Minder energie steken in deeltjesversnellers

Deeltjesversnellers zijn echte energievreters: het jaarlijkse energieverbruik van grote installaties kan oplopen tot enkele honderden gigawatturen (GWh). Dit is vergelijkbaar met het verbruik van middelgrote Europese steden. Eerdere benaderingen om het energieverbruik en de koolstofvoetafdruk van deeltjesversnellers te verminderen of duurzamere materialen te gebruiken, waren gericht op specifieke technische kwesties. Het project Research Facility 2.0 (RF 2.0) kiest daarentegen voor een allesomvattende aanpak om het energieverbruik van deeltjesversnellers te verminderen.

Tien Europese projectpartners

Sinds het begin van het jaar werken tien Europese projectpartners, gecoördineerd door het KIT (Karlsruher Institut für Technologie), aan geoptimaliseerde componenten en digitale oplossingen om het energieverbruik van versnellersystemen te verminderen. "We combineren expertise uit de natuurkunde en energietechnologie. Onze visie is om deeltjesversnellers veilig, stabiel en volledig te laten werken op duurzame energie, zo onafhankelijk mogelijk van het openbare elektriciteitsnet en met minder impact op het milieu", zegt professor Giovanni De Carne van het Instituut voor Technische Natuurkunde aan het KIT.
De Carne is de projectcoördinator van RF 2.0 en initieerde het project samen met professor Anke-Susanne Müller, hoofd van het Instituut voor Versnellerfysica en Technologie aan het KIT. Tien partners werken samen aan RF 2.0, waaronder vijf van de grootste deeltjesversnellerfaciliteiten in Europa – ALBA Synchrotron (Spanje), CERN (Frankrijk/Zwitserland), het Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg, het Helmholtz-Zentrum Berlijn en het MAX IV Laboratorium (Zweden) – en gespecialiseerde technologiebedrijven. 

KITTEN

Een centraal element van het project is het KITTEN-testveld (KIT Testfeld für Energieeffizienz und Netzstabilität in großen Forschungsinfrastrukturen) met de KARA-onderzoeksaccelerator en het Energy Lab van het KIT. "Met deze infrastructuur kunnen we energie-efficiëntie en netstabiliteit in grote onderzoeksinfrastructuren realistisch analyseren en testen", zegt De Carne. De analysefase is momenteel aan de gang. "Een van de uitdagingen is dat deeltjesversnellers altijd een zeer hoge, constante en ononderbroken stroomvoorziening nodig hebben en tot nu toe niet flexibel zijn in termen van spanningskwaliteiten. In onze tests proberen we correlaties te begrijpen, mitigatiestrategieën te creëren, dat wil zeggen benaderingen om negatieve effecten te verminderen en kostenanalyses, de CO2-voetafdruk van de apparaten te analyseren en een duurzaamheidsmatrix op te stellen."

Vier gebieden

Hierop voortbouwend staat de ontwikkeling van oplossingen voor energie-efficiëntere technologieën met een beter rendement op de agenda voor de rest van het project. De focus ligt op vier gebieden: nieuwe, zeer efficiënte componenten; het gebruik van digitale oplossingen om bedrijfstijden te optimaliseren, opstart- en uitschakelprocessen te versnellen en het ontwerp en de werking te verbeteren; de integratie van koolstofarme technologieën door het gebruik van hernieuwbare energie en energieopslagsystemen; en meer flexibiliteit in het energieverbruik met behulp van dynamische bewakings- en regelsystemen.

AI en digital twins

In demonstratieprojecten testen en valideren KIT-onderzoekers en projectpartners specifieke benaderingen onder realistische omstandigheden. "We werken bijvoorbeeld aan oplossingen voor hoe we versnellers efficiënter en flexibeler kunnen bedienen met behulp van AI. We ontwikkelen ook een digitale tweeling zodat we nieuwe energietechnologieën in de toekomst sneller kunnen valideren", legt De Carne uit. Een van de projecten zal zich richten op het flexibeler maken van datacenters, zodat gebruik kan worden gemaakt van fluctuerende opbrengsten uit hernieuwbare energiebronnen. Een ander project zal meetsystemen testen die verstoringen in het elektriciteitsnet herkennen en het mogelijk maken om sneller te reageren op fluctuaties.

Niet bepekt tot deeltjesversnellers

"Al dit onderzoekswerk is sterk gericht op overdracht," zegt De Carne. "Het doel van de betrokken technologiebedrijven is om specifieke producten voor praktisch gebruik te ontwikkelen op basis van de oplossingen waar we samen aan werken." De toepassingen beperken zich niet tot deeltjesversnellers in het onderzoek. "Ook andere energie-intensieve gebieden profiteren van onze concepten – van MRI’s in ziekenhuizen en zware industriële installaties in de staal- en cementproductie tot een efficiëntere werking van datacenters."

Volgende mijlpaal

De Carne en zijn team ontwikkelen momenteel een open dashboard voor de onderzoeksversneller in Karlsruhe om de verkregen gegevens en resultaten zo toegankelijk mogelijk te maken voor externe onderzoekers en ontwikkelaars. Zij zullen dan in realtime het energieverbruik en de koolstofvoetafdruk van de versneller kunnen zien, evenals de effecten van de alternatieve oplossingen die worden getest.
De Europese Commissie (Horizon Europe) en het Zwitserse staatssecretariaat voor onderwijs, onderzoek en innovatie financieren het project met in totaal 5,6 miljoen euro over een periode van drie jaar.