Perkembangan Konversi Energi Dan Teknologi Penyimpanan

Spread the love

Perkembangan Konversi Energi Dan Teknologi Penyimpanan – Pada awal abad ke-20, ketika jaringan listrik mulai mengubah kehidupan sehari-hari, seorang advokat yang tidak mungkin untuk energi terbarukan menyuarakan keprihatinannya tentang pembakaran bahan bakar fosil.

undertheradarblog

Perkembangan Konversi Energi Dan Teknologi Penyimpanan

undertheradarblog – Thomas Edison mengungkapkan kekecewaannya atas penggunaan pembakaran alih-alih sumber daya terbarukan dalam sebuah wawancara tahun 1910 untuk antologi Elbert Hubbard, “Little Journeys to the Homes of the Great.”

“Skema pembakaran untuk mendapatkan tenaga ini membuat saya muak memikirkannya – sangat boros,” kata Edison. “Kamu tahu, kita harus memanfaatkan kekuatan alam dan dengan demikian mendapatkan semua kekuatan kita. Sinar matahari adalah bentuk energi, dan angin serta pasang surut adalah manifestasi energi. Apakah kita menggunakannya? Oh tidak! Kami membakar kayu dan batu bara, sementara penyewa membakar pagar depan untuk bahan bakar.”

Baca Juga : SIRIM Berusaha Untuk Mendorong Perkembangan Teknologi Kedepannya

Lebih dari satu abad kemudian, sekitar 80 persen konsumsi energi global masih berasal dari pembakaran bahan bakar fosil. Ketika dampak perubahan iklim terhadap lingkungan menjadi semakin drastis, ada rasa urgensi yang meningkat bagi para peneliti dan insinyur untuk mengembangkan solusi energi terbarukan yang skalabel.

“Bahkan 100 tahun yang lalu, Edison mengerti bahwa kita tidak dapat mengganti pembakaran dengan satu alternatif saja,” tambah Reshma Rao PhD ’19, seorang postdoc di Laboratorium Energi Elektrokimia MIT yang menyertakan kutipan Edison dalam tesis doktoralnya. “Kita harus mencari solusi berbeda yang mungkin berbeda secara temporal dan geografis tergantung pada ketersediaan sumber daya.”

Rao adalah salah satu dari banyak peneliti di Departemen Teknik Mesin MIT yang telah memasuki perlombaan untuk mengembangkan konversi energi dan teknologi penyimpanan dari sumber terbarukan seperti angin, gelombang, matahari, dan termal.

Memanfaatkan energi dari gelombang

Dalam hal energi terbarukan, gelombang memiliki sumber daya lain yang mengalahkan dalam dua hal. Pertama, tidak seperti matahari, gelombang menawarkan sumber energi yang konsisten terlepas dari waktu. Kedua, gelombang memberikan kepadatan energi yang jauh lebih besar daripada angin karena massa air yang lebih berat.

Terlepas dari keuntungan ini, pemanenan energi gelombang masih dalam tahap awal. Tidak seperti angin dan matahari, tidak ada konsensus di bidang hidrodinamika gelombang tentang cara menangkap dan mengubah energi gelombang secara efisien. Dick KP Yue, Profesor Teknik Philip J. Solondz, berharap untuk mengubah itu.

“Kelompok saya telah melihat paradigma baru,” jelas Yue. “Daripada mengutak-atik perbaikan kecil, kami ingin mengembangkan cara berpikir baru tentang masalah energi gelombang.”

Salah satu aspek dari paradigma tersebut adalah menentukan geometri optimal dari wave-energy converters (WECs). Mahasiswa pascasarjana Emma Edwards telah mengembangkan metodologi sistematis untuk menentukan seperti apa bentuk WEC seharusnya.

“Jika kita dapat mengoptimalkan bentuk WEC untuk memaksimalkan daya yang dapat diekstraksi, energi gelombang dapat bergerak lebih dekat secara signifikan untuk menjadi sumber energi terbarukan yang layak secara ekonomi,” kata Edwards.

Aspek lain dari paradigma energi gelombang yang sedang dikerjakan oleh tim Yue adalah menemukan konfigurasi optimal untuk WEC di dalam air. Grgur Tokić PhD ’16, alumni MIT dan postdoc saat ini yang bekerja di grup Yue, sedang membangun kasus untuk konfigurasi optimal WEC dalam array besar, bukan sebagai perangkat yang berdiri sendiri.

Sebelum ditempatkan di air, WEC disetel untuk lingkungan khusus mereka. Penyetelan ini melibatkan pertimbangan seperti frekuensi gelombang yang diprediksi dan arah angin yang berlaku. Menurut Tokić dan Yue, jika WEC dikonfigurasi dalam array, penyetelan ini dapat terjadi secara real time, memaksimalkan potensi pemanenan energi.

Dalam sebuah array, WEC “penjaga” dapat mengumpulkan pengukuran tentang gelombang seperti amplitudo, frekuensi, dan arah. Menggunakan rekonstruksi gelombang dan peramalan, WEC ini kemudian dapat mengomunikasikan informasi tentang kondisi ke WEC lain dalam array secara nirkabel, memungkinkan mereka untuk menyetel menit demi menit sebagai respons terhadap kondisi gelombang saat ini.

“Jika susunan WEC dapat disetel cukup cepat sehingga dikonfigurasikan secara optimal untuk lingkungan mereka saat ini, sekarang kita sedang membicarakan bisnis yang serius,” jelas Yue. “Bergerak ke arah array membuka kemungkinan kemajuan yang signifikan dan mendapatkan berkali-kali lebih dari perangkat yang tidak berinteraksi dan terisolasi.”

Dengan memeriksa ukuran dan konfigurasi WEC yang optimal menggunakan metode teoretis dan komputasional, kelompok Yue berharap dapat mengembangkan kerangka kerja yang berpotensi mengubah permainan untuk memanfaatkan kekuatan gelombang.

Mempercepat penemuan fotovoltaik

Jumlah energi matahari yang mencapai permukaan bumi menawarkan prospek yang menggiurkan dalam pencarian energi terbarukan. Setiap jam, diperkirakan 430 triliun joule energi dikirim ke Bumi dari matahari. Itu setara dengan konsumsi energi global oleh manusia selama satu tahun.

Tonio Buonassisi, profesor teknik mesin, telah mendedikasikan seluruh karirnya untuk mengembangkan teknologi yang memanfaatkan energi ini dan mengubahnya menjadi listrik yang dapat digunakan. Tapi waktu, katanya, sangat penting. “Ketika Anda mempertimbangkan apa yang kita hadapi dalam hal perubahan iklim, semakin jelas bahwa kita kehabisan waktu,” katanya.

Agar energi surya memiliki dampak yang berarti, menurut Buonassisi, peneliti perlu mengembangkan bahan sel surya yang efisien, terukur, hemat biaya, dan andal. Keempat variabel ini merupakan tantangan bagi para insinyur alih-alih mengembangkan bahan yang hanya memenuhi salah satu faktor ini, mereka perlu membuat satu yang sesuai dengan keempat kotak dan dapat dipindahkan ke pasar secepat mungkin.

“Jika kita membutuhkan 75 tahun untuk mendapatkan sel surya yang melakukan semua hal ini ke pasar, itu tidak akan membantu kita memecahkan masalah ini. Kami perlu memasarkannya dalam lima tahun ke depan,” tambah Buonassisi.

Untuk mempercepat penemuan dan pengujian materi baru, tim Buonassisi telah mengembangkan proses yang menggunakan kombinasi pembelajaran mesin dan eksperimen throughput tinggi jenis eksperimen yang memungkinkan sejumlah besar materi disaring pada saat yang bersamaan. Hasilnya adalah peningkatan 10 kali lipat dalam kecepatan penemuan dan analisis bahan sel surya baru.

“Pembelajaran mesin adalah alat navigasi kami,” jelas Buonassisi. “Ini dapat menghilangkan hambatan siklus pembelajaran sehingga kami dapat menelusuri kandidat materi dan menemukan satu yang memenuhi keempat variabel.”

Shijing Sun, seorang ilmuwan peneliti dalam kelompok Buonassisi, menggunakan kombinasi pembelajaran mesin dan eksperimen throughput tinggi untuk menilai dan menguji sel surya perovskit dengan cepat.

“Kami menggunakan pembelajaran mesin untuk mempercepat penemuan materi, dan mengembangkan algoritme yang mengarahkan kami ke titik pengambilan sampel berikutnya dan memandu eksperimen kami berikutnya,” kata Sun. Sebelumnya, dibutuhkan tiga hingga lima jam untuk mengklasifikasikan satu set bahan sel surya. Algoritme pembelajaran mesin dapat mengklasifikasikan materi hanya dalam lima menit.

Dengan menggunakan metode ini, Sun dan Buonassisi membuat 96 komposisi yang diuji. Dari jumlah tersebut, dua bahan perovskite menjanjikan dan akan diuji lebih lanjut.

Dengan menggunakan pembelajaran mesin sebagai alat untuk desain terbalik, tim peneliti berharap untuk menilai ribuan senyawa yang dapat mengarah pada pengembangan bahan yang memungkinkan adopsi konversi energi matahari dalam skala besar. “Jika dalam lima tahun ke depan kami dapat mengembangkan materi tersebut menggunakan seperangkat alat produktivitas yang telah kami kembangkan, itu dapat membantu kami mengamankan masa depan sebaik mungkin yang kami bisa,” tambah Buonassisi.

Bahan baru untuk menjebak panas

Sementara tim Buonassisi berfokus pada pengembangan solusi yang secara langsung mengubah energi matahari menjadi listrik, para peneliti termasuk Gang Chen, Profesor Teknik Tenaga Carl Richard Soderberg, sedang mengerjakan teknologi yang mengubah sinar matahari menjadi panas. Energi panas dari panas tersebut kemudian digunakan untuk menyediakan listrik.

“Selama 20 tahun terakhir, saya telah mengerjakan bahan yang mengubah panas menjadi listrik,” kata Chen. Sementara sebagian besar penelitian bahan ini dilakukan dalam skala nano, Chen dan timnya di NanoEngineering Group tidak asing dengan sistem eksperimental skala besar. Mereka sebelumnya membangun sistem penerima skala besar yang menggunakan pemusatan tenaga panas matahari (CSP).

Dalam CSP, sinar matahari digunakan untuk memanaskan cairan termal, seperti minyak atau garam cair. Cairan itu kemudian digunakan untuk menghasilkan listrik dengan menjalankan mesin, seperti turbin uap, atau disimpan untuk digunakan nanti.

Selama proyek empat tahun yang didanai oleh Departemen Energi AS, tim Chen membangun penerima CSP di Bates Research and Engineering Center MIT di Middleton, Massachusetts. Mereka mengembangkan Solar Thermal Aerogel Receiver dijuluki STAR.

Sistem ini mengandalkan cermin yang dikenal sebagai reflektor Fresnel untuk mengarahkan sinar matahari ke pipa yang berisi cairan termal. Biasanya, agar cairan dapat secara efektif menjebak panas yang dihasilkan oleh sinar matahari yang dipantulkan ini, cairan tersebut perlu dibungkus dalam tabung vakum berbiaya tinggi.

Namun, di STAR, tim Chen menggunakan aerogel transparan yang dapat menjebak panas pada suhu yang sangat tinggi menghilangkan kebutuhan akan selungkup vakum yang mahal. Sambil membiarkan lebih dari 95 persen sinar matahari yang masuk, aerogel mempertahankan sifat isolasinya, mencegah panas keluar dari penerima.

Selain lebih efisien daripada penerima vakum tradisional, penerima aerogel memungkinkan konfigurasi baru untuk reflektor surya CSP. Cermin pemantul lebih rata dan lebih kompak daripada penerima parabola yang digunakan secara konvensional, menghasilkan penghematan bahan.

“Biaya adalah segalanya dengan aplikasi energi, jadi fakta bahwa STAR lebih murah daripada kebanyakan penerima energi termal, selain lebih efisien, adalah penting,” tambah Svetlana Borriskina, seorang ilmuwan riset yang bekerja di tim Chen.

Setelah proyek selesai pada tahun 2018, tim Chen terus mengeksplorasi aplikasi panas matahari untuk bahan aerogel yang digunakan di STAR. Dia baru-baru ini menggunakan aerogel dalam perangkat yang berisi bahan penyerap panas. Saat diletakkan di atas atap kampus MIT, bahan penyerap panas yang dilapisi lapisan aerogel itu mencapai suhu yang luar biasa tinggi yaitu 220 derajat Celcius. Suhu udara luar, sebagai perbandingan, adalah 0 C dingin. Tidak seperti STAR, sistem baru ini tidak memerlukan reflektor Fresnel untuk mengarahkan sinar matahari ke bahan termal.

“Pekerjaan terbaru kami menggunakan aerogel memungkinkan konsentrasi sinar matahari tanpa memfokuskan optik untuk memanfaatkan energi panas,” jelas Chen. “Jika Anda tidak menggunakan optik pemfokusan, Anda dapat mengembangkan sistem yang lebih mudah digunakan dan lebih murah daripada receiver tradisional.”

Perangkat aerogel berpotensi dikembangkan lebih lanjut menjadi sistem yang menggerakkan sistem pemanas dan pendingin di rumah.

Memecahkan masalah penyimpanan

Sementara penerima CSP seperti STAR menawarkan beberapa kemampuan penyimpanan energi, ada dorongan untuk mengembangkan sistem penyimpanan energi yang lebih kuat untuk teknologi terbarukan. Menyimpan energi untuk digunakan nanti saat sumber daya tidak memasok aliran energi yang konsisten misalnya, saat matahari tertutup awan, atau tidak ada angin akan sangat penting untuk penerapan energi terbarukan di jaringan. Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti sedang mengembangkan teknologi penyimpanan baru.

Asegun Henry, Profesor Pengembangan Karir Robert N. Noyce, yang seperti Chen telah mengembangkan teknologi CSP, telah menciptakan sistem penyimpanan baru yang dijuluki “matahari dalam kotak.” Menggunakan dua tangki, kelebihan energi dapat disimpan dalam silikon cair panas-putih. Ketika energi berlebih ini dibutuhkan, sel fotovoltaik yang terpasang dapat digerakkan ke tempatnya untuk mengubah cahaya putih-panas dari silikon kembali menjadi listrik.

“Ini adalah baterai sejati yang dapat bekerja dengan semua jenis konversi energi,” tambah Henry.

Betar Gallant, Profesor Pengembangan Karir ABS, sementara itu, sedang menjajaki cara untuk meningkatkan kepadatan energi baterai elektrokimia saat ini dengan merancang bahan penyimpanan baru yang lebih hemat biaya dan serbaguna untuk menyimpan energi yang dihasilkan secara bersih. Daripada mengembangkan bahan-bahan ini menggunakan logam yang diekstraksi melalui penambangan intensif energi, ia bertujuan untuk membuat baterai menggunakan lebih banyak bahan yang melimpah di bumi.

“Idealnya, kami ingin membuat baterai yang dapat menandingi pasokan energi matahari atau angin yang tidak teratur yang mencapai puncaknya pada waktu yang berbeda tanpa menurun, seperti yang dilakukan baterai saat ini” jelas Gallant.

Selain bekerja pada baterai lithium-ion, seperti Gallant, Yang Shao-Horn, Profesor Energi WM Keck, dan postdoc Reshma Rao sedang mengembangkan teknologi yang dapat secara langsung mengubah energi terbarukan menjadi bahan bakar.

“Jika kita ingin menyimpan energi dalam skala yang melampaui baterai lithium ion, kita perlu menggunakan sumber daya yang melimpah,” jelas Rao. Dalam teknologi elektrokimia mereka, Rao dan Shao-Horn memanfaatkan salah satu sumber daya yang paling melimpah — air cair.

Menggunakan katalis aktif dan elektroda, air dipecah menjadi hidrogen dan oksigen dalam serangkaian reaksi kimia. Hidrogen menjadi pembawa energi dan dapat disimpan untuk digunakan nanti dalam sel bahan bakar. Untuk mengubah energi yang tersimpan dalam hidrogen kembali menjadi listrik, reaksi dibalik. Satu-satunya produk sampingan dari reaksi ini adalah air.

“Jika kita bisa mendapatkan dan menyimpan hidrogen secara berkelanjutan, pada dasarnya kita dapat menggemparkan ekonomi kita menggunakan energi terbarukan seperti angin, ombak, atau matahari,” kata Rao.

Rao telah merinci setiap reaksi mendasar yang terjadi dalam proses ini. Selain berfokus pada antarmuka elektroda-elektrolit yang terlibat, dia mengembangkan katalis generasi berikutnya untuk mendorong reaksi ini.

“Pekerjaan ini berada di ambang pemahaman mendasar tentang situs aktif yang mengkatalisasi pemisahan air untuk bahan bakar berbasis hidrogen dari matahari dan angin untuk mendekarbonisasi transportasi dan industri,” tambah Shao-Horn.

Mengamankan masa depan yang berkelanjutan

Sementara beralih dari jaringan yang ditenagai terutama oleh bahan bakar fosil ke jaringan yang ditenagai oleh energi terbarukan tampak seperti tugas yang sangat berat, ada perkembangan yang menjanjikan dalam dekade terakhir. Sebuah laporan yang dirilis sebelum KTT Aksi Iklim Global PBB pada bulan September menunjukkan bahwa, berkat investasi $2,6 triliun, konversi energi terbarukan telah meningkat empat kali lipat sejak 2010.

Dalam sebuah pernyataan setelah rilis laporan tersebut, Inger Andersen, direktur eksekutif Program Lingkungan PBB, menekankan korelasi antara berinvestasi dalam energi terbarukan dan mengamankan masa depan yang berkelanjutan bagi umat manusia. “Jelas bahwa kita perlu mempercepat langkah peralihan global ke energi terbarukan jika kita ingin memenuhi tujuan iklim dan pembangunan internasional,” kata Andersen.

Tidak ada teknologi konversi atau penyimpanan tunggal yang akan bertanggung jawab atas peralihan dari bahan bakar fosil ke energi terbarukan. Ini akan membutuhkan permadani solusi pelengkap dari para peneliti baik di sini di MIT dan di seluruh dunia.