Установка чугунного радиатора: группировка, гидравлические испытания, монтаж | 5energy
Радиатор — один из самых важных элементов отопительной системы дома. Несмотря на все свое разнообразие, чугунные батареи идут наравне с биметаллическими, стальными и алюминиевыми радиаторами (подробнее о видах радиаторов читайте в блоге). Хотя чугунные батареи и имеют значительно больший вес, эстетически менее привлекательные, требуют для нормальной работы большое количество теплопроводника, эффективность радиатора ничуть не меньше своих ближайших конкурентов.
В этой статье речь пойдет о том, как дать вторую жизнь старым чугунным радиаторам.
Ключевые преимущества чугунных батарей
Несмотря на свою старовизну, чугунные батареи используют достаточно часто. В отличие от более новых радиаторов, чугунная батарея не привередлива к теплопроводнику.
Более современные типы радиаторов несмотря на все свои преимущества, не отличаются долговечностью. Подверженность коррозии, более высокая вероятность разрыва и снижение теплоэффективности.
Чугунные радиаторы лишены всех этих недостатков.
Найти на рынке новые чугунные батареи достаточно сложно. Как правило, их используют по второму кругу, покупая в состоянии б/у и т.д. Если для вас качество и эффективность важнее эстетики, то данный вид радиаторов подойдет для вас как никогда лучше.
Группирование секций
Для группировки секций необходимо установить радиатор на специальный верстак, в ниппельные открытия вставить два ключа для радиатора. Радиаторный ключ с одной стороны имеет специальную отвертку, ширина которой позволяет свободно проходить в ниппельное отверстие, с другой стороны — ушко для ручки.
Секции радиатора устанавливаются одновременно, по этому группировать должно два человека одновременно, что бы избежать возникновение перекосов. Верхняя и нижняя резьба как правило имеет два разных направления (они противоположные).
Между секциями в местах стыка устанавливается специальная прокладка, а также смазываются олифой, во избежание возникновения течи.
Гидравлические испытания радиатора
После группировки, радиатор нужно испытать на предмет наличия протеканий и т.д. Для этого используется специальный стенд. В систему заливается вода, после чего аппарат создает давление порядка 4 — 8 кгс/см. кв. Если радиатор имеет какие-то слабые стороны — он обязательно это проявит на стенде. В случае обнаружения неисправной секции поджимаются крепления или заменяется секция в случае наличия пробоин.
Грунтовка и покраска
Перед установкой, необходимо позаботиться о покрытии радиатора. Старое покрытие необходимо удалить, сверху нанести слой грунтовки и краски. Сложная форму утяжеляет процесс грунтовки и покраски. Для покраски используются специальные кисточки для радиаторов, с продолговатой ручкой. Купить такую можно в любом строительном магазине.
Что касается краски, она должна быть устойчива до высоких температур. В магазинах продаются специальные составы, которые сделаны специально для радиаторов. Подробнее о том, как покрасить радиатор своими руками читайте в статье по вышеуказанной ссылке.
Установка чугунного радиатора
Устанавливают батарею как правило под окном. Секции должны находиться вертикально, и никак иначе.
Для радиатора необходимо сделать 4 специальных крепления (как правило, используют простые крепежи в виде крюков), на которые он и будет установлен. Кронштейны должны быть рассчитаны на вес порядка 100 кг и более. Помните, теплоноситель значительно увеличивает вес конструкции.
При установке, расстояние до пола должно быть не менее 6 сантиметров, до подоконника — не мене 4 см. На стенку, за радиатором, рекомендуется установить специальный тепловой экран, который будет отражать тепло, тем самым направив его на отопление помещения, а не стенки. Трубы необходимо крепить после того, как радиатор установлен на кронштейны.
Пожары аккумуляторов: промышленность и исследования должны работать
Согласно новому обзорному документу, опубликованному в Journal of The Electrochemical Society , лидеры отрасли считают, что стандарты безопасности аккумуляторов не отражают реальных сценариев, которые могут вызвать пожары, и поэтому не достаточно прочный, чтобы предотвратить, обнаружить и подавить возгорание батареи.
Авторы утверждают, что лучшее согласование исследований и промышленности может устранить этот пробел и помочь снизить вероятность и ущерб от возгораний аккумуляторов.
Литий-ионные аккумуляторы питают наши смартфоны, ноутбуки и многие перезаряжаемые гаджеты. Они также являются ключевой технологией для обезуглероженной устойчивой энергетики и используются в электромобилях и интеллектуальных сетях.
Однако многие типы литий-ионных аккумуляторов склонны к воспламенению или выделению газов. Хотя по статистике пожары от аккумуляторов встречаются редко, они могут распространяться быстрее и длиться дольше, чем другие пожары, выделять больше токсичных химических веществ и их труднее тушить.
Исследователи Imperial говорят, что они обеспокоены тем, что самые насущные проблемы безопасности, с которыми сталкиваются производители аккумуляторов, не решаются в ходе проводимых в настоящее время научных исследований, и что несколько элементов безопасности, которые можно добавить к батареям, не рассматриваются из-за отсутствия интеграция между промышленностью и исследованиями.
Старший автор, доктор Грег Оффер из Департамента машиностроения Imperial, сказал: «Популярность этих батарей стремительно растет, и промышленность и ученые, естественно, разделяют общую цель — производить более безопасные батареи. Однако различие между их подходами означает, что промышленность и исследования еще недостаточно выровнены, чтобы батареи были максимально безопасными». Различные подходы
В своем обзоре исследователи собрали мнения широкого круга компаний-производителей аккумуляторов о проблемах пожарной безопасности, с которыми они сталкиваются, проанализировали и сравнили их с главным вкладом в эту область из научной литературы.
Они обнаружили, что компании, занимающиеся производством аккумуляторов, в основном озабочены безопасностью аккумуляторов и необходимостью улучшения стандартов и правил. Несмотря на то, что существует несколько признанных международных стандартов для многих отраслей литий-ионных аккумуляторов, основная общая проблема заключается в том, что доступные стандарты не всегда отражают реальные сценарии.
Например, правила требуют, чтобы электромобили испытывали в условиях, вытекающих из правил для двигателей внутреннего сгорания, и, следовательно, не являются репрезентативными для электромобилей, использующих только электричество.
Кроме того, большинство текущих научных исследований сосредоточено на предотвращении пожаров, и авторы утверждают, что недостаточно исследований, посвященных их обнаружению и тушению.
Они также обнаружили, что в то время как промышленность, как правило, сосредотачивается на конкретных вопросах в более крупных масштабах, таких как общие аккумуляторные системы, исследования, как правило, сосредотачиваются на фундаментальном понимании вопросов меньшего масштаба, например, о более мелких компонентах и элементах.
Совместный первый автор Сюаньцзе Хе из Департамента машиностроения Imperial сказал: «Это проблематично, потому что уроки лабораторных исследований небольших компонентов не могут быть напрямую перенесены на большие системы в реальных ситуациях.
Закрытие пробела
Исследователи предлагают производителям уделять больше внимания тому, как дефекты аккумуляторов и несчастные случаи могут привести к пожару, а также роли токсичности газа, раннего обнаружения, новых систем пожаротушения и безопасной утилизации аккумуляторов.
Совместный первый автор Лаура Браво, также из Департамента машиностроения Imperial, сказала: «Возможно, включение большего количества реальных исследований, подобных этому, в отраслевые стандарты поможет сократить разрыв между воображаемыми и реальными сценариями пожарной безопасности».
В анализе содержится несколько рекомендаций, которые могут повысить безопасность аккумуляторов: во-первых, производители аккумуляторов должны использовать более комплексные стратегии противопожарной защиты, которые объединяют больше уровней безопасности, и, во-вторых, что более тесное сотрудничество между аккумуляторами и сообществами, занимающимися исследованиями в области пожарной безопасности, может способствовать улучшениям, интеграции и гармонизации пожарной безопасности по отраслям.
Старший автор, профессор Гильермо Рейн с факультета машиностроения, сказал: «Литий-ионные батареи никуда не денутся, поэтому каждый выиграет, когда их безопасность повысится. вопросы безопасности литий-ионных аккумуляторов».
###
Журнал
Журнал Электрохимического общества
DOI
10.1149/1945-7111/aba8b9
90 002 Отказ от ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за достоверность новостных сообщений, размещенных на EurekAlert! содействующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.История изобретения, которое может произвести революцию в производстве батарей и, возможно, в американском производстве
Мир требует супербатареи.
Примерно с 2010 года критическая масса национальных лидеров, политиков, ученых, предпринимателей, мыслителей и писателей почти потребовала трансформации скромного литий-ионного элемента.
По их словам, только батареи, которые могут хранить гораздо больше энергии по более низкой цене, позволят создавать доступные электромобили, более дешевое и широкодоступное электричество, а также сократить выбросы парниковых газов. В процессе будет создано множество газиллионеров.
Но они были раздосадованы. Мало того, что никто не создал супербатарею; большое количество исследователей потеряли веру в свои способности сделать это — возможно, когда-либо. Предприниматели, такие как Илон Маск из Tesla, продолжают возиться с готовыми батареями для роскошных электромобилей и домашних систем хранения энергии, но промышленники, похоже, в целом сомневаются, что их стоимость упадет настолько, чтобы привлечь массовый рынок в ближайшее время. Все чаще они приходят к выводу, что первенство ископаемого топлива сохранится на десятилетия вперед и, возможно, в следующее столетие.
Здесь в игру вступает Йет-Мин Чан. Жилистый, тайваньско-американский профессор материаловедения в Массачусетском технологическом институте (MIT), Чан наиболее известен тем, что основал A123, компанию по производству литий-ионных аккумуляторов, которая провела крупнейшее IPO 2009 года.
В конце концов компания подала заявление о банкротстве в 2012 и продавать себя по частям по бросовым ценам японским и китайским конкурентам. Однако сам Чан остался незапятнанным.
В 2010 году, получив 12,5 миллионов долларов от бостонских венчурных фирм и федеральных фондов, Чан основал еще одну компанию. Опять же, дело было в батареях. И сегодня, после пяти лет в «режиме скрытности», он выходит на биржу. Возможно, есть способ произвести революцию в батареях, говорит он, но сейчас это не в лаборатории. Вместо этого он находится на заводе. Изобретательное производство, а не изобретательный скачок в химии аккумуляторов, может открыть новую эру электричества.
Когда примерно через два года начнутся коммерческие продажи, по словам Чанга, его компания снизит стоимость завода по производству аккумуляторов начального уровня в 10 раз, а также снизит цену самих аккумуляторов примерно на 30%.
Это благодаря новому производственному процессу и новой мощной ячейке, которая увеличивает энергию и снижает затраты. Вместе, по его словам, они позволят литий-ионным батареям начать конкурировать с ископаемым топливом.
Но концепция Чана — это нечто большее, чем просто более дешевая и экологичная энергия. Это модель нового типа инноваций, которая фокусируется не на новых научных изобретениях, а на новых способах производства. Для таких стран, как США, которые потеряли промышленность в Азии, это открывает возможность заново изобрести технологии производства . Те, кто пойдет по этому пути, могут владеть этой интеллектуальной собственностью — и, таким образом, следующим производственным будущим.
Это история о том, как это произошло.
Аккумуляторы 24M. Изображение: Киран Кеснер для Quartz.
Производство — новый рубеж инноваций
Традиционно большие инновации происходили на лабораторном столе. Открытие сделано и запатентовано, а затем передано коммерческому игроку, который масштабирует его.
Если повезет, получится продукт-блокбастер.
Но, согласно отчету, опубликованному в феврале Институтом Брукингса, исследователи все более скептически относятся к разграничению между инновациями и производством. Прорывные изобретения, говорят они, происходят не только в лаборатории, но и на фабриках.
Это не новая идея. До 1856 года, например, сталь была сверхдорогим нишевым продуктом. Он был намного прочнее железа, но никто не знал, как сделать его экономичным. Его использование было ограничено специальными ручными инструментами и столовыми приборами для богатых. Но затем британский изобретатель Генри Бессемер, возбужденный жалобами французов на хрупкость чугунных пушек, разработал процесс, который снизил стоимость стали более чем на 80%, что примерно эквивалентно стоимости железа. Сталь — наряду с нефтью — продолжала продвигать последнюю часть промышленной революции, наряду с гигантским экономическим бумом 20-го века.
Если бы Бессемер совершил свой прорыв сегодня, его назвали бы «передовым производством» — ярлык, который широко применялся к методам производства следующего поколения, таким как 3D-печать, модульное строительство небоскребов и робототехника.
Вокруг этого термина существует некоторая шумиха: в отчете Brookings 50 отраслей только в США определены как «передовые», а исторические фабричные центры, такие как английский город Шеффилд, переименовывают себя в варианты «передового производственного кластера».
Тем не менее, предприниматели, которые разрабатывают действительно новые производственные процессы, могут пользоваться преимуществом патента и опережать толпу. В то время как другие неизбежно копируют их, это будет гонка, чтобы наверстать упущенное. В той мере, в какой такое аутентичное передовое производство продвигается вперед и может дать США шанс восстановить свое мастерство в качестве производственного центра, его частично возглавляют несколько компаний, использующих экологически чистую энергию, таких как Yet-Ming Chiang.
Йет-Минг Чанг, основатель компании 24M. Изображение: Киран Кеснер для Quartz
Рождение идеи
В 57 лет у Чанга короткие черные волосы с проседью, и он почти всегда носит синие клетчатые рубашки с длинными рукавами.
Он говорит мягким, ровным голосом и склонен заканчивать предложения обезоруживающей ухмылкой с открытым ртом.
Но несмотря на свою непритязательность, Чан еще и очень целеустремленный. Его научно-ориентированное деловое чутье принесло инвесторам десятки миллионов долларов. Он и его семья живут на ферме на богатой окраине Бостона, где он разводит пчел и кур, а поблизости охотится и ловит рыбу.
Чан родился на Тайване, где его отец, машинист локомотива, сумел скопить достаточно денег, чтобы начать работу в Соединенных Штатах. Когда мальчику было 6 лет, он оказался в Бруклине, живя со своей семьей в квартире с, как он считал, поразительно высокими потолками. Когда пришло время поступать в колледж, Чанг был принят в Массачусетский технологический институт и больше оттуда не уходил. Его жена Джери, американка японского происхождения с Гавайев, также имеет степень Массачусетского технологического института, как и его старшая сестра и ее муж.
Стоимость завода по производству аккумуляторов начального уровня составляет более 100 миллионов долларов.
Подобно Стэнфордскому университету сейчас и Копенгагенскому университету в 1920-х годах, Массачусетский технологический институт представляет собой пасть ученых-знаменитостей и ученых-знаменитостей. . Вы должны продолжать пытаться проявить себя». Чан использовал свое собственное место в Массачусетском технологическом институте для запуска четырех стартапов, финансируемых за счет венчурного капитала, включая его последнюю компанию по производству аккумуляторов под названием 24M.
Производители держатся в секрете, но аналитики говорят, что литий-ионный аккумулятор стоит в среднем около 500 долларов за киловатт-час, что является мерой энергии, которую может хранить аккумулятор. Это в четыре раза больше, чем необходимо для прямой конкуренции с бензином. Только около 30% от этих 500 долларов приходится на стоимость материалов. Большая часть, 40%, идет на производство.
Заводы по производству аккумуляторов обычно представляют собой пещерообразные здания размером с авиационный ангар.
Они содержат конвейерные машины длиной в десятки ярдов, часто поставленные друг на друга. Стоимость завода начального уровня составляет более 100 миллионов долларов. В Мидленде, штат Мичиган, XALT управляет одним из самых эффективных и современных заводов по производству литий-ионных аккумуляторов в США. Но, построенный на федеральные и государственные гранты и кредиты в размере 300 миллионов долларов, он также разрастается — чуть менее четверти его объекта площадью 400 000 квадратных футов (37 000 квадратных метров) отведено под оборудование, пространство размером с шесть футбольных полей. . Tesla приступила к строительству основного завода по производству аккумуляторов — литий-ионного завода стоимостью 5 миллиардов долларов в Неваде.
Такие расходы делают не только батареи дорогими. Они также подавляют инновации. Кто, даже с многообещающей новой идеей по улучшению химии аккумуляторов, может построить или одолжить завод стоимостью 100 миллионов долларов, чтобы опробовать его?
Цель Чанга — снизить производственные затраты ниже 100 долларов за киловатт-час.
Это позволило бы строить заводы-стартапы с гораздо меньшими затратами на внедрение инноваций. И это также создало бы настоящую конкуренцию бензину.
Кассета — невероятное происхождение того, как делаются батареи. Изображение: AP Photo
Неуклюжее наследие аккумуляторов
Причина, по которой фабрики по производству аккумуляторов такие огромные, и почему бизнес-модель Чана кажется обоснованной, восходит к случайному событию, связанному с рождением литий-иона.
Рост литий-ионной химии в начале 1990-х годов во многом обязан пику и медленному упадку двух крупных потребительских технологий — магнитной аудиоленты и никель-кадмиевых батарей. Эти двое столкнулись в Camcorder, выходе Sony на зарождающийся рынок легких видеокамер.
«Нас отвлекла историческая случайность и нежелание переключаться на что-то, что работает (лучше)», — все же-Минг Чан В Sony поняли, что если видеокамеры должны были взлететь, им нужно уменьшить обе — до более или менее удобно помещается в руке потребителя и дольше работает без подзарядки.
Единственный способ добиться этого — найти гораздо более мощную батарею меньшего размера.
Результатом стал первый литий-ионный элемент, который Sony выпустила на рынок в 1991 году. Два года спустя последовала 8-мм видеокамера TR1, первая видеокамера с литий-ионным приводом. Оба продукта были коммерческими блокбастерами Sony и вызвали яростную конкуренцию.
Но Sony также нужно было быстро понять, как производить этот новый тип батареи в промышленных масштабах. Провиденс вмешался: так случилось, что все более популярные компакт-диски начали разрушать рынок кассетных лент, основным производителем которых также была Sony. Ленты были изготовлены на длинных производственных линиях, которые покрывали пленку магнитной суспензией, сушили ее, разрезали на длинные полосы и скручивали. Оглядевшись вокруг компании, менеджеры Sony по литий-ионным технологиям заметили, что большая часть этого оборудования и его техники простаивают без дела.
Оказалось, что это же оборудование можно использовать и для производства литий-ионных аккумуляторов.
Их также можно изготовить, нанеся суспензию на пленку, затем высушив и разрезав ее. В этом случае получается не магнитная лента, а аккумуляторные электроды.
Это оборудование и эти специалисты стали основой первого в мире завода по производству литий-ионных аккумуляторов и образцом того, как они производятся с тех пор. Сегодня заводы, работающие по одинаковым принципам, производят все коммерческие литий-ионные аккумуляторы на планете.
Для Sony бездействующие магнитофоны были удачей. Но Чан считал их неуклюжим наследием. Машины были большими, а их процесс был медленным и дорогим. Они были основной причиной того, что батареи не могли конкурировать с бензином. Пришло время исправить эту ошибку и придумать новый способ изготовления батареи. «Нас отвлекла историческая случайность и нежелание переключаться на что-то, что работает (лучше)», — сказал Чан.
Сотрудник 24М проверяет конвейер производства аккумуляторов. Киран Кеснер для Quartz.Image: Киран Кеснер для Quartz.
Плыть по течению
Сначала Чан решил, что лучшим решением будет загадочная и эксцентричная технология, известная как «батарея потока». Его интерес приводил в замешательство многих людей, с которыми он разговаривал.
Аккумулятор внешне довольно прост. По сути, он состоит из двух электродов, являющихся источником электрического заряда, погруженных в электролит, через который протекает заряд. В обычной литий-ионной батарее электроды представляют собой твердые тела, и все они хранятся в одной ячейке или упаковке.
Схема проточной окислительно-восстановительной батареи. Изображение: Benboy00 через Wikimedia Commons/CC 3.0
Проточная батарея, напротив, состоит из химических веществ, взвешенных в жидкости. Эта жидкость содержится в двух отдельных резервуарах, из которых они перекачиваются через ячейку. Там они встречаются, разделенные перепонкой. Их перекачка генерирует ток, который течет между ними через мембрану.
Чтобы увеличить емкость батареи, вам нужно либо повысить плотность ее энергии, либо увеличить ее.
Для литий-ионных аккумуляторов увеличение плотности энергии — путем изменения химического состава аккумулятора или поиска нового типа — это святой Грааль, который ученые уже отчаялись найти. Сделать их больше легко; Tesla сделала именно это для своих автомобилей. Но они быстро дорожают, потому что требуют больше дорогостоящих металлов, таких как никель и кобальт, которые входят в состав электродов литий-ионных элементов.
В отличие от этого, чтобы увеличить проточную батарею, нужно всего лишь установить более крупные резервуары для хранения с большим количеством жидкости внутри. Но устройство быстро станет слишком большим, чтобы поместиться в автомобиле, а жидкие химические вещества в проточной батарее имеют гораздо меньшую плотность энергии, чем литий-ионная батарея.
Но что, если бы вы могли взять лучшее из обоих миров? Таков был первоначальный тезис нового предприятия Чанга. Если бы вы могли создать проточную батарею с литий-ионным химическим составом и ее плотностью энергии, у нее были бы емкости меньшего размера, чем у обычной проточной батареи.
Выше определенного размера стоимость киловатт-часа будет ниже, чем у статических батарей, и начнет конкурировать с экономикой ископаемого топлива.
В Массачусетском технологическом институте Чанг поручил румынскому студенту по имени Михай Дудута изучить проблему. Через месяц у Дудуты был рабочий прототип. Быстрый результат стал неожиданностью, а также свидетельством того, что Чанг что-то задумал. Этого было достаточно, чтобы привлечь 10 миллионов долларов финансирования от бостонских венчурных фирм и еще 2,5 миллиона долларов от Министерства энергетики. С этим Чанг открыл 24M для бизнеса. Дудута был сотрудником №1.
Компания работала в скрытом режиме, поэтому мало что публиковалось. Но в статье 2011 года в журнале Advanced Energy Materials Дудута объяснил увеличение плотности энергии на порядок за счет «полутвердого» подхода к потоку — литий-ионной батареи, которая работала через «просачивающиеся сети наноразмерных проводников». ” Что касается всего мира, то последний стартап Чанга был донкихотской охотой за лучшей в мире проточной батареей.
Но это скоро изменится.
24 миллиона сотрудников работают над машиной, которая способствует производству аккумуляторов. Изображение: Киран Кеснер для Quartz.
Экономическое затруднение
Успех или провал идеи Чанга частично зависел от размера. Насколько большими должны быть резервуары литий-ионных проточных батарей, чтобы их стоимость за киловатт-час упала ниже, чем у статических батарей?
К концу 2010 года эта проблема тяготила Крейга Картера, давнего сотрудника Чанга в Массачусетском технологическом институте. Когда первоначальные 24 миллиона сотрудников собирались на еженедельные собрания для анализа своих данных, казалось, никто не знал, какого размера резервуары, испытательные ячейки и другое оборудование нужно покупать и производить. Модель затрат, которую они использовали, не давала достаточно ясного представления о том, когда произойдет экономический переход от статических батарей.
Это была не единственная проблема, с которой столкнулся 24M.
Никто никогда не делал проточные литий-ионные батареи. У инженеров Чана возникли проблемы с тем, чтобы понять, как прокачивать жидкий электролит через систему. Чем плотнее они делали суспензию, чтобы увеличить ее энергетическую плотность, тем гуще и вялее она становилась. Потенциальные клиенты, проинструктированные высшим руководством, мало что поощряли. Обычные статические батареи уже работали нормально; зачем кому-то понадобился литий-ионный аккумулятор нового типа, для которого также требовался насос?
Тем временем побочный эксперимент в 24M начал привлекать внимание младших исследователей Чанга. Для сравнения Чан поручил им создать статические литий-ионные элементы параллельно с проектом потока. «Мы можем учиться у них», — сказал он. Результаты были интересными: команда использовала те же жидкие суспензии, что и в проточной батарее, для изготовления сотен статических элементов и провела для них тысячи циклов заряда-разряда. Их мощность оставалась стабильной. В отличие от эксперимента с потоком, они работали превосходно.
После работы некоторые младшие сотрудники, включая Дудуту, спускались вниз, чтобы выпить молочные коктейли в закусочной под названием «Дружественный тост». Там они обсудили результаты статических ячеек. Эти молодые исследователи были менее заинтересованы в идее потока, чем Чанг и старшие сотрудники, вспоминал один из них, Тристан Доэрти, бывший гоночный инженер гоночной команды Дейла Койна Indy 500. Постепенно они пришли к выводу, что новый производственный процесс, который они разрабатывали, должен быть посвящен созданию статических, а не проточных батарей. Но как донести это сообщение до их старейшин?
Чан в диспетчерской, где сотрудники переодеваются перед выходом на работу. Изображение: Киран Кеснер для Quartz.
Момент, когда все рухнуло
Именно в этой среде Картер пытался выяснить, в какой момент проточные батареи станут экономичными. Чан, похоже, не думал, что это проблема. «Возможно, вы зря тратите время», — сказал он Картеру. Картер упорствовал и в конце концов решил отказаться от модели затрат, которую они использовали, и построить свою собственную.
Он нанял одного из молодых сотрудников — Джеффа Диско, уроженца Вайоминга, который предпочитает ковбойские сапоги и серебряные пряжки для ремней, сделанные своими руками. «Давайте построим его с нуля», — сказал Картер молодому человеку.
Чего он не сделал, так это не сказал Чангу, что они с Диско замышляют. «Возможно, он воспринял это как отвлечение от продвижения вперед, поскольку у нас уже был рабочий инструмент», — сказал Картер.
Чтобы быть конкурентоспособной, проточная батарея должна быть достаточно большой, чтобы поддерживать объект размером с атомную электростанцию.Диско в течение двух недель круглосуточно работал над данными, пока Картер создавал программное обеспечение, которое могло визуально отображать практически любую переменную батареи — плотность энергии, скорость заряда, стоимость деталей и т. д. Когда они были готовы, у них был инструмент, который наконец, выявил точку пересечения, при которой батарея Чана окажется экономичной.
Сказать, что для этого потребуются огромные баки, было бы преуменьшением.
Чтобы конкурировать с ископаемым топливом, проточная литий-ионная батарея должна быть достаточно большой, чтобы поддерживать стационарную установку размером с атомную электростанцию, обслуживающую десятки тысяч человек. Это был такой ошеломляющий результат, что ни Картер, ни Диско поначалу в него не поверили. Две недели они переделывали цифры и обсуждали результаты. Диско начал проверять это с остальной частью группы. Но от этого никуда не деться — идея, на которой была основана компания, не имела финансового смысла.
В начале 2011 года они провели то, что Диско назвал «собранием, посвященным Иисусу». Он представил визуальный инструмент. До этого было ворчание, но не было жесткого конкретного противопоставления потока и статических батарей. Теперь это казалось ясным — если вы не стремились обеспечить электроэнергию небольшого города, лучше построить статическую батарею.
Чанг уставился на результаты. — Так ты готов поставить на кон компанию? — спросил он Картера.
— Да, — ответил Картер.
— Хорошо, — просто ответил Чан. Он подумает об этом.
Через два дня электронное письмо разошлось по всем сотрудникам. Поток закончился. Компания построит статическую батарею.
Это была типичная смена для стартапа, в котором первоначальные идеи редко доживают до коммерческой стадии развития. Со своей стороны, Диско почувствовал «облегчение». Думаю, многие так и сделали». Производственные проблемы еще нужно было решить. Но теперь они нападут на них по-другому. Затратная модель доказала свою ценность. «Есть преимущества в изменении направления — повороте на копейке», — сказал Картер. «Теперь у нас было что-то, во что можно было поставить флаг и быть уверенным, что он останется».
Аккумуляторы в своих единицах по 24M. Изображение: Киран Кеснер для Quartz
Начиная с нуля
Теперь исследователи могли бы метафорически вернуться в эпоху видеокамер и задать вопрос: если бы у Sony не было этих магнитных лент машины лежали вокруг и начинали с чистого листа, какой был бы самый естественный и лучший способ производства литий-ионной батареи?
Насосы, предназначенные для инициирования потока электронного сока, начали исчезать из лаборатории 24М.
Затем Дудута, создатель оригинальной проточной кюветы 24M, подождал несколько недель, прежде чем заявить: «Я собираюсь сделать эти [статические] кюветы сам».
Для этой задачи не было станка, поэтому Дудута засунул руки в черные резиновые перчатки безвоздушного исследовательского бокса, известного как бардачок, и начал вручную изготавливать клетки. Это означало смешивание массы или суспензии, состоящей из двух электродов — анода и катода, — и нанесение их на тонкую пленку, разделенную другой пластиковой пленкой.
К нему присоединились еще двое. Вскоре шесть или семь исследователей оказались в резиновых перчатках. Они создали собственную линию ручной сборки. У них это хорошо получалось — они производили элементы размером с автомобильный аккумулятор всего за шесть минут. По сравнению с однодневным процессом, требуемым на обычном заводе, это было молниеносно. Но это было ничто по сравнению со скоростью, с которой Чан в конечном итоге хотел, чтобы процесс шел.
В обычном процессе нанесение суспензии происходит относительно быстро, но стадия сушки может занять 22 или более часов.
Вы начинаете с влажной суспензии, затем наносите ее на пленку, используя вещества, похожие на клей, чтобы она держалась, прижимаете ее, чтобы сделать электроды более плотными, и, наконец, сушите ее в печи вдоль длинной, медленной сборочной линии. Наконец, электролит впрыскивается в аккумуляторную ячейку, что снова делает ее влажной.
Помимо этого медленного процесса, у обычных аккумуляторов есть еще одна проблема: 35% их внутреннего пространства заполнено материалом, который не способствует выработке электроэнергии. Сюда входит связующее, удерживающее суспензию на пленке; сепаратор, который не дает аноду и катоду закорачивать друг друга; и токосъемник, подающий заряд на электронное устройство.
Чан хотел сократить производственный процесс до одного часа. И он хотел сжать заполнитель пространства почти до нуля.
Он начал с того, что вырезал целые части наполнителя.
Его исследователи разработали способ изготовления электродов без связующего вещества, похожего на клей. Литий-ионные элементы обычно содержат 14 отдельных слоев материала; Чан упростил их, позволив сократить количество слоев до пяти. Он уменьшил наполнитель до 8% от ячейки батареи. Наконец, он перевернул основы производства литий-ионных аккумуляторов, придумав, как полностью отказаться от процесса сушки; вместо этого он вводил влажный электролит в элемент с самого начала.
Это определяющие улучшения. Но пока он занимался этим, Чан также внес некоторые коррективы в науку о батарее. Что наиболее важно, он сделал электроды в четыре раза толще — 500 микрон, или полмиллиметра в диаметре, — что значительно увеличило плотность энергии клеток.
Тем не менее, оставался вопрос о том, как на самом деле нанести суспензию влажного электрода на пленку с одинаковой плотностью, толщиной, непрерывностью и прямоугольной формой, причем сделать это быстро и таким образом, чтобы его можно было воспроизвести снова и снова.
Было испробовано около трех дюжин способов приготовления суспензии. Последний метод был «полным выстрелом в темноте», сказал Доэрти, и включал в себя трубку, поршень и немного тефлона.
Но результатом стала производственная платформа, которая в настоящее время выдает аккумулятор примерно за две с половиной минуты. Машина, которая это делает, размером не с фабричный цех, а с большой холодильник (см. изображение ниже). Что касается элементов, Чанг называет их «полутвердыми», намекая на их рождение в исследованиях проточных батарей.
Когда я недавно посещал их лабораторию, Чан и генеральный директор 24M, Труп Уайлдер, стояли вокруг машины, которая выдавала быструю ячейку в идеальном прямоугольнике. Уайлдер начал делать прыжки. «Это огромно. Это то, что хотят видеть инвесторы», — кричал он.
Внезапный поворот Чанга к статическим батареям, похоже, не расстроил инвесторов 24M. В 2013 году Чан привлек еще 25 миллионов долларов наличными, а в прошлом году таиландская нефтяная компания PTT инвестировала 15 миллионов долларов.
В целом 24M привлекла 54,5 миллиона долларов. «Они могут представить новую батарею, которая на 50% похожа на применение закона Мура в отрасли, в которой его нет», — сказал Ижар Армони из Charles River Ventures, один из венчурных инвесторов Чанга.
Машина размером с холодильник в основе производственного процесса 24M. Изображение: Киран Кеснер для Quartz.
Что это значит для производства
Стремление улучшить производство литий-ионных аккумуляторов, а не химию, нашло отклик у правительственных чиновников США. Министерство энергетики (DOE) в настоящее время проводит конкурс на получение трехлетних грантов на сумму от 6 до 8 миллионов долларов для исследователей, обещающих более совершенные технологии производства. Если они смогут добиться такого прогресса и добавить его к какому-либо научному прогрессу, «тогда вы окажетесь вдвойне», — сказал Дэвид Хауэлл, руководитель исследовательской программы Министерства энергетики США. Хауэлл сказал, что именно так он рассчитывает сделать электромобили эквивалентными в долларах за киловатт-час бензину.
Движение за передовое производство распространилось и на солнечную энергию. Фрэнк Ван Мирло, основатель компании по производству солнечных батарей под названием 1366 в Массачусетсе, сказал, что стандартный метод производства его собственной отрасли «напоминает то, как греки производили стекло». Он сказал, что его компания разработала новый способ изготовления панелей, который значительно снижает эффективность.
В новом отчете McKinsey описывает широкую новую эпоху производства, которую она называет Индустрия 4.0. Консалтинговая фирма говорит, что происходящие изменения затрагивают большинство предприятий. Они, вероятно, не являются «еще одной промышленной революцией», но вместе они «могут изменить способ работы заводов».
Десятилетиями США наблюдали, как увядают основные отрасли обрабатывающей промышленности, вместо этого они росли в Японии, Южной Корее, Китае, Тайване и других странах Азии.
По данным Института экономической политики, только с 1997 по 2014 год США потеряли около 5 миллионов рабочих мест в обрабатывающей промышленности. Это включает производство литий-ионных аккумуляторов, которые, хотя и были изобретены американцами, были коммерциализированы в Японии, а затем в Южной Корее и Китае.
Таким образом, нововведение Чанга может стать детищем нового направления мышления в США. Это говорит о том, что, хотя такие отрасли вряд ли вернутся из Азии, США, возможно, смогут заново изобрести способ производства. Страна не вернет почти столько же рабочих мест, сколько потеряла. Но может быть и большая прибыль, поскольку страна снова делает шаг вперед в важнейших областях технологий.
Чтобы было ясно, это не цель Чанга. Он исповедует универсализм, оторванный от научной реальной политики. Но если он добьется успеха, как он и планирует, то, помимо помощи в расшифровке сложной проблемы батарей, он может способствовать сохранению политического и экономического господства Америки.
24M Сотрудник, работающий в лаборатории Кембриджа. Изображение: Киран Кеснер для Quartz
Путь вперед
Чанг и Уайлдер собираются приступить к третьему раунду инвестиций, требуя от 20 до 30 миллионов долларов. Они потратят деньги на масштабирование производства новой машины, производящей клетку каждые две-десять секунд. Эта машина, которая поступит в продажу через два года, будет предназначена для стационарных электрических батарей, используемых для питания предприятий, районов и коммунальных служб, а не автомобилей.
Машина будет иметь мощность 79 мегаватт-часов в год и производить любые литий-ионные батареи по цене около 160 долларов за киловатт-час. К 2020 году, по словам Чанга, эта сумма снизится примерно до 85 долларов, что на 30% ниже, чем обычные литий-ионные батареи, стоимость которых также снижается, к тому времени. Но самое главное, машина будет стоить около 11 миллионов долларов. Следовательно, начальные затраты на производство литий-ионных аккумуляторов резко упадут.