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Bildung & Uni, Tech

KI designt Stromspeicher aus Vanille für die TU Graz

Stefan Spirk ©Lunghammer / TU Graz

Erneuerbare Energie. Ein internationales Team rund um die TU Graz entwickelt per KI einen grünen Stromspeicher auf Vanillin-Basis. Forscher Stefan Spirk ist per Startup beteiligt.

Dem Team von Stefan Spirk (Institut für Biobasierte Produkte und Papiertechnik der TU Graz) war es im Jahr 2020 gelungen, Redox-Flow-Batterien umweltfreundlicher zu machen, heißt es an der Uni: Sie hatten die redoxaktiven Elemente der Batterie durch herkömmliches Vanillin ersetzt, womit keine kritischen bzw. umweltschädlichen Rohstoffe mehr benötigt wurden – ein „bahnbrechender Erfolg“, so Spirk. Vanillin ist der natürliche Geschmacksstoff einer Pflanze, der Vanille (wissenschaftlicher Name „Vanilla planifolia“) und ein wichtiger Aromastoff der Nahrungsmittelindustrie.

Ein Aroma speichert Strom

Nun soll die Entdeckung in die Praxis umgesetzt werden: Mit dem neuartigen Speichermedium allein ist es nämlich nicht getan. Mittlerweile arbeite Spirk daran, einen Vanillin-Stromspeicher zu gestalten, der in seiner gesamten Zusammensetzung möglichst nachhaltig und dennoch effizient ist. Als Einsatzgebiete des fertig entwickelten Speichers werden vor allem der industrielle Bereich und die Speicherung von Stromüberschüssen aus erneuerbaren Energien gesehen, so die TU Graz.

Beteiligt an dem Forschungsprojekt mit dem Namen VanillaFlow sind weitere TU-Institute, das im Science Park Graz ansässige Start-up Ecolyte von Spirk sowie weitere Projektpartner (s.u.). Das Projekt werde im Rahmen der EIC Pathfinder Challenge des European Innovation Council gefördert und gehört damit zum EU Horizon Europe Programm für Forschungs- und Innovationsförderung.

Die Optimierung per 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. Dabei werde Künstliche Intelligenz und Machine Learning eingesetzt, um in wesentlich kürzerer Zeit als bisher Vorhersagen für Modelle vielversprechender Vanillin-Verbindungen erstellen zu können, so die TU Graz. Die aussichtsreichsten Modelle sollen im Labor entwickelt und getestet werden, um die ideale Zusammensetzung für die Speicherflüssigkeit zu finden.

Die Stoffe

Bei der Membran und der Elektrode gehe es primär 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 sei eine papierbasierte Membran entstanden, die laufend weiterentwickelt wird. Das Patent dafür wurde bereits angemeldet. Bei der Elektrode setze das Projektteam auf ein Kohlenstoff-Vlies, das durch Komprimierung weniger Widerstand biete und auch weniger Ablagerungen entwickelt. Durch neue Beschichtungen und Behandlungen soll hier eine bessere Leistung erreicht werden.

Um nicht vorab alle Iterationen an Speichermedium, Membran und Elektrode produzieren zu müssen, werde hier ebenfalls auf digitale Unterstützung zurückgegriffen. Mittels eines „digitalen Zwillings“ können die einzelnen Komponenten im Voraus virtuell im Zusammenspiel getestet und überprüft werden. Dabei werde auch die Steuerung des Speichers weiterentwickelt, um auch dadurch den Betrieb zu optimieren.

Eine dahinterliegende KI verknüpfe diese virtuellen Ergebnisse mit den VanillaFlow-Projektdaten. Darüber hinaus finde eine Überprüfung statt, um sicherzustellen, dass der Speicher keine Toxizität aufweist und gesetzeskonform ist. Sobald ein erster Prototyp des neuen Speichers fertig ist, ist seine Einbindung in das Netz der TU Graz geplant. Der Prototyp soll maximal 10 kW liefern, spätere Anlagen dann nach Bedarf.

Das Team

Die Projektleitung von VanillaFlow an der TU Graz hat Ulrich Hirn, Leiter des Instituts für Biobasierte Produkte und Papiertechnik. Zusammen mit der TU Darmstadt unterstütze er das Team von Ecolyte auch dabei, die papierbasierten, protonenleitfähigen Membranen weiterzuentwickeln. Expertise im Bereich Machine Learning kommt von den TU Graz-Informatikern Roman Kern vom Institute of Interactive Systems and Data Science und von Robert Peharz vom Institut für Grundlagen der Informationsverarbeitung.

Die Erforschung nachhaltiger Synthesemethoden von Vanillin-Verbindungen am Institut für molekulare Biotechnologie der TU Graz stehen unter der Leitung von Harald Pichler und das Kohlenstoff-Vlies für die Elektrode entwickeln Ecolyte und die Montanuniversität Leoben weiter. Die technoökonomische und ökologische Überprüfung verantworten ein Team rund um Günter Getzinger, Leiter der Science, Technology and Society Unit der TU Graz, sowie das spanische Unternehmen Biobide.

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