Den saknade länken till förnybar energi

Vad är nyckeln för att öka användningen av förnyelsebar energi som sol och vind? Lagringen -- så att vi kan ha kraft att tappa från kranen även när inte solen lyser och vinden inte blåser. I detta lättillgängliga och inspirerande föredrag, tar Donald Sadoway svarta tavlan till hjälp och visar oss framtidens högkapacitetsbatterier som lagrar den förnyelsebara energin. Han framhåller: "Vi behöver tänka som inte alla andra gör. Vi behöver tänka stort. Vi behöver tänka snålt."

Elenergin till lamporna i denna teater

producerades alldeles nyss.

För det är så det fungerar i dag,

förbrukningen av el måste vara i ständig balans

med tillförseln av el.

Om det slutade komma in några tiotals megawatt

av vindkraft i elnätet

under tiden som det tog för mig
att komma fram på scenen,

så skulle skillnaden omedelbart behöva produceras

från andra generatorer

Men kolkraftverk, kärnkraftverk

kan inte svara tillräckligt fort.

Ett gigantiskt batteri skulle dock kunna göra det.

Med ett gigantiskt batteri skulle vi kunna

lösa problemet med oregelbundenheten

som förhindrar vind- och solenergi

från att bidra till elkraft på nätet på samma sätt

som kol, naturgas och kärnkraft gör i dag.

För ni förstår, batteriet

är här den möjliggörande nyckelkomponenten.

Med det skulle vi kunna ta ut el från solen

även när inte solen skiner.

Det ändrar allt.

Därför att då skulle det förnybara

som vind och sol

komma loss från sin sidoposition,

och in på huvudscenen.

I dag vill jag berätta om en sådan sak.

Det kallas "flytande metall"-batteriet.

Det är en ny form av energilagring

som jag uppfann på MIT

tillsammans med mitt lag av studenter

och forskarassistenter (post-docs).

Nu är temat för denna TED-konferens det "Hela Spektrumet".

Oxfords engelska ordbok (OED) definierar spektrum

som "Hela området av våglängder

av elektromagnetisk strålning,

från de längsta radiovågorna till de kortaste gammastrålarna,

av vilket området med synbart ljus

endast är en lite del."

Så jag är inte här i dag för tala om

hur min grupp på MIT i naturen hittat

en lösning till ett av världens största problem.

Jag vill gå längs hela spektrumet och berätta hur,

under utvecklingsprocessen av

denna nya teknologi,

vi upptäckte några överraskande motsägelser

som kan tjäna som inspiration för innovationer,

idéer värda att spridas.

Och ni vet,

om vi ska få detta land ur den nuvarande
energisituationen,

kan vi inte bara spara oss ur den;

kan vi inte bara borra oss ur den

kan vi inte bara bomba oss ur den.

Vi kommer att göra det på det gamla goda amerikanska sättet,

vi kommer uppfinna oss ur det,

genom att arbeta tillsammans.

(Applåder)

Så låt oss nu börja.

Batteriet uppfanns för ungefär 200 år sen

av en professor, Alessandro Volta

vid Pavias universitet i Italien.

Hans uppfinning gav upphov till en ny vetenskapsgren,

elektrokemi

och nya teknologier

som elektroplättering.

Kanske något som förbisetts

är att Voltas uppfinning av batteriet,

samtidigt var första gången

nyttan med en professor demonstrerades.

(Skratt)

Före Volta, kunde ingen föreställa sig att

en professor skulle göra någon nytta överhuvudtaget.

Här är det första batteriet --

en stapel av mynt i zink och silver,

skilda av kartong, indränkt i saltlösning.

Detta är startpunkten

för att utforma ett batteri --

två elektroder,

i detta fall två metaller av olika sammansättning,

och en elektrolyt,

i detta fall salt löst i vatten.

Så enkel är den vetenskapen.

Medvetet har jag utelämnat några detaljer.

Jag har nu lärt er

att batterivetenskapen är rättfram

och behovet av lagring på kraftnätsnivån

är tilltalande,

men faktum är

att i dag finns det helt enkelt ingen batteriteknik

som kapabel att möta

de tilltagande prestandabehovet i kraftnätet --

nämligen den ovanligt höga effekten,

den långa livslängden

och en väldigt låg kostnad.

Vi behöver tänka annorlunda.

Vi behöver tänka stort,

vi behöver tänka snålt.

Så låt os överge paradigmet

att "låt oss söka efter den coolaste kemin

och förhoppningsvis kan vi trycka ned kostnadskurvan

genom att göra ett mycket stort antal av dem."

Låt oss istället uppfinna

så vi möter kostnadskurvan hos elmarknaden.

Detta betyder

att vissa delar av det periodiska systemet

är omöjliga att använda, på grund
av ämnenas egenskaper där.

Detta batteri behöver göras

av vanligt förekommande grundämnen.

Jag säger, om man vill göra något som är skitbilligt,

så måste man göra det av jord --

(Skratt)

helst av jord

från lokala källor.

Och vi kommer behöva bygga denna sak

genom att använda enkla tillverkningstekniker och fabriker

som inte kostar en förmögenhet.

För ungefär sex år sen,

började jag tänka på detta problem.

För att kunna tillämpa ett nyskapande perspektiv

sökte jag inspiration långt utanför fältet hur man lagrar el.

Faktum är att jag tittade på teknik

som varken lagrar eller generar elektricitet,

men som istället förbrukar el och

enorma mängder av det.

Jag pratar om aluminiumproduktion.

Den processen uppfanns 1886

av några 22 åringar --

Hall i USA och Héroult i Frankrike.

Och bara på några få år som följde efter deras upptäckt,

så förändrades aluminium

från att vara en dyrbar metall som kostade som silver

till att bli ett vanligt konstruktionsmaterial.

Nu ser ni cellhusen i ett modernt aluminiumsmältverk.

Verket är cirka 12 meter brett (50 fot)

och sträcker sig ungefär 8 kilometer--

rader efter rader av celler

som, inuti, påminner om Voltas batteri,

men med tre viktiga skillnader.

Voltas batteri fungerar vid rumstemperatur.

Det har fasta elektroder

och en elektrolyt som består av en lösning av salt och vatten.

Hall-Héroults cell

arbetar vid högre temperatur,

vid en temperatur hög nog

att hålla aluminiumet flytande.

Elektrolyten

är inte att lösning av salt och vatten

det är snarare smält salt.

Det är denna kombination av flytande metall,

smält salt och hög temperatur

som tillåter oss att sända en hög ström genom den.

I dag kan vi producera jungfrulig metall av malm

som kostar mindre än 15 kr/kg
(50 cent per pund).

Det är ett ekonomiskt under som

skapats av modern elektrometallurgi.

Det var det här som fångade och höll kvar
min uppmärksamhet

till en punkt där jag blev besatt av att
uppfinna ett batteri

som kunde innefatta alla dessa gigantiska stordriftsfördelar.

Och jag gjorde det.

Jag gjorde batteriet helt flytande --

flytande metaller för båda elektroderna

och ett smält salt som elektrolyt.

Jag kommer visa er hur.

Så jag placerar flytande metall

med låg densitet på toppen,

placerar en flytande högdensitetsmetall i botten,

och ett smält salt mellan dem.

Så nu,

hur ska man välja metallerna?

För mig börjar designuppgiften

alltid här

med det periodiska systemet,

framtaget av en annan professor

Dmitrij Mendelejev.

Allting som vi känner till

är gjort av några kombinationer

som du kan se avbildade här.

Och det inkluderar våra egna kroppar.

Jag kommer ihåg stunden den där dagen

när jag sökte efter ett metallpar

som skulle möta begränsningarna

i tillgänglighet,

av olika och motsatt densitet

och hög ömsesidig reaktivitet.

Jag kände en rysning när jag insåg

att jag kommit fram till svaret.

Magnesium för topplagret.

Och antimon

för bottenlagret.

Och ni vet, jag måste berätta:

en av de största fördelarna med att vara professor:

färgade kritor.

(Skratt)

För att producera ström,

tappar magnesium två elektroner

och blir en magnesiumjon,

vilken sedan migrerar genom elektrolyten,

tar emot två elektroner från antimonet,

vilket blandar sig och skapar en legering.

Elektronerna går till arbetet

i den verkliga världen här ute

och ger kraft till våra apparater.

Vi laddar batteriet

genom att koppla det till en elektricitetskälla.

Det skulle kunna vara till exempel en vindkraftspark.

Och då reverserar vi strömmen.

Och det tvingar magnesiumet att skilja
sig från legeringen

och återgå till den övre elektroden och

återställa det initiala tillståndet hos batteriet.

Och genom att låta strömmen passera mellan elektroderna

tillförs tillräckligt med värme för att hålla temperaturen.

Det är ganska coolt,

i varje fall i teorin.

Men funkar det verkligen?

Så vad gör man i nästa steg?

Vi går till laboratoriet.

Men anställer jag nu erfarna fackmän?

Nej, jag anställer en student

och är hans mentor,

lär honom om hur jag tänker kring problemet,

för han ska se det ur mitt perspektiv

och sen släpper jag lös honom.

Det här är studenten, David Bradwell,

vilken i denna bild

verkar undrar om detta någonsin
kommer att fungera.

Vad jag då inte berättade för David

var att jag själv inte var övertygad
om att detta skulle fungera.

Men David är ung, han är smart,

han vill bli doktor (PhD.),

och han fortsätter att bygga.

(Skratt)

Han fortsätter att bygga

det första flytande metallbatteriet någonsin,

med denna typ av kemi.

Baserat på Davids lovande preliminära resultat,

vilka betalades med medel

från en såddfond på MIT,

kunde jag attrahera en omfattande forskningsfinansiering

från den privata sektorn

och från de federala myndigheterna.

Och det gav mig möjlighet att expandera min
grupp till 20 personer,

med en blandning av forskarstuderande, post-docs

och till och med några studenter på grundnivå.

Och jag hade möjlighet att attrahera väldigt
väldigt bra personer,

sådana som delade min passion

för vetenskap och samhällsnytta,

inte för vetenskap och karriärnytta.

Och om du frågar dessa människor

varför de arbetar med flytande metallbatterier,

så kommer deras svar att klinga av

President Kennedys tal

vid Rice University 1962

när han sa -- och jag tar mig här friheter här --

"Vi väljer arbeta med kraftnätslagring.

Inte därför att det är enkelt,

men för att det är svårt."

(Applåder)

Det var på det sättet som det flytande
metallbatteriet växte fram.

Vi börjar med en av våra arbetshästar: 1-wattimmescellen.

Jag kallar den Shotglaset.

Vi har haft över 400 sådana i drift,

och under tiden förbättrat deras prestanda
genom en mångfald av olika kemier

inte bara magnesium och antimon.

Längs vägen har vi skalat upp till en cell
som klarar 20 wattimmar.

Jag kallar denna Hockeypucken.

Och vi fick samma anmärkningsvärda resultat.

Och efter den kom Tefatet.

Som klarar 200 wattimmar.

Teknologin har visat sig

vara robust och skalbar.

Men farten var inte tillräckligt hög för oss.

Så för ett och ett halvt år sedan,

bildade David och jag,

tillsammans med en annan medarbetare
i forskningsgruppen,

ett företag

för påskynda utvecklingstakten

och påskynda tillverkningen av en produkt.

Så idag på LMBC,

bygger vi celler som har en diameter på 40 centimeter

med en kapacitet på en kilowattimme --

1000 gånger kapaciteten

hos den initiala shotglascellen.

Vi kallar denna Pizzan.

Inom vårt synhåll har vi en cell som klarar 4 kilowattimmar.

Den kommer ha en diameter på 90 cm.

Vi kallar denna Bistrobordet,

men den är ännu inte klar för visning på
bästa sändningstid.

Och en variant av den tekniken

har tillåtit oss att stapla dessa bistrobord till
moduler,

sammanfoga dessa moduler till ett gigantiskt batteri

som får plats i en 12 meter lång fraktcontainer

för placering i fält.

Och denna har en märkeffekt av
två megawattimmar --

två miljoner wattimmar.

Det är tillräckligt med energi

för att möta det dagliga elbehovet

hos 200 amerikanska hushåll.

Så här har vi det, lagring för kraftnät:

tyst, utan utsläpp,

inga rörliga delar,

fjärrstyrt,

designat för att passa marknadsprissättningen

utan subventioner.

Så vad har vi lärt oss från allt detta?

(Applåder)

Så vad har vi lärt oss från allt detta?

Låt mig dela med mig av

några av överraskningarna, motsättningarna.

De ligger bortom det synliga.

Temperaturen:

Erfarenheten säger: "håll den låg,

vid eller nära rumstemperatur

och installera sedan ett styrsystem för att hålla den där."

Undvik att temperaturen springer i väg.

Det flytande metallbatteriet är utformat för att arbeta vid förhöjd temperatur

med minimal reglering.

Vårt batteri kan hantera väldigt höga temperaturökningar

som kommer sig av strömtoppar.

Skalning. Erfarenheten säger:

"reducera kostnaden genom att göra många."

Det flytande metallbatteriet är utformat för att
reducera kostnaden

genom att producera färre, men större.

Och slutligen: mänskliga resurser.

Erfarenheten säger

"anställ batteriexperter,

erfarna fackmän,

vilka kan dra nytta av sina omfattande erfarenheter och
kunskaper."

För att utveckla det flytande metallbatteriet

anställde jag studenter och post-docs och
handledde dem.

I ett batteri

strävar jag att maximera dess elektriska potential;

när jag handleder,

strävar jag att maximera mänsklig potential.

Ni förstår,

historien om det flytande metallbatteriet

är mer än en berättelse

om uppfinnande av teknik,

det är en ritning

för att uppfinna uppfinnare, för hela spektrumet.

(Applåder)