Apa itu Baterai Pasir? Semua yang Perlu Anda Ketahui

Berita tentang baterai pasir dari Finlandia baru-baru ini menjadi berita utama, meskipun sistem itu hanya menyimpan dan melepaskan panas.

Penyimpanan panas termal bukanlah teknologi baru, tetapi proyek percontohan ini menyoroti beberapa kemungkinan masa depan teknologi dan sistem energi hijau.

Tulisan ini membahas teknologi seputar pasir untuk penyimpanan energi, serta teknologi serupa, dan apa artinya bagi dunia.

Energi Dari Pasir?

Pasir alam memiliki banyak kualitas yang menjadikannya media ideal untuk penyimpanan energi termal. Anda dapat memanaskannya hingga suhu di atas 1,000°C (1,832°F) tanpa masalah dan dapat menahan panas tersebut selama berhari-hari, berminggu-minggu, dan bahkan berbulan-bulan dengan kehilangan panas yang minimal.

Jika Anda menganggap bahwa baterai adalah sarana menyimpan energi yang dihasilkan pada waktu tertentu, sehingga dapat digunakan di waktu lain, maka pasir yang dipanaskan dengan energi listrik untuk penyimpanan dan penggunaan selanjutnya, adalah baterai.

Baterai Pasir Viral dari Finlandia

Di distrik Kankaanpää di Finlandia bagian barat terdapat sistem penyimpanan energi panas yang dipatenkan yang dikembangkan oleh Malam Kutub. Alat ini menggunakan kelebihan energi listrik dari sumber terbarukan untuk memanaskan pasir dalam silo setinggi 7 meter dan lebar 4 meter hingga mencapai suhu 600°C (1,112°F) untuk penyimpanan dan penggunaan selanjutnya dalam jaringan pemanas distrik.

Beberapa hal penting untuk diingat di sini. Pertama, energi yang digunakan adalah kelebihan produksi dari sumber terbarukan seperti angin dan matahari. Hal ini menghilangkan perbandingan objektif dengan sistem penyimpanan energi lain untuk tujuan komersial.

Kedua, sistem ini digunakan semata-mata untuk penyimpanan dan penyaluran panas – yaitu, energi listrik diubah menjadi panas dan disimpan di pasir. Kemudian, saat dibutuhkan, panas diekstraksi dan didistribusikan ke rumah-rumah dan pabrik-pabrik yang membutuhkannya.

Ketiga, pasir alam dapat menyimpan sejumlah energi yang cukup mengesankan. Misalnya, baterai Polar Night Finlandia ini menampung 100 ton pasir pada suhu sekitar 600 Celsius, dengan total energi tersimpan 8MWh pada kapasitas pemanas 100kW. Hal ini menjadikan pasir sebagai media penyimpanan energi yang sangat murah tanpa teknologi canggih, instalasi, atau persyaratan berbahaya.

Tentang Penyimpanan Energi Termal Musiman

Penyimpanan Energi Termal Musiman atau yang disingkat STES, telah ada sejak lama. Dalam bentuk yang paling sederhana, Anda dapat mengumpulkan air panas dari atap selama musim panas dan menyimpannya di tangki bawah tanah, yang kemudian dapat Anda gunakan untuk pemanas selama musim dingin.

Namun, sebagian besar sistem STES menyimpan panas pada suhu kurang dari 100°C, yang membuatnya aman untuk memanaskan rumah dan kantor, tetapi kurang ideal untuk penggunaan industri lain atau pembangkit listrik.

Metodenya sederhana, Anda memaparkan media apa pun yang dapat memerangkap dan menahan panas ke sumber radiasi, seperti matahari, limbah panas industri, dan sebagainya. Efisiensi sistem bergantung pada metode pertukaran panas dan efisiensinya.

Selanjutnya, Anda harus menyimpan media yang dipanaskan dalam wadah yang terisolasi, untuk meminimalkan kehilangan energi. Beberapa wadah dapat menahan panas dengan baik selama berbulan-bulan.

Terakhir, media penyimpanan dipompa keluar selama musim dingin untuk menyediakan pemanas bagi rumah dan kantor dengan melewatkannya melalui pertukaran panas lain seperti pemanas radiator. Bahan umum yang digunakan sebagai media penyimpanan STES meliputi air, minyak, tanah, hidrat garam, dan sebagainya.

Penggunaan Energi Termal Tersimpan yang Populer

Energi panas yang tersimpan memiliki banyak kegunaan, tergantung pada aplikasi yang dituju. Berikut adalah beberapa kegunaan yang paling populer:

1. Pemanas Rumah & Kantor – Penyimpanan termal dapat dengan mudah menyediakan pemanas untuk ruang tinggal dan ruang kerja di musim dingin.
   
2. Hot Air – Panas juga dapat ditransfer untuk menyediakan air panas yang selalu siap untuk penggunaan sehari-hari.
   
3. Aplikasi industri – Air panas digunakan untuk berbagai macam aplikasi industri, mulai dari pencampuran hingga pembersihan, pengolahan makanan, pembuatan pelarut, sterilisasi, dan masih banyak lagi.
   
4. Produksi Listrik  – Anda juga dapat menggunakan energi termal yang tersimpan untuk memanaskan air menjadi uap dan menggerakkan turbin, yang selanjutnya menggerakkan alternator yang menghasilkan tenaga listrik.

Ekonomi Baterai Pasir

Air dapat menyimpan lebih banyak energi dibandingkan dengan pasir, tetapi menjadi tidak stabil pada suhu 100°C (212°F) ke atas, sementara pasir dapat dengan mudah menampung suhu 600°C (1112°F).

Air juga akan mempertahankan energi termalnya lebih lama daripada pasir, yang menjadikan air sebagai media yang lebih baik untuk penyimpanan energi musiman. Namun, jika Anda mempertimbangkan aplikasi yang menghabiskan panas dalam hitungan jam atau hanya beberapa hari, maka pasir kembali menjadi pilihan utama. Pasir sangat cocok untuk melengkapi sumber energi intermiten seperti tenaga surya fotovoltaik dan angin.

Kembali ke baterai pasir Finlandia, wadah baja setinggi 7 meter dirancang untuk 100 ton pasir, yang menampung energi hingga 8MWh.

Sebagai perbandingan, rata-rata rumah di AS menggunakan sekitar 10MWh energi per tahun, sementara di Eropa angka tersebut bervariasi dari sekitar 2MWh di Rumania hingga 9MWh di Swedia. Selain itu, 30-50% energi digunakan untuk pemanas selama musim dingin.

Artinya, reservoir pasir setinggi 7 meter dapat menghasilkan daya yang cukup untuk memanaskan beberapa rumah selama musim dingin, dan tergantung pada lokasi Anda. Namun, hal itu akan menjadi aplikasi yang tidak praktis di pusat kota dengan populasi yang padat, mengingat ukurannya.

Di sisi lain, mengonversi kapasitas pemanas 100 kW menjadi listrik sebesar 30% dapat menghasilkan daya yang cukup untuk 20 rumah lebih pada siang hari, dan lebih banyak rumah lagi pada malam hari.

Jadi, jika dioptimalkan dengan benar, baterai pasir yang harganya sekitar $5 per kWh dapat menjadi alternatif yang bagus untuk biaya saat ini sebesar $100+ per kWh untuk sistem baterai timbal-asam dan lithium-ion. Ya, mungkin lebih besar, tetapi jauh lebih murah.

Baterai Pasir Untuk Pembangkit Listrik

Penyimpanan energi termal untuk penggunaan selanjutnya dalam pembangkitan listrik adalah teknologi yang terbukti dan andal yang telah diterapkan di Tenaga Surya Terkonsentrasi (CSP) proyek selama beberapa dekade.

Energi dalam sistem CSP modern terperangkap dengan memusatkan ratusan atau ribuan cermin dalam satu tungku. Cermin-cermin ini kemudian melacak matahari sepanjang hari untuk menjamin panas yang konstan di tungku hingga 565°C (1,049°F).

Instalasi CSP seringkali sangat besar, mencakup area jutaan kaki persegi (~1+km2), dengan penerima tenaga surya di tengahnya dan kapasitas pembangkitan listrik dalam kisaran 100+ Megawatt.

Campuran garam cair dengan 60% natrium nitrat dan 40% kalium nitrat digunakan untuk menyimpan energi dalam sistem CSP untuk pembangkitan listrik pada malam hari. Namun, tidak seperti baterai pasir, campuran garam ini mencair pada suhu tinggi sehingga mengalir seperti cairan.

Baik sistem CSP maupun baterai pasir mengubah tenaga surya menjadi energi panas dengan efisiensi yang hampir sama, yaitu 15-20%. Namun, sementara sistem garam cair CSP memiliki efisiensi sekitar 50% dalam mengubah panas yang tersimpan menjadi listrik, baterai pasir Finlandia memiliki efisiensi teoritis sebesar 20-25%.

Sistem CSP layak secara komersial, jadi jika Anda dapat mengubah baterai Finlandia ini untuk mendapatkan efisiensi konversi panas menjadi listrik di atas 30%, maka ini dapat menjadi teknologi yang layak untuk menyimpan dan memasok listrik terbarukan dengan biaya murah.

Teknologi Penyimpanan Serupa

Ada banyak bentuk penyimpanan energi lainnya, masing-masing dengan kelebihan dan kekurangannya. Jenis yang paling populer meliputi:

1. Penyimpanan Energi Elektrokimia – Seperti yang Anda temukan pada baterai, ini memanfaatkan perbedaan potensial antara dua elemen untuk menyimpan dan melepaskan energi menggunakan reaksi elektrokimia yang dapat dibalik.
   
2. Penyimpanan Energi Mekanik – Ini melibatkan berbagai metode termasuk penggunaan roda gila dan pegas, serta sistem gravitasi yang menyimpan energi dalam suatu objek dengan mengangkatnya ke atas dan meningkatkan ketinggiannya.
   
3. Penyimpanan Energi Garam Cair (MSES) – Penyimpanan di sini bersifat termal, seperti menggunakan kombinasi 60% natrium nitrat dan 40% kalium nitrat.
   
4. Air Panas Termal – Metode ini dapat menyimpan hingga 6kWh energi dalam tangki air panas 50 galon.
   
5. Pompa Hidro – Bentuk penyimpanan energi yang paling murah. Namun, masalah utamanya adalah terbatasnya lokasi penerapannya.
   
6. Udara tekan – Mirip dengan hidro, metode ini hanya memampatkan udara untuk menyimpan energi. Kemudian, saat Anda membutuhkan energi, Anda melepaskan udara terkompresi untuk menggerakkan turbin.
   
7. Roda gila – Anda cukup menggunakan energi untuk memutar roda yang seimbang, lalu menyimpannya sebagai energi kinetik yang dapat digunakan untuk penggerak atau pembangkit tenaga listrik.
   
8. Arus Baterai – Ini adalah sistem penyimpanan elektrokimia di mana elektrolit berada di tangki yang berbeda dan harus mengalir dari tangki yang terisi penuh ke tangki pengisian yang kosong. Kemudian untuk mengisi elektrolit, Anda cukup membalikkan alirannya. Metode ini dapat menghasilkan baterai yang sangat kuat karena kedua elektrolit berinteraksi melalui membran yang dapat Anda skalakan secara ekstensif.
   
9. Bahan Perubahan Fase – Bahan-bahan ini menyerap energi saat mencair, lalu melepaskannya saat mengeras. Bahan-bahan ini ideal untuk menyimpan energi termal pada suhu yang tepat.

Pertanyaan yang sering diajukan

Kesimpulan

Kita telah sampai pada akhir eksplorasi baterai pasir dan potensi ekonominya. Dan seperti yang Anda sadari, baterai pasir menawarkan banyak kemungkinan.

Dari menyediakan panas bagi masyarakat hingga pembangkitan tenaga listrik, murahnya harga pasir silika menjadikannya media yang menjanjikan untuk proyek energi masa depan.