Donald Sadoway: Erneuerbare Energien: Das fehlende Glied

Der Strom für das Licht in diesem Saal wurde erst vor wenigen Momenten erzeugt. Denn nach heutigen Bedingungen müssen beim Strom Nachfrage und Erzeugung stets ausgewogen sein. Wären in der Zeit, in der ich über diese Bühne ging, einige zig Megawatt Windenergie plötzlich nicht mehr ins Netz geflossen, dann hätte die Differenz sofort von anderen Generatoren wettgemacht werden müssen. Aber Kohle- oder Kernkraftwerke können nicht schnell genug reagieren. Eine riesige Batterie könnte das schon. Mit einer riesigen Batterie könnten wir dem Problem der Unterbrechung begegnen, das verhindert, dass Wind- und Solarenergie das Netz heute im gleichen Ausmaß wie Kohle, Gas und Atomkraft speisen.

Die Batterie ist dabei der Schlüsselfaktor. Mit ihr könnten wir selbst dann Solarenergie nutzen, wenn die Sonne nicht scheint. Und das ändert alles. Denn dann spielen erneuerbare Energien wie Wind- und Solarenergie keine Nebenrollen mehr, sondern werden zum Hauptdarsteller. Heute möchte ich Ihnen von so einem Schlüsselfaktor erzählen. Die Flüssigmetallbatterie. Sie speichert Energie auf eine neue Art. Ich habe sie am MIT zusammen mit einigen meiner Studenten und Post-Docs entwickelt.

Der Titel der diesjährigen TED-Konferenz heißt "Volles Spektrum". Der Oxford English Dictionary definiert "Spektrum" als "die gesamte Bandbreite von Wellenlängen von elektromagnetischer Strahlung von den längsten Radiowellen zu den kürzesten Gammastrahlen, wovon die Bandbreite des sichtbaren Lichts nur ein kleiner Teil ist." Heute möchte ich Ihnen nicht nur erzählen, wie mein Team am MIT aus der Natur eine Lösung für eines der größten Probleme der Welt entwickelt hat. Im Sinne eines vollen Spektrums möchte ich Ihnen sagen, wie wir bei der Entwicklung dieser neuen Technologie auf einige überraschende Heterodoxien gestoßen sind, aus denen wir etwas über Innovation und wertvolle Ideen lernen können. Und wissen Sie, wenn wir dieses Land aus seiner derzeiten Energiesituation befreien wollen, dann erreichen wir das nicht mit bloßem Stromsparen, Ölbohrungen, oder Bomben. Wir werden es auf die altmodische amerikanische Art machen, wir werden den Ausweg erfinden, indem wir zusammenarbeiten.

(Applaus)

Fangen wir also an. Die Batterie wurde vor ca. 200 Jahren von einem Professor, Alessandro Volta, an der Universität Padua in Italien erfunden. Dank seiner Erfindung entstand ein neues Wissenschaftsfeld – die Elektrochemie – und neue Technologien wie Galvanik. Ein vielleicht vernachlässigter Aspekt war, dass Voltas Erfindung der Batterie zum ersten Mal auch die Nützlichkeit eines Professors demonstrierte. (Lachen) Vor Volta konnte sich niemand vorstellen, dass ein Professor zu etwas gut sein könne.

Das ist die erste Batterie – ein Stapel Münzen, Zink und Silber, getrennt durch einen, in einer Salzlösung getränkten Karton. Das ist der Ausgangspunkt für die Entwicklung einer Batterie – zwei Elektroden, in diesem Fall verschiedene Metalle, und ein Elektrolyt, in diesem Fall in Wasser gelöstes Salz. So einfach ist die Wissenschaft. Zugegebenermaßen habe ich ein paar Details weggelassen.

Jetzt habe ich Ihnen erklärt, dass die Wissenschaft hiner einer Batterie simpel ist und dass eine Netzspeicherung zwingend erforderlich wäre. Tatsache ist aber, dass es heute einfach keine Batterietechnologie gibt, die in der Lage ist, die Leistungsanforderungen eines Stromnetzes zu erfüllen – und zwar Hochleistung, lange Lebensdauer zu einem supergünstigen Preis. Wir müssen das Problem anders betrachten. Wir müssen in großen Dimensionen denken und billig bleiben.

Geben wir also das Paradigma auf, nach der coolsten Chemie zu suchen, um dann hoffentlich die Kosten senken zu können, indem wir massenweise produzieren. Erfinden wir stattdessen etwas, das zum Kostenpunkt des Strommarktes passt. Das bedeutet also, dass gewisse Bereiche des Periodensystems automatisch ausscheiden. Diese Batterie muss aus Elementen bestehen, die reichlich vorhanden sind. Ich sage, wenn etwas so billig wie Schrott sein soll, macht man es am besten aus Schrott. (Lachen) Und vorzugsweise Schrott, den man vor Ort bekommt. Und dieses Ding müssen wir mit einfachen Techniken und in preiswerten Fabriken herstellen können.

Vor ungefähr 6 Jahren begann ich, darüber nachzudenken. Um einen anderen Blick dafür zu bekommen, suchte ich nach Anregungen aus einem anderen Bereich. Ich sah mir eine Technologie an, die Strom weder speichert noch erzeugt, sondern stattdessen große Mengen Strom verbraucht. Ich spreche von der Aluminiumherstellung. Der Vorgang wurde 1886 erfunden, von ein paar 22-jährigen – Hall in den USA und Heroult in Frankreich. Nur ein paar Jahre nach ihrer Entdeckung hatte Aluminium den Sprung von einem teuren Metall, das soviel kostete wie Silber, zu einem allgegenwärtigen Strukturmaterial vollzogen.

Sie sehen gerade das Gehäuse einer modernen Aluminiumschmelzerei. Es ist ca. 15 m breit und etwa 800 m lang – eine Reihe Zellen nach der anderen, die innen Voltas Batterie ähnlich sehen, aber mit drei wichtigen Unterschieden. Voltas Batterie funktioniert bei Zimmertemperatur. Sie ist mit festen Elektroden und einer Wasser-Salz-Lösung als Elektrolyt ausgestattet. Die Hall-Heroult-Zelle arbeitet bei hoher Temperatur, hoch genug, dass das Aluminiummetallprodukt flüssig ist. Das Elektrolyt ist nicht eine Wasser-Salz-Lösung, sondern eher geschmolzenes Salz. Diese Kombination aus flüssigem Metall, geschmolzenem Salz und hoher Temperatur erlaubt es uns, Hochstrom durchzuschicken. Heute können wir Neumetall aus Erz gewinnen, und ein halbes Kilo kostet weniger als 50 Cent. Das ist das Wirtschaftswunder der modernen Elektrometallurgie.

Genau dieser Aspekt hat mich so fasziniert, dass ich unbedingt eine Batterie erfinden wollte, die diese gigantischen Größenvorteile nutzen könnte. Und das tat ich auch. Ich machte die Batterie flüssig – flüssige Metalle für beide Elektroden und geschmolzenes Salz für als Elektrolyt. Ich zeige Ihnen, wie. Ich brachte ein Flüssigmetall mit geringer Dichte oben an, ein Flüssigmetall mit hoher Dichte unten, und geschmolzenes Salz dazwischen.

Und jetzt, welche Metalle nehme ich? Die Planung beginnt für mich immer hier: mit dem Periodensystem, festgehalten von einem anderen Professor, Dmitri Mendeleyew. Alles um uns herum besteht aus einer Kombination von dem, was Sie hier sehen, inklusive unserer eigenen Körper. Ich erinnere mich genau an den Moment, als ich nach zwei Metallen suchte, die die Auflagen von reichlichem Vorkommen, verschiedener, entgegensetzter Dichte, und hoher gegenseitiger Reaktionsfähigkeit erfüllten. Ich spürte einen Kick, als ich wusste, dass ich die Antwort hatte: Magnesium oben. Und Antimon unten. Ich muss Ihnen sagen, einer, der größten Vorzüge als Professor ist: farbige Kreide.

(Lachen)

Zur Stromerzeugung verliert Magnesium zwei Elektronen wird zu Magnesiumion, wandert durch den Elektrolyt, nimmt zwei Antimon-Elektronen an, und verbindet sich damit zu einer Legierung. Die Elektronen machen sich an die Arbeit in der realen Welt hier und versorgen unsere Geräte mit Strom. Um die Batterie zu laden, schließen wir eine Stromquelle an. Das könnte ein Windpark sein. Dann kehren wir den Strom um. Das zwingt das Magnesium dazu, sich zu lösen, zur oberen Elektrode zurückzukehren und die ursprüngliche Struktur der Batterie wieder herzustellen. Der Strom zwischen den Elektroden erzeugt genug Hitze, um die Temperatur zu halten.

Das ist echt cool, zumindest theoretisch. Aber funktioniert es auch? Was ist nun der nächste Schritt? Wir gehen ins Labor. Beauftrage ich erfahrene Profis? Nein, ich nehme einen Studenten und betreue ihn, zeige ihm, wie er das Problem betrachten und von meiner Perspektive aus sehen soll. Dann lasse ich ihn von der Leine. Das ist der Student, David Bradwell, der sich hier auf diesem Bild zu fragen scheint, ob das Ding je funktionieren wird. Was ich David damals nicht gesagt habe, war, dass ich selber nicht überzeugt war.

Aber David ist jung und clever und er will eine Doktoranden-Stelle, und so baut er – (Lachen) Er baut dann die allererste Flüssigmetallbatterie mit dieser chemischen Zusammensetzung. Aufbauend auf Davids ersten, vielversprechenden Ergebnissen, die mit Startkapital des MIT finanziert wurden, konnte ich größere Forschungsmittel aus dem Privatsektor und von der US-Regierung auftreiben. So konnte ich meine Gruppe auf 20 Leute ausbauen, bestehend aus MA-Studenten, Post-Docs, und sogar einigen BA-Studenten.

Ich konnte richtig gute Leute begeistern, die meine Leidenschaft für Wissenschaft und den Dienst an der Gesellschaft teilten, nicht Wissenschaft und den Dienst an der Karriere. Wenn Sie diese Leute fragen, warum sie an einer Flüssigmetallbatterie arbeiten, dann würden ihre Antworten an Präsident Kennedys Bemerkungen erinnern, als er 1962 die Rice-Universität besuchte. Er sagte – und da genehmige ich mir ein paar Freiheiten – "Wir arbeiten an der Netzspeicherung, nicht weil es leicht ist, sondern weil es schwierig ist."

(Applaus)

Nun zur Entwicklung der Flüssigmetallbatterie. Wir beginnen hier mit unserer 1-Wattstunden-Zelle. Ich nannte sie das Schnapsglas. Wir haben mit über 400 davon gearbeitet und ihre Leistung mit vielen Chemikalien perfektioniert, nicht nur Magnesium und Animon. Nach einiger Zeit sind wir bei der 20-Wattstunden-Zelle angekommen. Die nannte ich den Hockey-Puck. Und wir erzielten die gleichen bemerkenswerten Ergebnisse. Dann kamen wir zur Untertasse. Das sind 200 Wattstunden. Die Technologie erwies sich als robust und vergrößerbar. Aber es ging uns nicht schnell genug. Vor 1,5 Jahren also haben David und ich gemeinsam mit einem weiteren Teammitglied eine Firma gegründet, um unsere Fortschritte zu beschleunigen und schneller ein Produkt herstellen zu können.

Heute bauen wir in der LMBC Zellen mit einem Durchmesser von ca. 40 cm, mit einer Kapazität von 1 Kilowattstunde – das ist das 1000-fache der Kapazität des anfänglichen Schnapsglases. Wir nennen sie die Pizza. Im Moment arbeiten wir an einer 4-Kilowattstunden-Zelle. Sie wird ca. 91 cm Durchmesser haben. Wir nennen sie den Bistro-Tisch. Noch ist sie nicht präsentierbar im Hauptabendprogramm. Bei einer Variante dieser Technologie stapeln wir die Bistro-Tischflächen zu Modulen auf, fassen die Module in einer Riesenbatterie zusammen, die in einen ca. 12 m großen Schiffscontainer passt und in der Praxis getestet werden soll. Sie verfügt über eine Kapazität von 2 Megawattstunden – 2 Mio. Wattstunden. Das ist genug Strom, um den Tagesbedarf von 200 amerikanischen Haushalten zu decken. Hier haben Sie also Netzspeicherung: leise, ohne Emissionen, keine sich bewegenden Teile, ferngesteuert, marktpreisgerecht, ohne Subventionen.

Was haben wir also aus all dem gelernt? (Applaus) Was haben wir also aus all dem gelernt? Ich möchte Ihnen von einigen Überraschungen, den Heterodoxien, erzählen. Sie sind nicht offensichtlich. Temperatur: Nach klassischer Auffassung hält man sie niedrig, bei oder nahe Zimmertemperatur, und installiert dann ein Kontrollsystem, um sie da zu halten. Rapiden Temperaturanstieg soll man vermeiden. Die Flüssigmetallbatterie arbeitet bei hoher Temperatur mit minimaler Regulierung. Unsere Batterie kann den sehr hohen Temperaturanstieg von Stromstößen aushalten. Größenordnung: Nach klassischer Auffassung senkt man die Kosten durch eine hohe Produktionsmenge. Die Flüssigmetallbatterie senkt Kosten, wenn man weniger Stückzahlen produziert, die aber größer sind. Und schließlich das Personal: Nach klassischer Auffassung stellt man Batterieexperten an, erfahrene Profis, die auf ihre große Erfahrung und ihr Wissen zurückgreifen können. Zur Entwicklung einer Flüssigmetallbatterie stellte ich Studenten und Post-Docs an und betreute sie. Bei einer Batterie versuche ich, das elektrische Potential zu maximieren. Bei der Betreuung versuche ich, das menschliche Potential zu maximieren. Sie sehen also bei der Geschichte der Flüssigmetallbatterie geht es nicht nur um eine technologische Erfindung. Sie ist eine Mustervorlage zum Erfinden von Erfindern, mit vollem Spektrum.

(Applaus)