Donald Sadoway: Karika koja nedostaje kod obnovljivih izvora energije

Koji je to ključni faktor u korištenju alternativne energije, poput energije sunca ili vjetra? Pohrana - - kako bi nam struja odmah bila dostupna, čak i kad nema sunca ili vjetra. U ovom pristupačnom, inspirirajućem predavanju, Donald Sadoway govori o budućnosti baterija velikih razmjera koje pohranjuju obnovljivu energiju. Kao što kaže: "O problemu moramo razmišljati na drukčiji način. Moramo razmišljati na veliko. Moramo razmišljati jeftino."

Električna struja koja osvjetljava ovu dvoranu

proizvedena je prije par trenutaka.

Zbog današnje situacije,

potražnja za električnom energijom mora biti u stalnoj ravnoteži

s dostupnom električnom energijom.

Da je za vrijeme dok sam se penjao na ovu pozornicu

nekih desetaka megavata struje proizvedene u vjetroelektranama

prestalo doticati u mrežu,

razliku bi odmah nadoknadili

drugi generatori.

Termoelektrane, nuklearne elektrane

ne mogu reagirati dovoljno brzo.

Ali divovska baterija može.

Pomoću divovske baterije

mogli bismo riješiti problem intermitentnosti

koji onemogućava da vjetar i sunce

doprinose mreži

na isti način na koji danas doprinose ugljen, plin i nuklearke.

Vidite, baterija je

ključni faktor ovdje.

Pomoću nje, možemo iskoristiti el. energiju sunca

čak i kad sunce ne sija.

A to mijenja sve.

Jer tada obnovljivi izvori energije,

poput vjetra i sunca

prestaju biti periferni

i postaju jako bitni.

Danas vam želim pričati o takvom uređaju.

Zove se tekuća baterija.

To je novi način pohranjivanja energije

razvijen na MIT-u

od strane tima sačinjenog od mojih studenata

i postdoktoranata.

Tema ovogodišnje TED-ove konferencije je puni spektar.

OED definira spektar

kao: "Cijeli raspon valnih duljina

elektromagnetske radijacije,

od najdužih radio valova do najkraćih gama zraka,

gdje je raspon vidljivog svijetla

samo mali dio."

Zato vam danas neću govoriti samo o tome

kako je moj tim na MIT-u od prirode izvukao

rješenje za jedan od najvećih svjetskih problema.

Želim prijeći cijeli proces i reći vam kako smo,

u postupku razvoja

ove nove tehnologije,

otkrili nekoliko zanimljivih heterodoksija,

koje mogu dobro doći u procesu invacija,

ideja koje vrijedi podijeliti.

I znate,

ako želimo ovu zemlju izvuči iz trenutnog energetskog problema,

ne možemo zamrnznuti izlaz;

ne možemo ga pronaći ni bušenjem;

ne možemo ga ni bobmardirati.

To čemo uraditi na dobri, stari američki način,

sami ćemo izmisliti riješenje,

zajedničkim radom.

(Pljesak)

Počnimo.

Bateriju je izumio prije gotovo 200 godina

profesor Alessandro Volta,

na Sveučilištu Padova, u Italiji.

Njegov izum doveo je do razvoja nove znanstvene grane,

elektrokemije,

i novih tehnologija,

poput galvaniziranja.

Možda pomalo zanemaren,

Voltin izum baterije

po prvi pute je uz to

ukazao na korisnost profesora.

(Smijeh)

Do Volte, nitko nije mogao pojmiti

kako profesor može biti od koristi.

Evo prve baterije...

hrpa novčića, cink i srebro,

odvojeni kartonom natobljenim u slanoj vodi.

Ovo je početna točka

u stvaranju baterije...

dvije elektrode,

u ovom slučaju metali različitog sastava,

i elektrolit,

u ovom slučaju sol otopljena u vodi.

Znanost je tako jednostavna.

Priznajem, izostavio sam par detalja.

Sad sam vas podučio

kako je znanost o bateriji jednostavna,

a potreba za pohranom na razini mreže

nužnost,

ali činjenica je

kako danas jednostavo ne postoji tehnologija izrade baterija

koja može zadovoljiti

zahtjevne potreba mreže...

uglavnom neuobičajeno jake struje,

dugog vijeka trajanja

i super niskih troškova.

Problemu moramo pristupiti drukčije.

Moramo razmišljati na veliko,

moramo razmišljati jeftino.

Napustimo paradigmu

o pronalasku super kemijskog spoja

i tako ćemo, nadam se, izazvati pad krivulje troškova

proizvodnjom velike količine proizvoda.

Umjesto toga, hajdemo izumiti

nešto po cijeni pogodnoj za tržište el. energije.

To znači

kako su određeni dijelovi periodičnog sustava

aksiomatski zabranjeni.

Bateriju treba izraditi

od elemenata kojih ima u dovoljnim količinama.

Ja znam reći, ako nešto želite da bude prljavo jeftino,

izradite to od prljavštine...

(Smijeh)

po mogućnosti od prljavštine

koja je lokalno dostupna.

To moramo biti u stanju to izraditi

pomoću jednostavnih proizvodnih tehnika i tvornica

koje nas neće koštati bogatstvo.

Prije jedno šest godina,

počeo sam razmišljati o ovom problemu.

A kako bih dobio svježu perspektivu,

tražio sam inspiraciju izvan područja pohrane el. energije.

U biti, okrenuo sam se tehnologiji

koja niti čuva niti stvara el. energiju,

već je troši,

u ogromnim količinama.

Govorim o proizvodnji aluminija.

Postupak je izmišljen 1886. godine

od dvojce 22-godišnjaka...

Halla iz Sjedinjenih Država i Heroulta iz Francuske.

U samo par godina nakon njihova otrkića,

aluminijum je od

skupocijenog metala koji je koštao poput srebra

postao uobičajeni strukturni materijal.

Gledate u skup ćelija moderne tvornice aluminija.

Široka je oko 15 metara

i proteže se na gotovo jedan kilometar...

red za redom ćelija

koje, unutra, sliče Voltinoj bateriji,

ali s tri ključne razlike.

Voltina baterija radi na sobnoj temperaturi.

Sastoji se od čvrstih elektroda

i elektrolita, tj. soli otopljene u vodi.

Hall-Heroult ćelija

radi na visokoj temperaturi,

temperaturi toliko visokoj

da metal, aluminij, postaje tekući.

Elektrolit

nije sol otopljena u vodi,

već rastopljena sol.

Ova kombinacija tekućeg metala,

rastopljene soli i visoke temperature

omogućava protok jake struje kroz ovu napravu.

Danas, možemo proizvesti primarni metal iz ruda

po cijeni manjoj od 50 centi za pola kilograma.

To je ekonomsko čudo

moderne elektrometalurgije.

To je zaokupilo moju pažnju,

toliko sa sam postao opsjednut izumom baterije

koja može sadržavati ovu divovsku ekonomiju razmjera.

I to sam učinio.

Izradio sam potpuno tekuću bateriju...

tekući metali za obje elektrode

te rastopljena sol kao elektrolit.

Pokazat ću vam kako.

Na vrh sam stavio

tekući metal niske gustoće,

na dno tekući metal visoke gustoće,

a između rastopljenu sol.

E sad,

kako odabrati metale?

Ze mene, vježba stvaranja

počinje ovjde

s periodini sustavom,

koji je predstavio još jedan profesor,

Dmitri Mendeljejev.

Sve što znamo

sastoji se od neke kombinacije

ovdje navedenog.

Uključujući i naša tijela.

Sjećam se trenutka

kad sam tražio par metala

koji će odgovarati uvjetima

da ih ima u dovoljnim količinama,

da su različite, nasuportne gutoće

i visoke obostrane reaktivnosti.

Bio sam oduševljen spoznavši

kako sam našao odgovor.

Mangezij za gornji sloj.

I antimon

za donji sloj.

Znate, moram vam reći,

jedna od najboljih stavri kad ste profesor je:

kreda u boji.

(Smijeh)

Kako bi se proizvela sruja,

magnezij gubi dva elektrona,

i postaje magnezij ion,

i onda migrira po elektrolitu,

uzima dva elektrona od antimona,

te ih mješa u obliku legure.

Elektroni kreću raditi

u stavrni svijet,

napajajući naše uređaje.

Za punjenje baterije,

priključimo se na izvor el. energije.

To može biti nešto poput vjetroparka.

I onda okrećemo struju.

A to prisiljava magnezij da rastvori leguru

i vrati se gornjoj elektrodi,

vraćajući početni sastav baterije.

Struja koja prolazi izmešu elektroda

stvara dovoljno topline da je drži na odgovarajućoj temperaturi.

Super,

barem u teoriji.

Ali djeluje li to zapravo?

Što uraditi sljedeće?

Idemo u laboratorij.

Zapošljavam li iskusne profesionalce?

Ne, već studenta

kojeg podučavam,

učim ga kako razmišljati o problemu,

da ga sagleda iz moje perspektive

i onda ga puštam.

Ovo je taj student, David Bradwell,

koji se, na ovoj slici,

pita hoće li ova stvar ikad raditi.

Tad to nisam rekao Davidu,

ali ni ja nisam bio uvjeren da hoće.

Ali, David je mlad i pametan,

želi doktorirati

i nastavio je s izradom...

(Smijeh)

Nastavio je s izradom

prve tekuće baterije

ovog kemijskog sastava.

A temeljem početnih Davidovih obečavajućih rezultata,

koji su plaćeni

sredstvima MIT-a,

uspio sam privuči glavne ulagače u istraživanja

iz privatnog sektora

i savezne vlasti.

A to mi je omogućilo proširivanje tima na 20 ljudi,

kombinacija diplomaca, postdoktoranata

pa čak i nekih dodiplomaca.

Uspio sam privuči neke zaista dobre ljude,

ljude koji dijele moju strast

za znanošću i služenju društvu,

a ne znanosti i stjecanju karijere.

I ako upitate ove ljude

zašto rade na tekućoj bateriji,

njihov odgovor parafrazirat će

govor predsjenika Kennedyja

na Sveučilištu Rice 1962. godine

kad je rekao...u slobodnoj interpretaciji...

"Odabiremo raditi na pohrani na mrežnoj razini,

ne zato što je to lako,

već zato što je to teško."

(Pljesak)

Ovo je evolucija tekuće baterije.

Započeli smo s temeljnom ćelijom od jednog watt-sata.

Ja je zovem bićerin.

Radili smo na preko 400 takvih,

usavršavali njihove performanse s brojnim kemijskim spojevima...

ne samo magenzijem i antimonom.

S vremenom smo došli do ćelije od 20 watt-sata.

Zovem je hokejski pak.

I dobili smo jednako zadivljujuće rezultate.

A potom je došao tanjur.

To je 200 watt-sati.

Tehnlogija se pokazala

robusnom i skalabilnom.

Ali ritam nije bio dovoljno brz za nas.

Pa smo prije godinu i pol,

David i ja,

zajendo s ostalim članovima istraživačkog tima,

osnovali tvrtku

kako bismo ubrzali postupak napretka

i utrku za izradu proizvoda.

Tako danas u LMBC,

izrađujemo ćelije od 40 cm u promjeru

kapaciteta jednog kilowatt-sata...

1000 puta kapaciteta

one početne, "bićerin" ćelije.

Zovemo je pizza.

A onda je u planu bila ćelija od četiri kilowatt-sata.

Imat će promjer od 90 cm.

Zovemo je restoranski stol,

ali još nije spremna za gledanje u udarnom terminu.

A jedna varijanta tehnologije

omogućila nam je slaganje ovih restoranskih stolova u module,

agregirajući module u divovsku bateriju

koja stane u kontejner za prijevoz od 36 m,

koji se može postaviti u polje.

A ima nominalni kapacitet od dva megawatt-sata...

dva milijuna watt-sati.

To je dovoljno energije

za zadovoljavanje dnevnih potreba za el. energijom

200 američkih kućanstava.

I evo je, pohrana na mrežnoj razini:

tiha, bez otpadnih plinova,

bez pokretnih dijelova,

daljinski upravljana,

dizajnirana prema tržišnoj cijeni

bez subvencija.

Što smo iz ovog naučiti?

(Pljesak)

Što smo iz ovog naučili?

Podijelit ću s vama

neka od iznenađenja, heterodoksije.

Sve se to nalazi onkraj vidljivog.

Temperatura:

Uvriježeni stav smatra da je treba podesiti na niske vrijednosti

ili oko sobne temperature,

a potom treba instalirati kontrolni sustav koji će je održavati.

Treba izbjegavati velike termalne oscilacije.

Tekuća baterija napravljane je za rad na povišenim temperaturama

uz minimalnu regulaciju.

Naša baterija može podnjeti naglo povećanje temperature

koje proizlazi iz strujnih skokova.

Skaliranje: Opće prihvaćeni stav je

smanjiti troškove proizvodeći velike količine.

Tekuća baterija izađena je tako da se troškovi smanje

proizvodnjom manje količine, većih proizvoda.

I na kraju, kadrovi:

Uvriježeni stav je

zaposli stručnjake za baterije,

iskusne profesionalce,

koji se mogu osloniti na svoje veliko iskustvo i znanje.

Za razvoj tekuće baterije,

angažirao sam studente i postdoktorante i podučavao sam ih.

Kad je riječ o bateriji,

nastojim maksimizirati električni potencijal;

kad podučavam,

nastojim maksimizirati ljudski potencijal.

Vidite,

priča o tekućoj bateriji

više je od prikaza

tehnoloških inovacije,

to je svojevrsni nacrt

kako stvoriti izumitelje, punog spektra.

(Pljesak)