Дональд Садовэй: Недостающее звено на пути к возобновляемой энергии

Что важнее всего для использования альтернативных источников энергии, таких как солнце и ветер? Возможность её накопления и последующего использования, даже когда солнца не видно и ветер не дует. В своём простом и вдохновенном выступлении Дональд Садовэй рисует на школьной доске будущее больших аккумуляторов для хранения возобновляемой энергии. Его словами: «Нам нужно по-другому подойти к проблеме. Нужно мыслить масштабно. Нужно мыслить экономично».

Электроэнергия для освещения этого зала

была произведена всего несколько секунд назад.

Потому что дела сегодня обстоят так,

что спрос и предложение электроэнергии

должны находиться в постоянном равновесии.

Если бы за время, что мне понадобилось для выхода на сцену,

десятки мегаватт энергии ветра

не попали в энергосистему,

разницу нужно было бы тут же покрыть

за счёт других источников.

Но ни угольная, ни ядерная электростанции

не способны так быстро реагировать.

А вот большой аккумулятор смог бы.

С помощью большого аккумулятора

мы смогли бы решить проблему перебоев в подаче энергии,

не позволяющих сегодня солнцу и ветру

на равных с углём, газом и ядерной энергией

участвовать в энергосистеме.

Видите ли, аккумулятор —

это ключевой помощник.

С его помощью мы могли бы пользоваться энергией солнца,

даже когда оно не светит.

И это всё меняет.

Потому что тогда возобновляемая энергия —

ветер и солнечный свет —

выйдут из тени

и займут центральное место.

Сегодня я хочу рассказать вам про такое устройство.

Оно называется жидкометаллический аккумулятор.

Это новый тип энергонакопителя,

изобретённый мной в MIT

в сотрудничестве с группой

студентов и докторантов.

В этом году TED назвал свою конференцию «Полный спектр».

Оксфордский словарь английского языка вот так определяет слово «спектр»:

«Полный набор волн

электромагнитного излучения,

начиная с самых длинных радиоволн до кратчайших гамма-лучей,

где видимый свет является

лишь малой частью».

Поэтому сегодня я не только расскажу

как наша группа в MIT использовала природу

для решения одной из серьёзных мировых проблем.

Я хочу использовать весь спектр,

чтобы рассказать как в процессе разработки

этой новой технологии мы столкнулись

с удивительными неординарными идеями,

которые могут служить примерами инновации,

идеями, достойными распространения.

И если мы хотим вытащить нашу страну

из сложившейся энергетической ситуации,

на одной только экономии,

на новых нефтяных скважинах,

или на постоянных бомбёжках далеко не уедешь.

Мы прибегнем к старому доброму американскому способу —

мы вместе изобретём

новое решение.

(Аплодисменты)

Приступим.

Батарею изобрёл 200 лет назад

Алессандро Вольта,

профессор Падуанского университета в Италии.

Его изобретение положило начало новому направлению в науке —

электрохимии,

и новым технологиям,

таким как гальванотехника.

Недооценённым в изобретении батареи

Алессандром Вольта

осталось то, что оно впервые

продемонстрировало пользу профессуры.

(Смех)

До Вольта никто даже представить себе не мог,

что профессора на что-то годны.

Вот она — первая батарея:

стопка монет, цинк и серебро,

разделённые замоченной в рассоле картонкой.

Это — отправная точка

в конструкции батареи:

два электрода,

в данном случае — металлы разного состава,

и электролит,

в данном случае — растворённая в воде соль.

Такая вот простая наука.

За исключением нескольких опущенных мной деталей.

Я объяснил вам,

что основы науки о батареях просты

и доказал, что есть необходимость

создания накопителя для энергосистемы.

Но проблема в том,

что на сегодняшний день не существует технологии,

которая дала бы нам аккумулятор,

способный удовлетворить высоким требованиям энергосистемы,

таким как большая мощность,

долгий срок службы

и очень низкая себестоимость.

Нам нужно по-другому подойти к проблеме.

Нужно мыслить масштабно.

Нужно мыслить экономично.

Давайте отложим в сторону подход по поиску

самого прогрессивного химического соединения

и его дальнейшего массового производства

в целях снижения себестоимости нашего продукта.

Давайте лучше приведём наше изобретение

в соответствие с ценами на рынке электроэнергии.

Получится, что некоторые элементы

периодической таблицы нельзя использовать

по определению.

Наш аккумулятор должен состоять

из элементов, которых много в природе.

Как говорится, хочешь, чтобы что-то стоило дешевле пареной репы,

сделай это из пареной репы.

(Смех)

А ещё лучше, если репа

выращена тут же по соседству.

Нам нужно соорудить эту штуку

с помощью простых технологий на производстве,

которое не обойдётся нам в целое состояние.

Таким образом, шесть лет назад

я начал размышлять над этой проблемой.

В поисках свежих решений я обратился к областям науки,

не связанным с проблемами хранения электричества.

Моё внимание привлекла технология,

которая не имеет отношения ни к хранению, ни к производству электричества.

Эта технология, напротив, потребляет электроэнергию

в огромных количествах.

Я говорю о производстве алюминия.

Этот процесс был изобретён в 1886-м году

двумя молодыми людьми 22-х лет:

Чарльзом Холлом в США и Полем Эру во Франции.

И всего несколько лет спустя после их открытия

алюминий превратился из драгоценного металла,

по стоимости равного серебру,

в обыденный строительный материал.

Перед вами цех электролиза современного завода по производству алюминия.

Это помещение шириной в 15 метров

и уходящее вглубь на 800 метров.

Вы видите ряды электролизных ванн,

внутри очень похожих на батарею Вольта,

но с тремя серьёзными отличиями.

Батарея Вольта работает при комнатной температуре,

внутри у неё твердые электроды,

а электролитом служит водно-солевой раствор.

Электролизер Холла-Эру

работает при высоких температурах,

настолько высоких,

чтобы полученный алюминий оставался жидким.

Электролитом служит

не водно-солевой раствор,

а расплавленная соль.

И вот это сочетание жидкого металла,

расплавленной соли и высокой температуры

позволяет пропускать через него ток.

Сегодня мы можем получать чистый металл

из руды по цене 50 центов за фунт.

Это — экономическое чудо

современной электрометаллургии.

Именно это привлекло моё внимание до такой степени,

что я стал одержим идеей создания батареи,

которая использовала бы преимущества эффекта масштаба.

И у меня получилось.

Я создал полностью жидкую батарею:

оба электрода из жидких металлов

и расплавленная соль в качестве электролита.

Сейчас покажу.

Сверху я поместил жидкий металл

низкой плотности,

снизу — жидкий металл высокой плотности,

а между ними — расплавленная соль.

А как теперь

выбрать подходящие металлы?

Любое проектирование

для меня всегда начинается

с периодической таблицы,

разработанной другим профессором,

Дмитрием Менделеевым.

Всё в природе

состоит из комбинации элементов,

представленных здесь.

Включая наши собственные тела.

Я хорошо помню тот момент,

когда в поисках пары металлов,

которые бы отвечали заданным параметрам —

природное изобилие,

различная, противоположная плотность

и высокая взаимная реактивность,

я вдруг понял,

что нашёл решение проблемы.

Магний — для верхнего слоя.

И сурьма —

для нижнего слоя.

Знаете, какое самое большое преимущество

в должности профессора?

Цветной мел.

(Смех)

Чтобы создать электрический ток,

магний отдаёт два электрона,

превращаясь в ион магния,

который затем проходит через электролит,

получает два электрона сурьмы

и, смешиваясь с ней, формирует сплав.

Электроны при этом

работают нам на благо,

питая наши электроустройства.

Чтобы зарядить наш аккумулятор,

нам нужно к нему подключить источник электричества.

Таковым может служить, например, ветряная электростанция.

И затем мы меняем направление тока.

Это заставляет магний разорвать сплав

и вернуться к верхнему электроду,

вернув батарею в исходное состояние.

При этом ток, проходящий между электродами,

производит достаточно тепла для поддержания нужной температуры.

Это довольно круто,

по крайней мере в теории.

Но будет ли это работать на практике?

И что делать дальше?

Мы отправляемся в лабораторию.

Взял ли я на работу опытных специалистов?

Нет, я нанял студента

и стал его учить,

объяснил, как подойти к проблеме

и увидеть её моими глазами.

А потом я отпустил поводок.

Вот этот студент — Дэвид Брэдвелл.

На этом фото он, похоже, размышляет о том,

заработает ли эта штука вообще.

Я тогда не сказал Дэвиду,

что сам не был уверен, что она заработает.

Но Дэвид был молод и умён,

ему нужна была докторская степень,

поэтому он стал собирать...

(Смех)

Он стал собирать первый в мире

жидкометаллический аккумулятор

такого химического состава.

И уже основываясь на первых обнадёживающих результатах,

полученных Дэвидом, и оплаченных

из фондов MIT,

мне удалось заручиться финансовой поддержкой

частных и государственных инвесторов

и продолжить исследования.

Я смог расширить свою группу до 20 сотрудников:

я собрал вместе аспирантов, докторантов

и даже несколько студентов.

Мне удалось привлечь к работе очень хороших ребят,

которые разделяли мою страсть

к науке и служению обществу,

а не к науке и карьерному росту.

И если вы спросите этих ребят,

зачем они работают над жидкометаллическим аккумулятором,

в их ответе вы услышите

слова президента Кеннеди,

сказанные в 1962-м на выступлении в университете Райса.

Я возьму на себя смелость перефразировать:

«Мы выбираем работу над накопителем для энергосистемы

не потому, что это просто,

а потому что это трудно».

(Аплодисменты)

Перед вами этапы разработки жидкометаллического аккумулятора.

Начнём с нашей рабочей лошадки — одноваттного элемента.

Я назвал его «рюмка».

Мы разработали более 400 таких аккумуляторов,

постоянно улучшая их производительность с помощью разных химических элементов,

не только магния и сурьмы.

Попутно мы увеличили мощность аккумулятора до 20 ватт в час.

Этот аккумулятор я назвал «шайба».

С ним мы добились таких же выдающихся результатов.

А потом дело дошло до блюдца.

Это уже 200 ватт в час.

Наша технология показала себя

надёжной и масштабируемой.

Но такой темп казался нам слишком медленным.

Поэтому полтора года назад

мы с Дэвидом

и ещё одним членом нашей исследовательской группы

создали компанию,

чтобы ускорить прогресс

и побыстрее выпустить продукт на рынок.

Сегодня наша компания, LMBC,

производит аккумуляторы 40.5 см в диаметре

и мощностью в 1 киловатт-час:

в 1 000 раз мощнее,

чем наша первая «рюмка».

Этот аккумулятор мы назвали «пицца».

А на горизонте у нас элемент мощностью в 4 киловатт-час

и диаметром в 90 см.

Его мы называем «столик в бистро»,

но это ещё рано кому-либо показывать.

Одно из возможных применений нашей технологии —

сложить крышки «столиков» в модули

и собрать множество модулей в один гигантский аккумулятор,

помещающийся в 12-метровый контейнер

для перевозки, установки и введения в эксплуатацию.

Расчётная мощность этого аккумулятора — 2 мегаватт-час,

2 миллиона ватт в час.

Такого количества энергии достаточно

для удовлетворения повседневных электрических нужд

200 американских семей.

Вот такой накопитель для энергосистемы:

бесшумный, не загрязняющий атмосферу,

не содержащий подвижных частей,

управляемый на расстоянии,

разработанный с учётом рыночной цены

без субсидий.

Какой урок мы извлекли из всего этого?

(Аплодисменты)

Какой урок мы извлекли из всего этого?

Разрешите мне поделиться с вами

некоторыми сюрпризами и неординарными идеями.

Их не заметишь невооружённым взглядом.

Температура:

здравый смысл подсказывает держать её низкой,

приближенной к комнатной температуре,

и установить систему контроля за её поддержанием.

Избегать бесконтрольного роста температуры.

Жидкометаллический аккумулятор может работать

при высоких температурах с минимальным контролем.

Он может выдерживать большие температурные скачки,

возникающие из-за перепадов напряжения.

Масштабируемость: здравый смысл подсказывает

сокращать себестоимость за счёт увеличения производства.

Жидкометаллический аккумулятор устроен так, что его стоимость будет низкой

при небольших объёмах производства, но сами аккумуляторы будут больше.

И наконец кадровый вопрос:

здравый смысл подсказывает

привлекать к работе экспертов,

опытных профессионалов в вопросах устройства аккумуляторов,

несущих с собой широкие знания и опыт.

Для разработки жидкометаллического аккумулятора

я взял на работу студентов и докторантов и обучил их.

От моего аккумулятора я старался добиться

максимального электрического потенциала.

В моих учениках я старался

максимально реализовать потенциал человеческий.

Поэтому

история жидкометаллического аккумулятора,

это не просто рассказ

о новом техническом изобретении,

это руководство

по становлению изобретателей в полном спектре.

(Аплодисменты)