Donald Sadoway: Karika koja nedostaje kod obnovljivih izvora energije

Električna struja koja osvjetljava ovu dvoranu proizvedena je prije par trenutaka. Zbog današnje situacije, potražnja za električnom energijom mora biti u stalnoj ravnoteži s dostupnom električnom energijom. Da je za vrijeme dok sam se penjao na ovu pozornicu nekih desetaka megavata struje proizvedene u vjetroelektranama prestalo doticati u mrežu, razliku bi odmah nadoknadili drugi generatori. Termoelektrane, nuklearne elektrane ne mogu reagirati dovoljno brzo. Ali divovska baterija može. Pomoću divovske baterije mogli bismo riješiti problem intermitentnosti koji onemogućava da vjetar i sunce doprinose mreži na isti način na koji danas doprinose ugljen, plin i nuklearke.

Vidite, baterija je ključni faktor ovdje. Pomoću nje, možemo iskoristiti el. energiju sunca čak i kad sunce ne sija. A to mijenja sve. Jer tada obnovljivi izvori energije, poput vjetra i sunca prestaju biti periferni i postaju jako bitni. Danas vam želim pričati o takvom uređaju. Zove se tekuća baterija. To je novi način pohranjivanja energije razvijen na MIT-u od strane tima sačinjenog od mojih studenata i postdoktoranata.

Tema ovogodišnje TED-ove konferencije je puni spektar. OED definira spektar kao: "Cijeli raspon valnih duljina elektromagnetske radijacije, od najdužih radio valova do najkraćih gama zraka, gdje je raspon vidljivog svijetla samo mali dio." Zato vam danas neću govoriti samo o tome kako je moj tim na MIT-u od prirode izvukao rješenje za jedan od najvećih svjetskih problema. Želim prijeći cijeli proces i reći vam kako smo, u postupku razvoja ove nove tehnologije, otkrili nekoliko zanimljivih heterodoksija, koje mogu dobro doći u procesu invacija, ideja koje vrijedi podijeliti. I znate, ako želimo ovu zemlju izvuči iz trenutnog energetskog problema, ne možemo zamrnznuti izlaz; ne možemo ga pronaći ni bušenjem; ne možemo ga ni bobmardirati. To čemo uraditi na dobri, stari američki način, sami ćemo izmisliti riješenje, zajedničkim radom.

(Pljesak)

Počnimo. Bateriju je izumio prije gotovo 200 godina profesor Alessandro Volta, na Sveučilištu Padova, u Italiji. Njegov izum doveo je do razvoja nove znanstvene grane, elektrokemije, i novih tehnologija, poput galvaniziranja. Možda pomalo zanemaren, Voltin izum baterije po prvi pute je uz to ukazao na korisnost profesora. (Smijeh) Do Volte, nitko nije mogao pojmiti kako profesor može biti od koristi.

Evo prve baterije... hrpa novčića, cink i srebro, odvojeni kartonom natobljenim u slanoj vodi. Ovo je početna točka u stvaranju baterije... dvije elektrode, u ovom slučaju metali različitog sastava, i elektrolit, u ovom slučaju sol otopljena u vodi. Znanost je tako jednostavna. Priznajem, izostavio sam par detalja.

Sad sam vas podučio kako je znanost o bateriji jednostavna, a potreba za pohranom na razini mreže nužnost, ali činjenica je kako danas jednostavo ne postoji tehnologija izrade baterija koja može zadovoljiti zahtjevne potreba mreže... uglavnom neuobičajeno jake struje, dugog vijeka trajanja i super niskih troškova. Problemu moramo pristupiti drukčije. Moramo razmišljati na veliko, moramo razmišljati jeftino.

Napustimo paradigmu o pronalasku super kemijskog spoja i tako ćemo, nadam se, izazvati pad krivulje troškova proizvodnjom velike količine proizvoda. Umjesto toga, hajdemo izumiti nešto po cijeni pogodnoj za tržište el. energije. To znači kako su određeni dijelovi periodičnog sustava aksiomatski zabranjeni. Bateriju treba izraditi od elemenata kojih ima u dovoljnim količinama. Ja znam reći, ako nešto želite da bude prljavo jeftino, izradite to od prljavštine... (Smijeh) po mogućnosti od prljavštine koja je lokalno dostupna. To moramo biti u stanju to izraditi pomoću jednostavnih proizvodnih tehnika i tvornica koje nas neće koštati bogatstvo.

Prije jedno šest godina, počeo sam razmišljati o ovom problemu. A kako bih dobio svježu perspektivu, tražio sam inspiraciju izvan područja pohrane el. energije. U biti, okrenuo sam se tehnologiji koja niti čuva niti stvara el. energiju, već je troši, u ogromnim količinama. Govorim o proizvodnji aluminija. Postupak je izmišljen 1886. godine od dvojce 22-godišnjaka... Halla iz Sjedinjenih Država i Heroulta iz Francuske. U samo par godina nakon njihova otrkića, aluminijum je od skupocijenog metala koji je koštao poput srebra postao uobičajeni strukturni materijal.

Gledate u skup ćelija moderne tvornice aluminija. Široka je oko 15 metara i proteže se na gotovo jedan kilometar... red za redom ćelija koje, unutra, sliče Voltinoj bateriji, ali s tri ključne razlike. Voltina baterija radi na sobnoj temperaturi. Sastoji se od čvrstih elektroda i elektrolita, tj. soli otopljene u vodi. Hall-Heroult ćelija radi na visokoj temperaturi, temperaturi toliko visokoj da metal, aluminij, postaje tekući. Elektrolit nije sol otopljena u vodi, već rastopljena sol. Ova kombinacija tekućeg metala, rastopljene soli i visoke temperature omogućava protok jake struje kroz ovu napravu. Danas, možemo proizvesti primarni metal iz ruda po cijeni manjoj od 50 centi za pola kilograma. To je ekonomsko čudo moderne elektrometalurgije.

To je zaokupilo moju pažnju, toliko sa sam postao opsjednut izumom baterije koja može sadržavati ovu divovsku ekonomiju razmjera. I to sam učinio. Izradio sam potpuno tekuću bateriju... tekući metali za obje elektrode te rastopljena sol kao elektrolit. Pokazat ću vam kako. Na vrh sam stavio tekući metal niske gustoće, na dno tekući metal visoke gustoće, a između rastopljenu sol.

E sad, kako odabrati metale? Ze mene, vježba stvaranja počinje ovjde s periodini sustavom, koji je predstavio još jedan profesor, Dmitri Mendeljejev. Sve što znamo sastoji se od neke kombinacije ovdje navedenog. Uključujući i naša tijela. Sjećam se trenutka kad sam tražio par metala koji će odgovarati uvjetima da ih ima u dovoljnim količinama, da su različite, nasuportne gutoće i visoke obostrane reaktivnosti. Bio sam oduševljen spoznavši kako sam našao odgovor. Mangezij za gornji sloj. I antimon za donji sloj. Znate, moram vam reći, jedna od najboljih stavri kad ste profesor je: kreda u boji.

(Smijeh)

Kako bi se proizvela sruja, magnezij gubi dva elektrona, i postaje magnezij ion, i onda migrira po elektrolitu, uzima dva elektrona od antimona, te ih mješa u obliku legure. Elektroni kreću raditi u stavrni svijet, napajajući naše uređaje. Za punjenje baterije, priključimo se na izvor el. energije. To može biti nešto poput vjetroparka. I onda okrećemo struju. A to prisiljava magnezij da rastvori leguru i vrati se gornjoj elektrodi, vraćajući početni sastav baterije. Struja koja prolazi izmešu elektroda stvara dovoljno topline da je drži na odgovarajućoj temperaturi.

Super, barem u teoriji. Ali djeluje li to zapravo? Što uraditi sljedeće? Idemo u laboratorij. Zapošljavam li iskusne profesionalce? Ne, već studenta kojeg podučavam, učim ga kako razmišljati o problemu, da ga sagleda iz moje perspektive i onda ga puštam. Ovo je taj student, David Bradwell, koji se, na ovoj slici, pita hoće li ova stvar ikad raditi. Tad to nisam rekao Davidu, ali ni ja nisam bio uvjeren da hoće.

Ali, David je mlad i pametan, želi doktorirati i nastavio je s izradom... (Smijeh) Nastavio je s izradom prve tekuće baterije ovog kemijskog sastava. A temeljem početnih Davidovih obečavajućih rezultata, koji su plaćeni sredstvima MIT-a, uspio sam privuči glavne ulagače u istraživanja iz privatnog sektora i savezne vlasti. A to mi je omogućilo proširivanje tima na 20 ljudi, kombinacija diplomaca, postdoktoranata pa čak i nekih dodiplomaca.

Uspio sam privuči neke zaista dobre ljude, ljude koji dijele moju strast za znanošću i služenju društvu, a ne znanosti i stjecanju karijere. I ako upitate ove ljude zašto rade na tekućoj bateriji, njihov odgovor parafrazirat će govor predsjenika Kennedyja na Sveučilištu Rice 1962. godine kad je rekao...u slobodnoj interpretaciji... "Odabiremo raditi na pohrani na mrežnoj razini, ne zato što je to lako, već zato što je to teško."

(Pljesak)

Ovo je evolucija tekuće baterije. Započeli smo s temeljnom ćelijom od jednog watt-sata. Ja je zovem bićerin. Radili smo na preko 400 takvih, usavršavali njihove performanse s brojnim kemijskim spojevima... ne samo magenzijem i antimonom. S vremenom smo došli do ćelije od 20 watt-sata. Zovem je hokejski pak. I dobili smo jednako zadivljujuće rezultate. A potom je došao tanjur. To je 200 watt-sati. Tehnlogija se pokazala robusnom i skalabilnom. Ali ritam nije bio dovoljno brz za nas. Pa smo prije godinu i pol, David i ja, zajendo s ostalim članovima istraživačkog tima, osnovali tvrtku kako bismo ubrzali postupak napretka i utrku za izradu proizvoda.

Tako danas u LMBC, izrađujemo ćelije od 40 cm u promjeru kapaciteta jednog kilowatt-sata... 1000 puta kapaciteta one početne, "bićerin" ćelije. Zovemo je pizza. A onda je u planu bila ćelija od četiri kilowatt-sata. Imat će promjer od 90 cm. Zovemo je restoranski stol, ali još nije spremna za gledanje u udarnom terminu. A jedna varijanta tehnologije omogućila nam je slaganje ovih restoranskih stolova u module, agregirajući module u divovsku bateriju koja stane u kontejner za prijevoz od 36 m, koji se može postaviti u polje. A ima nominalni kapacitet od dva megawatt-sata... dva milijuna watt-sati. To je dovoljno energije za zadovoljavanje dnevnih potreba za el. energijom 200 američkih kućanstava. I evo je, pohrana na mrežnoj razini: tiha, bez otpadnih plinova, bez pokretnih dijelova, daljinski upravljana, dizajnirana prema tržišnoj cijeni bez subvencija.

Što smo iz ovog naučiti? (Pljesak) Što smo iz ovog naučili? Podijelit ću s vama neka od iznenađenja, heterodoksije. Sve se to nalazi onkraj vidljivog. Temperatura: Uvriježeni stav smatra da je treba podesiti na niske vrijednosti ili oko sobne temperature, a potom treba instalirati kontrolni sustav koji će je održavati. Treba izbjegavati velike termalne oscilacije. Tekuća baterija napravljane je za rad na povišenim temperaturama uz minimalnu regulaciju. Naša baterija može podnjeti naglo povećanje temperature koje proizlazi iz strujnih skokova. Skaliranje: Opće prihvaćeni stav je smanjiti troškove proizvodeći velike količine. Tekuća baterija izađena je tako da se troškovi smanje proizvodnjom manje količine, većih proizvoda. I na kraju, kadrovi: Uvriježeni stav je zaposli stručnjake za baterije, iskusne profesionalce, koji se mogu osloniti na svoje veliko iskustvo i znanje. Za razvoj tekuće baterije, angažirao sam studente i postdoktorante i podučavao sam ih. Kad je riječ o bateriji, nastojim maksimizirati električni potencijal; kad podučavam, nastojim maksimizirati ljudski potencijal. Vidite, priča o tekućoj bateriji više je od prikaza tehnoloških inovacije, to je svojevrsni nacrt kako stvoriti izumitelje, punog spektra.

(Pljesak)