Der Strom für das Licht in diesem Saal wurde erst vor wenigen Momenten erzeugt. Denn nach heutigen Bedingungen müssen beim Strom Nachfrage und Erzeugung stets ausgewogen sein. Wären in der Zeit, in der ich über diese Bühne ging, einige zig Megawatt Windenergie plötzlich nicht mehr ins Netz geflossen, dann hätte die Differenz sofort von anderen Generatoren wettgemacht werden müssen. Aber Kohle- oder Kernkraftwerke können nicht schnell genug reagieren. Eine riesige Batterie könnte das schon. Mit einer riesigen Batterie könnten wir dem Problem der Unterbrechung begegnen, das verhindert, dass Wind- und Solarenergie das Netz heute im gleichen Ausmaß wie Kohle, Gas und Atomkraft speisen.
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.
Die Batterie ist dabei der Schlüsselfaktor. Mit ihr könnten wir selbst dann Solarenergie nutzen, wenn die Sonne nicht scheint. Und das ändert alles. Denn dann spielen erneuerbare Energien wie Wind- und Solarenergie keine Nebenrollen mehr, sondern werden zum Hauptdarsteller. Heute möchte ich Ihnen von so einem Schlüsselfaktor erzählen. Die Flüssigmetallbatterie. Sie speichert Energie auf eine neue Art. Ich habe sie am MIT zusammen mit einigen meiner Studenten und Post-Docs entwickelt.
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.
Der Titel der diesjährigen TED-Konferenz heißt "Volles Spektrum". Der Oxford English Dictionary definiert "Spektrum" als "die gesamte Bandbreite von Wellenlängen von elektromagnetischer Strahlung von den längsten Radiowellen zu den kürzesten Gammastrahlen, wovon die Bandbreite des sichtbaren Lichts nur ein kleiner Teil ist." Heute möchte ich Ihnen nicht nur erzählen, wie mein Team am MIT aus der Natur eine Lösung für eines der größten Probleme der Welt entwickelt hat. Im Sinne eines vollen Spektrums möchte ich Ihnen sagen, wie wir bei der Entwicklung dieser neuen Technologie auf einige überraschende Heterodoxien gestoßen sind, aus denen wir etwas über Innovation und wertvolle Ideen lernen können. Und wissen Sie, wenn wir dieses Land aus seiner derzeiten Energiesituation befreien wollen, dann erreichen wir das nicht mit bloßem Stromsparen, Ölbohrungen, oder Bomben. Wir werden es auf die altmodische amerikanische Art machen, wir werden den Ausweg erfinden, indem wir zusammenarbeiten.
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.
(Applaus)
(Applause)
Fangen wir also an. Die Batterie wurde vor ca. 200 Jahren von einem Professor, Alessandro Volta, an der Universität Padua in Italien erfunden. Dank seiner Erfindung entstand ein neues Wissenschaftsfeld – die Elektrochemie – und neue Technologien wie Galvanik. Ein vielleicht vernachlässigter Aspekt war, dass Voltas Erfindung der Batterie zum ersten Mal auch die Nützlichkeit eines Professors demonstrierte. (Lachen) Vor Volta konnte sich niemand vorstellen, dass ein Professor zu etwas gut sein könne.
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.
Das ist die erste Batterie – ein Stapel Münzen, Zink und Silber, getrennt durch einen, in einer Salzlösung getränkten Karton. Das ist der Ausgangspunkt für die Entwicklung einer Batterie – zwei Elektroden, in diesem Fall verschiedene Metalle, und ein Elektrolyt, in diesem Fall in Wasser gelöstes Salz. So einfach ist die Wissenschaft. Zugegebenermaßen habe ich ein paar Details weggelassen.
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.
Jetzt habe ich Ihnen erklärt, dass die Wissenschaft hiner einer Batterie simpel ist und dass eine Netzspeicherung zwingend erforderlich wäre. Tatsache ist aber, dass es heute einfach keine Batterietechnologie gibt, die in der Lage ist, die Leistungsanforderungen eines Stromnetzes zu erfüllen – und zwar Hochleistung, lange Lebensdauer zu einem supergünstigen Preis. Wir müssen das Problem anders betrachten. Wir müssen in großen Dimensionen denken und billig bleiben.
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.
Geben wir also das Paradigma auf, nach der coolsten Chemie zu suchen, um dann hoffentlich die Kosten senken zu können, indem wir massenweise produzieren. Erfinden wir stattdessen etwas, das zum Kostenpunkt des Strommarktes passt. Das bedeutet also, dass gewisse Bereiche des Periodensystems automatisch ausscheiden. Diese Batterie muss aus Elementen bestehen, die reichlich vorhanden sind. Ich sage, wenn etwas so billig wie Schrott sein soll, macht man es am besten aus Schrott. (Lachen) Und vorzugsweise Schrott, den man vor Ort bekommt. Und dieses Ding müssen wir mit einfachen Techniken und in preiswerten Fabriken herstellen können.
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.
Vor ungefähr 6 Jahren begann ich, darüber nachzudenken. Um einen anderen Blick dafür zu bekommen, suchte ich nach Anregungen aus einem anderen Bereich. Ich sah mir eine Technologie an, die Strom weder speichert noch erzeugt, sondern stattdessen große Mengen Strom verbraucht. Ich spreche von der Aluminiumherstellung. Der Vorgang wurde 1886 erfunden, von ein paar 22-jährigen – Hall in den USA und Heroult in Frankreich. Nur ein paar Jahre nach ihrer Entdeckung hatte Aluminium den Sprung von einem teuren Metall, das soviel kostete wie Silber, zu einem allgegenwärtigen Strukturmaterial vollzogen.
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.
Sie sehen gerade das Gehäuse einer modernen Aluminiumschmelzerei. Es ist ca. 15 m breit und etwa 800 m lang – eine Reihe Zellen nach der anderen, die innen Voltas Batterie ähnlich sehen, aber mit drei wichtigen Unterschieden. Voltas Batterie funktioniert bei Zimmertemperatur. Sie ist mit festen Elektroden und einer Wasser-Salz-Lösung als Elektrolyt ausgestattet. Die Hall-Heroult-Zelle arbeitet bei hoher Temperatur, hoch genug, dass das Aluminiummetallprodukt flüssig ist. Das Elektrolyt ist nicht eine Wasser-Salz-Lösung, sondern eher geschmolzenes Salz. Diese Kombination aus flüssigem Metall, geschmolzenem Salz und hoher Temperatur erlaubt es uns, Hochstrom durchzuschicken. Heute können wir Neumetall aus Erz gewinnen, und ein halbes Kilo kostet weniger als 50 Cent. Das ist das Wirtschaftswunder der modernen Elektrometallurgie.
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.
Genau dieser Aspekt hat mich so fasziniert, dass ich unbedingt eine Batterie erfinden wollte, die diese gigantischen Größenvorteile nutzen könnte. Und das tat ich auch. Ich machte die Batterie flüssig – flüssige Metalle für beide Elektroden und geschmolzenes Salz für als Elektrolyt. Ich zeige Ihnen, wie. Ich brachte ein Flüssigmetall mit geringer Dichte oben an, ein Flüssigmetall mit hoher Dichte unten, und geschmolzenes Salz dazwischen.
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.
Und jetzt, welche Metalle nehme ich? Die Planung beginnt für mich immer hier: mit dem Periodensystem, festgehalten von einem anderen Professor, Dmitri Mendeleyew. Alles um uns herum besteht aus einer Kombination von dem, was Sie hier sehen, inklusive unserer eigenen Körper. Ich erinnere mich genau an den Moment, als ich nach zwei Metallen suchte, die die Auflagen von reichlichem Vorkommen, verschiedener, entgegensetzter Dichte, und hoher gegenseitiger Reaktionsfähigkeit erfüllten. Ich spürte einen Kick, als ich wusste, dass ich die Antwort hatte: Magnesium oben. Und Antimon unten. Ich muss Ihnen sagen, einer, der größten Vorzüge als Professor ist: farbige Kreide.
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.
(Lachen)
(Laughter)
Zur Stromerzeugung verliert Magnesium zwei Elektronen wird zu Magnesiumion, wandert durch den Elektrolyt, nimmt zwei Antimon-Elektronen an, und verbindet sich damit zu einer Legierung. Die Elektronen machen sich an die Arbeit in der realen Welt hier und versorgen unsere Geräte mit Strom. Um die Batterie zu laden, schließen wir eine Stromquelle an. Das könnte ein Windpark sein. Dann kehren wir den Strom um. Das zwingt das Magnesium dazu, sich zu lösen, zur oberen Elektrode zurückzukehren und die ursprüngliche Struktur der Batterie wieder herzustellen. Der Strom zwischen den Elektroden erzeugt genug Hitze, um die Temperatur zu halten.
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.
Das ist echt cool, zumindest theoretisch. Aber funktioniert es auch? Was ist nun der nächste Schritt? Wir gehen ins Labor. Beauftrage ich erfahrene Profis? Nein, ich nehme einen Studenten und betreue ihn, zeige ihm, wie er das Problem betrachten und von meiner Perspektive aus sehen soll. Dann lasse ich ihn von der Leine. Das ist der Student, David Bradwell, der sich hier auf diesem Bild zu fragen scheint, ob das Ding je funktionieren wird. Was ich David damals nicht gesagt habe, war, dass ich selber nicht überzeugt war.
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.
Aber David ist jung und clever und er will eine Doktoranden-Stelle, und so baut er – (Lachen) Er baut dann die allererste Flüssigmetallbatterie mit dieser chemischen Zusammensetzung. Aufbauend auf Davids ersten, vielversprechenden Ergebnissen, die mit Startkapital des MIT finanziert wurden, konnte ich größere Forschungsmittel aus dem Privatsektor und von der US-Regierung auftreiben. So konnte ich meine Gruppe auf 20 Leute ausbauen, bestehend aus MA-Studenten, Post-Docs, und sogar einigen BA-Studenten.
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.
Ich konnte richtig gute Leute begeistern, die meine Leidenschaft für Wissenschaft und den Dienst an der Gesellschaft teilten, nicht Wissenschaft und den Dienst an der Karriere. Wenn Sie diese Leute fragen, warum sie an einer Flüssigmetallbatterie arbeiten, dann würden ihre Antworten an Präsident Kennedys Bemerkungen erinnern, als er 1962 die Rice-Universität besuchte. Er sagte – und da genehmige ich mir ein paar Freiheiten – "Wir arbeiten an der Netzspeicherung, nicht weil es leicht ist, sondern weil es schwierig ist."
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."
(Applaus)
(Applause)
Nun zur Entwicklung der Flüssigmetallbatterie. Wir beginnen hier mit unserer 1-Wattstunden-Zelle. Ich nannte sie das Schnapsglas. Wir haben mit über 400 davon gearbeitet und ihre Leistung mit vielen Chemikalien perfektioniert, nicht nur Magnesium und Animon. Nach einiger Zeit sind wir bei der 20-Wattstunden-Zelle angekommen. Die nannte ich den Hockey-Puck. Und wir erzielten die gleichen bemerkenswerten Ergebnisse. Dann kamen wir zur Untertasse. Das sind 200 Wattstunden. Die Technologie erwies sich als robust und vergrößerbar. Aber es ging uns nicht schnell genug. Vor 1,5 Jahren also haben David und ich gemeinsam mit einem weiteren Teammitglied eine Firma gegründet, um unsere Fortschritte zu beschleunigen und schneller ein Produkt herstellen zu können.
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.
Heute bauen wir in der LMBC Zellen mit einem Durchmesser von ca. 40 cm, mit einer Kapazität von 1 Kilowattstunde – das ist das 1000-fache der Kapazität des anfänglichen Schnapsglases. Wir nennen sie die Pizza. Im Moment arbeiten wir an einer 4-Kilowattstunden-Zelle. Sie wird ca. 91 cm Durchmesser haben. Wir nennen sie den Bistro-Tisch. Noch ist sie nicht präsentierbar im Hauptabendprogramm. Bei einer Variante dieser Technologie stapeln wir die Bistro-Tischflächen zu Modulen auf, fassen die Module in einer Riesenbatterie zusammen, die in einen ca. 12 m großen Schiffscontainer passt und in der Praxis getestet werden soll. Sie verfügt über eine Kapazität von 2 Megawattstunden – 2 Mio. Wattstunden. Das ist genug Strom, um den Tagesbedarf von 200 amerikanischen Haushalten zu decken. Hier haben Sie also Netzspeicherung: leise, ohne Emissionen, keine sich bewegenden Teile, ferngesteuert, marktpreisgerecht, ohne Subventionen.
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.
Was haben wir also aus all dem gelernt? (Applaus) Was haben wir also aus all dem gelernt? Ich möchte Ihnen von einigen Überraschungen, den Heterodoxien, erzählen. Sie sind nicht offensichtlich. Temperatur: Nach klassischer Auffassung hält man sie niedrig, bei oder nahe Zimmertemperatur, und installiert dann ein Kontrollsystem, um sie da zu halten. Rapiden Temperaturanstieg soll man vermeiden. Die Flüssigmetallbatterie arbeitet bei hoher Temperatur mit minimaler Regulierung. Unsere Batterie kann den sehr hohen Temperaturanstieg von Stromstößen aushalten. Größenordnung: Nach klassischer Auffassung senkt man die Kosten durch eine hohe Produktionsmenge. Die Flüssigmetallbatterie senkt Kosten, wenn man weniger Stückzahlen produziert, die aber größer sind. Und schließlich das Personal: Nach klassischer Auffassung stellt man Batterieexperten an, erfahrene Profis, die auf ihre große Erfahrung und ihr Wissen zurückgreifen können. Zur Entwicklung einer Flüssigmetallbatterie stellte ich Studenten und Post-Docs an und betreute sie. Bei einer Batterie versuche ich, das elektrische Potential zu maximieren. Bei der Betreuung versuche ich, das menschliche Potential zu maximieren. Sie sehen also bei der Geschichte der Flüssigmetallbatterie geht es nicht nur um eine technologische Erfindung. Sie ist eine Mustervorlage zum Erfinden von Erfindern, mit vollem Spektrum.
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.
(Applaus)
(Applause)