Masa Depan Penyimpanan Energi – Teknologi Baterai Skala Utilitas

Kebutuhan Jaringan Listrik Terhadap Baterai

Baterai telah berkembang dari komponen murah pada elektronik kecil menjadi komponen kunci yang mahal dalam revolusi kendaraan listrik. Namun ada segmen lain selain mobilitas yang membutuhkan kapasitas baterai yang semakin besar: jaringan listrik.

Energi terbarukan terus meningkat sebagai bagian dari total pembangkit listrik. Namun mereka juga lebih tidak menentu dibandingkan pembangkit berbahan bakar fosil, karena biasanya menghasilkan listrik saat matahari bersinar atau angin bertiup. Hal ini mungkin tidak bertepatan dengan waktu konsumsi puncak, yang sering terjadi pada malam hari atau musim dingin. Jaringan listrik tidak menyimpan listrik apa pun tetapi harus seimbang antara produksi dan konsumsi setiap saat.

Jadi semakin banyak pembangkit terbarukan, semakin banyak baterai yang dibutuhkan untuk menjaga kestabilan jaringan listrik Anda. Ini merupakan area investasi energi baru yang utama, dengan proyek baterai skala utilitas yang dijadwalkan akan melipatgandakan kapasitas saat ini lebih dari tiga kali lipat pada tahun 2025.

Sumber: EIA

Untuk saat ini, banyak taman baterai ini menggunakan baterai lithium-ion. Namun hal ini mungkin berubah.

Kebutuhan Berbeda

Saat ini, industri baterai sebagian besar telah berkembang untuk melayani pasar elektronik kecil dan kendaraan listrik. Hal ini karena keduanya memiliki persyaratan serupa untuk baterai ideal:

• Kecil dan ringan, sehingga memiliki densitas tinggi yang diukur dalam Wh/kg.
• Beroperasi dalam rentang suhu “normal”.
• Tidak terlalu sensitif terhadap harga.
• Dapat bertahan setidaknya 5-10 tahun, dengan kira-kira satu kali pengisian penuh per hari.

Untuk kumpulan kriteria khusus ini, teknologi lithium-ion sejauh ini menjadi yang terbaik untuk teknologi baterai. Hal ini mungkin akan berubah segera, dengan kemungkinan seperti baterai solid-state, sodium-ion, atau lithium-iron-phosphate (LFP) sebagai alternatif potensial. Anda dapat membaca lebih lanjut dalam artikel kami: The Future of Mobility – Battery Tech.

Namun baterai jaringan listrik / skala utilitas memiliki kebutuhan yang sangat berbeda.

• Tidak ada batasan berat yang ketat. Baterai tidak bergerak ke mana-mana sehingga berat yang akan melumpuhkan kendaraan listrik bukan masalah.
• Tidak ada batasan ruang yang ketat. Taman baterai akan dibangun di lahan murah di sekitar pembangkit listrik. Tidak perlu menatanya rapat di dalam rangka komputer atau kendaraan listrik.
• Suhu tinggi tidak terlalu menjadi masalah. Jika kimia tertentu bekerja lebih baik pada 200°C, ini tidak akan membakar penumpang kendaraan listrik. Namun, di sebagian besar negara, baterai harus dapat menahan cuaca dingin, karena harus menghangatkannya di musim dingin akan sangat mahal. Hal ini menjadi tantangan bagi baterai berbasis litium.
• Biaya per Wh adalah faktor terpenting.
• Semakin lama baterai bertahan, semakin banyak biaya tersebut dapat diamortisasi selama periode panjang, dengan perusahaan utilitas terbiasa berinvestasi dalam jangka waktu 30-40 tahun.

Mengingat perbedaan kebutuhan yang sangat besar antara kendaraan listrik dan baterai skala utilitas, tidak mengherankan bahwa teknologi baru dan kimia baterai baru sedang dikembangkan untuk memberikan solusi yang lebih hemat biaya bagi perusahaan listrik dan operator jaringan.

Dalam praktiknya, kita dapat mengharapkan beberapa teknologi penyimpanan energi yang berbeda untuk “menang” bersama, karena beberapa lebih cocok untuk penyeimbangan jaringan secara langsung, dan beberapa lainnya untuk skala waktu yang berbeda (jam, minggu, seluruh musim).

Sumber: CleanTech

Sementara artikel ini memberikan gambaran umum tentang topik tersebut, Anda mungkin juga ingin membaca laporan terperinci ini dari Ara Ake tentang sistem penyimpanan energi stasioner.

Kimia Baterai Baru untuk Aplikasi Skala Jaringan

Kimia Baru yang Dihasilkan dari EV

Membangun baterai adalah permainan skala. Batch produksi terbesar, dengan rantai pasokan terluas, dapat mengelola ekonomi skala dan oleh karena itu biaya per Wh yang lebih murah.

Untuk alasan ini, cukup banyak perusahaan baterai skala utilitas bertaruh pada kimia baterai berbiaya rendah yang sudah digunakan dalam EV untuk menggantikan penyimpanan berbasis lithium-ion.

Baterai LFP

Salah satu opsi adalah LFP (lithium-iron-phosphate), kandidat yang baik untuk baterai EV berbiaya rendah, dan kimia baterai yang tidak bergantung pada kobalt dan nikel yang mahal. Mereka juga lebih tahan lama dibandingkan lithium-ion, menjadikannya lebih ekonomis dalam jangka panjang. Ini sudah tersedia dalam solusi siap pakai skala utilitas, termasuk dari pemimpin sektor seperti CATL atau BYD.

Baterai Sodium-Ion

Selain kobalt dan nikel, litium sendiri kadang dapat sangat mahal, tergantung pada fluktuasi harga litium. Jadi menggantinya dengan natrium yang melimpah dapat membantu menurunkan harga lebih jauh. Ia sedikit kurang padat energi (Wh/kg) dibandingkan LFP, tetapi juga lebih murah, sehingga mungkin menjadi kandidat yang lebih baik untuk kimia baterai yang dapat berfungsi baik di EV maupun jaringan listrik.

Baterai Redox Flow

Kategori baterai ini bergantung pada proses kimia oksidasi dan reduksi logam. Berbagai logam berbeda dapat digunakan untuk baterai redox-flow, serta jenis aliran ion lainnya.

Sumber: CellCube

Baterai Besi-Udara

Baterai menghasilkan listrik dengan mengoksidasi besi, dan kemudian membalik proses tersebut dengan mengkonsumsi listrik.

Keuntungan utama adalah dengan memanfaatkan bahan yang sangat murah, baterai ini dapat sangat hemat biaya. Pendukung teknologi ini mengklaim baterai besi-udara akan 10 kali lebih murah, berkinerja lebih baik, dan bertahan 17 kali lebih lama. Kekurangan baterai yang besar, berat, dan lambat mengisi atau mengosongkan tidak seharusnya menjadi masalah untuk aplikasi skala utilitas. Perusahaan seperti Form Energy sudah membangun fasilitas untuk memproduksi massal baterai ini.

Baterai Seng

Dengan menggunakan logam murah lainnya, baterai ini mencakup beberapa opsi seperti kimia seng-bromin, seng-mangan, atau seng-udara. Keuntungan utama teknologi ini adalah kapasitas penyimpanan yang sangat lama, dengan sangat sedikit kehilangan/pengosongan. Hal ini dapat menjadikannya kandidat yang baik untuk menyimpan energi angin, dengan hari tanpa angin yang kadang berlangsung beberapa minggu, sesuatu yang sulit diatasi oleh teknologi baterai dengan penyimpanan kurang tahan lama. “Baterai seng diperkirakan akan mencakup 10% pasar penyimpanan pada tahun 2030, menurut analis energi Avicenne Consulting”. Beberapa perusahaan terkemuka di bidang ini adalah Redflow (seng-bromin) dan Zinc8 (seng-udara).

Baterai Vanadium Redox Flow – VRFB

Vanadium adalah logam yang sebagian besar digunakan saat ini dalam produksi baja tahan karat. Dalam baterai, ia dapat menciptakan baterai yang paling cocok untuk siklus harian dan melancarkan kurva produksi energi terbarukan selama hari, berkat kemampuan menangani setidaknya 10 siklus pengisian-pengosongan per hari, sekaligus memiliki kapasitas retensi yang baik hingga 24 jam. Umur baterai dapat sangat panjang, hingga 20-25 tahun, dan bahkan pada saat itu hanya perlu penggantian bagian rangka plastik, dengan komponen logam hampir sepenuhnya dapat didaur ulang.

Sektor ini sangat aktif, dengan perusahaan seperti CellCube, Invinty Energy Systems, Rongke Power, dan VRB Energy yang mengerjakan teknologi ini.

Baterai Air Garam Laut / Aqueous Saltwater Batteries

Konsep ini bergantung pada aliran ion garam melalui membran untuk menyimpan energi. Beberapa versi baterai ini yang dibuat oleh Salgenx bahkan tidak menggunakan membran sama sekali, yang mengurangi biaya, kompleksitas, dan perawatan, namun dengan elektrolit khusus yang tidak bercampur dengan air.

Baterai Logam Cair

Konsep ini didasarkan pada peleburan aluminium, proses yang sangat membutuhkan listrik; bagaimana jika proses ini dapat dibalik?

Banyak biaya baterai berasal dari kesulitan dalam memproduksinya. Anoda dan Katoda harus dipisahkan dengan sempurna untuk menghindari hubungan pendek.

Pada baterai logam cair, ketiga komponen utama, anoda, katoda, dan elektrolit, semuanya berupa cairan. Mereka terpisah secara spontan satu sama lain berkat perbedaan densitas cairan. Fakta tidak adanya komponen padat secara teori harus meningkatkan umur baterai secara dramatis, serta memungkinkan pengisian dan pengosongan yang sangat cepat dan dapat didaur ulang sepenuhnya.

Perusahaan Ambri, yang menggunakan baterai kalsium dan antimon, menargetkan produksi 200.000 sel baterai per tahun di pabrik barunya pada tahun 2024, dan telah menjadi pemasok Microsoft (MSFT ) sejak 2022.

Sumber: Ambri

Perusahaan NGK insulator juga sedang mengerjakan baterai garam cair sodium-sulfur, dan perusahaan FZSoNick sedang mengerjakan baterai sodium-nikel-klorida.

Baterai Metal Hydrogen / Nickel Hydrogen

Baterai ini mengubah hidrogen menjadi air dan kemudian mengoksidasi logam. Meskipun nikel bukan satu-satunya logam katoda yang mungkin dalam teknologi ini (alternatifnya dapat berupa mangan, timbal, atau besi), ia adalah opsi yang paling umum dan berenergi tinggi.

Ini adalah jenis baterai yang digunakan NASA di ISS (International Space Station).

Teknologi ini memiliki keunggulan sangat aman, tanpa perawatan, dan dapat mengelola rentang suhu yang luas (-40 hingga +60°C).

Teknologi ini secara khusus dipromosikan oleh Enervenue, yang keluar dari mode stealth pada tahun 2020, menampilkan versi baru baterainya dengan umur 30 tahun, 30.000 siklus yang dirilis pada September 2023. Baterai hidrogen-mangan dikembangkan oleh RFC Power.

Baterai CO2

Peningkatan kadar CO2 menjadi pendorong utama dorongan menuju energi terbarukan dan elektrifikasi, dan oleh karena itu juga meningkatkan kebutuhan akan baterai. Jadi agak ironis bahwa molekul yang sama digunakan untuk menyimpan energi terbarukan.

Noon Energy baterai CO2 memisahkan CO2 menjadi karbon dan oksigen untuk menyimpan energi. Baterai alir ini dioperasikan pada tekanan tinggi dan suhu antara 50 hingga 200 bar serta 600 hingga 800 ºC. Tipe baterai ini pertama kali dikembangkan untuk Mars Rover Perseverance.

Hal ini tidak boleh disalahartikan sebagai “baterai CO2” dari Energy Dome, yang bergantung pada siklus likuidasi dan penguapan CO2, menjadikannya bukan baterai sejati, melainkan lebih mirip dengan penyimpanan energi gas terkompresi.

Baterai Sodium-Sulfur

Baterai ini, untuk saat ini, terbatas pada aplikasi di mana baterai dijaga pada suhu tinggi (300°C). Hal ini mungkin bukan masalah untuk aplikasi skala utilitas. Namun, teknologi ini masih relatif baru dan belum memiliki skala serta produksi massal. Membuat baterai ini sangat tahan lama juga dapat menjadi tantangan teknologi.

Baterai Polimer

Juga disebut baterai plastik, konsep ini menggunakan polimer konduktif alih-alih litium atau logam lainnya. Keuntungan utama konsep ini adalah bergantung pada manufaktur sederhana dan bahan yang mudah didapat. Baterai yang dihasilkan juga akan sangat tahan lama dan mudah dioperasikan dengan aman.

Polyjoule, spin-off MIT, adalah salah satu pemimpin dalam ide tersebut. Namun dalam jangka panjang mungkin bukan tipe baterai yang dapat mengurangi biaya sebanyak beberapa alternatif lainnya.