Donald Sadoway: Brakujące ogniwo w energii odnawialnej

Co jest kluczem, który pozwoli na wykorzystywanie alternatywnych źródeł energii, takich jak słońce czy wiatr? Magazynowanie, dzięki któremu może być wykorzystana w dowolnym momencie, nawet gdy nie świeci słońce i nie wieje wiatr. W przystępnym i inspirującym wykładzie Donald Sadoway podchodzi do tablicy, by opowiedzieć o przyszłości przemysłowych akumulatorów umożliwiających magazynowanie takiej energii. "Musimy spojrzeć na problem od nowa. Szukać pomysłów które będą wielkie i tanie".

Prąd zasilający światła w tej sali

został wytworzony kilka chwil temu.

Obecna sytuacja

wymaga, by zapotrzebowanie na elektryczność

było w równowadze z dostępnymi zasobami.

Jeśli w czasie, który zajęło mi wejście na tę scenę.

kilkadziesiąt megawatów energii wiatrowej

przestałoby napływać do sieci,

różnicę trzeba by wyrównać natychmiast

z innych generatorów.

Jednak elektrownie węglowe i atomowe

nie mogą zareagować wystarczająco szybko.

Mógłby za to ogromny akumulator.

Mając do dyspozycji ogromny akumulator,

rozwiązalibyśmy problem braku ciągłości,

który sprawia, że energia wiatrowa i słoneczna

nie jest w stanie zasilać sieci

tak, jak obecnie węglowa, gazowa i atomowa.

Akumulator

to tutaj kluczowe urządzenie.

Mając go, moglibyśmy korzystać z energii słonecznej,

nawet w okresach, kiedy słońce nie świeci.

I to właśnie zmienia wszystko.

Ponieważ energia odnawialna,

jak wiatr i słońce,

trafia wtedy z łopat wirnika

tutaj do samego środka.

Chcę dziś opowiedzieć o takim urządzeniu.

To akumulator z płynnych metali.

Jest to nowy sposób magazynowania energii,

który opracowałem na MIT

wraz z zespołem studentów

i doktorantów.

Motywem przewodnim tegorocznej Konferencji TED jest Pełne Spektrum.

OED (Oxford English Dictionary) definiuje spektrum

jako "Całkowity zakres długości fal

promieniowania elektromagnetycznego,

od najdłuższych fal radiowych po najkrótsze promienie gamma,

w którym zakres światła widzialnego

jest tylko małą częścią".

Dziś opowiem więc nie tylko o tym,

jak mój zespół na MIT zaczerpnął z natury

rozwiązanie jednego z największych problemów ludzkości.

Chcę w pełnym zakresie przedstawić wam

jak w trakcie rozwijania

tej nowej technologii,

odkryliśmy zaskakująco nietypowe rozwiązania,

które teraz mogą służyć jako lekcje innowacji,

pomysły warte rozpowszechniania.

I jeśli mamy przyczynić się do rozwiązania problemów energetycznych naszego kraju

I jeśli mamy przyczynić się do rozwiązania problemów energetycznych naszego kraju,

nie możemy osiągnąć tego tylko na drodze oszczędności;

nie możemy osiągnąć tego tylko wiertłami;

i nie możemy osiągnąć tego tylko bombami.

Zrobimy to na stary amerykański sposób,

osiągniemy to drogą wynalazku,

pracując wspólnie.

(Oklaski)

No to zaczynajmy.

Akumulator został wynaleziony ok. 200 lat temu

przez profesora Alessandro Voltę

na Uniwersytecie w Padwie we Włoszech.

Jego wynalazek dał początek nowej dziedzinie nauki,

elektrochemii,

oraz nowym technologiom

jak np. galwanizacji.

Prawdopodobnie przeoczonym zostało,

że wynalezienie akumulatora przez Voltę

po raz pierwszy także

potwierdziło użyteczność profesorów.

(Śmiech)

Do czasów Volty, nikt nie wyobrażał sobie,

że mógłby być jakikolwiek pożytek z profesora.

Oto pierwszy akumulator,

stos monet, cynk i srebro,

oddzielone tekturą nasiąkniętą solanką.

To pierwszy krok

do stworzenia akumulatora,

dwie elektrody,

w tym przypadku, metale o różnej strukturze,

i elektrolit,

tu akurat sól rozpuszczona w wodzie.

Nauka jest taka prosta.

Wprawdzie pominąłem tu kilka szczegółów.

Nauczyłem was już,

że nauka związana z akumulatorami jest prosta

i istnieje potrzeba magazynowania energii na dużą skalę

i istnieje potrzeba magazynowania energii na dużą skalę,

ale prawda jest taka,

że obecnie nie mamy takiej technologii akumulatorów

która byłaby zdolna sprostać

wymaganiom czynnościowym sieci elektrycznej,

a więc: niespotykanie duża moc,

długa żywotność

i super niskie koszty.

Musimy spojrzeć na ten problem inaczej:

musimy myśleć w kategoriach dużej skali,

a jednocześnie niskich kosztów.

Porzućmy więc typowe podejście

polegające na szukaniu najbardziej imponującej chemii

z nadzieją, że uda nam się potem zminimalizować koszty

wciąż zwiększając i zwiększając produkcję.

Zamiast tego, wynajdźmy coś,

kierując się akceptowalną ceną na rynku energii.

To oznacza,

że pewne części układu okresowego pierwiastków

z zasady nie wchodzą w rachubę.

Ten akumulator musi zostać wykonany

z elementów obficie występujących na Ziemi.

Mówię, że jeśli chcesz zrobić coś, co jest tanie jak barszcz,

zrób to z barszczu --

(Śmiech)

i to najlepiej

z lokalnie zgromadzonych składników.

Musimy być w stanie zbudować tą rzecz

przy użyciu prostych technik produkcji i fabryk

które nie kosztują zbyt dużo.

Około 6 lat temu

zacząłem zastanawiać się nad tym problemem.

Starając się przyjąć świeżą perspektywę,

szukałem inspiracji poza dziedziną magazynowania energii.

Właściwie to przyjrzałem się technologii,

która nie ma nic wspólnego ani z magazynowaniem, ani z wytwarzaniem energii elektrycznej,

a za to zużywa jej ogromne ilości.

a za to zużywa jej ogromne ilości.

Mam na myśli produkcję aluminium.

Proces ten został wynaleziony w 1886 r.

przez dwójkę 22-latków --

Halla ze Stanów Zjednoczonych i Heroult z Francji.

I w ciągu tylko kilku lat od ich odkrycia,

aluminium,

z metalu równie cennego jak srebro, zmieniło się

w popularny materiał budowlany.

Oto komórka nowoczesnej huty aluminium.

Ma ok. 15 m szerokości

i ciągnie się przez ok. 800 m --

rząd za rzędem komórek,

które w środku przypominają akumulator Volty,

z trzema istotnymi różnicami.

Akumulator Volty pracuje w temperaturze pokojowej.

Jest zaopatrzony w stałe elektrody

i elektrolit w formie roztworu wodnego soli.

Z kolei komórka Halla-Heroulta

pracuje w wysokiej temperaturze,

wysokiej na tyle,

że aluminium jako produkt jest metalem płynnym.

Elektrolitem

nie jest wodny roztwór soli,

lecz sól która została stopiona.

To ta kombinacja płynnego metalu,

stopionej soli i wysokiej temperatury

pozwala nam na przesyłanie przez nie prądu o wysokich natężeniach.

W dzisiejszych czasach, uzyskanie metali z rud,

kosztuje nas nie więcej niż dolara za kilogram.

To cud ekonomiczny

współczesnej elektrometalurgii.

Właśnie to przyciągnęło i skupiło moją uwagę

do tego stopnia, że ogarnęła mnie obsesja na punkcie wynalezienia akumulatora,

który uchwyciłby tę gigantyczną ekonomię skali.

No i udało się.

Zbudowałem akumulator w całości w stanie płynnym --

obie elektrody z płynnych metali

i elektrolit ze stopionej soli.

Pokażę wam jak.

Na górze umieściłem płynny metal o małej gęstości,

Na górze umieściłem płynny metal o małej gęstości,

na dole płynny metal o dużej gęstości,

a w środku stopioną sól.

Pytanie,

jak wybrać właściwe metale?

Dla mnie, każdy projekt

zawsze zaczyna się tutaj,

na tablicy okresowej pierwiastków,

ogłoszonej przez kolejnego profesora,

Dmitrija Mendelejewa.

Wszystko co znamy

składa się z jakiejś kombinacji

tego, co mamy tu przedstawione.

Łącznie z naszymi własnymi organizmami.

Pamiętam dokładnie moment,

gdy pewnego dnia poszukiwałem pary metali,

która spełniałaby narzucone warunki

powszechnego występowania na Ziemi,

skrajnie różnej gęstości,

i wykazywałyby wysoką wzajemną reaktywność.

Przeszedł mnie dreszcz ekscytacji,

kiedy uświadomiłem sobie, że znalazłem odpowiedź.

Magnez na górną warstwę.

I antymon

na dolną warstwę.

Wiecie, muszę wam powiedzieć,

że jedną z największych zalet bycia profesorem

jest kolorowa kreda.

(Śmiech)

Więc żeby wytworzyć prąd,

magnez traci dwa elektrony

i staje się jonem magnezu,

który z kolei migruje przez elektrolit,

przyłącza 2 elektrony od antymonu,

i miesza się z nim tworząc stop.

Elektrony idą pracować

tutaj, w prawdziwym świecie,

napędzając nasze urządzenia.

Żeby naładować akumulator,

podłączamy źródło energii elektrycznej.

Może być to np. farma wiatrowa.

I wtedy odwracamy kierunek prądu.

To zmusza magnez do oddzielenia się

i powrotu na górną elektrodę,

tym samym odtwarzając początkowy stan akumulatora.

Przy tym, prąd przepływający między elektrodami

wytwarza wystarczająco dużo ciepła, by utrzymać wymaganą temperaturę.

Brzmi nieźle,

przynajmniej teoretycznie.

Ale czy faktycznie działa?

Więc jaki jest kolejny krok?

Idziemy do laboratorium.

I czy zatrudniam doświadczonych profesjonalistów?

Nie. Zatrudniam studenta

i pomagam mu,

uczę go, w jaki sposób podchodzić do problemu,

aby ujrzeć go z mojego punktu widzenia,

i później pozwalam mu pracować samodzielnie.

To właśnie ten student, David Bradwell,

który, na tym zdjęciu,

wydaje zastanawiać się, czy ten wynalazek w ogóle zadziała.

Nie przyznałem się wtedy Davidowi,

że sam nie byłem przekonany, że zadziała.

Ale David jest młody i mądry

i chce zrobić doktorat

i kontynuuje pracę...

(Śmiech)

Kontynuuje pracę

nad pierwszym akumulatorem z płynnych metali

w dzisiejszej chemii.

I na podstawie obiecujących pierwszych wyników Dawida,

które opłacone zostały

przez MIT,

udało mi się pozyskać dofinansowanie na badania

z sektora prywatnego

i rządu federalnego.

I to pozwoliło mi na zwiększenie mojej grupy do 20 osób,

magistrów, doktorantów,

a nawet licencjatów.

I udało mi się zgromadzić naprawdę wspaniałych, wspaniałych ludzi,

ludzi, którzy dzielą ze mną pasję

do nauki i służby społeczeństwu,

a nie nauki dla rozwoju własnej kariery.

I jeśli zapytacie któregoś z nich

dlaczego pracuje nad akumulatorem z płynnych metali,

odpowiedź nasunie wam na myśl

Prezydenta Kennedy'ego

na Uniwersytecie Rice w 1962 r

kiedy mówił -- i nieco pozwalam tu sobie --

"Wybieramy pracę nad magazynowaniem energii sieci elektrycznej,

nie dlatego, że jest to zadanie proste,

lecz dlatego, że jest trudne."

(Oklaski)

Tak więc wygląda ewolucja akumulatora z płynnych metali.

Zaczynamy tu od naszego konia pociągowego - 1-wato-godzinnej komórki.

Nazwałem ją kielonkiem.

Obsługiwaliśmy ich ponad 400,

doskonaląc je użyciem różnych kombinacji chemicznych --

nie tylko magnezu i antymonu.

W którymś momencie zwiększyliśmy skalę do komórki 20-wato-godzinnej.

Nazywam ją krążkiem hokejowym.

I otrzymaliśmy tak samo niezwykłe rezultaty.

I wtedy nadszedł czas na spodek.

To jest 200 wato-godzin.

Technologia wykazywała się

stabilnością i skalowalnością.

Ale dla nas, postęp nie był wystarczająco szybki.

Więc około półtora roku temu,

David i ja,

wraz z jeszcze jednym członkiem grupy badawczej,

założyliśmy firmę,

żeby przyspieszyć proces rozwoju

w wyścigu do rozpoczęcia produkcji.

Tak więc dzisiaj w LMBC,

budujemy komórki o średnicy 40 cm

i pojemności 1 kilowatogodziny --

1000 razy większej

od tej pierwszej komórki "kielonka".

Nazywamy ją pizzą.

A teraz patrzymy już na komórkę o pojemności 4-kilowatogodzin.

Będzie miała średnicę 91 cm.

Nazywamy ją stolikiem bistro,

ale nie jest jeszcze gotowa do pokazania w wieczornej telewizji.

I jedno z rozwiązań technologicznych, które przewidujemy

zakłada układanie tych blatów stołowych jeden na drugim w moduły,

agregację tych modułów w wielki akumulator

który zmieściłby się w 12-metrowym kontenerze spedycyjnym

do umieszczenia w terenie.

I to ma 2 megawatogodziny pojemności znamionowej --

dwa miliony watogodzin.

To jest wystarczająca ilość energii

żeby pokryć dzienne zapotrzebowanie

200 amerykańskich gospodarstw.

Więc proszę - magazynowanie na poziomie sieci elektrycznej,

ciche, bezemisyjne,

bez ruchomych części,

zdalnie sterowane,

zaprojektowane do ceny rynkowej

bez dotacji.

Czego się więc z tego wszystkiego nauczyliśmy?

(Oklaski)

Czego się więc z tego wszystkiego nauczyliśmy?

Pozwólcie, że podzielę się z wami

niektórymi z niespodzianek i heterodoksji.

Kryją się poza tym, co widoczne.

Temperatura:

Konwencjonalna mądrość głosi, że trzeba utrzymywać ją na niskim poziomie,

mniej więcej w temperaturze pokojowej,

instalując systemy kontroli, które ją utrzymają.

Unikajcie ucieczki ciepła.

Akumulator z płynnych metali jest tak zaprojektowany, aby działać w podwyższonej temperaturze

przy minimalnej regulacji.

Nasza bateria wytrzyma bardzo duże wzrosty temperatury

związane z dużymi skokami napięcia.

Skalowanie: Konwencjonalna mądrość głosi

że zwiększając produkcję, minimalizujemy koszty.

Produkcja płynnych akumulatorów będzie niewielka

ale obniżymy koszty, bo będą one większe.

I w końcu, zasoby ludzkie:

Konwencjonalna mądrość głosi

żę należy zatrudniać ekspertów,

doświadczonych profesjonalistów,

którzy oprą się na swym szerokim doświadczeniu i wiedzy.

Żeby opracować akumulator z płynnych metali,

zatrudniłem studentów i doktorantów i ich mentorowałem.

W dziedzinie akumulatorów,

staram się maksymalizować potencjał elektryczny;

podczas nauczania,

staram się maksymalizować potencjał ludzki.

Więc jak widzicie,

historia o akumulatorze z płynnych metali

jest nie tylko zapisem

wynalazku technologii,

lecz także wzorem

na wynajdywanie wynalazców. Pełne spektrum.

(Oklaski)