Ambri's Better Grid Battery

Neliels jaunuzņēmums ar nosaukumu Ambri vēlas pārveidot mūsu enerģijas sistēmu ar masīvām šķidrā metāla baterijām. Autors

• Mārtiņš LaMonika arhīva lapa

2013. gada 18. februāris

Stāvot blakus galda tenisa galdam akumulatoru starta uzņēmuma Ambri birojā, galvenajam tehnoloģiju darbiniekam Deividam Bredvelam ir vajadzīgas abas rokas, lai paņemtu to, kas, viņaprāt, būs jauna veida elektrotīkla celtniecības bloks. Izgatavots no bieza tērauda, ​​tas ir lielas apaļas kūkas formas trauks, kura diametrs ir 16 collas. Tā iekšpusē ir divas metāla ripas un nedaudz sāls pulvera; apaļa plāksne ir metināta uz augšu, lai izveidotu 100 mārciņu akumulatora elementu.

Savienojot vairākas šīs lielās šūnas, Ambri plāno izgatavot milzīgus akumulatorus, līdz pat 40 pēdu pārvadāšanas konteinerus. Ne tikai to izmērs padara tos jaunus: Ambri tehnoloģiju ķīmija atšķiras no jebkuras citas pašlaik akumulatoros izmantotās tehnoloģijas. Kad elementu sakarsē līdz aptuveni 500 °C, tajā esošie diski un pulveris — attiecīgi akumulatora elektrodi un elektrolīts — izkusīs. Rezultāts ir akumulators, kura sastāvdaļas ir šķidras. Parastajām uzlādējamajām baterijām ir cietie elektrodi, kas lietošanas laikā noārdās, bet akumulators ar tikai šķidrām daļām var kalpot gadiem ilgi, nezaudējot lielu daļu no savas enerģijas uzglabāšanas jaudas. Izkausētie materiāli var darboties arī ar daudz lielāku strāvas blīvumu nekā cietām vielām un ilgāku laiku.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2013. gada marta numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Ambri līdzdibinātājs Donalds Sadovejs, MIT materiālu ķīmijas profesors, izdomāja šķidrā metāla elementu kā veidu, kā izveidot tīkla akumulatoru, kas varētu uzglabāt daudzu stundu enerģiju no saules un vēja enerģijas par ļoti zemām izmaksām. Tā kā stacionāram akumulatoram, kas paredzēts tīkla enerģijas uzkrāšanai, nevajadzētu būt vieglam, piemēram, mūsu klēpjdatoru, automašīnu un lukturīšu akumulatoriem, viņš varēja krasi atkāpties no ķīmijas, kas nodrošina šo ierīču darbību. Rezultāts ir akumulators, kas ir izgatavots no bagātīgiem, lētiem materiāliem vienkāršā ražošanas procesā. Tas var droši izturēt lielas strāvas un nodrošināt jaudu ātrās sērijās vai ilgstoši.

Ja Ambri vai kāds cits var padarīt tīkla uzglabāšanu lētu un uzticamu, tas mainīs veidu, kā mēs saņemam elektroenerģiju. Tā kā vēja un saules enerģijas ģeneratoru ģeneratoru ražošana ir neregulāra, šie atjaunojamie avoti vien nevar droši darbināt visu tīklu vai pat lielāko daļu tā. Tīkla operatoriem ir jānodrošina vienmērīgs līdzsvars starp patērēto jaudu un saražoto daudzumu. Sistēmai jāspēj apmierināt maksimālo pieprasījumu, kas parasti rodas, kad cilvēki ieslēdz gaisa kondicionētāju karstās vasaras dienās. Tas nozīmē, ka vēja un saules enerģijas fermas parasti tiek papildinātas ar dabasgāzes stacijām, kuras var ātri papildināt elektroenerģijas piegādi.

Iespēja nepieciešamības gadījumā ievest uzkrāto jaudu nozīmētu, ka dažas no šīm fosilā kurināmā spēkstacijām varētu slēgt un jaunas nebūtu jābūvē. Bet līdz šim mums nav neviena laba universālā veida, kā uzglabāt enerģiju tīklam. Mūsdienās 99 procentus tīkla krātuves veido sūknētā hidrosistēma — ūdens tiek sūknēts kalnup uz rezervuāru un izlaists, lai ieslēgtu ģeneratoru, kad nepieciešama enerģija. Šī zemo tehnoloģiju metode ir efektīva un ilgtermiņā lēta, taču tā attiecas tikai uz vietām ar kalniem un viegli pieejamu ūdeni. Rezultātā tas nodrošina mazāk nekā 1 procentu no jaudas Amerikas Savienotajās Valstīs noteiktā dienā, norāda Marks Džonsons, Enerģētikas departamenta ARPA-E pētniecības aģentūras tīkla uzglabāšanas programmas direktors.

Desmitiem uzņēmumu izstrādā jaunas enerģijas uzglabāšanas ierīces, tostarp dažāda veida milzu akumulatorus, lielus rotējošus cilindrus, ko sauc par spararatiem, un pat saspiestā gaisa uzglabāšanas tvertnes. Taču līdz šim neviena no šīm pieejām nav pietiekami lēta, lai būtu konkurētspējīga. Atkarībā no tā lieluma hidroelektrostacija var piegādāt jaudu desmitiem stundu, maksājot aptuveni 100 USD par kilovatstundu. Tīkla līmeņa akumulatori var maksāt 10 reizes vairāk, tāpēc tīklā ir tikai daži simti megavatu akumulatora jaudas — mazāk nekā viena pilna izmēra spēkstacija.

Ambri apgalvo, ka, izmantojot lētus materiālus un vienkāršu akumulatora konstrukciju bez kustīgām daļām, tas var nodrošināt uzticamu lielapjoma enerģijas uzglabāšanu par krietni zem 500 USD par kilovatstundu. Tas joprojām ir dārgāks par sūknējamo hidroenerģiju, taču, tā kā akumulatorus var novietot gandrīz jebkur, Ambri uzskata, ka tā tehnoloģija var būt ekonomiskākā izvēle daudziem lietojumiem.

Džonsons saka, ka vienam rādītājam ir lielāka nozīme nekā jebkam citam tīklā. Tās ir izmaksas, izmaksas, izmaksas.

Shot Brilles

Kad Sadovejs 2005. gadā pirmo reizi apsvēra iespēju glabāt tīklu, viņš iedvesmu meklēja alumīnija kausēšanas iekārtās. Šīs masīvās iekārtas, kas var izstiepties līdz vairāk nekā 200 000 kvadrātpēdu, izmanto milzīgu elektroenerģijas daudzumu, lai ar elektrolīzi iegūtu alumīniju no izkausēta alumīnija oksīda. Sadovejs, kurš ir apmācīts kā metalurgs, saprata, ka kausēšana varētu nodrošināt veidni uzlādējamam akumulatoram, kas iztur tīklam nepieciešamos pašreizējos līmeņus. Es paskatījos uz to un teicu: Oho, tā izskatās kā puse no akumulatora! Viņš saka, ka tas ir liels, mērogojams un lēts.

Pēc idejas par šķidrā metāla akumulatoru Sadovejs meklēja ideālos elektrodus: viņš izvēlējās magniju un antimonu, jo tie ir lēti un dabiski atdalās šķidrā veidā, jo vieglākais magnijs paceļas uz augšu. Šķidrums-sāls elektrolīts atrodas starp magnija un antimona elektrodiem, veidojot šūnu ar trīs slāņiem.

Kad akumulators tiek aicināts piegādāt enerģiju tīklam, magnija atomi no augšējā slāņa - anoda - izdala elektronus. Iegūtie magnija joni pārvietojas pa elektrolītu un reaģē ar antimonu, veidojot sakausējumu un paplašinot šūnas apakšējo slāni - katodu. Kad akumulators tiek uzlādēts, tas darbojas kā kausēšanas iekārta, atbrīvo magniju no sakausējuma un nosūta atpakaļ caur elektrolītu, lai atkal pievienotos magnija elektrodam. Intensīva strāvas plūsma rada siltumu, ko izmanto, lai metālus uzturētu kausētā stāvoklī. (Ambri ir pārgājis uz lētākiem metālu sakausējumiem un sāls maisījumu, taču ķīmija darbojas tāpat.)

2007. gadā, kad Bredvels mācījās Sadovejas laboratorijā, viņš izmantoja magnija-antimona tehnoloģiju, lai izgatavotu eksperimentālu akumulatoru, kura diametrs ir aptuveni stikla slāņa diametrs. Līdz 2009. gadam tas bija piesaistījis gandrīz 11 miljonus USD pētniecības finansējumu no ARPA-E un Francijas naftas kompānijas Total. Nākamajā gadā Sadoway un Bredwell izveidoja uzņēmumu Liquid Metal Battery Corporation; pēc tam viņi nodrošināja sākuma finansējumu no Bila Geitsa un Total.

Dibinātāji paredzēja, ka tehniskais darbs prasīs vairāk nekā piecus līdz septiņus gadus, ko riska kapitālisti parasti ir gatavi gaidīt pirms naudas izņemšanas, tāpēc sākumā viņi neņēma naudu no šādiem investoriem, kā to darīja daudzi citi tīro tehnoloģiju jaunizveidotie uzņēmumi. Tomēr līdz 2011. gada vasarai bija pienācis laiks izveidot produktu. Sadoway pieņēma darbā jaunu izpilddirektoru Filipu Džudisu, kurš palīdzēja nodrošināt Khosla Ventures vadīto ieguldījumu 15 miljonu ASV dolāru apmērā. Uzņēmums mainīja savu nosaukumu uz Ambri, pamatojoties uz Kembridžas nosaukumu, kur tehnoloģija tika izgudrota.

Vismaz sākumā Ambri vēlas izvairīties no darba ar elektroapgādes uzņēmumiem, saka Džudice, bijusī Masačūsetsas štata enerģētikas amatpersona: komunālie uzņēmumi ir konservatīvi un tiem ir mazs finansiālais stimuls vai regulējošais spiediens izmēģināt jaunas tehnoloģijas. Tā vietā sākotnēji tas būs vērsts uz militārajām bāzēm un citām iekārtām, kas ir gatavas maksāt par rezerves enerģiju, piemēram, datu centriem. Šīs lietojumprogrammas nav liels tirgus, taču tās palīdzēs demonstrēt un pārbaudīt akumulatoru.

Lai izgatavotu Ambri akumulatora elementus, šķidrā metāla elektrodi un šķidrā sāls elektrolīts tiek noslēgti tādā tērauda traukā kā šis.

Vēlāk šogad uzņēmums plāno izgatavot ledusskapja izmēra moduli, sakraujot simtiem hokeja ripas izmēra šūnu un savienojot tās virknē. Pētnieki paredz, ka līdz 2014. gadam 80 no šiem moduļiem tiks iesaiņoti pilna mēroga komerciālā prototipā, kas ģenerēs 500 kilovatus un uzglabās divas megavatstundas, kas ir pietiekami, lai visu dienu darbinātu 70 ASV mājas.

Pat pēc tam, kad šis prototips ir izveidots un darbojas, Džudice saka, Ambri joprojām plāno izvairīties no sarežģītās, regulārās komunālo pakalpojumu pasaules par labu neatkarīgiem enerģijas ražotājiem, uzņēmumiem, kas izstrādā un kuriem pieder enerģētikas projekti. Piemēram, Teksasas rietumos naktīs bieži ir vēja enerģijas pārpalikums, kad pieprasījums un cena ir viszemākā. Akumulatoru uzglabāšana ļautu vēja enerģijas izstrādātājam nodrošināt šo jaudu maksimālās slodzes laikā un nopelnīt vairāk naudas. Vēl viens pievilcīgs agrīnais tirgus ir pilsētās, kur baterijas varētu būt rentablākas nekā jaunu elektropārvades līniju pievienošana, lai apmierinātu maksimālo elektroenerģijas pieprasījumu, saka Giudice.

Ja viss notiks, kā cerēts, Ambri varēs demonstrēt savus akumulatorus vairākās instalācijās un parādīt komunālajiem pakalpojumiem, ka tehnoloģija ir zema riska pakāpe, saka Džudice. Tajā brīdī uzņēmums var vērsties pie komunālajiem uzņēmumiem un valsts regulatoriem, kas apstiprina investīcijas tīkla iekārtās. Pilnībā realizēts komunālo pakalpojumu uzglabāšanas tirgus varētu būt miljardu dolāru vērts piecu līdz 10 gadu laikā.

Nauda

Turot vienu no oriģinālajām stikla izmēra šūnām blakus pakāpeniski lielākām — četrām, sešām collām un lielajai 16 collu šūnai, Bredvels parāda, cik tālu viņa komanda ir tikusi. Taču Ambri pētnieki tagad saskaras ar izaicinājumu palielināt šķidrā metāla akumulatoru līdz rūpnieciskam izmēram. Papildus citiem uzdevumiem viņiem ir jāprojektē hermētiski hermētiski elementu blīvējumi un jāizveido siltuma pārvaldības sistēma, kas nodrošina, ka uzlādes un izlādes radītais siltums ir pietiekams, lai komponenti būtu šķidri. Grupa joprojām nosaka individuālo izmēru, kas samazinās ražošanas izmaksas, taču šūnas būs kvadrātveida, no četrām līdz 16 collām katrā pusē un apmēram divas collas garas.

Ambri ir pietiekami daudz naudas, lai izveidotu savus pirmos prototipus. Taču ražošanas apjoma palielināšanai būs vajadzīgs lielāks kapitāls laikā, kad tīro tehnoloģiju uzņēmumu finansēšanas vide nebūt nav labvēlīga. Slikto atdevi, virkni plaši publiskotu bankrotu un ražošanas jaudas palielināšanas izdevumu nobiedēti, daudzi riska kapitālisti ir atteikušies no tīrajām tehnoloģijām, atstājot dažas finansēšanas iespējas.

Finansēšanas šķēršļi ir īpaši lieli, jo tīkla uzglabāšanas jaunizveidotie uzņēmumi saskaras ar lieliem tehniskiem izaicinājumiem nozarē, kas tik tikko pastāv. Riska kapitālistiem patīk uzņemties tehnoloģiju vai biznesa risku. Daži cilvēki var lietot abus, bet lielākā daļa to nedara, saka Bilals Zuberi, General Catalyst Partners investors, kurš ir ieguldījis jaunuzņēmumā, kas izstrādā uz saspiesta gaisa bāzes balstītas tīkla uzglabāšanas tehnoloģijas. Nākamajā kārtā Ambri plāno meklēt investorus no enerģētikas nozares, cerot, ka tādi uzņēmumi kā General Electric, ABB un Siemens var nodrošināt ne tikai naudu, bet arī uzticamību un zināšanas ražošanā un mārketingā. Bet pat tad, ja Ambri inženierija ir nevainojama un uzņēmums nodrošina visu nepieciešamo naudu, tas saskarsies ar to pašu šķērsli, ar kuru saskarsies tik daudzi citi alternatīvās enerģijas uzņēmumi: lēta dabasgāze. Tā kā dabasgāze ir kļuvusi par iecienītāko elektroenerģijas ražošanas kurināmo Amerikas Savienotajās Valstīs, cena, kas jāatbilst jebkurai tīkla uzglabāšanas tehnoloģijai, lai tā būtu konkurētspējīga, ir kritusies daudz zemāka.

Nozīmīgākais faktors Ambri labā galu galā var būt paša režģa čīkstošais stāvoklis. Viesuļvētru Sendija un Irēna izraisītie masveida pārtraukumi sāpīgi atklāja energosistēmas neaizsargātību, liekot politiķiem un sabiedrībai pieprasīt risinājumus. Tīkla krātuve varētu pievienot tik ļoti nepieciešamo noturību un elastību, nodrošinot rezerves jaudu ēkām un pat kopienām, vienlaikus ļaujot tīkla operatoriem izlīdzināt strāvas padeves svārstības. Dažas no lielajām, centralizētajām spēkstacijām, kuras tagad ir jāuztur, lai nodrošinātu, ka piedāvājums var apmierināt pieprasījumu, vairs nebūtu vajadzīgas.

Šīs vīzijas par simtiem lielu akumulatoru buferizētas elektroenerģijas sistēmas īstenošana prasīs daudzus gadus, un tas nozīmēs elektroenerģijas nozares status quo izmainīšanu. Tas nav viegls uzdevums. Bet Ambri uzskata, ka tā akumulators piedāvā veidu, kā sākt to lietot.

paslēpties