Οι επιστήμονες επιταχύνουν την επόμενη γενιά υλικών αποθήκευσης ενέργειας
Το επιστημονικό δυναμικό του Εθνικού Εργαστηρίου του Υπουργείου Ενέργειας των Ηνωμένων Πολιτειών (PNNL), συνδυάζοντας την ανάλυση δεδομένων με την ανακάλυψη και σύνθεση υλικών, τον χαρακτηρισμό, τη δημιουργία πρωτοτύπων, τη δοκιμή και επικύρωση, προσπαθεί να πετύχει την επιτάχυνση της επόμενης γενιάς υλικών αποθήκευσης ενέργειας.
Σε ένα απανθρακοποιημένο και ηλεκτρισμένο μέλλον, οι μπαταρίες επόμενης γενιάς θα βελτιώσουν την αξιοπιστία και την ανθεκτικότητα του ηλεκτρικού δικτύου, επιτρέποντας παράλληλα την αυξημένη ενσωμάτωση της ανανεώσιμης ενέργειας.
Αυτές οι μπαταρίες θα μπορούν επίσης να παρέχουν εφεδρική ισχύ κατά τη διάρκεια ή μετά από φυσικές καταστροφές, όπως καταιγίδες, πάγος, ακραία κύματα καύσωνα, τυφώνες κλπ.
Νέα εγκατάσταση στις ΗΠΑ για μπαταρίες με πιο μικρό κόστος
Μια νέα εγκατάσταση που ονομάζεται Grid Storage Launchpad (GSL) ανοίγει στην πανεπιστημιούπολη (PNNL) το 2024 και χρηματοδοτείται από το Γραφείο Ηλεκτρισμού του Υπουργείου Ενέργειας (DOE).
Η GSL θα βοηθήσει στην επιτάχυνση της ανάπτυξης μελλοντικής τεχνολογίας μπαταριών με αυξημένη αξιοπιστία και χαμηλότερο κόστος.
Η νέα εγκατάσταση θα βοηθήσει επίσης στην ενίσχυση των συνεργασιών με εταίρους του κλάδου που εργάζονται σε προκλήσεις που σχετίζονται με την αποθήκευση ενέργειας μακράς διάρκειας.
Η έρευνα στη νέα εγκατάσταση θα συμπληρώσει τις προσπάθειες των ειδικών του PNNL απέναντι στο Κέντρο Επιχειρήσεων Υποδομής Ηλεκτρικής Ενέργειας, όπου διεξάγεται έρευνα για τη βελτίωση της ανθεκτικότητας του τεράστιου ηλεκτρικού δικτύου της χώρας. «Η GSL θα μας επιτρέψει να μεταφέρουμε νέες τεχνολογίες από την ανάπτυξη βασικών υλικών έως τη δοκιμή συστημάτων 100 κιλοβάτ υπό πραγματικές συνθήκες. Απαιτείται αποθήκευση ενέργειας για να βελτιωθεί η ανθεκτικότητα και η αξιοπιστία σε ένα ενεργειακό σύστημα χωρίς άνθρακα και η GSL θα μας οδηγήσει εκεί», δήλωσε ο Vince Sprenkle (σύμβουλος στο PNNL που ηγείται των ερευνητικών προσπαθειών αποθήκευσης ενέργειας του PNNL).
Δοκιμή μπαταριών νέας τεχνολογίας
Οι ερευνητές του PNNL δοκιμάζουν ήδη νέες τεχνολογίες μπαταριών, δημιουργώντας μοντέλα για τη διερεύνηση νέων υλικών για πιο αποτελεσματική και μεγαλύτερης διάρκειας αποθήκευση και αναπτύσσουν στρατηγικές ώστε τα νέα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας να μπορούν να αναπτυχθούν με ασφάλεια.
Η δοκιμή αυτών των νέων τεχνολογιών βοηθά στη βελτιστοποίηση της απόδοσης η οποία είναι κρίσιμη για την εμπορευματοποίηση και την ενδεχόμενη υιοθέτηση του κοινού. Στο GSL, οι ερευνητές θα είναι σε θέση να αυξήσουν τον αριθμό των δοκιμών που εκτελούνται και το μέγεθος της μπαταρίας που μπορεί να δοκιμαστεί.
Στο εργαστήριο δοκιμών αξιοπιστίας μπαταριών, ο επιστήμονας υλικών David Reed ηγείται μιας ομάδας που δοκιμάζει διάφορες τεχνολογίες μπαταριών που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την αποθήκευση ενέργειας στο δίκτυο.
Για την αποθήκευση του δικτύου, θα χρειαστούν μεγάλες μπαταρίες που μπορούν να αποθηκεύσουν πολλές ώρες ενέργειας και πρέπει να είναι λειτουργικές για πολλά χρόνια.
Η ομάδα του Reed εστιάζει σε τεχνολογίες όπως μπαταρίες ιόντων νατρίου ή ροής και τις δοκιμάζει υπό ρεαλιστικές συνθήκες για να προσδιορίσει ότι θα ανταποκρίνονταν στις ανάγκες του πραγματικού κόσμου.
«Δοκιμάζουμε κάθε μπαταρία κάτω από διαφορετικές συνθήκες ζήτησης ενέργειας. Μετά την ολοκλήρωση των δοκιμών, θα πάμε, θα αναλύσουμε την μπαταρία και θα κάνουμε ερωτήσεις όπως, γιατί αυτή η μπαταρία υποβαθμίστηκε σε αυτόν ή εκείνον τον κύκλο και τι μπορούμε να κάνουμε για να παρατείνουμε τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας;» είπε ο Reed.
Αν και τα ιόντα λιθίου ήταν ένα από τα αγαπημένα για μεγάλο χρονικό διάστημα, οι ερευνητές του PNNL μελετούν διαφορετικά είδη υλικών, όπως ιόντα νατρίου, νικέλιο-σίδηρος ή μόλυβδο, που θα μπορούσαν να κλιμακωθούν ώστε να παρέχουν ηλεκτρισμό για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. χρονικές περιόδους για το δίκτυο—μια έννοια γνωστή ως αποθήκευση ενέργειας μακράς διάρκειας.
Αυτές οι διευρυμένες δυνατότητες θα υποστηρίζουν επίσης άμεσα το Long Duration Storage Earthshot της DOE, με στόχο την παροχή 10 επιπλέον ωρών αποθήκευσης στο 90 τοις εκατό του σημερινού κόστους εντός της επόμενης δεκαετίας.
Χρήση τεχνητής νοημοσύνης και μηχανικής μάθησης για την προώθηση της τεχνολογίας
Δεν είναι μόνο ο αριθμός των μεμονωμένων υλικών που πρέπει να δοκιμαστούν.
Ενίοτε η δομή ενός μορίου μπορεί να επηρεάσει τη συμπεριφορά του. Επομένως οι επιστήμονες πρέπει επίσης να δοκιμάσουν διαφορετικές δομές μορίων για να κατανοήσουν την αποτελεσματικότητά τους ως υλικά αποθήκευσης.
Για παράδειγμα, το PNNL ερευνά μια νέα τεχνολογία μπαταριών που ονομάζεται οργανική ροή, η οποία χρησιμοποιεί οργανικά μόρια διαλυμένα σε υγρό ηλεκτρολύτη.
Για να λειτουργήσει μια μπαταρία ροής, τα μόρια που ανακατεύουν τα ηλεκτρόνια πρέπει να είναι διαλυτά ώστε να μπορούν να διαλυθούν στο υγρό, παρότι η διαλυτότητα είναι ένα άπιαστο χαρακτηριστικό για μελέτη, σύμφωνα με τον Wei Wang, επιστήμονας υλικών στο PNNL. Έτσι, οι ερευνητές πρέπει να δοκιμάσουν πολλά διαφορετικά μόρια και τη διαλυτότητά τους για να βρουν ποια θα λειτουργούσε καλύτερα σε μια μπαταρία ροής.
Επιπλέον, πολλαπλά οργανικά μόρια μπορεί να έχουν την ίδια δομή πυρήνα, αλλά να συνδέονται διαφορετικές υποομάδες ατόμων. «Για κάθε μόριο, υπάρχουν δυνητικά χιλιάδες διαφορετικές παραλλαγές. Πώς ξέρετε με ποιο πρέπει να συνεργαστείτε; Η κλίμακα του προβλήματος είναι αστρονομική», υποστήριξε ο Wang.
Ψηφιακή διπλή μπαταρία για μεγαλύτερη ταχύτητα και μικρότερο κόστος
Η διερεύνηση κάθε μορίου και των πολλών διαφορετικών παραλλαγών του είναι δαπανηρή και χρονοβόρα γι’ αυτό οι ερευνητές του PNNL εργάζονται σε μια λύση που ονομάζεται ψηφιακή διπλή μπαταρία. Πρόκειται για μοντέλο μηχανικής μάθησης που μπορεί να προσομοιώσει τη συμπεριφορά μιας μπαταρίας, ώστε οι ερευνητές να μπορούν να συνδέσουν ψηφιακές εκδόσεις των μορίων να δοκιμάσω.
Με ένα ψηφιακό μοντέλο που χρησιμοποιεί τεχνητή νοημοσύνη, οι επιστήμονες μπορούν να δοκιμάσουν τα χαρακτηριστικά ενός στοχευμένου οργανικού μορίου (και κάθε μία από τις παραλλαγές του) με επιταχυνόμενη ταχύτητα και μειωμένο κόστος.
Το GSL θα επιτρέψει στους ερευνητές να μελετήσουν διαφορετικά υλικά σε μεγαλύτερες μπαταρίες, παρέχοντας στον Wang και την ομάδα του τα βουνά των δεδομένων που χρειάζονται για την κατασκευή του ψηφιακού δίδυμου μοντέλου μπαταρίας. Πρώτα η ασφάλεια Με οποιαδήποτε νέα τεχνολογία, οι ερευνητές πρέπει να προβλέπουν και να προετοιμάζονται για πιθανούς κινδύνους για την ασφάλεια.
Συστήματα αποθήκευσης ενέργειας
Τα μεγάλα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας που υποστηρίζουν το δίκτυο συνεπάγονται τους δικούς τους κινδύνους, επομένως η PNNL υποστηρίζει την ανάπτυξη ενός μοναδικού συνόλου προτύπων ασφαλείας για να καθοδηγήσει τους κατασκευαστές στο σχεδιασμό και την εγκατάσταση ασφαλών συστημάτων.
Το κτίριο GSL, για παράδειγμα, θα είναι εξοπλισμένο με χαρακτηριστικά ασφαλείας για να κρατά τους ερευνητές και το εργαστήριο ασφαλές σε περίπτωση που αποτύχει ένα μεγάλο σύστημα αποθήκευσης ενέργειας. Το PNNL είναι επίσης αφιερωμένο στην ασφάλεια των κοινοτήτων που καταλήγουν να χρησιμοποιούν αυτήν την τεχνολογία.
Τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας αποτελούνται από «ένα σωρό μπαταρίες συναρμολογημένες μαζί με ένα σύστημα διαχείρισης μπαταριών, κάποιο είδος θερμικού ελέγχου όπως κλιματισμό, εξαρτήματα επικοινωνιών, μετατροπείς που αλλάζουν το ρεύμα από συνεχές σε εναλλασσόμενο ρεύμα και πολλά άλλα.
Αυτή η πολυπλοκότητα προσφέρει ένα ενσωματωμένο επίπεδο ασφάλειας, αλλά λόγω της ίδιας πολυπλοκότητας, ο κίνδυνος αποτυχίας το καθιστά ένα δυνητικά πιο σημαντικό περιστατικό», δήλωσε ο Matthew Paiss (σύμβουλος του PNNL).
Εκπαίδευση κατασκευαστών μπαταριών
Ο Paiss είναι πρώην πυροσβέστης που ειδικεύεται στην ασφάλεια συστημάτων ενεργειακής ιστορίας.
Ταξιδεύει σε όλη τη χώρα εκπαιδεύοντας τους κατασκευαστές μπαταριών, τους ηγέτες των πόλεων και τις ομάδες πυρόσβεσης για το πώς να χειρίζονται καλύτερα καταστάσεις έκτακτης ανάγκης όπως πυρκαγιές μπαταριών.
Το GSL θα είναι κεντρικό για την ανάπτυξη μαθημάτων ασφάλειας αποθήκευσης ενέργειας που απευθύνονται σε ενδιαφερόμενα μέρη της τοπικής κοινότητας, όπως πυροσβέστες, διασώστες και άλλα άτομα που ανταποκρίνονται πρώτοι.
«Είμαστε πραγματικά στην κορυφή του παγόβουνου για να δούμε τι ευκαιρίες μπορούμε να προσφέρουμε. Θέλουμε να φέρουμε ανθρώπους στο GSL και να τους βοηθήσουμε να εκπαιδευτούν σε όλες τις πτυχές της διάρκειας ζωής της μπαταρίας, είτε κατασκευάζουν μπαταρίες είτε όχι», είπε ο Paiss.
Στο GSL, ερευνητές όπως ο Reed και ο Wang και σύμβουλοι ασφάλειας όπως ο Paiss θα μπορούν να συνεργαστούν για την κατανόηση των αναδυόμενων τεχνολογιών μπαταριών για να βοηθήσουν στην επιτάχυνση ενός απανθρακωμένου μέλλοντος.
«Μερικά από τα προβλήματα με τις μπαταρίες δεν εμφανίζονται μέχρι να φτάσουν το μέγεθος σε μια συγκεκριμένη κλίμακα, όπως η κλίμακα που απαιτείται για ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας για την υποστήριξη του δικτύου.
Για να λύσουμε τις μακροπρόθεσμες προκλήσεις αποθήκευσης ενέργειας, πρέπει να φέρουμε όλους τους ενδιαφερόμενους στην ίδια σελίδα. Το GSL θα είναι ένα κομβικό σημείο για αυτές τις συνεργασίες», είπε ο Sprenkle.
www.worldenergynews.gr
