Il Grid Storage Launchpad di PNNL offre oggi le soluzioni di stoccaggio dell’energia di domani
In un futuro decarbonizzato ed elettrificato, le batterie di prossima generazione miglioreranno l’affidabilità e la resilienza della rete elettrica, consentendo al tempo stesso una maggiore integrazione delle energie rinnovabili. Queste batterie saranno anche in grado di fornire energia di riserva durante o dopo disastri naturali, come tempeste di ghiaccio, ondate di caldo estremo, uragani e altro ancora.
Una nuova struttura chiamata Grid Storage Launchpad (GSL) verrà aperta nel campus del Pacific Northwest National Laboratory – Richland (PNNL) nel 2024 ed è finanziata dall’Ufficio per l’elettricità del Dipartimento dell’energia (DOE). GSL contribuirà ad accelerare lo sviluppo della futura tecnologia delle batterie con maggiore affidabilità e costi inferiori. La ricerca nella nuova struttura integrerà gli sforzi degli esperti del PNNL dall’altra parte della strada, presso il Centro operativo delle infrastrutture elettriche, dove si stanno svolgendo ricerche per migliorare la resilienza della vasta rete elettrica del paese.
“GSL ci consentirà di portare le nuove tecnologie dallo sviluppo di materiali di base alla sperimentazione di sistemi da 100 kilowatt in condizioni reali”, ha affermato Vince Sprenkle, consulente del PNNL che guida le attività di ricerca sullo stoccaggio dell’energia del PNNL. “Lo stoccaggio dell’energia è necessario per migliorare la resilienza e l’affidabilità in un sistema energetico decarbonizzato, e GSL ci porterà lì”.
I ricercatori del PNNL stanno già testando nuove tecnologie per le batterie, creando modelli per studiare nuovi materiali per uno stoccaggio più efficiente e più duraturo e sviluppando strategie in modo che i nuovi sistemi di stoccaggio dell’energia possano essere implementati in modo sicuro.
Testare e validare la tecnologia delle batterie
Nel Battery Reliability Test Laboratory, lo scienziato dei materiali David Reed guida un team che testa varie tecnologie di batterie che potrebbero essere utilizzate per immagazzinare energia sulla rete. Per lo stoccaggio in rete, le comunità avranno bisogno di batterie di grandi dimensioni in grado di immagazzinare molte ore di energia e che dovranno essere operative per molti anni. Il team di Reed si concentra su tecnologie come le batterie agli ioni di sodio o a flusso e le testa in condizioni realistiche per determinare se soddisfano le esigenze del mondo reale.
“Testiamo ciascuna batteria in diverse condizioni di domanda di energia”, ha affermato Reed. “Dopo aver eseguito i test, entreremo, analizzeremo la batteria e porremo domande del tipo: perché questa batteria si è degradata sotto questo o quel ciclo e cosa possiamo fare per prolungare la durata della batteria?”
Sebbene gli ioni di litio siano i preferiti da molto tempo, i ricercatori del PNNL stanno studiando diversi tipi di materiali, come ioni di sodio, ferro-nichel o acido di piombo, che potrebbero essere ampliati per fornire elettricità in modo economicamente vantaggioso per periodi più lunghi. periodi di tempo per la rete, un concetto noto come accumulo di energia di lunga durata. Testare queste nuove tecnologie aiuta a ottimizzare le prestazioni, che sono fondamentali per la commercializzazione e l’eventuale adozione da parte del pubblico.
Al GSL, i ricercatori saranno in grado di aumentare il numero di test eseguiti e la dimensione delle batterie che possono essere testate. Queste funzionalità ampliate supporteranno direttamente anche il Long Duration Storage Earthshot del DOE, con l’obiettivo di fornire oltre 10 ore di storage al 90% del costo attuale entro il prossimo decennio.
Usare l’intelligenza artificiale e l’apprendimento automatico per far avanzare la tecnologia
Non è solo il numero dei singoli materiali che devono essere testati. In alcuni casi, la struttura di una molecola può influenzarne il comportamento, quindi gli scienziati devono testare anche diverse strutture di molecole per comprenderne l’efficacia come materiali di stoccaggio.
Ad esempio, il PNNL sta studiando una nuova tecnologia per batterie chiamata flusso organico, che impiega molecole organiche disciolte in un elettrolita liquido. Perché una batteria a flusso funzioni, le molecole che mescolano gli elettroni devono essere solubili in modo da potersi dissolvere nel liquido. Ma la solubilità è una caratteristica sfuggente da studiare, ha affermato Wei Wang, scienziato dei materiali presso PNNL. Quindi i ricercatori devono testare molte molecole diverse e la loro solubilità per scoprire quale funzionerebbe meglio in una batteria a flusso.
Inoltre, più molecole organiche possono avere la stessa struttura centrale, ma diversi sottogruppi di atomi attaccati. “Per ogni molecola esistono potenzialmente migliaia di variazioni diverse. Come fai a sapere con chi dovresti lavorare? La portata del problema è astronomica”, ha detto Wang.
Lo studio di ogni molecola e delle sue numerose varianti è costoso e richiede tempo, quindi i ricercatori del PNNL stanno lavorando a una soluzione chiamata batteria gemella digitale, un modello di apprendimento automatico in grado di simulare il comportamento di una batteria in modo che i ricercatori possano collegare versioni digitali delle molecole testare. Con un modello digitale che utilizza l’intelligenza artificiale, gli scienziati possono testare le caratteristiche di una molecola organica mirata (e ciascuna delle sue variazioni) a una velocità accelerata e a costi ridotti. GSL consentirà ai ricercatori di studiare diversi materiali in batterie più grandi, fornendo a Wang e al suo team le montagne di dati necessari per costruire il modello di gemello digitale della batteria.
La sicurezza prima
Con qualsiasi nuova tecnologia, i ricercatori devono anticipare e prepararsi a potenziali rischi per la sicurezza. I grandi sistemi di accumulo di energia che supportano la rete comportano i propri rischi, quindi PNNL sta supportando lo sviluppo di una serie unica di standard di sicurezza per guidare i produttori nella progettazione e installazione di sistemi sicuri. L’edificio GSL, ad esempio, sarà dotato di caratteristiche di sicurezza per garantire la sicurezza dei ricercatori e del laboratorio nel caso in cui un grande sistema di stoccaggio dell’energia dovesse guastarsi.
PNNL si dedica anche alla sicurezza delle comunità che finiscono per utilizzare questa tecnologia.
I sistemi di accumulo dell’energia sono costituiti da “un gruppo di batterie assemblate insieme a un sistema di gestione delle batterie, una sorta di controllo termico come l’aria condizionata, componenti di comunicazione, convertitori che cambiano la corrente da continua a alternata e altro ancora”, ha affermato il consulente del PNNL Matthew Paiss. . Questa complessità offre un livello di sicurezza integrato ma, a causa della stessa complessità, “il rischio di guasto lo rende un incidente potenzialmente più significativo”, ha continuato.
Paiss è un ex pompiere specializzato nella sicurezza dei sistemi di storie energetiche. Viaggia in tutto il paese istruendo i produttori di batterie, i leader delle città e le squadre antincendio su come gestire al meglio le emergenze come gli incendi delle batterie. GSL avrà un ruolo centrale nello sviluppo di corsi sulla sicurezza dello stoccaggio dell’energia rivolti alle parti interessate della comunità locale, come vigili del fuoco, soccorritori e altri operatori di primo soccorso.
“Siamo davvero solo sulla punta dell’iceberg per vedere quali opportunità possiamo offrire. Vogliamo portare le persone a GSL e aiutarle a istruirle su tutti gli aspetti della durata delle batterie, indipendentemente dal fatto che producano batterie o meno”, ha affermato Paiss.
Il futuro dello stoccaggio dell’energia
Alla GSL, ricercatori come Reed e Wang e consulenti per la sicurezza come Paiss saranno in grado di collaborare alla comprensione delle tecnologie emergenti delle batterie per contribuire ad accelerare un futuro decarbonizzato. La nuova struttura aiuterà inoltre a promuovere le collaborazioni con i partner industriali che stanno lavorando sulle sfide legate allo stoccaggio dell’energia a lungo termine.
“Alcuni dei problemi con le batterie non emergono finché non si raggiunge una certa scala, come la scala necessaria per un sistema di accumulo di energia per supportare la rete”, ha detto Sprenkle. “Per risolvere le sfide relative allo stoccaggio dell’energia a lungo termine, dobbiamo mettere tutti gli stakeholder sulla stessa lunghezza d’onda. GSL sarà un punto focale per queste collaborazioni”.
Per gentile concessione del Laboratorio nazionale del Pacifico nordoccidentale (PNNL).
Foto in primo piano di Andrea Starr | Laboratorio nazionale del Pacifico nordoccidentale.
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