Skuteczne magazynowanie energii odnawialnej w skali sieci dzięki stabilnym akumulatorom przepływowym dużej pojemności
Przejście na odnawialne źródła energii, w tym energię słoneczną oraz wiatrową, staje się coraz bardziej naglącą potrzebą w kontekście walki z rosnącym stężeniem dwutlenku węgla w atmosferze. Problemem tych technologii jest jednak brak ciągłości wytwarzania energii – nie zawsze świeci słońce i nie zawsze wieje wiatr, w związku z czym pojawia się zapotrzebowanie na skuteczne magazynowanie dużych ilości energii, które zapewni ciągłość jej dostaw. Przechowywanie nadmiaru energii w taki sposób, by było możliwe wykorzystanie jej w czasach niższej wydajności źródeł odnawialnych wiąże się z pewnymi wyzwaniami. „Tradycyjna metoda magazynowania energii, jaką są elektrownie szczytowo-pompowe, zakładające pompowanie wody na pewną wysokość, a następnie przepuszczanie jej przez turbinę w celu wytworzenia energii elektrycznej, nie jest wykonalna w wielu lokalizacjach. Z kolei akumulatory litowo-jonowe, które są w stanie sprawdzić się w tych zastosowaniach, charakteryzują się wysoką ceną, a dodatkowo zapewniają energię jedynie na cztery godziny”, wyjaśnia Pekka Peljo, koordynator finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu CompBat. Akumulatory przepływowe, nazywane także bateriami przepływowymi, magazynują energię w ciekłych elektrolitach zamiast w elektrodach. Co ważniejsze, mogą stanowić alternatywę dla innych rozwiązań magazynowania energii. „W tym przypadku zwiększenie pojemności jest proste – wystarczy zwiększyć objętość zbiorników przechowujących elektrolit”, dodaje Peljo.
Przystępne cenowo i wydajne materiały aktywne
Współczesne akumulatory przepływowe wykorzystują kosztowe materiały aktywne, co skłania producentów do poszukiwania bardziej przystępnych cenowo alternatyw. „Jednym z głównych założeń naszego projektu było poszukiwanie tanich materiałów aktywnych, które będą w stanie zaspokoić często sprzeczne wymagania dotyczące napięcia ogniwa, wysokiej rozpuszczalności i długoterminowej stabilności pozwalającej na działanie przez ponad 20 lat”, zauważa Peljo. Zwykle podejścia doświadczalne opierają się na intuicji badaczy, na podstawie której wybierają wstępnie cząsteczki do badań. Pierwsze etapy prac obejmują syntetyzowanie, oczyszczanie i charakteryzację cząsteczek. W oparciu o wyniki badań, cząsteczki mogą być modyfikowane i syntetyzowane ponownie w ramach ciągłego cyklu. Proces ten przebiega jednak stosunkowo powoli.
Sztuczna inteligencja wypełnia lukę między intuicją i innowacją
Zespół projektu CompBat opracował podejście oparte na danych, aby przyspieszyć rozwój materiałów. „Opracowaliśmy metody uczenia maszynowego do szybkiego przesiewania potencjalnych materiałów aktywnych do akumulatorów przepływowych oraz narzędzia do modelowania w celu optymalizacji konstrukcji ogniw i stosów”, wyjaśnia Peljo. Partnerzy projektu na Węgrzech opracowali wydajny protokół obliczeniowy, który może ocenić 100 cząsteczek dziennie pod kątem możliwości reakcji redoks dzięki obliczeniom kwantowo-chemicznym wykonywanym na wydajnych komputerach biurowych. Proces ten pozwala na dokonanie oceny potencjału redoks nowych cząsteczek, dzięki czemu jest możliwe określenie napięcia ogniwa. Analiza blisko 15 000 cząsteczek umożliwiła opracowanie dużej bazy danych obliczeniowych dotyczących potencjałów redoks. Baza ta została następnie wykorzystana do trenowania różnych modeli uczenia maszynowego zdolnych do przewidywania potencjału redoks niemal każdej cząsteczki organicznej w ciągu kilku sekund. „Choć uzyskane w ten sposób prognozy nadal wymagają weryfikacji na drodze eksperymentów w przypadku niektórych cząsteczek, ogólna dokładność naszego narzędzia okazała się zaskakująco wysoka”, podkreśla Peljo.
Przypływ postępów
Opracowane przez badaczy narzędzie połączone z rozwiązaniami do modelowania na poziomie ogniwa, stosu i układu pozwala na lepsze zrozumienie wymagań w zakresie materiałów na potrzeby komercyjnie opłacalnych systemów. Dzięki realizacji projektu różne cząsteczki mogą być badane pod kątem pożądanych zakresów potencjałów redoks, a następnie selekcjonowane do badań doświadczalnych. Narzędzie opracowane przez badaczy jest obecnie wykorzystywane do projektowania nowych materiałów i pomaga w wykazaniu, w jaki sposób różne modyfikacje struktury cząsteczki wpływają na potencjały redoks. Wciąż jednak istnieją problemy, którym zespół musi stawić czoła, a jednym z najważniejszych pozostaje stabilność. „Spośród 20 cząsteczek otrzymanych w ramach projektu CompBat, tylko pięć charakteryzowało się pewnym poziomem stabilności, a tylko jedna lub dwie mogły być wykorzystane w akumulatorze. Niestety, ze względu na fakt, że metody obliczeniowe pozwalające na dokonanie oceny stabilności nie są tak zaawansowane jak te dotyczące potencjałów redoks, konieczne jest podjęcie dodatkowych badań”, podsumowuje Peljo.
Słowa kluczowe
CompBat, potencjał redoks, akumulatory przepływowe, uczenie maszynowe, magazynowanie energii, materiał aktywny, stabilność
