211service.com
Ambri's Better Grid-batterij
Een kleine startup genaamd Ambri wil ons energiesysteem transformeren met enorme vloeibaar-metaalbatterijen. 18 februari 2013
Staande naast de pingpongtafel in de kantoren van de batterij-startup Ambri, heeft chief technology officer David Bradwell beide handen nodig om op te pakken wat hij hoopt dat een bouwsteen zal zijn voor een nieuw type elektriciteitsnet. Gemaakt van dik staal, het is een container in de vorm van een grote ronde cakevorm, 16 inch in diameter. Binnenin zitten twee metalen pucks en wat zoutpoeder; er is een ronde plaat aan de bovenkant gelast om een batterijcel van 100 pond te maken.
Door een aantal van deze grote cellen aan elkaar te rijgen, is Ambri van plan enorme batterijen te maken, zo groot als zeecontainers van 40 voet. Het is niet alleen hun formaat dat ze nieuw maakt: de chemie in Ambri's technologie is anders dan alle andere die momenteel in batterijen worden gebruikt. Wanneer de cel wordt verwarmd tot ongeveer 500 ° C, zullen de schijven en het poeder erin - respectievelijk de elektroden en elektrolyt van de batterij - smelten. Het resultaat is een batterij waarvan de componenten allemaal vloeibaar zijn. Conventionele oplaadbare batterijen hebben vaste elektroden die bij gebruik degraderen, maar een batterij met alleen vloeibare onderdelen kan jaren meegaan zonder veel van zijn energieopslagcapaciteit te verliezen. De gesmolten materialen kunnen ook werken bij veel hogere stroomdichtheden dan vaste stoffen, en voor langere tijd.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van maart 2013
- Zie de rest van het nummer
- Abonneren
Ambri-medeoprichter Donald Sadoway, een professor in materiaalchemie aan het MIT, bedacht de vloeibaar-metaalcel als een manier om een rasterbatterij te bouwen die vele uren aan energie uit zonne- en windenergie zou kunnen opslaan tegen zeer lage kosten. Omdat een stationaire batterij die bedoeld is om stroom voor het elektriciteitsnet op te slaan niet zo licht hoeft te zijn als de batterijen in onze laptops, auto's en zaklampen, was hij vrij om drastisch af te wijken van de chemie die die apparaten aandrijft. Het resultaat is een batterij die is gemaakt van overvloedige, goedkope materialen in een eenvoudig productieproces. Het kan grote stromen veilig aan en levert vermogen in snelle bursts of voor een langere periode.
Als Ambri of iemand anders netopslag goedkoop en betrouwbaar kan maken, zal dit de manier veranderen waarop we elektriciteit krijgen. Omdat de output van wind- en zonneparken intermitterend is, kunnen deze hernieuwbare bronnen alleen niet op betrouwbare wijze het hele net, of zelfs het grootste deel, van stroom voorzien. Netbeheerders moeten zorgen voor een stabiel evenwicht tussen het verbruikte vermogen en de hoeveelheid die wordt opgewekt. Het systeem moet kunnen voldoen aan de piekvraag, die meestal optreedt wanneer mensen op warme zomerdagen hun airconditioning aanzetten. Dat betekent dat wind- en zonneparken doorgaans worden ondersteund door aardgascentrales die snel kunnen bijdragen aan de elektriciteitsvoorziening.
De mogelijkheid om opgeslagen energie in te brengen wanneer dat nodig is, zou betekenen dat sommige van die elektriciteitscentrales op fossiele brandstoffen zouden kunnen worden gesloten en dat er geen nieuwe hoeven te worden gebouwd. Maar tot nu toe hebben we geen goede universele manier om energie op te slaan voor het net. Tegenwoordig neemt 99 procent van de netopslag de vorm aan van opgepompte waterkracht: water wordt omhoog gepompt naar een reservoir en vrijgegeven om een generator te laten draaien wanneer energie nodig is. Deze low-tech methode is efficiënt en goedkoop op de lange termijn, maar het is beperkt tot plaatsen met bergen en gemakkelijk beschikbaar water. Als gevolg hiervan levert het op een bepaalde dag minder dan 1 procent van de stroomcapaciteit in de Verenigde Staten, volgens Mark Johnson, directeur van het netopslagprogramma bij het ARPA-E-onderzoeksbureau van het Department of Energy.
Tientallen bedrijven ontwikkelen nieuwe energieopslagapparaten, waaronder verschillende soorten gigantische batterijen, grote draaiende cilinders die vliegwielen worden genoemd, en zelfs opslagtanks met perslucht. Maar tot nu toe is geen van deze benaderingen goedkoop genoeg om concurrerend te zijn. Afhankelijk van de grootte kan een gepompte waterkrachtcentrale tientallen uren stroom leveren tegen een kostprijs van ongeveer $ 100 per kilowattuur. Batterijen op netniveau kunnen tien keer zoveel kosten, daarom is er slechts een paar honderd megawatt batterijvermogen op het net - minder dan het bedrag dat wordt bijgedragen door één grote elektriciteitscentrale.
Ambri wedt dat het, door goedkope materialen en een eenvoudig batterijontwerp zonder bewegende delen te gebruiken, betrouwbare energieopslag in bulk kan leveren voor ruim onder $ 500 per kilowattuur. Dat is nog steeds duurder dan gepompte hydro, maar aangezien batterijen bijna overal kunnen worden geplaatst, denkt Ambri dat zijn technologie voor veel toepassingen de meest economische keuze kan zijn.
Eén statistiek is belangrijker dan al het andere op de grid, zegt Johnson. Het is kosten, kosten, kosten.
Shot glaasjes
Toen Sadoway in 2005 voor het eerst over gridopslag dacht, zocht hij inspiratie bij aluminiumsmelterijen. Deze enorme machines, die zich kunnen uitstrekken tot meer dan 200.000 vierkante voet, gebruiken enorme hoeveelheden elektriciteit om aluminium door middel van elektrolyse uit gesmolten aluminiumoxide te extraheren. Sadoway, die is opgeleid als metallurg, realiseerde zich dat smelten een sjabloon zou kunnen vormen voor een oplaadbare batterij die de huidige niveaus die nodig zijn voor het elektriciteitsnet tolereert. Ik keek ernaar en zei: Wow, dat ziet eruit als een halve batterij! En het is groot, schaalbaar en goedkoop, zegt hij.
Nadat hij op het idee van de vloeibaar-metaalbatterij kwam, ging Sadoway op zoek naar de perfecte elektroden: hij koos uiteindelijk voor magnesium en antimoon omdat ze goedkoop zijn en van nature gescheiden zijn in vloeibare vorm, waarbij het lichtere magnesium naar boven stijgt. Een vloeibaar-zoutelektrolyt rust tussen de magnesium- en antimoonelektroden, waardoor een cel met drie lagen ontstaat.
Wanneer een beroep wordt gedaan op de batterij om het net van stroom te voorzien, geven magnesiumatomen uit de bovenste laag - de anode - elektronen af. De resulterende magnesiumionen reizen door de elektrolyt en reageren met het antimoon, vormen een legering en zetten de onderste laag van de cel uit - de kathode. Wanneer de batterij wordt opgeladen, werkt deze als de smelter, waarbij het magnesium uit zijn legering wordt bevrijd en het door de elektrolyt wordt teruggestuurd om zich weer bij de magnesiumelektrode te voegen. De intense stroomstroom genereert de warmte die wordt gebruikt om de metalen in gesmolten toestand te houden. (Ambri is overgestapt op goedkopere metaallegeringen en een zoutmengsel, maar de chemie werkt op dezelfde manier.)
In 2007, toen Bradwell een student was in het laboratorium van Sadoway, gebruikte hij de magnesium-antimoontechnologie om een experimentele batterij te maken met ongeveer de diameter van een borrelglas. In 2009 had het bijna $ 11 miljoen aan onderzoeksfinanciering aangetrokken van ARPA-E en de Franse oliemaatschappij Total. Het jaar daarop richtten Sadoway en Bradwell een bedrijf op met de naam Liquid Metal Battery Corporation; ze kregen vervolgens startkapitaal van Bill Gates en Total.
De oprichters verwachtten dat het technische werk langer zou duren dan de vijf tot zeven jaar die durfkapitalisten doorgaans bereid zijn te wachten voordat ze uitbetalen, dus in eerste instantie namen ze geen geld aan van dergelijke investeerders zoals veel andere cleantech-startups hadden gedaan. Tegen de zomer van 2011 was het echter tijd om een product te bouwen. Sadoway rekruteerde een nieuwe CEO, Philip Giudice, die hielp bij het veiligstellen van een investeringsronde van $ 15 miljoen onder leiding van Khosla Ventures. Het bedrijf veranderde zijn naam in Ambri, gebaseerd op de naam Cambridge, waar de technologie werd uitgevonden.
In eerste instantie wil Ambri het werken met elektriciteitsbedrijven vermijden, zegt Giudice, een voormalige energiefunctionaris van de staat Massachusetts: nutsbedrijven zijn conservatief en hebben weinig financiële prikkels of regelgevende druk om nieuwe technologieën uit te proberen. In plaats daarvan zal het zich in eerste instantie richten op militaire bases en andere faciliteiten die bereid zijn te betalen voor back-upstroom, zoals datacenters. Deze toepassingen zijn geen enorme markt, maar ze zullen helpen bij het demonstreren en testen van de batterij.
Om de batterijcellen van Ambri te maken, worden vloeibaar-metaalelektroden en een vloeibaar-zoutelektrolyt verzegeld in een stalen container zoals deze.
Later dit jaar is het bedrijf van plan om een module ter grootte van een koelkast te maken door honderden cellen ter grootte van een hockeypuck te stapelen en in serie te schakelen. De onderzoekers verwachten dat tegen 2014 80 van die modules samen zullen zijn verpakt in een commercieel prototype op volledige schaal dat 500 kilowatt zal genereren en twee megawattuur zal opslaan - genoeg om 70 Amerikaanse huizen een hele dag van stroom te voorzien.
Zelfs nadat dat prototype operationeel is, zegt Giudice, is Ambri nog steeds van plan om de complexe, regelgevende wereld van nutsbedrijven te vermijden ten gunste van onafhankelijke energieproducenten, bedrijven die energieprojecten ontwikkelen en bezitten. In het westen van Texas is er bijvoorbeeld 's nachts vaak een overschot aan windenergie, wanneer vraag en prijs het laagst zijn. Met batterijopslag zou een ontwikkelaar van windenergie die stroom tijdens piekuren kunnen leveren en meer geld kunnen verdienen. Een andere aantrekkelijke vroege markt is in steden waar batterijen kosteneffectiever kunnen zijn dan het toevoegen van nieuwe hoogspanningslijnen om aan de piekvraag naar elektriciteit te voldoen, zegt Giudice.
Als alles gaat zoals gehoopt, kan Ambri zijn batterijen in meerdere installaties demonstreren en nutsbedrijven laten zien dat de technologie een laag risico inhoudt, zegt Giudice. Op dat moment kan het bedrijf nutsbedrijven en de staatsregelgevers benaderen die investeringen in netwerkapparatuur goedkeuren. Een volledig gerealiseerde markt voor nutsopslag kan binnen vijf tot tien jaar miljarden dollars waard zijn.
Het geld
Bradwell houdt een van de originele cellen ter grootte van een borrelglaasje naast steeds grotere - vier inch, zes inch en de forse 16-inch cel - en laat zien hoe ver zijn team is gekomen. Maar de onderzoekers van Ambri staan nu voor de uitdaging om de vloeibaar-metaalbatterij op te schalen naar industriële afmetingen. Ze moeten onder meer luchtdichte afdichtingen op de cellen ontwerpen en een thermisch beheersysteem creëren dat ervoor zorgt dat de warmte die wordt afgegeven door het laden en ontladen voldoende is om de componenten vloeibaar te houden. De groep bepaalt nog steeds de individuele grootte die de fabricagekosten zal minimaliseren, maar de cellen zullen vierkant zijn, tussen de 4 en 16 inch per zijde en ongeveer 5 cm hoog.
Ambri heeft genoeg geld om zijn eerste prototypes te bouwen. Maar voor het opschalen van de productie is meer kapitaal nodig in een tijd waarin de financieringsomgeving voor cleantechbedrijven verre van gunstig is. Geschrokken door slechte rendementen, een reeks goed gepubliceerde faillissementen en de kosten van het opbouwen van productiecapaciteit, hebben veel durfkapitalisten de schone technologie verlaten, waardoor er weinig financieringsopties overblijven.
De financieringsdrempels zijn bijzonder hoog omdat startups voor gridopslag grote technische uitdagingen aangaan in een sector die nauwelijks bestaat. Durfkapitalisten nemen graag technologie- of bedrijfsrisico's. Sommige mensen kunnen beide gebruiken, maar de meesten niet, zegt Bilal Zuberi, een investeerder bij General Catalyst Partners, die heeft geïnvesteerd in een startup die technologie voor rasteropslag ontwikkelt op basis van perslucht. In de volgende ronde is Ambri van plan om achter investeerders uit de energiesector aan te gaan, in de hoop dat bedrijven zoals General Electric, ABB en Siemens niet alleen geld kunnen bieden, maar ook geloofwaardigheid en expertise in productie en marketing. Maar zelfs als Ambri's engineering foutloos is en het bedrijf al het geld veilig stelt dat het nodig heeft, zal het met hetzelfde obstakel worden geconfronteerd waarmee zoveel andere alternatieve energiebedrijven worden geconfronteerd: goedkoop aardgas. Aangezien aardgas de voorkeursbrandstof is geworden voor stroomopwekking in de Verenigde Staten, is de prijs waaraan elke technologie voor netwerkopslag moet voldoen om concurrerend te zijn, veel lager gedaald.
De belangrijkste factor in het voordeel van Ambri kan uiteindelijk de krakende staat van het netwerk zelf zijn. De massale stroomstoringen veroorzaakt door de orkanen Sandy en Irene hebben pijnlijk duidelijk gemaakt hoe kwetsbaar het energiesysteem is, waardoor politici en het publiek oplossingen eisten. Netopslag zou de broodnodige veerkracht en flexibiliteit kunnen toevoegen, waardoor gebouwen en zelfs gemeenschappen van back-up kunnen worden voorzien, terwijl netbeheerders fluctuaties in de stroomvoorziening kunnen opvangen. Sommige van de grote, gecentraliseerde elektriciteitscentrales die nu moeten worden onderhouden om ervoor te zorgen dat het aanbod aan de vraag kan voldoen, zijn niet langer nodig.
Het realiseren van deze visie van een elektriciteitssysteem dat wordt gebufferd door honderden grote batterijen, zal vele jaren duren, en het zal betekenen dat de status-quo in de elektriciteitsindustrie wordt opgeheven. Dat is geen gemakkelijke taak. Maar Ambri gelooft dat de batterij een manier biedt om ermee aan de slag te gaan.