Pencarian Energi Berkelanjutan Mengarah pada Penemuan yang Tidak Konvensional

Konsumsi energi global meningkat dengan kecepatan yang dipercepat. Pada tahun 2023, pertumbuhan ini mencapai 2,2%, dibandingkan dengan rata-rata tahunan 1,5% antara 2010 dan 2019.

Laju konsumsi energi yang lebih cepat ini sebagian besar didorong oleh China, yang dengan +6,6% merupakan dua kali rata-rata 2010-2019. Kontributor lain meliputi India, Iran, Brasil, UEA, Aljazair, Vietnam, dan Indonesia. Sebaliknya, konsumsi energi menurun di Jepang, Korea Selatan, Afrika Selatan, dan UE serta tetap stabil di AS.

Secara keseluruhan, konsumsi energi global telah meningkat sekitar sepertiga sejak tahun 2000. Saat ini diperkirakan sebesar 580 juta terajoule, konsumsi energi global tahunan ini diproyeksikan akan mencapai 740 juta terajoule pada tahun 2040.

Namun, bagian yang paling mengkhawatirkan adalah bahwa sebagian besar energi ini—83%—berasal dari bahan bakar fosil, dengan minyak menjadi sumber energi terbesar, diikuti oleh batu bara dan gas alam, yang memancarkan sejumlah besar CO2 ke atmosfer.

Hal ini memanggil kebutuhan mendesak untuk berinovasi dalam energi hijau. Sementara energi terbarukan diperkirakan akan tumbuh, peningkatan ini hanya sebesar 4 persen, menjadikannya 6% dari penggunaan energi primer global.

Jadi, dengan latar belakang kebutuhan global untuk mengubah sistem energi, energi surya muncul sebagai pengubah permainan yang potensial. Hal ini karena energi yang dihasilkan oleh matahari berpotensi memberi daya bagi seluruh dunia dan lebih.

Bumi hanya membutuhkan beberapa jam energi surya untuk menyediakan seluruh dunia dengan energi yang dibutuhkan selama satu tahun penuh.

Ini juga merupakan sumber energi terbarukan yang paling bersih dan paling melimpah tersedia. Lebih lagi, ia memiliki keunggulan dalam dekarbonisasi, mengurangi biaya energi, memiliki dampak lingkungan yang jauh lebih rendah, serta menawarkan akses dan keamanan energi yang lebih besar.

Tentu saja, ada beberapa tantangan yang terkait dengan memanfaatkan energi surya; jika tidak, kita sudah menggunakannya secara luas. Selain tantangan utama intermitensi surya, karena matahari tidak bersinar sepanjang hari, ada tantangan tambahan terkait lokasi, solusi penyimpanan, dan teknologi yang diperlukan untuk memanfaatkan energi ini.

Ketika berbicara tentang memanfaatkan energi surya, ada beberapa cara untuk menangkap radiasi matahari dan mengubahnya menjadi energi.

Salah satu metode adalah menggunakan energi surya aktif, yang melibatkan penggunaan perangkat listrik atau mekanik untuk mengubah energi surya menjadi bentuk energi lain secara aktif. Hal ini dicapai melalui fotovoltaik (PV) atau Pembangkit Listrik Tenaga Surya Terpusat (CSP).

Pada PV, sinar matahari diubah menjadi listrik menggunakan bahan semikonduktor yang menunjukkan efek fotovoltaik. Teknologi PV lebih dikenal sebagai panel surya, yang merupakan kumpulan sel surya, masing-masing mengandung semikonduktor yang menghasilkan arus listrik dengan menyerap sinar matahari.

Pada CSP, lensa dan cermin memfokuskan sinar matahari dari area besar ke area yang jauh lebih kecil untuk menghasilkan listrik. Tungku surya, yang mencakup berbagai jenis, termasuk menara pembangkit tenaga surya dan parabolic trough, merupakan contoh energi surya terpusat.

Metode lain adalah menggunakan energi surya pasif, yang tidak menggunakan perangkat eksternal melainkan memanfaatkan iklim lokal. Misalnya, merancang bangunan untuk mendapatkan jumlah sinar matahari yang diinginkan dan membangun gedung dengan isolasi termal adalah contoh metode ini. Contoh lain termasuk atap dingin dan atap hijau.

Namun, ini bukan akhir dari teknik memanfaatkan energi surya. Mengingat potensi besarnya, peneliti terus mengeksplorasi cara-cara baru untuk menangkap tenaga surya dan mengubahnya menjadi energi yang berguna, serta membuatnya lebih hemat biaya dan lebih efisien sehingga benar-benar dapat berguna dalam kehidupan sehari-hari.

Menghasilkan Listrik Surya dari Ponsel & Mobil  

Peneliti dari Oxford University baru-baru ini membuat perkembangan menarik di bidang teknologi energi surya. Di bawah teknologi ini, listrik surya dapat dihasilkan dari permukaan mobil dan ponsel.

Sumber: Oxford University

Ya, Anda mendengarnya dengan benar: alih-alih memasang barisan panjang panel surya berbasis silikon, seseorang dapat menghasilkan jumlah listrik surya yang semakin besar hanya dengan objek sehari-hari.

Inovasi ini dimungkinkan oleh bahan pembangkit daya baru yang dilapisi pada permukaan objek-objek tersebut. Bahan penyerap cahaya ini tipis dan fleksibel sehingga dapat diterapkan pada hampir semua permukaan. Pendekatan revolusioner ini melibatkan penumpukan beberapa lapisan penyerap cahaya menjadi satu sel surya.

Untuk ini, ilmuwan dari Departemen Fisika Oxford University mempelopori teknik yang memungkinkan mereka memanfaatkan rentang spektrum cahaya yang lebih luas, menghasilkan lebih banyak daya dari jumlah sinar matahari yang sama.

Bahan tersebut, perovskit film tipis, juga telah disertifikasi secara independen oleh National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) Jepang untuk memberikan efisiensi energi lebih dari 27%. Angka-angka ini sebanding dengan kinerja fotovoltaik silikon, yang merupakan bahan tradisional berlapis tunggal untuk menghasilkan energi.

Menurut para peneliti, setelah hanya lima tahun percobaan menggunakan pendekatan multi-junction atau penumpukan, mereka telah meningkatkan efisiensi konversi daya sekitar 21%. Ini berarti bahwa dari efisiensi awal sekitar 6%, mereka kini dapat mengonversi lebih dari 22% energi dari sinar matahari.

“(Teknik mereka) dapat memungkinkan perangkat fotovoltaik mencapai efisiensi yang jauh lebih tinggi, melebihi 45% (di masa depan).”

Selain efisiensi energi, keanekaragaman bahan ini merupakan faktor penting lainnya. Bahan ini sangat tipis, hanya sedikit lebih dari satu mikron (0,001mm) tebalnya, yang membuatnya hampir 150 kali lebih tipis daripada wafer silikon. Wafer Si umumnya memiliki ketebalan antara 0,5mm dan 400 mikron (0,4mm), sementara rentang 2 dan 25 mikron digunakan untuk tujuan ilmiah tertentu.

Ketertipisan bahan baru ini berarti dapat diterapkan tidak hanya pada objek umum dan bangunan, tetapi pada hampir semua permukaan, berbeda dengan fotovoltaik yang ada.

“(Mereka) telah menunjukkan bahwa kita dapat meniru dan mengungguli silikon sekaligus memperoleh fleksibilitas. Ini penting karena menjanjikan lebih banyak tenaga surya tanpa memerlukan begitu banyak panel berbasis silikon atau ladang surya yang dibangun khusus.”

Pendekatan baru ini diharapkan menjadikan energi surya bentuk energi terbarukan paling berkelanjutan dan lebih menurunkan biaya, yang telah turun hingga 90% selama 14 tahun terakhir.

Menurut World Economic Forum, pada tahun 2010, biaya rata-rata global untuk menghasilkan satu megawatt jam listrik dari fotovoltaik surya tanpa subsidi adalah $378, yang turun menjadi hanya $68 pada 2019. Energi surya kini lebih murah daripada batu bara dan nuklir serta hampir seefisien secara ekonomi dengan tenaga angin darat. Sementara energi angin juga mengalami penurunan biaya selama periode tersebut, nuklir dan batu bara justru naik atau hanya mencatat penurunan kecil.

Sekarang, inovasi seperti perovskit film tipis menjanjikan penghematan biaya tambahan dengan mengurangi kebutuhan akan panel silikon dan ladang surya khusus.

Menurut para peneliti, inovasi terbaru ini dapat menjadi industri tersendiri untuk memproduksi bahan dan menghasilkan energi surya secara murah dan berkelanjutan dengan memanfaatkan objek yang ada.

‘Artificial Leaf‘ untuk Memproduksi Bahan Bakar Bersih

Para ilmuwan tidak hanya membuatnya memungkinkan untuk menghasilkan listrik surya secara murah menggunakan objek sehari-hari, tetapi juga mengubah fotosintesis dan, pada gilirannya, merevolusi cara kita menghasilkan bahan bakar bersih.

Pada tahun 2019, peneliti dari University of Cambridge menetapkan tolok ukur baru ketika mereka berhasil membuat daun buatan yang menghasilkan syngas hanya dengan menggunakan sinar matahari, karbon dioksida, dan air.

Sumber: Cambridge University

Syngas adalah gas yang dibuat dari bahan bakar fosil, campuran hidrogen dan karbon monoksida, dan digunakan untuk membuat plastik, farmasi, bahan bakar, dan pupuk. Karena kita terbiasa memproduksi produk yang kita konsumsi setiap hari, sangat penting bagi kita untuk menemukan cara untuk “memproduksinya secara berkelanjutan.”

Maka muncul daun buatan, yang merupakan perangkat netral karbon yang digerakkan oleh sinar matahari dan tidak melepaskan CO2 ke atmosfer. Lebih lagi, meskipun beroperasi dengan sinar matahari, daun buatan tetap bekerja secara efisien pada hari berawan dan mendung.

Terinspirasi oleh fotosintesis, proses alami di mana tumbuhan menggunakan energi cahaya matahari untuk mengubah karbon dioksida dan air menjadi makanan, para peneliti menggabungkan dua penyerap cahaya pada daun buatan dengan katalis kobalt. Ketika direndam dalam air, salah satu penyerap menghasilkan oksigen dengan bantuan katalis, sementara yang lain melakukan reaksi kimia, mengurangi air dan CO2 menjadi hidrogen dan karbon monoksida, yang membentuk syngas.

Karena penyerap cahaya bekerja bahkan pada tingkat sinar matahari yang rendah, teknologi ini dapat digunakan sepanjang hari dan di mana saja di dunia.

Meskipun perangkat daun buatan lain telah dikembangkan, peneliti Cambridge mencatat bahwa mereka hanya menghasilkan hidrogen, tidak seperti perangkat mereka sendiri yang dapat menghasilkan syngas berkat kombinasi bahan dan katalis yang mereka gunakan.

Bahan yang digunakan untuk katalis molekuler adalah kobalt, yang lebih murah, melimpah, dan lebih baik dalam menghasilkan karbon monoksida dibandingkan katalis lain seperti platinum atau perak.

Sementara itu, penyerap cahaya mereka dibuat dari perovskit alih-alih silikon atau bahan berwarna. Penyerap cahaya perovskit memberikan fotovoltage tinggi dan arus listrik untuk menggerakkan reaksi kimia, yang mengurangi CO2 menjadi CO.

Langkah selanjutnya setelah syngas adalah mengembangkan bahan bakar cair berkelanjutan sebagai pengganti bensin. Alih-alih membuat syngas lalu mengubahnya menjadi bahan bakar cair, studi ini bertujuan membuat bahan bakar cair langsung dari karbon dioksida dan air.

Dengan listrik hanya dapat memenuhi sebagian kecil dari total permintaan energi global, bensin sintetis dapat menjadi perkembangan penting, kata penulis senior Profesor Erwin Reisner dari Departemen Kimia di Cambridge, mencatat “permintaan besar akan bahan bakar cair untuk menggerakkan transportasi berat, pengiriman, dan penerbangan secara berkelanjutan.”

Selama beberapa tahun terakhir, Reisner telah bekerja dengan grupnya untuk mengembangkan daun buatan baru yang dapat langsung menghasilkan etanol dan propanol bersih tanpa harus menghasilkan syngas terlebih dahulu. Hal ini dicapai dengan mengembangkan katalis berbasis tembaga—dan palladium.

“(Mampu) menghasilkan bahan bakar cair yang praktis hanya dengan memanfaatkan tenaga Matahari” (menjadikannya) sebuah kemajuan menarik yang membuka seluruh jalur baru dalam pekerjaan kami.

Untuk saat ini, perangkat hanya merupakan bukti konsep. Para peneliti sedang bekerja untuk mengoptimalkan daun agar lebih menyerap sinar matahari, menyempurnakan katalis untuk mengubah lebih banyak sinar matahari menjadi bahan bakar, dan pada akhirnya membuat perangkat dapat diskalakan untuk menghasilkan volume bahan bakar yang besar.

Profesor Reisner sebenarnya dianugerahi Royal Academy of Engineering Chair in Emerging Technologies awal tahun ini. Penghargaan sebesar £2,5 juta akan memungkinkan timnya mempercepat transisi dari laboratorium ke pasar teknologi kimia surya.

Sementara tim Reisner bekerja untuk membuat produknya dapat diskalakan, Yimin Wu, seorang profesor teknik di University of Waterloo, merilis makalah lain pada waktu yang bersamaan dengan penelitian Syngas. Makalah ini juga menciptakan ‘daun buatan’ yang secara murah mengubah CO2 berbahaya menjadi bahan bakar alternatif yang berguna.

Sekali lagi, terinspirasi oleh proses fotosintesis, daun buatan menghasilkan metanol dan oksigen, tidak seperti daun alami yang menghasilkan glukosa dan oksigen.

Bahan utama di sini adalah tembaga(I) oksida, bubuk merah yang dioptimalkan, yang dirancang memiliki partikel dengan delapan sisi. Ini merupakan hasil penambahan tembaga asetat, glukosa, natrium dodekil, dan natrium hidroksida sulfat ke dalam air yang dipanaskan pada suhu tertentu.

Ketika dicampur dengan air dan terpapar CO2, bahan ini berfungsi sebagai pemicu reaksi kimia lain, menghasilkan oksigen dan mengubah CO2 menjadi metanol. Simulator surya digunakan untuk memancarkan cahaya putih. Saat larutan dipanaskan, reaksi mengumpulkan metanol yang kemudian menguap.

Quantum Dots untuk Membuat Jendela Surya Double-Pane

Pengembangan lain di bidang ini adalah quantum dot, yang merupakan partikel semikonduktor kecil berukuran 2-10 nanometer. Ukuran kecil mereka memberikan sifat elektronik dan optik yang unik, menjadikannya serbaguna.

Dalam penelitian di Los Alamos National Laboratory, quantum dot disematkan dalam kaca jendela untuk menghasilkan listrik. Quantum dot ‘desainer’ ini menyerap sinar matahari dan mengubahnya menjadi energi tanpa memengaruhi transparansi jendela.

Inovasi ini pada dasarnya memungkinkan seluruh bangunan menjadi generator energi surya tanpa memerlukan panel surya tradisional, yang mahal dan memakan banyak ruang.

Sumber: Los Alamos National Laboratory

Menurut peneliti utama Victor Klimov, jendela double-pane berbasis quantum dot menawarkan pendekatan baru untuk mengurangi biaya berkat kinerja kuat yang dapat dicapai dengan “bahan berbiaya rendah yang dapat diproses dalam larutan.”

Metode baru ini tidak menggantikan teknologi PV saat ini. Pengumpul sinar matahari yang efektif cukup ditambahkan ke panel surya yang ada. Mereka juga dapat diintegrasikan sebagai jendela semi-transparan ke dalam arsitektur bangunan.

Sementara panel fotovoltaik saat ini mencapai efisiensi sekitar 25%, quantum dot menawarkan potensi untuk melampaui hal ini dengan menggunakan perkalian pembawa muatan.

Panel surya fotovoltaik tipikal menyerap satu foton cahaya dan melepaskan satu elektron, yang menjadi energi. Namun, melalui perkalian pembawa muatan dan penggabungan ion mangan magnetik, panel surya berbasis quantum dot menghasilkan lebih dari dua elektron untuk setiap foton yang diserap.

Namun, inti dari kemajuan teknis ini adalah “pemisahan spektrum surya,” yang memisahkan pemrosesan foton surya berenergi tinggi dan rendah.

Hal ini dicapai dengan menggabungkan ion mangan ke dalam quantum dot sebagai impuritas yang sangat emisif. Ketika quantum dot menyerap cahaya, impuritas diaktifkan, yang menyebabkan ion mangan memancarkan cahaya pada energi di bawah ambang penyerapan quantum dot.

Sekarang, untuk mengubah jendela menjadi kolektor sinar matahari luminescent tandem, para peneliti menyemprotkan lapisan quantum dot yang didoping dengan mangan emisif tinggi pada permukaan kaca depan. Sementara itu, lapisan quantum dot dengan tembaga indium selenida disemprotkan pada permukaan kaca belakang.

Dengan cara ini, lapisan depan menyerap bagian biru tampak dan ultraviolet dari spektrum surya sementara lapisan bawah menangkap sisanya. Setelah diserap, quantum dot memancarkan kembali foton pada panjang gelombang yang lebih panjang. Cahaya yang dipancarkan kembali diarahkan oleh refleksi internal total ke tepi kaca jendela, di mana sel surya terintegrasi mengumpulkan cahaya dan mengubahnya menjadi listrik.

Selain itu, tim Klimov juga mengeksplorasi bagaimana quantum dot dapat digunakan untuk menghasilkan amonia, yang menyumbang lebih dari 2% penggunaan energi global. Dalam aplikasi khusus ini, mereka menggunakan quantum dot dan sinar matahari untuk menghasilkan “elektron bebas” alih-alih cahaya melalui fotoemisivitas.

Sekarang, mari kita lihat dua perusahaan utama di bidang energi surya.

#1. NextEra Energy

Dikenal luas sebagai pemimpin di bidang energi terbarukan, NextEra Energy (NEE ) mencatat pendapatan bersih sebesar $552 juta dan pendapatan disesuaikan sebesar $865 juta pada Q2 2024.

Mereka menambahkan 3GW ke kapasitas energi terbarukan mereka, termasuk pengembangan surya signifikan, memproyeksikan trajektori pendapatan yang naik hingga 2027 dengan harapan laba per saham yang disesuaikan meningkat setiap tahun.

#2. First Solar

First Solar (FSLR ) mengkhususkan diri dalam memproduksi panel surya dan menyediakan layanan pembangkit listrik fotovoltaik yang komprehensif. Penggunaan inovatif mereka terhadap teknologi semikonduktor film tipis membedakan mereka di industri surya.

Secara finansial, First Solar melaporkan pendapatan sebesar $3,56 miliar dan pendapatan bersih sebesar $1,02 miliar pada tahun fiskal terakhir. Fokus mereka pada teknologi berkelanjutan dan ekspansi pasar internasional menegaskan posisi strategis mereka di sektor surya.

Kesimpulan

Inovasi terbaru ini menandai langkah besar dan penting ke depan dalam mewujudkan potensi penuh energi surya. Energi surya adalah sumber daya bersih dan terbarukan yang menawarkan alternatif kuat terhadap bahan bakar fosil, yang mencemari lingkungan.

Dengan permintaan energi global diperkirakan akan meningkat dalam tahun mendatang dan energi surya berkelanjutan tersedia melimpah, sangat penting untuk memanfaatkan sumber energi bersih yang tak terbatas ini. Namun, tenaga surya saat ini hanya menyumbang persentase (satu) yang sangat rendah dari total pembangkit listrik global dari semua sumber. Hal ini menekankan kebutuhan mendesak untuk penelitian, pengembangan, dan kolaborasi berkelanjutan antara pemerintah dan organisasi untuk benar‑benar mendorong penggunaan energi surya ke depan dan memberi daya bagi seluruh dunia.

Klik di sini untuk daftar saham tenaga surya teratas.