211service.com
Ambris Better Grid Battery
En liten startup som heter Ambri vill förvandla vårt energisystem med massiva flytande metallbatterier. 18 februari 2013
När han står bredvid Ping-Pong-bordet på kontoren till batteristartupen Ambri behöver teknikchefen David Bradwell båda händerna för att ta upp det han hoppas ska vara en byggsten för en ny typ av elnät. Tillverkad av tjockt stål, det är en behållare formad som en stor rund kakform, 16 tum i diameter. Inuti den finns två metallpuckar och lite saltpulver; en rund platta har svetsats till toppen för att göra en 100-pund battericell.
Genom att sätta ihop ett antal av dessa stora celler planerar Ambri att tillverka enorma batterier, så stora som 40 fots fraktcontainrar. Det är inte bara deras storlek som gör dem nya: kemin i Ambris teknologi skiljer sig från alla andra som för närvarande används i batterier. När cellen värms upp till cirka 500 °C kommer skivorna och pulvret inuti - batteriets elektroder respektive elektrolyt - att smälta. Resultatet är ett batteri vars komponenter alla är flytande. Konventionella uppladdningsbara batterier har solida elektroder som bryts ned vid användning, men ett batteri med endast flytande delar skulle kunna hålla i flera år utan att förlora mycket av sin energilagringskapacitet. De smälta materialen kan också arbeta vid mycket högre strömtätheter än fasta ämnen och under längre tidsperioder.
Den här historien var en del av vårt marsnummer 2013
- Se resten av frågan
- Prenumerera
Ambris medgrundare Donald Sadoway, professor i materialkemi vid MIT, tänkte på vätskemetallcellen som ett sätt att bygga ett nätbatteri som kunde lagra många timmars energi från sol- och vindkraft till mycket låg kostnad. Eftersom ett stationärt batteri avsett att lagra ström till nätet inte skulle behöva vara lätt som batterierna i våra bärbara datorer, bilar och ficklampor, var han fri att drastiskt avvika från kemin som driver dessa enheter. Resultatet är ett batteri som är tillverkat av rikliga, billiga material i en enkel produktionsprocess. Den kan säkert hantera stora strömmar och leverera kraft i snabba skurar eller under en längre period.
Om Ambri eller någon annan kan göra nätlagring billig och pålitlig, kommer det att förändra hur vi får el. Eftersom produktionen från vind- och solkraftsparker är intermittent, kan dessa förnybara källor ensamma inte på ett tillförlitligt sätt driva hela nätet, eller ens det mesta. Nätoperatörer måste säkerställa en jämn balans mellan den ström som förbrukas och den mängd som genereras. Systemet måste kunna möta efterfrågan som är hög, vilket vanligtvis inträffar när människor sätter på sin luftkonditionering under varma sommardagar. Det betyder att vind- och solkraftsparker vanligtvis backas upp med naturgasanläggningar som snabbt kan öka elförsörjningen.
Möjligheten att ta in lagrad kraft vid behov skulle innebära att vissa av dessa fossilbränslekraftverk skulle kunna stängas och nya inte behöva byggas. Men än så länge har vi inget bra allsidigt sätt att lagra energi till nätet. Idag tar 99 procent av nätlagringen formen av pumpad vattenkraft – vatten pumpas uppför till en reservoar och släpps ut för att vända en generator när energi behövs. Denna lågteknologiska metod är effektiv och den är billig på lång sikt, men den är begränsad till platser med berg och lättillgängligt vatten. Som ett resultat ger det mindre än 1 procent av kraftkapaciteten i USA en viss dag, enligt Mark Johnson, chef för nätlagringsprogrammet vid Department of Energys forskningsbyrå ARPA-E.
Dussintals företag utvecklar nya energilagringsenheter, inklusive olika typer av jättebatterier, stora snurrande cylindrar som kallas svänghjul och till och med tryckluftslagringstankar. Men än så länge är inget av dessa tillvägagångssätt tillräckligt billigt för att vara konkurrenskraftigt. Beroende på dess storlek kan en pumpad vattenkraftsanläggning leverera kraft i tiotals timmar till en kostnad av cirka 100 dollar per kilowattimme. Batterier på nätnivå kan kosta 10 gånger så mycket, vilket är anledningen till att det bara finns några hundra megawatt batterikraft på nätet – mindre än det belopp som ett kraftverk i full storlek bidrar med.
Ambri satsar på att genom att använda billiga material och en enkel batteridesign utan rörliga delar kan den leverera tillförlitlig bulkenergilagring för långt under $500 per kilowattimme. Det är fortfarande dyrare än pumpad vattenkraft, men eftersom batterier kan placeras nästan var som helst, tror Ambri att dess teknik kan vara det mest ekonomiska valet för många applikationer.
Ett mått är viktigare än något annat på nätet, säger Johnson. Det är kostnad, kostnad, kostnad.
Shot Glasögon
När Sadoway först övervägde nätlagring 2005, sökte han sig till aluminiumsmältverk för inspiration. Dessa enorma maskiner, som kan sträcka sig till mer än 200 000 kvadratfot, använder enorma mängder elektricitet för att utvinna aluminium från smält aluminiumoxid genom elektrolys. Sadoway, som är utbildad till metallurg, insåg att smältning kunde ge en mall för ett uppladdningsbart batteri som tål de nuvarande nivåerna som behövs för nätet. Jag tittade på det och sa, Wow, det ser ut som ett halvt batteri! Och det är stort, det är skalbart och det är billigt, säger han.
Efter att ha hittat på idén med flytande metallbatteri, sökte Sadoway efter de perfekta elektroderna: han valde magnesium och antimon eftersom de är billiga och separata naturligt när de är i flytande form, det lättare magnesiumet stiger till toppen. En vätske-saltelektrolyt vilar mellan magnesium- och antimonelektroderna och skapar en cell med tre lager.
När batteriet uppmanas att leverera ström till nätet avger magnesiumatomer från det översta lagret – anoden – elektroner. De resulterande magnesiumjonerna färdas genom elektrolyten och reagerar med antimonet, bildar en legering och expanderar cellens bottenskikt - katoden. När batteriet laddas, fungerar det som smältverket, frigör magnesiumet från dess legering och skickar det tillbaka genom elektrolyten för att återförenas med magnesiumelektroden. Det intensiva strömflödet genererar värmen som används för att hålla metallerna i smält tillstånd. (Ambri har gått över till billigare metallegeringar och en saltblandning, men kemin fungerar på samma sätt.)
2007, när Bradwell var student i Sadoways labb, använde han magnesium-antimonteknologin för att tillverka ett experimentellt batteri med ungefär samma diameter som ett snapsglas. År 2009 hade det attraherat nästan 11 miljoner dollar i forskningsfinansiering från ARPA-E och det franska oljebolaget Total. Nästa år skapade Sadoway och Bradwell ett företag som heter Liquid Metal Battery Corporation; de säkrade sedan startfinansiering från Bill Gates och Total.
Grundarna förväntade sig att det tekniska arbetet skulle ta längre tid än de fem till sju år som riskkapitalister vanligtvis är villiga att vänta innan de betalar ut, så till en början tog de inte pengar från sådana investerare som många andra clean-tech startups hade gjort. Till sommaren 2011 var det dock dags att bygga en produkt. Sadoway rekryterade en ny VD, Philip Giudice, som hjälpte till att säkra en investeringsrunda på 15 miljoner dollar ledd av Khosla Ventures. Företaget bytte namn till Ambri - baserat på namnet Cambridge, där tekniken uppfanns.
Åtminstone till en början vill Ambri undvika att arbeta med elbolag, säger Giudice, en före detta statlig energitjänsteman i Massachusetts: bolagen är konservativa och har lite ekonomiska incitament eller regulatoriskt tryck att prova ny teknik. Istället kommer det initialt att inriktas på militärbaser och andra anläggningar som är villiga att betala för reservkraft, såsom datacenter. Dessa applikationer är inte en stor marknad, men de kommer att hjälpa till att demonstrera och testa batteriet.
För att tillverka Ambris battericeller, försluts flytande metallelektroder och en flytande saltelektrolyt i en stålbehållare som denna.
Senare i år planerar företaget att tillverka en modul i kylskåpsstorlek genom att stapla hundratals celler i hockeypuckstorlek och koppla dem i serie. År 2014, förväntar sig forskarna, kommer 80 av dessa moduler att packas ihop i en kommersiell prototyp i full skala som kommer att generera 500 kilowatt och lagra två megawattimmar – tillräckligt för att driva 70 amerikanska hem under en hel dag.
Även efter att den prototypen är igång, säger Giudice, planerar Ambri fortfarande att undvika den komplexa, regeltunga världen av verktyg till förmån för oberoende kraftproducenter, företag som utvecklar och äger energiprojekt. I västra Texas, till exempel, finns det ofta ett överskott av vindenergi på natten, när efterfrågan och priset är som lägst. Batterilagring skulle låta en utvecklare av vindkraft tillhandahålla den kraften vid rusningstid och tjäna mer pengar. En annan attraktiv tidig marknad är i städer där batterier kan vara mer kostnadseffektiva än att lägga till nya kraftledningar för att möta toppefterfrågan på el, säger Giudice.
Om allt går som man hoppats kommer Ambri att kunna demonstrera sina batterier i flera installationer och visa verktyg att tekniken är lågrisk, säger Giudice. Vid den tidpunkten kan företaget vända sig till verktyg och statliga tillsynsmyndigheter som godkänner investeringar i nätutrustning. En fullt realiserad marknad för lagring av verktyg kan vara värd miljarder dollar om fem till tio år.
Pengarna
Genom att hålla upp en av de ursprungliga cellerna i shotglasstorlek bredvid de allt större – fyra tum, sex tum och den rejäla 16-tumscellen – visar Bradwell hur långt hans team har kommit. Men Ambris forskare står nu inför utmaningen att skala upp det flytande metallbatteriet till industriell storlek. Bland andra uppgifter ska de designa lufttäta tätningar på cellerna och skapa ett värmeledningssystem som ser till att värmen som avges vid laddning och urladdning räcker för att hålla komponenterna flytande. Gruppen bestämmer fortfarande den individuella storleken som kommer att minimera tillverkningskostnaden, men cellerna kommer att vara kvadratiska, mellan fyra och 16 tum per sida och cirka två tum höga.
Ambri har tillräckligt med pengar för att bygga sina första prototyper. Men att skala upp produktionen kommer att kräva mer kapital i en tid då finansieringsmiljön för cleantech-företag är långt ifrån gynnsam. Skrämda av dålig avkastning, en serie väl omtalade konkurser och kostnaden för att bygga tillverkningskapacitet har många riskkapitalister övergett clean tech och lämnat få finansieringsmöjligheter.
Finansieringshindren är särskilt höga eftersom startups för nätlagring tar sig an stora tekniska utmaningar i en bransch som knappt existerar. Riskkapitalister gillar att ta antingen teknik- eller affärsrisk. Vissa människor kan ta båda, men de flesta gör det inte, säger Bilal Zuberi, en investerare på General Catalyst Partners, som har investerat i en startup som utvecklar nätlagringsteknik baserad på tryckluft. I sin nästa omgång avser Ambri att gå efter investerare från kraftindustrin, i hopp om att företag som General Electric, ABB och Siemens kan tillhandahålla inte bara pengar utan också trovärdighet och expertis inom tillverkning och marknadsföring. Men även om Ambris konstruktion är felfri och företaget säkrar alla pengar det behöver, kommer det att möta samma hinder som så många andra alternativa energiföretag står inför: billig naturgas. Eftersom naturgas har blivit det föredragna bränslet för elproduktion i USA, har priset som all nätlagringsteknik måste uppfylla för att vara konkurrenskraftig sjunkit mycket lägre.
Den viktigaste faktorn till Ambris fördel kan i slutändan vara det knarrande tillståndet i själva nätet. De massiva avbrotten orsakade av orkanerna Sandy och Irene avslöjade smärtsamt hur sårbart kraftsystemet är, vilket fick politiker och allmänhet att kräva lösningar. Nätlagring kan lägga till välbehövlig motståndskraft och flexibilitet, ge reservkraft till byggnader och till och med samhällen samtidigt som nätoperatörerna kan jämna ut fluktuationer i strömförsörjningen. Några av de stora centraliserade kraftverk som nu måste underhållas för att säkerställa utbudet kan möta efterfrågan skulle inte längre behövas.
Att förverkliga denna vision om ett elsystem buffrat av hundratals stora batterier kommer att ta många år, och det kommer att innebära att status quo inom elkraftsindustrin hävs. Det är ingen lätt uppgift. Men Ambri tror att dess batteri erbjuder ett sätt att börja ta på sig det.