Donald Sadoway: Legătura lipsă pentru energia regenerabilă

Care este cheia folosirii energiei alternative, cum ar fi cea solară sau eoliană? Depozitarea -- astfel încât să avem energie disponibilă şi când soarele nu străluceşte sau când vântul nu bate. În această prelegere accesibilă şi captivantă, Donald Sadoway foloseşte o tablă pentru a ne arăta viitorul bateriilor la scară mare care înmagazinează energie regenerabilă. După cum ne spune: "Avem nevoie să gândim problema din altă perspectivă. Avem nevoie să gândim mare. Avem nevoie să gândim ieftin."

Electricitatea care alimentează luminile din această sală

a fost generată acum câteva momente.

Conform situației actuale,

cererea de electricitate trebuie să fie în echilibru constant

cu furnizarea de electricitate.

Dacă în timpul cât a durat să intru aici pe scenă,

câteva zeci de megawaţi de energie eoliană

ar fi încetat să fie alimentate în reţea,

diferenţa ar fi trebuit compensată

de alte generatoare imediat.

Dar uzinele de cărbuni şi centralele nucleare

nu pot răspunde suficient de repede.

O baterie gigant ar putea.

Cu o baterie gigant,

am putea aborda problema intermitenţei

care împiedică vântul şi soarele

să contribuie la reţea

în acelaşi fel în care cărbunele, gazul şi energia nucleară o fac astăzi.

Vedeţi voi, bateria

e dispozitivul cheie.

Cu ea am putea folosi electricitate solară

chiar şi când soarele nu străluceşte.

Şi asta schimbă totul.

Pentru că atunci energiile regenerabile,

eoliană sau solară

vin din aripi

în centrul scenei.

Azi vreau să vă vorbesc despre un astfel de dispozitiv.

Se numeşte bateria cu metale lichide.

E o nouă formă de stocare a energiei

pe care am inventat-o la MIT

împreună cu o echipă de studenţi

şi post-doctoranzi.

Tema conferinţei TED din acest an e Spectrul Complet.

Dicţionarul Oxford defineşte spectru

ca fiind "Totalitatea lungimilor de undă

a radiaţiei electromagnetice,

de la cele mai lungi, unde radio, la cele mai scurte, raze gamma,

din care spectrul luminii vizibile

e doar o mică parte."

Nu sunt aici doar să vă povestesc

cum echipa mea de la MIT s-a inspirat din natură

pentru soluţia la una din cele mai mari probleme ale lumii.

Vreau să parcurg spectrul complet şi să vă spun

cum în procesul de dezvoltare

acestei tehnologii noi,

am descoperit câteva surprinzătoare heterodoxii

care pot servi drept lecţii de inovaţie,

idei care merită răspândite.

Şi ştiţi,

dacă va fi să scoatem ţara asta din situaţia energetică actuală,

nu putem s-o facem doar prin conservare

sau prin săpături;

sau prin bombardamente.

O vom face în stilul vechi american,

vom inventa,

lucrând împreună.

(Aplauze)

Acum să începem.

Bareria a fost inventată acum 200 de ani

de un profesor, Alessandro Volta,

la Universitatea din Padua, Italia.

Ivenţia sa a dat naştere la

un nou domeniu ştiinţific, electrochimia,

şi noi tehnologii

cum ar fi galvanizarea.

Poate e trecut cu vederea că

invenţia bateriei lui Volta

a demonstrat pentru prima oară

utilitatea unui profesor.

(Râsete)

Până la Volta nimeni nu-şi putea imagina

că un profesor putea folosi la ceva.

Iată prima baterie --

o stivă de monede, zinc şi argint,

separate de carton îmbibat în saramură.

Acesta e punctul de început

pentru proiectarea unei baterii:

doi electrozi,

în acest caz, metale de diferite compoziţii,

şi un electrolit,

în acest caz sare dizolvată în apă.

Stiinţa e atât de simplă.

Recunosc, am lăsat la o parte câteva detalii.

Acum v-am învăţat

că ştiinţa bateriilor e simplă

şi nevoia de stocare la nivel de reţea

e apăsătoare,

dar adevărul e

că azi nu există o tehnologie a bateriei

capabilă să susțină

epuizanta cerere de performanţă a reţelei --

adică putere neobişnuit de mare,

durată de viaţă îndelungată

şi costuri foarte mici.

Avem nevoie să abordăm problema diferit.

Trebuie să gândim la scară mare,

trebuie să gândim ieftin.

Aşadar să abandonăm paradigma

de-a căuta cea mai tare chimie

ca apoi eventual să coborâm curba costurilor

prin crearea multor produse.

În schimb, să inventăm

la nivelul preţului pieţei de electricitate.

Asta înseamnă

că anumite părţi ale tabelului periodic

sunt axiomatic interzise.

Această baterie trebuie făcută

din elemente existente în abundenţă.

Cred că dacă vrei să faci ceva extrem de ieftin,

fă-l din noroi --

(Râsete)

de preferinţă noroi

care se găseşte local.

Trebuie să putem construi

folosind tehnici simple şi fabrici

care nu costă o avere.

Acum şase ani,

am început să mă gândesc la această problemă.

Pentru a adopta o perspectivă nouă,

am căutat inspiraţie dincolo de domeniul stocării electricității.

De fapt, m-am uitat la o tehnologie

care nici nu stochează nici nu generează electricitate,

ci consumă electricitate,

cantităţi uriașe.

Vorbesc despre producerea aluminiului.

Procesul a fost inventat în 1886

de doi tineri de 22 de ani --

Hall din Statele Unite şi Heroult din Franţa.

La câţiva ani după descoperirea lor,

aluminiul s-a schimbat

dintr-un metal preţios care costa cât argintul

într-un material structural comun.

Vă uitaţi la celule unui cuptor modern de topit aluminiu.

Are o lăţime de 15 m

și se întinde cam 800 m.

Rânduri de celule

care înăuntru semănă cu o baterie Volta,

cu trei diferenţe importante.

Bateria Volta funcţionează la temperatura camerei.

E dotată cu electrozi solizi

şi un electrolit, o soluţie de sare în apă.

Celula Hall-Heroult

operează la temperaturi înalte,

o temperatură suficient de mare

ca produsul metalic de aluminiu să fie lichid.

Electrolitul

nu e o soluţie de sare în apă,

ci de sare topită.

Această combinaţie

de metal lichid, sare topită și temperaturi mari

permite să trimitem curent de mare voltaj prin ea.

Azi putem produce metal primar din minereu

la preț mai mic de $1 /kg.

Acesta e miracolul economic

al electrometalurgiei moderne.

Asta mi-a reținut atenţia

încât am devenit obsedat de inventarea unei baterii

care putea capta această uriașă economie la scară.

Şi aşa am făcut.

Am făcut bateria complet lichidă:

metale lichide pentru ambii electrozi

şi sare topită ca electrolit.

Vă voi arăta.

Am pus metal cu densitate mică

deasupra,

un metal cu desitate mare dedesubt,

şi sare topită între.

Acum,

cum alegem metalele?

Pentru mine, exerciţiul de design

începe mereu aici

cu tabelul periodic,

enunţat de alt profesor,

Dimitri Mendeleev.

Tot ce cunoaștem

e compus dintr-o anumită combinaţie

a ceea ce vedeţi aici.

Şi asta include propriile noastre corpuri.

Îmi amintesc momentul într-o zi

când căutam o pereche de metale

care să îndeplinească constrângerile

abundenţei în scoarța pământului,

densități diferite, opuse

şi reactivitate reciprocă ridicată.

Am simţit satisfacţia realizării

când am realizat că am găsit răspunsul.

Magneziu pentru stratul de deasupra.

Şi antimoniu

pentru stratul de dedesubt.

Trebuie să vă spun

unul din cele mai mari beneficii ale profesoratului:

creta colorată.

(Râsete)

Pentru a produce curent,

magneziu pierde 2 electroni

devenind ion de Mg,

care apoi migrează prin electrolit,

acceptă 2 electroni de la Sb,

iar apoi se amestecă formând un aliaj.

Electronii îşi fac treaba

în lumea de afară,

dând energie dispozitivelor noastre.

Pentru a încărca bateria,

conectăm la o sursă de electricitate.

Ar putea fi o fermă eoliană.

Şi apoi inversăm curentul.

Acesta forţează Mg să iasă din aliaj,

să se reîntoarcă la electrodul de sus,

restaurând constituţia iniţială a bateriei.

Şi curentul ce trece între electrozi

generează suficientă căldură pentru a-i menţine temperatura.

Destul de tare,

cel puţin în teorie.

Dar funcţionează cu adevărat?

Ce-i de făcut în continuare?

Ne ducem în laborator.

Voi angaja profesionişti experimentaţi?

Nu, angajez un student,

îl instruiesc,

îl învăţ cum să gândească problema

din perspectiva mea

şi apoi îl las liber.

Acesta e studentul, David Bradwell,

care, în această imagine,

pare să se întrebe dacă lucrul ăsta va funcţiona vreodată.

Nu i-am spus lui David atunci

că nici eu nu eram convins că va funcţiona.

Dar David e tânăr şi inteligent

şi vrea un doctorat,

şi pornește să construiască --

(Râsete)

Pornește să construiască

prima baterie cu metale lichide

bazată pe această chimie.

Pe baza rezultatelor inițiale promiţătoare ale lui David,

care au fost plătite

cu fonduri private la MIT,

am putut atrage fonduri de cercetare majore

din partea sectorului privat

şi de la guvernul federal.

Iar asta mi-a permis să extind grupul la 20 de oameni,

un amestec de masteranzi, post-doctoranzi

și chiar câțiva studenți.

Am putut atrage oameni extrem de buni,

oameni care îmi împărtăşesc pasiunea

pentru ştiinţă în serviciul societăţii,

nu ştiinţă în scopul formării unei cariere.

Dacă întrebaţi aceşti oameni

de ce lucrează la bateria cu metale lichide,

răspunsul lor ar reînvia

remarcile Preşedintelului Kennedy

la Universitatea Rice din 1962

când a spus -- parafrazez aici--

"Alegem să lucrăm la stocarea la nivel de reţea,

nu pentru că e uşor,

ci pentru că e greu."

(Aplauze)

Iată evoluţia bateriei cu metale lichide.

Începem aici cu calul de bătaie, celula de 1 Watt/h.

Am numit-o păhărelul.

Am operat peste 400 din astea,

îmbunătățindu-le performanţa cu diverse elemente chimice --

nu doar cu Mg şi Sb.

Pe parcurs am ajuns la celula de 20 W/h.

O numesc pucul de hockey.

Am obţinut aceleaşi rezultate remarcabile.

Apoi a urmat discul,

de 200 W/h.

Tehnologia se dovedea

a fi robustă şi accesibilă.

Dar ritmul nu era destul de rapid.

Aşadar acum un an şi jumătate,

David şi cu mine,

împreună cu alt cercetător de la catedră,

am format o companie

să accelerăm rata progresului

şi cursa fabricării produsului.

În prezent la LMBC

construim celule cu diametrul de 40 cm

cu o capacitate de 1 KW/h --

o capacitate de 1000 de ori mai mare

decât celula păhărel iniţială.

Pe asta o numim pizza.

Apoi am avut la orizont o celulă de 4 KW/h.

Va avea un diametru de 90 cm.

O numim masa bistro,

dar nu e încă pregătită pentru atenţia publicului.

Într-o variantă a tehnologiei

am stivuit aceste mese bistro în module,

agregând modulele într-o baterie gigant

care intră într-un container de 12 m,

ce va fi amplasat în diverse locuri.

Acesta are o capacitate de 2 MW/h

= 2 milioane W/h.

E destulă energie

pentru a satisface cererile energetice zilnice

a 200 gospodării din America.

Aşadar iată stocarea la nivel de reţea:

silenţioasă, fără emisii

fără părţi care se mişcă,

controlată de la distanţă,

creată la preţul pieţii

fără subvenţii.

Ce am învăţat din toate astea?

(Aplauze)

Ce am învăţat din toate astea?

Permiteţi-mi să împărtăşesc cu voi

câteva dintre surprize, heterodoxii.

Sunt dincolo de ce e vizibil.

Temperatura:

Înţelepciunea convenţională spune s-o coborâm

aproape de temperatura camerei,

apoi instalează un sistem de control s-o menţină scăzută.

Evită instabilitatea termică.

Bateria cu metale lichide e concepută să opereze la temperaturi înalte

cu regularizare minimă.

Bateria noastră poate rezista la creşteri mari de temperatură

care apar din creşteri bruște de curent.

Multiplicare: Înţelepciunea convenţională spune

redu costurile producând la scară mare.

Bateria cu metale lichide e concepută să reducă costurile

producând mai puţine, dar mai mari.

Și în fine, operatorii:

Înţelepciunea convenţională spune

angajează experţi,

profesionişti experimentaţi,

care își pot folosi experienţa şi cunoştinţele vaste.

Pentru a dezvolta bateria cu metale lichide,

am angajat studenţi şi doctoranzi pe care i-am instruit.

Într-o baterie,

mă străduiesc să maximizez potenţialul electric;

în instruire,

mă străduiesc să maximizez potenţialul uman.

După cum vedeţi,

povestea bateriei cu metale lichide

e mai mult decât o simplă relatare

a invenției tehnologiei,

e un plan

pentru a inventa inventatori: spectru complet.

(Aplauze)