Generator Air Mengapung Mengubah Curah Hujan menjadi Energi Terbarukan

Permintaan energi meningkat dengan cepat. Pada tahun 2024, dunia ini mencatat kenaikan 4,3% dalam permintaan listrik. Ini merupakan peningkatan yang jauh lebih besar dibandingkan lonjakan 2,5% yang tercatat pada tahun sebelumnya, yang mendekati rata‑rata pertumbuhan permintaan listrik antara 2010 dan 2023.

Pertumbuhan ini terutama didorong oleh pertumbuhan pesat pusat data akibat ledakan adopsi AI dan kendaraan listrik, dengan ekspansi industri serta peningkatan penggunaan pendingin udara juga memberikan kontribusi signifikan.

Sementara bahan bakar fosil menyumbang lebih dari setengah (hampir 60%) dari pembangkit listrik tahun lalu, dengan batu bara tetap menjadi sumber terbesar di dunia, campuran energi sebenarnya sedang berubah. Menurut IEA, untuk pertama kalinya sepanjang sejarah, pembangkit listrik dari energi terbarukan dan tenaga nuklir menyumbang dua‑lima dari total pembangkit global pada tahun 2024. 

Energi terbarukan, khususnya, bertanggung jawab atas sepertiga produksi listrik dunia. Di antara sumber terbarukan, tenaga air memimpin dengan pangsa 14% dari total pembangkit listrik, diikuti oleh angin sebesar 8%, surya PV sebesar 7%, serta bioenergi dan limbah hanya 3%.

Walaupun merupakan perkembangan besar menuju energi bersih, kontribusi energi terbarukan terhadap produksi energi global masih rendah. Jadi, untuk lebih membantu mempercepat peralihan ke sumber energi terbarukan, para peneliti telah mengembangkan teknologi baru untuk konversi energi guna memenuhi peningkatan permintaan energi listrik harian yang terus meningkat.

Sistem yang mengumpulkan energi langsung dari lingkungan, khususnya, dapat membantu meningkatkan penggunaan sumber energi terbarukan.

Hydrovoltaics: Mengubah Siklus Hujan dan Air menjadi Listrik

Air adalah elemen penting bagi kehidupan. Tidak hanya menjadi bagian besar dari tubuh kita, tetapi juga merupakan bagian besar dari Bumi. Menutupi 70% planet kita, air adalah sumber paling melimpah, dan ia mengandung sejumlah signifikan energi dalam berbagai bentuk, banyak di antaranya masih kurang dimanfaatkan.

Salah satu cara energi ini dimanfaatkan adalah melalui tenaga air, yang melibatkan penggunaan aliran alami air yang bergerak untuk menghasilkan listrik.

Cara kuat lainnya untuk memanen energi dari siklus alami air adalah melalui teknologi hidrovoltaik. Berbeda dengan teknologi tradisional yang memanen energi kinetik air, teknologi hidrovoltaik menghasilkan listrik dari interaksi langsung bahan elektroda dengan air. 

Teknologi hidrovoltaik memungkinkan pengembangan sistem berbiaya rendah dan berefisiensi tinggi yang dapat secara langsung mengubah energi termal menjadi energi listrik melalui interaksi air dengan nanomaterial seperti grafena, tabung nano‑karbon, nanopartikel karbon, dan polimer konduktif.

Energi yang dikubah di sini dihasilkan oleh tetesan, aliran, fluktuasi, kondensasi, atau penguapan, dan secara signifikan meningkatkan daya output. Penelitian menyatakan¹ bahwa dengan memanfaatkan hanya 1% energi yang tersedia dalam air dunia dengan efisiensi 1% melalui teknologi hidrovoltaik dapat membantu memenuhi 1/3 kebutuhan energi dunia.

Oleh karena itu, perangkat berbasis teknologi yang sedang berkembang ini sangat penting untuk memenuhi permintaan dunia yang haus energi menggunakan sumber energi terbarukan.

Hal ini telah memicu penelitian ekstensif pada generator energi droplet, jenis teknologi hidrovoltaik yang mengubah energi mekanik tetesan air seperti tetesan hujan menjadi listrik. Namun keterbatasan teknologi saat ini belum memungkinkan konversi energi dalam air secara efisien menjadi listrik.

Misalnya, generator energi droplet tradisional yang berbasis efek triboelektrik, yang menghasilkan muatan listrik ketika dua material berbeda bersentuhan dan kemudian terpisah, dapat menghasilkan listrik ketika droplet menabrak permukaan. Namun, efek antarmuka membatasi jumlah muatan yang dihasilkan pada permukaan, menghasilkan efisiensi konversi energi yang relatif rendah.

Jadi, tim peneliti telah mengembangkan “generator listrik droplet terintegrasi air” novel yang menghasilkan output tinggi sambil mengapung di permukaan, memberikan gambaran tentang generasi berikutnya perangkat ringan dan berefisiensi tinggi. Menurut studi:

“Kami memperkirakan pekerjaan ini akan membuka jalur baru memanfaatkan material alami berbasis air untuk membangun perangkat hidrovoltaik dan memajukan aplikasi berskala besar tanpa tanah.”

Tetapi sebelum kita menyelami penelitian ini, mari kita lihat dulu apa yang telah terjadi di bidang ini.

State of the Art in Droplet Electricity Generators (DEGs)

Droplet air yang bergerak seperti tetesan hujan tersebar luas dan membawa sejumlah besar energi kinetik, yang menunjukkan potensi untuk pembangkit listrik berkelanjutan. Untuk memanen energi kinetik droplet air, para peneliti telah memusatkan upaya mereka pada DEG.

Generator listrik berbasis droplet (DEG) adalah teknologi kuat dan telah menunjukkan potensi sebagai cara efisien memanen energi dari lingkungan alami. 

Ia memanfaatkan droplet air yang jatuh untuk menghasilkan listrik. Biasanya, ia terdiri dari dua lapisan triboelektrik dan sepasang elektroda, di mana muatan dipisahkan saat droplet air menabrak permukaan dan kemudian meluncur.

Biaya rendah, struktur sederhana, dan kepadatan daya tinggi membuat DEG populer di kalangan peneliti untuk memanen energi kinetik dari sumber air lingkungan.

Namun, penerapan luasnya terhambat oleh struktur yang kompleks dan kepadatan daya output yang rendah. Aplikasi mereka terbatas pada penggunaan di darat juga membuat mereka tidak praktis untuk danau, sungai, serta lautan.

Tantangan lain pada DEG meliputi degradasi kinerja signifikan seiring waktu dalam sistem terintegrasi, masalah daya tahan material, serta jejak ruang yang besar diperlukan untuk aplikasi skala besar.

Geser untuk menggulir →

Jadi, penelitian terus berlanjut dengan fokus meningkatkan efisiensi melalui desain yang lebih baik, menggunakan air alami sebagai bagian struktur, atau mengoptimalkan material, dengan inovasi terbaru menciptakan perangkat ringan, berbiaya rendah, bahkan mengapung. 

Beberapa tahun lalu, tim peneliti dari City University of Hong Kong (CityU) mengembangkan² DEG dengan struktur mirip transistor efek medan (FET) yang mencapai efisiensi konversi energi tinggi. Densitas daya instan mereka jauh lebih tinggi, sekitar ribuan kali lebih tinggi, dibandingkan dengan DEG tanpa struktur mirip FET.

Kerja mereka memiliki dua faktor kunci; pertama, tim menemukan bahwa ketika droplet air terus‑menerus menabrak permukaan polytetrafluoroethylene (PTFE), sebuah material dielektrik dengan muatan listrik semi‑permanen, muatan permukaan yang dihasilkan menumpuk dan secara bertahap mencapai kejenuhan. Hal ini membantu tim mengatasi kepadatan muatan rendah sebelumnya dengan menyediakan cara baru mengakumulasi dan menyimpan muatan permukaan berkapasitas tinggi.

Faktor kedua adalah desain mereka, yang memiliki fitur utama berupa rangkaian struktur unik mirip FET. Perangkat terdiri dari elektroda aluminium dan elektroda PTFE/ITO, yang melibatkan elektroda indium tin oxide (ITO) dengan lapisan PTFE yang diendapkan di atasnya. Ketika droplet menabrak permukaan PTFE/ITO dan menyebar, ia menjembatani kedua elektroda, mengubah sistem menjadi rangkaian listrik tertutup.

Desain ini memungkinkan kepadatan muatan permukaan yang tinggi dikumpulkan pada PTFE. Dan ketika air yang menyebar menghubungkan kedua elektroda, muatan yang tersimpan pada PTFE sepenuhnya dilepaskan untuk menghasilkan arus listrik.

Sementara desain CityU berfokus pada peningkatan akumulasi muatan, tim lain dari Chinese Academy of Sciences menyederhanakan arsitektur DEG untuk membuatnya lebih dapat diskalakan.

Tim peneliti China mengusulkan³ DEG dengan struktur terbuka sederhana untuk memanfaatkan sepenuhnya efek kapasitansi diri pada elektroda atas untuk mendorong penerapannya yang lebih luas.

Masalahnya, sulit untuk secara kontinu menyediakan energi bagi peralatan listrik hanya dengan satu atau beberapa DEG.

Seperti yang dicatat tim, ketika memanen energi droplet hujan skala besar di bangunan miring seperti gudang, metode sederhana adalah menghubungkan semua DEG secara paralel untuk memasok daya ke beban, seperti lampu. Jadi, dengan merujuk pada struktur sel panel surya dan memanfaatkan sepenuhnya efek kapasitansi diri elektroda atas, mereka memperkenalkan SCE‑DEG dengan struktur terbuka sederhana, yang utama terdiri dari elektroda atas dan bawah, film PTFE, serta beban.

Elektroda di sini tidak perlu terhubung satu sama lain, tetapi daya output instan tinggi tetap dapat dihasilkan oleh efek kapasitansi diri elektroda atas yang, membuat struktur jauh lebih sederhana dan lebih nyaman untuk popularisasi skala besar.

Saat diuji, ia dapat menghasilkan daya output 212 mW dengan droplet air 61 µL dan dapat menyalakan 100 LED komersial.

Baru‑baru ini, peneliti dari KTH Royal Institute of Technology, Swedia, menyesuaikan elektroda bawah DEG⁴ untuk menyamakan luasnya dengan area penyebaran droplet air yang menabrak, yang menggandakan rata‑rata daya output sel individual.

Tim tersebut juga membuat array skala besar (30‑cell) yang mencapai sekitar 2,5 kali daya lebih tinggi dibandingkan array terkini. Selanjutnya, mereka mengintegrasikan array mikro‑superkapasitor (MSC) skala besar (400‑cell) untuk menyimpan listrik yang dihasilkan oleh array generator 30‑cell dengan efisiensi 21,8%, tanpa menggunakan chip manajemen daya.

Integrasi ini menciptakan sistem pengisian daya mandiri (SCPS) dengan output daya 81,2 µW. 

Setelah array DEG 30‑cell mengisi array MSC 400‑cell selama hanya 30 detik, SCPS terintegrasi dapat menyalakan LED secara kontinu selama 60 detik, “menunjukkan potensi strategi mengintegrasikan array DEG skala besar dengan array MSC ultracepat skala besar untuk membangun SCPS bagi pemanenan energi berefisiensi tinggi dari air alami menuju aplikasi praktis.”

Floating W-DEG: Jalur Ringan, Berbiaya Rendah untuk Energi Berbasis Hujan

Sekarang, peneliti dari Universitas Penerbangan dan Antariksa Nanjing telah mengembangkan solusi baru, sebuah DEG mengapung yang menggunakan air alami sebagai bagian kunci dari strukturnya, sehingga menyediakan jalur ringan, terjangkau, dan ramah lingkungan untuk produksi energi terbarukan.

Alih‑alih memiliki film dielektrik yang ditempatkan di atas dasar keras dengan elektroda logam di bawahnya, desain baru ini memanfaatkan air sebagai dasar penopang sekaligus elektroda konduktif. Pendekatan arsitektur elektroda atas‑dielektrik‑air ini mengurangi baik berat material maupun biaya sebesar 87% dan 50%, masing‑masing, dibandingkan model lama, sambil mempertahankan tingkat output listrik serupa dan menunjukkan daya tahan luar biasa di berbagai lingkungan kerja.

Diterbitkan dalam National Science Review⁵, studi ini merinci jalur desain “terintegrasi‑alam” yang menghasilkan DEG mengapung berbasis air (W‑DEG) baru yang memanfaatkan fungsi listrik dan struktural air.  

Cara kerjanya adalah, ketika tetesan hujan, sumber air tawar yang membawa energi tak terpakai, mendarat pada permukaan dielektrik mengapung, lapisan fluorinated ethylene propylene (FEP) merespons seketika. Karena kimiawinya inert, film FEP tipis menahan variasi suhu ekstrem, korosi, serta pertumbuhan alga dan bakteri.

Ketika droplet menyebar, ia menciptakan aliran ion, menyebabkan transfer muatan antara daerah atas dan daerah bawah, menghasilkan sejumlah kecil listrik. Permukaan kembali ke keadaan semula ketika droplet memantul.

Sifat alami air di sini memberikan stabilitas mekanik yang diperlukan untuk menyerap benturan dan memungkinkan droplet menyebar secara efisien, tanpa melengkung atau pecah. 

Sifat alami ini mencakup tegangan permukaan kuat dan ketidakkompresibelannya. Air dianggap hampir tidak dapat dimampatkan, artinya ia tidak banyak terkompresi di bawah tekanan. Sementara itu, kohesi kuat antar molekul air, disebabkan ikatan hidrogen, menciptakan tegangan permukaan tinggi.

Ion dalam air, pada gilirannya, berfungsi sebagai pembawa muatan, memungkinkan air berperan sebagai elektroda andal. 

Bersama‑sama, fitur‑fitur ini memungkinkan generator mengapung menghasilkan tegangan puncak sekitar 250 volt per droplet, setara dengan kinerja desain keras tradisional yang menggunakan logam.

Desain ini juga tahan lama, dengan pengujian menunjukkan generator tetap berfungsi di berbagai kondisi, termasuk konsentrasi garam berbeda (hingga 500 mM natrium klorida), suhu, dan bahkan paparan air danau luar ruangan dengan biofouling —masalah signifikan bagi perangkat laut.

Walaupun banyak perangkat energi menurun di lingkungan keras, generator mengapung terus beroperasi stabil karena ketahanan struktur berbasis air dan ketahanan kimia lapisan dielektrik.

Ketika diuji dalam air sangat asin, generator mempertahankan fungsinya setelah seminggu penempatan. Dan jika ada puing yang menempel, pembersihan sederhana mengembalikannya ke kinerja maksimum.

Untuk lebih meningkatkan stabilitas perangkat mereka, tim memanfaatkan tegangan permukaan tinggi air untuk merancang lubang drainase yang memungkinkan air mengalir ke bawah hanya satu arah. Jadi, dengan memanfaatkan gravitasi dan tegangan permukaan, tim dapat mengurangi penumpukan kontaminan dan menjaga kebersihan, sehingga menciptakan sistem regulasi mandiri untuk menghilangkan droplet berlebih. Dengan cara ini, akumulasi air dihindari, yang bila terjadi dapat mengurangi output.

Aspek kunci lain dari W‑DEG mengapung adalah skalabilitas. Dengan ukuran 0,3 meter persegi, peneliti menunjukkan generator droplet jauh lebih besar dibandingkan yang sebelumnya dilaporkan . Dengan masing‑masing generator ini menghasilkan ~250 volt per droplet, mereka dapat menyalakan 50 LED secara bersamaan.

Lebih lanjut, sistem ini juga mampu mengisi kapasitor hingga tegangan berguna dalam hitungan menit. Tim menguji 10 perangkat W‑DEG dan mensimulasikan hujan dengan 120 droplet tiruan, lalu mengisi kapasitor hingga tiga volt, menunjukkan potensinya untuk menyalakan sensor nirkabel dan elektronik kecil.

Dengan pengembangan lebih lanjut, sistem ini dapat digunakan untuk memanen listrik terbarukan dari danau, reservoir, atau wilayah pesisir tanpa menghabiskan lahan berharga yang diperlukan.

“Dengan membiarkan air sendiri memainkan peran struktural dan listrik, kami membuka strategi baru untuk generasi listrik droplet yang ringan, berbiaya rendah, dan dapat diskalakan,” kata co‑author studi, Profesor Wanlin Guo. “Ini membuka pintu bagi sistem hidrovoltaik tanpa tanah yang dapat melengkapi teknologi terbarukan lain seperti surya dan angin.”

Di wilayah yang mengalami curah hujan tinggi, generator listrik droplet mengapung dapat menyediakan solusi energi terdistribusi yang menyalakan aplikasi off‑grid atau menyokong jaringan listrik lokal.

Jika dibandingkan dengan generator droplet tradisional, yang berharga sekitar 210 yuan (sekitar $29,50) per meter persegi dan berat lebih dari empat kilogram (sekitar 8,818 pon), versi mengapung tim ini berharga sekitar 106 yuan (kurang dari $15) dan berat hanya 0,5 kilogram (1,1 pon).

Selain pemanenan air hujan, perangkat ini dapat memiliki aplikasi lain berkat kemampuannya mengapung secara alami di permukaan air. Misalnya, dapat ditempatkan di berbagai lingkungan akuatik untuk menyalakan sistem pemantauan lingkungan seperti sensor yang melacak polusi, kualitas air, atau salinitas.

Desain “terintegrasi‑alam”nya, di mana material alami yang melimpah digunakan sebagai komponen fungsional, juga dapat menginspirasi pendekatan baru dalam teknologi berbasis ekologi.

Namun sebelum perangkat ini dapat diimplementasikan secara luas, ada tantangan yang harus diatasi terlebih dahulu. Variasi ukuran dan kecepatan droplet hujan yang sebenarnya berarti kinerja perangkat dapat terpengaruh. Selain itu, rekayasa lebih lanjut diperlukan untuk memastikan ketahanan dan daya tahan film dielektrik besar dalam kondisi luar ruangan yang dinamis. 

Meskipun tantangan ini ada, hasil laboratorium menjanjikan, dan demonstrasi prototipe efisien, tahan lama, serta dapat diskalakan menandai langkah penting menuju aplikasi praktis DEG mengapung terintegrasi‑air (W‑DEG).

Investing in Water Harvesting Tech

Xylem (XYL ) adalah perusahaan teknologi air global yang berfokus pada manajemen air cerdas, terlibat dalam integrasi sensor, pemantauan, dan sistem aliran air.

Segmen Infrastruktur Airnya menawarkan produk seperti peralatan pengolahan, air, limbah, dan pompa serta kontrol air hujan. Segmen Air Terapan mencakup produk termasuk pompa, katup, penukar panas, dan peralatan dispenser, sementara segmen Solusi Pengukuran & Kontrol (MCS) mengembangkan solusi canggih untuk penggunaan cerdas sumber daya kritis, serta instrumen analitik untuk pengujian air. Segmen Solusi & Layanan Terintegrasi menyediakan sistem peralatan untuk industri dan pemerintah daerah.

Xylem juga memanfaatkan AI untuk memantau aliran air dan mendeteksi kebocoran secara real‑time. Ini memungkinkan masalah dideteksi tepat waktu dan kemudian diperbaiki dengan cepat, menghemat air serta menurunkan biaya.