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.
Prąd zasilający światła w tej sali został wytworzony kilka chwil temu. Obecna sytuacja wymaga, by zapotrzebowanie na elektryczność było w równowadze z dostępnymi zasobami. Jeśli w czasie, który zajęło mi wejście na tę scenę. kilkadziesiąt megawatów energii wiatrowej przestałoby napływać do sieci, różnicę trzeba by wyrównać natychmiast z innych generatorów. Jednak elektrownie węglowe i atomowe nie mogą zareagować wystarczająco szybko. Mógłby za to ogromny akumulator. Mając do dyspozycji ogromny akumulator, rozwiązalibyśmy problem braku ciągłości, który sprawia, że energia wiatrowa i słoneczna nie jest w stanie zasilać sieci tak, jak obecnie węglowa, gazowa i atomowa.
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.
Akumulator to tutaj kluczowe urządzenie. Mając go, moglibyśmy korzystać z energii słonecznej, nawet w okresach, kiedy słońce nie świeci. I to właśnie zmienia wszystko. Ponieważ energia odnawialna, jak wiatr i słońce, trafia wtedy z łopat wirnika tutaj do samego środka. Chcę dziś opowiedzieć o takim urządzeniu. To akumulator z płynnych metali. Jest to nowy sposób magazynowania energii, który opracowałem na MIT wraz z zespołem studentów i doktorantów.
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.
Motywem przewodnim tegorocznej Konferencji TED jest Pełne Spektrum. OED (Oxford English Dictionary) definiuje spektrum jako "Całkowity zakres długości fal promieniowania elektromagnetycznego, od najdłuższych fal radiowych po najkrótsze promienie gamma, w którym zakres światła widzialnego jest tylko małą częścią". Dziś opowiem więc nie tylko o tym, jak mój zespół na MIT zaczerpnął z natury rozwiązanie jednego z największych problemów ludzkości. Chcę w pełnym zakresie przedstawić wam jak w trakcie rozwijania tej nowej technologii, odkryliśmy zaskakująco nietypowe rozwiązania, które teraz mogą służyć jako lekcje innowacji, pomysły warte rozpowszechniania. I jeśli mamy przyczynić się do rozwiązania problemów energetycznych naszego kraju I jeśli mamy przyczynić się do rozwiązania problemów energetycznych naszego kraju, nie możemy osiągnąć tego tylko na drodze oszczędności; nie możemy osiągnąć tego tylko wiertłami; i nie możemy osiągnąć tego tylko bombami. Zrobimy to na stary amerykański sposób, osiągniemy to drogą wynalazku, pracując wspólnie.
(Applause)
(Oklaski)
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.
No to zaczynajmy. Akumulator został wynaleziony ok. 200 lat temu przez profesora Alessandro Voltę na Uniwersytecie w Padwie we Włoszech. Jego wynalazek dał początek nowej dziedzinie nauki, elektrochemii, oraz nowym technologiom jak np. galwanizacji. Prawdopodobnie przeoczonym zostało, że wynalezienie akumulatora przez Voltę po raz pierwszy także potwierdziło użyteczność profesorów. (Śmiech) Do czasów Volty, nikt nie wyobrażał sobie, że mógłby być jakikolwiek pożytek z profesora.
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.
Oto pierwszy akumulator, stos monet, cynk i srebro, oddzielone tekturą nasiąkniętą solanką. To pierwszy krok do stworzenia akumulatora, dwie elektrody, w tym przypadku, metale o różnej strukturze, i elektrolit, tu akurat sól rozpuszczona w wodzie. Nauka jest taka prosta. Wprawdzie pominąłem tu kilka szczegółów.
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.
Nauczyłem was już, że nauka związana z akumulatorami jest prosta i istnieje potrzeba magazynowania energii na dużą skalę i istnieje potrzeba magazynowania energii na dużą skalę, ale prawda jest taka, że obecnie nie mamy takiej technologii akumulatorów która byłaby zdolna sprostać wymaganiom czynnościowym sieci elektrycznej, a więc: niespotykanie duża moc, długa żywotność i super niskie koszty. Musimy spojrzeć na ten problem inaczej: musimy myśleć w kategoriach dużej skali, a jednocześnie niskich kosztów.
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.
Porzućmy więc typowe podejście polegające na szukaniu najbardziej imponującej chemii z nadzieją, że uda nam się potem zminimalizować koszty wciąż zwiększając i zwiększając produkcję. Zamiast tego, wynajdźmy coś, kierując się akceptowalną ceną na rynku energii. To oznacza, że pewne części układu okresowego pierwiastków z zasady nie wchodzą w rachubę. Ten akumulator musi zostać wykonany z elementów obficie występujących na Ziemi. Mówię, że jeśli chcesz zrobić coś, co jest tanie jak barszcz, zrób to z barszczu -- (Śmiech) i to najlepiej z lokalnie zgromadzonych składników. Musimy być w stanie zbudować tą rzecz przy użyciu prostych technik produkcji i fabryk które nie kosztują zbyt dużo.
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.
Około 6 lat temu zacząłem zastanawiać się nad tym problemem. Starając się przyjąć świeżą perspektywę, szukałem inspiracji poza dziedziną magazynowania energii. Właściwie to przyjrzałem się technologii, która nie ma nic wspólnego ani z magazynowaniem, ani z wytwarzaniem energii elektrycznej, a za to zużywa jej ogromne ilości. a za to zużywa jej ogromne ilości. Mam na myśli produkcję aluminium. Proces ten został wynaleziony w 1886 r. przez dwójkę 22-latków -- Halla ze Stanów Zjednoczonych i Heroult z Francji. I w ciągu tylko kilku lat od ich odkrycia, aluminium, z metalu równie cennego jak srebro, zmieniło się w popularny materiał budowlany.
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.
Oto komórka nowoczesnej huty aluminium. Ma ok. 15 m szerokości i ciągnie się przez ok. 800 m -- rząd za rzędem komórek, które w środku przypominają akumulator Volty, z trzema istotnymi różnicami. Akumulator Volty pracuje w temperaturze pokojowej. Jest zaopatrzony w stałe elektrody i elektrolit w formie roztworu wodnego soli. Z kolei komórka Halla-Heroulta pracuje w wysokiej temperaturze, wysokiej na tyle, że aluminium jako produkt jest metalem płynnym. Elektrolitem nie jest wodny roztwór soli, lecz sól która została stopiona. To ta kombinacja płynnego metalu, stopionej soli i wysokiej temperatury pozwala nam na przesyłanie przez nie prądu o wysokich natężeniach. W dzisiejszych czasach, uzyskanie metali z rud, kosztuje nas nie więcej niż dolara za kilogram. To cud ekonomiczny współczesnej elektrometalurgii.
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.
Właśnie to przyciągnęło i skupiło moją uwagę do tego stopnia, że ogarnęła mnie obsesja na punkcie wynalezienia akumulatora, który uchwyciłby tę gigantyczną ekonomię skali. No i udało się. Zbudowałem akumulator w całości w stanie płynnym -- obie elektrody z płynnych metali i elektrolit ze stopionej soli. Pokażę wam jak. Na górze umieściłem płynny metal o małej gęstości, Na górze umieściłem płynny metal o małej gęstości, na dole płynny metal o dużej gęstości, a w środku stopioną sól.
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.
Pytanie, jak wybrać właściwe metale? Dla mnie, każdy projekt zawsze zaczyna się tutaj, na tablicy okresowej pierwiastków, ogłoszonej przez kolejnego profesora, Dmitrija Mendelejewa. Wszystko co znamy składa się z jakiejś kombinacji tego, co mamy tu przedstawione. Łącznie z naszymi własnymi organizmami. Pamiętam dokładnie moment, gdy pewnego dnia poszukiwałem pary metali, która spełniałaby narzucone warunki powszechnego występowania na Ziemi, skrajnie różnej gęstości, i wykazywałyby wysoką wzajemną reaktywność. Przeszedł mnie dreszcz ekscytacji, kiedy uświadomiłem sobie, że znalazłem odpowiedź. Magnez na górną warstwę. I antymon na dolną warstwę. Wiecie, muszę wam powiedzieć, że jedną z największych zalet bycia profesorem jest kolorowa kreda.
(Laughter)
(Śmiech)
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.
Więc żeby wytworzyć prąd, magnez traci dwa elektrony i staje się jonem magnezu, który z kolei migruje przez elektrolit, przyłącza 2 elektrony od antymonu, i miesza się z nim tworząc stop. Elektrony idą pracować tutaj, w prawdziwym świecie, napędzając nasze urządzenia. Żeby naładować akumulator, podłączamy źródło energii elektrycznej. Może być to np. farma wiatrowa. I wtedy odwracamy kierunek prądu. To zmusza magnez do oddzielenia się i powrotu na górną elektrodę, tym samym odtwarzając początkowy stan akumulatora. Przy tym, prąd przepływający między elektrodami wytwarza wystarczająco dużo ciepła, by utrzymać wymaganą temperaturę.
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.
Brzmi nieźle, przynajmniej teoretycznie. Ale czy faktycznie działa? Więc jaki jest kolejny krok? Idziemy do laboratorium. I czy zatrudniam doświadczonych profesjonalistów? Nie. Zatrudniam studenta i pomagam mu, uczę go, w jaki sposób podchodzić do problemu, aby ujrzeć go z mojego punktu widzenia, i później pozwalam mu pracować samodzielnie. To właśnie ten student, David Bradwell, który, na tym zdjęciu, wydaje zastanawiać się, czy ten wynalazek w ogóle zadziała. Nie przyznałem się wtedy Davidowi, że sam nie byłem przekonany, że zadziała.
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.
Ale David jest młody i mądry i chce zrobić doktorat i kontynuuje pracę... (Śmiech) Kontynuuje pracę nad pierwszym akumulatorem z płynnych metali w dzisiejszej chemii. I na podstawie obiecujących pierwszych wyników Dawida, które opłacone zostały przez MIT, udało mi się pozyskać dofinansowanie na badania z sektora prywatnego i rządu federalnego. I to pozwoliło mi na zwiększenie mojej grupy do 20 osób, magistrów, doktorantów, a nawet licencjatów.
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."
I udało mi się zgromadzić naprawdę wspaniałych, wspaniałych ludzi, ludzi, którzy dzielą ze mną pasję do nauki i służby społeczeństwu, a nie nauki dla rozwoju własnej kariery. I jeśli zapytacie któregoś z nich dlaczego pracuje nad akumulatorem z płynnych metali, odpowiedź nasunie wam na myśl Prezydenta Kennedy'ego na Uniwersytecie Rice w 1962 r kiedy mówił -- i nieco pozwalam tu sobie -- "Wybieramy pracę nad magazynowaniem energii sieci elektrycznej, nie dlatego, że jest to zadanie proste, lecz dlatego, że jest trudne."
(Applause)
(Oklaski)
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.
Tak więc wygląda ewolucja akumulatora z płynnych metali. Zaczynamy tu od naszego konia pociągowego - 1-wato-godzinnej komórki. Nazwałem ją kielonkiem. Obsługiwaliśmy ich ponad 400, doskonaląc je użyciem różnych kombinacji chemicznych -- nie tylko magnezu i antymonu. W którymś momencie zwiększyliśmy skalę do komórki 20-wato-godzinnej. Nazywam ją krążkiem hokejowym. I otrzymaliśmy tak samo niezwykłe rezultaty. I wtedy nadszedł czas na spodek. To jest 200 wato-godzin. Technologia wykazywała się stabilnością i skalowalnością. Ale dla nas, postęp nie był wystarczająco szybki. Więc około półtora roku temu, David i ja, wraz z jeszcze jednym członkiem grupy badawczej, założyliśmy firmę, żeby przyspieszyć proces rozwoju w wyścigu do rozpoczęcia produkcji.
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.
Tak więc dzisiaj w LMBC, budujemy komórki o średnicy 40 cm i pojemności 1 kilowatogodziny -- 1000 razy większej od tej pierwszej komórki "kielonka". Nazywamy ją pizzą. A teraz patrzymy już na komórkę o pojemności 4-kilowatogodzin. Będzie miała średnicę 91 cm. Nazywamy ją stolikiem bistro, ale nie jest jeszcze gotowa do pokazania w wieczornej telewizji. I jedno z rozwiązań technologicznych, które przewidujemy zakłada układanie tych blatów stołowych jeden na drugim w moduły, agregację tych modułów w wielki akumulator który zmieściłby się w 12-metrowym kontenerze spedycyjnym do umieszczenia w terenie. I to ma 2 megawatogodziny pojemności znamionowej -- dwa miliony watogodzin. To jest wystarczająca ilość energii żeby pokryć dzienne zapotrzebowanie 200 amerykańskich gospodarstw. Więc proszę - magazynowanie na poziomie sieci elektrycznej, ciche, bezemisyjne, bez ruchomych części, zdalnie sterowane, zaprojektowane do ceny rynkowej bez dotacji.
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.
Czego się więc z tego wszystkiego nauczyliśmy? (Oklaski) Czego się więc z tego wszystkiego nauczyliśmy? Pozwólcie, że podzielę się z wami niektórymi z niespodzianek i heterodoksji. Kryją się poza tym, co widoczne. Temperatura: Konwencjonalna mądrość głosi, że trzeba utrzymywać ją na niskim poziomie, mniej więcej w temperaturze pokojowej, instalując systemy kontroli, które ją utrzymają. Unikajcie ucieczki ciepła. Akumulator z płynnych metali jest tak zaprojektowany, aby działać w podwyższonej temperaturze przy minimalnej regulacji. Nasza bateria wytrzyma bardzo duże wzrosty temperatury związane z dużymi skokami napięcia. Skalowanie: Konwencjonalna mądrość głosi że zwiększając produkcję, minimalizujemy koszty. Produkcja płynnych akumulatorów będzie niewielka ale obniżymy koszty, bo będą one większe. I w końcu, zasoby ludzkie: Konwencjonalna mądrość głosi żę należy zatrudniać ekspertów, doświadczonych profesjonalistów, którzy oprą się na swym szerokim doświadczeniu i wiedzy. Żeby opracować akumulator z płynnych metali, zatrudniłem studentów i doktorantów i ich mentorowałem. W dziedzinie akumulatorów, staram się maksymalizować potencjał elektryczny; podczas nauczania, staram się maksymalizować potencjał ludzki. Więc jak widzicie, historia o akumulatorze z płynnych metali jest nie tylko zapisem wynalazku technologii, lecz także wzorem na wynajdywanie wynalazców. Pełne spektrum.
(Applause)
(Oklaski)