Kategori : ENERJİ GÜNDEMİ - Tarih : 26 Aralık 2014
Transkript
Bu tiyatrodaki ışıkların kullandığı elektrik sadece birkaç dakika önce üretildi. Çünkü, günümüzün standartlarına göre, elektrik talebi ile elektrik arzı dengede olmak zorunda. Eğer ben bu sahneye çıkana kadar geçen sürede rüzgâr enerjisinden gelen onlarca megavat şebekeye akmayı durdursaydı, aradaki fark anında
diğer jenaratörlerce kapatılmak zorunda olacaktı. Ancak, kömür santralleri ve nükleer santraller yeterince hızlı cevap veremezler. Devasa bir pil (batarya) yapabilir. Devasa bir pil ile, rüzgâr ve güneş enerjisinin aralıklı olması yüzünden bugün kömür, gaz ve nükleerde olduğu gibi şebekeye katkı sağlamakta yetersiz kalması sorununa bir çözüm bulabilirdik.
Görüyorsunuz ki, pil burada bu olanağı sağlayan anahtar cihaz. Pil ile güneşten, parlamazken bile, elektrik çekebilirdik. Ve bu, her şeyi değiştirir. Çünkü bu sayede, rüzgâr ve güneş gibi yenilenebilir enerjiler yardımcı görevlerden sıyrılıp başrole geçecekler. Bugün size böyle bir cihazdan bahsetmek istiyorum. Sıvı metal pil (liquid metal battery) olarak adlandırılıyor. Bu, MIT’de öğrencilerim ve doktora sonrası öğrencilerinden oluşan ekibimle birlikte icat ettiğim yeni bir enerji depolama yöntemi.
Bu yılın TED Konferansı’nın konusu Tam Spektrum (Full Spectrum). Oxford İngilizce Sözlüğü (OED), spektrumu şöyle tanımlıyor, “Görünen ışığın yalnızca küçük bir kısmını oluşturduğu, en uzun radyo dalgalarından en kısa gama ışınlarına kadar, elektromagnetik radyasyonun tüm dalga boylarıdır.”. Bugün burada size sadece MIT’deki ekibimin dünyanın en büyük sorunlarından birine nasıl doğadan bir çözüm bulduğunu anlatmayacağım. Tam kapsamlı olmak istiyorum ve size bu yeni teknolojinin geliştirme sürecinde, inovasyon için ders olarak hizmet edebilecek şaşırtıcı aykırıkları, yaymaya değer fikirleri nasıl ortaya çıkardığımızı anlatmak istiyorum. Ve biliyorsunuz ki, eğer bu ülkeyi mevcut enerji darboğazından çıkaracaksak, sadece yolumuzu koruyamayız, sadece yolumuzu açamayız ve yolumuzu patlatamayız da. Bunu eski stil Amerikan yöntemiyle yapacağız, yolumuzu icat edeceğiz, birlikte çalışarak.
Hadi başlayalım. Batarya (pil), 200 yıl önce Alessandro Volta isimli bir profesör tarafından İtalya’da Padua Üniversitesi’nde icat edildi. Bu icat yeni bir bilim doğurdu, elektrokimya ve yeni teknolojilere hayat verdi, elektro kaplama gibi. Muhtemelen küçümsendi ama, Volta’nın bataryayı icat etmesi ayrıca ilk defa bir profesörün yararını da gösterdi. Volta’ya kadar hiç kimse bir profesörün bir işe yarayacağını hayal bile edemezdi. İşte ilk batarya- çinko ve gümüşten bir yığın bozuk para, tuzlu suya batırılan mukavva ile ayrılmış. Bu, bir batarya tasarımı için başlangıç noktasıdır- iki elektrot, bu örnek için farklı kompozisyonlara sahip metaller ve bir elektrolit, bu örnek için suda çözülmüş tuz. Teknik bu kadar basit. Kabul ediyorum ki, bazı detayları atladım.
Şimdi size batarya biliminin basitliğini ve şebeke seviyesi depolamanın zorluğunu göstermiş oldum. Ama gerçek şu ki, günümüzde şebekenin yüksek performans gerekliliklerini karşılayabilecek bir batarya teknolojisi yok- yani, olağan dışı yüksek güç, uzun kullanım ömrü ve çok düşük maliyet. Bu problem üzerinde farklı şekilde düşünmeliyiz. Büyük düşünmeliyiz, ucuz düşünmeliyiz. Bu yüzden, havalı kimya araştırmaları ardından bir sürü ürün çıkararak maliyet eğrisini yakalayabileceğimizi umut etme görüşünden vazgeçelim. Yerine, elektrik borsasının hedef fiyatına uygun ürünler icat edelim. Bunun anlamı, periyodik tablonun belli bölümlerinin kesinlikle limitlerimizin dışında olduğudur. Bu batarya, dünyada bolca bulunan elementlerden yapılmalı. Ben derim ki, eğer bir şeyi bedava yapmak istiyorsanız, topraktan yapın- tercihen yerel olarak elde edilen topraktan. Ve bu şeyi basit üretim teknikleri ile bir servete mal olmayacak fabrikalarda üretebilmeliyiz. Aşağı yukarı altı yıl önce, bu problem üzerine düşünmeye başladım. Ve yeni bir bakış açısı benimsemek için, elektrik depolama alanının ötesinde bir ilham aradım. Aslında, ne elektrik depolayan, ne de elektrik üreten bir teknolojiye, bunun yerine çok yüksek miktarlarda elektrik tüketen bir teknolojiye baktım. Alüminyum üretiminden bahsediyorum. Süreç 1886’da 22 yaşında iki kişi tarafından icat edildi, Birleşik Devletler’den Hall ve Fransa’dan Heroult. Ve keşiflerinden sadece birkaç yıl sonra, alüminyum gümüş kadar pahalı bir metalden bir genel yapı malzemesine dönüştü. Modern bir alüminyum dökümhanesinin hücre evine bakıyorsunuz. Yaklaşık 50 fit genişliğinde, ve yarım mile kadar uzanıyor, içinde Volta’nın bataryasını andıran, sıra sıra dizilmiş hücreler var, ancak üç temel farkla. Volta’nın bataryası oda sıcaklığında çalışır. Katı elektrotlar ile su ve tuzdan oluşan bir elektrolit yerleştirilmiştir. Hall-Heroult hücresi yüksek sıcaklıklarda çalışır, alüminyum metalini sıvı tutacak kadar yüksek bir sıcaklıkta. Elektrolit ise su ve tuz çözeltisi değil, ergimiş tuzdur. Bu şeyden yüksek akım geçirmemize izin veren, sıvı metal, ergimiş tuz ve yüksek sıcaklık birleşimidir. Günümüzde, cevherden saf metali libresi 50 sentten daha ucuza üretebiliyoruz. Bu, modern elektrometalürjinin ekonomik mucizesidir.
Benim dikkatimi çeken ve bende böylesi bir devasa ölçek ekonomisini yakalayabilecek bir batarya icat etme takıntısı yaratan işte budur. Ve yaptım da. Bataryayı tamamen sıvı yaptım, her iki elektrot için sıvı metaller ve elektrolit için ergimiş tuz. Size nasıl yapıldığını göstereceğim. Üste düşük yoğunluklu sıvı metali koydum, alta yüksek yoğunluklu metali ve araya ergimiş tuzu koydum. Şimdi, metaller nasıl seçilmeli? Benim için, tasarım egzersizi her zaman burada, diğer bir profesör Dimitri Mendeleyev’in oluşturduğu periyodik tablo ile başlar. Bildiğimiz her şey, burada gösterilenlerin bir kombinasyonundan oluşur. Ve buna kendi bedenlerimiz de dâhil. Bir gün, bolca bulunabilirlik, farklılık, zıt yoğunluk ve ortak yüksek reaktivite kısıtlarını karşılayacak bir metal çifti aradığım o anı hatırlıyorum. Cevabı bulduğumu fark ettiğimde, gerçekleştirmenin heyecanını hissettim. Üst tabaka için magnezyum. Alt tabaka için antimon Bilirsiniz, size söylemeliyim, profesör olmanın en büyük getirilerinden biri: Renkli tebeşir. (Kahkaha) Akım üretebilmek için magnezyum iki elektron kaybederek magnezyum iyonu oluşturur, bu iyon elektrolit boyunca ilerler, antimondan iki elektron kabul eder ve bir alaşım oluşturmak üzere onunla karışır. Elektronlar dışarıdaki gerçek dünyaya giderler, cihazlarımızı çalıştırırlar. Bataryayı şarj etmek için bir elektrik kaynağı bağlarız. Rüzgâr tarlası gibi bir şey olabilir. Ve sonra akımı tersine çeviririz. Bu magnezyumu alaşımdan çıkmaya zorlar ve magnezyumu üst elektrota geri göndererek bataryanın ilk hâline dönmesini sağlar. Ve elektrotlar arasından geçen akım yeterli ısı üreterek bataryayı uygun sıcaklıkta tutar. Bu oldukça güzel, en azından teoride. Ama gerçekten çalışıyor mu? Peki bundan sonra ne yapılmalı? Laboratuvara gidelim. Deneyimli profesyonelleri mi işe alsam? Hayır, bir öğrenci işe alıp ona rehberlik yaparım, ona problem üzerinde nasıl düşüneceğini, benim bakış açımdan nasıl bakacağını öğretirim ve onu serbest bırakırım. Bu, o öğrenci David Bradwell, resimde bunun çalışıp çalışmayacağını merak eder gibi görünüyor. O zaman David’e söylemediğim şey, kendimin bile bunun çalışacağına ikna olmamış olmamdı. Ama, David genç, zeki ve doktora derecesi istiyor, bu sebeple yapmaya girişti.
Bu kimyaya sahip olarak üretilen ilk sıvı metal bataryayı yapmaya başladı. Ve David’in, MIT’den çekirdek sermayeyle fonlanan ve gelecek vaat eden ilk sonuçları sayesinde, özel sektörden ve federal hükümetten büyük yatırımlar çekmeyi başardım. Ve bu ekibimi, yüksek lisans öğrencileri, doktora sonrası araştırmacılar ve hatta bazı lisans öğrencilerinden oluşan 20 kişilik bir ekip olarak genişletmeme olanak sağladı. Gerçekten iyi, çok iyi insanları gruba çekebildim, bilim ve topluma hizmet için tutkumu paylaşan insanlar, kariyer yapmak için bilim ve hizmet değil. Eğer bu insanlara neden sıvı metal bataryalar üzerine çalıştıklarını sorarsanız, cevapları Başkan Kennedy’nin 1962’de Rice Üniversitesi’nde söylediklerini hatırlatacaktır. Müsaadenizle şöyle söylemek istiyorum- “Şebeke seviyesi depolama konusunda çalışmayı tercih ettik, kolay olduğu için değil, zor olduğu için.”
Bu, sıvı metal bataryanın evrim sürecidir. Saatte bir vat üreten vefakâr hücremizle işe koyulduk. Ben onu fondip kadehi (shotglass) olarak adlandırdım. Bunlardan 400 taneden fazlasını çalıştırdık, performanslarını mükemmelleştirmek için farklı bileşimler denedik, sadece magnezyum ve antimonu değil. Çalışmalar sırasında 20 vat-saatlık hücre büyüklüğüne ulaştık. Bunu hokey diski (hockey puck) olarak isimlendirdim. Ve aynı dikkat çekici sonuçlara ulaştık. Ve sonrasında sıra çay tabağına (saucer) geldi. 200 vat-saat olan. Teknoloji, kendini stabil ve ölçeklenebilir olduğuna dair kanıtlıyordu. Ama bu tempo bizim için yeterli değildi. Bu yüzden bir buçuk yıl önce, David, ben, ve bir diğer araştırma görevlisi ile birlikte ilerlemeyi hızlandırmak ve bir an önce ürün çıkarabilmek için bir şirket kurduk. Bugün LMBC’de 16 inç çapa sahip, bir kilovat-saat kapasiteli, yani başlangıçtaki fondip kadehi hücresinin 1000 katı kapasiteye sahip olan hücreler üretiyoruz. Bunu pizza olarak adlandırdık. Ufukta dört kilovat-saat kapasiteli bir hücre var. 36 inç çapında olacak. Bunu bistro masası (bistro table) diye isimlendirdik, ama henüz görücüye çıkmaya hazır değil. Teknolojinin bir varyasyonu, bu bistro masalarını modüller halinde istiflememize ve modülleri sahada yerleştirmek üzere 40 fitlik nakliye konteynırlara sığan devasa bir batarya olarak biraraya getirmemize olanak veriyor. Ve bu, iki megavat-saat nominal kapasiteye sahip- iki milyon vat-saat. Bu miktarda enerji 200 Amerikan hanesinin günlük elektrik ihtiyacını karşılamak için yeterli. İşte artık şebeke seviyesi depolamaya sahipsiniz: Sessiz, emisyonsuz, hareketli parçaları yok, uzaktan kontrollü, sübvansiyon olmaksızın pazar fiyatlarına göre tasarlandı. Evet, şimdi bütün bunlardan ne öğrendik?
Evet, şimdi bütün bunlardan ne öğrendik? Sizinle bazı sürprizleri ve olağan dışı durumları paylaşmama izin verin. Görünenin ardındakileri. Sıcaklık: Geleneksel bilim düşük sıcaklık öneriyor, oda sıcaklığını veya yakınlarını ve sıcaklığı korumak için bir kontrol sistemi kurmayı. Isıl kaçaklarını engelle. Sıvı metal batarya yüksek sıcaklıklarda çalışmak üzere tasarlandı, en az ayarlama ile. Bizim bataryamız akım dalgalanmalarından kaynaklanan çok yüksek sıcaklıklarla baş edebilir. Ölçeklendirme: Geleneksel akıl der ki; çok üreterek maliyeti düşür. Sıvı metal bataryalar az üretilerek maliyeti düşürmek üzere tasarlandı, ama daha büyük olacaklar. Ve son olarak, insan kaynakları: Geleneksel akıl der ki; batarya uzmanlarını işe al, deneyimli profesyonelleri, geniş tecrübeleri ve bilgilerinden faydalanabilecek insanları. Sıvı metal bataryayı geliştirmek için öğrencileri ve doktora sonrası araştırmacıları işe aldım ve onlara danışmanlık yaptım. Bir bataryada, elektriksel potansiyeli maksimize etmek için didindim; danışmanlık yaparken, insan potansiyelini maksimize etmek için didindim. Görüyorsunuz ki, sıvı metal bataryanın hikâyesi bir teknoloji icat etmekten daha fazlası, bu bir mucit yetiştirme planı, tam spektrum.
Kaynak: Enerji Enstitüsü
