Geschmackvoller Energiespeicher: Strom umweltfreundlich speichern mit Vanillin und KI
Einen Stromspeicher auf Basis von Vanillin hatten Forschende der TU Graz bereits 2020 entworfen. Nun wird ein mit Künstlicher Intelligenz optimierter Prototyp gestaltet, der ökologisch, nachhaltig und zugleich höchst effizient sein soll.
22.08.2023 – Bereits 2020 war es Stefan Spirk vom Institut für Biobasierte Produkte und Papiertechnik der TU Graz und seinem Team gelungen, Redox-Flow-Batterien umweltfreundlicher zu machen. Sie hatten die redoxaktiven Elemente der Batterie durch herkömmliches Vanillin ersetzt, womit keine kritischen bzw. umweltschädlichen Rohstoffe mehr benötigt wurden. Der aus Holzabfällen erzeugte Aromastoff lässt sich in Elektrolyte für Redox-Flow-Batterien umwandeln.
Mittlerweile arbeitet Forscher Spirk an einem Vanillin-Stromspeicher, der in seiner gesamten Zusammensetzung möglichst nachhaltig und dennoch effizient ist, berichtet die TU Graz. Einsatzgebiete des fertig entwickelten Speichers sollten vor allem der industrielle Bereich und die Speicherung von Stromüberschüssen aus Erneuerbaren Energien sein. Beteiligt an dem Forschungsprojekt mit dem Namen VanillaFlow sind weitere Institute der TU Graz, das im Science Park Graz ansässige Start-up Ecolyte von Stefan Spirk und weitere Projektpartner. Das Projekt wird im Rahmen der EIC Pathfinder Challenge des European Innovation Council gefördert und gehört damit zum EU Horizon Europe Programm für Forschungs- und Innovationsförderung.
Optimierung aller Komponenten und Prozesse mithilfe der KI
Im Projekt VanillaFlow sollen sämtliche Komponenten und Prozesse des Speichers optimiert werden: neben den Vanillin-Verbindungen als Speichermedium auch die Membran, die Elektrode und die Steuerung. All dies unter Zuhilfenahme von Künstlicher Intelligenz (KI) und Machine Learning. Damit ließen sich in wesentlich kürzerer Zeit als bisher Vorhersagen für Modelle vielversprechender Vanillin-Verbindungen erstellen, so die Forschenden. Die aussichtsreichsten Modelle werden dann im Labor entwickelt und getestet, um so die ideale Zusammensetzung für die Speicherflüssigkeit zu finden.
Umweltbedenkliche Materialien durch nachhaltige Stoffe ersetzen
Bei der Membran und der Elektrode geht es laut Forscherteam vor allem darum, die dafür bisher in Batteriespeichern verwendeten wenig umweltfreundlichen Materialien ebenfalls durch nachhaltige Stoffe zu ersetzen. Für die Membranen werde bislang die Teflon-Modifikation Nafion verwendet. Mittlerweile ist eine papierbasierte Membran entstanden, die laufend weiterentwickelt wird – das Patent dafür wurde bereits angemeldet, berichtet die TU Graz. Bei der Elektrode setzt das Projektteam auf ein Kohlenstoff-Vlies, das durch Komprimierung weniger Widerstand biete und auch weniger Ablagerungen entwickle. Durch neue Beschichtungen und Behandlungen sollte hier eine noch bessere Leistung erreicht werden.
Um nicht vorab alle Iterationen an Speichermedium, Membran und Elektrode produzieren zu müssen, wird hier ebenfalls auf digitale Unterstützung zurückgegriffen. Mittels eines digitalen Zwillings können die einzelnen Komponenten im Voraus virtuell im Zusammenspiel getestet und überprüft werden, erläutern die Projektierer. Dabei werde auch gleich die Steuerung des Speichers weiterentwickelt, um auch dadurch den Betrieb zu optimieren.
Eine dahinterliegende künstliche Intelligenz verknüpft diese virtuellen Ergebnisse mit den VanillaFlow-Projektdaten. Zudem findet laut Forschungsbericht eine technoökonomische und ökologische Überprüfung statt, um sicherzustellen, dass der Speicher keine Toxizität aufweist und gesetzeskonform ist. Das solle gewährleisten, dass das fertige Produkt ungefährlich für Mensch und Umwelt ist.
Wichtiger Baustein für die Dekarbonisierung des Energiesystems
Sobald ein erster Prototyp dieses durch KI mitdesignten Speichers fertig ist, ist seine Einbindung in das Netz der TU Graz geplant. Als Speicherleistung sind dafür maximal 10 kW vorgesehen, für zukünftige Anwender sei die Leistung aber je nach Bedarf skalierbar.
„Indem wir jetzt auf Basis dieses Speichermediums mit Hilfe von KI einen nachhaltigen Stromspeicher von A bis Z designen, testen und letztendlich auch fertigen, setzen wir den nächsten wichtigen Schritt“, sagt Stefan Spirk. „Wenn wir dann einen Speicher ohne schädliche Materialien, ohne seltene Rohstoffe, aber mit hoher Effizienz und Sicherheit für Mensch und Umwelt entwickelt haben, ist das ein wichtiges Puzzlestück für die weitere Dekarbonisierung des Energiesystems und der Industrie.“
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