Donald Sadoway 談可再生能源缺少的環節

Donald Sadoway: The missing link to renewable energy

使用替代能源-如太陽能和風力-的關鍵是什麼?能源的儲存-這麼一來,即使在沒有太陽、無風時,我們的能源供應依舊不虞匱乏。在這場淺顯易懂、鼓舞人心的演講中,Donald Sadoway在黑板上為我們展示了未來用以儲存可再生能源的大型電池。正如他所言:「我們必須以不同的觀點思考問題。我們必須思考容量大且便宜的裝置。」

講者介紹

Donald Sadoway

Donald Sadoway致力於研究一種神奇電池-廉價、不可思議的高效能、使用「液態金屬」的三層電池。

許多可再生能源系統的核心問題是:如何儲存能源,使它隨時隨地都能被傳輸到電網中,無論白天黑夜,甚至在無風或沒有太陽時?麻省理工學院的Donald Sadoway致力於研究電網規模的電池系統,使用三層液態金屬核心來儲存能源。藉由如比爾.蓋茨等人的資助,Sadoway和他兩位學生已成立液態金屬電池公司(LMBC),使這種電池上市。

譯者介紹

翻譯人員洪曉慧

繁體編輯朱學恒、洪曉慧

簡體編輯朱學恒、洪曉慧

檔案後製處理洪曉慧、謝旻均


Donald Sadoway 談可再生能源缺少的環節

  • 供應這間演講廳燈光的電力僅產生於不久之前,因為依目前情況來看,電力需求與電力供應必須持續達成平衡。如果我從講台上走下,這段時間當中,有幾十兆瓦的風力發電停止輸入電網,這個不足之處將必須立即由其他發電機補足。但燃煤發電廠及核電廠的反應速度不夠快,一個巨型電池則能做到這一點。使用一個巨型電池,我們就能解決間歇性供電問題,防止風力和太陽能發電產生像目前燃煤、天然氣和核能發電所造成的供電不穩問題。

    你們知道,電池是其中的關鍵設備,有了它,即使在沒有陽光時,我們也能獲得來自太陽的電力,這改變了一切。因為這樣一來,如風力和太陽能這些可再生能源,就能順利從設備中傳送到講台中心。今天我要談談這樣的設備。它被稱為液態金屬電池,這是一種新型能源儲存裝置,是我、我的學生團隊和博士後研究員在麻省理工學院的發明。

    今年TED大會的主題是全方位(Full Spectrum);牛津英語辭典對Spectrum(光譜)的定義是:「電磁輻射的整個波長範圍,從最長的無線電波到最短的伽馬射線,可見光只佔其中一小部分。」所以,我今天在這裡要告訴大家的,不只是我在麻省理工學院的團隊如何從大自然中找到世上最偉大問題之一的解答,也想談論全方位研究,並告訴大家在這項新技術的開發過程中,我們如何發現一些令人驚奇的不尋常之處,可作為一項創新的觀念及值得推廣的想法。你們知道嗎?如果我們打算使這個國家走出當前的能源供應形態,我們不能只是保守地尋找出路,我們不能只是鑽出我們的出路,我們不能只是轟出我們的出路,我們要使用傳統的美國方式,我們要創造我們的出路-眾人齊心協力。

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  • 現在我們開始說明吧!電池大約是200年前,由一名義大利帕多瓦大學教授-伏特所發明。他的發明使一個新科學領域誕生-即電化學-以及新技術誕生,如電鍍等。也許人們忽略了,伏特發明電池這件事,也首次證明了教授的功用。(笑聲)在伏特之前,沒人認為教授能有什麼作用。

    這是史上第一個電池-一疊鋅和銀製成的硬幣,由浸在鹽水中的紙板分隔,這是電池設計的起點-在這個例子中,兩個電極由不同成分的金屬製成;在這個例子中,電解質是溶於水的鹽類。其中的科學就是這麼簡單,當然,我省略了一些細節。

    現在我告訴大家,電池科學相當簡單,而電網級電力儲存裝置是必不可少的。但事實上,目前根本不存在符合電網所需的高性能電池技術-即不尋常的高效能、使用壽命長和超低成本。我們必須以不同觀點來思考這個問題。我們需要思考大型而便宜的設備。

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  • 因此,我們不妨放棄從最艱澀的化學中尋求解決之道,並希望能藉由大量生產來降低成本曲線這個固有想法。相反地,我們不妨以電力市場的價格觀點來考量,因此,這意味著元素週期表中某些部分顯然不需考慮。這種電池必須以地球蘊含豐富的元素來製造。這麼說吧,如果你想讓某樣東西像塵土一樣便宜,就用塵土來製造吧!(笑聲)最好是源於當地的塵土。我們需要製造像這樣的東西,使用成本低廉的簡單製造技術和工廠。

    因此,大約六年前,我開始思考這個問題。為了從一個新角度思考,我從電力儲存技術的領域外尋找靈感。事實上,我尋找的是一個既非儲存也非發電的技術,而是消耗大量電力的技術;我指的是鋁生產技術。這項技術是兩個22歲的小夥子於1886年發明的,即美國的霍爾和法國的赫魯特。他們發明這項技術,短短幾年後,鋁從跟銀一樣提煉成本極高的貴金屬,成了一種普遍的建築材料。

    圖上是一間現代化煉鋁廠的電解槽,大約50英呎寬,總長大約半英哩,一排排電解槽內部類似伏特電池,但存在三個重要差異。伏特電池在室溫下運作,它配備了固體電極及鹽類水溶液組成的電解質;霍爾-赫魯特電解槽在高溫下運作,溫度高得足以使鋁金屬產物呈液態,其中的電解質並非鹽類水溶液,而是熔融狀態的鹽。正是這種液態金屬、熔融狀態鹽類和高溫的結合,使我們能藉由這種裝置產生大量電流。今天,我們可以每磅低於50美分的成本,從礦石中提煉出原生金屬,這是現代電冶金技術產生的經濟奇蹟。

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  • 這就是引起我注意的想法,讓我專注於發明一種可捕捉到這種巨大經濟效益的電池;而我辦到了。我製造出完全液態的電池-兩個電極均為液態金屬,電解質為熔融狀態鹽類。我說明一下這種電池的構造。所以我將低密度液態金屬放在頂端,將高密度液態金屬放在底部,熔融狀態鹽類放在兩者之間。

    所以,現在我要如何選擇金屬?對我來說,設計工作總是從這裡開始,藉由週期表和另一位教授-Dimitri Mendeleyev的意見。我們所知的一切都由圖上所繪的元素組合而成-包括我們的身體。回想當天那個美妙時刻,當時我正尋找一組金屬,能滿足地球上蘊含豐富、擁有不同密度,以及彼此間具有高反應性這些要求。當我知道答案就在眼前時,興奮的全身發抖。頂端用鎂,底部用銻。知道嗎?我得告訴你們,當教授的最大好處之一就是-可以用彩色粉筆。

    (笑聲)

    因此,為了產生電流,鎂會失去兩個電子,成為鎂離子;鎂離子會進入電解質,接受兩個來自銻的電子,然後兩者形成合金;電子進入現實世界運作,為我們的設備供電。現在,為了給電池充電,我們將它與電源連接,例如風力發電廠之類的,然後我們反向輸入電流,這使得鎂從合金上脫離,返回上層電極,使電池恢復成初始狀態。通過電極間的電流可產生足夠的熱能來保持電池的溫度。

    相當酷-至少理論上來說。但它真的管用嗎?因此,下一步該怎麼做?我們進行實驗。現在,我需要聘請經驗豐富的專業人士嗎?不,我聘請了一位學生並指導他,教他如何思考這個問題,以我的觀點來思考,然後讓他自由發揮。就是這位學生,David Bradwell。這張照片中的他似乎正思考著,這個做法是否可行?我當時沒告訴David,我本身並不認為這是可行的。

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  • 但David既年輕又聰明,而且他想拿博士學位,因此他著手製造-(笑聲)他著手製造史上第一個液態金屬電池。根據大衛初步的可喜成果-這個費用由麻省理工學院種子基金支付-我得以吸引來自私部門和聯邦政府的主要研究經費,這讓我得以將研究小組擴張到20人,其中包含研究生、博士後研究員,甚至還有一些大學生。

    我能夠吸引很棒的人參與,一些能分享我對科學及服務社會這份熱情的人,而不是對科學及建立個人成就的熱衷。如果你們問這些人,為什麼他們要研究液態金屬電池?他們的回答會像甘迺迪總統1962年在賴斯大學的演說中所言,當時他說-我自由發揮一下-「我們選擇研究電網級儲存裝置,不是因為它很容易,而是因為它很困難。」

    (掌聲)

    所以這就是液態金屬電池的演變過程。我們從一瓦小時電池開始研究,我稱它為「小酒杯」,我們進行了400多次實驗,以多元化的化學反應來改善它的性能-不僅使用鎂和銻。在這個過程中,我們將規模擴大到20瓦小時電池,我稱它為曲棍球。我們得到同樣顯著的成果,然後進展到碟形裝置,這是200瓦小時電池。這項技術已被證明功效強大,且具擴展性,但對我們來說,這個進展還不夠快,因此,一年半前,我和David及其他研究小組成員成立了一家公司,加速這個進展及產品製造速度。

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  • 所以目前在LMBC(液態金屬電池公司),我們正建造可容納一千瓦小時電量,直徑為16英吋的電池裝置,容量為最初「小酒杯」電池的1000倍,我們稱它為「披薩」。然後,我們以此為基礎,製造出四千瓦小時的電池裝置,它的直徑為36英吋,我們稱它為「酒吧桌」,但我們尚未準備好將它端上桌。這項技術的一個變化是,我們將這些「酒吧桌」堆疊成模組,然後將這些模組組合成一個巨型電池,裝在一個40英呎長的箱子裡,放置在實際設施中,它擁有兩兆瓦小時的實際容量-相當於兩百萬瓦小時。這個能量足以滿足200個美國家庭的日常用電需求,所以這麼一來,你擁有了電網級的儲存裝置,無聲、無廢氣排放、沒有需拆裝的零件、可遠程控制、以市場價格設計、不需政府補助。

    因此,我們從中學習到什麼?(掌聲)因此,我們從中學習到什麼?讓我與你們分享其中的驚喜及不尋常處,它們隱藏在這個過程背後。在溫度方面:傳統智慧說,以低溫,即室溫或接近室溫來設計裝置,然後安裝一個控制系統,來保持這個溫度,避免熱能逸出;液態金屬電池設計為,以最小的管控在高溫下運作。我們的電池可以應付因電流輸入而產生的極高溫度。以規模來說:傳統智慧說,藉由大量生產以降低成本;液態金屬電池的設計是以降低產量來減少成本,但它們產生的效益更大。最後,以人力資源來說:傳統智慧說,聘請電池專家,聘請可借鑒其豐富經驗和知識的專業人員來開發液態金屬電池;我則聘請學生及博士後研究員,然後指導他們。以電池來說,我盡力發掘最大的電力潛能;以指導後進來說,我盡力發掘人們最大的潛力。所以你們可以看到,液態金屬電池的故事,不僅是發明一項技術的過程,也是發掘創造者的一個藍圖。全方位研究(full-spectrum)。

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