Peneliti Berkeley Lab telah melaporkan terobosan dalam bahan perubahan fase, yang akan meningkatkan keterjangkauan penyimpanan energi panas. Bahan pengubah fasa dapat ditambahkan di dalam dinding dan secara otomatis menjaga bangunan tetap dingin atau hangat tergantung pada suhu sekitar.
Kredit: Jenny Nuss/Berkeley Lab
Bisakah tangki es atau air panas menjadi baterai? Ya! Jika baterai adalah perangkat untuk menyimpan energi, maka menyimpan air panas atau dingin untuk memberi daya pada sistem pemanas atau pendingin ruangan gedung adalah jenis penyimpanan energi yang berbeda. Dikenal sebagai penyimpanan energi termal, teknologi ini telah ada sejak lama tetapi sering diabaikan. Sekarang para ilmuwan di Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) membuat dorongan bersama untuk membawa penyimpanan energi panas ke tingkat berikutnya.
Untuk mengatasi beberapa keterbatasan penyimpanan energi termal berbasis air tradisional, para ilmuwan Berkeley Lab sedang mengembangkan bahan dan sistem generasi berikutnya untuk digunakan sebagai media pemanas atau pendingin. Mereka juga menciptakan kerangka kerja untuk menganalisis biaya serta alat untuk membandingkan penghematan biaya. Dalam serangkaian makalah yang diterbitkan tahun ini, peneliti Berkeley Lab telah melaporkan kemajuan penting di masing-masing bidang ini.
“Sangat menantang untuk mendekarbonisasi bangunan, terutama untuk pemanasan,” kata Ravi Prasher, Associate Lab Director for Energy Technologies di Berkeley Lab. “Tetapi jika Anda menyimpan energi dalam bentuk penggunaan akhir, yaitu panas, bukan dalam bentuk pasokan energi, yaitu listrik, penghematan biaya bisa sangat menarik. Dan sekarang dengan kerangka kerja yang kami kembangkan, kami akan dapat menimbang biaya penyimpanan energi panas versus penyimpanan listrik, seperti dengan baterai lithium, yang tidak mungkin sampai sekarang.”
Di Amerika Serikat, bangunan menyumbang 40% dari total konsumsi energi. Dari jumlah itu, hampir setengahnya digunakan untuk beban termal, yang mencakup pemanasan dan pendinginan ruang serta pemanas air dan pendinginan. Dengan kata lain, seperlima dari semua energi yang dihasilkan digunakan untuk beban termal di gedung-gedung. Dan pada tahun 2050, permintaan pada jaringan listrik dari beban termal diperkirakan akan meningkat secara dramatis karena gas alam dihapuskan dan pemanas semakin ditenagai oleh listrik.
“Jika kita menggunakan penyimpanan energi termal, di mana bahan baku lebih banyak untuk memenuhi permintaan beban termal, ini akan mengendurkan sebagian permintaan penyimpanan elektrokimia dan membebaskan baterai untuk digunakan di mana penyimpanan energi panas tidak dapat digunakan,” kata Sumanjeet Kaur, pimpinan Berkeley Lab’s Grup Energi Panas.
Ilmuwan Berkeley Lab Ravi Prasher (kiri) dan Sumanjeet Kaur memimpin upaya untuk mengembangkan penyimpanan energi panas untuk mendekarbonisasi bangunan. (Sumber: Thor Swift/Berkeley Lab)
Alternatif yang layak dan hemat biaya untuk baterai
Karena masyarakat kita terus menggunakan listrik, kebutuhan baterai untuk menyimpan energi diproyeksikan sangat besar, mencapai sekitar 2 hingga 10 terawatt-jam (TWh) produksi baterai tahunan pada tahun 2030 dari kurang dari 0,5 TWh saat ini. Dengan baterai lithium-ion sebagai teknologi penyimpanan dominan di masa mendatang, kendala utama adalah terbatasnya ketersediaan bahan baku, termasuk lithium, kobalt, dan nikel, bahan penting baterai lithium saat ini. Meskipun Berkeley Lab adalah aktif bekerja untuk mengatasi kendala ini, bentuk-bentuk alternatif penyimpanan energi juga diperlukan.
“Baterai lithium menghadapi tekanan luar biasa sekarang dalam hal pasokan bahan baku,” kata Prasher. “Kami percaya penyimpanan energi termal dapat menjadi alternatif yang layak, berkelanjutan, dan hemat biaya untuk bentuk penyimpanan energi lainnya.”
Penyimpanan energi termal dapat digunakan pada berbagai skala, termasuk di bangunan individu – seperti di rumah, kantor, atau pabrik Anda – atau di tingkat distrik atau regional. Sementara bentuk energi panas yang paling umum menggunakan tangki besar berisi air panas atau dingin, ada jenis lain yang disebut penyimpanan panas sensibel, seperti menggunakan pasir atau batu untuk menyimpan energi panas. Namun, pendekatan ini membutuhkan sejumlah besar ruang, yang membatasi kesesuaiannya untuk tempat tinggal.
Dari cair menjadi padat dan kembali lagi
Untuk mengatasi kendala ini, para ilmuwan telah mengembangkan bahan berteknologi tinggi untuk menyimpan energi panas. Misalnya, bahan pengubah fase menyerap dan melepaskan energi saat transisi antar fase, seperti dari cair ke padat dan kembali.
Bahan pengubah fase memiliki sejumlah aplikasi potensial, termasuk manajemen termal baterai (untuk mencegahnya menjadi terlalu panas atau terlalu dingin), tekstil canggih (pikirkan pakaian yang secara otomatis dapat membuat Anda tetap hangat atau dingin, sehingga mencapai kenyamanan termal sekaligus mengurangi bangunan konsumsi energi), dan pendinginan kering pembangkit listrik (untuk menghemat air). Pada bangunan, bahan pengubah fasa dapat ditambahkan ke dinding, bertindak seperti baterai termal untuk bangunan. Ketika suhu lingkungan naik di atas titik leleh material, material berubah fase dan menyerap panas, sehingga mendinginkan bangunan. Sebaliknya, ketika suhu turun di bawah titik leleh, material berubah fase dan melepaskan panas.
Namun, satu masalah dengan bahan perubahan fase adalah bahwa mereka biasanya bekerja hanya dalam satu rentang suhu. Itu berarti dua bahan berbeda akan dibutuhkan untuk musim panas dan musim dingin, yang meningkatkan biaya. Berkeley Lab berangkat untuk mengatasi masalah ini dan mencapai apa yang disebut “tunabilitas dinamis” dari suhu transisi.
Ditampilkan dua cara berbeda untuk mengintegrasikan penyimpanan energi panas dalam bangunan. Baterai termal (ditenagai oleh bahan pengubah fasa) dapat dihubungkan ke pompa panas bangunan atau sistem HVAC tradisional (kiri), atau bahan pengubah fasa dapat dimasukkan ke dalam dinding. (Kredit: Berkeley Lab)
Di sebuah studi baru-baru ini diterbitkan di dalam Laporan Sel Ilmu Fisika, para peneliti adalah yang pertama mencapai tunabilitas dinamis dalam materi perubahan fase. Metode terobosan mereka menggunakan ion dan bahan perubahan fase unik yang menggabungkan penyimpanan energi panas dengan penyimpanan energi listrik, sehingga dapat menyimpan dan memasok panas dan listrik.
“Teknologi baru ini benar-benar unik karena menggabungkan energi panas dan listrik menjadi satu perangkat,” kata Bahan Energi Terapan Pemimpin Kelompok Gao Liu, penulis koresponden studi ini. “Ini berfungsi seperti baterai termal dan listrik. Terlebih lagi, kemampuan ini meningkatkan potensi penyimpanan termal karena kemampuan untuk menyesuaikan titik leleh material tergantung pada suhu lingkungan yang berbeda. Ini akan secara signifikan meningkatkan pemanfaatan bahan pengubah fase. ”
Kaur, juga salah satu penulis makalah tersebut, menambahkan: “Dalam gambaran yang lebih besar, ini membantu menurunkan biaya penyimpanan karena sekarang bahan yang sama dapat digunakan sepanjang tahun, bukan hanya setengah tahun.”
Dalam konstruksi bangunan skala besar, gabungan kemampuan penyimpanan energi panas dan listrik ini akan memungkinkan material untuk menyimpan kelebihan listrik yang dihasilkan oleh operasi tenaga surya atau angin di lokasi, untuk memenuhi kebutuhan termal (pemanasan dan pendinginan) dan listrik.
Memajukan ilmu dasar materi perubahan fase
Studi Berkeley Lab lain awal tahun ini membahas masalah supercooling, yang sangat tidak dingin pada bahan perubahan fasa tertentu karena membuat bahan tidak dapat diprediksi, karena mungkin tidak berubah fasa pada suhu yang sama setiap saat. Dipimpin oleh asisten mahasiswa pascasarjana Berkeley Lab dan mahasiswa PhD UC Berkeley Drew Lilley, pembelajaran, diterbitkan dalam jurnal Energi Terapan, adalah yang pertama mendemonstrasikan metodologi untuk memprediksi secara kuantitatif kinerja pendinginan suatu material.
A studi Berkeley Lab ketiga, diterbitkan dalam Surat Fisika Terapan tahun ini, menjelaskan cara untuk mengembangkan pemahaman skala atom dan molekuler tentang perubahan fase, yang sangat penting untuk desain bahan perubahan fase baru.
“Hingga saat ini, sebagian besar studi mendasar yang terkait dengan fisika perubahan fase bersifat komputasional, tetapi kami telah mengembangkan metodologi sederhana untuk memprediksi kepadatan energi bahan perubahan fase,” kata Prasher. “Studi ini adalah langkah penting yang membuka jalan untuk menggunakan bahan pengubah fase secara lebih luas.”
Apel ke apel
A studi keempat, baru saja diterbitkan di Ilmu Energi & Lingkungan, mengembangkan kerangka kerja yang memungkinkan perbandingan biaya langsung antara baterai dan penyimpanan energi panas, yang sebelumnya tidak mungkin dilakukan hingga sekarang.
“Ini adalah kerangka kerja yang sangat baik bagi orang untuk membandingkan – apple-to-apple – baterai versus penyimpanan termal,” kata Kaur. “Jika seseorang datang kepada saya dan bertanya, ‘apakah saya harus memasang Powerwall (sistem baterai lithium Tesla untuk menyimpan energi matahari) atau penyimpanan energi termal,’ tidak ada cara untuk membandingkannya. Kerangka kerja ini menyediakan cara bagi orang untuk memahami biaya penyimpanan selama bertahun-tahun.”
Kerangka kerja, yang dikembangkan bersama para peneliti di Laboratorium Energi Terbarukan Nasional dan Laboratorium Nasional Oak Ridge, memperhitungkan biaya seumur hidup. Misalnya, sistem termal memiliki biaya modal yang lebih rendah untuk dipasang, dan masa pakai sistem termal biasanya 15 hingga 20 tahun, sedangkan baterai biasanya harus diganti setelah delapan tahun.
Alat simulasi untuk menyebarkan penyimpanan energi panas dalam membangun sistem HVAC
Akhirnya, belajar dengan peneliti dari UC Davis dan UC Berkeley menunjukkan kelayakan tekno-ekonomi dari penggelaran sistem HVAC dengan penyimpanan energi termal berdasarkan bahan perubahan fase. Pertama tim mengembangkan simulasi model dan alat yang diperlukan untuk menilai penghematan biaya energi, pengurangan beban puncak, dan biaya sistem semacam itu. Alat, yang akan tersedia untuk umum, akan memungkinkan peneliti dan pembangun untuk membandingkan ekonomi sistem sistem HVAC dengan penyimpanan energi panas ke sistem HVAC semua-listrik dengan dan tanpa penyimpanan elektrokimia.
“Alat-alat ini menawarkan kesempatan yang belum pernah terjadi sebelumnya untuk mengeksplorasi ekonomi aplikasi dunia nyata dari penyimpanan energi panas-terintegrasi HVAC,” kata kepala proyek Berkeley Lab Spencer Dutton. “Mengintegrasikan penyimpanan energi termal memungkinkan kami untuk secara signifikan mengurangi kapasitas dan karenanya biaya pompa panas, yang merupakan faktor signifikan dalam menurunkan biaya siklus hidup.”
Selanjutnya, tim melanjutkan untuk mengembangkan sistem HVAC prototipe “siap-lapangan” untuk bangunan komersial kecil yang menggunakan baterai termal dingin dan panas berdasarkan bahan perubahan fase. Sistem seperti itu memindahkan beban pendinginan dan pemanasan dari jaringan listrik. Terakhir, tim menggelar demonstrasi lapangan skala perumahan, dengan fokus pada elektrifikasi rumah dan pemindahan pemanas rumah dan beban air panas.
“Jika Anda memikirkan bagaimana energi dikonsumsi di seluruh dunia, orang mengira energi itu dikonsumsi dalam bentuk listrik, tetapi pada kenyataannya sebagian besar dikonsumsi dalam bentuk panas,” kata Noel Bakhtian, direktur eksekutif Berkeley Lab. Pusat Penyimpanan Energi. “Jika Anda ingin mendekarbonisasi dunia, Anda perlu mendekarbonisasi bangunan dan industri. Itu berarti Anda perlu mendekarbonisasi panas. Penyimpanan energi termal dapat memainkan peran penting di sana.”
Penelitian ini didukung oleh Kantor Teknologi Bangunan Departemen Energi Kantor Efisiensi Energi dan Energi Terbarukan.
Sumber: Lab Berkeley, oleh Julie Chao.
