Дональд Садовэй: Недостающее звено на пути к возобновляемой энергии

Электроэнергия для освещения этого зала была произведена всего несколько секунд назад. Потому что дела сегодня обстоят так, что спрос и предложение электроэнергии должны находиться в постоянном равновесии. Если бы за время, что мне понадобилось для выхода на сцену, десятки мегаватт энергии ветра не попали в энергосистему, разницу нужно было бы тут же покрыть за счёт других источников. Но ни угольная, ни ядерная электростанции не способны так быстро реагировать. А вот большой аккумулятор смог бы. С помощью большого аккумулятора мы смогли бы решить проблему перебоев в подаче энергии, не позволяющих сегодня солнцу и ветру на равных с углём, газом и ядерной энергией участвовать в энергосистеме.

Видите ли, аккумулятор — это ключевой помощник. С его помощью мы могли бы пользоваться энергией солнца, даже когда оно не светит. И это всё меняет. Потому что тогда возобновляемая энергия — ветер и солнечный свет — выйдут из тени и займут центральное место. Сегодня я хочу рассказать вам про такое устройство. Оно называется жидкометаллический аккумулятор. Это новый тип энергонакопителя, изобретённый мной в MIT в сотрудничестве с группой студентов и докторантов.

В этом году TED назвал свою конференцию «Полный спектр». Оксфордский словарь английского языка вот так определяет слово «спектр»: «Полный набор волн электромагнитного излучения, начиная с самых длинных радиоволн до кратчайших гамма-лучей, где видимый свет является лишь малой частью». Поэтому сегодня я не только расскажу как наша группа в MIT использовала природу для решения одной из серьёзных мировых проблем. Я хочу использовать весь спектр, чтобы рассказать как в процессе разработки этой новой технологии мы столкнулись с удивительными неординарными идеями, которые могут служить примерами инновации, идеями, достойными распространения. И если мы хотим вытащить нашу страну из сложившейся энергетической ситуации, на одной только экономии, на новых нефтяных скважинах, или на постоянных бомбёжках далеко не уедешь. Мы прибегнем к старому доброму американскому способу — мы вместе изобретём новое решение.

(Аплодисменты)

Приступим. Батарею изобрёл 200 лет назад Алессандро Вольта, профессор Падуанского университета в Италии. Его изобретение положило начало новому направлению в науке — электрохимии, и новым технологиям, таким как гальванотехника. Недооценённым в изобретении батареи Алессандром Вольта осталось то, что оно впервые продемонстрировало пользу профессуры. (Смех) До Вольта никто даже представить себе не мог, что профессора на что-то годны.

Вот она — первая батарея: стопка монет, цинк и серебро, разделённые замоченной в рассоле картонкой. Это — отправная точка в конструкции батареи: два электрода, в данном случае — металлы разного состава, и электролит, в данном случае — растворённая в воде соль. Такая вот простая наука. За исключением нескольких опущенных мной деталей.

Я объяснил вам, что основы науки о батареях просты и доказал, что есть необходимость создания накопителя для энергосистемы. Но проблема в том, что на сегодняшний день не существует технологии, которая дала бы нам аккумулятор, способный удовлетворить высоким требованиям энергосистемы, таким как большая мощность, долгий срок службы и очень низкая себестоимость. Нам нужно по-другому подойти к проблеме. Нужно мыслить масштабно. Нужно мыслить экономично.

Давайте отложим в сторону подход по поиску самого прогрессивного химического соединения и его дальнейшего массового производства в целях снижения себестоимости нашего продукта. Давайте лучше приведём наше изобретение в соответствие с ценами на рынке электроэнергии. Получится, что некоторые элементы периодической таблицы нельзя использовать по определению. Наш аккумулятор должен состоять из элементов, которых много в природе. Как говорится, хочешь, чтобы что-то стоило дешевле пареной репы, сделай это из пареной репы. (Смех) А ещё лучше, если репа выращена тут же по соседству. Нам нужно соорудить эту штуку с помощью простых технологий на производстве, которое не обойдётся нам в целое состояние.

Таким образом, шесть лет назад я начал размышлять над этой проблемой. В поисках свежих решений я обратился к областям науки, не связанным с проблемами хранения электричества. Моё внимание привлекла технология, которая не имеет отношения ни к хранению, ни к производству электричества. Эта технология, напротив, потребляет электроэнергию в огромных количествах. Я говорю о производстве алюминия. Этот процесс был изобретён в 1886-м году двумя молодыми людьми 22-х лет: Чарльзом Холлом в США и Полем Эру во Франции. И всего несколько лет спустя после их открытия алюминий превратился из драгоценного металла, по стоимости равного серебру, в обыденный строительный материал.

Перед вами цех электролиза современного завода по производству алюминия. Это помещение шириной в 15 метров и уходящее вглубь на 800 метров. Вы видите ряды электролизных ванн, внутри очень похожих на батарею Вольта, но с тремя серьёзными отличиями. Батарея Вольта работает при комнатной температуре, внутри у неё твердые электроды, а электролитом служит водно-солевой раствор. Электролизер Холла-Эру работает при высоких температурах, настолько высоких, чтобы полученный алюминий оставался жидким. Электролитом служит не водно-солевой раствор, а расплавленная соль. И вот это сочетание жидкого металла, расплавленной соли и высокой температуры позволяет пропускать через него ток. Сегодня мы можем получать чистый металл из руды по цене 50 центов за фунт. Это — экономическое чудо современной электрометаллургии.

Именно это привлекло моё внимание до такой степени, что я стал одержим идеей создания батареи, которая использовала бы преимущества эффекта масштаба. И у меня получилось. Я создал полностью жидкую батарею: оба электрода из жидких металлов и расплавленная соль в качестве электролита. Сейчас покажу. Сверху я поместил жидкий металл низкой плотности, снизу — жидкий металл высокой плотности, а между ними — расплавленная соль.

А как теперь выбрать подходящие металлы? Любое проектирование для меня всегда начинается с периодической таблицы, разработанной другим профессором, Дмитрием Менделеевым. Всё в природе состоит из комбинации элементов, представленных здесь. Включая наши собственные тела. Я хорошо помню тот момент, когда в поисках пары металлов, которые бы отвечали заданным параметрам — природное изобилие, различная, противоположная плотность и высокая взаимная реактивность, я вдруг понял, что нашёл решение проблемы. Магний — для верхнего слоя. И сурьма — для нижнего слоя. Знаете, какое самое большое преимущество в должности профессора? Цветной мел.

(Смех)

Чтобы создать электрический ток, магний отдаёт два электрона, превращаясь в ион магния, который затем проходит через электролит, получает два электрона сурьмы и, смешиваясь с ней, формирует сплав. Электроны при этом работают нам на благо, питая наши электроустройства. Чтобы зарядить наш аккумулятор, нам нужно к нему подключить источник электричества. Таковым может служить, например, ветряная электростанция. И затем мы меняем направление тока. Это заставляет магний разорвать сплав и вернуться к верхнему электроду, вернув батарею в исходное состояние. При этом ток, проходящий между электродами, производит достаточно тепла для поддержания нужной температуры.

Это довольно круто, по крайней мере в теории. Но будет ли это работать на практике? И что делать дальше? Мы отправляемся в лабораторию. Взял ли я на работу опытных специалистов? Нет, я нанял студента и стал его учить, объяснил, как подойти к проблеме и увидеть её моими глазами. А потом я отпустил поводок. Вот этот студент — Дэвид Брэдвелл. На этом фото он, похоже, размышляет о том, заработает ли эта штука вообще. Я тогда не сказал Дэвиду, что сам не был уверен, что она заработает.

Но Дэвид был молод и умён, ему нужна была докторская степень, поэтому он стал собирать... (Смех) Он стал собирать первый в мире жидкометаллический аккумулятор такого химического состава. И уже основываясь на первых обнадёживающих результатах, полученных Дэвидом, и оплаченных из фондов MIT, мне удалось заручиться финансовой поддержкой частных и государственных инвесторов и продолжить исследования. Я смог расширить свою группу до 20 сотрудников: я собрал вместе аспирантов, докторантов и даже несколько студентов.

Мне удалось привлечь к работе очень хороших ребят, которые разделяли мою страсть к науке и служению обществу, а не к науке и карьерному росту. И если вы спросите этих ребят, зачем они работают над жидкометаллическим аккумулятором, в их ответе вы услышите слова президента Кеннеди, сказанные в 1962-м на выступлении в университете Райса. Я возьму на себя смелость перефразировать: «Мы выбираем работу над накопителем для энергосистемы не потому, что это просто, а потому что это трудно».

(Аплодисменты)

Перед вами этапы разработки жидкометаллического аккумулятора. Начнём с нашей рабочей лошадки — одноваттного элемента. Я назвал его «рюмка». Мы разработали более 400 таких аккумуляторов, постоянно улучшая их производительность с помощью разных химических элементов, не только магния и сурьмы. Попутно мы увеличили мощность аккумулятора до 20 ватт в час. Этот аккумулятор я назвал «шайба». С ним мы добились таких же выдающихся результатов. А потом дело дошло до блюдца. Это уже 200 ватт в час. Наша технология показала себя надёжной и масштабируемой. Но такой темп казался нам слишком медленным. Поэтому полтора года назад мы с Дэвидом и ещё одним членом нашей исследовательской группы создали компанию, чтобы ускорить прогресс и побыстрее выпустить продукт на рынок.

Сегодня наша компания, LMBC, производит аккумуляторы 40.5 см в диаметре и мощностью в 1 киловатт-час: в 1 000 раз мощнее, чем наша первая «рюмка». Этот аккумулятор мы назвали «пицца». А на горизонте у нас элемент мощностью в 4 киловатт-час и диаметром в 90 см. Его мы называем «столик в бистро», но это ещё рано кому-либо показывать. Одно из возможных применений нашей технологии — сложить крышки «столиков» в модули и собрать множество модулей в один гигантский аккумулятор, помещающийся в 12-метровый контейнер для перевозки, установки и введения в эксплуатацию. Расчётная мощность этого аккумулятора — 2 мегаватт-час, 2 миллиона ватт в час. Такого количества энергии достаточно для удовлетворения повседневных электрических нужд 200 американских семей. Вот такой накопитель для энергосистемы: бесшумный, не загрязняющий атмосферу, не содержащий подвижных частей, управляемый на расстоянии, разработанный с учётом рыночной цены без субсидий.

Какой урок мы извлекли из всего этого? (Аплодисменты) Какой урок мы извлекли из всего этого? Разрешите мне поделиться с вами некоторыми сюрпризами и неординарными идеями. Их не заметишь невооружённым взглядом. Температура: здравый смысл подсказывает держать её низкой, приближенной к комнатной температуре, и установить систему контроля за её поддержанием. Избегать бесконтрольного роста температуры. Жидкометаллический аккумулятор может работать при высоких температурах с минимальным контролем. Он может выдерживать большие температурные скачки, возникающие из-за перепадов напряжения. Масштабируемость: здравый смысл подсказывает сокращать себестоимость за счёт увеличения производства. Жидкометаллический аккумулятор устроен так, что его стоимость будет низкой при небольших объёмах производства, но сами аккумуляторы будут больше. И наконец кадровый вопрос: здравый смысл подсказывает привлекать к работе экспертов, опытных профессионалов в вопросах устройства аккумуляторов, несущих с собой широкие знания и опыт. Для разработки жидкометаллического аккумулятора я взял на работу студентов и докторантов и обучил их. От моего аккумулятора я старался добиться максимального электрического потенциала. В моих учениках я старался максимально реализовать потенциал человеческий. Поэтому история жидкометаллического аккумулятора, это не просто рассказ о новом техническом изобретении, это руководство по становлению изобретателей в полном спектре.

(Аплодисменты)