Ντόναλντ Σαντογουέι: Ο συνδετικός κρίκος που λείπει στην ανανεώσιμη ενέργεια

Ποιο είναι το κλειδί στη χρήση εναλλακτικών πηγών ενέργειας όπως τον ήλιο και τον άνεμο; Η αποθήκευση -- ώστε να έχουμε την ισχύ στο χέρι μας ακόμη και όταν ο ήλιος δεν είναι ψηλά και ο άνεμος δεν φυσάει. Σε αυτή την προσιτή, εμπνευσμένη ομιλία, ο Ντόναλντ Σαντογουέι σηκώνεται στον πίνακα για να μας δείξει το μέλλον των μπαταριών μεγάλης κλίμακας που αποθηκεύουν την ανανεώσιμη ενέργεια. Όπως ο ίδιος λέει: «Πρέπει να σκεφτούμε το πρόβλημα με διαφορετικό τρόπο. Πρέπει να σκεφτούμε σε μεγάλη διάσταση. Πρέπει να σκεφτούμε οικονομικά."

Το ηλεκτρικό ρεύμα που τροφοδοτεί τα φώτα σε αυτό το αμφιθέατρο

παράχθηκε μόλις στιγμές πριν.

Γιατί με τον τρόπο που είναι τα πράγματα σήμερα,

η ζήτηση ηλεκτρισμού πρέπει να είναι σε συνεχές ισοζύγιο

με την ηλεκτρική παροχή.

Εάν στο χρονικό διάστημα που μου πήρε να βγω σε αυτή τη σκηνή,

μερικές δεκάδες μεγαβάτ αιολικής ισχύος

έπαυαν να διοχετεύονται στο δίκτυο,

η διαφορά θα έπρεπε να καλυφθεί

αμέσως από άλλες γεννήτριες .

Αλλά τα θερμοηλεκτρικά εργοστάσια, τα πυρηνικά εργοστάσια

δε μπορούν να ανταποκριθούν αρκετά γρήγορα.

Μια γιγάντια μπαταρία θα μπορούσε.

Με μια γιγάντια μπαταρία,

θα ήμασταν σε θέση να αντιμετωπίσουμε το πρόβλημα των διαλείψεων

το οποίο εμποδίζει τον άνεμο και τον ήλιο

να συνεισφέρουν στο δίκτυο

με τον ίδιο τρόπο που ο άνθρακας, το αέριο και η πυρηνική ενέργεια κάνουν σήμερα.

Βλέπετε, η μπαταρία

είναι η καθοριστική συσκευή εδώ.

Με αυτή, θα μπορούσαμε να αντλήσουμε ηλεκτρισμό από τον ήλιο

ακόμα και όταν ο ήλιος δε λάμπει.

Και αυτό αλλάζει τα πάντα.

Γιατί τότε οι ανανεώσιμες πηγές

όπως ο άνεμος και ο ήλιος

βγαίνουν από τις φτερωτές,

εδώ στην κεντρική σκηνή.

Σήμερα θέλω να σας πω για μια τέτοια συσκευή.

Ονομάζεται μπαταρία υγρού μετάλλου.

Είναι μια νέα μορφή αποθήκευσης ενέργειας

την οποία ανακάλυψα στο ΜΙΤ

μαζί με μια ομάδα φοιτητών μου

και μετα-διδακτορικών.

Λοιπόν το θέμα του φετινού συνεδρίου του TED είναι το Πλήρες Φάσμα

Το OED (Oxford English Dictionary) ορίζει το φάσμα

ως "Ολόκληρο το εύρος μηκών κύματος

ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας,

από τα μακρύτερα ραδιοκύματα ως τις βραχύτερες ακτίνες γάμμα

από το οποίο το εύρος ορατού φωτός

αποτελεί μόνο ένα μικρό τμήμα."

Έτσι δεν είμαι εδώ σήμερα μόνο για να σας πω

πως η ομάδα μου στο ΜΙΤ εξήγαγε από τη φύση

μια λύση σε ένα από τα μεγάλα προβλήματα του κόσμου.

Θέλω να προχωρήσω στο πλήρες φάσμα και να σας πω πως,

στη διαδικασία ανάπτυξης

αυτής της νέας τεχνολογίας,

αποκαλύψαμε κάποιες εκπληκτικές ετεροδοξίες

που μπορούν να λειτουργήσουν σαν μαθήματα καινοτομίας,

ιδέες που αξίζει να διαδοθούν

Και ξέρετε,

αν πρόκειται να βγάλουμε τη χώρα από την τρέχουσα ενεργειακή της κατάσταση,

δε μπορούμε απλά να συντηρήσουμε τη διέξοδό μας,

δε μπορούμε απλά να διατρήσουμε τη διέξοδό μας,

δε μπορούμε να ανατινάξουμε τη διέξοδό μας.

Πρόκειται να το κάνουμε με τον παλιομοδίτικο Αμερικανικό τρόπο,

πρόκειται να ανακαλύψουμε τη διέξοδό μας,

συνεργαζόμενοι.

(Χειροκρότημα)

Λοιπόν ας ξεκινήσουμε.

Η μπαταρία εφευρέθηκε περίπου πριν από 200 χρόνια

από ένα καθηγητή, τον Αλεσάντρο Βόλτα,

στο Πανεπιστήμιο της Πάδοβας στην Ιταλία.

Η εφεύρεσή του γέννησε ένα νέο επιστημονικό πεδίο,

την ηλεκτροχημεία,

και νέες τεχνολογίες

όπως την ηλεκτρόλυση.

Ίσως έχει παραβλεφθεί,

η εφεύρεση της μπαταρίας από τον Βόλτα

για πρώτη φορά επίσης

επέδειξε τη χρησιμότητα ενός καθηγητή.

(Γέλιο)

Μέχρι τον Βόλτα, κανένας δε μπορούσε να φανταστεί

ότι ένας καθηγητής θα μπορούσε να έχει κάποια χρησιμότητα.

Εδώ είναι η πρώτη μπαταρία --

ένας σωρός από νομίσματα, ψευδάργυρο και άργυρο,

διαχωρισμένα από χαρτόνι διαποτισμένο με άλμη.

Αυτή είναι η αφετηρία

για το σχεδιασμό μιας μπαταρίας --

δυο ηλεκτρόδια,

σε αυτή την περίπτωση μέταλλα διαφορετικής σύστασης,

και ένας ηλεκτρολύτης

σε αυτή την περίπτωση αλάτι διαλυμένο σε νερό.

Η επιστήμη είναι τόσο απλή.

Ομολογουμένως, παρέλειψα μερικές λεπτομέρειες.

Τώρα σας έχω διδάξει

ότι η επιστήμη των μπαταριών είναι απλή

και η ανάγκη για αποθήκευση σε επίπεδο δικτύου

είναι επιτακτική,

αλλά το γεγονός είναι

ότι σήμερα απλά δεν υπάρχει τεχνολογία μπαταριών

ικανή να ανταποκριθεί

στις υψηλές απαιτήσεις απόδοσης του δικτύου --

συγκεκριμένα ασυνήθιστα υψηλή ισχύ,

μεγάλη διάρκεια ζωής

και εξαιρετικά χαμηλό κόστος.

Πρέπει να σκεφτούμε το πρόβλημα με διαφορετικό τρόπο.

Πρέπει να σκεφτούμε σε μεγάλη διάσταση,

πρέπει να σκεφτούμε οικονομικά.

Οπότε ας εγκαταλείψουμε το πρότυπο

της αναζήτησης για την πιο "δροσερή" χημεία

και μετά να ελπίζουμε ότι θα κατεβάσουμε την καμπύλη κόστους

απλά παράγοντας πολλά πολλά προϊόντα.

Αντίθετα, ας εφεύρουμε

στοχεύοντας την τιμή της αγοράς ηλεκτρισμού.

Έτσι αυτό σημαίνει

ότι συγκεκριμένα στοιχεία του περιοδικού πίνακα

είναι εξ ορισμού εκτός ορίων.

Αυτή η μπαταρία χρειάζεται να είναι κατασκευασμένη

από στοιχεία σε αφθονία στη γη.

Λέω, αν θέλετε να κάνετε κάτι φθηνό σαν το χώμα,

κάντε το από χώμα --

(Γέλιο)

κατά προτίμηση χώμα

που είναι προμηθεύσιμο τοπικά.

Και πρέπει να μπορούμε να κατασκευάσουμε αυτό το πράγμα

χρησιμοποιώντας απλές κατασκευαστικές τεχνικές και εργοστάσια

που δε μας κοστίζουν μια περιουσία.

Έτσι περίπου έξι χρόνια πριν,

άρχισα να σκέφτομαι για αυτό το πρόβλημα.

Και με σκοπό να υιοθετήσω μια φρέσκια προοπτική,

επιδίωξα έμπνευση πέρα από τον τομέα της αποθήκευσης ηλεκτρισμού.

Στην πραγματικότητα, κοίταξα προς μια τεχνολογία

που ούτε αποθηκεύει, ούτε παράγει ηλεκτρισμό,

αλλά αντίθετα καταναλώνει ηλεκτρισμό,

σε τεράστιες ποσότητες.

Μιλώ για την παραγωγή αλουμινίου.

H διαδικασία ανακαλύφθηκε το 1886

από δύο 22-χρονους --

Τον Χωλ στις Ηνωμένες Πολιτείες και τον Ερούλτ στη Γαλλία.

Και μόλις λίγα χρόνια μετά την ανακάλυψή τους,

το αλουμίνιο άλλαξε

από ένα πολύτιμο μέταλλο που κόστιζε όσο το ασήμι

σε ένα κοινό δομικό υλικό.

Βλέπετε τον κλωβό ενός σύγχρονου χυτηρίου αλουμινίου.

Είναι περίπου 50 πόδια φαρδύ

και εκτείνεται περίπου μισό μίλι --

η μια σειρά κελιών μετά την άλλη

που, εσωτερικά, μοιάζουν με τη μπαταρία του Βόλτα,

με τρεις σημαντικές διαφορές.

Η μπαταρία του Βόλτα λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου.

Είναι εξοπλισμένη με στερεά ηλεκτρόδια

και έναν ηλεκτρολύτη που είναι διάλυμα αλατιού και νερού.

Το κελί Χωλ-Ερούλτ

λειτουργεί σε ψηλή θερμοκρασία,

μια θερμοκρασία ψηλή αρκετά

για να είναι υγρό το προϊόν μετάλλου αλουμινίου.

Ο ηλεκτρολύτης

δεν είναι διάλυμα αλατιού και νερού,

αλλά αλάτι που έχει λιώσει.

Είναι αυτός ο συνδυασμός υγρού μετάλλου,

λιωμένου αλατιού και υψηλής θερμοκρασίας

που μας επιτρέπει να στέλνουμε υψηλό ρεύμα μέσα από αυτό το πράγμα.

Σήμερα, μπορούμε να παράγουμε παρθένο μέταλλο από μετάλλευμα

προς κόστος χαμηλότερο από 50 σεντς τη λίμπρα.

Αυτό είναι το οικονομικό θαύμα

της σύγχρονης ηλεκτρομηχανουργίας.

Αυτό είναι που τράβηξε την προσοχή μου

σε σημείο να παθιαστώ με την ανακάλυψη μιας μπαταρίας

που μπορούσε να συλλάβει αυτή τη γιγάντια οικονομία κλίμακας.

Και το έκανα.

Έκανα τη μπαταρία πλήρως υγρή --

υγρά μέταλλα και για τα δυο ηλεκτρόδια

και ένα λιωμένο αλάτι για τον ηλεκτρολύτη.

Θα σας δείξω πως.

Λοιπόν βάζω χαμηλής πυκνότητας

υγρό μέταλλο στην κορυφή,

βάζω ένα υψηλής πυκνότητας υγρό μέταλλο στο βάθος,

και λιωμένο αλάτι ενδιάμεσα.

Λοιπόν τώρα,

πως να διαλέξουμε τα μέταλλα;

Για μένα, η άσκηση σχεδίασης

πάντοτε ξεκινά εδώ

με τον περιοδικό πίνακα,

που διατυπώθηκε από έναν άλλο καθηγητή,

τον Ντιμίτρι Μεντελέγιεφ.

Όλα όσα ξέρουμε

είναι φτιαγμένα από κάποιο συνδυασμό

από ό,τι βλέπετε να απεικονίζεται εδώ.

Και αυτό περιλαμβάνει τα σώματά μας.

Θυμάμαι τη στιγμή ακριβώς μια μέρα

όταν έψαχνα για ένα ζεύγος μετάλλων

το οποίο θα ικανοποιούσε τους περιορισμούς

της αφθονίας στη γη,

της διαφορετικής, αντίθετης πυκνότητας

και της υψηλής αμοιβαίας αντιδραστικότητας.

Ένιωσα τη συγκίνηση της υλοποίησης

όταν ήξερα ότι είχα φτάσει στην απάντηση.

Μαγνήσιο στο πάνω στρώμα.

Και αντιμόνιο

για το κάτω στρώμα.

Ξέρετε, πρέπει να σας πω,

ένα από τα μεγαλύτερα πλεονεκτήματα του να είσαι καθηγητής:

χρωματιστή κιμωλία.

(Γέλιο)

Έτσι για να παράξει ρεύμα,

το μαγνήσιο χάνει δυο ηλεκτρόνια

για να γίνει ιόν μαγνησίου,

το οποίο στη συνέχεια μετατοπίζεται κατά μήκος του ηλεκτρολύτη,

δέχεται δύο ηλεκτρόνια από το αντιμόνιο,

και μετά αναμειγνύεται με αυτό σχηματίζοντας ένα κράμα.

Τα ηλεκτρόνια πάνε για δουλειά

στον πραγματικό κόσμο εδώ έξω,

τροφοδοτώντας τις συσκευές μας

Τώρα για να φορτίσουμε τη μπαταρία,

συνδέουμε μια πηγή ηλεκτρισμού.

Θα μπορούσε να είναι κάτι σαν ένα αιολικό πάρκο.

Και μετά αντιστρέφουμε το ρεύμα.

Και αυτό αναγκάζει το μαγνήσιο να αποκραματοποιηθεί

και να επιστρέψει στο άνω ηλεκτρόδιο,

αποκαταστώντας την αρχική κατάσταση της μπαταρίας.

Και το ρεύμα που περνά ανάμεσα στα ηλεκτρόδια

γεννά αρκετή θερμότητα για να το διατηρεί στην ακριβή θερμοκρασία.

Είναι αρκετά πρωτότυπο,

τουλάχιστον στη θεωρία.

Όμως δουλεύει στ'αλήθεια;

Λοιπόν τι κάνουμε μετά;

Πάμε στο εργαστήριο.

Τώρα προσλαμβάνω έμπειρους επαγγελματίες;

Όχι, προσλαμβάνω ένα φοιτητή

και τον κατευθύνω,

τον διδάσκω πως να σκεφτεί για το πρόβλημα,

να το δει από την δική μου προοπτική

και μετά τον απελευθερώνω.

Αυτός είναι εκείνος ο φοιτητής, ο Ντέιβιντ Μπράντγουελ,

ο οποίος, σε αυτή τη φωτογραφία,

μοιάζει να αναρρωτιέται αν αυτό το πράγμα θα δουλέψει ποτέ.

Αυτό που δεν είπα στον Ντέιβιντ τότε

ήταν ότι εγώ ο ίδιος δεν ήμουν πεπεισμένος ότι θα δούλευε.

Αλλά ο Ντέιβιντ είναι νέος και είναι έξυπνος

και θέλει ένα διδακτορικό,

και προχωρά να το κατασκευάσει --

(Γέλιο)

Προχωρά να κατασκευάσει

την εντελώς πρώτη μπαταρία υγρού μετάλλου

αυτής της χημείας.

Και βασισμένος στα αρχικά υποσχόμενα αποτελέσματα του Ντέιβιντ,

τα οποία πληρώθηκαν

με κεφάλαια αρχικής ώθησης στο ΜΙΤ,

μπόρεσα να προσελκύσω σημαντική χρηματοδότηση της έρευνας

από τον ιδιωτικό τομέα

και την ομοσπονδιακή κυβέρνηση.

Και αυτό μου επέτρεψε να επεκτείνω την ομάδα μου στα 20 άτομα,

ένα μείγμα μεταπτυχιακών φοιτητών, μεταδιδακτορικών

και ακόμα και μερικών προπτυχιακών.

Και μπόρεσα να προσελκύσω πραγματικά, πραγματικά καλούς ανθρώπους,

ανθρώπους που μοιράζονται το πάθος μου

για επιστήμη και υπηρεσία στην κοινωνία,

όχι επιστήμη και υπηρεσία για οικοδόμηση καριέρας.

Κι αν ρωτήσετε αυτούς τους ανθρώπους

γιατί δουλεύουν στην μπαταρία υγρού μετάλλου,

η απάντησή τους θα αφουγκραζόταν

τα σχόλια του Προέδρου Κέννεντυ

στο Πανεπιστήμιο Ράις το 1962

όταν είπε -- και εδώ κάνω ελεύθερη απόδοση --

"Επιλέγουμε να εργαστούμε στην αποθήκευση σε επίπεδο δικτύου,

όχι γιατί είναι εύκολο,

αλλά γιατί είναι σκληρό."

(Χειροκρότημα)

Λοιπόν αυτή είναι η εξέλιξη της μπαταρίας υγρού μετάλλου.

Εδώ ξεκινάμε με τον δουλευταρά μας, το κελί ενός βατ-ώρα.

Το ονόμασα σφηνάκι.

Λειτουργήσαμε πάνω από 400 από αυτά,

τελειοποιώντας τις επιδόσεις τους με ένα πλήθος χημικών --

όχι απλά μαγνήσιο και αντιμόνιο.

Στην πορεία κλιμακώσαμε μέχρι το κελί 20 βατ-ωρών.

Το ονομάζω δίσκο του χόκεϋ.

Και έχουμε τα ίδια αξιοσημείωτα αποτελέσματα.

Και μετά ήταν πάνω στο δίσκο.

Εκείνο είναι 200 βατ-ώρες.

Η τεχνολογία αυτοαποδεικνύονταν

ισχυρή και επεκτάσιμη.

Αλλά ο βηματισμός δεν ήταν γρήγορος αρκετά για εμάς.

Έτσι ενάμισι χρόνο πριν,

ο Ντέιβιντ κι εγώ,

μαζί με άλλο ένα μέλος του ερευνητικού προσωπικού,

σχηματίσαμε μια εταιρεία

για να επιταχύνουμε το ρυθμό προόδου

και την κούρσα προς το βιομηχανικό προϊόν.

Έτσι σήμερα στο LMBC,

κατασκευάζουμε κελιά διαμέτρου 16 ιντσών

με χωρητικότητα μιας κιλοβατώρας --

1,000 φορές την χωρητικότητα

από εκείνο το αρχικό σφηνάκι.

Το ονομάζουμε πίτσα.

Και μετά έχουμε ένα κελί τεσσάρων κιλοβατωρών στον ορίζοντα.

Πρόκειται να είναι διαμέτρου 36 ιντσών.

Το ονομάζουμε τραπέζι μπιστρώ,

αλλά δεν είναι ακόμα έτοιμο για προβολή σε ώρα υψηλής τηλεθέασης.

Και μια παραλλαγή της τεχνολογίας

μας βάζει να στοιβάζουμε αυτές τις επιφάνειες τραπεζιών μπιστρώ σε τμήματα

αθροίζοντας τις ενότητες σε μια γιγάντια μπαταρία

που χωρά σε ένα εμπορευματοκιβώτιο 40-ποδιών

για τοποθέτηση στην ύπαιθρο.

Κι αυτό έχει ονομαστική χωρητικότητα δυο μεγαβατ-ωρών --

δύο μεγαβατ-ώρες.

Αυτή είναι αρκετή ενέργεια

για να καλύψει τις ημερήσιες ανάγκες ηλεκτρισμού

200 Αμερικανικών νοικοκυριών.

Έτσι εδώ το έχετε, αποθήκευση σε επίπεδο δικτύου:

σιωπηλή, χωρίς εκπομπές,

όχι κινητά μέρη,

ελεγχόμενη από απόσταση,

σχεδιασμένη στην τιμή της αγοράς

χωρίς επιδότηση.

Λοιπόν τι έχουμε μάθει από όλα αυτά;

(Χειροκρότημα)

Λοιπόν τι έχουμε μάθει από όλα αυτά;

Επιτρέψτε μου να μοιραστώ μαζί σας

κάποιες από τις εκπλήξεις, τις ετεροδοξίες.

Βρίσκονται πέρα από τα προφανή.

Θερμοκρασία:

Η συμβατική σοφία λέει ρυθμίστε την χαμηλά

σε θερμοκρασία δωματίου ή παραπλήσια,

και μετά εγκαταστήστε ένα σύστημα ελέγχου να τη διατηρεί εκεί.

Αποφύγετε την θερμική απώλεια.

Η μπαταρία υγρού μετάλλου είναι σχεδιασμένη να λειτουργεί σε αυξημένη θερμοκρασία

με ελάχιστη ρύθμιση.

Η μπαταρία μας μπορεί να διαχειριστεί τις πολύ έντονες αυξήσεις θερμοκρασίας

που προέρχονται από υπερτάσεις ρεύματος.

Κλίμακα: Η συμβατική σοφία λέει

μειώστε το κόστος μέσω της μεγάλης παραγωγής.

Η μπαταρία υγρού μετάλλου είναι σχεδιασμένη να μειώνει το κόστος

παράγοντας λιγότερα, αλλά θα είναι μεγαλύτερα.

Και τελικά, οι ανθρώπινοι πόροι:

Η συμβατική σοφία λέει

νοικιάστε ειδικούς στις μπαταρίες,

ώριμους επαγγελματίες,

που μπορούν να σχεδιάσουν βασισμένοι στην τεράστια εμπειρία και τη γνώση τους.

Για την ανάπτυξη της μπαταρίας υγρού μετάλλου,

προσέλαβα φοιτητές και μετα-διδακτορικούς και τους κατεύθυνα.

Σε μια μπαταρία,

πασχίζω να μεγιστοποιήσω το ηλεκτρικό δυναμικό,

όταν κατευθύνω,

πασχίζω να μεγιστοποιήσω το ανθρώπινο δυναμικό.

Έτσι βλέπετε,

η ιστορία της μπαταρίας υγρού μετάλλου

είναι περισσότερο από ένας απολογισμός

τεχνολογικής ανακάλυψης,

είναι ένα σχεδιάγραμμα

για την ανακάλυψη εφευρετών, πλήρους φάσματος.

(Χειροκρότημα)