Baterai Panas Cepat Matur Tanpa Perlu Menambang Logam

Penyimpanan Energi Skala Besar Diperlukan

Ada kebutuhan yang semakin meningkat akan sistem baterai yang dapat menyimpan banyak daya selama beberapa jam atau hari. Hal ini karena tenaga surya dan angin bersifat intermiten, berfluktuasi sepanjang hari dan dari hari ke hari.

Faktor lain adalah permintaan energi dari proses industri, seperti metalurgi. Pabrik-pabrik ini membutuhkan listrik 24/7, biasanya untuk menghasilkan banyak panas pada kisaran 1.000‑1.500°C.

Menggunakan baterai lithium‑ion seperti pada kendaraan listrik tidak mungkin menjadi solusi yang dapat diterapkan secara skala besar. Mereka terlalu mahal, tidak cukup tahan lama, dan mengonsumsi terlalu banyak bahan baku.

Inilah mengapa banyak kimia baterai alternatif yang berbeda telah dipertimbangkan untuk penyimpanan energi skala utilitas. Kami membahas sebagian besar opsi ini dalam artikel kami “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech“, termasuk lithium‑iron‑phosphate, sodium‑ion, redox‑flow, iron‑air, logam cair, nickel‑hydrogen, sodium‑sulfur, dll.

Semua baterai ini menyimpan energi dalam bentuk listrik dengan satu cara atau lainnya, biasanya melalui proses oksidasi dan reduksi logam.

Masalahnya, bahkan logam yang sangat umum seperti besi atau aluminium tetap memerlukan banyak penambangan. Jadi bagaimana jika kita menyimpan energi dalam bentuk lain?

Menyimpan Panas

Ada sejumlah opsi yang cukup besar untuk menyimpan energi tanpa menggunakan listrik sebagai media penyimpanan. Kami meneliti lebih detail dalam “Non-Chemical Alternatives To Batteries For The Energy Transition“. Opsi-opsi ini meliputi:

• Udara terkompresi.
• Baterai gravitasi (batu, hidro pompa).
• Baterai panas.
• Roda gila.
• Surya termal.

Setiap opsi ini, baik baterai maupun non-baterai, memiliki kelebihan dan kekurangan. Solusi penyimpanan energi yang ideal akan memenuhi beberapa karakteristik berikut:

• Tidak memerlukan logam dan bahan langka.
• Penyimpanan energi jangka panjang.
• Biaya rendah.
• Mudah diskalakan tanpa batasan pada lokasi atau sumber daya yang tersedia.
• Dapat digunakan sebagai listrik dengan kerugian minimal.

Untuk 4/5 item pertama, penyimpanan panas akan memenuhi kebutuhan. Baterai pasir, seperti yang diproduksi oleh perusahaan Finlandia Polar Night Energy, dapat menyimpan energi berlebih dari musim panas ke musim dingin, sangat penting untuk menyalakan sistem pemanas dengan energi terbarukan di musim dingin yang beku dan tanpa sinar matahari di Utara. Dan ia hanya menggunakan pasir berkelas rendah serta sedikit logam untuk rangka dan pipa.

Sumber: Polar Night Energy

Baterai panas serupa dibayangkan oleh Rondo Energy, dengan bata yang dapat dipanaskan hingga 1500°C, menggunakan panas tersebut untuk proses industri seperti produksi semen atau baja.

Baterai panas ini bekerja dengan baik ketika produk yang diinginkan dipanaskan terlebih dahulu, baik itu pemanasan distrik untuk apartemen maupun panas industri.

Sumber: Rondo Energy

Namun, baterai panas dianggap kurang cocok untuk menyediakan energi ke jaringan, karena efisiensi mengubah panas kembali menjadi listrik biasanya berada pada kisaran rendah 20‑30%. Ini berarti hingga 4/5 energi yang “disimpan” sebenarnya hilang. Atau, dengan kata lain, energi yang disimpan tiba‑tiba menjadi 5 kali lebih mahal dibandingkan saat diproduksi.

Meskipun energi surya kini sebanding dengan energi bahan bakar fosil, masih jauh dari lima kali lebih murah. Namun, masalah ini mungkin hanya bersifat sementara, dengan inovasi dalam teknologi yang disebut termofotovoltaik.

Sel Termofotovoltaik – Fotovoltaik, Tetapi Dengan Panas

Termofotovoltaik adalah gagasan menghasilkan daya dengan cara serupa seperti fotovoltaik tradisional tetapi menggunakan panas bukan sinar matahari —atau lebih tepatnya, cahaya inframerah yang dipancarkan oleh material yang dipanaskan.

Pada panel fotovoltaik tradisional, setiap frekuensi cahaya di bawah ambang tertentu tidak cukup energik untuk menghasilkan arus dan terbuang. Hal ini berlaku untuk semua cahaya inframerah, karena gelombang elektromagnetik inframerah memiliki energi yang terlalu rendah.

Ini bukan teknologi baru, tetapi selalu mengalami efisiensi yang terlalu rendah untuk diadopsi secara luas. Hal ini benar sampai pencapaian terbaru oleh peneliti di University of Michigan, yang merilis hasil mereka dalam publikasi ilmiah berjudul “High-efficiency air-bridge thermophotovoltaic cells“.

Mereka mengklaim telah mencapai efisiensi rekor 44% untuk suhu di bawah 1.500°C, jauh lebih tinggi daripada hasil sebelumnya yang hanya mencapai 37%.

Dan para peneliti berpikir mereka memiliki cara untuk mencapai 50% “dalam masa depan yang tidak terlalu jauh”.

Sumber: Cell

Bagaimana Sel Termofotovoltaik Bekerja?

Pertama, material penyimpanan, yang dapat berupa batu, pasir, karbon, bata, keramik, dll., harus dipanaskan, baik dengan listrik berlebih dari energi terbarukan atau panas matahari langsung.

Pada 1435°C, sekitar 20‑30% foton inframerah yang dipancarkan memiliki energi cukup untuk menghasilkan listrik dalam sel termofotovoltaik tim peneliti.

Sumber: Design Boom

Frekuensi inframerah lainnya tidak dapat diubah menjadi listrik dengan semikonduktor yang digunakan dalam panel termofotovoltaik.

Jadi, bagaimana mereka mencapai 44% dari situ? “Trik” cerdik tersebut adalah menambahkan lapisan tipis udara ke sel termofotovoltaik tepat di luar semikonduktor dan reflektor emas di luar celah udara.

Ini membuat foton dengan tingkat energi yang tepat terperangkap dan siap menghasilkan listrik. Foton lainnya akan dikirim kembali ke material yang dipanaskan, memanaskannya kembali. Mereka kemudian memiliki kesempatan lain untuk dikirim ke sel termofotovoltaik dengan frekuensi cahaya yang tepat.

Secara esensial, ini memungkinkan sel untuk mendaur ulang apa yang tidak tertangkap pada percobaan pertama, meningkatkan efisiensi konversi secara keseluruhan.

Baterai Panas Masa Depan

Efisiensi 44% atau bahkan 50% mungkin tidak tampak begitu mengesankan bila dibandingkan dengan hidro pompa (70‑85%) atau baterai lithium‑ion (85‑95%).

Sumber: EESI

Namun hal ini mengabaikan fakta bahwa penerapan massal penyimpanan energi skala utilitas berkaitan erat dengan ekonomi sebagaimana teknologi.

Baterai memiliki umur pakai yang diukur dalam tahun sebelum perlu didaur ulang. Selain itu, tidak cukup lithium dan bahkan lebih sedikit tembaga, nikel, atau kobalt untuk menerapkannya pada skala tersebut, terutama karena sebagian besar produksi logam ini sudah dibutuhkan untuk kendaraan listrik.

Sebaliknya, baterai panas dapat bertahan puluhan tahun dengan sedikit atau tanpa perawatan. Mereka hampir tidak memerlukan material selain batu, pasir, atau tanah liat. Mereka dapat dibangun di mana saja dan dalam ukuran apa pun, bahkan sangat besar, dengan hampir tidak berpengaruh pada ekosistem, berbeda dengan pembangkit listrik tenaga air.

Terakhir, panas adalah salah satu metode paling efisien ketika energi perlu disimpan selama minggu hingga bulan, dengan hampir semua jenis baterai “bocor” daya seiring waktu pada tingkat yang jauh lebih tinggi dibandingkan sistem penyimpanan panas yang terisolasi dengan baik.

“Ini adalah bentuk baterai, tetapi sangat pasif. Anda tidak perlu menambang lithium seperti pada sel elektrokimia, yang berarti Anda tidak perlu bersaing dengan pasar kendaraan listrik.

Berbeda dengan air yang dipompa untuk penyimpanan energi hidroelektrik, Anda dapat menempatkannya di mana saja dan tidak memerlukan sumber air di dekatnya,”

Stephen Forrest, University Professor of Electrical Engineering at U-M

Jadi, secara keseluruhan, baterai panas dapat menjadi solusi penyimpanan energi yang sempurna untuk menghaluskan intermitensi energi terbarukan. Dan bahkan menyimpan energi berlebih dari bulan-bulan berangin atau cerah ke musim dingin untuk iklim sedang, atau ke musim hujan untuk iklim tropis.

Penyimpanan Panas / Perusahaan Thermophotovoltaic

1. II-VI Marlow / Coherent

II-VI Marlow adalah cabang dari II-VI Inc., pemimpin industri dalam (saat ini masih kecil) bidang produksi sel termofotovoltaik. Pada tahun 2022, II-VI Inc. mengakuisisi produsen laser Coherent Inc. dan kemudian mengubah nama perusahaannya.

Perusahaan ini ahli dalam material canggih yang digunakan dalam laser, optik, dan fotonik, seperti indium fosfid, wafer epitaksial, dan galium arsenida. Perusahaan ini tumbuh secara signifikan berkat banyak akuisisi selama dekade terakhir.

Sumber: Coherent

Aktivitas termofotovoltaik perusahaan ini hanya merupakan bagian kecil dari total pendapatannya, dengan serat optik, laser, dan lainnya menjadi mayoritas pendapatannya. Namun, ini mungkin menjadi kabar baik bagi investor, karena juga berarti perusahaan memiliki modal untuk menerapkan teknologi baru dengan cepat pada skala industri jika inovasi membuka pasar baru.

Sumber: Coherent

Misalnya, pasar besar penyimpanan skala utilitas untuk energi terbarukan berlebih…

Karena Universitas Michigan telah “mengajukan perlindungan paten (…) dan mencari mitra untuk membawa teknologi ke pasar“, tidak mengherankan jika perusahaan seperti Coherent menjadi yang membawa sel termofotovoltaik baru ke pasar. Terutama mengingat keahlian mereka yang sudah ada dalam produksi industri termofotovoltaik dan material canggih serupa.

2. Sumitomo Electric Industries (SMTOY)

Sel termofotovoltaik yang digunakan oleh peneliti Universitas Michigan dibuat dengan InGaAsP (indium gallium arsenide phosphide).

“Jadi kami menyelidiki apakah menerjemahkan arsitektur jembatan-udara dari penyerap grup III–V ternari ke kuaternari (InGaAsP yang cocok dengan kisi substrat InP) dapat meningkatkan efisiensi dalam rentang suhu pemancar yang ditargetkan.”

Jika teknologi ini menjadi format standar untuk penyimpanan energi skala utilitas, kami akan membutuhkan InGaAsP, dan dalam jumlah besar.

Jadi masuk akal dalam skenario ini untuk bertaruh pada perusahaan yang selama 30 tahun menjadi pemimpin dalam produksi InGaAsP, konglomerat Jepang Sumitomo.

Selama lebih dari 30 tahun, Divisi Semikonduktor Sumitomo Electric telah mempertahankan posisinya sebagai produsen terbesar di dunia untuk galium arsenida (GaAs) dan indium fosfid (InP).

Nama Sumitomo telah menjadi sinonim kualitas dalam material III-V. Sumitomo Electric memperoleh reputasi ini dengan menyediakan substrat berkualitas tinggi kepada pelanggan globalnya, yang menghasilkan hasil lebih tinggi dan perangkat dengan karakteristik listrik yang konsisten.

Sumitomo Compound Semiconductor – About Us

Sumitomo Electric Industries, dan compound semiconductors department, adalah cabang dari Sumitomo conglomerate, salah satu sōgō shōsha (perusahaan perdagangan umum) terbesar di dunia.

Selain InGaAsP, kegiatan utama Sumitomo Electric Industries adalah memproduksi:

• Peralatan telekomunikasi (serat optik, 5G)
• Kabel kelistrikan otomotif dan kabel berdaya tinggi
• Elektronik (sirkuit cetak fleksibel, kabel data, membran filtrasi)
• Material berkualitas tinggi (karbida, alat pemotong, kawat baja pra-tegang).

Sumber: Sumitomo

Keahlian dalam memproduksi massal material berkualitas tinggi, kepemimpinan dalam produksi InGaAsP, dan koneksi bisnis yang datang dengan menjadi bagian dari sōgō shōsha / perusahaan perdagangan umum seharusnya memastikan bahwa Sumitomo Electric Industries akan menjadi salah satu penerima manfaat utama dari adopsi massal termofotovoltaik.

Pertumbuhan ini juga seharusnya menguntungkan bagi sektor telekomunikasi (digitalisasi, AI) dan produk afinitas kendaraan listrik (kabel, kelistrikan), yang keduanya merupakan sektor yang sedang booming.