Ambri's Better Grid Battery

En lille startup kaldet Ambri ønsker at transformere vores energisystem med massive flydende metal-batterier. Ved

• Martin LaMonica arkiv side

18. februar 2013

Stående ved siden af ​​Ping-Pong-bordet i kontorerne til batteristartup Ambri, har teknologichef David Bradwell brug for begge hænder til at samle op, hvad han håber vil være en byggesten til en ny type elnet. Det er lavet af tykt stål og er en beholder formet som en stor rund kageform, 16 tommer i diameter. Indeni er der to metalpucke og noget saltpulver; en rund plade er blevet svejset til toppen for at lave en 100-pund battericelle.

Ved at samle en række af disse store celler planlægger Ambri at lave enorme batterier, så store som 40 fods skibscontainere. Det er ikke kun deres størrelse, der gør dem nye: kemien i Ambris teknologi er forskellig fra enhver anden, der i øjeblikket bruges i batterier. Når cellen opvarmes til omkring 500 °C, vil skiverne og pulveret indeni - henholdsvis batteriets elektroder og elektrolyt - smelte. Resultatet er et batteri, hvis komponenter alle er flydende. Konventionelle genopladelige batterier har solide elektroder, der nedbrydes ved brug, men et batteri med kun flydende dele kunne holde i årevis uden at miste meget af sin energilagringskapacitet. De smeltede materialer kan også fungere ved meget højere strømtætheder end faste stoffer og i længere tid.

Denne historie var en del af vores marts 2013-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Ambri-medstifter Donald Sadoway, professor i materialekemi ved MIT, opfattede flydende metalcellen som en måde at bygge et netbatteri, der kunne lagre mange timers energi fra sol- og vindkraft til meget lave omkostninger. Fordi et stationært batteri beregnet til at lagre strøm til nettet ikke skulle være let som batterierne i vores bærbare computere, biler og lommelygter, var han fri til at afvige dramatisk fra den kemi, der driver disse enheder. Resultatet er et batteri, der er lavet af rigelige, billige materialer i en enkel produktionsproces. Den kan sikkert håndtere store strømme og levere strøm i hurtige udbrud eller i længere tid.

Hvis Ambri eller nogen anden kan gøre netlagring billig og pålidelig, vil det ændre den måde, vi får elektricitet på. Fordi produktionen af ​​vind- og solfarme er intermitterende, kan disse vedvarende kilder alene ikke pålideligt drive hele nettet eller endda det meste af det. Netoperatørerne skal sikre en stabil balance mellem den strøm, der forbruges, og den mængde, der genereres. Systemet skal kunne imødekomme spidsbelastninger, som typisk opstår, når folk tænder for deres aircondition på varme sommerdage. Det betyder, at vind- og solparker typisk understøttes af naturgasanlæg, der hurtigt kan øge elforsyningen.

Evnen til at bringe lagret strøm ind, når det er nødvendigt, ville betyde, at nogle af de fossile brændselskraftværker kunne lukkes, og at der ikke skulle bygges nye. Men indtil videre har vi ingen god alsidig måde at lagre energi til nettet på. I dag tager 99 procent af netlageret form af pumpet hydro-vand pumpes op ad bakke til et reservoir og frigives for at tænde en generator, når der er behov for energi. Denne lavteknologiske metode er effektiv, og den er billig på lang sigt, men den er begrænset til steder med bjerge og let tilgængeligt vand. Som et resultat giver det mindre end 1 procent af strømkapaciteten i USA på en given dag, ifølge Mark Johnson, direktør for netlagringsprogrammet hos Department of Energys ARPA-E-forskningsbureau.

Snesevis af virksomheder udvikler nye energilagringsenheder, herunder forskellige typer gigantiske batterier, store roterende cylindre kaldet svinghjul og endda trykluftlagertanke. Men indtil videre er ingen af ​​disse metoder billige nok til at være konkurrencedygtige. Afhængigt af dets størrelse kan et pumpet vandkraftværk levere strøm i snesevis af timer til en pris på omkring $100 pr. kilowatt-time. Batterier på netniveau kan koste 10 gange det, og derfor er der kun et par hundrede megawatt batteristrøm på nettet - mindre end det beløb, som et kraftværk i fuld størrelse bidrager med.

Ambri satser på, at den ved at bruge billige materialer og et simpelt batteridesign uden bevægelige dele kan levere pålidelig bulkenergilagring for et godt stykke under $500 pr. kilowatt-time. Det er stadig dyrere end pumpet hydro, men da batterier kan placeres næsten hvor som helst, mener Ambri, at dens teknologi kan være det mest økonomiske valg til mange applikationer.

En metrik betyder mere end noget andet på nettet, siger Johnson. Det er omkostning, omkostning, omkostning.

Shot Briller

Da Sadoway første gang overvejede netopbevaring i 2005, så han til aluminiumssmeltere for at få inspiration. Disse massive maskiner, som kan strække sig til mere end 200.000 kvadratfod, bruger enorme mængder elektricitet til at udvinde aluminium fra smeltet aluminiumoxid gennem elektrolyse. Sadoway, der er uddannet metallurg, indså, at smeltning kunne give en skabelon til et genopladeligt batteri, der tåler de nuværende niveauer, der er nødvendige for nettet. Jeg kiggede på det og sagde: Wow, det ligner et halvt batteri! Og det er stort, det er skalerbart, og det er billigt, siger han.

Efter at have ramt ideen om flydende metal-batteriet, søgte Sadoway efter de perfekte elektroder: han endte med at vælge magnesium og antimon, fordi de er billige og adskiller sig naturligt, når de er i flydende form, og det lettere magnesium stiger til toppen. En væske-salt-elektrolyt hviler mellem magnesium- og antimonelektroderne og skaber en celle med tre lag.

Når batteriet bliver opfordret til at levere strøm til nettet, afgiver magnesiumatomer fra det øverste lag - anoden - elektroner. De resulterende magnesiumioner rejser gennem elektrolytten og reagerer med antimonet, danner en legering og udvider det nederste lag af cellen - katoden. Når batteriet oplades, fungerer det som smelteren, frigør magnesium fra dets legering og sender det tilbage gennem elektrolytten for at slutte sig til magnesiumelektroden. Den intense strømning genererer den varme, der bruges til at holde metallerne i smeltet tilstand. (Ambri er skiftet til billigere metallegeringer og en saltblanding, men kemien fungerer på samme måde.)

I 2007, da Bradwell var elev i Sadoways laboratorium, brugte han magnesium-antimon-teknologien til at lave et eksperimentelt batteri med omtrent samme diameter som et snapseglas. I 2009 havde det tiltrukket næsten 11 millioner dollars i forskningsfinansiering fra ARPA-E og det franske olieselskab Total. Det næste år oprettede Sadoway og Bradwell et firma kaldet Liquid Metal Battery Corporation; de sikrede derefter startfinansiering fra Bill Gates og Total.

Grundlæggerne forventede, at det tekniske arbejde ville tage længere tid end de fem til syv år, som venturekapitalister typisk er villige til at vente, før de udbetalte, så de tog i første omgang ikke penge fra sådanne investorer, som mange andre clean-tech startups havde gjort. I sommeren 2011 var det dog tid til at bygge et produkt. Sadoway rekrutterede en ny administrerende direktør, Philip Giudice, som hjalp med at sikre en investeringsrunde på 15 millioner dollars ledet af Khosla Ventures. Virksomheden skiftede navn til Ambri - baseret på navnet Cambridge, hvor teknologien blev opfundet.

I det mindste i første omgang ønsker Ambri at undgå at arbejde med elektriske forsyninger, siger Giudice, en tidligere embedsmand i staten Massachusetts: forsyningsselskaber er konservative og har ringe økonomisk incitament eller regulatorisk pres til at afprøve nye teknologier. I stedet vil den i første omgang målrette mod militærbaser og andre faciliteter, der er villige til at betale for backup-kraft, såsom datacentre. Disse applikationer er ikke et stort marked, men de vil hjælpe med at demonstrere og teste batteriet.

For at lave Ambris battericeller forsegles flydende metalelektroder og en flydende saltelektrolyt i en stålbeholder som denne.

Senere på året planlægger virksomheden at lave et modul i køleskabsstørrelse ved at stable hundredvis af celler i hockeypuckstørrelse og forbinde dem i serie. I 2014 forventer forskerne, at 80 af disse moduler vil blive pakket sammen i en fuldskala kommerciel prototype, der vil generere 500 kilowatt og lagre to megawatt-timer - nok til at drive 70 amerikanske hjem i en hel dag.

Selv efter at prototypen er oppe at køre, siger Giudice, planlægger Ambri stadig at undgå den komplekse, reguleringstunge verden af ​​forsyningsselskaber til fordel for uafhængige elproducenter, virksomheder, der udvikler og ejer energiprojekter. I det vestlige Texas, for eksempel, er der ofte et overskud af vindenergi om natten, når efterspørgsel og pris er lavest. Batteriopbevaring ville lade en vindenergiudvikler levere den strøm i spidsbelastningsperioder og tjene flere penge. Et andet attraktivt tidligt marked er i byer, hvor batterier kunne være mere omkostningseffektive end at tilføje nye elledninger for at imødekomme spidsbelastningen efter elektricitet, siger Giudice.

Hvis alt går som håbet, vil Ambri være i stand til at demonstrere sine batterier i flere installationer og vise forsyningsselskaber, at teknologien er lavrisiko, siger Giudice. På det tidspunkt kan virksomheden henvende sig til forsyningsselskaber og de statslige tilsynsmyndigheder, der godkender investeringer i netudstyr. Et fuldt realiseret forsyningsopbevaringsmarked kan være milliarder af dollars værd om fem til 10 år.

Pengene

Når Bradwell holder en af ​​de originale celler i shotglasstørrelse op ved siden af ​​stadigt større – fire tommer, seks tommer og den heftige 16 tommer celle – viser Bradwell, hvor langt hans hold er nået. Men Ambris forskere står nu over for udfordringen med at skalere flydende metalbatteriet op til industriel størrelse. Blandt andre opgaver skal de designe lufttætte tætninger på cellerne og skabe et termisk styringssystem, der sikrer, at den varme, der afgives ved op- og afladning, er nok til at holde komponenterne flydende. Gruppen er stadig ved at bestemme den individuelle størrelse, der vil minimere fremstillingsomkostningerne, men cellerne vil være firkantede, mellem fire og 16 tommer pr. side og omkring to tommer høje.

Ambri har penge nok til at bygge sine første prototyper. Men at opskalere produktionen vil kræve mere kapital i en tid, hvor finansieringsmiljøet for cleantech-virksomheder langt fra er gunstigt. Skræmt af dårlige afkast, en række velkendte konkurser og omkostningerne ved at opbygge produktionskapacitet har mange venturekapitalister opgivet clean tech og efterladt få finansieringsmuligheder.

Finansieringshindringerne er særligt høje, fordi grid storage startups påtager sig store tekniske udfordringer i en industri, der knap eksisterer. Venturekapitalister kan lide at tage enten teknologi- eller forretningsrisiko. Nogle mennesker kan tage begge dele, men de fleste gør det ikke, siger Bilal Zuberi, en investor hos General Catalyst Partners, som har investeret i en startup, der udvikler netlagringsteknologi baseret på trykluft. I sin næste runde har Ambri til hensigt at gå efter investorer fra elindustrien i håb om, at virksomheder som General Electric, ABB og Siemens kan levere ikke kun penge, men også troværdighed og ekspertise inden for fremstilling og markedsføring. Men selvom Ambris teknik er fejlfri, og virksomheden sikrer alle de penge, det har brug for, vil det stå over for den samme hindring, som så mange andre alternative energiselskaber står over for: billig naturgas. Siden naturgas er blevet det foretrukne brændstof til elproduktion i USA, er prisen, som enhver netlagringsteknologi skal opfylde for at være konkurrencedygtig, faldet meget lavere.

Den vigtigste faktor til Ambris fordel kan i sidste ende være den knirkende tilstand af selve nettet. De massive afbrydelser forårsaget af orkanerne Sandy og Irene afslørede smerteligt, hvor sårbart elsystemet er, hvilket førte til, at politikere og offentligheden krævede løsninger. Netopbevaring kan tilføje den tiltrængte modstandskraft og fleksibilitet, der giver backup-strøm til bygninger og endda samfund, samtidig med at netoperatører kan udjævne udsving i strømforsyningen. Nogle af de store, centraliserede kraftværker, der nu skal vedligeholdes for at sikre, at udbuddet kan imødekomme efterspørgslen, ville ikke længere være nødvendige.

At realisere denne vision om et elektricitetssystem, der er bufferet af hundredvis af store batterier, vil tage mange år, og det vil betyde en ophævelse af status quo i elindustrien. Det er ikke nogen nem opgave. Men Ambri mener, at dets batteri tilbyder en måde at begynde at tage det på.

skjule