Donald Sadoway: L'anello mancante delle energie rinnovabili

L'elettricità che alimenta le luci in questo teatro è stata generata pochi minuti fa. Data la situazione attuale, la domanda di elettricità deve essere in costante equilibrio con l'offerta. Se nel tempo che ho impiegato per arrivare fino a questo palco, alcune decine di megawatt di energia eolica cessassero di fluire nella rete, la differenza dovrebbe essere compensata immediatamente da altri generatori. Ma le centrali a carbone e quelle nucleari non possono rispondere con sufficiente rapidità. Una batteria gigante potrebbe. Con una batteria gigante, saremmo in grado di affrontare il problema dell'intermittenza che impedisce all'energia eolica e solare di contribuire alla rete elettrica nello stesso modo in cui lo fanno oggi il carbone, il gas e il nucleare.

Vedete, la batteria è la chiave per renderlo possibile. Potremmo ricavare energia dal sole anche quando non splende. E questo cambia tutto. Perché a quel punto, le energie rinnovabili come quella del sole e del vento, escono dalle quinte, portandosi qui, al centro della scena. Oggi voglio parlarvi di un dispositivo simile. Si chiama batteria a metallo liquido. Si tratta di una nuova forma di stoccaggio dell'energia che ho inventato al MIT insieme ad un gruppo di miei studenti e dottori di ricerca.

Il tema del TED di quest'anno è Full Spectrum [ampio spettro]. L'Oxford English Dictionary definisce spettro "L'intera gamma di lunghezze d'onda della radiazione elettromagnetica, dalle onde radio più lunghe ai raggi gamma più brevi, di cui l'intervallo di luce visibile è solo una piccola parte". Quindi non sono qui oggi solo per raccontarvi come la mia squadra al MIT ha tratto dalla natura una soluzione a uno dei grandi problemi del mondo. Voglio percorrere l'ampio spettro e raccontarvi come, nel corso dello sviluppo di questa nuova tecnologia, abbiamo scoperto delle eterodossie sorprendenti che possono servire come lezione per l'innovazione, idee degne di essere diffuse. E sapete, se vogliamo tirare il paese fuori dalla sua situazione energetica attuale, non possiamo solo tutelare la nostra via d'uscita; non possiamo solo scavare la nostra via d'uscita; non possiamo bombardare la nostra via d'uscita. Lo faremo alla vecchia maniera americana, inventeremo la nostra via d'uscita, lavorando insieme.

(Applausi)

Ora, cominciamo. La batteria fu inventata circa 200 anni fa da un professore, Alessandro Volta, all'Università di Padova, in Italia. La sua invenzione diede vita a un nuovo campo della scienza, l'elettrochimica, e a nuove tecnologie come la galvanoplastica. Forse trascurata, l'invenzione della batteria da parte di Volta per la prima volta dimostrò anche l'utilità di un professore. (Risate) Fino a Volta, sembrava impensabile che un professore potesse essere di alcuna utilità.

Ecco la prima batteria - una pila di monete, zinco e argento, separate da cartone intriso di sale. Questo è il punto di partenza per la progettazione di una batteria - due elettrodi, in questo caso metalli di diversa composizione, e un elettrolita, in questo caso sale disciolto in acqua. La scienza è molto semplice. Certo, ho lasciato fuori alcuni dettagli.

Ora vi ho insegnato che la scienza della batteria è semplice e la necessità dello stoccaggio dell'energia in rete è urgente, ma il fatto è che oggi semplicemente non c'è tecnologia della batteria in grado di soddisfare la domanda di prestazioni richieste dalla rete - cioè potenza eccezionalmente elevata, durabilità e bassissimo costo. Dobbiamo pensare al problema in modo diverso. Dobbiamo pensare in grande, dobbiamo pensare a buon mercato.

Quindi, abbandoniamo l'idea di cercare la chimica migliore nella speranza di ridurre la curva dei costi semplicemente facendo un sacco di prodotti. Invece, inventiamo il prezzo di vendita del mercato dell'elettricità. Il che significa che alcune parti della tavola periodica sono assiomaticamente fuori dai limiti. Questa batteria deve essere fatta con elementi abbondanti in natura. Io dico, se volete fare qualcosa di estremamente economico, fatelo con la sporcizia - (Risate) preferibilmente sporcizia di provenienza locale. E dobbiamo essere in grado di costruire questa cosa utilizzando semplici tecniche di produzione e fabbriche che non ci costino una fortuna.

Così, circa sei anni fa, iniziai a pensare a questo problema. E per adottare una nuova prospettiva, cercai ispirazione al di fuori del campo dello stoccaggio energetico. Infatti guardai verso una tecnologia che non immagazzina né produce elettricità, ma invece ne consuma in grandi quantità. Sto parlando della produzione di alluminio. Il processo fu inventato nel 1886 da una coppia di 22enni - Hall negli Stati Uniti e Heroult in Francia. E solo pochi anni dopo la loro scoperta, l'alluminio è passato da metallo prezioso caro tanto quanto l'argento a materiale strutturale comune.

State vedendo la casa di celle di una moderna fonderia di alluminio. È larga circa 15 metri e lunga circa un chilometro - file e file di celle che, all'interno, assomigliano alla pila di Volta, con tre importanti differenze. La pila di Volta funziona a temperatura ambiente. È dotata di elettrodi solidi e un elettrolita che è una soluzione di acqua e sale. La cella di Hall-Heroult funziona ad alta temperatura, sufficientemente elevata per mantenere l'alluminio liquido. L'elettrolita non è una soluzione di acqua e sale, bensì di sale fuso. È questa combinazione di metallo liquido, sale fuso e alta temperatura che ci permette di inviare corrente elevata attraverso questa cosa. Oggi siamo in grado di produrre metallo vergine dal minerale a meno di un dollaro al chilo. Questo è il miracolo economico dell'elettrometallurgia moderna.

È questo che ha attirato la mia attenzione al punto che sono rimasto ossessionato dall'invenzione di una batteria in grado di catturare questa economia su scala enorme. E l'ho fatto. Ho creato una batteria completamente liquida - metalli liquidi per entrambi gli elettrodi e un sale fuso per l'elettrolita. Vi mostrerò come. Ho messo metallo liquido a bassa densità in alto, metallo liquido ad alta densità in basso, e sale fuso tra i due.

Quindi ora, come scegliere i metalli? Per me, l'esercizio di progettazione inizia sempre da qui, dalla tavola periodica, formulata da un altro professore, Dmitri Mendeleev. Tutto quello che sappiamo è costituito da una combinazione di ciò che vedete raffigurato qui. E questo include i nostri corpi. Ricordo il giorno in cui cercavo un paio di metalli che potessero soddisfare le esigenze di abbondanza in natura, densità diversa e opposta, e alta reattività reciproca. Ho provato un'emozione incredibile quando ho capito di aver trovato la risposta. Magnesio per lo strato superiore. E antimonio per lo strato inferiore. Sapete, devo dirvelo, uno dei più grandi vantaggi dell'essere un professore: gessetti colorati.

(Risate)

Quindi, per generare corrente, il magnesio perde due elettroni per diventare ione di magnesio che poi migra attraverso l'elettrolita, accetta due elettroni dall'antimonio, e poi si mescola con questo per formare una lega. Gli elettroni vanno a lavorare nel mondo reale qui, alimentando i nostri apparecchi. Ora, per caricare la batteria, colleghiamo una fonte di elettricità. Potrebbe essere qualcosa di simile a un parco eolico. E poi invertiamo la corrente. Questo costringe il magnesio a scindersi e ritornare all'elettrodo superiore, ripristinando la costituzione iniziale della batteria. E la corrente che passa tra gli elettrodi genera calore sufficienti a mantenere costante la temperatura.

È molto bello, almeno in teoria. Ma funziona davvero? Allora, cosa si fa dopo? Andiamo in laboratorio. Ora, posso assumere professionisti esperti? No, assumo uno studente e lo preparo, gli insegno come pensare al problema per vederlo dal mio punto di vista e poi lo lascio libero. Questo è lo studente, David Bradwell, che in questa immagine sembra chiedersi se questa cosa funzionerà mai. Quello che non ho detto a David al momento è che nemmeno io ero convinto che avrebbe funzionato.

Ma David è giovane e intelligente e vuole un dottorato di ricerca, e prosegue a costruire - (Risate) Procede a costruire la prima batteria a metallo liquido di questa chimica. E sulla base dei primi risultati promettenti di David, che sono stati pagati con i fondi del MIT, sono riuscito ad ottenere grandi finanziamenti per la ricerca dal settore privato e dal governo federale. E questo mi ha permesso di ampliare il mio gruppo a 20 persone, un mix di studenti laureati, dottori di ricerca e anche alcuni laureandi.

Sono riuscito a reclutare persone veramente valide, persone che condividono la mia passione per la scienza e il servizio alla società e non scienza e servizio per fare carriera. E se chiedete a queste persone perché lavorano sulla batteria a metallo liquido, la loro risposta risalirebbe alle osservazioni del Presidente Kennedy, fatte alla Rice University nel 1962, quando disse - e qui mi prendo delle libertà - "Abbiamo scelto di lavorare sullo stoccaggio dell'energia in rete non perché sia ​​facile, ma perché è difficile".

(Applausi)

Questa è l'evoluzione della batteria a metallo liquido. Iniziamo qui con il nostro cavallo di battaglia: la cella di un wattora. Io la chiamo il "cicchetto". Ne abbiamo costruite oltre 400, perfezionando il loro rendimento con una varietà di composizioni chimiche - non solo magnesio e antimonio. Nel processo siamo passati alla cella di 20 wattora. Io la chiamo il "disco da hockey". E abbiamo ottenuto gli stessi notevoli risultati. E poi era sul piattino. Questa è di 200 wattora. La tecnologia si stava dimostrando solida e scalabile. Ma il ritmo non era abbastanza veloce per noi. Così un anno e mezzo fa, io e David, insieme ad un altro membro dello staff di ricerca, abbiamo formato una società per accelerare il ritmo dei progressi e la corsa per la fabbricazione del prodotto.

Oggi nella LMBC, stiamo costruendo celle di 41 cm di diametro con una capacità di un chilowattora - 1.000 volte la capacità dell'iniziale cella cicchetto. Noi la chiamiamo "pizza". E poi è già in fase di sviluppo una cella di quattro chilowattora che avrà un diametro di 90 centimetri. Noi la chiamiamo il "tavolo da bistrot", ma non è ancora pronta per essere mostrata. E una variante della tecnologia ci consente di impilare questi tavoli da bistrot in moduli, che vengono aggiunti in una batteria gigante che si inserisce in un container di 12 metri per il collocamento sul campo. E questa ha una capacità nominale di due megawattora - due milioni di wattora. Energia sufficiente a soddisfare il fabbisogno giornaliero di energia elettrica di 200 famiglie americane. Eccolo qui, l'accumulatore dell'energia di rete: silenzioso, a emissioni zero, senza parti in movimento, telecomandato, progettato per un prezzo di mercato senza sovvenzioni.

Quindi, che cosa abbiamo imparato da tutto questo? (Applausi) Che cosa abbiamo imparato da tutto questo? Vorrei condividere con voi alcune sorprese, le idee non convenzionali. Non si notano ad occhio nudo. Temperatura: Il buon senso suggerisce di mantenerla a basso livello, a temperatura ambiente o quasi, e poi installare un sistema di controllo per mantenerla costante. Evitare fughe termiche. La batteria a metallo liquido è progettata per funzionare a temperature elevate con regolazione minima. La nostra batteria è in grado di gestire altissime temperature che provengono dagli sbalzi di tensione. Proporzione: Il senso comune suggerisce di ridurre i costi aumentando la produzione. Le batterie a metallo liquido sono state progettate per ridurre i costi producendo meno, ma saranno più grandi. E infine, le risorse umane: Il senso comune suggerisce di assumere esperti della batteria, professionisti stagionati, che possano sfruttare la loro grande esperienza e la conoscenza. Per sviluppare la batteria a metallo liquido, ho assunto studenti e dottori di ricerca e li ho guidati. In una batteria, cerco di massimizzare il potenziale elettrico; quando sono il mentore, cerco di massimizzare il potenziale umano. Quindi, vedete, la storia della batteria a metallo liquido più che un racconto sull'invenzione della tecnologia, è un progetto per creare inventori, ad ampio spettro.

(Applausi)