La migliore batteria di rete di Ambri

Una piccola startup chiamata Ambri vuole trasformare il nostro sistema energetico con enormi batterie a metallo liquido. Di

• Martin La Monica pagina di archivio

18 febbraio 2013

In piedi accanto al tavolo da ping-pong negli uffici della startup di batterie Ambri, il chief technology officer David Bradwell ha bisogno di entrambe le mani per raccogliere quello che spera sarà un mattone per un nuovo tipo di rete elettrica. Realizzato in acciaio spesso, è un contenitore a forma di grande tortiera rotonda, 16 pollici di diametro. Al suo interno ci sono due dischi di metallo e della polvere di sale; una piastra rotonda è stata saldata alla parte superiore per creare una cella di batteria da 100 libbre.

Mettendo insieme un certo numero di queste grandi celle, Ambri prevede di realizzare enormi batterie, grandi come container da 40 piedi. Non sono solo le loro dimensioni a renderle nuove: la chimica nella tecnologia di Ambri è diversa da qualsiasi altra attualmente utilizzata nelle batterie. Quando la cella viene riscaldata a circa 500 °C, i dischi e la polvere all'interno, rispettivamente gli elettrodi e l'elettrolita della batteria, si sciolgono. Il risultato è una batteria i cui componenti sono tutti liquidi. Le batterie ricaricabili convenzionali hanno elettrodi solidi che si degradano con l'uso, ma una batteria con solo parti liquide potrebbe durare per anni senza perdere gran parte della sua capacità di accumulo di energia. I materiali fusi possono anche funzionare a densità di corrente molto più elevate rispetto ai solidi e per periodi di tempo più lunghi.

Questa storia faceva parte del nostro numero di marzo 2013

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Il cofondatore di Ambri Donald Sadoway, professore di chimica dei materiali al MIT, ha concepito la cella a metallo liquido come un modo per costruire una batteria a griglia in grado di immagazzinare molte ore di energia da energia solare ed eolica a un costo molto basso. Poiché una batteria fissa destinata a immagazzinare energia per la rete non dovrebbe essere leggera come le batterie dei nostri laptop, automobili e torce elettriche, era libero di discostarsi drasticamente dalla chimica che alimenta quei dispositivi. Il risultato è una batteria realizzata con materiali abbondanti ed economici in un semplice processo di produzione. Può gestire in sicurezza grandi correnti e fornire potenza a raffiche veloci o per un periodo prolungato.

Se Ambri o chiunque altro può rendere lo stoccaggio in rete economico e affidabile, cambierà il modo in cui otteniamo l'elettricità. Poiché la produzione di parchi eolici e solari è intermittente, queste fonti rinnovabili da sole non possono alimentare in modo affidabile l'intera rete, o anche la maggior parte di essa. Gli operatori di rete devono garantire un equilibrio costante tra la potenza consumata e la quantità generata. Il sistema deve essere in grado di soddisfare i picchi di domanda, che in genere si verificano quando le persone accendono l'aria condizionata nelle calde giornate estive. Ciò significa che i parchi eolici e solari sono generalmente supportati da impianti a gas naturale che possono rapidamente aumentare la fornitura di elettricità.

La capacità di portare energia immagazzinata quando necessario significherebbe che alcune di quelle centrali elettriche a combustibili fossili potrebbero essere chiuse e non dovrebbero essere costruite nuove. Ma finora non abbiamo un buon modo per tutti gli usi per immagazzinare energia per la rete. Oggi, il 99% dello stoccaggio in rete assume la forma di pompaggio idroelettrico: l'acqua viene pompata in salita in un serbatoio e rilasciata per far funzionare un generatore quando è necessaria energia. Questo metodo a bassa tecnologia è efficiente ed è economico a lungo termine, ma è limitato a luoghi con montagne e acqua prontamente disponibile. Di conseguenza, fornisce meno dell'1% della capacità energetica negli Stati Uniti in un dato giorno, secondo Mark Johnson, direttore del programma di stoccaggio della rete presso l'agenzia di ricerca ARPA-E del Dipartimento dell'Energia.

Decine di aziende stanno sviluppando nuovi dispositivi di accumulo di energia, inclusi vari tipi di batterie giganti, grandi cilindri rotanti chiamati volani e persino serbatoi di stoccaggio dell'aria compressa. Ma finora nessuno di questi approcci è abbastanza economico da essere competitivo. A seconda delle sue dimensioni, un impianto di pompaggio idroelettrico può fornire energia per decine di ore al costo di circa $ 100 per chilowattora. Le batterie a livello di rete possono costare 10 volte tanto, motivo per cui ci sono solo poche centinaia di megawatt di potenza della batteria sulla rete, meno della quantità fornita da una centrale elettrica a grandezza naturale.

Ambri sta scommettendo che utilizzando materiali economici e un design semplice della batteria senza parti mobili, può fornire uno stoccaggio affidabile di energia sfusa per ben al di sotto di $ 500 per chilowattora. È ancora più costoso dell'idroelettrico, ma poiché le batterie possono essere posizionate quasi ovunque, Ambri pensa che la sua tecnologia possa essere la scelta più economica per molte applicazioni.

Una metrica conta più di ogni altra cosa sulla griglia, afferma Johnson. È costo, costo, costo.

Bicchieri da liquore

Quando Sadoway ha preso in considerazione per la prima volta lo stoccaggio in rete nel 2005, ha preso ispirazione dalle fonderie di alluminio. Queste enormi macchine, che possono estendersi fino a oltre 200.000 piedi quadrati, utilizzano enormi quantità di elettricità per estrarre l'alluminio dall'ossido di alluminio fuso attraverso l'elettrolisi. Sadoway, che ha una formazione come metallurgista, si è reso conto che la fusione potrebbe fornire un modello per una batteria ricaricabile che tollera i livelli di corrente necessari per la rete. L'ho guardato e ho detto, Wow, sembra metà di una batteria! Ed è grande, è scalabile ed è economico, dice.

Dopo aver avuto l'idea della batteria a metallo liquido, Sadoway ha cercato gli elettrodi perfetti: ha finito per scegliere magnesio e antimonio perché sono economici e si separano naturalmente quando sono in forma liquida, il magnesio più leggero sale verso l'alto. Un elettrolita di sale liquido si trova tra gli elettrodi di magnesio e antimonio, creando una cella a tre strati.

Quando la batteria è chiamata a fornire energia alla rete, gli atomi di magnesio dallo strato superiore, l'anodo, emettono elettroni. Gli ioni magnesio risultanti viaggiano attraverso l'elettrolita e reagiscono con l'antimonio, formando una lega ed espandendo lo strato inferiore della cella, il catodo. Quando la batteria è in carica, agisce come la fonderia, liberando il magnesio dalla sua lega e rimandandolo indietro attraverso l'elettrolita per ricongiungersi all'elettrodo di magnesio. L'intenso flusso di corrente genera il calore utilizzato per mantenere i metalli allo stato fuso. (Ambri è passato a leghe metalliche più economiche e una miscela di sale, ma la chimica funziona allo stesso modo.)

Nel 2007, quando Bradwell era uno studente nel laboratorio di Sadoway, ha usato la tecnologia magnesio-antimonio per realizzare una batteria sperimentale con circa il diametro di un bicchierino. Nel 2009 aveva attirato quasi 11 milioni di dollari in finanziamenti per la ricerca da ARPA-E e dalla compagnia petrolifera francese Total. L'anno successivo, Sadoway e Bradwell crearono una società chiamata Liquid Metal Battery Corporation; hanno quindi ottenuto finanziamenti iniziali da Bill Gates e Total.

I fondatori si aspettavano che il lavoro tecnico richiedesse più tempo dei cinque o sette anni che i venture capitalist sono generalmente disposti ad aspettare prima di incassare, quindi all'inizio non hanno preso soldi da tali investitori come avevano fatto molte altre startup di tecnologie pulite. Entro l'estate del 2011, tuttavia, era giunto il momento di costruire un prodotto. Sadoway ha reclutato un nuovo CEO, Philip Giudice, che ha contribuito a garantire un round di investimenti da $ 15 milioni guidato da Khosla Ventures. La società ha cambiato nome in Ambri, basato sul nome di Cambridge, dove è stata inventata la tecnologia.

Almeno all'inizio, Ambri vuole evitare di lavorare con i servizi elettrici, afferma Giudice, un ex funzionario statale dell'energia del Massachusetts: i servizi pubblici sono prudenti e hanno pochi incentivi finanziari o pressioni normative per provare nuove tecnologie. Invece, inizialmente prenderà di mira le basi militari e altre strutture disposte a pagare per l'energia di backup, come i data center. Queste applicazioni non sono un mercato enorme, ma aiuteranno a dimostrare e testare la batteria.

Per realizzare le celle della batteria di Ambri, gli elettrodi di metallo liquido e un elettrolita di sale liquido sono sigillati in un contenitore di acciaio come questo.

Entro la fine dell'anno, l'azienda prevede di realizzare un modulo delle dimensioni di un frigorifero impilando centinaia di celle delle dimensioni di un disco da hockey e collegandole in serie. Entro il 2014, i ricercatori prevedono che 80 di questi moduli saranno imballati insieme in un prototipo commerciale su larga scala che genererà 500 kilowatt e immagazzinerà due megawattora, sufficienti per alimentare 70 case statunitensi per un giorno intero.

Anche dopo che quel prototipo è stato installato e funzionante, dice Giudice, Ambri ha ancora intenzione di evitare il complesso mondo delle utilities regolamentato a favore di produttori indipendenti di energia, aziende che sviluppano e possiedono progetti energetici. Nel Texas occidentale, ad esempio, c'è spesso un surplus di energia eolica di notte, quando la domanda e il prezzo sono più bassi. L'accumulo di batterie consentirebbe a uno sviluppatore di energia eolica di fornire quella potenza nelle ore di punta e guadagnare di più. Un altro interessante mercato iniziale è nelle città in cui le batterie potrebbero essere più convenienti rispetto all'aggiunta di nuove linee elettriche per soddisfare la domanda di picco di elettricità, afferma Giudice.

Se tutto va come sperato, Ambri sarà in grado di dimostrare le sue batterie in più installazioni e mostrare alle utility che la tecnologia è a basso rischio, dice Giudice. A quel punto, l'azienda può rivolgersi alle utility e ai regolatori statali che approvano gli investimenti nelle apparecchiature di rete. Un mercato dello storage di utilità pienamente realizzato potrebbe valere miliardi di dollari in 5-10 anni.

I soldi

Tenendo in mano una delle celle originali delle dimensioni di un bicchierino accanto a quelle progressivamente più grandi - quattro pollici, sei pollici e la pesante cella da 16 pollici - Bradwell mostra fino a che punto è arrivata la sua squadra. Ma i ricercatori di Ambri ora affrontano la sfida di ridimensionare la batteria a metallo liquido fino a dimensioni industriali. Tra le altre attività, devono progettare guarnizioni a tenuta d'aria sulle celle e creare un sistema di gestione termica che assicuri che il calore sprigionato dalla carica e dallo scarico sia sufficiente per mantenere liquidi i componenti. Il gruppo sta ancora determinando la dimensione individuale che ridurrà al minimo il costo di fabbricazione, ma le celle saranno quadrate, tra quattro e 16 pollici per lato e alte circa due pollici.

Ambri ha abbastanza soldi per costruire i suoi primi prototipi. Ma aumentare la produzione richiederà più capitale in un momento in cui l'ambiente finanziario per le aziende clean-tech è tutt'altro che di buon auspicio. Spaventati da scarsi rendimenti, una serie di fallimenti ben pubblicizzati e le spese per la costruzione di capacità produttive, molti venture capitalist hanno abbandonato la tecnologia pulita, lasciando poche opzioni di finanziamento.

Gli ostacoli al finanziamento sono particolarmente elevati perché le startup di storage su rete stanno affrontando grandi sfide tecniche in un settore che esiste a malapena. I venture capitalist amano correre rischi tecnologici o commerciali. Alcune persone possono prendere entrambi, ma la maggior parte no, afferma Bilal Zuberi, un investitore di General Catalyst Partners, che ha investito in una startup che sviluppa una tecnologia di stoccaggio in rete basata sull'aria compressa. Nel suo prossimo round, Ambri intende perseguire gli investitori del settore energetico, sperando che aziende come General Electric, ABB e Siemens possano fornire non solo denaro, ma anche credibilità e competenza nella produzione e nel marketing. Ma anche se l'ingegneria di Ambri è impeccabile e l'azienda si assicura tutti i soldi di cui ha bisogno, dovrà affrontare lo stesso ostacolo che molte altre aziende di energia alternativa devono affrontare: il gas naturale a basso costo. Da quando il gas naturale è diventato il combustibile preferito per la produzione di energia negli Stati Uniti, il prezzo che qualsiasi tecnologia di stoccaggio in rete deve sostenere per essere competitiva è diminuito molto.

Il fattore più significativo a favore di Ambri potrebbe in definitiva essere lo stato scricchiolante della griglia stessa. Le massicce interruzioni causate dagli uragani Sandy e Irene hanno mostrato dolorosamente quanto sia vulnerabile il sistema energetico, portando i politici e il pubblico a chiedere soluzioni. Lo storage di rete potrebbe aggiungere la resilienza e la flessibilità tanto necessarie, fornendo energia di backup agli edifici e persino alle comunità, consentendo agli operatori di rete di appianare le fluttuazioni nell'alimentazione. Alcune delle grandi centrali elettriche centralizzate che ora devono essere mantenute per assicurarsi che l'offerta possa soddisfare la domanda non sarebbero più necessarie.

Realizzare questa visione di un sistema elettrico tamponato da centinaia di grandi batterie richiederà molti anni e significherà capovolgere lo status quo nel settore dell'energia elettrica. Non è un compito facile. Ma Ambri crede che la sua batteria offra un modo per iniziare ad affrontarlo.

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