Alternatif Non-Kimia untuk Baterai dalam Transisi Energi

Apakah Baterai Ide yang Tepat?

Elektrifikasi merupakan salah satu cara utama menggantikan bahan bakar fosil dalam perekonomian industri. Contohnya mengganti kendaraan bermesin pembakaran dengan kendaraan listrik dan menghasilkan panas menggunakan pompa kalor alih-alih pembakaran. Kami membahasnya dalam artikel “Masa Depan Mobilitas – Teknologi Baterai”.

Emisi pembangkitan listrik ikut menentukan seberapa ramah iklim perubahan ini. Sumber terbarukan dan sumber rendah karbon lainnya dapat berperan, termasuk tenaga nuklir menurut sebagian definisi keberlanjutan. Penilaian terhadap dampak lingkungan lainnya dapat berbeda.

Permintaan listrik berubah menurut waktu dan musim, sedangkan produksi angin dan surya bergantung pada kondisi. Siang yang pendek dan berawan pada musim dingin membatasi produksi surya; suhu dingin sendiri tidak selalu mengurangi efisiensi panel. Periode angin lemah yang berkepanjangan juga membutuhkan fleksibilitas. Penyimpanan, interkoneksi jaringan, pengelolaan permintaan, dan pembangkitan yang dapat dikendalikan dapat saling melengkapi.

Penyimpanan energi dapat membantu menyeimbangkan sebagian kebutuhan tersebut. Salah satu pilihan adalah baterai jaringan berskala besar dengan kimia yang menawarkan biaya lebih rendah atau keunggulan lain, seperti dibahas dalam “Masa Depan Penyimpanan Energi – Baterai Skala Jaringan”. Pilihan lainnya ialah bahan bakar yang dapat disimpan sampai dibutuhkan, misalnya hidrogen cair atau amonia. Lihat juga “Bahan Bakar Hidrogen Lainnya – Lima Saham Amonia Hijau” dan “Biofuel Alga: Revolusi Energi Berikutnya?”.

Teknologi apa lagi yang dapat menyimpan energi untuk jangka waktu berbeda? Artikel ini membahas alternatif mekanis dan termal bagi baterai elektrokimia. Beberapa usulan hibrida yang disebutkan juga menggunakan reaksi kimia. Tidak semua teknologi cocok untuk penyimpanan selama berhari-hari, berbulan-bulan, atau bertahun-tahun.

Udara Terkompresi

Keuntungan Udara Terkompresi

Memampatkan udara membutuhkan energi. Sebagiannya dapat diperoleh kembali ketika udara yang tersimpan mengembang dan menggerakkan turbin.

Penyimpanan udara terkompresi menggunakan kompresor, pipa, tangki, dan turbin, dengan banyak bahan umum seperti baja. Ini dapat mengurangi ketergantungan pada sebagian bahan baku baterai, tanpa berarti setiap komponennya bebas bahan kritis. Rongga bawah tanah yang sesuai dapat memberikan volume besar, tetapi tidak semua bekas reservoir gas cukup kedap atau cocok. Udara tersedia luas, sedangkan pengolahan dan infrastrukturnya tetap memerlukan biaya.

Sumber: Electricity Forum

Kompresi udara merupakan teknologi industri yang mapan dengan rantai pasokan yang sudah berkembang. Sistem yang dirancang baik dapat memiliki kehilangan kecil selama penyimpanan. Namun, ini berbeda dari kehilangan pada keseluruhan siklus kompresi, penyimpanan, dan pembangkitan listrik, yang bergantung pada desain.

Kerugian Udara Terkompresi

Udara memanas ketika dimampatkan dan mendingin ketika mengembang. Pengelolaan panas menjadi penting. Membuang panas kompresi mengurangi energi yang dapat dipulihkan, tetapi sebagian sistem menyimpan panas itu untuk digunakan kembali saat ekspansi. Jadi, pelepasan seluruh panas ke lingkungan bukan langkah yang wajib.

Artikel 2023 menyebut kehilangan energi satu siklus sekitar 30–40%, lebih besar pada desain yang kurang efisien. Sebagai contoh dengan efisiensi sekitar 70%, artikel merujuk pada fasilitas berkapasitas 400 MWh di Zhangjiakou yang dikembangkan oleh Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok. Angka ini terkait sistem dan kondisi tertentu, bukan batas fisika tetap bagi semua desain.

Udara terkompresi dapat menjadi pilihan penyimpanan lama yang relatif murah jika lokasi dan infrastrukturnya sesuai. Kehilangan konversi tetap memengaruhi biaya. Pemulihan panas kompresi untuk ekspansi atau kebutuhan panas yang berguna dapat meningkatkan pemanfaatan energi; tidak harus melalui proses industri terpisah.

Baterai Gravitasi

Dalam fisika, setiap objek yang naik dianggap memperoleh tingkat “energi potensial” yang lebih tinggi. Energi ini terwujud sebagai gerakan turun segera setelah objek tersebut diizinkan turun. Dari fakta ini muncul ide menggunakan gravitasi untuk menyimpan energi.

Penyimpanan Hidro Terpompa

Sekitar 2020, hidro terpompa merupakan teknologi dominan dengan sekitar 90% atau lebih dari daya penyimpanan jaringan terpasang di seluruh dunia. Artikel merujuk pada Global Energy Storage Database milik Departemen Energi AS. Ini adalah pangsa historis, bukan pengukuran saat ini.

Pembangkit hidro biasa memanfaatkan energi potensial air di ketinggian, sering kali dengan aliran masuk alami. Sistem hidro terpompa memakai listrik untuk memindahkan air dari reservoir bawah ke reservoir atas. Ketika air dialirkan turun melalui turbin, sebagian energi itu dapat dipulihkan.

Dua reservoir dapat dibangun khusus untuk penyimpanan, termasuk sistem tertutup tanpa hubungan terus-menerus dengan sungai. Tetap diperlukan perbedaan ketinggian, geologi, dan persediaan air yang sesuai; lanskap berbukit saja tidak cukup. Reservoir bawah tanah juga mungkin digunakan di lokasi yang cocok.

Sumber: Energy.gov

Kehilangan energi satu siklus umumnya sekitar 20–30%. Air dapat disimpan berbulan-bulan, tetapi penguapan dan kebocoran bergantung pada lokasi serta kondisi. Investasi awalnya dapat besar, sementara fasilitas hidro terpompa umumnya berumur panjang.

Usulan spekulatif lain menggabungkan elektrolisis air di ketinggian rendah, pengangkutan hidrogen ke atas, pembentukan kembali air, dan pembangkitan listrik ketika air turun melalui turbin. Ini adalah sistem hibrida yang melibatkan penyimpanan kimia. Hidrogen yang lebih ringan daripada udara tidak membuat seluruh proses pengangkutan dan konversinya bebas kebutuhan energi.

Artikel ini tidak membuktikan bahwa siklus hibrida itu lebih efisien secara keseluruhan daripada hidro terpompa. Elektrolisis, penanganan gas dan air, konversi balik, kehilangan energi, serta biaya peralatan semuanya harus diperhitungkan.

Penyimpanan Energi Beton/Batu

Air tidak satu-satunya yang dapat disimpan untuk mengakumulasi energi dengan gravitasi. Batu, balok beton, dan objek ultra-berat lainnya juga dapat digunakan.

Pengangkatan dan penurunan massa padat dapat menggunakan derek atau winch, kabel, serta motor–generator listrik. Bahan dasarnya umum, tetapi kendali, keselamatan, dan ketahanan fasilitas memerlukan rekayasa khusus.

Sebagian desain menargetkan kehilangan satu siklus sekitar 15%. Itu bukan kinerja terukur universal untuk semua sistem gravitasi. Perbandingan dengan hidro terpompa perlu mencakup pompa, turbin, motor, generator, pipa, dan gesekan, bukan hanya turbulensi air.

Dalam konteks artikel 2023, perusahaan Gravitricity dan Energy Vault (NRGV ) (NYSE: NRGV) mengembangkan pendekatan tersebut.

Gravitricity berupaya memanfaatkan sumuran vertikal bekas tambang yang sesuai, sedalam ratusan meter, untuk mengangkat dan menurunkan beban melalui GraviStore. Tidak semua sumuran yang ditinggalkan aman atau layak digunakan.

Energy Vault sebaliknya menargetkan konstruksi khusus, dengan balok naik turun tergantung pada permintaan energi.

Bekas tambang menyediakan lokasi potensial, tetapi jumlahnya tidak langsung menunjukkan kapasitas yang dapat dimanfaatkan. Pada 11 Desember 2023, Gravitricity dan perusahaan multinasional ABB yang berkantor pusat di Swiss sudah mengumumkan perjanjian kerja sama untuk teknologi pengangkatan dan pengembangan komersial. ABB juga membawa basis pelanggan pertambangan yang besar.

Sumber: ABB

Energi gravitasi yang tersimpan ditentukan oleh massa dan selisih ketinggian. Dengan perpindahan puluhan atau ratusan meter, energi besar memerlukan massa berat, banyak unit, atau konstruksi khusus berskala besar. Jumlah tambang saja tidak menjadi perhitungan kapasitas yang praktis tersedia.

Usulan lain memanfaatkan kedalaman laut yang besar di dekat pantai. Platform terapung dapat mengangkat dan menurunkan beban sepanjang ribuan meter. Konsep ini disebut Deep Ocean Gravitational Energy Storage atau DOGES. Artikel 2023 menyebut pengembangnya sebagai startup Prancis Sink Float Solutions.

Sumber: SinkFloatSolutions

Sink Float Solutions menyatakan potensi efisiensi hingga 80% dan biaya rendah. Itu merupakan klaim tentang konsep yang diusulkan, bukan hasil ekonomi fasilitas komersial yang dibuktikan dalam artikel ini.

Contoh perhitungan perusahaan menggabungkan massa 4.000 ton dan kecepatan vertikal 20 km/jam, yang secara teori menghasilkan daya pada orde 200 MW. Beberapa winch dapat dioperasikan paralel. Perhitungan itu tidak membuktikan bahwa derek lepas pantai yang ada mampu mengangkat beban tersebut pada kecepatan itu sekaligus. Energi total juga bergantung pada selisih ketinggian perpindahan.

Ekonomi nyata dari sistem ini sangat bergantung pada daya tahannya, dengan korosi dari air laut pada bagian mekanis menjadi perhatian utama.

Baterai Pasir/Panas

Banyak listrik digunakan untuk menghasilkan panas, baik untuk keperluan industri maupun untuk menghangatkan rumah dan apartemen pada musim dingin. Alih-alih menyimpan listrik seperti baterai kimia, baterai pasir berupaya menyimpan panas secara langsung.

Silo berinsulasi diisi pasir yang sesuai atau bahan padat murah lainnya, lalu dipanaskan, misalnya hingga 400 °C. Massa termal dan insulasi memungkinkan penyimpanan panas dalam jumlah besar. Pemilihan bahan dan suhu maksimum bergantung pada desain.

Sumber: Polar Night Energy

Konsep ini mengandalkan teknologi yang sangat sederhana, dengan pipa standar, pompa udara, pemanas listrik, baja, dan pasir kualitas rendah yang tidak dapat digunakan untuk aplikasi seperti beton.

Perusahaan Finlandia Polar Night Energy mengembangkan penyimpanan panas semacam ini. Sistem dapat dihubungkan ke jaringan pemanas distrik yang menyalurkan panas dari sumber terpusat ke banyak bangunan. Jaringan tersebut terdapat di Skandinavia, Jerman, dan sebagian Eropa Timur serta bekas Uni Soviet. Mengubah panas kembali menjadi listrik membutuhkan peralatan tambahan dan menimbulkan kehilangan tambahan.

Insulasi yang baik dapat mempertahankan panas lama, tetapi kehilangan dan kapasitas musiman yang berguna bergantung pada ukuran serta pengoperasian. Di beberapa wilayah utara Finlandia, siang pada musim panas dapat berlangsung sekitar 20–24 jam, bukan di seluruh negara. Setiap jam terang juga tidak sama dengan produksi surya berdaya penuh. Menyimpan surplus musim panas sebagai panas dapat membantu sebagian kebutuhan musim dingin, tanpa membuktikan bahwa sistem itu sendiri dapat menghangatkan seluruh negara.

Kita dapat membayangkan iterasi selanjutnya dari konsep ini dapat digunakan untuk menghangatkan rumah kaca, atau mengandalkan sistem surya termal.

Perusahaan Rondo Energy juga mengembangkan baterai panas dengan bata tahan api yang dipanaskan secara listrik hingga sekitar 1.500 °C. Panas dapat disalurkan sebagai udara panas atau uap untuk produksi semen, metalurgi, industri kimia, atau pertambangan. Efisiensi tinggi penyimpanan panas tidak otomatis sama dengan efisiensi konversinya kembali menjadi listrik.

Sumber: Rondo Energy

Dalam brosur 2023, Stiesdal menjelaskan GridScale yang menggunakan batu pecah. Sistem memiliki tangki panas dan dingin serta siklus pompa kalor dan turbin. Rentang 10 jam hingga 10 hari adalah durasi penyimpanan atau pengosongan yang dirancang untuk konfigurasi berbeda, bukan kapasitas energi dalam MWh.

Selain itu, Holcim mengembangkan sistem berbahan semen khusus bersama INSA Lyon dan ENGIE. Panas disimpan dan dilepaskan melalui dehidrasi serta hidrasi. Ini adalah penyimpanan termokimia, sehingga merupakan pengecualian dari pilihan yang sepenuhnya nonkimia. Siklus yang dapat diulang tidak membuktikan masa pakai tak terbatas tanpa perawatan atau menjamin biaya rendah.

Tujuannya adalah memanfaatkan surplus panas dalam jaringan pemanas dan industri. Integrasi dengan penyimpanan udara terkompresi memerlukan kajian teknis tersendiri; artikel ini tidak menunjukkan fasilitas terintegrasi yang sudah terbukti bekerja.

Pengumuman perusahaan menggunakan angka “300 kW per meter kubik” untuk penyerapan energi. Namun, kW mengukur daya, bukan energi. Tanpa dasar waktu, angka itu bukan kepadatan energi yang valid dan tidak dapat digunakan untuk menghitung energi tersimpan dari jumlah ton bahan. Konsep tersebut masih dikembangkan ketika diperkenalkan pada 2022.

Roda Gila

Roda gila menyimpan energi kinetik dalam massa yang berputar. Sebagian desain memakai vakum dan bantalan magnetik pada 20.000–50.000 putaran per menit, sementara desain lain jauh lebih lambat. Motor–generator menyimpan energi dengan mempercepat putaran dan memulihkannya dengan memperlambatnya.

Keunggulannya adalah respons dalam hitungan milidetik. Roda gila dapat mendukung frekuensi dan kestabilan dinamis jaringan, terutama ketika inersia dari generator sinkron besar berkurang. Layanan cepat ini berbeda dari penyediaan energi besar selama berjam-jam atau berhari-hari.

Untuk ElectraNet, Siemens Energy memasok kondensor sinkron dengan roda gila tambahan di Australia Selatan (ENR.SW ) (ENR.DE ). Fungsinya mendukung inersia dan kestabilan jaringan, bukan demonstrasi penyimpanan musiman.

Produsen Stornetic menyebut perkiraan umur mekanis EnWheel lebih dari 20 tahun dan lebih dari 100.000 siklus pengisian/pengosongan. Itu tidak menjamin setiap komponen bertahan puluhan tahun tanpa penggantian; elektronika dayanya diperkirakan perlu diganti lebih awal.

Sumber: Stornetic

Perusahaan S4 Energy menggabungkan roda gila dan baterai dalam sistem hibrida. Artikel 2023 menyebut portofolio 60 MWh yang beroperasi atau dibangun dan rencana proyek 1.050 MWh. Angka itu bukan kapasitas satu roda gila dan bukan seluruhnya fasilitas yang sudah selesai. Artikel juga mencontohkan pemulihan energi ketika beban derek diturunkan di Rotterdam. KINEXT memakai massa sekitar 5 ton dengan kecepatan hingga sekitar 1.800 putaran per menit, untuk respons cepat dan banyak siklus. Efisiensi sekitar 92% yang disebutkan adalah efisiensi siklus konversi, bukan kehilangan hanya 8% selama penyimpanan tanpa batas dan bukan bukti selalu lebih unggul daripada baterai litium-ion.

Roda gila cocok untuk respons cepat, siklus berulang, pemulihan energi, dan layanan jaringan. Kapasitas energi yang terbatas dibandingkan biayanya serta kehilangan selama diam biasanya membuatnya lebih sesuai untuk durasi pendek daripada penyimpanan musiman.

Tenaga Surya Termal Terkonsentrasi

Panel fotovoltaik mengubah cahaya langsung menjadi listrik. Pembangkit surya termal terkonsentrasi menggunakan cermin untuk memanaskan penerima dan media pembawa panas, lalu menghasilkan listrik melalui siklus termal. Jika dilengkapi penyimpanan panas yang sesuai, produksi dapat berlangsung berjam-jam setelah matahari terbenam, tergantung kapasitas dan kondisi.

Panel surya yang semakin murah dan baik membuat persaingan lebih berat bagi surya termal terkonsentrasi. Penyimpanan dan produksi yang dapat dikendalikan tetap bisa bernilai dalam jaringan dengan banyak sumber terbarukan yang berubah-ubah, tetapi kebangkitan komersialnya tidak otomatis terjamin.

Sumber: Energy.gov

Tantangannya mencakup biaya, perpindahan panas, dan keandalan. Penguraian minyak perpindahan panas organik tertentu pada suhu tinggi dapat menghasilkan hidrogen yang menurunkan kinerja insulasi penerima. Ini bukan limbah yang pasti dihasilkan semua pembangkit surya termal. Garam cair memiliki tantangan lain, termasuk pembekuan, korosi, dan kebocoran.

Satwa liar juga dapat terdampak. Khususnya di sekitar penerima menara, konsentrasi radiasi matahari yang tinggi dapat melukai atau membunuh burung. Risiko bergantung pada lokasi dan desain; dampaknya tidak sama pada semua fasilitas dan radiasi matahari tidak seluruhnya tak terlihat.

Desain mendatang dapat memperbaiki biaya, keandalan, dan kinerja lingkungan. Ukuran yang lebih kecil tidak dengan sendirinya menjamin dampak ekologis lebih rendah; setiap penerapan perlu dievaluasi.