Bagaimana cara menyimpan listrik di luar jaringan?

Selama 50 tahun terakhir, konsumsi listrik global terus meningkat, dengan estimasi 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 dibarengi dengan efek perubahan iklim yang lebih nyata karena emisi gas rumah kaca yang berlebihan. Saat ini, sebagian besar pembangkit listrik dan fasilitas sangat bergantung pada sumber bahan bakar fosil (minyak dan gas) untuk memenuhi permintaan tersebut. Kekhawatiran iklim ini melarang 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 dibantu oleh teknik manufaktur yang lebih baik, 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 sebesar 22% dibandingkan dengan 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 ini tidak mengatasi beberapa kelemahan inheren sistem energi terbarukan, terutama ketersediaannya. Sebagian besar metode ini tidak menghasilkan energi sesuai permintaan seperti pembangkit listrik berbahan bakar batu bara dan minyak. Output energi surya misalnya tersedia sepanjang hari dengan variasi tergantung pada sudut penyinaran matahari dan posisi panel PV. Tenaga surya tidak dapat menghasilkan energi apa pun pada malam hari sementara outputnya berkurang secara signifikan selama musim dingin dan pada hari-hari yang sangat berawan. Tenaga angin juga mengalami fluktuasi tergantung pada kecepatan angin. Oleh karena itu, solusi ini perlu dipadukan dengan sistem penyimpanan energi untuk mempertahankan pasokan energi selama periode output rendah.

Apa itu sistem penyimpanan energi?

Sistem penyimpanan energi dapat menyimpan energi untuk digunakan di kemudian hari. Dalam beberapa kasus, akan ada bentuk konversi energi antara energi yang tersimpan dan energi yang disediakan. Contoh yang paling umum adalah baterai listrik seperti baterai lithium-ion atau baterai timbal-asam. Baterai ini menyediakan 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 adalah pembangkit listrik tenaga air yang mengubah energi potensial air yang tersimpan di bendungan menjadi energi listrik. Air yang jatuh akan memutar roda gila turbin yang menghasilkan energi listrik. Contoh lainnya adalah gas terkompresi, saat dilepaskan gas akan memutar roda turbin yang menghasilkan daya.

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

Kasus penggunaan untuk sistem penyimpanan di luar jaringan.

Seperti yang disebutkan sebelumnya, sistem penyimpanan off-grid dapat memfasilitasi penggunaan dan ketergantungan pada metode energi terbarukan seperti tenaga surya dan angin. Meskipun demikian, ada aplikasi lain yang dapat sangat diuntungkan dari sistem tersebut.

Jaringan listrik kota bertujuan untuk menyediakan jumlah daya yang tepat berdasarkan pasokan dan permintaan setiap kota. Daya yang dibutuhkan dapat berfluktuasi sepanjang hari. Sistem penyimpanan di luar jaringan telah digunakan untuk meredam fluktuasi dan memberikan stabilitas lebih saat permintaan puncak. Dari perspektif yang berbeda, sistem penyimpanan di luar jaringan dapat sangat bermanfaat untuk mengkompensasi setiap kesalahan teknis yang tidak terduga di jaringan listrik utama atau selama periode pemeliharaan terjadwal. Sistem ini dapat memenuhi kebutuhan daya tanpa harus mencari sumber energi alternatif. Misalnya, badai es Texas pada awal Februari 2023 yang menyebabkan sekitar 262.000 orang kehilangan listrik, sementara perbaikan tertunda karena kondisi cuaca yang buruk.

Kendaraan listrik merupakan aplikasi lainnya. Para peneliti telah mencurahkan banyak upaya untuk mengoptimalkan pembuatan baterai dan strategi pengisian/pengosongan daya guna memperpanjang masa pakai dan kepadatan daya baterai. Baterai lithium-ion telah menjadi yang terdepan dalam revolusi kecil ini dan telah digunakan secara luas di mobil listrik baru dan 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 telah banyak diuntungkan dari pengembangan baterai. Strategi gerak dan strategi kontrol sangat bergantung pada kapasitas baterai dan daya 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 konfigurasi berbeda (seri/paralel) dan berukuran berdasarkan kebutuhan. Baterai-baterai tersebut dihubungkan ke inverter yang digunakan untuk mengubah daya DC menjadi daya AC untuk penggunaan.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 saja harganya cukup mahal dan memerlukan pemeliharaan yang lebih rutin berdasarkan penggunaan.

Ukuran dan kebiasaan penggunaan BESS

Hal penting yang perlu diperhatikan saat memasang sistem penyimpanan energi baterai adalah ukuran. Berapa banyak baterai yang dibutuhkan? Dalam konfigurasi 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 mencakup mulai dari rumah tangga kecil hingga pabrik industri besar.

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

Menjaga daya baterai dalam kondisi yang relatif sedang atau tidak mengosongkan baterai sepenuhnya mungkin tampak tidak masuk akal pada awalnya. Lagi pula, mengapa menggunakan sistem penyimpanan jika kita tidak dapat memanfaatkan potensinya secara maksimal? Secara teori, hal itu mungkin saja terjadi, tetapi mungkin bukan strategi yang memaksimalkan laba atas investasi.

Salah satu kelemahan utama BESS adalah biaya baterai yang relatif tinggi. Oleh karena itu, memilih kebiasaan penggunaan atau strategi pengisian/pengosongan daya yang memaksimalkan masa pakai baterai sangatlah penting. Misalnya, baterai asam timbal tidak dapat dikosongkan dayanya di bawah 50% tanpa mengalami kerusakan yang tidak dapat dipulihkan. Baterai ion litium memiliki kepadatan energi yang lebih tinggi, siklus hidup yang panjang. Baterai ini juga dapat dikosongkan dayanya menggunakan rentang yang lebih besar, tetapi hal ini memerlukan biaya yang lebih tinggi. Ada perbedaan biaya yang tinggi antara berbagai bahan kimia, baterai asam timbal dapat ratusan hingga ribuan dolar lebih murah daripada baterai ion litium dengan ukuran yang sama. Inilah sebabnya mengapa baterai asam timbal paling banyak digunakan dalam aplikasi tenaga surya di negara-negara dunia ketiga dan masyarakat miskin.

Performa baterai sangat dipengaruhi oleh degradasi selama masa pakainya, baterai tidak memiliki performa yang stabil yang berakhir dengan kegagalan tiba-tiba. Sebaliknya, kapasitas dan daya yang disediakan dapat memudar secara progresif. Dalam praktiknya, masa pakai baterai dianggap telah habis saat kapasitasnya mencapai 80% dari kapasitas aslinya. Dengan kata lain, saat baterai mengalami penurunan kapasitas sebesar 20%. Dalam praktiknya, ini berarti jumlah energi yang dapat disediakan lebih sedikit. Hal ini dapat memengaruhi periode penggunaan untuk sistem yang sepenuhnya independen dan jumlah jarak tempuh yang dapat ditempuh EV.

Hal lain yang perlu dipertimbangkan adalah keamanan. Dengan kemajuan dalam bidang manufaktur dan teknologi, baterai baru-baru ini secara umum lebih stabil secara kimiawi. Namun, karena degradasi dan riwayat penyalahgunaan, sel dapat mengalami thermal runaway yang dapat mengakibatkan hasil yang buruk dan dalam beberapa kasus membahayakan nyawa konsumen.

Itulah sebabnya perusahaan telah mengembangkan perangkat lunak pemantauan baterai (BMS) yang lebih baik untuk mengendalikan penggunaan baterai tetapi juga memantau kondisi kesehatannya agar dapat memberikan pemeliharaan tepat waktu dan menghindari konsekuensi yang lebih buruk.

Kesimpulan

Sistem penyimpanan energi jaringan memberikan peluang besar untuk mencapai kemandirian daya dari jaringan utama tetapi juga menyediakan sumber daya cadangan selama masa henti dan periode beban puncak. Pengembangannya akan memfasilitasi peralihan ke sumber energi yang lebih ramah lingkungan, sehingga membatasi dampak pembangkitan energi terhadap perubahan iklim sambil tetap memenuhi kebutuhan energi dengan pertumbuhan konsumsi yang konstan.

Sistem penyimpanan energi baterai merupakan sistem yang paling umum digunakan dan paling mudah dikonfigurasi untuk berbagai aplikasi sehari-hari. Fleksibilitasnya yang tinggi diimbangi dengan biaya yang relatif tinggi, sehingga diperlukan pengembangan strategi pemantauan untuk memperpanjang masa pakai baterai semaksimal mungkin. Saat ini, industri dan akademisi tengah berupaya keras untuk menyelidiki dan memahami degradasi baterai dalam berbagai kondisi.