DEGRAD-EL3-Q – Entwicklung von hybriden Quantum Computing Methoden für die Degradationsmodellierung von alkalischen Elektrolyseuren

In Kürze

Im Rahmen von „DEGRAD-EL3-Q“ untersucht das Fraunhofer IPA den Einsatz von Quantencomputingmethoden zur Lebensdaueranalyse von Elektrolyseuren. Das Projekt ist Teil des Leitprojekts H2Giga mit dem Ziel, den industriellen Herstellungsprozess von Elektrolyseuren voranzutreiben. Im Projekt werden verschiedene Methoden des quantenmaschinellen Lernens untersucht, wobei u.a. quantenneuronale Netze zur Lösung von Differentialgleichungen eingesetzt werden. Weiterhin wird erforscht, wie Quantencomputing zur Simulation chemischer Prozesse im Kontext der Degradation von Elektrolyseuren genutzt werden kann.

Im Detail

Wasserstoff wird einer der Hauptenergieträger für die Energiewende sein. So ist Wasserstoff beispielsweise direkt als Treibstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge einsetzbar. Das chemische Element kann auch als Grundstoff für die Herstellung von synthetischem Treibstoff eingesetzt werden, der für die Bestandsfahrzeugflotte von über 60 Mio. Fahrzeugen in Deutschland nötig ist. Entsprechende Mengen zu erzeugen erfordert Hochleistungselektrolyseure im Gigawattbereich, die dann in einer entsprechend kleineren Leistungsklasse, direkt bei Tankstellen den benötigten Wasserstoff bereitstellen. Allerdings müssen die Elektrolyseure über eine lange Lebensdauer verfügen, um wirtschaftlich zu sein.

Im Rahmen des „DEGRAD-EL3-Q“ Projekts baut das Quantencomputing-Team des Fraunhofer IPA auf der Expertise aus verschiedenen Quantencomputingprojekten auf, in denen unter anderem auch der „IBM Q System One Quantencomputer“ zum Einsatz kommt, der in einem Rechenzentrum von IBM Deutschland in Ehningen (bei Stuttgart) installiert ist.

Einerseits soll im DEGRAD-EL3-Q Projekt der Nutzen von Quantencomputern bzgl. Technologie, Anwendungsszenarien sowie Algorithmen rund um die Degradation von Elektrolyseuren erforscht werden. Andererseits dient die Arbeit mit dem Quantencomputer dem Kompetenzaufbau und dem Steigern von Wettbewerbsvorteilen für Wirtschaft und Wissenschaft. Insbesondere hierfür konzentriert sich das Quantencomputing-Team des Fraunhofer IPA ebenso auf methodische Entwicklungsarbeiten um existierende Algorithmen, die in den Bereichen des quantenmaschinellen Lernens und der Quantensimulation zum Einsatz kommen, zu verbessern. Vor allem im Anwendungsfeld der Quantensimulationen, d.h. der Berechnung atomarer und/oder molekularer Eigenschaften, versprechen Quantencomputer perspektivisch einen erheblichen Vorteil gegenüber klassischen Computern. Dies lässt sich bereits rein intuitiv verstehen, führt man sich die Tatsache vor Augen, dass Quantencomputer selbst Quantensysteme sind und somit inhärent die zugrundeliegende Physik der Quantenmechanik abbilden.

Im Projekt DEGRAD-EL3-Q untersucht das Fraunhofer IPA inwieweit Degradationsanalysen von Elektrolyseuren durch Quantencomputing-Methoden sinnvoll ergänzt werden können und inwiefern Quantencomputer nennenswerte Vorteile gegenüber klassischen Computertechnologien bieten. Dabei stützt sich die Forschungsarbeit auf drei thematische Säulen. Ein wichtiger Aspekt ist hierbei die Modellbildung und die Lebensdaueranalyse durch fortgeschrittene Methoden des maschinellen Lernens. Die Quantencomputing-Aktivitäten fokussieren sich auf die Bereiche des quantenmaschinellen Lernens und der Quantensimulationen, wobei der Blick auch stets auf die methodische Entwicklungsarbeit gerichtet wird. Die für die Modellbildung benötigten Lebensdauertestdaten werden von den Projektpartnern generiert und zur Verfügung gestellt.