Projekti / Programi
Napovedovanje stanja iztrošenosti elektrokemičnih energetskih sistemov
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.06.03 |
Tehnika |
Sistemi in kibernetika |
Postopki in orodja za načrtovanje in izvedbo sistemov vodenja |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T125 |
Tehnološke vede |
Avtomatizacija, robotika, nadzorno inženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.02 |
Tehniške in tehnološke vede |
Elektrotehnika, elektronika in informacijski inženiring |
Litijeve baterije, PEM Gorivne celice, Sprotno ocenjevanje in napovedovanje stanja, Obdelava signalov, Vgrajene sisteme
Raziskovalci (16)
Organizacije (3)
Povzetek
Elektrokemijski energijski sistem (EES) je skupen termin za naprave, ki shranjujejo (baterije) in pretvarjajo energijo (gorivne celice, elektrolizerji). EES so vseprisotni na področjih, kot so čista in učinkovita raba energije, električna prevozna sredstva, pametne hiše, in številna področja vsakodnevnega življenja. Mnogo raziskovalnega napora je bilo vloženega v razvoj novih materialov in procesov, z namenom doseganja višje kapacitete shranjevanja, povečane učinkovitosti pretvorbe, zanesljivosti in trajnosti EES. Kljub napredku procesi degradacije močno vplivajo na varnost uporabe EES in zmanjšujejo njihovo skupno učinkovitost.
Za zanesljivo uporabo EES je potrebno razviti natančne in računsko učinkovite metode za sprotno sprejemanje in napovedovanje stanja (angl. prognostics and health management - PHM). Takšne metode dajejo informacije o trenutnem stanju in hitrosti degradacije sistema. Na področju EES je za to uveljavljena terminologija stanje iztrošenosti (State-Of-Health – SOH) in preostala življenjska doba (Remaining Useful Life – RUL). Le-ti predstavljajo jedro t.i. sistemov PHM, ki skrbijo za zajem podatkov in izvajanje metod PHM. Sistemi PHM končnemu uporabniku ali sistemu vodenja priskrbijo potrebne informacije za sprejemanje ustreznih odločitev za omiljevanje vpliva degradacije. Cilj projekta PROG-EES je razvoj metod PHM za litijeve baterije in PEM gorivne celice. Kljub temu, da baterije in gorivne celice spadajo v dve različni skupini EES, sta si s stališča obdelave podatkov podobni in opravičuje skupno obravnavo znotraj istega projekta.
Dve glavni težavi omejujeta učinkovitost sodobnih sistemov PHM. Prva težava je uporaba suboptimalnih metod za obdelavo signalov in poenostavljenih modelov. Kljub obstoju natančnih elektrokemijskih modelov, je njihova uporaba za sprotni PHM omejena predvsem zaradi njihove kompleksnosti. Drugič, razpoložljiva strojna oprema je bodisi omejena ali pa namenjena izključno laboratorijski uporabi. V laboratorijskem okolju se postopki PHM izvajajo v namenskih diagnostičnih ciklih, ki vplivajo na normalno delovanje EES, kar je nesprejemljivo za naprave delujoče v realnem okolju.
Rešitev zgoraj navedenih pomanjkljivosti zahteva izboljšave v naslednjih segmentih:
Namenski stohastični vzbujalni signali z metodami za obdelavo signalov. Takšna kombinacija bo omogočila časovno učinkovito karakterizacijo EES tudi v nizkofrekvenčnem pasu. Ta informacija pa se neposredno navezuje na SOH.
Tehnike zlivanja informacij za pridobitev enotne ocene SOH. Zlivanje informacij z upoštevanjem nelinearnosti EES bo omogočilo zadostno robustnost postopka na spremembe delovne točke sistema.
Statističnih modeli degradacije. Inovativni statistični modeli degradacije bodo zasnovani na trenutno dostopnih elektrokemijskih modelih. Takšni statistični modeli bodo zagotovili poenostavljen, a vendar dovolj točen okvir za sprotno izvajanje PHM.
Strojna izvedba. Zasnova sistema PHM kot del močnostne pretvorniške stopnje bo omogočila preprosto implementacijo sprotnih metod PHM pri čemer bo izločen vpliv izvajanja samih metod na delovanje EES.
Končni rezultat projekta PROG-EES bo cenovno učinkovit vgrajeni sistem PHM za sisteme EES.
Izvedljivost projekta PROG-EES je zagotovljena z interdisciplinarno naravo projektne skupine, ki jo sestavljajo vodilni strokovnjaki na področjih modeliranja, statistike, razvoja metod PHM in elektronike.
Pričakovani vplivi projekta PROG-EES so dalekosežne. Predlagani sistem PHM bo uporaben skozi celotni življenjski cikel sistemov EES. Metodološki napredki bodo omogočili razvoj novih sistemov za ocenjevanje SOH, ki bodo potrebni pri reciklažnih postopkih nove generacije. Poleg očitnih pozitivnih okoljskih vplivov bo sofinancer projekta, INEA d.o.o., med prvimi podjetji, ki bodo ponujale storitve na področju pametne obnove in ponovne uporabe sistemov EES. Po ocenah naj bi ta trg do leta 2035 dosegel vrednost 3 milijarde evrov letno.
Pomen za razvoj znanosti
Kljub temu, da je projekt osredotočen na aplikativno raziskavo, je predvideno precejšnje prizadevanje na bazičnem raziskovanju. Glede na naše dosedanje raziskovalne dosežke smo prepričani, da lahko pričakujemo nov napredek v sledečih segmentih:
novi algoritmi za hitro karakterizacijo EES v nizkofrekvenčnem pasu, ki temeljijo na specifičnih vzbujalnih signalih in metodah za procesiranje signalov; informacija teh naj bi po pričakovanjih zagotovila neposredno povezavo do SOH.
izboljšani algoritmi za ocenjevanje RUL, ki se jih da uporabiti pri delovanju EES pri spremenljivih pogojih delovanja. Pridobljeno znanje pri razvoju statističnih modelov degradacije naj bi pomembno prispevalo k točnosti ocen RUL.
eksperimentalna potrditev veljavnosti uporabljenih metod je pomembna tudi za širši krog ljudi, ki se ukvarjajo z raziskavami in razvojem v industriji.
obširen nabor javno dostopnih podatkov o testiranju naprav od začetka do njihove odpovedi bo omogočal raziskovalcem, da ocenijo svoje lastne algoritme in tako omogočijo nadaljnji razvoj področja ocenjevanja SOH in RUL za EES.
Pomen za razvoj Slovenije
Rezultati projekta bodo imeli pozitiven učinek v dveh različnih segmentih uporabe EES. V prvem so prednosti ocenjevanja EES z SOH v realnem času, ki so aktivno v uporabi. V drugem so možnosti optimiranja reciklirnih procesov za izvržene ali izrabljene EES.
Za EES se pričakuje, da bodo postajali vse bolj prisotni, še zlasti na avtomobilskem trgu in na trgu pomožnih agregatov. Projekt je v skladu z raziskovalnimi in razvojnimi direktivami Evropske Unije in Strategije pametne specializacije RS na področju »Učinkovita raba in pretvorba energije, ter energijsko učinkoviti sistemi«. Predlagana platforma PHM bo izboljšala portfelj storitev in izdelkov vsaj 45 podjetij, ki zaposlujejo več kot 14,300 ljudi in letno ustvarijo 2,3 milijarde evrov prihodkov. Vpliv rezultatov PROG-EES-a je v prvi vrsti optimalna strategija vzdrževanja. Točni oceni SOH in RUL lahko v veliki meri prispevata k znižanju lastniških stroškov in k minimiziranju tveganj nepredvidenih prekinitev delovanja ali okvar.
Drugi segment uporabe EES je še bolj privlačen. Nedavno poročilo Mineta National Transit Research Consortium ocenjuje, da bo do leta 2035 med 1,3 in 6,7 milijona izrabljenih hibridnih in električnih vozil v ZDA. Takšna količina opravičuje programe za komercialno recikliranje in ponovno uporabo. Poročilo navaja, da enostavna ponovna uporaba materialov, ki je sedaj glavna strategija recikliranja, ne bo finančno vzdržna. Optimalna rešitev bi bila obnovitev EES za različne namene uporabe ali predelava za ponovno uporabo v manj zahtevnih aplikacijah. Sedanji, aktivni, močnostni EES so razmeroma novi in ne predstavljajo velikega dotoka v reciklirno industrijo. Posledično ne obstaja recikliranje, ki bi sprejelo strategijo prenavljanja in predelave.
INEA d.o.o., ki sofinancira projekt, bo z razvitim sistemom PHM med prvimi, ki bo razvijala naprave potrebne za proces prenavljanja in predelave EES. Podjetje bo tako lovilo tržno nišo, ki je sedaj v začetni fazi, in sega izven meja Slovenije na globalni trg. Glede na napovedi Navigant-a bo posel z "drugoživljenjskimi" EES na globalni ravni ustvarjal 3 milijarde USD prihodka letno do 2035. Postati eden izmed prvih na trgu, ki ponuja učinkovito rešitev za nov vidik recikliranja EES, predstavlja veliko tržno prednost.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo
