hILDe

Neuartige, kostengünstige und hochpräzise Indikation der Imbalance sowie des Ladezustands von Vanadium-Redox-Flow-Batterien mittels KI-unterstützter Detektion spezifischer Farben

Das Vorhaben hILDe hat die Erforschung, den Aufbau und die Erprobung einer neuartigen, kostengünstigen und hochpräzisen Indikation des Ladezustands (state-of-charge, SOC) sowie der Imbalance für Vanadium-Redox-Batterien (VRFB) zum Ziel. Unter dem Begriff Imbalance versteht man den Ungleichgewichtszustand der Ladezustände im Anolyten und im Katholyten, welche verursacht werden durch folgende Phänomene:

Luft-Oxidation von V²⁺ im Anolyten
chemische und elektrochemische H₂-Bildung im Anolyten
Permeation von Vanadiumionen und Wasser durch die Zellmembran

Die elektrochemisch aktiven Spezies einer VRFB liegen in Form wässriger Elektrlyte (Katholyt und Anolyt) vor. Diese enthalten Vanadiumionen unterschiedlicher Wertigkeit, Stabilität und Farbe in einer Vielzahl von chemischen Komplexen. Im Betrieb ist die VRFB verschiedenen Alterungsmechanismen unterworfen, welche die Güte des Elektrolyten als Energieträger und somit dessen Kapazität, Zyklenstabilität sowie die Lebensdauer des gesamten VRFB-Systems beeinträchtigen. Zum langzeitstabilen Betrieb einer VRFB ist der Einsatz eines hochpräzisen Sensors / Indikators essentiell, welcher über die Anzeige des aktuellen SOC hinaus auch Informationen zur Imbalance des Elektrolyten liefert. Das Vorhaben beinhaltet die Entwicklung und funktionelle Demonstration eines SOC / Imbalance-Indikators, beruhend auf den Entwicklungen, Ergebnissen und Erkenntnissen der drei Teilsysteme:

KI-Plattform für elektrochemische Prozesse
hILDe-Sensor und
Referenzmesssystem

Die sehr komplizierte Komplexchemie der Vanadiumionen, speziell in Anolyten, überfordert die konventionelle physikochemische Datenauswertung. Deshalb wird im Vorhaben hILDe zur Bestimmung des SOC sowie der Imbalance einer VRFB eine Datenauswertung mittels Künstlicher Intelligenz erfolgen, welche maschinelles Lernen und fallbasiertes Schließen beinhaltet. Der aus dem Vorhaben hILDe resulierende SOC / Imbalance-Indikator soll hochpräzise und kosteneffizient sowie universell in jeder Systemkonfiguration einsetzbar sein. Innerhalb der Laufzeit des Vorhabens wird das entwickelte hILDe-Gesamtsystem in einer realen VRFB unter Alltagsbedingungen eingesetzt und getestet. Zur breiten Verwertung der Ergebnisse werden zwei Workshops mit den Teilnehmern eines „VRFB-Expertengremiums“ durchgeführt. Mitglieder in diesem Expertengremium sind Vertreter aus gewerblichen Unternehmen sowie aus Forschungseinrichtungen.

Ergebnis

Das Forschungsprojekt hILDe wurde am 30.09.2023 erfolgreich abgeschlossen. Das Projektziel, die Entwicklung/Erforschung einer neuartigen, kostengünstigen und hochpräzisen Indikation der Imbalance sowie des Ladezustands (State of Charge, SOC) von Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VRFB) mittels KI-unterstützter Detektion spezifischer Farben wurde erfolgreich umgesetzt. Mit dem hILDe-Sensor wird optisch, durch Auswertung spezifischer Wellenlängen der SOC und die Imbalance von VRFB detektiert. Der Sensor misst dabei den Elektrolyt in beiden Halbzellen (Anolyt und Katolyt) und wertet die Ergebnisse anschließend mit Hilfe eines KI-Algorithmus (Künstliche Intelligenz) aus. Das Projektergebnis der IZES gGmbH war die Entwicklung der Hardware des hILDe-Sensors. Der Projektpartner DFKI hat an der Entwicklung des KI-Algorithmus mithilfe von maschinellem Lernen gearbeitet bzw. daran, die KI mittels Messdatensätzen zu trainieren/optimieren. Neben den vom IZES zur Verfügung gestellten Messdatensätze wurden auch Daten aus einem Referenzmesssystem (RMS) zum Training der KI verwendet. Das RMS wurde von der Universität des Saarlandes entwickelt.

Projektpartner