Une équipe de spécialistes des matériaux et d'informaticiens des Sandia National Laboratories, avec quelques collaborateurs internationaux, a passé plus d'un an à créer 12 nouveaux alliages – et à en modéliser des centaines d'autres. Des alliages qui démontrent comment l'apprentissage automatique peut contribuer à accélérer l'avenir de l'énergie hydrogène. Un apprentissage qui facilitant notamment la création d'une infrastructure hydrogène pour les consommateurs.
Vitalie Stavila, Mark Allendorf, Matthew Witman et Sapan Agarwal font partie de l'équipe de Sandia qui a publié un article détaillant son approche.
« Il existe une riche histoire dans la recherche sur le stockage de l'hydrogène et une base de données de valeurs thermodynamiques. Une base qui décrit les interactions de l'hydrogène avec différents matériaux », a déclaré Witman.
« Avec cette base de données existante, un assortiment d'outils de machine learning, nous avons réuni un groupe de collaboration international pour unir nos forces dans cet effort. Nous avons démontré que les techniques de machine learning peuvent effectivement modéliser la physique et la chimie des phénomènes complexes. Phénomènes qui se produisent lorsque l'hydrogène interagit avec les métaux. »
Le fait de disposer d'une capacité de modélisation axée sur les données pour prédire les propriétés thermodynamiques peut accélérer rapidement la recherche. En fait, une fois construits et entraînés, ces modèles de machine learning ne prennent que quelques secondes à exécuter. Ils peuvent donc rapidement cribler de nouveaux espaces chimiques. Dans ce cas, 600 matériaux qui s'avèrent prometteurs pour le stockage et la transmission de l'hydrogène.
« Ce travail a été accompli en 18 mois seulement », a déclaré M. Allendorf. « Sans l'apprentissage automatique, cela aurait pu prendre plusieurs années. C'est énorme quand on sait qu'historiquement, il faut quelque chose comme 20 ans pour faire passer un matériau de la découverte en laboratoire à la commercialisation. »
Un potentiel pour changer le stockage de l'énergie de l'hydrogène
L'équipe a également découvert autre chose dans ses travaux. Des résultats qui ont des implications spectaculaires pour la production d'hydrogène à petite échelle. Une production notamment utile dans les stations de remplissage de piles à hydrogène.
« Ces hydrures d'alliage à forte entropie pourraient permettre une compression naturelle en cascade de l'hydrogène à mesure qu'il se déplace à travers les différents matériaux », a déclaré Stavila. Il ajoute que la compression de l'hydrogène se fait traditionnellement par un processus mécanique.
Il décrit la construction d'un réservoir de stockage avec plusieurs couches de ces différents alliages. Lorsque l'hydrogène est pompé dans le réservoir, la première couche comprime le gaz qui traverse le matériau. La deuxième couche le comprime encore plus et ainsi de suite à travers toutes les couches d'alliages différents. Ce qui rend naturellement l'hydrogène utilisable dans les moteurs qui produisent de l'électricité.
L'hydrogène produit dans des conditions atmosphériques au niveau de la mer a une pression d'environ 1 bar. Pour que l'hydrogène puisse alimenter un véhicule à partir d'une pile à combustible, il doit être pressurisé à une pression beaucoup plus élevée. Par exemple, l'hydrogène d'une station de recharge de piles à combustible doit avoir une pression de 800 bars ou plus. C'est uniquement ainsi qu'il pourra être distribué sous forme d'hydrogène à 700 bars dans les véhicules à piles à combustible.
Au fur et à mesure que l'hydrogène se déplace à travers ces couches, il devient de plus en plus pressurisé. Vous pourriez théoriquement pomper 1 bar d'hydrogène et obtenir 800 bars. C'est la pression nécessaire pour les stations de recharge d'hydrogène.
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