Hawk HPC系统帮助科学家提高基于氢的储能

2021年5月26日-可再生能源技术的进步继续使人类更加接近能够使用更清洁，更安全的方法来为我们的生活供电。无论是风力涡轮机还是太阳能电池板，研究人员在使这些能源更加高效方面都取得了长足的进步。

但是，一个主要问题仍然存在，并且不太可能很快消失—人类对风吹或太阳照耀的时间没有任何影响。这意味着，为了在全球范围内使用可再生能源，研究人员还必须设计出有效地存储在“繁荣时期”期间产生的多余能量的方法，以便在可再生能源无法满足需求的时刻有足够的电力存储。

在存储多余能量的有前途的竞争者中，氢是最受欢迎的竞争者。在称为水电解的过程中，科学家可以产生化学反应以破坏水分子的分子键，从而使它们成为氢和氧的组成部分。然后必须将生成的氢分子压缩到存储容器中，在其中可以用作替代来自化石燃料的较脏能源的替代物。

尽管研究人员在确定工业规模电解方法方面取得了一些进展，但仍然有一个主要障碍需要解决—当前，铱是唯一被证明能同时保持足够的活性和稳定性以促进水氧化的催化剂，这是水的关键一步。电解。不幸的是，铱的天然来源在地球表面上已很少见。在没有钻探地球核心或通过流星收集铱的技术的情况下，研究人员必须寻找一种全新的材料或开发金属合金(两种或多种不同金属的混合物，这些金属保留其构成材料中的某些特征)才能将水电解扩大到可以为全球储能需求做出有意义贡献的地步。

最近，柏林弗里茨·哈伯研究所的研究人员在斯图加特高性能计算中心(HLRS)上使用了Hawk高性能计算(HPC)系统来模拟分子水平上电解过程中发生的复杂化学反应。研究小组希望，通过使用尖端的实验技术和世界一流的超级计算机进行仿真，他们可以对使铱如此有效的原因有更深入的了解，从而开发出一种有效的方法来利用氢在全球范围内存储能量。

巴登-符腾堡州科学，研究和艺术部以及德国联邦教育和研究部通过高斯超级计算中心(GCS)为Hawk提供资金。Hawk是GCS国家超级计算基础架构的一部分。

弗里茨·哈伯研究所的科学家，该项目的研究员特拉维斯·琼斯博士说：“关于铱为何如此特别，这确实是一个价值上百万美元的问题。”“有很多想法，其中许多围绕着这样的想法，即反应中不同中间体的吸收能量是理想平衡的。就是说，缺乏深入的了解，因此我们不能只看周期表就说铱能电解，因为它有多少电子。我们很想知道铱的含义，使铱在这种情况下如此有效。”

通过两个不同的镜头查看细粒度的交互

对分子在电解过程中的行为有更基本的了解，既需要世界一流的计算资源，又需要高端的实验设备。科学家需要在原子水平上观察这些化学反应，绘制单个原子的电子路径，同时观察数百个这些原子之间的相互作用。而且，他们希望在各种条件下研究这些现象，这种方法在实验上是不可能的，但是可以使用计算模型来完成。然后，计算科学家与实验人员共享这些模型，从而进一步了解使用聚焦光照明化学反应中原子级行为的光谱实验。

但是，这只是HPC发挥重要作用的第一步。“通过求解薛定er方程来模拟电子是第一步。在这里，我们基本上是通过在实验过程中发现催化剂的原子结构来猜测系统中有什么。“但是，实验无法告诉我们的是，反应机理是如何在原子级上起作用的，而模拟却可以。”

从本质上讲，建模和实验工作的第一阶段使研究人员可以获取催化剂表面水原子的准确，原子级的细节。一旦研究人员确信他们拥有准确的图像，便可以开始第二阶段，这使他们可以对输入进行略微修改，并模拟在不同条件下反应的进行方式。这种快速建模方法使研究人员可以观察到在电压的微小变化或用作催化剂的金属合金成分以及其他输入的影响下，反应如何发生变化。

通过其工作，研究小组确定了一种特殊的合金，即与铌混合的氧化铱(Ir60Nb40Ox)，其性能几乎与纯铱一样稳定，但所需的贵金属减少了40%。尽管该团队知道需要做更多的工作来确定其他可能适合用作电催化剂的材料，但他相信光谱实验和大规模模拟的两管齐下的方法是推动研究前进的理想方法。

今天的超级计算机专注于明天重新构想的能源网格

像他所在领域的许多研究人员一样，琼斯指出，将电解规模扩大到可以在全球范围内发挥作用的程度仍然面临许多挑战。但是，使用清洁氢气旋转发电厂中的涡轮机或开发可以取代基于燃烧的汽车发动机的新型燃料电池的前景使科学家们致力于寻找使过程更高效的方法。

经过广泛的国际努力，Jones及其合作者使用的代码最近被修改为可在混合超级计算体系结构上运行，混合型超级计算体系结构是除传统CPU外还使用图形处理单元(GPU)的计算机。该团队还开始着手扩展其应用程序，以充分利用日益强大的架构，例如GCS在其三个中心提供的架构。

琼斯指出，更快，更大的计算机使团队可以研究更大的分子系统或给定系统的更多排列，但研究人员仍然受限于每次运行中可以模拟的原子数量。下一代系统将帮助解决其中一些计算障碍。但是，与此同时，模拟越来越大的系统将带来一个新问题：他的团队将主要受到系统内存可用性的限制-对于许多研究领域中处于计算科学前沿的研究人员来说，这是日益普遍的挑战。

尽管需要克服更多的技术障碍，该团队仍相信使用HPC加速实验工作将是必不可少的。尽管水电解可能不会立即成为改变世界能源网格的主要方法，但琼斯感到有信心，氢将被证明是电能存储和转换中的游戏规则改变者。不管科学家最终想找到一种更便宜，更容易获得的铱替代品，还是开发出可以少量使用铱的合金，清洁储能的前景都促使该团队继续寻找。

琼斯说：“电解水的分解将电气和化学领域联系在一起，当我们考虑到2050年实现气候中和时，这一联系就变得至关重要。”“不仅我们要担心的是储能;它也是可持续的化学生产。绿氢可以帮助解决这两个问题。”