Donald Sadoway: El eslabón perdido de la energía renovable

La electricidad que alimenta las luces en este teatro ha sido generada hace unos momentos. Porque como están las cosas hoy en día, la demanda de electricidad debe estar en constante equilibrio con la oferta. Si mientras caminaba hacia el escenario, algunas decenas de megavatios de energía eólica dejaban de fluir en la red, la diferencia tendría que haber sido compensada inmediatamente por otros generadores. Pero las plantas de carbón y las centrales nucleares no pueden responder con suficiente rapidez. Una batería gigante podría hacerlo. Con una batería gigante seríamos capaces de hacer frente al problema de intermitencia que impide a la energía eólica y solar contribuir a la red del mismo modo que hacen hoy el carbón, el gas y la energía nuclear.

Vean, la batería es el dispositivo clave que permitiría hacerlo. Con ella podríamos extraer electricidad del sol, incluso cuando no brilla. Y esto cambia todo. Porque entonces las energías renovables como la eólica y la solar salen tras bambalinas, aquí al centro del escenario. Hoy quiero hablarles de un dispositivo similar. Se llama batería de metal líquido. Es una nueva forma de almacenamiento de energía que inventé en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) junto con un equipo de mis estudiantes y post-docs (postdoctorales).

El tema de TED de este año es Full Spectrum (amplio espectro). El Diccionario Inglés Oxford define espectro como: "Toda la gama de longitudes de onda de la radiación electromagnética, desde las ondas de radio más largas a los rayos gamma más cortos, de los cuales el rango de luz visible es solo una pequeña parte". No estoy aquí solo para contarles cómo mi equipo en el MIT ha extraído de la naturaleza una solución a uno de los problemas más grandes del mundo. Quiero recorrer el amplio espectro y contarles cómo, en el proceso de desarrollo de esta nueva tecnología, hemos descubierto algunas heterodoxias sorprendentes que pueden servir como lección para la innovación, ideas que vale la pena difundir. Y saben, si queremos sacar al país de la situación energética actual, la salida no pueden ser los mismos procedimientos; no podemos solo excavar; no podemos solo bombardear. Vamos a hacerlo a la antigua manera americana, vamos a inventar nuestra salida trabajando juntos.

(Aplausos)

Bien, comencemos. La batería fue inventada hace unos 200 años por un profesor, Alessandro Volta, en la Universidad de Padua, en Italia. Su invento dio origen a un nuevo campo de la ciencia, la electroquímica, y a nuevas tecnologías como la galvanoplastia. Tal vez pasó por alto, pero la invención de la batería de Volta, también demostró por primera vez la utilidad de un profesor. (Risas) Hasta Volta, parecía impensable que un profesor pudiera servir de algo.

Aquí está la primera batería: una pila de monedas, zinc y plata, separados por cartón salmuerizado. Este es el punto de partida para el diseño de una batería: dos electrodos, en este caso metales de diferente composición, y un electrolito, en este caso sal disuelta en agua. La ciencia es así de simple. Claro que he dejado fuera algunos detalles.

Ahora les he enseñado que la ciencia de la batería es sencilla y la necesidad de almacenar energía en red es urgente, pero el hecho es que hoy simplemente no hay tecnología de las baterías capaz de satisfacer la demanda de rendimiento que requiere la red; es decir, potencia extraordinariamente alta, larga vida útil y bajísimo costo. Tenemos que pensar el problema de manera diferente. Tenemos que pensar en grande, tenemos que pensar barato.

Abandonemos el paradigma de la búsqueda de la mejor química con la esperanza de reducir la curva de los costos haciendo solo montones y montones de productos. En su lugar, inventemos el punto de precio del mercado de la electricidad. Eso quiere decir que ciertas partes de la tabla periódica están axiomáticamente fuera de los límites. Esta batería debe hacerse con elementos abundantes en la tierra. Yo digo, si quieren hacer algo muy barato, háganlo con la basura, (Risas) preferiblemente basura de origen local. Y tenemos que ser capaces de construir esta cosa utilizando técnicas sencillas de producción y fábricas que no nos cuesten una fortuna.

Así que, hace unos seis años, empecé a pensar en este problema. Y para adoptar una nueva perspectiva, busqué inspiración más allá del campo del almacenamiento de electricidad. De hecho, miré hacia una tecnología que no almacena ni produce electricidad, sino que en cambio, consume en grandes cantidades. Estoy hablando de la producción de aluminio. El proceso fue inventado en 1886 por dos jóvenes de 22 años: Hall en los Estados Unidos y Héroult en Francia. Y solo unos pocos años después de su descubrimiento, el aluminio pasó de un metal precioso costoso como la plata a ser un material estructural común.

Están viendo la casa de las celdas de una ferrería de aluminio moderna. Tiene unos 15 metros de ancho y aproximadamente un kilómetro de largo; hileras e hileras de celdas que, por dentro, se asemejan a la batería de Volta, con tres diferencias importantes. La batería de Volta funciona a temperatura ambiente. Está dotada de electrodos sólidos y un electrolito que es una solución de agua y sal. La celda de Hall-Heroult funciona a alta temperatura, suficientemente alta para mantener el aluminio líquido. El electrolito no es una solución de agua y sal, sino más bien de sal fundida. Es esta combinación de metal líquido, sal fundida y alta temperatura que nos permite enviar corriente elevada a través de esta cosa. Hoy en día, podemos producir metal virgen del mineral por menos de 1 USD el kilo. Ese es el milagro económico de la electrometalurgia moderna.

Esto es lo que llamó mi atención a tal punto que me obsesioné con la invención de una batería capaz de capturar esta economía de escala enorme. Y lo hice. Hice una batería completamente líquida: metales líquidos para ambos electrodos y una sal fundida para el electrolito. Les mostraré cómo. Puse metal líquido de baja densidad en la parte superior, un metal líquido de alta densidad en la parte inferior, y sal fundida en el medio.

Y ahora, ¿cómo elegir los metales? Para mí, el ejercicio de diseño siempre comienza aquí con la tabla periódica, formulada por otro profesor, Dmitri Mendeleyev. Todo lo que conocemos está constituido por una combinación de lo que ven representado aquí. Y eso incluye a nuestros propios cuerpos. Recuerdo el día en que estaba buscando un par de metales que pudieran adaptarse a las limitaciones de profusión en la tierra, a densidad diferente y opuesta y a reactividad recíproca alta. Sentí una emoción increíble cuando supe que había hallado la respuesta. Magnesio para la capa superior. Y antimonio para la capa inferior. Saben, tengo que decírselos, uno de los mayores beneficios de ser un profesor: tizas de colores.

(Risas)

Así que para producir corriente, el magnesio pierde dos electrones para convertirse en iones de magnesio que luego migra a través del electrolito, acepta dos electrones del antimonio, y luego se mezcla con éste para formar una aleación. Los electrones van a trabajar en el mundo real aquí, alimentando nuestros aparatos. Ahora, para cargar la batería, conectamos una fuente de electricidad. Podría ser algo como un parque eólico. Y luego invertimos la corriente. Esto obliga al magnesio a separarse y regresar al electrodo superior, restaurando la constitución inicial de la batería. Y la corriente que pasa entre los electrodos genera suficiente calor para mantener la temperatura constante.

Es genial, al menos en teoría. Pero, ¿realmente funciona? Entonces, ¿qué se hace después? Vamos al laboratorio. Ahora, ¿puedo contratar profesionales con experiencia? No, contrato a un estudiante y lo preparo, le enseño cómo pensar el problema para verlo desde mi punto de vista y luego lo dejo libre. Este es el estudiante, David Bradwell, que en esta imagen parece estar preguntándose si esto algún día funcionará. Lo que no le dije al momento fue que ni yo mismo estaba convencido que funcionaría.

Pero David es joven, inteligente y quiere un doctorado, y sigue construyendo... (Risas) Sigue construyendo la primera batería de metal líquido de esta química. Y basado en los primeros resultados prometedores de David, pagados con el capital semilla del MIT, logré conseguir mayor financiamiento para investigación de parte del sector privado y del gobierno federal. Y eso me permitió ampliar mi grupo a 20 personas, una mezcla de egresados, post-docs e incluso algunos estudiantes universitarios.

Logré reunir gente realmente buena, personas que comparten mi pasión por la ciencia y el servicio a la sociedad y no ciencia y servicio para hacer carrera. Y si preguntan a estas personas por qué trabajan en la batería de metal líquido, su respuesta se remonta a las declaraciones del presidente Kennedy hechas en la Universidad Rice en 1962, cuando dijo –y aquí me estoy tomando la libertad– "Elegimos trabajar en el almacenamiento de energía en red, no porque sea fácil, sino porque es difícil".

(Aplausos)

Esta es la evolución de la batería de metal líquido. Empezamos aquí con nuestro caballo de batalla: la celda de un vatio-hora. Yo la llamo copita. Hemos construido más de 400, perfeccionando su rendimiento con una serie de composiciones químicas; no solo magnesio y antimonio. En el proceso pasamos a la celda de 20 vatios-hora. Yo la llamo disco de hockey. Y conseguimos los mismos notables resultados. Y luego estaba en el platillo. Esa es de 200 vatios-hora. La tecnología estaba demostrando ser sólida y escalable. Pero el ritmo no era suficientemente rápido para nosotros. Así que hace un año y medio, David y yo, junto con otro miembro del personal de investigación, formamos una compañía para acelerar el ritmo de los avances y la carrera para la fabricación del producto.

Hoy en la LMBC, estamos construyendo celdas de 41 cm de diámetro con una capacidad de un kilovatio-hora; 1.000 veces la capacidad de la celda copita inicial. La llamamos pizza. Y ya está en desarrollo una celda de cuatro kilovatios-hora que tendrá un diámetro de 60 centímetros. A esa la llamamos mesa de bistro, pero todavía no está lista para ser mostrada. Y una variante de la tecnología nos permite apilar estas mesas de bistro en módulos, que se agregan en una batería gigante que encaja en un contenedor de 12 metros para la colocación en el campo. Y esta tiene una capacidad nominal de 2 megavatios-hora: dos millones de vatios-hora. Energía suficiente para satisfacer las necesidades de electricidad diarias de 200 hogares estadounidenses. Aquí está, el acumulador de energía de red: silencioso, libre de emisiones, sin piezas móviles, a control remoto, diseñado para un precio de mercado sin subsidio.

Entonces, ¿qué hemos aprendido de todo esto? (Aplausos) ¿Qué hemos aprendido de todo esto? Permítanme compartir con ustedes algunas sorpresas, las ideas no convencionales. No se ven a simple vista. Temperatura: la sabiduría popular sugiere mantenerla baja -a temperatura ambiente o casi- y luego instalar un sistema de control para mantenerla constante. Evitar escapes térmicos. La batería de metal líquido está diseñada para funcionar a temperatura elevada con una regulación mínima. Nuestra batería es capaz de responder a temperaturas muy altas que originan los picos de corriente. Proporción: la sabiduría popular sugiere producir muchas para reducir los costos. La batería de metal líquido está diseñada para reducir el costo produciendo pocas, pero serán más grandes. Y finalmente, los recursos humanos: La sabiduría popular sugiere contratar a expertos de la batería, profesionales avezados, que puedan aprovechar su enorme experiencia y conocimiento. Para desarrollar la batería de metal líquido, contraté estudiantes y post-docs y los instruí. En una batería, me esfuerzo por maximizar el potencial eléctrico; cuando instruyo, me esfuerzo por maximizar el potencial humano. Como pueden ver, la historia de la batería de metal líquido más que un relato sobre la invención de una tecnología, es un proyecto para crear inventores, de amplio espectro.

(Aplausos)