Donald Sadoway : le chaînon manquant de l'énergie renouvelable

L'électricité qui alimente les lumières de ce théâtre a été générée il y a à peine quelques instants. Parce que telles que les choses sont aujourd'hui, la demande d'électricité doit être en équilibre constant avec l'approvisionnement en électricité. Si dans le temps qu'il m'a fallu pour venir sur cette scène, quelques dizaines de mégawatts d'énergie éolienne arrêtaient de se déverser dans le réseau, la différence devrait être compensée immédiatement par d'autres générateurs. Mais les centrales au charbon, les centrales nucléaires ne peuvent pas répondre assez vite. Une batterie géante le pourrait. Avec une batterie géante, nous serions en mesure de résoudre le problème de l'intermittence qui empêche le vent et l'énergie solaire de contribuer au réseau de la même manière que le charbon, le gaz et le nucléaire aujourd'hui.

Vous voyez, la batterie est l'appareil activateur clé ici. Avec elle, nous pourrions tirer de l'électricité du soleil même quand le soleil ne brille pas. Et cela change tout. Parce qu'alors les énergies renouvelables, comme l'énergie éolienne et solaire sortent des ailes, pour venir ici au centre de la scène. Aujourd'hui, je veux vous parler d'un tel appareil. C'est ce qu'on appelle la batterie métal liquide. C'est une nouvelle forme de stockage de l'énergie que j'ai inventé au MIT avec une équipe de mes étudiants et post-doctorants.

Le thème de TED cette année est Full Spectrum, [tout le spectre]. Le Dictionnaire Oxford définit spectre comme «L'ensemble des longueurs d'onde d'un rayonnement électromagnétique, depuis les ondes radio les plus longues aux rayons gamma les plus courts dont la plage de lumière visible n'est qu'une petite partie. » Donc, je ne suis pas ici aujourd'hui que pour vous dire comment mon équipe au MIT a tiré de la nature une solution à l'un des grands problèmes du monde. Je veux parcourir tout le spectre et vous dire comment, dans le processus de développement de cette nouvelle technologie, nous avons découvert quelques hétérodoxies surprenantes qui peuvent servir de leçons pour l'innovation, des idées qui méritent d'être partagées. Et vous le savez, si nous devons sortir ce pays de sa situation énergétique actuelle, nous ne pouvons pas nous en sortir sans changement ; nous ne pouvons pas nous en sortir en forant ; nous ne pouvons pas nous en sortir à coups de bombes. Nous allons le faire à la bonne vielle manière américaine, nous allons nous en sortir en inventant, en travaillant ensemble.

(Applaudissements)

Maintenant, commençons. La batterie a été inventée il y a 200 ans par un professeur, Alessandro Volta, à l'Université de Padoue en Italie. Son invention a donné naissance à un nouveau domaine scientifique, l'électrochimie, et les nouvelles technologies telles que la galvanoplastie. Peut-être négligée, l'invention de la pile par Volta pour la première fois a aussi démontré l'utilité d'un professeur. (Rires) Jusqu'à Volta, personne ne pouvait imaginer qu'un professeur pouvait être d'une utilité quelconque.

Voici la première batterie - une pile de pièces de monnaie, de zinc et d'argent, séparées par du carton trempé dans de la saumure. C'est le point de départ pour la conception d'une batterie - deux électrodes, dans le cas présent des métaux de composition différente, et un électrolyte, dans le cas présent le sel dissous dans l'eau. La science est aussi simple que cela. Certes, j'ai laissé de côté quelques détails.

Maintenant, je vous ai enseigné que la science de la batterie est simple et la nécessité de stockage au niveau du réseau est convaincante, mais le fait est qu'aujourd'hui, il n'y a tout simplement pas de technologie des batteries capable de répondre aux exigences de performance du réseau - à savoir une énergie anormalement élevée, une durée de vie longue et un coût ultra-faible. Nous devons réfléchir au problème différemment. Nous devons penser grand, nous devons penser bon marché.

Donc, abandonnons l'idée de chercher la chimie la plus cool et puis d'espérer faire baisser les coûts en faisant simplement des tas et des tas de produits. Au lieu de cela, inventons au niveau de prix du marché de l'électricité. Cela signifie donc que certaines parties de la table périodique sont axiomatiquement hors-limites. Cette batterie doit être faite à partir d'éléments abondants sur terre. Je dis que si vous voulez faire quelque chose de vraiment pas cher, prenez de la terre pour le faire -- (Rires) de préférence de la poussière qui est d'origine locale. Et nous devons être en mesure de construire ce truc en utilisant des techniques de fabrication simples et des usines qui ne nous coûtent pas une fortune.

Donc, il y a environ six ans, j'ai commencé à réfléchir à ce problème. Et afin d'adopter une nouvelle perspective, j'ai cherché l'inspiration au-delà du domaine du stockage de l'électricité. En fait, je me suis tourné vers une technologie qui ne stocke pas et ne génère pas d'électricité, mais au lieu de ça consomme de l'électricité, en quantités énormes. Je parle de la production d'aluminium. Le procédé a été inventé en 1886 par deux hommes de 22 ans - Hall aux États-Unis et Héroult en France. Et à peine quelques années après leur découverte, l'aluminium est passé du statut de métal précieux coûtant aussi cher que l'argent à celui d'un matériau ordinaire.

Vous avez devant vous là la halle d'électrolyse d'une aluminerie moderne. Elle mesure environ 15 mètres de large et s'étend sur environ 800 mètres - rangée après rangée de cellules qui, à l'intérieur, ressemble à la pile de Volta, avec trois différences importantes. La pile de Volta fonctionne à température ambiante. Elle est munie d'électrodes solides et d'un électrolyte qui est une solution saline. La cellule de Hall-Héroult fonctionne à haute température, une température suffisamment élevée pour que le produit de l'aluminium métallique soit liquide. L'électrolyte n'est pas une solution saline, mais plutôt du sel fondu. C'est cette combinaison de métal liquide, de sel fondu et la température élevée qui nous permet d'envoyer du courant élevée à travers cette chose. Aujourd'hui, nous pouvons produire du métal vierge à partir du minerai à un coût inférieur à 50 cents la livre. C'est le miracle économique de l'électrométallurgie moderne.

C'est ce qui a attiré et retenu mon attention au point qu'inventer une batterie capable de capturer cette économie d'échelle gigantesque est devenue pour moi une obsession. Et je l'ai fait. J'ai fait une batterie entièrement liquide - des métaux liquides pour les deux électrodes et un sel fondu pour l'électrolyte. Je vais vous montrer comment. Donc, j'ai mis du métal liquide de faible densité dans la partie supérieure, un métal liquide à haute densité au fond, et le sel fondu entre les deux.

Alors maintenant, comment choisir les métaux ? Pour moi, l'exercice de conception commence toujours ici avec la classification périodique, énoncée par un autre professeur, Dimitri Mendeleïev. Tout ce que nous savons est constitué d'une combinaison de ce que vous voyez représenté ici. Et cela inclut notre propre corps. Je me souviens du moment où un jour quand j'étais à la recherche d'une paire de métaux qui répondrait aux contraintes de l'abondance sur terre, de densité différente et opposée, et d'une grande réactivité mutuelle. J'ai ressenti le frisson de la réalisation quand j'ai su que j'avais trouvé la réponse. Le magnésium pour la couche supérieure. Et l'antimoine pour la couche inférieure. Vous savez, je dois vous dire, un des plus grands avantages d'être un professeur: la craie de couleur.

(Rires)

Donc, pour produire du courant, le magnésium perd deux électrons pour devenir ion magnésium, qui migre ensuite à travers l'électrolyte, accepte deux électrons de l'antimoine, et se mélange ensuite avec lui pour former un alliage. Les électrons se mettent au travail dans le monde réel ici, et alimentent nos appareils. Maintenant, pour charger la batterie, nous connectons une source d'électricité. Ce pourrait être quelque chose comme un parc éolien. Et puis, nous inversons le courant. Et cela contrait le magnésium à quitter l'alliage et à revenir à l'électrode supérieure, ce qui restaure la constitution initiale de la batterie. Et le courant qui passe entre les électrodes génère suffisamment de chaleur pour le garder à la température.

C'est plutôt cool, du moins en théorie. Mais ça marche vraiment ? Alors, que faire ensuite? Nous allons au laboratoire. Maintenant est-ce que j'embauche des professionnels chevronnés ? Non, j'embauche un étudiant et je l'épaule, je lui apprends à réfléchir au problème, à le voir de mon point de vue puis je le laisse faire. C'est lui l'étudiant, David Bradwell, qui, dans cette image, semble se demander si cette chose fonctionnera un jour. Ce que je n'ai pas dit David à l'époque c'est que je n'étais moi-même pas convaincu que cela fonctionnerait.

Mais David est jeune et il est intelligent et il veut un doctorat, et il procède à la construction - (Rires) Il procède à la construction de la première batterie en métal liquide de cette chimie. Et sur la base des premiers résultats prometteurs de David, qui ont été payés avec des fonds d'amorçage au MIT, J'ai pu attirer des fonds de recherche majeurs du secteur privé et du gouvernement fédéral. Et ce qui m'a permis d'élargir mon groupe à 20 personnes, un mélange d'étudiants diplômés, de post-doctorants et même des étudiants de premier cycle.

Et j'ai pu attirer des gens vraiment, vraiment bons, des gens qui partagent ma passion pour la science et le service à la société, pas pour la science et le service pour le développement de carrière. Et si vous demandez à ces gens pourquoi ils travaillent sur la batterie en métal liquide, leur réponse ferait écho aux remarques du Président Kennedy à l'Université Rice en 1962 quand il a dit - et je prends des libertés ici - « Nous avons choisi de travailler sur le réseau au niveau de stockage, non pas parce que c'est facile, mais parce que c'est dur. »

(Applaudissements)

C'est donc l'évolution de la batterie en métal liquide. Nous commençons ici avec notre pile d'un wattheure. Je l'ai appelé le petit verre. Nous en avons exploité plus de 400, en perfectionnant leurs performances avec une pluralité de chimies - pas seulement du magnésium et de l'antimoine. Au fil du temps nous sommes passés à la pile de 20 watts-heure. C'est ce que j'appelle le palet de hockey. Et nous avons obtenu les mêmes résultats remarquables. Et puis, il était sur la soucoupe. C'est 200 wattheures. La technologie s'est avérée être robuste et adaptable. Mais le rythme n'était pas assez rapide pour nous. Donc, il y a un an et demi, David et moi, avec un autre membre du personnel de recherche, nous avons formé une société pour accélérer le rythme des progrès et la course pour fabriquer un produit.

Donc, aujourd'hui, au LMBC, nous construisons des cellules de 41 cm de diamètre d'une capacité de un kilowattheure - 1000 fois la capacité de cette cellule petit verre initiale. Nous l'appelons la pizza. Et puis nous avons une cellule de quatre kilowattheures en préparation. Elle fera 91 cm de diamètre. Nous l'appelons la table de bistro, mais elle n'est pas encore prête à montrer au public. Et une variante de la technologie nous fait empiler ces plateaux de bistrot en modules, agréger les modules en une pile géante qui entre dans un conteneur d'expédition de 12 mètres pour le placement sur le terrain. Et cela a une capacité nominale de deux mégawatts-heures - deux millions de watts-heures. C'est assez d'énergie pour répondre aux besoins quotidiens électriques de 200 ménages américains. Alors là, vous l'avez, le stockage au niveau du réseau : silencieux, sans émissions, pas de pièces mobiles, télécommandé, conçu pour le prix de refernce sur le marché sans subvention.

Alors qu'avons-nous appris de tout cela? (Applaudissements) Alors qu'avons-nous appris de tout cela? Permettez-moi de partager avec vous quelques-unes des surprises, des hétérodoxies. Elles se trouvent au-delà du visible. Température : La sagesse conventionnelle dit de la régler à un niveau faible. à ou près de la température ambiante, puis installer un système de contrôle pour la maintenir. Eviter l'emballement thermique. La batterie de métal liquide est conçue pour fonctionner à une température élevée avec une régulation minimale. Notre batterie peut gérer les hausses très importantes de température qui viennent des surtensions. Changement d'échelle : La sagesse conventionnelle dit de réduire les coûts en produisant en grand nombre. La batterie métal liquide est conçue pour réduire les coûts en produisant moins, mais elles seront plus grandes. Et enfin, les ressources humaines : La sagesse conventionnelle dit d'engager des experts de la batterie, des professionnels chevronnés, qui peuvent tirer parti de leurs vastes expérience et connaissances. Pour développer la batterie en métal liquide, j'ai embauché des étudiants et des post-doctorants et les ai encadrés. Dans une batterie, je m'efforce de maximiser le potentiel électrique; quand j'encadre, je m'efforce de maximiser le potentiel humain. Donc, vous voyez, l'histoire de la batterie de métal liquide est plus qu'un compte-rendu sur l'invention d'une technologie, c'est un plan pour inventer les inventeurs, à spectre complet.

(Applaudissements)