Penyimpanan energi

Sejarah

Penyimpanan energi adalah proses alami yang usianya setua usia alam semesta ini. Energi muncul pada penciptaan awal alam semesta dan sudah disimpan dalam berbagai media seperti bintang, yang saat ini dapat dimanfaatkan oleh manusia secara langsung (dengan pemanasan surya) ataupun secara tidak langsung (melalui budidaya pertanian). Penyimpanan energi memungkinkan manusia untuk menyeimbangkan kebutuhan dan ketersediaan energi.
Sistem penyimpanan energi secara komersial saat ini dapat dikategorikan ke dalam energi mekanis, listrik, kimia, termal, dan nuklir.
Sebagai suatu kegiatan, penyimpanan energi sudah berlangsung sejak zaman prasejarah, meski tidak begitu jelas dikatakan sebagai aktivitas penyimpanan energi. Contohnya adalah penggunaan balok kayu dan bebatuan besar untuk pertahanan melawan musuh; balok kayu dan bebatuan besar digulingkan dari bukit untuk menyerang musuh yang menginvasi.
Aplikasi yang masih ada saat ini dalam hal penyimpanan energi adalah pengendalian saluran air untuk menggerakkan mesin penggiling untuk pemrosesan hasil panen atau menggerakkan mesin. Sistem kompleks reservoir dan bendungan dibangun untuk menyimpan air sebagai sumber energi potensial. Di beberapa area di dunia, dengan menggunakan keuntungan geografis dapat menyimpan sejumlah besar reservoir air ketika tidak dibutuhkan, dan dilepaskan menjadi energi listrik ketika terjadi beban puncak listrik.
Penyimpanan energi menjadi faktor utama dalam pembangunan ekonomi dengan penyebaran energi listrik dan pemurnian bahan bakar kimia seperti bensin, minyak tanah, dan gas alam pada akhir tahun 1800an. Tidak seperti media penyimpanan energi organik seperti kayu atau batu bara, listrik telah digunakan segera setelah dihasilkan pertama kalinya. Listrik seringkali tidak disimpan pada skala besar, tetapi suatu saat nanti hal itu akan banyak terjadi dengan ditemukannya teknologi penyimpanan energi listrik seperti baterai Lithium ion dan NiMH yang merupakan baterai yang telah dan mampu menyimpan energi listrik dan mensuplainya bagi mobil listrik yang ada saat ini. Penyimpanan energi akan sangat diperlukan mengingat beberapa jenis sumber energi tidak dapat diandalkan selamanya. Angin tidak selamanya bertiup untuk menggerakkan turbin, cahaya matahari tidak bisa dimanfaatkan secara optimal ketika cuaca berawan atau di malam hari. Bahkan pembangkit listrik tenaga air saat ini banyak dihadapkan oleh ancaman kekeringan.
Penyelesaian masalah dalam penyimpanan energi untuk tujuan kelistrikan dimulai dengan ditemukannya baterai pada pertama kalinya. Alat penyimpan energi elektrokimia ini digunakan secara terbatas karena kapasitasnya yang kecil dan biaya dalam pembuatannya yang mahal dibandingkan dengan energi listrik yang dihasilkan oleh pemangkit listrik pada sejumlah energi yang sama. Penyelesaian lainnya dari masalah yang sama adalah dengan ditemukannya kapasitor.
Bahan bakar kimia telah menjadi bentuk yang umum dari penyimpanan energi, baik dalam pembangkit listrik maupun transportasi, meski sebagian sulit untuk diproduksi kembali dari pembentuknya. Bahan bakar kimia yang umum digunakan adalah batu bara, bensin, solar, gas alam, LPG, propana, butana, etanol, biodiesel, dan hidrogen. Bahan bakar ini dengan segera dapat diubah menjadi energi mekanis dan listrik dengan mesin kalor (turbin dengan boiler atau mesin pembakaran dalam). Generator listrik jenis ini digunakan hampir di setiap pembangkit listrik di seluruh dunia.
Alat elektrokimia seperti fuel cell dikembangkan pada masa yang sama dengan baterai. Namun dengan berbagai alasan, fuel cell tidak berkembang dengan baik hingga muncul penerbangan luar angkasa berawak di mana sumber listrik non termal dibutuhkan dalam wahana antariksa. Perkembangan fuel cell telah meningkat pada tahun-tahun ini akibat permintaan terhadap sumber energi non hidrokarbon meningkat.
Pada saat ini, bahan bakar hidrokarbon cair menjadi bentuk penggunaan energi yang dominan. Namun, bahan bakar jenis ini akan menghasilkan gas rumah kaca ketika digunakan untuk menggerakkan mesin mobil, truk, kereta, kapal, dan pesawat terbang. Energi non-karbon seperti hidrogen, atau rendah emisi karbon seperti etanol dan biodiesel, berkembang merespon ancaman yang sangat mungkin terjadi akibat emisi gas rumah kaca.
Beberapa teknologi lainnya juga telah diteliti seperti flywheel atau penyimpanan udara terkompresi.

Jaringan penyimpanan energi

Jaringan penyimpanan energi menjadikan penghasil energi mengirim kelebihan energi listrik dari jaringan transmisi listrik menuju lokasi penyimpanan energi yang nantinya akan dikeluarkan ketika kebutuhan listrik membesar. Jaringan penyimpanan energi berperan penting dalam menyeimbangkan suplai dan permintaan energi.

Hidrogen

Hidrogen sedang dikembangkan sebagai media penyimpanan energi. Hidrogen bukanlah sumber energi utama, tetapi metode penyimpanan energi yang portable, karena hidrogen harus dibuat oleh sumber energi lain. Namun, sebagai media penyimpanan energi, mungkin akan signifikan jika dilihat perannya sebagai energi terbarukan.
Hidrogen dapat digunakan pada mesin pembakaran internal konvensional atau pada fuel cell yang mengubah energi kimia secara langsung menjadi energi listrik tanpa pembakaran. Proses produksi hidrogen membutuhkan proses pengubahan gas alam oleh uap, atau dengan cara yang mungkin lebih ekologis, elektrolisis air menjadi hidrogen dan oksigen. Cara yang lama menghasilkan karbon dioksida dalam prosesnya sebagai hasil sampingan.
Kehilangan energi terjadi pada siklus penyimpanan hidrogen dari produksinya untuk pemakaian langsung pada kendaraan, pengembunan atau kompresi, dan konversi kembali menjadi listrik, serta siklus penyimpanan hidrogen untuk pemakaian fuel cell stasioner seperti kombinasi mikro panas dan energi dengan biohidrogen, pengembunan atau kompresi, dan konversi menjadi listrik.
Dengan energi terbarukan yang tidak bisa selalu tersedia seperti energi angin dan matahari, output dari kedua energi itu mungkin dapat menjadi energi listrik untuk melakukan elektrolisis. Apapun kemungkinannya, apakah kemampuan konversi energi matahari dan angin menjadi listrik cukup rendah atau energi yang dibutuhkan untuk mengubah air menjadi hidrogen cukup besar, hidrogen hanya akan menjadi media penyimpanan energi dan digunakan hanya jika dibutuhkan.
Ahli nuklir menyatakan bahwa menggunakan energi nuklir untuk menghasilkan hidrogen akan menyelesaikan masalah inefisiensi dalam memproduksi hidrogen. Mereka menggaris bawahi kemungkinan menggunakan pembangkit listrik tenaga nuklir pada kapasitas penuh terus menerus dengan tetap menyalurkan energi listrik ke jaringan transmisi listrik setempat pada beban puncak. Hal ini berarti efisiensi lebih besar juga bagi PLTN tersebut. Reaktor generasi keempat dari PLTN memiliki potensi untuk memisahkan hidrogen dari air dengan cara termokimia menggunakan panas nuklir di siklus iodin-sulfur.
Efisiensi penyiimpanan hidrogen umumnya berkisar 50 hingga 60% secara keseluruhan, yang berarti lebih rendah dibandingkan baterai. Dibutuhkan sekitar 50 kWh untuk memproduksi satu kilogram hidrogen dengan elektrolisis, sehingga biaya listrik untuk memproduksinya adalah hal yang penting untuk dibahas. Jika menggunakan harga standar Rp. 294,00 per kWh, maka akan dibutuhkan biaya sebesar Rp. 14.700,00 per kg hidrogen, tetapi itu belum termasuk biaya lainnya seperti alat elektrolisis, kompresor atau pengembunan, penyimpanan, dan transportasi yang besarnya tidak dapat diabaikan.
Penyimpanan hidrogen bawah tanah adalah kegiatan penyimpanan hidrogen dalam gua, kubah garam, atau ladang gas alam dan minyak yang telah habis. Sejumlah besar gas hidrogen telah disimpah oleh Imperial Chemical Industries di gua bawah tanah sejak beberapa tahun yang lalu tanpa kesulitan berarti. Penyimpanan sejumlah besar hidrogen di bawah tanah dapat difungsikan sebagai penyimpanan energi massal yang penting untuk aspek keekonomian hidrogen pada masa depan.

Biofuel

Berbagai varian biofuel seperti biodiesel, minyak tumbuh-tumbuhan, bahan bakar alkohol, atau biomassa dapat digunakan untuk menggantikan bahan bakar hidrokarbon. Berbagai proses kimia dapat mengubah karbon dan hidrogen di batu bara, gas alam, biomassa dari tumbuhan dan hewan, serta limbah organik menjadi rantai pendek hidrokarbon yang sesuai sebagai pengganti bahan bakar hidrokarbon yang ada saat ini. Contohnya adalah diesel Fischer-Tropsch, metanol, dimetil eter, dan syngas. Dengan harga minyak di atas 35 USD sudah cukup menjanjikan secara ekonomi bagi biofuel untuk diproduksi secara massal (ECN, 1994).

Bahan bakar hidrokarbon sintetik

Karbon dioksida di atmosfer, secara eksperimen, telah diubah menjadi bahan bakar hidrokarbon dengan bantuan energi dari sumber lain. Agar berguna secara industri, energi yang digunakan mungkin akan datang dari matahari, dan pada masa depan akan muncul teknologi fotosintesis buatan. Alternatif lainnya untuk energi adalah listrik atau panas dari energi surya atau nuklir. Dibandingkan dengan hidrogen, hampir semua bahan bakar hidrokarbon memiliki keuntungan berupa penggunaan yang instan dengan mesin dan infrastruktur yang tersedia saat ini. Menghasilkan hidrokarbon sintetik mengurangi jumlah karbon dioksida di atmosfer hingga bahan bakar tersebut dibakar lagi, sehingga sejumlah karbon dioksida yang sama kembali ke atmosfer.

Metana

Metana adalah hidrokarbon paling sederhana dengan rumus molekul CH₄. Metana lebih mudah disimpan daripada hidrogen dan infrastruktur serta fasilitas transportasinya tersedia saat ini. Metana dapat dihasilkan dengan listrik melalui proses Sabatier dengan didahului oleh elektrolisis air. Prosesnya adalah sebagai berikut:
2 H₂O  -->  2 H₂ + O₂
CO₂ + 4 H₂  -->  CH₄ + 2 H₂O
Metana yang dihasilkan disimpan dan akan dipergunakan untuk menghasilkan listrik ketika diperlukan. Air yang dihasilkan dari proses produksi tersebut dapat dipergunakan kembali untuk elektrolisis, sehingga mengurangi kebutuhan akan air bersih. Oksigen yang dihasilkan dalam proses tersebut akan digunakan untuk pembakaran metana ketika kebutuhan akan energi diperlukan sehingga pembakaran yang terjadi akan lebih sempurna dan energi yang dihasilkan lebih efisien.
Karbon dioksida yang dihasilkan akan kembali masuk ke dalam proses Sabatier dan uap air akan dikondensasikan untuk masuk ke dalam elektrolisis. Melihat prosesnya, hal ini hanyalah suatu siklus yang tidak memproduksi gas rumah kaca sama sekali dalam prosesnya.

Boron, silicon, dan seng

Saat ini telah dikembangkan bahan bakar yang terbuat dari Boron, dikatakan tidak memiliki emisi dan lebih baik dari bahan bakar hidrogen karena lebih sulit menyala oleh sedikit api. Boron tidak menghasilkan emisi karena hasil pembakarannya hanya berupa boron oksida, tetapi menghasilkan energi yang cukup signifikan.
Silikon juga dikatakan memiliki potensi untuk dijadikan bahan bakar. Silikon murni dapat dengan mudah terbakar di udara secara spontan, sedangkan di kerak bumi, sekitar 75% dari keseluruhan massa kerak bumi berupa silikon oksida. Selain itu, silikon juga dapat dengan mudah bereaksi dengan senyawa lain dan menghasilkan energi. Reaksi silikon dengan beberapa jenis bahan kimia lain menghasilkan hidrogen.
Seng juga telah diajukan untuk menjadi sumber energi kimia. Reaksi seng oksida dan karbon bebas (misal: biomassa) dengan bantuan cahaya matahari akan menghasilkan ZnO dan karbon monoksida dan energi sebesar 84 kkal per mol. Sedangkan karbon monoksida yang dihasilkan dapat dibakar menjadi karbon dioksida untuk menghasilkan energi sebesar 68 kkal per mol.

Penyimpanan mekanis

Energi dapat disimpan dengan cara memompa air hingga ketinggian tertentu dan dilepaskan menjadi energi listrik ketika dibutuhkan.
Udara bertekanan merupakan metode penyimpanan energi murah dengan menggunakan energi listrik yang murah ketika sedang tidak terjadi beban puncak. Udara bertekanan dapat disimpan di dalam reservoir bawah tanah. Udara bertekanan tersebut lalu dilepaskan ketika beban puncak untuk mensuplai energi listrik dan dapat dipanaskan dengan menggunakan panas yang dibuang oleh mesin-mesin atau pembangkit listrik untuk meningkatkan tekanannya.

Energi yang tidak selalu dapat diambil

Banyak energi terbarukan berupa sumber energi yang tidak dapat selalu dimanfaatkan karena suatu keterbatasan (energi matahari, angin, dan sebagainya), tetapi dapat dimanfaatkan untuk mengisi suplai energi sementara sumber energi lain disimpan untuk digunakan pada jaringan transmisi listrik, atau sumber energi tersebut dipakai untuk mengisi jaringan sistem listrik tersebut ketika diperlukan. Jika kehilangan energi ketika distribusi dan biaya dapat diatur, maka jenis energi ini dapat menjadi andalan.
Energi matahari, meski saat ini tidak dapat digunakan sepanjang hari, tetapi saat ini telah dirancang satelit energi matahari yang berguna untuk menangkap energi matahari melalui satelit yang melayang luar angkasa dan didstribusikan ke bumi dengan berbagai cara sehingga pemanfaatan energi matahari dapat menjadi lebih panjang dengan jumlah energi yang diambil lebih besar (karena energi matahari di luar angkasa lebih besar daripada energi matahari yang telah menyentuh permukaan bumi)

Penyimpanan energi termal

Penyimpanan energi termal adalah penyimpanan energi sementara atau pemindahan panas untuk penggunaan di kemudian hari. Penyimpanan energi termal yang umum saat ini adalah penyimpanan es yang berguna untuk memindahkan panas ketika dibutuhkan. Es dibuat di malam hari ketika beban puncak telah lewat. Metode ini direkomendasikan dan dikembangkan oleh US Green Building Council dalam program Leadership in Energy Eficiency and Environmental Design untuk menggugah pengembangan desain bangunan berkemampuan tinggi yang aman bagi lingkungan.
Keuntungan pembuatan es di malam hari diantaranya: listrik setelah melewati beban puncak memiliki biaya lebih rendah sehingga lebih murah, dan energi untuk mendinginkan es di malam yang dingin lebih cepat dan membutuhkan energi yang lebih sedikit, sehingga dapat dihasilkan es dalam jumlah yang lebih banyak. Dapat dikatakan juga bahwa dengan cara ini, banyak energi dari pembangkit listrik dihemat sementara lebih banyak energi dikeluarkan dari penyimpanan untuk beberapa lamanya.