Kapasitor Beton: Masa Depan Penyimpanan Energi

Menyimpan Energi dalam Kapasitor Beton

Dalam hal penyimpanan energi, semua perhatian tertuju pada baterai. Untuk beberapa waktu, fokusnya terutama pada teknologi litium-ion yang terus membaik; kini baterai natrium-ion, solid-state, dan jenis kimia baterai alternatif lainnya juga sedang dikembangkan atau mencapai tahap komersial.

Dalam semua kasus, baterai ini menyimpan listrik dalam bentuk kimia, biasanya dengan menggunakan ion logam untuk membawa perubahan muatan listrik.

Namun, ini bukan satu-satunya cara untuk menyimpan listrik. Pilihan lain adalah menggunakan superkapasitor.

Berbeda dengan baterai yang menyimpan muatan listrik dalam massa ion logam, superkapasitor dan ultrakapasitor menahan muatan listrik pada permukaan bahan konduktif.

Perbedaan mendasar dalam konsep penyimpanan energi ini mengubah cara kerja kapasitor dibandingkan baterai. Karena energi tersedia di permukaan bahan, energi dapat dimobilisasi sangat cepat, memungkinkan siklus pengisian dan pengosongan ultra cepat, sementara baterai diperlambat oleh kecepatan reaksi kimia yang diperlukan.

Sejauh ini, kapasitor sebagian besar merupakan produk niche, karena mereka menyimpan muatan lebih sedikit dibandingkan baterai, dan seringkali lebih mahal, karena memerlukan bahan yang lebih mahal.

Hal ini mungkin berubah, dengan pengembangan kapasitor berbasis beton oleh empat peneliti di Massachusetts Institute of Technology (MIT), yang pada akhirnya dapat digunakan untuk mengubah bangunan dan jalan menjadi baterai raksasa.

Mereka menerbitkan rancangan terbarunya dalam jurnal ilmiah bergengsi Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) dengan judul “Superkapasitor karbon-semen berdensitas energi tinggi untuk penyimpanan energi arsitektural”.

Aplikasi Kapasitor

Muatan kapasitor yang lebih rendah daripada baterai sejauh ini menghambat penggunaannya untuk penyimpanan energi berskala besar atau jangka panjang, meskipun daya tahannya luar biasa.

Namun, kemampuan mereka menangani perubahan muatan listrik yang sangat cepat dan tegangan yang jauh lebih tinggi, tanpa mengalami kerusakan, membuatnya berguna untuk aplikasi di mana banyak energi dihasilkan atau dibutuhkan sekaligus.

Misalnya, superkapasitor digunakan dalam mobil, kereta api, crane, dan lift, untuk penyimpanan energi jangka pendek, pengereman regeneratif, atau penyediaan daya mode ledakan.

Meskipun total energi tidak selalu tinggi, intensitas dan kecepatannya tinggi.

Untuk jaringan listrik dan aplikasi penyimpanan energi, superkapasitor paling efektif dalam menjembatani kesenjangan daya yang berlangsung dari beberapa detik hingga beberapa menit dan dapat diisi ulang dengan cepat.

Meningkatkan Kapasitor Berbasis Beton

Membuat Beton Menyimpan Energi

Pada baterai, perbedaan energi antara berbagai reaksi elektrokimia dan jumlah logam reaktif yang tersedia biasanya membatasi kapasitas.

Untuk baterai, perbedaan energi antara reaksi elektrokimia yang berbeda dan jumlah logam reaktif yang tersedia biasanya membatasi kapasitas.

Untuk kapasitor, batas utama adalah total permukaan bahan. Jadi secara umum, bahan yang paling berpori akan menyimpan jauh lebih banyak muatan.

Untuk alasan ini, material heterogen (terbuat dari beberapa unsur) seringkali terbaik, begitu pula bahan yang merupakan hasil polimerisasi bahan yang lebih sederhana, dengan banyak pori dan alveoli di dalamnya.

Pada tahun 2023, peneliti MIT telah mengeksplorasi potensi beton, sebuah material dengan struktur mikroskopis yang kompleks yang secara teori dapat diubah menjadi kapasitor.

Ini dicapai dengan menggunakan semen, air, karbon hitam ultra halus (dengan partikel nanoskopik), dan elektrolit. Bersama-sama, mereka menciptakan apa yang disebut beton karbon konduktif elektron (ec³, diucapkan “e-c-cubed”).

ec³ mengandung ‘jaringan nano karbon’ di dalam beton yang dapat menyimpan dan menghantarkan listrik.

Kelimpahan Beton

Semen dan beton sejauh ini merupakan material yang paling banyak diproduksi di Bumi, dengan total volume 1,7 miliar meter kubik dan massa 4,1 miliar ton—lebih tinggi daripada material lain, termasuk pasir dan baja.

Dengan demikian, mengubah sebagian kecil saja dari beton dunia menjadi penyimpanan energi dapat secara radikal mengubah cara kita menyimpan energi di rumah, kantor, dan kota.

“Kunci keberlanjutan beton adalah pengembangan ‘beton multifungsi’, yang mengintegrasikan fungsi seperti penyimpanan energi ini, pemulihan mandiri, dan penyerapan karbon.

Beton sudah menjadi material konstruksi yang paling banyak digunakan di dunia, jadi mengapa tidak memanfaatkan skala tersebut untuk menciptakan manfaat lain?”

Admir Masic – Profesor madya teknik sipil dan lingkungan (CEE) di MIT

Meningkatkan Kinerja ec³

Meningkatkan Kepadatan Energi

Prototipe asli tahun 2023 memiliki kepadatan energi yang cukup tinggi sehingga 45 meter kubik ec³—kira-kira sebanyak beton yang digunakan di ruang bawah tanah biasa—mampu memenuhi kebutuhan harian rumah tangga rata-rata.

Meskipun menarik, pertanyaan tentang biaya dan kepraktisan membuat angka ini tidak benar-benar dapat digunakan secara komersial.

Versi baru produk tersebut dapat menyimpan jumlah energi yang sama hanya dalam sepersembilan volumenya, atau 5 meter kubik (176 kaki kubik).

Geser untuk menggulir →

Analisis Mendalam

Kinerja yang lebih tinggi ini dicapai dengan menggunakan berkas ion terfokus untuk menghilangkan lapisan tipis material ec³ secara berurutan. Lapisan tersebut kemudian dianalisis menggunakan mikroskop elektron pemindai (tomografi FIB-SEM).

Ini memungkinkan peneliti merekonstruksi gambar beresolusi tinggi dari jaringan nano konduktif. Mereka menemukan bahwa jaringan tersebut membentuk “jaring mirip fraktal” yang mengelilingi pori-pori ec³, yang memungkinkan elektrolit meresap dan arus mengalir melalui sistem.

Dengan alat analisis yang lebih canggih ini, tim peneliti bereksperimen menggunakan berbagai elektrolit dan konsentrasinya untuk melihat pengaruhnya terhadap kepadatan penyimpanan energi.

“Kami menemukan bahwa ada berbagai elektrolit yang dapat menjadi kandidat yang layak untuk ec³.

Ini bahkan termasuk air laut, yang dapat menjadikan material ini cocok untuk aplikasi di daerah pesisir dan laut, mungkin sebagai struktur penopang untuk ladang angin lepas pantai.”

Damian Stefaniuk – Ilmuwan peneliti EC³ Hub

Mereka mengukur bahwa elektrolit organik—terutama yang menggabungkan garam amonium kuarterner yang ditemukan dalam produk sehari-hari seperti disinfektan—berkinerja paling baik ketika dicampur dengan asetonitril, cairan bening dan konduktif yang sering digunakan dalam industri.

Pembuatan Baterai Beton yang Lebih Baik

Sebelumnya, metode yang digunakan harus mengeringkan elektroda ec³ lalu merendamnya dalam elektrolit. Sebagai gantinya, mereka menemukan bahwa elektrolit dapat ditambahkan langsung ke air pencampur.

Ini penting dalam mencetak elektroda yang lebih tebal yang menyimpan lebih banyak energi.

Sebagai demonstrasi teknologi ini, tim membangun sebuah lengkungan beton ec³ miniatur untuk menunjukkan bagaimana bentuk struktural dan penyimpanan energi dapat bekerja bersama.

Dengan tegangan 9 volt, lengkungan itu menopang beratnya sendiri dan beban tambahan sembari menyalakan lampu LED.

Pemantauan Otomatis Integritas Struktural

Fenomena mengejutkan terjadi ketika mereka meningkatkan muatan pada lengkungan uji. Pada titik tertentu, lampu mulai berkedip, menandakan beton mulai rusak dan penyimpanan listrik gagal.

Ini memperlihatkan kerusakan struktural meskipun tidak ada retakan yang terlihat. Kapasitas semacam ini dapat sangat berguna dalam bangunan nyata.

“Mungkin ada semacam kapasitas pemantauan mandiri di sini. Jika kita memikirkan sebuah lengkungan ec³ pada skala arsitektural, outputnya dapat berfluktuasi ketika dipengaruhi oleh stresor seperti angin kencang.

Kita mungkin dapat menggunakan ini sebagai sinyal kapan dan sejauh mana sebuah struktur mengalami stres, atau memantau kesehatan keseluruhannya secara real time.”

Admir Masic – Profesor madya teknik sipil dan lingkungan (CEE) di MIT

Beton Pemanas Sendiri

Rancangan beton ini tidak hanya dapat menyimpan daya, tetapi juga memiliki konduktivitas termal lebih tinggi. Dengan demikian, beton dapat membantu mencairkan es yang menumpuk di atasnya dan telah digunakan untuk tujuan tersebut di Sapporo, Jepang, sebagai alternatif potensial bagi penggunaan garam.

Energi yang disimpan dan kemudian dilepaskan dalam bentuk panas juga dapat digunakan untuk mencairkan es di jalan, trotoar, dan jalur pejalan kaki.

Masa Depan Baterai Beton dan Penyimpanan Energi

Sejauh ini, baterai skala utilitas kebanyakan dibayangkan sebagai baterai panas, penyimpanan hidrogen, atau baterai berbahan murah seperti natrium, besi, atau aluminium untuk menggantikan litium, kobalt, dan nikel yang lebih mahal pada baterai litium-ion.

Namun, jika kita ingin meningkatkan skala penyimpanan baterai untuk sepenuhnya memberi daya pada peradaban industri dengan energi surya, material yang lebih meluas seperti beton dapat menjadi pilihan ideal.

Pertama, beton menggunakan bahan yang bahkan lebih sedikit langka, karena bahkan baterai kimia alternatif masih memerlukan banyak tembaga, misalnya.

Kedua, beton juga dapat lebih mudah diintegrasikan ke dalam lanskap perkotaan dan konstruksi sehari-hari.

Tim tersebut telah mengembangkan aplikasi seperti tempat parkir dan jalan yang dapat mengisi daya kendaraan listrik, serta rumah yang dapat beroperasi sepenuhnya di luar jaringan.

Karena beton yang dihasilkan memiliki integritas struktural yang sama seperti beton biasa, material ini dapat langsung digunakan sebagai penggantinya dan sepenuhnya meniadakan kebutuhan ruang tambahan serta prosedur konstruksi taman baterai.

“Dengan menggabungkan nanosains modern dan bahan bangunan kuno peradaban, kami membuka jalan menuju infrastruktur yang tidak hanya menopang kehidupan, tetapi juga memasok dayanya.”

Admir Masic – Profesor madya teknik sipil dan lingkungan (CEE) di MIT

Berinvestasi dalam Semen Berkelanjutan

Sebagai salah satu pemimpin dunia dalam produksi semen, CRH akan berperan penting dalam menjadikan konstruksi berbasis semen sebagai industri yang lebih berkelanjutan. Perusahaan menempati peringkat pertama dalam total volume material konstruksi yang dipasok di pasar AS dan Eropa.

Perusahaan ini beroperasi di 28 negara dan 3.390 lokasi, mempekerjakan 78.500 orang, dengan CRH Americas menyumbang 65% dari penjualan globalnya.

Perusahaan memperkirakan belanja infrastruktur yang kuat oleh pemerintah Barat akan membantu mengembangkan bisnisnya. Tren reindustrialisasi dan pemindahan kembali manufaktur berteknologi tinggi ke dalam negeri juga seharusnya mendukung pertumbuhan.

Strategi Keberlanjutan dan Dekarbonisasi CRH

CRH telah membuat kemajuan serius dalam keberlanjutan melalui serangkaian inisiatif:

• Perusahaan merupakan pendaur ulang terbesar di Amerika Utara, dengan 43,9 juta ton limbah dan produk sampingan industri lain didaur ulang pada 2023.
• Perusahaan mengurangi emisi CO2 sebesar 8% pada 2023 berkat penggunaan 36% bahan bakar alternatif di pabrik semennya.
• Perusahaan menargetkan pengurangan emisi sebesar 30% pada 2030 (dibandingkan emisi 2021).

Hal ini patut diapresiasi, tetapi juga dapat dianggap terlalu sedikit dan terlambat.

Untungnya, CRH juga menjadi penggerak perubahan yang lebih mendasar dalam industri. Khususnya, ia telah menginvestasikan $75M ke perusahaan semen rendah karbon Sublime, bersama dengan raksasa beton Eropa Holcim.

Sublime Systems merupakan perusahaan sempalan MIT yang didirikan pada 2020 untuk menggunakan elektroliser dalam memproduksi semen pada suhu ruang, menggantikan tungku yang boros energi dan bahan bakar fosil. Teknologi ini juga memungkinkan penggunaan sumber kalsium sebagai bahan baku sehingga mencegah pelepasan CO2 dari batu kapur.

Fasilitas komersial pertama Sublime di Holyoke, Massachusetts, diperkirakan dibuka paling cepat pada 2026. Jika terbukti berhasil, teknologi ini dapat benar-benar mengubah industri semen dan membuka jalan bagi beton rendah emisi yang dapat diproduksi dalam skala besar.

“Sublime adalah kekuatan disruptif dalam produksi semen. Teknologi uniknya mencakup seluruh proses produksi, dari penggunaan listrik bersih hingga bahan baku bebas karbon. Kami antusias dengan potensinya dan senang dapat bermitra untuk membawanya ke pasar dalam skala besar. Investasi ini sepenuhnya sejalan dengan strategi Holcim untuk mempercepat dekarbonisasi konstruksi melalui peningkatan skala teknologi paling inovatif.”

Nollaig Forrest — Chief Sustainability Officer Holcim

CRH juga berinvestasi pada perusahaan rintisan dekarbonisasi dan keberlanjutan lainnya:

• €23,7 juta pada Cool Planet Technologies, yang mengembangkan solusi penangkapan karbon bagi industri yang secara tradisional sulit didekarbonisasi.
• $34,7 juta dari CRH dan investor lain pada Carbon Upcycling Technologies, yang menggunakan solusi mineralisasi serba listrik untuk menyimpan CO2 secara permanen dalam produk sampingan industri dan mineral seperti semen, plastik, produk konsumen, pupuk, dan obat-obatan.
• AICrete, platform “resep sebagai layanan” yang bekerja sama dengan produsen beton lokal untuk mengoptimalkan material setempat dan meminimalkan jumlah semen dengan analisis AI, sehingga mengurangi jejak CO2 dan biaya produksi beton.
• Pendanaan Seri B untuk FIDO AI, sebuah perusahaan rintisan yang menggunakan AI untuk mengurangi konsumsi air dan meningkatkan penghematan air.

Secara keseluruhan, CRH merupakan pemimpin industri beton yang menguntungkan dan sangat aktif mempersiapkan dekarbonisasi industri, baik secara langsung di fasilitas yang ada maupun sebagai penyedia modal utama bagi perusahaan rintisan inovatif yang menciptakan teknologi produksi semen dan beton generasi berikutnya.

Berita dan Perkembangan Saham CRH Plc (CRH) Terbaru