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.
Електроенергія для освітлення цього приміщення була щойно вироблена. Адже сучасні умови вимагають постійного балансу попиту і постачання електроенергії. Якби за час моєї ходи на цю сцену десятки мегаватів енергії вітру перестали поступати в енергосистему, інші генератори мали б негайно компенсувати недостачу. Але ні вугільні, ні атомні станції не здатні відреагувати достатньо швидко. Гігантський акумулятор міг би справитись. Завдяки гігантському акумуляторові ми б вирішили питання періодичності, яке не дає змоги енергії вітру і сонця стати частиною сучасної енергосистеми, як вугілля, газ і атомна енергія.
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.
Акумулятор є саме тим пристроєм, який розв'яже це питання. Ми зможемо використовувати сонячну енергію, навіть коли сонце не світить. І це все змінює. Тому що в такому разі відновлювальна енергія вітру і сонця зможе стати в центрі уваги. Сьогодні я розповім про такий пристрій. Він називається рідкометалічний акумулятор. Це нова форма енергозбереження, яку ми з командою студентів і аспірантів винайшли в MIT. Цьогорічна конференція TED
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.
присвячена повному спектру. Оксфордський словник так визначає спектр: усі хвилі електромагнітного випромінення будь-якої довжини, від найдовших радіохвиль до найкоротших гама хвиль, де видиме проміння складає тільки малу частину. Тож я тут не тільки для того, щоб розповісти вам, як моя команда в MIT знайшла природнє рішення однієї з величезних проблем світу. Я хочу в повному спектрі розповісти, які несподівано відступницькі ідеї ми розкрили в процесі розробки цієї нової технології, і як ці варті поширення ідеї сприятимуть інноваціям. Бачите, якщо нам доведеться витягати цю країну з існуючої енергетичної ситуації, ми не можемо й далі заощаджувати, не можемо збільшувати видобуток, не можемо вести війни. Ми зробимо це у традиційно американський спосіб: ми винайдемо новий шлях через співпрацю.
(Applause)
(Оплески)
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.
Почнемо. Батарею винайшов 200 років тому професор Алессандро Вольта в університеті Падуї, що в Італії. Його винахід дав поштовх зародженню нової області науки - електрохімії і новим технологіям, наприклад, електропокриття. Крім винаходу батареї, можливо, вперше Вольта також продемонстрував користь від професора. (Сміх) До появи Вольти ніхто і не уявляв, що професор може мати якусь практичну користь.
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.
Ось його перша батарея: набір монет з цинку і срібла, між якими прокладки з картону, змочені в розчині солі. З цього починається проектування батареї: два електроди, в цьому випадку два метали різної структури, і електроліт, в даному випадку - це розчин солі. Ось така проста наука. Визнаю, що деякі деталі я опустив.
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.
Я вже казав, що наука про батареї ідейно проста, потреба у накопичувачі рівня енергосистеми - очевидна. Водночас жодна з існуючих технологій не відповідає вимогам робочих характеристик енергосистеми, а саме: надзвичайно високій напрузі, довгому терміну роботи, і дуже низькій вартості. Потрібно подивитись на проблему з іншого боку. Це повинна бути велика і дешева річ.
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.
Тож залишимо пошук суперречовини, яка забезпечить, бажано, низьку собівартість за рахунок великої кількості продукту. Натомість, давайте шукати, орієнтуючись на стандартну ціну на ринку електренергії. Таким чином деякі елементи періодичної таблиці автоматично відкидаємо. Цей акумулятор потрібно зробити з елементів, на які багата земля. Кажу вам, якщо хочете зробити щось дешеве, як бруд, то робіть це з бруду. (Сміх) Найкраще - з місцевого бруду. І нам потрібні прості техніки виробництва і фабрики, які не коштуватимуть нам півцарства.
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.
Так, майже 6 років тому я почав працювати з цією проблемою. Щоб подивитись з нової перспективи, я шукав натхнення поза цариною енергоакумулювання. Насправді, я шукав технологію ані акумулювання, ані генерування електроенергії. Навпаки - технологію, де споживання електроенергії відбувається у величезних масштабах. Я маю на увазі виробництво алюмінію. Цей процес винайшли у 1886 році двоє 22-річних чоловіків - Голл у США і Еру у Франції. Лише за декілька років після їхнього винаходу алюміній перестав бути поряд зі сріблом благородним, а став звичайним конструкційним металом.
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.
Перед вами цех модулів сучасного алюмінієвого комбінату. Він 15,24 метрів завширшки і близько 800 метрів завдовшки. Ряди і ряди модулів, що всередині нагадують батарею Вольта, окрім трьох важливих відмінностей. Батарея Вольта працює при кімнатній температурі. Вона оснащена твердими електродами і розчином солі у якості електроліту. Модуль Голла-Еру працює за такої високої температури, що алюміній виробляється в рідкому стані. Електролітом виступає не розчин солі, а розтала сіль. Завдяки комбінації рідкого металу, розталої солі і високої температури ми можемо пропускати струм великої потужності через модулі. Ми виробляємо первинний метал з руди за ціною 50 центів за 450 грамів продукту. І це є економічним дивом сучасної електрометалургії.
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.
Моя увага була прикута до нього, поки я наполегливо шукав спосіб створити акумулятор, який задешево покриє величезний об'єм. І я зміг. Я зробив акумулятор з рідин - замість електродів - два метали у рідкому стані і розтала сіль у якості електроліту. Дивіться сюди. Нещільний рідкий метал зверху, щільний рідкий метал знизу, і розтала сіль - між ними.
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.
Тепер потрібно вибрати метали. Я завжди починаю пошук тут, у періодичній таблиці елементів, яку склав інший професор Дмитро Менделєєв. Все в нашому світі складається з комбінацій зображених елементів. Наші тіла також. Я добре пам'ятаю той день, коли шукав пару металів, які б мали відповідати вимогам доступності видобутку, були б різними і протилежної щільності, а також мали високу здатність вступати в реакцію. Я тремтів від думки, що наблизився до відповіді. Магній - верхній. Стибій - знизу. Я скажу вам, що є найбільшою вдачею у роботі професора - кольорова крейда.
(Laughter)
(Сміх)
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.
При створенні струму магній втрачає два електрони і стає йоном магнію. Пройшовши електроліт, він відбирає два електрони стебію і утворює з ним сплав. Два електрони переходять у довкілля і живлять наші пристрої. Ми підключаємо акумулятор до джерела електроенергії, щоб зарядити його. Це міг би бути вітряк. А потім ми змінюємо напрямок струму. Через розпад сплаву магній повертається до верхнього електроду, таким чином відновлюючи первинний стан акумулятора. Курсуючи між електродами, струм створює достатньо тепла для підтримки температури.
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.
В теорії виглядає доволі круто. А чи спрацює це на практиці? Що я робив далі? Я почав лабораторні дослідження. Чи наймав я експертів? Ні, я найняв студента і підготував його, пояснив свої бачення проблеми і хід своїх думок, а потім дав йому дозвіл на експерименти. Це той самий студент - Девід Бредвелл, який на фото гадає, чи ця штука взагалі запрацює. Я не казав тоді Девідові, що і сам не був впевнений в тому.
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.
Але Девід молодий, розумний, хоче отримати ступінь доктора наук, і він наполегливо... (Сміх) Він наполегливо створює перший рідкометалічний акумулятор з такої комбінації. Отримавши перші оптимістичні результати роботи, яку було оплачено з власних коштів MIT, мені вдалось залучити значні кошти на дослідження з приватного сектору і від федерального уряду. Це дало змогу збільшити команду до 20 людей, де були випускники, аспіранти, і декілька студентів також.
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."
Я зміг залучити насправді дуже хороших людей, які поділяють мою пристрасть до науки і праці на користь суспільства. Не заради науки, як влаштувати кар'єру. Якщо ви спитаєте цих людей, що їх мотивує працювати над створенням рідкометалевого акумулятора, їхня відповідь буде схожа на зауваження Президента Кеннеді в університеті Райса в 1962 році, коли він сказав: (я дозволю собі вільно процитувати) "Ми зголосилися працювати над акумулятором рівня енергосистеми не через те, що це легко, а тому, що це складно".
(Applause)
(Оплески)
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.
Ось такими були етапи створення рідкометалевого акумулятора. Ми почали з модуля на 1 ват-година. Я називаю його "чарка". Ми відпрацювали 400 таких "чарок", вдосконалюючи їх за допомогою серій елементів, не тільки магнію і стибію. Поступово ми збільшили об'єм до модуля на 20 ват-годин. Цей я називаю "шайба". Ми також отримали значні результати. Далі ми перейшли до "тарілки". Цей - на 200 ват-годин. Технологія обіцяла бути надійною і давала змогу збільшити об'єм. Але ми хотіли прискоритись. Отож, півтора роки тому ми з Девідом разом з іншими колегами по послідженню започаткували компанію, щоб прискорити розвиток до рівня виробництва продукту.
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.
Сьогодні в корпорації LMBC ми розробляємо модулі діаметром 40 сантиметрів з об'ємом 1 кіловат-година, що в 1000 разів більше за ту першу "чарку". Цей ми називаємо "піца". Майже готовий 4 кіловат-годинний модуль. Він буде 91 сантиметр в діаметрі. Ми його називаємо "столик в бістро". Але він ще не готовий для широкого показу. За одним з варіантів технології, ми складемо ці "столики" один на одний, поєднуючи їх у гігантський акумулятор завбільшки з 12-метровий транспортний контейнер для розташування в полі. Він матиме заявлений об'єм в 2 мегават-години - 2 мільйони ват-годин. Цієї енергії достатньо, щоб задовольнити щоденні потреби 200 американських сімей. Отже, ось він - акумулятор рівня енергосистеми: тихий, без викидів, монолітний, дистанційно керований, відповідає стандартній ринковій ціні і не потребує дотацій.
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.
Чого ми за цей час навчились? (Оплески) Чого ми за цей час навчились? Дозвольте поділитися з вами деякими відступницькими спостереженнями. Вони не лежать на поверхні. Про температуру. Поширений підхід полягає в підтримці низької, майже кімнатної температури за допомогою вмонтованої системи контролю. Уникати перегріву. Рідкометалічний акумулятор працює на підвищеному рівні температури з мінімальним втручанням. Наш акумулятор здатен витримати дуже високу температуру під час сплесків струму. Про масштаб. Поширено підхід до зниження собівартості за рахунок виробництва великої кількості. Батарея з рідких металів спроектована так, що має невелику собівартість за рахунок збільшення об'єму. І, нарешті, людські ресурси: Прийнято наймати експертів в галузі акумулювання, досвідчених спеціалістів, які використовуватимуть весь свій досвід і знання. Я найняв студентів і аспірантів для розробки рідкометалевого акумулятора і передав їм знання. У виготовленні накопичувача я прагну збільшити електричний потенціал, у навчанні я прагну збільшити людський потенціал. Тож, як ви бачите, історія створення рідкометалевого акумулятора - це не тільки історія про винайдення технології, а й сценарій виховання винахідників повного спектру.
(Applause)
(Оплески)