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.
Ziniet, elektrība šīs zāles apgaismojumam tika saražota tikai pirms dažiem mirkļiem. Jo pašreizējā situācija ir tāda, ka elektrības patēriņam ir jābūt nepārtrauktā līdzsvarā, ar elektrības apgādi. Ja tajā laika sprīdī, kurā es uznācu uz šīs skatuves, daži desmiti megavatu vēja enerģijas pārstātu ieplūst tīklā, tad radusies starpība būtu nekavējoties jākompensē no citiem ģeneratoriem. Bet ogļu stacijas un atomstacijas nespēj reaģēt pietiekami ātri. Milzīgs akumulators gan spētu. Ar milzīgu akumulatoru, mēs varētu atrisināt nepastāvības problēmas, kas kavē saules un vēja enerģijas jaudu ieguldījumu kopējā tīklā tā, kā to šobrīd dara ogles, gāze vai kodolenerģija.
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.
Redziet, šajā gadījumā akumulators paver tādu iespēju. Ar tā palīdzību mēs varētu izmantot saules enerģiju arī tad, kad saule nespīd. Tas visu mainītu, jo tad atjaunīgie energoresursi kā saules un vēja enerģija, iznāktu no nomales, uz centrālo skatuvi. Šodien es jums pastāstīšu par šādu ierīci. To sauc par šķidro metālu akumulatoru. Tas ir jauns enerģijas uzkrāšanas veids, ko es izgudroju MTI, kopā ar studentu un doktorantu komandu.
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.
Šī gada TED konferences tēma ir „Pilns spektrs”. Oksfordas angļu valodas vārdnīca definē spektru kā „Visa viļņu garuma elektromagnētisko starojumu, sākot no visgarākajiem radioviļņiem, līdz pat visīsākajiem gamma viļņiem, no kā redzamās gaismas apgabals ir tikai neliela daļa.” Tādēļ, es šeit esmu, lai pastāstītu ne tikai to, kā mana komanda MTI atrada risinājumu vienai no pasaules lielajām problēmām. Es izmantošu pilnu spektru un pastāstīšu jums kā šīs tehnoloģijas attīstības procesā, mēs guvām vairākas neparastas atziņas, kas var kalpot kā mācība inovācijām, un idejām, kuras ir vērts izplatīt. Ziniet, ja mēs gribam izkustināt mūsu valsti no pašreizējās enerģētikas situācijas, mēs nevaram to paveikt tikai taupot, mēs nevaram to paveikt tikai urbjot naftu, mēs nevaram to paveikt karojot. Mēs varam to paveikt vecajā labajā amerikāņu veidā, mēs varam to paveikt izgudrojot, strādājot plecu pie pleca.
(Applause)
(Aplausi)
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.
Ķersimies klāt. Bateriju izgudroja aptuveni pirms 200 gadiem. To paveica kāds profesors, Alesandro Volta, Padujas Universitātē, Itālijā. Viņa izgudrojums radīja jaunu zinātnes nozari, elektroķīmiju, un jaunas tehnoloģijas, piemēram, elektrogalvanizāciju. Ko pamanīja mazāk: Voltas baterijas izgudrošana pirmo reizi nodemonstrēja arī profesoru noderīgumu. (Smiekli) Līdz Voltam neviens nevarēja iedomāties, ka no profesoriem būtu praktisks labums.
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.
Lūk, pirmā bateriņa, stabiņš ar cinka un sudraba monētām, ar starplikām no salsūdenī mērcēta kartona. Šis ir sākuma punkts akumulatoru dizainam: divi elektrodi, šajā gadījumā dažādi metāli, un elektrolīts, šajā gadījumā ūdenī izšķīdināts sāls. Tik vienkārša ir zinātne. Protams, es izlaidu dažas detaļas.
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.
Es jums parādīju, ka ar akumulatoriem saistītā zinātne ir vienkārša, un vajadzība pēc elektrotīkla līmeņa akumulācijas jaudām ir pārliecinoša. Taču lieta tāda, ka šobrīd vienkārši nav akumulatoru tehnoloģijas, kas atbilstu elektrotīkla līmeņa tehniskajām prasībām, teiksim, neparasti augstai jaudai, ilgam kalpošanas mūžam un īpaši zemām izmaksām. Mums ir jāaplūko problēma citādāk. Mums ir jādomā lielā mērogā, mums ir jādomā zemu izmaksu griezumā.
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.
Tāpēc atmetīsim to pieeju, vispirms meklējot kolosālāko ķīmisku savienojumu, un tad cerot, ka izdosies samazināt vienas vienības cenu, ražojot produktu lielos apjomos. Tā vietā izgudrosim tā, lai piemērotos esošajām cenām elektrības tirgū. Tas nozīmē, ka atsevišķas periodiskās tabulas daļas jau neapšaubāmi atkrīt. Šim akumulatoram ir jābūt veidotam no elementiem, kuru uz Zemes ir daudz. Es saku, ja gribat uztaisīt kaut ko tik lēti kā dubļi, tad taisiet to no dubļiem. (Smiekli) Priekšroku dodot dubļiem, kas ir vietējās izcelsmes. Šī akumulatora ražošanas tehnoloģijai ir jābūt vienkāršai, lai to var darīt fabrikās, kas nemaksā veselu bagātību.
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.
Tātad, pirms gadiem sešiem, es sāku domāt par šo jautājumu. Lai paskatītos uz to no svaiga skatpunkta, es meklēju iedvesmu ārpus enerģijas uzglabāšanas jomas. Es aplūkoju tehnoloģiju, kas nedz uzglabā, nedz ražo elektrību, bet gan elektrību milzīgos apjomos patērē. Es runāju par alumīnija ražošanu. Procesu izgudroja 1886.gadā pāris 22 gadnieku. Hols ASV un Herols Francijā. Dažu gadu laikā, kopš viņu izgudrojuma, alumīnijs pārtapa no dārgmetāla, kas bija sudraba cenā, par parastu, plaši izmantotu materiālu.
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.
Te jūs redzat modernu alumīnija ražotni. Tā ir kādus 15m plata un stiepjas pusjūdzes augstumā. Rinda pēc rindas ar šūnām, kas iekšēji atgādina Volta bateriju, bet ar trim būtiskām atšķirībām. Voltas baterija darbojas istabas temperatūrā. Tajā ietilpst cieta materiāla elektrodi un elektrolīts, kas ir ūdens un sāls šķīdums. Hola-Herola šūna strādā augstā temperatūrā, temperatūrā, kas ir pietiekami augsta, lai alumīnijs būtu šķidrs. Elektrolīts nav vis ūdens un sāls šķīdums, bet gan izkausēts sāls. Tā ir šī šķidrā metāla, šķidrā sāls un augstās temperatūras kombinācija, kas pieļauj augstas strāvas plūsmu caur to. Šobrīd mēs varam saražot metālu no rūdas par mazāk kā 50 centiem mārciņā. Tas ir ekonomisks brīnums, ko radījusi mūsdienu elektrometalurģija.
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.
Tieši tas piesaistīja un noturēja manu uzmanību līdz tam, ka es kļuvu apsēsts ar domu par tāda akumulatora izgudrošanu, kas spētu gūt labumu no šīs gigantiskās apjoma ekonomijas. Es to izdarīju. Es izgudroju pilnībā šķidru akumulatoru: abi elektrodi no šķidriem metāliem un elektrolīts no izkausēta sāls. Es jums parādīšu kā. Es liku zema blīvuma šķidro metālu augšpusē, augsta blīvuma šķidro metālu apakšpusē, un šķidro sāli pa vidu.
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.
Un nu, kā lai izvēlas metālus? Šāds uzdevums man vienmēr sākas te, ar periodisko tabulu, ko radījis vēl kāds profesors, Dmitrijs Mendeļejevs. Viss, ko mēs pazīstam, ir veidots kombinācijā no šeit redzamajiem elementiem. Tostarp mūsu pašu ķermeņi. Es atceros to brīdi, kad kādudien meklēju metālu pāri, kas atbilstu nosacījumiem: pieejami lielos apjomos, ar krasi atšķirīgu blīvumu un augstu savstarpējo reaģētspēju. Es sajutu atklājuma saviļņojumu, kad sapratu, ka esmu nonācis pie atbildes. Magnijs augšējam slānim un antimons apakšējam slānim. Ziniet, man jums jāpasaka, viens no lielākajiem labumiem, strādājot par profesoru: krāsainie krītiņi.
(Laughter)
(Smiekli)
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.
Tātad, lai rastos strāva, magnijs atdod divus elektronus kļūstot par magnija jonu, kas tad migrē caur elektrolītu, piesaista divus antimona elektronus, un sajaucas ar to, veidojot sakausējumu. Elektroni dodas pastrādāt reālajā pasaulē, darbinot mūsu ierīces. Lai uzlādētu akumulatoru, mēs pievienojam elektrības ražotāju. Piemēram, vēja ģeneratoru parku. Un palaižam strāvu pretējā virzienā. Tas piespiež magniju atdalīties un atgriezties augšējā elektrodā, tā atjaunojot sākotnējo akumulatora sastāvu. Strāva, kas plūst caur elektrodiem, rada pietiekamu siltumu, lai to noturētu vajadzīgajā temperatūrā.
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.
Tas ir diezgan kolosāli, vismaz teorijā. Taču vai tas tiešām strādā? Ko darīt tālāk? Dodamies uz laboratoriju. Vai es pieņēmu darbā pieredzējušus speciālistus? Nē, es pieņēmu darbā studentu un viņu apmācīju, apmācīju, kā domāt par jautājumu, kā saredzēt to no manas perspektīvas, un tad palaidu savā vaļā. Šis ir tas students, Deivids Bredvels. Izskatās, ka šajā fotogrāfijā, viņš prāto, vai tas jelkad vispār strādās. Es Deividam tolaik nepateicu, ka man pašam nebija pārliecības, ka tas strādās.
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.
Taču Deivids bija jauns un gudrs, un gribēja doktora grādu, un tik turpināja taisīt. (Smiekli) Viņš turpināja taisīt pasaulē pirmo šķidro metālu akumulatoru ar šādu ķīmisko sastāvu. Balstoties uz Deivida pirmajiem daudzsološajiem rezultātiem, ko apmaksāja MTI sēklas fonds, es varēju piesaistīt būtiskāku pētniecības finansējumu no privātā sektora un federālajām programmām. Tas man ļāva paplašināt grupu līdz 20 pētniekiem, kuru vidū bija maģistranti, doktoranti un pat daži bakalauri.
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."
Es varēju piesaistīt ļoti, ļoti labus pētniekus, cilvēkus, kuri arī bija aizrautīgi gan zinātnē, gan kalpošanā sabiedrībai, nevis skatījās uz zinātni tikai kā uz karjeras kāpnēm. Ja pajautāsit šiem cilvēkiem, kādēļ viņi strādā pie šķidro metālu akumulatora, viņu atbilde atsauksies uz Prezidenta Kenedija sacīto Raisa universitātē 1962.gadā, kur viņš teica, un es nedaudz pielabošu: „Mēs vēlamies strādāt pie elektrotīkla līmeņa uzglabāšanas jaudām ne tāpēc, ka tas būtu viegli, bet tāpēc, ka tas ir grūti.”
(Applause)
(Aplausi)
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.
Lūk, šķidro metālu akumulatora attīstība. Mēs sākām ar mūsu darba zirdziņu — vienas vatstundas šūnu. Mēs to nosaucām par mēriņu. Mēs esam izmēģinājuši vairāk kā 400 tādu, uzlabojot to darba rādītājus ar dažādām vielām, ne tikai magniju un antimonu. Darba gaitā mēs palielinājām līdz 20 vatstundu šūnai. To mēs nosaucām par hokeja ripu. Tā uzrādīja tos pašus apbrīnojamos rādītājus. Tad mēs izveidojām apakštases lieluma modeli. Tam ir 200 vatstundu jauda. Tehnoloģija sevi pierādīja kā vienkārša un mērogā palielināma. Taču mēs gribējām attīstīties ātrāk. Pirms pusotra gada, mēs ar Deividu un vēl kādu pētnieku, nodibinājām uzņēmumu, lai paātrinātu attīstības tempu un pietuvotos produkta ražošanai.
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.
Šobrīd LMBC uzņēmumā, mēs būvējam šūnas 16 collu diametrā un ar 1 kilovatstundas lielu ietilpību, 1000 reizes lielāku, kā tai pirmajai mēriņa šūnai. Šo mēs nosaucām par picu. Saredzamā attālumā mums ir 4 kilovatstundu šūna. Tā būs ar 36 collu diametru. To mēs saucam par ēdamgaldu, taču tā vēl nav pieejama pilnai apskatei. Viens no šīs tehnoloģijas attīstības variantiem ir sakraut šādus „ēdamgaldus" moduļos un moduļus apvienot lielā akumulatorā, kas ietilpst 12 pēdu lielā jūras tvertnē ko var novietot āra apstākļos. Tā plānotā ietilpība ir 2 megavatstundas, divi miljoni vatstundu. Ar šo enerģiju pietiek, lai nosegtu ikdienas elektrības vajadzības 200 Amerikas mājsaimniecībām. Te nu tas ir, elektrotīkla līmeņa akumulators: kluss, bez izmešiem, bez kustīgām daļām, attālināti vadāms, radīts atbilstoši pašreizējām cenām tirgū, bez vajadzības pēc subsīdijām.
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.
Ko mēs no tā visa esam iemācījušies? (Aplausi) Ko mēs no tā visa esam iemācījušies? Es padalīšos ar jums ar dažām neparastām atziņām, kas slēpjas aiz acīmredzamajām lietām. Temperatūra: parastā pieeja iesaka to noteikt zemu, tuvu istabas temperatūrai, un tad ieviest kontroles sistēmu, lai to saglabātu šādā līmenī, lai novērstu ķēdes reakciju un pārkaršanu. Šķidro metālu akumulators ir radīts darbam paaugstinātā temperatūrā ar minimālu regulējumu. Mūsu akumulators tiek galā ar ļoti lieliem temperatūras pieaugumiem, kas rodas no strāvas svārstībām. Mērogs: parastā pieeja nosaka izmaksu samazināšanu ražojot lielā apjomā. Šķidro metālu akumulators ir radīts izmaksu samazināšanai, ražojot mazāku skaitu, taču lielākus. Visbeidzot, cilvēku resursi: parastā pieeja iesaka nolīgt darbā akumulatoru ekspertus, nobriedušus profesionāļus, kas var likt lietā savu plašo pieredzi un zināšanās. Lai radītu šķidro metālu akumulatoru, es nolīgu darbā studentus un doktorantus un viņus apmācīju. Veidojot akumulatoru, es tiecos palielināt elektrisko potenciālu. Mācot un vadot cilvēkus, es tiecos palielināt cilvēku potenciālu. Redziet, šķidro metālu akumulatora stāsts ir kas vairāk, kā tikai stāsts par tehnoloģijas izgudrošanu. Tas ir paraugs tam, kā pilnā spektrā radīt izgudrotājus.
(Applause)
(Aplausi)