Donald Sadoway: A megújuló energia hiányzó láncszeme

Ennek a színháznak a lámpáit tápláló áramot csak néhány pillanattal ezelőtt állították elő. Azért, mert a dolgok mai állása szerint az áramszükségletnek állandó egyensúlyban kell lennie az áramellátással. Ha az alatt az idő alatt, amíg felsétáltam a színpadra tizenakárhány megawattnyi szélerőmű abbahagyná az áramtermelést, a különbséget a többi generátornak kellene azonnal pótólnia. Azonban a szén- és atomerőművek nem képesek elég hamar reagálni. Egy hatalmas tároló akkumulátor tudna. Egy hatalmas akkumulátorral megoldhatnánk az ideiglenesség azon problémáját, amely megakadályozza, hogy a szél és a Nap ugyanúgy hozzájáruljon a energia hálózathoz, mint napjainkban a szén, gáz és atomenergia.

Nos tudják, az akkumulátor itt a lehetőség kulcsa. Mert általa akkor is felhasználhatánk a Nap energiáját amikor az nem süt. És ez mindent megváltoztat. Mert ezáltal a megújuló energiák mint a szél- és napenergia, előlépnének a háttérből és a figyelem középpontjába kerülnének. Ma egy ilyen eszközről szeretnék mesélni. Úgy hívják, hogy folyékony-fém akkumulátor. Ez az energiatárolás egy olyan új formája, amit az MIT-n találtam fel diákjaim és doktoranduszaim segítségével.

Nos, az idei TED konferencia témája a Teljes Spektrum. Az Oxford szótár definíciója szerint a spektrum "Az elektromágneses sugárzás hullámhosszának teljes terjedelme a leghosszabb rádióhullámtól a legrövidebb gammasugárzásig melyből a látható fény tartománya csak egy kis rész." Nem csak azért vagyok ma itt, hogy elmondjam hogy az MIT-n hogyan sajtoltunk ki a természetből egy megoldást a világ egyik nagy problémájára. A teljes spektrumot szeretném bemutatni, és elmondani, hogy ennek az új technológiának a fejlesztésében lelepleztünk néhány meglepő unortodoxiát amely az innováció leckéjeként szolgálhat terjesztésre érdemes gondolatként. Tudják, ha szeretnénk kijuttatni ezt az országot a jelen energiaválságból, nem elég, ha megőrizzük az utunkat nem elég, ha kifúrjuk az utunkat nem robbanthatjuk ki az utunkat. A régimódi amerikai módon fogjuk ezt megtenni fel fogjuk találni azt az utat, hogy hogyan tudunk együtt dolgozni.

(Taps)

Tehát akkor lássunk neki. Az akkumulátort körülbelül 200 éve találta fel egy Alessandro Volta nevű professzor a Padovai Egyetemen, Itáliában. Találmánya által egy új tudományterület született az elektrokémia és új technológiák, mint például a galvanizálás. Talán elkerülte a figyelmet, hogy Volta találmánya, az akkumulátor első alkalommal bizonyította egy professzor hasznosságát. (Nevetés) Egészen Volta-ig senki se tudta elképzelni, hogy egy professzornak lehet valami haszna is.

Itt látható az első akkumulátor egy halom pénzérme, cink és ezüst kartonnal elválasztva, tengervízben áztatva. Ez a kiindulópont az akkumulátor tervezésében - két elektróda ez esetben különféle anyagú fémek és az elektrolit ez esetben a vízben feloldott só. Ennyire egyszerű a tudomány. Kétségkívül kihagytam néhány részletet.

Most azt tanítottam önöknek, hogy az akkumulátor-tudomány egyszerű és a hálózati szintű tárolóegység iránti igény sürgető, de a valóság az, hogy ma nem létezik olyan akkumulátor-technológia, amely képes lenne megfelelni a hálózat sürgető teljesítmény igényének, konkrétan a rendkívüli magas teljesítménynek hosszú üzemidővel és szuperalacsony költséggel. Másképp kell megközelítenünk a problémát. Nagyban kell gondolkodnunk és olcsóban kell gondolkodnunk.

Tehát vessük el azt a paradigmát, hogy megkeressük a legtutibb kémiát és remélhetőleg lenyomjuk az költség görbét azáltal, hogy sok-sok terméket gyártunk. Inkább a villamosenergia-piac versenyképes árához igazodva találjunk fel. Ez azt jelenti, hogy a periódusos rendszer bizonyos részei evidens módon ki vannak zárva. Ezt az akkumulátort a Földön bőségesen előforduló elemekből kell létrehozni. Azt mondom, ha valami piszok olcsó dolgot szeretnél csinálni csináld piszokból - (Nevetés) lehetőleg olyan piszokból amelyik helyben megtalálható. Úgy kell tudnunk felépíteni ezt a dolgot, hogy egyszerű gyártási technológiát és gyárakat használunk, melyek nem kerülnek egy vagyonba.

Hat évvel ezelőtt kezdtem gondolkodni ezen a problémán. Azért, hogy friss látásmódot alkalmazzak a villamosenergia tárolásának területén kívüli ötletet kerestem. Valójában olyan technológiát kerestem, amely se nem tárol, se nem termel elektromos áramot, viszont áramot fogyaszt abból is nagy mennyiséget. Az alumínium gyártásáról beszélek. Az eljárást 1886-ban találta fel két 22 éves: Hall az Egyesült Államokban és Heroult Franciaországban. Csak néhány rövid évvel a felfedezésük után az alumínium az ezüst értékével egyenlő értékes fémből egy gyakori szerkezeti elemmé vált.

Itt egy modern alumíniumkohó cellaházát láthatják. Körülbelül 15 méter széles és 800 méter hosszú cellák hosszú sora, amelyek belülről nagyon hasonlítanak Volta akkumulátorára három fontos különbséget leszámítva. Volta akkumulátora szobahőmérsékleten működik. szilárd elektródákkal vannak ellátva és az elektrolit só és víz oldata. A Hall-Herout cella magas hőmérsékleten működik elég magas hőmérsékleten ahhoz, hogy az alumínium folyékony legyen. Az elektrolit nem só és víz oldata, hanem inkább só, amelyet megolvasztottak. A folyékony fém, az olvasztott só és magas hőmérséklet keveréke az, amely lehetővé teszi, hogy magas áramot küldjünk keresztül. Ma elő tudunk állítani ércből tiszta fémet kilónként kevesebb, mint egy dollárért. Ez a modern elektrometallurgia gazdasági csodája.

Ez az, amely felkeltette és fenntartotta a figyelmemet és megszállottja lettem olyan akkumulátor feltalálásának, amely megtartja ezt az óriási méretgazdaságosságot. És feltaláltam. Folyékony akkumulátort készítettem mindkét elektródát folyékony fémekből az elektrolitot pedig olvasztott sóból. Mindjárt megmutatom hogyan. Alacsony sűrűségű folyékony fémet tettem felülre, nagy sűrűségű folyékony fémet tettem alulra és olvasztott sót közéjük.

Tehát akkor hogyan válasszuk ki a fémeket? Számomra a tervezési feladat mindig itt kezdődik a periódusos rendszerrel, melyet egy másik professzor nyilatkoztatott ki, Dimitrij Mengyelejev. Minden, amit tudunk azoknak a kombinációja, amelyet itt leírva láthatunk. Beleértve a mi testünket is. Felidézem azt a napot, amikor kerestem azt a fémpárost, amely megfelel ezeknek a követelményeknek: a Földön gyakori az előfordulása különböző, ellentétes sűrűségűek és magas az egymással való reakcióképességük. Éreztem a megvalósítás okozta izgalmat amikor tudtam, hogy rá fogok jönni a válaszra. Magnézium a felső rétegben. És antimon az alsó rétegben. El kell mondanom önöknek, hogy egyik legnagyobb előnye annak, hogy professzor vagyok, az a színes kréta.

(Nevetés)

Tehát hogy áramot állítsunk elő a magnézium elveszít két elektront, hogy magnézium ionná válhasson, melyek az elektroliton keresztül vándorolnak és két elektront vesz fel az antimontól majd ötvözetté alakul vele. Az elektronok munkába állnak itt kinn, a való világban, hogy árammal lássák el az eszközeinket. Ahhoz, hogy feltöltsük az akkumulátort csatlakoztatunk egy áramforrást. Olyasvalamit, mint mondjuk egy szélerőműpark. Majd visszafordítjuk az áramot. Ez arra kényszeríti a magnéziumot, hogy kilépjen az ötvözetből és visszatérjen a felső elektródába, helyreállítva az akkumulátor kiindulási állapotát. Az áram, amely az elektródák között halad elég hőt termel ahhoz, hogy megfelelő hőmérsékleten tartsa.

Ez nagyon klassz, elméletben legalábbis. De működik ez valójában? Mi a következő lépés? Bemegyünk a laboratóriumba. Vegyek fel határozott időre egy szakértőt? Nem, felveszek egy hallgatót és mentorálom őt megtanítom arra, hogyan gondolkodjon a problémáról, hogy az én nézőpontomból lássa majd szabadon engedem őt. Ő az a hallgató, David Bradwell, aki ezen a képen úgy tűnik azon töpreng, hogy fog-e ez valaha is működni. Amit nem mondtam el Davidnek akkor, hogy én magam sem voltam meggyőződve, hogy működni fog.

De David fiatal és okos és PhD-t szeretne szerezni és elkezdi építeni... (Nevetés) Elkezdi építeni a kémia valaha volt első folyékony fémből készült akkumulátorát. David kezdeti, ígéretesnek tűnő eredményeire alapozva, melyet kezdeti befektetésként az MIT finanszírozott, sikerült jelentős kutatási alapot megszereznem a magánszektortól és a szövetségi kormánytól. Ez lehetővé tette számomra, hogy húszfősre bővítsem a csapatomat, diplomásokkal, posztdoktorokkal sőt, még egyetemi hallgatókkal is.

Sikerült igazán jó embereket összegyűjteni, olyanokat, akik osztoznak a szenvedélyemben, tudomány és szolgálat a társadalomért, nem pedig tudomány és szolgálat a karrierépítésért. Ha megkérdezik az embereket, hogy miért dolgoznak a folyékony fémből készült akkumulátoron, a válaszuk visszaidézi Kennedy elnök megjegyzését, 1962-ben a Rice Egyetemen, amikor azt monda - és most szabadon idézem - "Nem azért választottuk, hogy az áramhálózati szintű tárolón dolgozzunk mert könnyű, hanem mert nehéz."

(Taps)

Tehát így fejlődött ki a folyékony fém akkumulátor. Itt kezdtük, az igáslovunkkal, az egy wattórás cellával. Úgy hívom, hogy feles pohár. Több mint négyszáz ilyet működtettünk, a teljesítményüket a kémiai sokféleséggel tökéletesítettük - nem csak magnéziummal és antimonnal. Menet közben 20 wattórásra növeltük. Ezt hokikorongnak hívom. Ugyanazokat a figyelemre méltó eredményeket kaptuk. Aztán a csészealj következett. Ez 200 wattórás teljesítményű. A technológia igazolta magát, hogy masszív és bővithető. De az iram nem volt elég gyors számunkra. Így másfél évvel ezelőtt, David és én egy másik kutatótárssal együtt létrehoztunk egy vállalatot, hogy felgyorsítsuk a fejlődés ütemét és a termék gyártásáért folytatott versenyt.

Így ma az LMBC-ben negyven centiméter átmérőjű cellákat építünk melyek kapacitása egy kilowattóra - ezerszer nagyobb kapacitású, mint a kezdeti feles pohárnyi cella. Pizzának nevezzük ezt. Ezután van egy négy kilowattórás cella készülőben. Ez 90 centiméter átmérőjű lesz. Ezt bisztróasztalnak nevezzük, de még nincs kész a bemutatásra. A technológia egy változata szerint összerakjuk ezeket a bisztróasztalokat modulokká, hogy egy óriási akkumulátorrá alakítsuk a modulokat amely belefér egy 12 méteres konténerbe, hogy terepen helyezzük el. Ennek a névleges teljesítménye két megawattóra - kétmillió wattóra. Ez már elegendő energia ahhoz, hogy kétszáz amerikai háztartás napi energiaigényét ellássa. Tehát itt van a az áramhálózati szintű akkumulátor: csendes, nincs káros kibocsátása, nincsenek mozgó alkatrészek, távolról irányítható, versenyképes piaci árra tervezve, állami támogatás nélkül.

Tehát mit tanultunk mindebből? (Taps) Tehát mit tanultunk mindebből? Hadd osszak meg önökkel néhány meglepetést, az unortodoxiákat. Ezek a látható dolgok mögött helyezkednek el. Hőmérséklet: Az általános igazság szerint alacsonyra kell állítani szobahőmérsékletre, vagy a körülire majd építsünk be egy ellenőrző rendszert, hogy tartsuk ezt. Kerüljük el a hőmérséklet elszabadulását. A folyékony fém akkumulátort magas hőmérsékleten való működésre terveztük minimális szabályozással. Az akkumulátorunk kezelni tudja a magas hőmérséklet-emelkedéseket amely az áram hullámzásából fakad. Méretezés: Az általános igazság azt mondja, hogy az árat nagy termeléssel csökkentsük. A folyékony fém akkumulátor úgy csökkenti a költséget, hogy kevesebbet, de nagyobbakat fogunk előállítani. Végül az emberi erőforrás: Az általános igazság szerint alkalmazz akkumulátor specialistákat tapasztalt profikat, akik óriási tapasztalattal és tudással rendelkeznek. Ahhoz, hogy kifejlesszük a folyékony fém akkumulátort, egyetemi hallgatókat és posztdoktorokat vettem fel és mentoráltam őket. Egy akkumulátorban igyekszem maximalizálni az elektromos potenciált; amikor mentorálok, igyekszem maximalizálni az emberi potenciált. Láthatják, hogy a folyékony fém akkumulátor története több, mint egy feltalált technológia beszámolója, hanem annak a vázlata, hogyan találjunk fel feltalálókat a teljes spektrumon.

(Taps)