Donald Sadoway: Chýbajúce ohnivko k obnoviteľnej energii

Elektrina pre svetlá v tomto divadle bola vygenerovaná iba pred pár chvíľami. Kvôli tomu, ako sa veci dnes majú, dopyt po elektrine musí byť v neustálej rovnováhe s dodávkou elektriny. Ak by počas doby, čo som vyšiel na toto pódium, niekoľko desiatok MW veternej energie prestalo prúdiť do siete, ten rozdiel by musel byť vyrobený okamžite z iných generátorov. Ale uhoľné elektrárne, jadrové elektrárne nedokážu reagovať dosť rýchlo. Obrovská batéria by mohla. S obrovskom batériou by sme boli schopní venovať sa problému nespojitosti, ktorá zabraňuje vetru a slnku, aby prispievali do siete rovnakým spôsobom, ako dnes prispieva uhlie, plyn a jadro.

Vidíte, že batéria je tu kľúčovým sprístupňujúcim zariadením. S ňou by sme mohli ťahať elektrinu zo slnka, aj keď slnko nesvieti. A to mení všetko. Pretože potom obnoviteľné zdroje ako vietor, či slnko prichádzajú zo zákulisia sem, do stredu javiska. Dnes vám chcem porozprávať o takom zariadení. Volá sa batéria s tekutým kovom. Je to nová forma skladovania energie, ktorú som vyvinul na MIT spolu s tímom mojich študentov a postgraduálov.

Témou tohtoročnej konferencie TED je Plné spektrum. Oxfordský slovník angličtiny definuje spektrum ako "celý rozsah vlnových dĺžok elektromagnetického žiarenia, od najdlhších rádiových vĺn po najkratšie gamma lúče, z ktorých rozsah viditeľného svetla je iba malou časťou." Takže som tu dnes, len na to, aby som vám povedal ako môj tím na MIT vytiahol z prírody riešenie na jeden z najväčších svetových problémov. Chcem ísť do celého spektra a povedať vám, ako, v procese vývoja tejto novej technológie, sme odhalili nejaké prekvapujúce bludárstva, ktoré môžu slúžiť ako lekcie pre inováciu, nápady hodné šírenia. A viete, ak ideme túto krajinu dostať z jej súčasnej energetickej situácie, nemôžeme sa z nej jednoducho dostať šetrením; nemôžeme sa z nej jednoducho dostať vrtmi; nemôžeme sa z nej dostať bombardovaním. Ideme to urobiť staromódnym americkým spôsobom, ideme sa z toho dostať vynaliezaním, pracujúc spolu.

(Potlesk)

Takže začnime. Batéria bola vymyslená asi pred 200 rokmi profesorom, Alessandrom Voltom, na Padovskej univerzite, v Taliansku. Jeho vynálezy nechali vyrásť novému vedeckému odvetviu, elektrochémii, a novým technológiám, ako napríklad pokovovanie. Čo bolo možno prehliadnuté, Voltov vynález batérie po prvý krát tiež preukázal užitočnosť profesora. (Smiech) Až do Voltových čias, nik si nevedel predstaviť, že by profesor mohol byť na niečo dobrý.

Tu je prvá batéria -- stĺpec mincí, zinku a striebra, oddelených kartónom, namočeným v soľanke. Toto je počiatočný bod pre návrh batérie -- dve elektródy, v tomto prípade kovy rôzneho zloženia a elektrolyt, v tomto prípade soľ rozpustená vo vode. Až tak jednoduchá je veda. Je pravda, že som vynechal zopár detailov.

Už som vás naučil, že veda o batériách je priamočiara a potreba úložiska sieťových parametrov je zaujímavá, ale faktom je, že dnes jednoducho nie je žiadna batériová technológia, ktorá by bola schopná spĺňať náročné výkonnostné kritériá siete -- menovite nezvyčajne vysoký výkon, dlhá prevádzková životnosť a super-nízke náklady. Potrebujeme rozmýšľať o probléme inak. Potrebujeme rozmýšľať vo veľkom, potrebujeme rozmýšľať lacno.

Takže opusťme ten vzor "poďme hľadať najkúlovejšiu chémiu, a potom snáď poženieme krivku nákladov dole tým, že vyrobíme množstvá produktov." Namiesto toho, poďme vynachádzať príslušne k cenám na trhu s elektrinou. Takže to znamená, že niektoré časti periodickej tabuľky prvkov sú, samozrejme, za limitmi. Túto batériu treba urobiť z prvkov, na ktoré je zem bohatá. Ja hovorím, ak chcete niečo spraviť lacné ako hlina, urobte to z hliny -- (smiech) pokiaľ možno z hliny, ktorej zdroj je v danom mieste. A potrebujeme, aby sme tú vec boli schopní postaviť použijúc jednoduché výrobné techniky a továrne, ktoré nás nestoja majetok.

Takže pred asi šiestimi rokmi som začal rozmýšľať o tomto probléme. A aby som prebral čerstvú perspektívu, hľadal som inšpiráciu až za oblasťou skladovania elektriny. Po pravde, pozrel som sa na technológiu, ktorá ani neskladuje, ani negeneruje elektrinu, ale namiesto toho elektrinu spotrebúva, obrovské množstvá. Hovorím o výrobe hliníka. Tento proces bol vynájdený v roku 1886 dvojicou 22-ročných -- Hallom v Spojených štátoch a Heroultom vo Francúzsku. A iba po pár krátkych rokoch, ktoré nasledovali po vynáleze, hliník sa zmenil zo vzácneho kovu s cenou ako striebro na bežný stavebný materiál.

Dívate sa na "brigádu" modernej hliníkarne. Na šírku má asi 15 metrov a tiahne sa asi 800 metrov -- rad za radom buniek, ktoré vnútri pripomínajú Voltovu batériu, s tromi dôležitými rozdielmi. Voltova batéria pracuje pri izbovej teplote. Je vybavená pevnými elektródami a elektrolytom, ktorý je roztokom soli a vody. Hall-Heroultova bunka pracuje pri vysokej teplote, teplote dosť vysokej na to, aby bol výsledný kov hliníka tekutý. Elektrolytom nie je roztok soli a vody, ale skôr soľ, ktorá je roztopená. Práve táto kombinácia tekutého kovu, roztavenej soli a vysokej teploty, ktorá nám umožňuje posielať cez túto vec vysoký prúd. Dnes vieme vyrobiť panenský kov z rudy za menej ako 50 centov za pol kila. To je ekonomický zázrak modernej elektrometalurgie.

Práve to bolo to, čo upútalo moju pozornosť až do takej miery, že som sa stal posadnutý vynaliezaním batérie, ktorá by mohla obsiahnuť túto gigantickú ekonomiku rozmerov. A aj som to dokázal. Spravil som batériu celú tekutú -- tekuté kovy ako obe elektródy a roztavená soľ ako elektrolyt. Ukážem vám ako. Tak som dal tekutý kov s nízkou hustotou navrch, tekutý kov s vysokou hustotou na dno a roztavenú soľ medzi.

Takže teraz, ako vybrať kovy? Pre mňa vykonanie návrhu vždy začína tu, s periodickou tabuľkou, formulovanou ďalším profesorom, Dimitriom Mendelejevom. Všetko, čo poznáme, je vyrobené z nejakej kombinácie toho, čo tu vidíte zobrazené. A to vrátane našich vlastných tiel. Pamätám si presne na ten moment, keď som hľadal dvojicu kovov, ktoré by spĺňali podmienky veľkého množstva na Zemi, inej, opačnej hustoty a vysokej vzájomnej reaktivity. Cítil som vzrušenie, keď som vedel, že som prišiel na odpoveď. Horčík pre vrchnú vrstvu. A antimón pre spodnú vrstvu. Viete, musím vám povedať, jedna z najväčších výhod toho, že ste profesor, je: farebná krieda.

(smiech)

Takže, aby sa vyrobil prúd, horčík stráca dva elektróny, aby sa tak stal horčíkovým iónom, ktorý potom putuje cez elektrolyt, prijíma dva elektróny z antimónu, a potom sa s ním zmieša, čím vytvorí zliatinu. Elektróny idú do práce tam vonku v skutočnom svete, napájajúc naše zariadenia. Aby sa batéria nabila, pripojíme zdroj elektriny. Môže to byť niečo ako veterná farma. A potom obrátime prúd. A to prinúti horčík, aby sa rozložil a vrátil späť k hornej elektróde, čím obnoví pôvodné zloženie batérie. A prúd prechádzajúci medzi elektródami generuje dosť tepla, aby si udržali teplotu.

Je to celkom kúlové, teda aspoň teória. Ale funguje to naozaj? Takže, čo urobiť ďalej? Ideme do laboratória. Najmem si ostrieľaných profesionálov? Nie, najmem si študenta a školím ho, učím ho, ako rozmýšľať o probléme, aby ho videl z mojej perspektívy, a potom ho vypustím. Toto je ten študent, David Bradwell, ktorý, na tejto fotke, vyzerá, že premýšľa, či táto vec bude niekedy fungovať. Čo som ale Davidovi vtedy nepovedal, bolo, že ani ja sám som nebol presvedčený, že to bude fungovať.

Ale David je mladý a bystrý a chce Ph.D. a pristúpi ku stavbe -- (smiech) Pristúpi ku stavbe vôbec prvej batérie s tekutým kovom tohto chemického zloženia. A na základe Davidových prvotných sľubných výsledkov, ktoré boli financované z dotácii pre MIT, bol som schopný pritiahnuť významné výskumné dotácie zo súkromného sektora a z federálnej vlády. A to mi dovolilo zväčšiť moju skupinu na 20 ľudí, zmes absolventov, postgraduálov a dokonca aj niektorých študentov.

A bol som schopný pritiahnuť skutočne, skutočne dobrých ľudí, ľudí, ktorí zdieľajú moju vášeň pre vedu a službu spoločnosti, nie vedu a službu pre budovanie kariéry. A ak sa spýtate týchto ľudí, prečo pracujú na batérii s tekutým kovom, ich odpoveď by načúvala slovám prezidenta Kennedyho na Rice University v roku 1962, kedy povedal -- troška to pozmením -- "Volíme pracovať na skladovaní na úrovni siete nie preto, že je to jednoduché, ale preto, lebo je to ťažké."

(potlesk)

Takže, toto je evolúcia batérie s tekutým kovom. Začíname tu, s naším ťahúňom, jeden watthodinovou bunkou. Volal som to poldecák. Pracovali sme s vyše 400 kusmi, zlepšovali ich výkon množstvom chemických zlúčenín -- nie iba horčíkom a antimónom. Postupne sme zväčšovali výkon na 20 Wh bunku. Volám to hokejový puk. A dostali sme rovnaké pozoruhodné výsledky. A potom sa prešlo k tanieru. To je 200 Wh. Technológia sa ukazovala ako robustná a škálovateľná. Ale krok nebol pre nás dosť rýchly. Takže pred rokom a pol David a ja spolu s inými členmi výskumného personálu sme založili spoločnosť, aby sme urýchlili vývoj a postup k výrobe produktu.

Takže dnes v LMBC, budujeme bunky s 40 cm v priemere, s kapacitou 1 kWh -- 1000 krát kapacita tej pôvodnej poldecovej bunky. Voláme ju pizza. A potom máme na obzore 4 kWh bunku. Bude mať v priemere 90 cm. Voláme to stôl v bistre, ale ešte nie je určený na hlavný vysielací čas. A jeden variant technológie by bol nastavať tieto bistro stoly do modulov, zoskupujúc moduly do obrovskej batérie, ktorá by sa vošla do 12-metrového kontajnera, na uloženie kdekoľvek. A tento má štítkovú kapacitu 2 MWh -- dva milióny Wh. To je dostatok energie, aby vykryl dennú spotrebu elektriny 200 amerických domácností. Takže tu to máte, skladovanie na úrovni siete: tiché, bez emisii, žiadne pohyblivé súčasti, diaľkovo riadené, navrhnuté príslušne k cenám na trhu s elektrinou bez štátneho príspevku.

Takže čo sme sa naučili z tohto celého? (potlesk) Takže čo sme sa naučili z tohto celého? Podelím sa s vami o niektoré prekvapenia, bludárstva. Ležia ďalej za tým, čo je vidieť. Teplota: Bežná učenosť hovorí, nastaviť ju nízko, na alebo blízko izbovej teploty, a potom inštalovať kontrolný systém, aby sa tam udržala. Predísť teplotným úletom. Batéria s tekutým kovom je navrhnutá, aby pracovala pri zvýšenej teplote s minimom regulácie. Naša batéria dokáže zvládnuť veľmi vysoké teplotné vzostupy, ktoré pochádzajú z prúdových nárazov. Rozmery: bežná učenosť hovorí, obmedziť cenu vyrábaním veľkého množstva. Batéria s tekutým kovom je navrhnutá, aby znížila cenu vyrábaním menšieho množstva, ale budú väčšie. A nakoniec, ľudské zdroje: Bežná učenosť hovorí, najmite expertov na batérie, ostrieľaných profesionálov, ktorí môžu čerpať zo svojej nesmiernej skúsenosti a z vedomostí. Aby som vyvinul batériu s tekutým kovom, najal som študentov a postgraduálov a školil ich. Pri batérii sa snažím maximalizovať elektrický potenciál; keď školím, snažím sa maximalizovať ľudský potenciál. Takže vidíte, príbeh o batérii s tekutým kovom je viac ako len výpoveďou o vynájdení technológie, je to návrh pre vynájdenie vynálezcov, v celom spektre.

(potlesk)