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.
Elektrina pre svetlá v tomto divadle bola vygenerovaná iba pred pár chvíľami. Kvôli tomu, ako sa veci dnes majú, dopyt po elektrine musí byť v neustálej rovnováhe s dodávkou elektriny. Ak by počas doby, čo som vyšiel na toto pódium, niekoľko desiatok MW veternej energie prestalo prúdiť do siete, ten rozdiel by musel byť vyrobený okamžite z iných generátorov. Ale uhoľné elektrárne, jadrové elektrárne nedokážu reagovať dosť rýchlo. Obrovská batéria by mohla. S obrovskom batériou by sme boli schopní venovať sa problému nespojitosti, ktorá zabraňuje vetru a slnku, aby prispievali do siete rovnakým spôsobom, ako dnes prispieva uhlie, plyn a jadro.
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.
Vidíte, že batéria je tu kľúčovým sprístupňujúcim zariadením. S ňou by sme mohli ťahať elektrinu zo slnka, aj keď slnko nesvieti. A to mení všetko. Pretože potom obnoviteľné zdroje ako vietor, či slnko prichádzajú zo zákulisia sem, do stredu javiska. Dnes vám chcem porozprávať o takom zariadení. Volá sa batéria s tekutým kovom. Je to nová forma skladovania energie, ktorú som vyvinul na MIT spolu s tímom mojich študentov a postgraduálov.
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.
Témou tohtoročnej konferencie TED je Plné spektrum. Oxfordský slovník angličtiny definuje spektrum ako "celý rozsah vlnových dĺžok elektromagnetického žiarenia, od najdlhších rádiových vĺn po najkratšie gamma lúče, z ktorých rozsah viditeľného svetla je iba malou časťou." Takže som tu dnes, len na to, aby som vám povedal ako môj tím na MIT vytiahol z prírody riešenie na jeden z najväčších svetových problémov. Chcem ísť do celého spektra a povedať vám, ako, v procese vývoja tejto novej technológie, sme odhalili nejaké prekvapujúce bludárstva, ktoré môžu slúžiť ako lekcie pre inováciu, nápady hodné šírenia. A viete, ak ideme túto krajinu dostať z jej súčasnej energetickej situácie, nemôžeme sa z nej jednoducho dostať šetrením; nemôžeme sa z nej jednoducho dostať vrtmi; nemôžeme sa z nej dostať bombardovaním. Ideme to urobiť staromódnym americkým spôsobom, ideme sa z toho dostať vynaliezaním, pracujúc spolu.
(Applause)
(Potlesk)
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.
Takže začnime. Batéria bola vymyslená asi pred 200 rokmi profesorom, Alessandrom Voltom, na Padovskej univerzite, v Taliansku. Jeho vynálezy nechali vyrásť novému vedeckému odvetviu, elektrochémii, a novým technológiám, ako napríklad pokovovanie. Čo bolo možno prehliadnuté, Voltov vynález batérie po prvý krát tiež preukázal užitočnosť profesora. (Smiech) Až do Voltových čias, nik si nevedel predstaviť, že by profesor mohol byť na niečo dobrý.
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.
Tu je prvá batéria -- stĺpec mincí, zinku a striebra, oddelených kartónom, namočeným v soľanke. Toto je počiatočný bod pre návrh batérie -- dve elektródy, v tomto prípade kovy rôzneho zloženia a elektrolyt, v tomto prípade soľ rozpustená vo vode. Až tak jednoduchá je veda. Je pravda, že som vynechal zopár detailov.
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.
Už som vás naučil, že veda o batériách je priamočiara a potreba úložiska sieťových parametrov je zaujímavá, ale faktom je, že dnes jednoducho nie je žiadna batériová technológia, ktorá by bola schopná spĺňať náročné výkonnostné kritériá siete -- menovite nezvyčajne vysoký výkon, dlhá prevádzková životnosť a super-nízke náklady. Potrebujeme rozmýšľať o probléme inak. Potrebujeme rozmýšľať vo veľkom, potrebujeme rozmýšľať lacno.
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.
Takže opusťme ten vzor "poďme hľadať najkúlovejšiu chémiu, a potom snáď poženieme krivku nákladov dole tým, že vyrobíme množstvá produktov." Namiesto toho, poďme vynachádzať príslušne k cenám na trhu s elektrinou. Takže to znamená, že niektoré časti periodickej tabuľky prvkov sú, samozrejme, za limitmi. Túto batériu treba urobiť z prvkov, na ktoré je zem bohatá. Ja hovorím, ak chcete niečo spraviť lacné ako hlina, urobte to z hliny -- (smiech) pokiaľ možno z hliny, ktorej zdroj je v danom mieste. A potrebujeme, aby sme tú vec boli schopní postaviť použijúc jednoduché výrobné techniky a továrne, ktoré nás nestoja majetok.
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.
Takže pred asi šiestimi rokmi som začal rozmýšľať o tomto probléme. A aby som prebral čerstvú perspektívu, hľadal som inšpiráciu až za oblasťou skladovania elektriny. Po pravde, pozrel som sa na technológiu, ktorá ani neskladuje, ani negeneruje elektrinu, ale namiesto toho elektrinu spotrebúva, obrovské množstvá. Hovorím o výrobe hliníka. Tento proces bol vynájdený v roku 1886 dvojicou 22-ročných -- Hallom v Spojených štátoch a Heroultom vo Francúzsku. A iba po pár krátkych rokoch, ktoré nasledovali po vynáleze, hliník sa zmenil zo vzácneho kovu s cenou ako striebro na bežný stavebný materiál.
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.
Dívate sa na "brigádu" modernej hliníkarne. Na šírku má asi 15 metrov a tiahne sa asi 800 metrov -- rad za radom buniek, ktoré vnútri pripomínajú Voltovu batériu, s tromi dôležitými rozdielmi. Voltova batéria pracuje pri izbovej teplote. Je vybavená pevnými elektródami a elektrolytom, ktorý je roztokom soli a vody. Hall-Heroultova bunka pracuje pri vysokej teplote, teplote dosť vysokej na to, aby bol výsledný kov hliníka tekutý. Elektrolytom nie je roztok soli a vody, ale skôr soľ, ktorá je roztopená. Práve táto kombinácia tekutého kovu, roztavenej soli a vysokej teploty, ktorá nám umožňuje posielať cez túto vec vysoký prúd. Dnes vieme vyrobiť panenský kov z rudy za menej ako 50 centov za pol kila. To je ekonomický zázrak modernej elektrometalurgie.
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.
Práve to bolo to, čo upútalo moju pozornosť až do takej miery, že som sa stal posadnutý vynaliezaním batérie, ktorá by mohla obsiahnuť túto gigantickú ekonomiku rozmerov. A aj som to dokázal. Spravil som batériu celú tekutú -- tekuté kovy ako obe elektródy a roztavená soľ ako elektrolyt. Ukážem vám ako. Tak som dal tekutý kov s nízkou hustotou navrch, tekutý kov s vysokou hustotou na dno a roztavenú soľ medzi.
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.
Takže teraz, ako vybrať kovy? Pre mňa vykonanie návrhu vždy začína tu, s periodickou tabuľkou, formulovanou ďalším profesorom, Dimitriom Mendelejevom. Všetko, čo poznáme, je vyrobené z nejakej kombinácie toho, čo tu vidíte zobrazené. A to vrátane našich vlastných tiel. Pamätám si presne na ten moment, keď som hľadal dvojicu kovov, ktoré by spĺňali podmienky veľkého množstva na Zemi, inej, opačnej hustoty a vysokej vzájomnej reaktivity. Cítil som vzrušenie, keď som vedel, že som prišiel na odpoveď. Horčík pre vrchnú vrstvu. A antimón pre spodnú vrstvu. Viete, musím vám povedať, jedna z najväčších výhod toho, že ste profesor, je: farebná krieda.
(Laughter)
(smiech)
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.
Takže, aby sa vyrobil prúd, horčík stráca dva elektróny, aby sa tak stal horčíkovým iónom, ktorý potom putuje cez elektrolyt, prijíma dva elektróny z antimónu, a potom sa s ním zmieša, čím vytvorí zliatinu. Elektróny idú do práce tam vonku v skutočnom svete, napájajúc naše zariadenia. Aby sa batéria nabila, pripojíme zdroj elektriny. Môže to byť niečo ako veterná farma. A potom obrátime prúd. A to prinúti horčík, aby sa rozložil a vrátil späť k hornej elektróde, čím obnoví pôvodné zloženie batérie. A prúd prechádzajúci medzi elektródami generuje dosť tepla, aby si udržali teplotu.
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.
Je to celkom kúlové, teda aspoň teória. Ale funguje to naozaj? Takže, čo urobiť ďalej? Ideme do laboratória. Najmem si ostrieľaných profesionálov? Nie, najmem si študenta a školím ho, učím ho, ako rozmýšľať o probléme, aby ho videl z mojej perspektívy, a potom ho vypustím. Toto je ten študent, David Bradwell, ktorý, na tejto fotke, vyzerá, že premýšľa, či táto vec bude niekedy fungovať. Čo som ale Davidovi vtedy nepovedal, bolo, že ani ja sám som nebol presvedčený, že to bude fungovať.
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 je mladý a bystrý a chce Ph.D. a pristúpi ku stavbe -- (smiech) Pristúpi ku stavbe vôbec prvej batérie s tekutým kovom tohto chemického zloženia. A na základe Davidových prvotných sľubných výsledkov, ktoré boli financované z dotácii pre MIT, bol som schopný pritiahnuť významné výskumné dotácie zo súkromného sektora a z federálnej vlády. A to mi dovolilo zväčšiť moju skupinu na 20 ľudí, zmes absolventov, postgraduálov a dokonca aj niektorých študentov.
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."
A bol som schopný pritiahnuť skutočne, skutočne dobrých ľudí, ľudí, ktorí zdieľajú moju vášeň pre vedu a službu spoločnosti, nie vedu a službu pre budovanie kariéry. A ak sa spýtate týchto ľudí, prečo pracujú na batérii s tekutým kovom, ich odpoveď by načúvala slovám prezidenta Kennedyho na Rice University v roku 1962, kedy povedal -- troška to pozmením -- "Volíme pracovať na skladovaní na úrovni siete nie preto, že je to jednoduché, ale preto, lebo je to ťažké."
(Applause)
(potlesk)
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.
Takže, toto je evolúcia batérie s tekutým kovom. Začíname tu, s naším ťahúňom, jeden watthodinovou bunkou. Volal som to poldecák. Pracovali sme s vyše 400 kusmi, zlepšovali ich výkon množstvom chemických zlúčenín -- nie iba horčíkom a antimónom. Postupne sme zväčšovali výkon na 20 Wh bunku. Volám to hokejový puk. A dostali sme rovnaké pozoruhodné výsledky. A potom sa prešlo k tanieru. To je 200 Wh. Technológia sa ukazovala ako robustná a škálovateľná. Ale krok nebol pre nás dosť rýchly. Takže pred rokom a pol David a ja spolu s inými členmi výskumného personálu sme založili spoločnosť, aby sme urýchlili vývoj a postup k výrobe produktu.
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.
Takže dnes v LMBC, budujeme bunky s 40 cm v priemere, s kapacitou 1 kWh -- 1000 krát kapacita tej pôvodnej poldecovej bunky. Voláme ju pizza. A potom máme na obzore 4 kWh bunku. Bude mať v priemere 90 cm. Voláme to stôl v bistre, ale ešte nie je určený na hlavný vysielací čas. A jeden variant technológie by bol nastavať tieto bistro stoly do modulov, zoskupujúc moduly do obrovskej batérie, ktorá by sa vošla do 12-metrového kontajnera, na uloženie kdekoľvek. A tento má štítkovú kapacitu 2 MWh -- dva milióny Wh. To je dostatok energie, aby vykryl dennú spotrebu elektriny 200 amerických domácností. Takže tu to máte, skladovanie na úrovni siete: tiché, bez emisii, žiadne pohyblivé súčasti, diaľkovo riadené, navrhnuté príslušne k cenám na trhu s elektrinou bez štátneho príspevku.
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.
Takže čo sme sa naučili z tohto celého? (potlesk) Takže čo sme sa naučili z tohto celého? Podelím sa s vami o niektoré prekvapenia, bludárstva. Ležia ďalej za tým, čo je vidieť. Teplota: Bežná učenosť hovorí, nastaviť ju nízko, na alebo blízko izbovej teploty, a potom inštalovať kontrolný systém, aby sa tam udržala. Predísť teplotným úletom. Batéria s tekutým kovom je navrhnutá, aby pracovala pri zvýšenej teplote s minimom regulácie. Naša batéria dokáže zvládnuť veľmi vysoké teplotné vzostupy, ktoré pochádzajú z prúdových nárazov. Rozmery: bežná učenosť hovorí, obmedziť cenu vyrábaním veľkého množstva. Batéria s tekutým kovom je navrhnutá, aby znížila cenu vyrábaním menšieho množstva, ale budú väčšie. A nakoniec, ľudské zdroje: Bežná učenosť hovorí, najmite expertov na batérie, ostrieľaných profesionálov, ktorí môžu čerpať zo svojej nesmiernej skúsenosti a z vedomostí. Aby som vyvinul batériu s tekutým kovom, najal som študentov a postgraduálov a školil ich. Pri batérii sa snažím maximalizovať elektrický potenciál; keď školím, snažím sa maximalizovať ľudský potenciál. Takže vidíte, príbeh o batérii s tekutým kovom je viac ako len výpoveďou o vynájdení technológie, je to návrh pre vynájdenie vynálezcov, v celom spektre.
(Applause)
(potlesk)