Elektřina napájející světla tohoto divadla byla vyrobena jen před malým okamžikem. Což je způsob, jak se to dnes dělá, Spotřeba elektřiny musí být ve stálé rovnováze s vyrobenou elektřinou. Pokud, by v době, která uběhla, než jsem vyšel sem na jeviště, desítky megawatt větrné energie přestaly proudit do rozvodné sítě, rozdíl by musel být okamžitě pokryt z jiného zdroje. Uhelné elektrárny a jaderné elektrárny nemohou reagovat dostatečně rychle. Obrovské baterie by však mohly. S obrovskou baterií, bychom byli schopni řešit tento problém přerušovanosti, čímž bychom předešli problému dodávek elektřiny z větru a slunce tak, jako to v současnosti dělá energie z uhlí, zemního plynu a jádra.
The electricity powering the lights in this theater was generated just moments ago. Because the way things stand today, electricity demand must be in constant balance with electricity supply. If in the time that it took me to walk out here on this stage, some tens of megawatts of wind power stopped pouring into the grid, the difference would have to be made up from other generators immediately. But coal plants, nuclear plants can't respond fast enough. A giant battery could. With a giant battery, we'd be able to address the problem of intermittency that prevents wind and solar from contributing to the grid in the same way that coal, gas and nuclear do today.
Vidíte, baterie je to klíčové zařízení. S tímto bychom mohli vyrábět elektřinu ze slunce dokonce, i když nesvítí. To všechno mění. Protože obnovitelné zdroje energie, jako vítr a slunce, tímto opouští postranní část jeviště a přicházejí sem na scénu. Dnes vám chci říci o takovém zařízení. Je to baterie založená na tekutých kovech. Je to nový způsob ukládání energie, kterou jsem vynalezl na MIT spolu s týmem svých studentů a doktorandů.
You see, the battery is the key enabling device here. With it, we could draw electricity from the sun even when the sun doesn't shine. And that changes everything. Because then renewables such as wind and solar come out from the wings, here to center stage. Today I want to tell you about such a device. It's called the liquid metal battery. It's a new form of energy storage that I invented at MIT along with a team of my students and post-docs.
Letošní téma TEDu je Full Spectrum. OED (Oxfordský slovník angličtiny), definuje spektrum jako: „Celý rozsah vlnových délek elektromagnetického vlnění, od nejdelších radiových vln až po nejkratší gama záření, včetně viditelného světla, které je jen jeho malou částí." Nejsem zde jen proto, abych vám řekl, jak můj tým z MIT vyřešil, za pomoci přírodních zákonů, jeden z největších problémů světa. Chci vám ukázat celé spektrum a říct vám, jak jsme v průběhu vynalézání této nové technologie, odkryli překvapivé heterodoxie, které mohou být brány jako lekce pro inovace, Myšlenky, které stojí za to šířit. Vy víte, že jestli chceme dostat tuto zemi z nynější energetické situace, tak si nemůžeme svou únikovou cestu ven, jen tak "uchovat" nemůžeme si ji jen tak "natěžit", nemůžeme si ji "vybombardovat". Uděláme to starým dobrým americkým způsobem, my naši cestu vynalezneme společným úsilím.
Now the theme of this year's TED Conference is Full Spectrum. The OED defines spectrum as "The entire range of wavelengths of electromagnetic radiation, from the longest radio waves to the shortest gamma rays of which the range of visible light is only a small part." So I'm not here today only to tell you how my team at MIT has drawn out of nature a solution to one of the world's great problems. I want to go full spectrum and tell you how, in the process of developing this new technology, we've uncovered some surprising heterodoxies that can serve as lessons for innovation, ideas worth spreading. And you know, if we're going to get this country out of its current energy situation, we can't just conserve our way out; we can't just drill our way out; we can't bomb our way out. We're going to do it the old-fashioned American way, we're going to invent our way out, working together.
(Potlesk)
(Applause)
Tak tedy začněme. První baterii vynalezl učenec Alessandro Volta zhruba před 200 lety na italské univerzitě v Padově. Jeho vynález dal základ nové vědní disciplíně, elektrochemii, a také novým technologiím jako je třeba galvanické pokovování. Možná vám to trošku více přiblížím. Voltův vynález baterie také poprvé ukázal, jak jde využít učenec. (Smích) Do té doby si nikdo nedokázal představit, že učenec může mít nějaké využití.
Now let's get started. The battery was invented about 200 years ago by a professor, Alessandro Volta, at the University of Padua in Italy. His invention gave birth to a new field of science, electrochemistry, and new technologies such as electroplating. Perhaps overlooked, Volta's invention of the battery for the first time also demonstrated the utility of a professor. (Laughter) Until Volta, nobody could imagine a professor could be of any use.
Toto je první baterie, hromada mincí ze zinku a stříbra oddělených lepenkou namočenou ve slané vodě. To je počáteční bod vývoje baterie – dvě elektrody, v tomto případě dva kovy různého složení a elektrolyt, v tomto případě sůl rozpuštěná ve vodě. Věda je opravdu takto jednoduchá. Nepopírám, že jsem vynechal pár detailů.
Here's the first battery -- a stack of coins, zinc and silver, separated by cardboard soaked in brine. This is the starting point for designing a battery -- two electrodes, in this case metals of different composition, and an electrolyte, in this case salt dissolved in water. The science is that simple. Admittedly, I've left out a few details.
Naučil jsem vás, že věda o baterii je přímočará a že potřeba skladu elektrické energie je důležitá. Pravda však je, že dodnes nemáme technologii, která by byla schopna poskytnout požadované vlastnosti, jmenovitě netypicky velký výkon a dlouhou životnost za malé peněžní náklady. Potřebujeme se nad tímto problémem zamyslet odlišně. Potřebujeme myslet ve velkém a potřebujeme myslet levně.
Now I've taught you that battery science is straightforward and the need for grid-level storage is compelling, but the fact is that today there is simply no battery technology capable of meeting the demanding performance requirements of the grid -- namely uncommonly high power, long service lifetime and super-low cost. We need to think about the problem differently. We need to think big, we need to think cheap.
Zanechme stávajícího paradigmatu v podobě hledání nejlepšího chemického postupu v naději, že dosáhneme požadovaného snížení nákladů vytvořením mnoha a mnoha výrobků. Místo toho vynalézejme tak, aby to odpovídalo ceně na trhu elektřiny. To znamená, že některé části periodické tabulky prvků jsou axiomaticky nepřípustné. Tato baterie musí být vytvořena z prvků, které se na zemi hojně vyskytují. Jestli chcete vytvořit něco levného jako prach, vytvořte to z prachu. (Smích) – nejlépe z prachu, který je regionálně dostupný. Potřebujeme být schopni vybudovat tuto věc použitím jednoduchých výrobních technologií a postupů, které nestojí jmění.
So let's abandon the paradigm of let's search for the coolest chemistry and then hopefully we'll chase down the cost curve by just making lots and lots of product. Instead, let's invent to the price point of the electricity market. So that means that certain parts of the periodic table are axiomatically off-limits. This battery needs to be made out of earth-abundant elements. I say, if you want to make something dirt cheap, make it out of dirt -- (Laughter) preferably dirt that's locally sourced. And we need to be able to build this thing using simple manufacturing techniques and factories that don't cost us a fortune.
Před šesti lety jsem začal přemýšlet o tomto problému. Za účelem získání nového pohledu, jsem hledal inspiraci za hranicí elektrického skladování. V podstatě jsem zkoumal technologie, které ani neskladují, ale ani negenerují elektrickou energii, místo toho ji spotřebovávají ve velkém množství. Mluvím o výrobě hliníku. Tento proces byl vynalezen v roce 1886 dvěma dvaadvacetiletými muži Hallem ve Spojených státech a Heroultem ve Francii. Což za pouhých několik let způsobilo změnu, ze vzácného hliníku, stejně drahého jako stříbro, se stal běžný konstrukční materiál.
So about six years ago, I started thinking about this problem. And in order to adopt a fresh perspective, I sought inspiration from beyond the field of electricity storage. In fact, I looked to a technology that neither stores nor generates electricity, but instead consumes electricity, huge amounts of it. I'm talking about the production of aluminum. The process was invented in 1886 by a couple of 22-year-olds -- Hall in the United States and Heroult in France. And just a few short years following their discovery, aluminum changed from a precious metal costing as much as silver to a common structural material.
Díváte se na dům plný moderních elektrolyzních pecí. Je okolo 15,3 m široký a 0,8 km dlouhý. Řada za řadou skládající se z buněk, které uvnitř připomínají Voltovu baterii se třemi důležitými rozdíly. Voltova baterie pracuje při pokojové teplotě. Má vestavěné pevné elektrody a elektrolyt je roztok soli a vody. Hall-Heroultův elektrolyzér pracuje při vysoké teplotě. Tato teplota je tak vysoká, že hliníkový produkt je v tekuté fázi. Elektrolyt není roztok soli a vody, nýbrž spíše sůl, která je roztavena. Je to ta kombinace tekutého kovu, tavené soli a vysoké teploty, která nám umožňuje nechat protékat vysoký proud. V současnosti můžeme produkovat čistý kov z rudy za cenu menší než 50 centů za 0,23 kg. Je to ekonomický zázrak moderní elektrometalurgie.
You're looking at the cell house of a modern aluminum smelter. It's about 50 feet wide and recedes about half a mile -- row after row of cells that, inside, resemble Volta's battery, with three important differences. Volta's battery works at room temperature. It's fitted with solid electrodes and an electrolyte that's a solution of salt and water. The Hall-Heroult cell operates at high temperature, a temperature high enough that the aluminum metal product is liquid. The electrolyte is not a solution of salt and water, but rather salt that's melted. It's this combination of liquid metal, molten salt and high temperature that allows us to send high current through this thing. Today, we can produce virgin metal from ore at a cost of less than 50 cents a pound. That's the economic miracle of modern electrometallurgy.
Toto si získalo moji pozornost až do té míry, že jsem se stal posedlým výzkumem baterie, která by mohla dosáhnout takovéto obrovské úspory. Zvládl jsem to. Vytvořil jsem tu baterii, v které jsou obě elektrody z tekutého kovu a elektrolyt je roztavená sůl. Ukáži vám, jak jsem to udělal. Do horní vrstvy jsem dal tekutý kov o malé hustotě a do spodní vrstvy tekutý kov s velkou hustotou, roztavená sůl je mezi nimi.
It is this that caught and held my attention to the point that I became obsessed with inventing a battery that could capture this gigantic economy of scale. And I did. I made the battery all liquid -- liquid metals for both electrodes and a molten salt for the electrolyte. I'll show you how. So I put low-density liquid metal at the top, put a high-density liquid metal at the bottom, and molten salt in between.
Tedy, jak vybrat tyto kovy? Pro mě začíná návrhářská rozcvička vždy zde, u periodické soustavy prvků, kterou formuloval jiný učenec, Dmitrij Mendělejev. Vše, co známe, je vytvořeno nějakou kombinací toho, co tu vidíte zobrazeno. Včetně našich těl. Vybavuji si ten den, kdy jsem hledal kovy, které by splňovaly omezení jako hojnost pozemského výskytu, rozdílnost hustot a vysokou vzájemnou reaktivitu. Vzrušilo mě, když jsem zjistil, že jsem přišel na odpověď. Hořčík pro horní vrstvu a antimon pro spodní vrstvu. Musím vám něco říci. Jedním z největších benefitů toho, že jste lektor, jsou barevné křídy.
So now, how to choose the metals? For me, the design exercise always begins here with the periodic table, enunciated by another professor, Dimitri Mendeleyev. Everything we know is made of some combination of what you see depicted here. And that includes our own bodies. I recall the very moment one day when I was searching for a pair of metals that would meet the constraints of earth abundance, different, opposite density and high mutual reactivity. I felt the thrill of realization when I knew I'd come upon the answer. Magnesium for the top layer. And antimony for the bottom layer. You know, I've got to tell you, one of the greatest benefits of being a professor: colored chalk.
(Smích)
(Laughter)
Aby se vytvořil proud, hořčík ztrácí dva elektrony a stává se z něj iont, který putuje přes elektrolyt, pohlcuje dva elektrony od antimonu, slučují se a vytvářejí slitinu. Elektrony jdou do práce v reálném vnějším světě, poskytují energii našim zařízením. K dobytí připojíme baterii ke zdroji elektřiny, například k větrné elektrárně, a otočíme cestu proudu. Tyto síly nutí slitinu k rozpadu a vrací hořčík k horní elektrodě, obnovují počáteční stav baterie. Průchod proudu mezi elektrodami vytváří dostatek tepla k udržení požadované teploty.
So to produce current, magnesium loses two electrons to become magnesium ion, which then migrates across the electrolyte, accepts two electrons from the antimony, and then mixes with it to form an alloy. The electrons go to work in the real world out here, powering our devices. Now to charge the battery, we connect a source of electricity. It could be something like a wind farm. And then we reverse the current. And this forces magnesium to de-alloy and return to the upper electrode, restoring the initial constitution of the battery. And the current passing between the electrodes generates enough heat to keep it at temperature.
Je to docela dobré, aspoň teoreticky. Funguje to však? Co dělat dál? Přesunuli jsme se do laboratoře. Najal jsem ostřílené profesionály? Ne, najal jsem studenta a vedl jsem ho, učil jsem ho, jak přemýšlet o problému, aby jej viděl z mojí perspektivy a potom jsem ho nechal pracovat. To je ten student, David Bradwell, který se na tomto obrázku zdá být zvědavý, jestli to bude někdy fungovat. Co jsem však Davidovi neřekl, bylo, že jsem si také nebyl zcela jistý, že to bude fungovat.
It's pretty cool, at least in theory. But does it really work? So what to do next? We go to the laboratory. Now do I hire seasoned professionals? No, I hire a student and mentor him, teach him how to think about the problem, to see it from my perspective and then turn him loose. This is that student, David Bradwell, who, in this image, appears to be wondering if this thing will ever work. What I didn't tell David at the time was I myself wasn't convinced it would work.
David je však mladý, chytrý a chce Ph.D. Tedy on začal výzkum... (Smích) Začal výzkum první baterie založené na tekutých kovech daného chemického složení. Na základě Davidových počátečních slibných výsledků, které byly placeny z fondu MIT, který poskytuje počáteční investice, jsem dokázal získat největší část prostředků pro výzkum z privátní sféry a od federální vlády. Což mi dovolilo rozšířit skupinu pracovníků na 20 lidí ve složení doktorandů a postdoktorandů a dokonce i některých studentů.
But David's young and he's smart and he wants a Ph.D., and he proceeds to build -- (Laughter) He proceeds to build the first ever liquid metal battery of this chemistry. And based on David's initial promising results, which were paid with seed funds at MIT, I was able to attract major research funding from the private sector and the federal government. And that allowed me to expand my group to 20 people, a mix of graduate students, post-docs and even some undergraduates.
Povedlo se mi získat velmi, velmi dobré lidi, lidi kteří ukazovali vášeň pro vědu a službu společnosti, ne pro vědu a vlastní kariérní růst. Pokud byste se zeptali těchto lidí, proč pracují na vývoji baterie s tekutými kovy, tak by se jejich odpověď odkazovala na slova prezidenta Kennedyho, kterou vyslovil v roce 1962 na Riceově univerzitě. Tady si dovolím trochu parafrázovat. „Vybrali jsme si práci na skladu energie, ne však proto, že je to lehké, ale proto, že je to těžké."
And I was able to attract really, really good people, people who share my passion for science and service to society, not science and service for career building. And if you ask these people why they work on liquid metal battery, their answer would hearken back to President Kennedy's remarks at Rice University in 1962 when he said -- and I'm taking liberties here -- "We choose to work on grid-level storage, not because it is easy, but because it is hard."
(Potlesk)
(Applause)
Toto je evoluce baterie s tekutými kovy. Začali jsme zde, s dříčem o výkonu jedné watt-hodiny. Nazývám jej panák. Těchto panáků jsme provozovali kolem 400. Zlepšovali jsme jejich výkon mnohými chemikáliemi, ne jen hořčíkem a antimonem. Během své cesty jsme zvýšili výkon na 20 watt-hodin. Nazývám jej hokejový puk. Dostali jsme stejně skvělé výsledky. Pokračování se nabízelo jako na podnose. 200 watt-hodinové zařízení. Technologie dokázala, že může dosáhnout velkých výkonů. Tempo pro nás však nebylo dostatečné. Proto jsme David a já, před rokem a půl, spolu s dalšími výzkumníky, založili společnost za účelem zrychlení tempa vývoje a rychlosti výroby.
So this is the evolution of the liquid metal battery. We start here with our workhorse one watt-hour cell. I called it the shotglass. We've operated over 400 of these, perfecting their performance with a plurality of chemistries -- not just magnesium and antimony. Along the way we scaled up to the 20 watt-hour cell. I call it the hockey puck. And we got the same remarkable results. And then it was onto the saucer. That's 200 watt-hours. The technology was proving itself to be robust and scalable. But the pace wasn't fast enough for us. So a year and a half ago, David and I, along with another research staff-member, formed a company to accelerate the rate of progress and the race to manufacture product.
V současnosti v LMBC vyrábíme elektrolyzéry o průměru 40 cm s kapacitou jedné kilowatt-hodiny. To je 1000 násobek kapacity počátečního panáku. Pracovní název tohoto zařízení je pizza. Brzy již budeme dokonce vyrábět čtyř kilowatt-hodinové zařízení. Bude o průměru 91 cm. Nazýváme jej bistro stolek, zatím však není připraven na prvotní zhlédnutí. Jedna varianta technologie je vrstvení těchto bistro stolků do modulů, čímž by moduly tvořily obrovskou baterii, která by se vešla do 12 metrového kontejneru situovaného v terénu. Jmenovitá kapacita celého zařízení má dvě megawatt-hodiny, tedy dva miliony watt-hodin. To je dostatek energie k pokrytí denní poptávky elektrické energie 200 amerických domácností. Zde vidíte, síťový sklad elektrické energie. Je tichý, bez emisí, bez pohybujících se částí, řízený na dálku, navržený dle cen trhu bez nutnosti dotace k výstavbě.
So today at LMBC, we're building cells 16 inches in diameter with a capacity of one kilowatt-hour -- 1,000 times the capacity of that initial shotglass cell. We call that the pizza. And then we've got a four kilowatt-hour cell on the horizon. It's going to be 36 inches in diameter. We call that the bistro table, but it's not ready yet for prime-time viewing. And one variant of the technology has us stacking these bistro tabletops into modules, aggregating the modules into a giant battery that fits in a 40-foot shipping container for placement in the field. And this has a nameplate capacity of two megawatt-hours -- two million watt-hours. That's enough energy to meet the daily electrical needs of 200 American households. So here you have it, grid-level storage: silent, emissions-free, no moving parts, remotely controlled, designed to the market price point without subsidy.
Co jsme se dnes z toho všeho naučili? (Potlesk) Co jsme se dnes z toho všeho naučili? Chci vám prozradit pár překvapení, těch heterodoxů. Leží za hranicí viditelnosti. Teplota: obecné povědomí nám říká, že má být nízká, na nebo okolo pokojové teploty, přičemž je potřeba použít kontrolní, řídící systém a udržovat ji. Vyhnout se nekontrolovatelné změně. Baterie s tekutými kovy pracuje za vysokých teplot s minimální regulací. Naše baterie si umí poradit s velmi vysokým teplotními růsty, které jsou způsobeny prudkými výkyvy tekoucího proudu. Škálování: obecné povědomí říká, že cenu snížíme početnou produkcí. Baterie s tekutými kovy je navržena pro snížení ceny produkcí menšího počtu s velkým výkonem. Nakonec lidské zdroje. obecné povědomí říká, najmi dav expertů, ostřílených profesionálů, kteří mohou čerpat z ohromného množství zkušeností a znalostí. K vývoji baterii s tekutými kovy jsem najal studenty a post-doktorandy, které jsem dále vedl. U baterie jsem se snažil maximalizovat elektrický potenciál. Když jsem byl mentorem, snažil jsem se maximalizovat lidský potenciál. Nakonec vidíte, že příběh o baterii s tekutými kovy je více než zpráva o vynalézání technologie. Je to detailní plán pro vynalézání vynálezců, v celém spektru.
So what have we learned from all this? (Applause) So what have we learned from all this? Let me share with you some of the surprises, the heterodoxies. They lie beyond the visible. Temperature: Conventional wisdom says set it low, at or near room temperature, and then install a control system to keep it there. Avoid thermal runaway. Liquid metal battery is designed to operate at elevated temperature with minimum regulation. Our battery can handle the very high temperature rises that come from current surges. Scaling: Conventional wisdom says reduce cost by producing many. Liquid metal battery is designed to reduce cost by producing fewer, but they'll be larger. And finally, human resources: Conventional wisdom says hire battery experts, seasoned professionals, who can draw upon their vast experience and knowledge. To develop liquid metal battery, I hired students and post-docs and mentored them. In a battery, I strive to maximize electrical potential; when mentoring, I strive to maximize human potential. So you see, the liquid metal battery story is more than an account of inventing technology, it's a blueprint for inventing inventors, full-spectrum.
(Potlesk)
(Applause)