale vengono calcolati tutti i flussi attraverso la membrana cioè quello migrativo, diffusivo, osmotico ed elettro-osmotico. Alla scala medio-alta, questo modello consente di predire le perdite di carico e le correnti parassite nei collettori e nei distributori dello stack. In particolare viene calcolata l’incidenza delle correnti di corto-circuito ionico (correnti parassite). Infine, la scala più alta del modello include il calcolo delle equazioni di bilancio di materia all’interno dei recipienti esterni e le perdite di carico nei tubi di collegamento dello stack ai recipienti stessi. Tutte le scale del modello sono completamente integrate l’un l’altra in un unico e originale strumento di simulazione che è in grado di predire parametri di performance della batteria come la densità di potenza prodotta oppure il valore di Round Trip Efficiency. Un’analisi di sensitività è stata effettuata variando caratteristiche geometriche come il diametro del distributore e del collettore e condizioni operative come la densità di corrente durante la carica e la scarica in un ampio range di valori. I risultati ottenuti mostrano che le correnti ioniche parassite attraverso i collettori e i distributori possono rappresentare il limite più importante per questa tecnologia. La progettazione della batteria con geometrie e condizioni operative ottimali possono portare alla riduzione dei fenomeni parassiti e a valori di Round Trip Efficiency anche maggiori del 65% rendendo così questa batteria competitiva rispetto alle tecnologie attualmente più utilizzate.

Andrea Culcasi, Andrea Zaffora, Luigi Gurreri, Andrea Cipollina, Alessandro Tamburini, Giorgio Micale (2019). Modellazione matematica di una Acid/Base Flow Battery: un dispositivo innovativo di accumulo di energia elettrica basato su gradienti di salinità e di pH. In GRICU 2019 - Il contributo dell'Ingegneria Chimica Italiana alla sostenibilità globale.

Modellazione matematica di una Acid/Base Flow Battery: un dispositivo innovativo di accumulo di energia elettrica basato su gradienti di salinità e di pH

Andrea Culcasi;Andrea Zaffora;Luigi Gurreri;Andrea Cipollina;Alessandro Tamburini;Giorgio Micale
2019-01-01

Abstract

La Acid/Base Flow Battery (AB-FB) è una batteria innovativa che rappresenta un metodo sostenibile di immagazzinare energia elettrica. Questa batteria può, in linea teorica, garantire una densità di energia pari a 11 kWh/m3 che è un valore maggiore rispetto a quello fornito dalle tecnologie attualmente più utilizzate nel mondo quali quelle che sfruttano l’energia idroelettrica, l’energia osmotica o ancora l’aria compressa. La batteria AB-FB accumula energia sottoforma di gradienti di salinità e di pH. In particolare, essa funziona grazie ad una unità chiamata “stack” al cui interno ospita una serie di canali che permettono il passaggio di soluzioni elettrolitiche a diversi pH e concentrazioni delle specie chimiche. Questi canali sono separati da membrane monopolari e bipolari a scambio ionico. Nello stack sono coinvolti due processi a membrana: l’elettrodialisi con membrane bipolari (ED-BM) e il suo processo inverso ovvero la elettrodialisi inversa con membrane bipolari (RED-BM). Il primo avviene durante la carica e il secondo durante la scarica della batteria. Questo lavoro di ricerca mira a predire le performance di questo dispositivo attraverso la messa a punto di un modello matematico basato su un approccio di tipo multi-scala. Nello specifico, il singolo canale dello stack rappresenta la scala più bassa del modello, nel quale simulazioni di fluidodinamica computazionale permettono di predire le perdite di carico e il fenomeno della polarizzazione di concentrazione lungo il canale. Il livello medio-basso del modello riguarda il cosiddetto “triplet” ossia l’unità ripetitiva dello stack. A questa scala dimensionale vengono calcolati tutti i flussi attraverso la membrana cioè quello migrativo, diffusivo, osmotico ed elettro-osmotico. Alla scala medio-alta, questo modello consente di predire le perdite di carico e le correnti parassite nei collettori e nei distributori dello stack. In particolare viene calcolata l’incidenza delle correnti di corto-circuito ionico (correnti parassite). Infine, la scala più alta del modello include il calcolo delle equazioni di bilancio di materia all’interno dei recipienti esterni e le perdite di carico nei tubi di collegamento dello stack ai recipienti stessi. Tutte le scale del modello sono completamente integrate l’un l’altra in un unico e originale strumento di simulazione che è in grado di predire parametri di performance della batteria come la densità di potenza prodotta oppure il valore di Round Trip Efficiency. Un’analisi di sensitività è stata effettuata variando caratteristiche geometriche come il diametro del distributore e del collettore e condizioni operative come la densità di corrente durante la carica e la scarica in un ampio range di valori. I risultati ottenuti mostrano che le correnti ioniche parassite attraverso i collettori e i distributori possono rappresentare il limite più importante per questa tecnologia. La progettazione della batteria con geometrie e condizioni operative ottimali possono portare alla riduzione dei fenomeni parassiti e a valori di Round Trip Efficiency anche maggiori del 65% rendendo così questa batteria competitiva rispetto alle tecnologie attualmente più utilizzate.
Flow battery; membrana bipolare; modellazione; Round Trip Efficiency;
Andrea Culcasi, Andrea Zaffora, Luigi Gurreri, Andrea Cipollina, Alessandro Tamburini, Giorgio Micale (2019). Modellazione matematica di una Acid/Base Flow Battery: un dispositivo innovativo di accumulo di energia elettrica basato su gradienti di salinità e di pH. In GRICU 2019 - Il contributo dell'Ingegneria Chimica Italiana alla sostenibilità globale.
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