Lepsza bateria sieciowa Ambri

Niewielki startup o nazwie Ambri chce przekształcić nasz system energetyczny za pomocą masywnych akumulatorów z płynnego metalu. Za pomocą

• Martin LaMonica strona archiwum

18 lutego 2013 r.

Stojąc obok stołu do ping-ponga w biurach startupu akumulatorowego Ambri, dyrektor ds. technologii, David Bradwell, potrzebuje obu rąk, aby podnieść to, co, jak ma nadzieję, będzie budulcem dla nowego typu sieci elektrycznej. Wykonany z grubej stali pojemnik w kształcie dużej okrągłej formy do ciasta o średnicy 16 cali. Wewnątrz znajdują się dwa metalowe krążki i trochę proszku solnego; Okrągła płyta została przyspawana do góry, tworząc 100-funtowe ogniwo akumulatora.

Łącząc ze sobą wiele takich dużych ogniw, Ambri planuje wyprodukować ogromne baterie, tak duże, jak 40-stopowe kontenery transportowe. Nie tylko ich rozmiar sprawia, że ​​są nowatorskie: chemia technologii Ambri różni się od wszystkich innych obecnie stosowanych w akumulatorach. Gdy ogniwo zostanie podgrzane do około 500 °C, dyski i proszek w środku — odpowiednio elektrody akumulatora i elektrolit — ulegną stopieniu. Rezultatem jest bateria, której wszystkie składniki są płynne. Konwencjonalne akumulatory mają solidne elektrody, które ulegają degradacji podczas użytkowania, ale akumulator zawierający tylko płynne części może wytrzymać lata bez utraty dużej ilości energii. Stopione materiały mogą również działać przy znacznie wyższych gęstościach prądu niż ciała stałe i przez dłuższy czas.

Ta historia była częścią naszego wydania z marca 2013 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Współzałożyciel Ambri, Donald Sadoway, profesor chemii materiałowej na MIT, wymyślił ogniwo z ciekłego metalu jako sposób na zbudowanie baterii sieciowej, która mogłaby przechowywać wiele godzin energii z energii słonecznej i wiatrowej przy bardzo niskich kosztach. Ponieważ stacjonarna bateria przeznaczona do przechowywania energii dla sieci nie musiałaby być tak lekka jak baterie w naszych laptopach, samochodach i latarkach, mógł radykalnie odejść od chemii, która zasila te urządzenia. Rezultatem jest bateria wykonana z obfitych, niedrogich materiałów w prostym procesie produkcyjnym. Może bezpiecznie obsługiwać duże prądy i dostarczać moc w szybkich seriach lub przez dłuższy czas.

Jeśli Ambri lub ktokolwiek inny może sprawić, że magazynowanie sieciowe będzie tanie i niezawodne, zmieni to sposób, w jaki pozyskujemy energię elektryczną. Ponieważ produkcja farm wiatrowych i fotowoltaicznych jest przerywana, same te źródła odnawialne nie są w stanie niezawodnie zasilać całej sieci, a nawet jej większości. Operatorzy sieci muszą zapewnić stałą równowagę między zużywaną mocą a wytwarzaną ilością. System musi być w stanie zaspokoić zapotrzebowanie szczytowe, które zwykle występuje, gdy ludzie włączają klimatyzację w gorące letnie dni. Oznacza to, że farmy wiatrowe i słoneczne są zwykle wspierane przez elektrownie na gaz ziemny, które mogą szybko zwiększyć dostawy energii elektrycznej.

Możliwość dostarczenia zmagazynowanej energii w razie potrzeby oznaczałaby, że niektóre z tych elektrowni na paliwa kopalne mogłyby zostać zamknięte, a nowe nie musiałyby być budowane. Ale jak dotąd nie mamy dobrego uniwersalnego sposobu przechowywania energii dla sieci. Obecnie 99 procent magazynów sieciowych ma postać pompowanej wody — woda jest pompowana w górę do zbiornika i uwalniana, aby włączyć generator, gdy potrzebna jest energia. Ta niedroga metoda jest wydajna i na dłuższą metę tania, ale ogranicza się do miejsc z górami i łatwo dostępną wodą. W rezultacie zapewnia mniej niż 1 procent mocy w Stanach Zjednoczonych w danym dniu, według Marka Johnsona, dyrektora programu magazynowania sieci w agencji badawczej ARPA-E Departamentu Energii.

Dziesiątki firm opracowują nowe urządzenia do magazynowania energii, w tym różnego rodzaju gigantyczne baterie, duże wirujące cylindry zwane kołami zamachowymi, a nawet zbiorniki na sprężone powietrze. Ale jak dotąd żadne z tych podejść nie jest wystarczająco tanie, aby być konkurencyjnym. W zależności od wielkości elektrownia pompowo-pompowa może dostarczać energię przez dziesiątki godzin przy koszcie około 100 USD za kilowatogodzinę. Baterie na poziomie sieci mogą kosztować 10 razy więcej, dlatego w sieci jest tylko kilkaset megawatów mocy baterii — mniej niż ilość dostarczana przez jedną pełnowymiarową elektrownię.

Ambri obstawia, że ​​używając tanich materiałów i prostej konstrukcji baterii bez ruchomych części, może zapewnić niezawodne magazynowanie energii za znacznie poniżej 500 USD za kilowatogodzinę. To wciąż jest droższe niż hydroponiczne, ale ponieważ akumulatory można umieścić prawie wszędzie, Ambri uważa, że ​​jej technologia może być najbardziej ekonomicznym wyborem dla wielu zastosowań.

Jedna metryka liczy się bardziej niż cokolwiek innego w siatce, mówi Johnson. To koszt, koszt, koszt.

Kieliszki

Kiedy Sadoway po raz pierwszy rozważał magazynowanie w sieci w 2005 roku, szukał inspiracji w hutach aluminium. Te masywne maszyny, które mogą rozciągać się na ponad 200 000 stóp kwadratowych, zużywają ogromne ilości energii elektrycznej do ekstrakcji aluminium ze stopionego tlenku glinu poprzez elektrolizę. Sadoway, który jest wyszkolony jako metalurg, zdał sobie sprawę, że wytapianie może stanowić szablon dla akumulatora, który toleruje poziomy prądu potrzebne do sieci. Spojrzałem na to i powiedziałem: Wow, to wygląda jak połowa baterii! Mówi, że jest duży, skalowalny i tani.

Po wpadnięciu na pomysł baterii z ciekłym metalem, Sadoway szukał idealnych elektrod: ostatecznie wybrał magnez i antymon, ponieważ są one tanie i rozdzielają się naturalnie w postaci płynnej, a lżejszy magnez unosi się do góry. Elektrolit w postaci ciekłej soli spoczywa między elektrodami magnezowymi i antymonowymi, tworząc ogniwo z trzema warstwami.

Kiedy bateria jest wezwana do dostarczenia energii do sieci, atomy magnezu z górnej warstwy – anody – wydzielają elektrony. Powstałe jony magnezu przechodzą przez elektrolit i reagują z antymonem, tworząc stop i rozszerzając dolną warstwę ogniwa – katodę. Podczas ładowania akumulator działa jak piec do wytapiania, uwalniając magnez ze stopu i przesyłając go z powrotem przez elektrolit, aby ponownie połączyć się z elektrodą magnezową. Intensywny przepływ prądu generuje ciepło wykorzystywane do utrzymywania metali w stanie stopionym. (Ambri przerzuciło się na tańsze stopy metali i mieszankę soli, ale chemia działa w ten sam sposób.)

W 2007 roku, kiedy Bradwell był studentem w laboratorium Sadowaya, wykorzystał technologię magnezowo-antymonową do wykonania eksperymentalnej baterii o średnicy mniej więcej kieliszka. Do 2009 roku przyciągnął prawie 11 milionów dolarów finansowania badań od ARPA-E i francuskiego koncernu naftowego Total. W następnym roku Sadoway i Bradwell stworzyli firmę o nazwie Liquid Metal Battery Corporation; następnie zabezpieczyli finansowanie zalążkowe od Billa Gatesa i Total.

Założyciele spodziewali się, że prace techniczne potrwają dłużej niż pięć do siedmiu lat, które inwestorzy venture capital zazwyczaj chcą czekać przed wypłatą, więc na początku nie brali pieniędzy od takich inwestorów, jak wiele innych startupów zajmujących się czystymi technologiami. Jednak latem 2011 roku nadszedł czas na stworzenie produktu. Sadoway zatrudnił nowego dyrektora generalnego, Philipa Giudice, który pomógł zapewnić inwestycję o wartości 15 milionów dolarów kierowaną przez Khosla Ventures. Firma zmieniła nazwę na Ambri – od nazwy Cambridge, gdzie wynaleziono technologię.

Przynajmniej na początku Ambri chce uniknąć pracy z zakładami energetycznymi, mówi Giudice, były urzędnik stanu Massachusetts ds. energii: zakłady są konserwatywne i mają niewielką zachętę finansową lub presję regulacyjną, aby wypróbować nowe technologie. Zamiast tego będzie początkowo atakować bazy wojskowe i inne obiekty, które chcą płacić za zasilanie awaryjne, takie jak centra danych. Te aplikacje nie są ogromnym rynkiem, ale pomogą zademonstrować i przetestować baterię.

Aby wytworzyć ogniwa akumulatorowe Ambri, elektrody z ciekłego metalu i elektrolit w postaci ciekłej soli są zamknięte w stalowym pojemniku, takim jak ten.

Jeszcze w tym roku firma planuje wykonać moduł wielkości lodówki, układając setki ogniw wielkości krążka hokejowego i łącząc je szeregowo. Naukowcy spodziewają się, że do 2014 r. 80 z tych modułów zostanie zapakowanych razem w pełnowymiarowy, komercyjny prototyp, który będzie generował 500 kilowatów i przechowywał dwie megawatogodziny — wystarczy, aby zasilić 70 amerykańskich domów przez cały dzień.

Nawet po uruchomieniu prototypu, mówi Giudice, Ambri nadal planuje unikać złożonego, napiętego przepisami świata usług użyteczności publicznej na rzecz niezależnych producentów energii, firm, które opracowują i posiadają projekty energetyczne. Na przykład w zachodnim Teksasie często występuje nadwyżka energii wiatrowej w nocy, kiedy popyt i cena są najniższe. Magazynowanie baterii pozwoliłoby deweloperom energetyki wiatrowej dostarczać tę energię w godzinach szczytu i zarabiać więcej pieniędzy. Innym atrakcyjnym wczesnym rynkiem są miasta, w których baterie mogą być bardziej opłacalne niż dodawanie nowych linii energetycznych w celu zaspokojenia szczytowego zapotrzebowania na energię elektryczną, mówi Giudice.

Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z oczekiwaniami, Ambri będzie w stanie zademonstrować swoje akumulatory w wielu instalacjach i pokazać zakładom użyteczności publicznej, że technologia jest obarczona niskim ryzykiem, mówi Giudice. W tym momencie firma może zwrócić się do przedsiębiorstw użyteczności publicznej i organów regulacyjnych, które zatwierdzają inwestycje w sprzęt sieciowy. W pełni zrealizowany rynek pamięci masowych może być wart miliardy dolarów za pięć do dziesięciu lat.

Pieniądze

Trzymając jedną z oryginalnych komór wielkości kieliszka obok coraz większych – cztery cale, sześć cali i masywną 16-calową komorę – Bradwell pokazuje, jak daleko zaszedł jego zespół. Ale naukowcy Ambri stają teraz przed wyzwaniem skalowania akumulatora z ciekłego metalu do rozmiaru przemysłowego. Muszą między innymi zaprojektować hermetyczne uszczelnienia ogniw i stworzyć system zarządzania temperaturą, który zapewnia, że ​​ciepło wydzielane podczas ładowania i rozładowywania wystarcza do utrzymania płynnych elementów. Grupa nadal ustala indywidualny rozmiar, który zminimalizuje koszty produkcji, ale ogniwa będą kwadratowe, od czterech do 16 cali na bok i około dwóch cali wysokości.

Ambri ma dość pieniędzy, by zbudować swoje pierwsze prototypy. Jednak zwiększenie produkcji będzie wymagało większego kapitału w czasie, gdy środowisko finansowe dla firm czystych technologii nie jest pomyślne. Wielu inwestorów venture capital, wystraszonych słabymi zyskami, serią dobrze nagłośnionych bankructw i kosztami budowania zdolności produkcyjnych, porzuciło czystą technologię, pozostawiając niewiele opcji finansowania.

Przeszkody finansowe są szczególnie wysokie, ponieważ firmy zajmujące się magazynowaniem sieciowym podejmują duże wyzwania techniczne w branży, która prawie nie istnieje. Inwestorzy venture capital lubią podejmować ryzyko technologiczne lub biznesowe. Niektórzy ludzie mogą przyjąć oba, ale większość nie, mówi Bilal Zuberi, inwestor w General Catalyst Partners, który zainwestował w start-up rozwijający technologię magazynowania sieciowego opartą na sprężonym powietrzu. W kolejnej rundzie Ambri zamierza podążyć za inwestorami z branży energetycznej, mając nadzieję, że firmy takie jak General Electric, ABB czy Siemens mogą zapewnić nie tylko pieniądze, ale także wiarygodność i doświadczenie w produkcji i marketingu. Ale nawet jeśli inżynieria Ambri jest bezbłędna, a firma zabezpieczy wszystkie potrzebne pieniądze, napotka tę samą przeszkodę, z którą musi się zmierzyć wiele innych firm zajmujących się alternatywną energią: tani gaz ziemny. Ponieważ gaz ziemny stał się preferowanym paliwem do wytwarzania energii w Stanach Zjednoczonych, cena, jaką musi spełnić każda technologia magazynowania energii, aby była konkurencyjna, spadła znacznie niżej.

Najważniejszym czynnikiem przemawiającym na korzyść Ambri może być ostatecznie skrzypienie samej siatki. Masowe przestoje spowodowane huraganami Sandy i Irene boleśnie ujawniły, jak wrażliwy jest system elektroenergetyczny, co skłoniło polityków i społeczeństwo do żądania rozwiązań. Magazynowanie sieciowe może dodać bardzo potrzebną odporność i elastyczność, zapewniając zasilanie awaryjne budynkom, a nawet społecznościom, jednocześnie umożliwiając operatorom sieci wygładzanie wahań dostaw energii. Niektóre duże, scentralizowane elektrownie, które muszą być teraz utrzymywane, aby zapewnić, że podaż może zaspokoić popyt, nie byłyby już potrzebne.

Realizacja tej wizji systemu elektroenergetycznego buforowanego setkami dużych baterii zajmie wiele lat i będzie oznaczać zmianę status quo w elektroenergetyce. To nie jest łatwe zadanie. Ale Ambri wierzy, że jego bateria oferuje sposób na rozpoczęcie jej użytkowania.

ukryć