Bagaimana cara menyimpan listrik di luar jaringan listrik?

Selama 50 tahun terakhir, terjadi peningkatan terus-menerus dalam konsumsi listrik global, dengan perkiraan penggunaan sekitar 25.300 terawatt-jam pada tahun 2021. Dengan transisi menuju industri 4.0, terjadi peningkatan permintaan energi di seluruh dunia. Angka-angka ini meningkat setiap tahun, belum termasuk kebutuhan daya sektor industri dan ekonomi lainnya. Pergeseran industri dan konsumsi daya yang tinggi ini diiringi dengan dampak perubahan iklim yang lebih nyata akibat emisi gas rumah kaca yang berlebihan. Saat ini, sebagian besar pembangkit listrik dan fasilitas pembangkit listrik sangat bergantung pada sumber bahan bakar fosil (minyak dan gas) untuk memenuhi permintaan tersebut. Kekhawatiran iklim ini menghambat pembangkitan energi tambahan menggunakan metode konvensional. Dengan demikian, pengembangan sistem penyimpanan energi yang efisien dan andal menjadi semakin penting untuk memastikan pasokan energi yang berkelanjutan dan andal dari sumber terbarukan.

Sektor energi telah merespons dengan beralih ke energi terbarukan atau solusi "hijau". Transisi ini telah dibantu oleh peningkatan teknik manufaktur, yang misalnya mengarah pada manufaktur bilah turbin angin yang lebih efisien. Selain itu, para peneliti telah mampu meningkatkan efisiensi sel fotovoltaik, yang mengarah pada pembangkitan energi yang lebih baik per area penggunaan. Pada tahun 2021, pembangkitan listrik dari sumber fotovoltaik surya (PV) meningkat secara signifikan, mencapai rekor 179 TWh dan mewakili pertumbuhan 22% dibandingkan tahun 2020. Teknologi PV surya sekarang menyumbang 3,6% dari pembangkitan listrik global dan saat ini merupakan sumber energi terbarukan terbesar ketiga setelah tenaga air dan angin.

Namun, terobosan-terobosan ini tidak menyelesaikan beberapa kekurangan inheren dari sistem energi terbarukan, terutama ketersediaan. Sebagian besar metode ini tidak menghasilkan energi sesuai permintaan seperti pembangkit listrik tenaga batu bara dan minyak. Misalnya, keluaran energi surya tersedia sepanjang hari dengan variasi tergantung pada sudut penyinaran matahari dan posisi panel PV. Energi surya tidak dapat menghasilkan energi apa pun pada malam hari, sementara keluarannya berkurang secara signifikan selama musim dingin dan pada hari-hari yang sangat berawan. Energi angin juga mengalami fluktuasi tergantung pada kecepatan angin. Oleh karena itu, solusi-solusi ini perlu dipadukan dengan sistem penyimpanan energi untuk mempertahankan pasokan energi selama periode keluaran rendah.

Apa itu sistem penyimpanan energi?

Sistem penyimpanan energi dapat menyimpan energi untuk digunakan di kemudian hari. Dalam beberapa kasus, akan terjadi konversi energi antara energi yang tersimpan dan energi yang diberikan. Contoh yang paling umum adalah baterai listrik seperti baterai lithium-ion atau baterai timbal-asam. Baterai ini menghasilkan energi listrik melalui reaksi kimia antara elektroda dan elektrolit.

Baterai, atau BESS (battery energy storage system), merupakan metode penyimpanan energi yang paling umum digunakan dalam aplikasi kehidupan sehari-hari. Sistem penyimpanan lainnya ada, seperti pembangkit listrik tenaga air yang mengubah energi potensial air yang tersimpan di bendungan menjadi energi listrik. Air yang jatuh akan memutar roda turbin yang menghasilkan energi listrik. Contoh lain adalah gas terkompresi; setelah dilepaskan, gas tersebut akan memutar roda turbin dan menghasilkan daya.

Yang membedakan baterai dari metode penyimpanan lainnya adalah potensi area operasinya. Mulai dari perangkat kecil dan catu daya mobil hingga aplikasi rumah tangga dan ladang surya besar, baterai dapat diintegrasikan dengan mulus ke dalam aplikasi penyimpanan di luar jaringan listrik apa pun. Di sisi lain, metode tenaga air dan udara terkompresi membutuhkan infrastruktur penyimpanan yang sangat besar dan kompleks. Hal ini menyebabkan biaya yang sangat tinggi yang membutuhkan aplikasi yang sangat besar agar dapat dibenarkan.

Studi kasus untuk sistem penyimpanan energi di luar jaringan listrik.

Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, sistem penyimpanan energi di luar jaringan (off-grid) dapat mempermudah penggunaan dan ketergantungan pada metode energi terbarukan seperti tenaga surya dan angin. Meskipun demikian, ada aplikasi lain yang dapat memperoleh manfaat besar dari sistem tersebut.

Jaringan listrik kota bertujuan untuk menyediakan jumlah daya yang tepat berdasarkan pasokan dan permintaan setiap kota. Kebutuhan daya dapat berfluktuasi sepanjang hari. Sistem penyimpanan di luar jaringan (off-grid) telah digunakan untuk mengurangi fluktuasi dan memberikan stabilitas yang lebih baik dalam kasus permintaan puncak. Dari perspektif yang berbeda, sistem penyimpanan di luar jaringan dapat sangat bermanfaat untuk mengkompensasi setiap kerusakan teknis yang tidak terduga pada jaringan listrik utama atau selama periode pemeliharaan terjadwal. Sistem ini dapat memenuhi kebutuhan daya tanpa harus mencari sumber energi alternatif. Sebagai contoh, dapat disebutkan badai es di Texas pada awal Februari 2023 yang menyebabkan sekitar 262.000 orang kehilangan aliran listrik, sementara perbaikan tertunda karena kondisi cuaca yang sulit.

Kendaraan listrik adalah aplikasi lainnya. Para peneliti telah mencurahkan banyak upaya untuk mengoptimalkan pembuatan baterai dan strategi pengisian/pengosongan daya guna memperpanjang umur dan kepadatan daya baterai. Baterai lithium-ion telah berada di garis depan revolusi kecil ini dan telah digunakan secara luas di mobil listrik baru, tetapi juga bus listrik. Baterai yang lebih baik dalam hal ini dapat menghasilkan jarak tempuh yang lebih jauh, tetapi juga mengurangi waktu pengisian daya dengan teknologi yang tepat.

Kemajuan teknologi lainnya seperti UAV dan robot bergerak sangat diuntungkan dari pengembangan baterai. Strategi pergerakan dan strategi kontrolnya sangat bergantung pada kapasitas dan daya baterai yang disediakan.

Apa itu BESS?

BESS atau sistem penyimpanan energi baterai adalah sistem penyimpanan energi yang dapat digunakan untuk menyimpan energi. Energi ini dapat berasal dari jaringan listrik utama atau dari sumber energi terbarukan seperti energi angin dan energi matahari. Sistem ini terdiri dari beberapa baterai yang disusun dalam berbagai konfigurasi (seri/paralel) dan ukurannya disesuaikan dengan kebutuhan. Baterai-baterai ini dihubungkan ke inverter yang digunakan untuk mengubah daya DC menjadi daya AC untuk digunakan.sistem manajemen baterai (BMS)Digunakan untuk memantau kondisi baterai dan operasi pengisian/pengosongan.

Dibandingkan dengan sistem penyimpanan energi lainnya, sistem ini sangat fleksibel untuk ditempatkan/dihubungkan dan tidak memerlukan infrastruktur yang sangat mahal, tetapi tetap memiliki biaya yang cukup besar dan memerlukan perawatan yang lebih teratur berdasarkan penggunaannya.

Kebiasaan ukuran dan penggunaan BESS

Poin penting yang perlu diperhatikan saat memasang sistem penyimpanan energi baterai adalah penentuan ukuran. Berapa banyak baterai yang dibutuhkan? Dalam konfigurasi seperti apa? Dalam beberapa kasus, jenis baterai dapat memainkan peran penting dalam jangka panjang dalam hal penghematan biaya dan efisiensi.

Hal ini dilakukan berdasarkan kasus per kasus karena aplikasinya dapat beragam, mulai dari rumah tangga kecil hingga pabrik industri besar.

Sumber energi terbarukan yang paling umum untuk rumah tangga kecil, terutama di daerah perkotaan, adalah energi surya menggunakan panel fotovoltaik. Secara umum, insinyur akan mempertimbangkan konsumsi daya rata-rata rumah tangga dan menilai intensitas radiasi matahari sepanjang tahun untuk lokasi tertentu. Jumlah baterai dan konfigurasi jaringannya dipilih agar sesuai dengan kebutuhan rumah tangga selama pasokan energi surya terendah dalam setahun, tanpa menguras baterai sepenuhnya. Ini dengan asumsi solusi untuk mencapai kemandirian daya sepenuhnya dari jaringan listrik utama.

Mempertahankan tingkat pengisian daya yang relatif moderat atau tidak sepenuhnya mengosongkan baterai mungkin tampak tidak masuk akal pada awalnya. Lagipula, mengapa menggunakan sistem penyimpanan jika kita tidak dapat memanfaatkan potensi penuhnya? Secara teori memang mungkin, tetapi mungkin bukan strategi yang memaksimalkan pengembalian investasi.

Salah satu kelemahan utama BESS (Battery Energy Storage System) adalah biaya baterai yang relatif tinggi. Oleh karena itu, memilih kebiasaan penggunaan atau strategi pengisian/pengosongan yang memaksimalkan umur baterai sangat penting. Misalnya, baterai asam timbal tidak dapat dikosongkan di bawah 50% kapasitas tanpa mengalami kerusakan permanen. Baterai lithium-ion memiliki kepadatan energi yang lebih tinggi, umur siklus yang panjang. Baterai ini juga dapat dikosongkan menggunakan rentang yang lebih besar, tetapi hal ini datang dengan biaya yang lebih tinggi. Terdapat variasi biaya yang tinggi antara berbagai jenis baterai, baterai asam timbal bisa ratusan hingga ribuan dolar lebih murah daripada baterai lithium-ion dengan ukuran yang sama. Inilah mengapa baterai asam timbal paling banyak digunakan dalam aplikasi tenaga surya di negara-negara dunia ketiga dan komunitas miskin.

Performa baterai sangat dipengaruhi oleh degradasi selama masa pakainya; baterai tidak memiliki performa stabil yang berakhir dengan kegagalan mendadak. Sebaliknya, kapasitas dan daya yang diberikan dapat menurun secara bertahap. Dalam praktiknya, masa pakai baterai dianggap telah habis ketika kapasitasnya mencapai 80% dari kapasitas aslinya. Dengan kata lain, ketika mengalami penurunan kapasitas sebesar 20%. Dalam praktiknya, ini berarti jumlah energi yang dapat diberikan lebih rendah. Hal ini dapat memengaruhi periode penggunaan untuk sistem yang sepenuhnya independen dan jarak tempuh yang dapat ditempuh oleh kendaraan listrik.

Hal lain yang perlu dipertimbangkan adalah keamanan. Dengan kemajuan dalam manufaktur dan teknologi, baterai terbaru umumnya lebih stabil secara kimia. Namun, karena degradasi dan riwayat penyalahgunaan, sel baterai dapat mengalami pelarian termal yang dapat menyebabkan hasil yang fatal dan dalam beberapa kasus membahayakan nyawa konsumen.

Inilah mengapa perusahaan telah mengembangkan perangkat lunak pemantauan baterai (BMS) yang lebih baik untuk mengontrol penggunaan baterai, tetapi juga memantau kondisi kesehatannya agar dapat melakukan perawatan tepat waktu dan menghindari konsekuensi yang lebih buruk.

Kesimpulan

Sistem penyimpanan energi jaringan memberikan peluang besar untuk mencapai kemandirian energi dari jaringan utama, sekaligus menyediakan sumber daya cadangan selama waktu henti dan periode beban puncak. Pengembangan sistem ini akan memfasilitasi peralihan menuju sumber energi yang lebih ramah lingkungan, sehingga membatasi dampak pembangkitan energi terhadap perubahan iklim sekaligus tetap memenuhi kebutuhan energi dengan pertumbuhan konsumsi yang konstan.

Sistem penyimpanan energi baterai adalah yang paling umum digunakan dan paling mudah dikonfigurasi untuk berbagai aplikasi sehari-hari. Fleksibilitasnya yang tinggi diimbangi oleh biaya yang relatif tinggi, sehingga mendorong pengembangan strategi pemantauan untuk memperpanjang masa pakainya semaksimal mungkin. Saat ini, industri dan akademisi mencurahkan banyak upaya untuk menyelidiki dan memahami degradasi baterai dalam berbagai kondisi.