Alternatif Non-Kimia untuk Baterai dalam Transisi Energi

Apakah Baterai Ide yang Tepat?

The preferred approach to remove fossil fuels from industrialized economies has been electrification. The goal is to replace ICE (Internal Combustion Engine) vehicles with EVs (Electric Vehicles) and produce heat with heat pumps instead of combustion. It is something we investigated in detail in our article “The Future of Mobility – Battery Tech”.

Masalahnya adalah agar perubahan ini benar-benar ‘hijau’, listrik harus berasal dari sumber terbarukan atau berkelanjutan – yang, tergantung pada siapa yang Anda tanya, mungkin termasuk nuklir.

Dalam kedua kasus, perubahan permintaan listrik sepanjang hari dan musim berarti Anda harus membangun banyak kapasitas cadangan yang akan menganggur sebagian besar waktu. Hal ini terutama berlaku untuk energi terbarukan, karena tenaga surya kurang optimal pada musim dingin yang dingin & berawan, dan angin dapat berhenti bertiup selama beberapa minggu.

Jadi ada kebutuhan mendesak akan penyimpanan energi jangka panjang. Salah satu solusi dapat berupa baterai skala utilitas, memanfaatkan kimia baru yang menawarkan biaya lebih rendah atau keunggulan lain. Ini adalah hal yang kami selidiki secara mendetail dalam artikel kami “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech“. Pilihan lain adalah memproduksi beberapa bentuk bahan bakar cair yang dapat disimpan hingga diperlukan, misalnya hidrogen cair atau amonia cair, sesuatu yang kami jabarkan dalam artikel kami “The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks” & “Algal Biofuel: The Next Energy Revolution?”.

Namun bagaimana jika cara yang tepat untuk menyimpan energi selama hari, minggu, bulan, atau bahkan tahun bukanlah baterai? Dalam artikel ini, kami akan melihat semua opsi non-kimia untuk penyimpanan energi.

Udara Terkompresi

Keuntungan Udara Terkompresi

Compressing air requires a lot of energy. This same energy can be partially collected back when decompressing the stored air.

Keunggulan utama teknik ini adalah hanya menggunakan komponen mekanis seperti pipa, pompa, dan tangki, yang hanya memerlukan bahan sederhana seperti baja, bukan bahan langka seperti tanah jarang, kobalt, litium, dll. Bahkan dapat mengandalkan reservoir gas alam yang sudah habis, menyediakan “tangki” yang sangat besar dengan biaya sangat rendah. Dan tentu saja, udara adalah pasokan yang sepenuhnya gratis dan tersedia di mana saja.

Sumber: Electricity Forum

Keuntungan lain adalah bahwa mengompresi udara adalah teknologi yang sudah dipahami dengan baik, dengan rantai pasokan yang sangat mapan, yang dapat siap untuk skala besar dengan cepat bila diperlukan. Ini juga merupakan sistem yang dapat menyimpan energi untuk waktu yang sangat lama dengan sedikit atau tanpa kehilangan.

Kerugian Udara Terkompresi

Masalah utama dalam membuat udara terkompresi efisien adalah fenomena fisik yang terjadi saat Anda mengompresi gas apa pun. Panas dihasilkan selama proses kompresi. Panas ini biasanya harus dibuang untuk menghindari kerusakan pada sistem kompresi, dan berakibat pada kehilangan energi. Udara juga mendingin saat didekompresi, sering memerlukan sistem pemanas.

30-40% energi dapat hilang karena hal ini. Bisa bahkan lebih buruk pada desain yang kurang efisien. Sejauh ini efisiensi terbaik pada skala besar telah dicapai di China dengan kerugian 30%, at the 400 MWh Zhangjiakou plant designed by the Chinese Academy of Sciences.

Jadi meskipun udara terkompresi dapat menjadi opsi yang dapat diterima untuk penyimpanan jangka panjang berbiaya rendah antar musim, kehilangan energi yang tak terhindarkan sebesar 30%+ menjadi beban pada ekonomi sistem. Hanya jika panas yang dihasilkan selama kompresi dapat didaur ulang dalam proses lain, sistem ini dapat menjadi benar-benar efisien.

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.

Pumped Hydro

Ini adalah bentuk penyimpanan energi skala utilitas yang paling umum digunakan saat ini, menyumbang 90% kapasitas penyimpanan energi jaringan global pada tahun 2020, menurut  Department of Energy Global Energy Storage Database.

Pembangkitan tenaga air menggunakan potensi energi dalam air dari curah hujan, menyimpannya di belakang bendungan, dan melepaskannya untuk menghasilkan listrik. Pumped hydro menggunakan listrik untuk memompa kembali air ke atas stasiun pembangkit tenaga air.

Bendungan penyimpanan juga dapat dibangun khusus untuk tujuan penyimpanan pompa, dan hanya memerlukan lanskap berbukit dibandingkan bendungan tenaga air besar yang biasanya memerlukan medan pegunungan. Sebagai alternatif, reservoir bawah tanah juga dapat digunakan.

Sumber: Energy.gov

The energy losses are generally in the range of 20-30%. Penyimpanan dapat bertahan beberapa bulan dengan kerugian terbatas, setidaknya di wilayah yang tidak terlalu panas. Kebutuhan modal dapat cukup besar, tetapi instalasi pumped hydro juga sangat tahan lama.

Ide menarik yang hanya dibahas tetapi belum pernah diuji pada skala besar, adalah menggunakan elektrolisis untuk mengubah air pada ketinggian lebih rendah menjadi hidrogen. Hidrogen ini, yang lebih ringan dari udara, kemudian dipipa ke atas secara “bebas energi”. Kemudian diubah kembali menjadi air (mengembalikan sebagian energi yang dikonsumsi oleh elektrolisis). Air tersebut kemudian menghasilkan listrik lagi saat turun melalui turbin tenaga air.

Meskipun berpotensi memiliki efisiensi keseluruhan jauh lebih baik dibandingkan pumped hydro, ukuran elektroliser yang dibutuhkan dapat membuat sistem ini tetap cukup mahal.

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.

Dalam kasus ini, teknologi yang dibutuhkan bahkan lebih sederhana dibandingkan pumped hydro, karena sebagian besar mengandalkan crane dan alternator untuk menyimpan energi dan mengembalikannya. Crane dan batu juga bukan bahan yang langka.

Keunggulan utama sistem ini adalah efisiensinya. Sebagian besar energi yang hilang pada pump hydro berasal dari turbulensi air, yang mengurangi efisiensi pompa. Sebaliknya, crane dan kabel dapat menghasilkan kerugian serendah 15% (seperempat lebih sedikit kerugian dibandingkan pumped hydro).

Saat ini, perusahaan Gravitricity dan Energy Vault (NRGV )  (NYSE – NRGV) telah mempromosikan konsep ini.

Gravitricity mendaur ulang lubang tambang yang ditinggalkan untuk mengakses sumur yang sudah ada dan mudah ditangani dengan kedalaman beberapa ratus meter untuk menyimpan energi dengan sistem GraviStore miliknya.

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

Dengan ratusan ribu situs tambang di seluruh dunia, ini dapat memiliki potensi yang jauh lebih besar daripada yang banyak orang sadari dan memanfaatkan fakta bahwa infrastruktur sudah ada. Perusahaan tersebut sedang menjajaki kemitraan dengan raksasa industri Swedia ABB untuk menyelesaikan pengembangan teknologinya, serta mengakses kumpulan besar pelanggan tambang ABB.

Sumber: ABB

Keterbatasan “penyimpanan energi padat” dengan gravitasi adalah bahwa energi yang disimpan pada hanya beberapa puluh atau ratus meter tidak begitu besar. Salah satu opsi adalah memiliki cukup banyak, seperti ratusan ribu lubang tambang seperti Gravitricity, atau “gudang” khusus yang masif seperti Energy Vault.

Opsi lain adalah memiliki kedalaman yang jauh lebih panjang. Untuk itu, dasar laut dalam dekat pantai menjadi pilihan. Platform mengapung dapat berdiri di atas area tersebut, dan menurunkan atau mengangkat beban selama beberapa ribu meter. Konsep ini disebut Deep Ocean Gravitational Energy Storage (DOGES). Salah satu perusahaan yang mengerjakan konsep ini adalah startup Prancis Sink Float Solutions.

Sumber: SinkFloatSolutions

Sink Float Solutions mengklaim potensi efisiensi hingga 80% dan biaya yang sangat murah.

“Saat ini, crane lepas pantai dengan kapasitas beban terbesar dapat mengangkat massa sebesar 4000 ton, yang, dengan kecepatan vertikal 20 km/jam, akan setara dengan daya 200 MW. Beberapa winch di lokasi yang sama dapat digunakan secara paralel.”

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.

Idenya adalah membangun silo besar (seperti yang digunakan untuk biji-bijian), mengisinya dengan pasir, dan menambahkan isolasi. Pasir kemudian dipanaskan hingga 400°C. Karena pasir memiliki konduktivitas termal yang cukup rendah DAN massa termal tinggi, ia dapat menyimpan BANYAK energi. Pasir juga sangat tahan, tidak mengalami kerusakan bahkan pada suhu tinggi tersebut.

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.

Pemimpin teknologi ini adalah perusahaan Finlandia Polar Night Energy. Ini adalah konsep yang bekerja sangat baik di negara-negara Nordik dengan “pemanasan distrik” yang sudah ada, di mana air panas untuk radiator diproduksi di lokasi terpusat untuk ratusan atau ribuan apartemen. Hal ini terutama terjadi di Skandinavia, Jerman, dan sebagian besar Eropa Timur serta negara bekas Uni Soviet.

Karena kehilangan energi minimal, energi dapat diakumulasi selama bulan-bulan musim panas yang panjang dan cerah (yang dapat berlangsung 20-24 jam/hari di Finlandia). Produksi fotovoltaik berlebih dapat disimpan dengan cara ini untuk menjaga negara tetap hangat di musim dingin dan mengurangi lonjakan permintaan listrik musiman yang dipicu oleh kebutuhan pemanasan.

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

Konsep serupa “baterai panas” juga sedang dikembangkan oleh Rondo Energy. Bata ini dapat dipanaskan hingga 1500°C. Karena suhu yang lebih tinggi, aplikasi ini dapat digunakan tidak hanya untuk pemanasan distrik, tetapi juga untuk aplikasi industri seperti produksi semen, metalurgi, kimia, atau pertambangan.

Sumber: Rondo Energy

Sementara itu, perusahaan Stiesdal juga sedang mengerjakan baterai panas menggunakan batu hancur. Kapasitas penyimpanan jaringan diperkirakan berkisar antara 10 jam hingga 10 hari.

Terakhir, produsen semen raksasa Holcim juga mengembangkan solusi yang mengandalkan semen, yang menyimpan panas saat kering dan melepaskannya saat terhidrasi. Karena siklus ini dapat diulang secara tak terbatas, biaya akan rendah selama periode waktu yang cukup lama.

Ini dirancang untuk menyimpan kelebihan panas dalam pengaturan industri. Mungkin dapat digunakan sebagai pelengkap stasiun terkompresi, mengurangi kehilangan akibat pemanasan udara saat dikompresi.

Dengan 300kW energi per meter kubik kepadatan, dapat menyimpan banyak daya dengan beberapa ribu ton semen yang relatif murah dan melimpah. Hanya terungkap pada tahun 2022, konsep ini saat ini dalam tahap pengembangan.

Flywheel

Cara lain untuk menyimpan energi adalah dengan mempertahankannya dalam bentuk gerakan mekanik. Flywheel adalah perangkat yang menyimpan energi dengan memutar roda mekanik dalam vakum pada bantalan magnetik, berputar pada kecepatan hingga 20.000 hingga 50.000 rotasi per menit. Sistem dapat menyimpan atau mengembalikan energi dengan mempercepat atau memperlambat flywheel.

Keunggulan utama sistem ini adalah sangat cepat merespons dalam hitungan milidetik. Jadi tidak hanya dapat menyimpan energi, tetapi juga dapat membantu menstabilkan frekuensi jaringan listrik, sesuatu yang lebih sulit dilakukan tanpa pembangkit listrik terpusat yang masif seperti batu bara, gas, atau pembangkit nuklir.

Perusahaan seperti Siemens Energy telah melakukan proyek percontohan menggunakan flywheel, seperti di Australia Selatan (ENR.SW ) (ENR.DE ).

Startup lain juga mengerjakan konsep ini seperti Stornetic, dengan sistem yang diharapkan bertahan setidaknya 20 tahun dan 100.000 siklus pengisian/pengosongan.

Sumber: Stornetic

Perusahaan lain adalah S4 Energy, dengan 60 MWh yang beroperasi atau dalam pembangunan, dan jalur proyek sebesar 1.050 MWh. Reaktivitas flywheel juga dapat membantu membuat beberapa operasi lebih efisien ketika ada lonjakan permintaan daya, seperti crane di pelabuhan Rotterdam, di mana flywheel digunakan untuk mengumpulkan kembali energi ketika beban diturunkan. Flywheel perusahaan tersebut, KINEXT, sangat berat (5 ton) dan bergerak relatif lambat (“hanya” 1.800 rotasi per menit), menjadikannya sangat tahan lama, dengan biaya operasional rendah, dan mudah dipelihara. Flywheel ini hanya memiliki kerugian 8% dari energi yang disimpan, yang sedikit lebih baik bahkan dibandingkan baterai lithium-ion.

Meskipun sangat efisien dan reaktif, total energi yang disimpan oleh flywheel lebih rendah dibandingkan solusi lain dengan biaya serupa, sehingga kemungkinan besar akan tetap terbatas pada aplikasi niche dan untuk stabilitas frekuensi jaringan.

Surya Termal

Panel fotovoltaik mengubah sinar matahari menjadi listrik secara langsung. Sebagai perbandingan, pembangkit listrik tenaga surya termal mengumpulkan panas matahari dan memusatkannya untuk menghasilkan listrik. Karena panas lebih mudah disimpan dengan sedikit inersia, stasiun surya semacam itu masih dapat menghasilkan listrik berjam-jam setelah matahari terbenam, tepat saat konsumsi energi mencapai puncak.

Ide ini, yang kehilangan popularitas karena peningkatan hasil panel fotovoltaik, mungkin kembali populer sekarang karena intermitensi energi terbarukan menjadi masalah yang lebih besar seiring mereka menjadi bagian yang lebih besar dari campuran pembangkit listrik.

Sumber: Energy.gov

Meskipun menjanjikan, konsep ini secara historis terganggu oleh biaya tinggi. Mengalirkan panas dari kolektor ke generator terbukti sulit, dengan panas berbahaya dan hidrogen limbah yang dihasilkan. Desain lain yang menggunakan garam cair juga mengalami kebocoran dan masalah keandalan.

Hal ini juga bermasalah bagi satwa liar, karena burung dapat secara rutin terbakar oleh sinar matahari yang tak terlihat dan sangat terpusat.

Di masa depan, desain yang kurang masif dan sehingga kurang mengganggu ekologi dapat mengembalikan tenaga surya terpusat ke sorotan.