Donald Sadoway: Mata rantai yang hilang ke energi terbarukan

Listrik yang menyalakan lampu di panggung ini dihasilkan beberapa saat lalu Karena cara yang ada saat ini kebutuhan listrik harus tetap seimbang dengan pasokan listrik Jika pada suatu saat, dalam waktu yang saya perlukan untuk berjalan menuju panggung ini, puluhan megawatt daya listrik yang menggunakan angin berhenti mengalir ke jaringan, kekurangannya harus ditalangi dengan segera dari generator lainnya. Akan tetapi pembangkit batubara, pembangkit nuklir tidak bisa menanggapinya dengan cukup cepat. Namun, sebuah baterai raksasa dapat melakukannya. dengan baterai raksasa, kita akan bisa mengatasi masalah ketidakstabilan yang menghambat pembangkit angin dan surya berkontribusi ke jaringan seperti yang terjadi pada pembangkit batubara, gas dan nuklir saat ini.

Anda lihat, baterai adalah perangkat kunci. Dengan itu, kita bisa menggunakan listrik dari matahari bahkan ketika matahari tidak bersinar. Dan itu mengubah segalanya. Karena kemudian energi terbarukan seperti angin dan surya keluar dari sisi, di sini ke tengah panggung. Hari ini saya ingin bercerita tentang alat tersebut. Alat itu disebut baterai logam cair. Ini adalah bentuk baru penyimpanan energi yang saya ciptakan di MIT bersama dengan tim mahasiswa saya dan para mahasiswa pasca-doktoral

Sekarang, tema konferensi TED tahun ini adalah Spektrum Penuh. OED mendefinisikan spektrum sebagai "seluruh rentang panjang gelombang radiasi elektromagnetik, dari gelombang radio yang paling panjang sampai sinar gamma yang terpendek dimana rentang gelombang cahaya kasat mata hanyalah bagian kecil daripada spektrum penuh. Jadi hari ini di sini saya tidak hanya memberitahu Anda bagaimana tim saya di MIT telah menemukan suatu solusi untuk salah satu masalah besar dunia. Saya ingin menjelaskan secara spektrum penuh dan memberitahu Anda bagaimana dalam proses pengembangan teknologi baru ini, kami telah menemukan beberapa kebidahan yang mengejutkan yang dapat berfungsi sebagai pelajaran untuk inovasi, penyebaran ide-ide yang bermanfaat. dan anda tahu, jika kita ingin negara ini keluar dari situasi energi saat ini kita tidak bisa hanya menghemat; kita tidak bisa hanya mengebor; kita tidak bisa membom. Kita akan melakukannya dengan cara kuno Amerika, kita akan menemukan jalan keluar, bekerja bersama.

(Tepuk tangan)

Sekarang mari kita mulai. Baterai ditemukan sekitar 200 tahun lalu oleh seorang profesor, Alessandro Volta, di Universitas Padua di Italia. Penemuannya melahirkan bidang baru ilmu pengetahuan, elektrokimia, dan teknologi baru seperti electroplating. Mungkin terabaikan, penemuan baterei Volta untuk pertama kalinya juga menunjukkan kegunaan seorang profesor. (Tertawa) Sampai dengan Volta, tak seorang pun bisa membayangkan seorang profesor ada gunanya.

Ini dia baterai pertama - tumpukan koin, seng dan perak, dipisahkan oleh karton yang terendam dalam air garam.. Ini adalah titik awal untuk merancang baterai - dua elektroda, dalam kasus ini logam dengan komposisi yang berbeda, dan suatu elektrolit, dalam kasus ini garam dilarutkan dalam air. Ilmu pengetahuan hanya sesederhana itu. Memang, masih ada sedikit rincian yang tidak saya jelaskan.

Sekarang saya sudah mengajar Anda bahwa ilmu baterai itu sangat mudah dan kebutuhan untuk penyimpanan tingkat jaringan cukup mendesak, tetapi kenyataannya adalah hari ini tidak ada teknologi baterai yang mampu memenuhi persyaratan kinerja kebutuhan jaringand - yaitu yang berdaya luar biasa tinggi layanan panjang seumur hidup dan biaya sangat murah. Kita perlu berpikir tentang masalah ini dengan cara yang berbeda. Kita perlu berpikir besar, kita perlu berpikir murah.

Jadi mari kita tinggalkan paradigma pencarian kimia paling keren dan kemudian berharap menurunkan kurva biaya dengan hanya membuat banyak dan lebih banyak produk. Sebaliknya, mari kita ciptakan ke titik harga pasar listrik. Yang artinya bahwa bagian-bagian tertentu dari tabel periodik adalah jelas terbatas. Baterai ini perlu dibuat dari elemen bumi yang berlimpah. Saya katakan, jika Anda ingin membuat sesuatu yang semurah harga kotoran, buatlah dari kotoran -- (Tertawa) terutama kotoran yang sumbernya dari lokal. Dan kita harus mampu untuk membangun hal ini dengan teknik manufaktur dan pabrik yang sederhana yang tidak memakan biaya banyak

Jadi, sekitar enam tahun yang lalu, saya mulai berpikir tentang masalah ini. Dan untuk mengadopsi pandangan yang segar, saya mencari inspirasi dari luar bidang penyimpanan listrik. Kenyataannya, saya melihat suatu teknologi yang bukan penyimpanan maupun menghasilkan listrik, tapi malah mengkonsumsi listrik, dalam jumlah yang sangat besar. Saya sedang berbicara tentang pembuatan aluminium. Proses ini ditemukan pada tahun 1886 oleh dua orang muda umuran 22 tahun - Hall di Amerika Serikat dan Heroult di Perancis. Dan hanya beberapa tahun saja setelah penemuan mereka, aluminium berubah dari logam mulia mahal seharga perak menjadi bahan struktural umum.

Anda sedang melihat rumah sel pabrik peleburan aluminium modern. Lebarnya sekitar 50 kaki dan menyusut sekitar setengah mil -- baris demi baris sel tersebut yang di dalamnya, mirip baterai Volta, dengan tiga perbedaan penting. Baterai Volta bekerja pada suhu kamar. Ini dilengkapi dengan elektroda padat dan elektrolit yang merupakan larutan garam dan air. Sel Hall-Heroult beroperasi pada suhu tinggi, suhu yang cukup tinggi yang dapat membuat logam aluminium mencair Elektrolitnya bukan larutan garam dan air, melainkan garam yang sudah meleleh. Ini adalah kombinasi dari logam cair, garam cair dan suhu tinggi yang memungkinkan kita untuk melewatkan arus tinggi melalui alat tersebut. Hari ini, kita dapat menghasilkan logam murni dari bijih dengan biaya kurang dari 50 sen per pon. Itulah keajaiban ekonomi dari electrometalurgi modern.

Inilah yang menarik dan menahan perhatian saya ke titik bahwa saya menjadi terobsesi untuk menciptakan baterai yang bisa merebut ekonomi raksasa dari segi skala. Dan saya kerjakan. Saya membuat baterai semua cairan - cairan logam untuk kedua elektroda dan garam cair untuk elektrolitnya. Saya akan menunjukkan bagaimana caranya. Saya menaruh logam cair densitas rendah di bagian atas, menaruh logam cair densitas tinggi di bagian bawah, dan garam cair di antaranya.

Jadi sekarang, bagaimana memilih logam? Bagi saya, latihan perancangan selalu dimulai di sini dengan tabel periodik, yang diucapkan oleh profesor lain, Dimitri Mendeleyev. Segala sesuatu yang kita tahu terbuat dari beberapa kombinasi dari apa yang Anda lihat yang digambarkan di sini. Dan itu termasuk tubuh kita sendiri. Saya ingat suatu hari saat yang tidak terlupakan ketika saya sedang mencari sepasang logam yang akan mengatasi kendala kelimpahan bumi, berbeda, densitas berlawanan dan reaktivitas tinggi yang bermanfaat. Saya merasakan getaran realisasi ketika saya tahu jawabannya akan datang. Magnesium untuk lapisan atas. Dan antimon untuk lapisan bawah. Anda tahu, Saya harus memberitahu Anda, salah satu manfaat terbesar menjadi seorang profesor: kapur berwarna.

(Tertawa)

Jadi untuk menghasilkan arus, magnesium kehilangan dua elektron menjadi ion magnesium, yang kemudian bermigrasi di seluruh elektrolit, menerima dua elektron dari antimon, dan kemudian bercampur dengannya untuk membentuk paduan. Elektron bekerja di dunia nyata di sini, menghidupkann perangkat kita. Sekarang untuk mengisi baterai, kita menghubungkan sumber listrik. Ini bisa menjadi sesuatu seperti sebuah peternakan angin. Dan kemudian kita membalikkan arus. Dan ini akan memaksa magnesium untuk memisahkan diri dan kembali ke elektroda atas, memulihkan konstitusi awal baterai. Dan arus lewat diantara elektroda menghasilkan panas yang cukup untuk menjaga suhu.

Itu cukup keren, setidaknya dalam teori. Tapi apakah itu benar-benar bekerja? Jadi apa yang harus dilakukan selanjutnya? Kami pergi ke laboratorium. Sekarang apakah saya menyewa profesional berpengalaman? Tidak, saya mempekerjakan seorang mahasiswa dan membimbingnya, mengajarkan dia bagaimana memikirkan masalah, untuk melihatnya dari cara pandang saya dan kemudian membebaskan dirinya. Ini dia mahasiswa tersebut, David Bradwell, yang, dalam gambar ini, kelihatannya seperti bertanya-tanya apakah hal ini bisa bekerja. Apa yang saya tidak beritahu David pada saat itu adalah saya sendiri tidak yakin itu akan berhasil.

Tapi David masih muda dan dia pintar dan dia ingin jadi Ph.D., dan ia melanjutkan untuk membangun -- (Tertawa) Dia melanjutkan untuk membangun baterai logam cair pertama yang pernah ada dari cairan kimia ini. Dan berdasarkan hasil awal David yang menjanjikan, yang dibayar dengan dana amal di MIT, saya bisa menarik dana penelitian besar dari sektor swasta dan pemerintah federal. Dan yang memungkinkan saya untuk memperbanyak kelompok saya menjadi 20 orang, campuran mahasiswa pascasarjana, pasca-doktoral, dan bahkan beberapa mahasiswa sarjana.

Dan saya bisa menarik orang-orang yang benar-benar bagus, orang yang berbagi semangat dengan saya untuk ilmu pengetahuan dan pelayanan kepada masyarakat, bukan ilmu pengetahuan dan layanan untuk membangun karir. Dan jika Anda bertanya kepada orang-orang ini mengapa mereka bekerja pada baterai logam cair, jawaban mereka akan kembali ke pernyataan Presiden Kennedy di Rice University pada tahun 1962 ketika ia mengatakan -- dan aku mengambil kebebasan di sini -- "Kami memilih untuk bekerja pada penyimpanan tingkat jaringan, bukan karena mudah, tetapi karena sulit."

(Tepuk tangan)

Jadi, ini adalah evolusi dari baterai logam cair. Kita mulai di sini dengan hasil kerja keras kami yaitu sel satu watt-jam. Saya menyebutnya gelas sloki. Kami telah mengoperasikan sebanyak lebih dari 400 benda seperti ini, menyempurnakan kinerjanya dengan kemajemukan kimia -- bukan hanya magnesium dan antimon. Dalam masa penelitian itu kami meningkatkan ke sel 20 watt-jam. Saya menyebutnya keping hoki. Dan kami mendapatkan hasil yang sama luar biasa. Dan kemudian sel tersebut kami buat dalam bentuk piringan. Yaitu 200 watt-jam. Teknologi ini membuktikan dirinya teruji dan terukur. Tapi langkah kami belum cukup cepat. Jadi satu setengah tahun yang lalu, saya dan David, bersama dengan staf anggota penelitian lainnya, membentuk sebuah perusahaan untuk mempercepat tingkat kemajuan dan perlombaan untuk memproduksi produk.

Jadi hari ini pada LMBC, kami sedang membangun sel diameter 16 inci dengan kapasitas satu kilowatt-jam - 1.000 kali kapasitas sel gelas sloki awal. Kami menyebutnya pizza. Dan kemudian kami telah menyiapkan sel empat kilowatt-jam sel di masa datang. Ini akan menjadi sel diamater 36 inci. Kami menyebutnya meja bistro, tapi belum siap menunjukkannya pada tanyangan utama. Dan salah satu varian dari teknologi yang telah kami buat adalah menyusun meja bistro ini ke dalam modul, menggabungkan modul ke dalam baterai raksasa seukuran kontainer kapal 40-kaki untuk penempatan di lapangan. Dan ini memiliki kapasitas terpasang dua megawatt-jam - dua juta watt-jam. Itu adalah energi yang cukup untuk memenuhi kebutuhan listrik harian 200 rumah tangga di Amerika. Jadi di sini Anda memilikinya, penyimpanan tingkat jaringan: tidak berisik, bebas emisi, tidak ada bagian yang bergerak, dikendalikan dari jauh, yang dirancang untuk harga pasar tanpa subsidi.

Jadi apa yang telah kita pelajari dari semua ini? (Tepuk tangan) Jadi apa yang telah kita pelajari dari semua ini? Biarkan saya berbagi dengan Anda beberapa kejutan, kebidahan Mereka berada dalam jangkauan penglihatan. Suhu: kebijaksanaan umum mengatakan untuk mengaturnya rendah, pada atau dekat suhu kamar, dan kemudian menginstal sistem kendali untuk menjaganya tetap seperti itu. Hindari kehilangan panas. Baterai logam cair dirancang untuk beroperasi pada suhu tinggi dengan aturan minimum. Baterai kami dapat menangani kenaikan suhu sangat tinggi yang berasal dari lonjakan arus. Skala: Kebijaksanaan umum mengatakan kurangi biaya dengan memproduksi banyak. Baterai logam cair dirancang untuk mengurangi biaya dengan memproduksi lebih sedikit, tetapi mereka akan menjadi lebih besar. Dan akhirnya, sumber daya manusia: kebijaksanaan umum mengatakan menyewa ahli baterai, profesional berpengalaman, yang dapat memanfaatkan pengalaman dan pengetahuan mereka yang luas. Untuk mengembangkan baterai logam cair, saya mempekerjakan mahasiswa dan pasca-doktoral dan membimbing mereka. Dalam baterai, saya berusaha untuk memaksimalkan potensi listrik, ketika membimbing mereka, saya berusaha untuk memaksimalkan potensi manusia. Jadi Anda lihat, kisah baterei logam cair baterai lebih dari suatu cerita tentang penciptaan teknologi, ini adalah cetak biru untuk menciptakan penemu, spektrum penuh.

(Tepuk tangan)