Teilchenbeschleuniger kommen nicht nur in zahlreichen Forschungsfeldern zum Einsatz, sondern auch in industriellen Anwendungen und in der Medizin. Beispiele sind hier etwa die Materialprüfung oder in der Strahlentherapie. Doch der jährliche Energieverbrauch großer Anlagen kann mehrere Hundert Gigawattstunden (GWh) betragen, was in etwa dem Verbrauch mittelgroßer europäischer Städte entspricht. Das Projekt RF 2.0, an dem u.a. das KIT beteiligt ist, tritt an, dies zu ändern und den Energieverbrauch zu reduzieren.
Ziel: Beschleuniger mit erneuerbaren Energien betreiben
„Wir vereinen Fachwissen aus Physik und Energietechnologie. Unsere Vision ist es, Teilchenbeschleuniger sicher, stabil sowie vollständig mit erneuerbarer Energie zu betreiben, möglichst unabhängig vom öffentlichen Stromnetz und mit weniger Auswirkungen auf die Umwelt“, sagt Professor Giovanni De Carne vom Institut für Technische Physik des KIT. De Carne ist Projektkoordinator von RF 2.0 und hat das Projekt zusammen mit Professorin Anke-Susanne Müller, Leiterin des Instituts für Beschleunigerphysik und Technologie des KIT, initiiert.
Realitätsnahe Tests
Ein Element des Projekts ist das Testfeld Kitten (KIT-Testfeld für Energieeffizienz und Netzstabilität in großen Forschungsinfrastrukturen) mit dem Forschungsbeschleuniger Kara und dem Energy Lab am KIT. „Diese Infrastruktur ermöglicht es uns, Energieeffizienz und Netzstabilität in großen Forschungsinfrastrukturen realitätsnah zu untersuchen und zu testen“, sagt De Carne. Aktuell läuft die Analysephase. „Eine Herausforderung ist, dass Teilchenbeschleuniger immer eine sehr hohe, konstante und störungsfreie Leistungsversorgung benötigen und bisher hinsichtlich der Spannungsqualitäten nicht flexibel sind. In unseren Tests versuchen wir Zusammenhänge zu verstehen, erstellen Mitigationsstrategien, also Ansätze, um negative Effekte und Kostenanalysen zu reduzieren, analysieren den CO2-Fußabdruck der Geräte und erstellen eine Nachhaltigkeitsmatrix.“
Darauf aufbauend wollen die Projektpartner im weiteren Verlauf energieeffizientere Technologien mit besserem Wirkungsgrad erarbeiten. Der Fokus liegt auf vier Bereichen: neue, hocheffiziente Komponenten; der Einsatz digitaler Lösungen für optimierte Betriebszeiten, beschleunigte Start- und Abschaltprozesse sowie zur Verbesserung des Designs und Betriebs; die Integration kohlenstoffarmer Technologien durch die Nutzung erneuerbarer Energien und Energiespeichersysteme sowie mehr Flexibilität im Energieverbrauch mithilfe dynamischer Überwachungs- und Kontrollsysteme.
Künstliche Intelligenz und digitale Zwillinge
In Demonstratorprojekten testen und validieren die Forschenden des KIT gemeinsam mit den Projektpartnern konkrete Ansätze unter realistischen Bedingungen. Beispielsweise arbeitet das Team daran, wie Beschleuniger mithilfe von KI effizienter und flexibler betrieben werden können können. „Zudem entwickeln wir einen digitalen Zwilling, um neue Energietechnologien künftig schneller validieren zu können“, erklärt De Carne.
