Penyimpanan Energi Termal

Kebutuhan untuk peningkatan ketergantungan pada energi terbarukan secara teratur muncul saat kita mencoba memerangi perubahan iklim. Perjanjian COP28 terbaru mengatakannya dengan jelas, menyerukan tiga kali lipat kapasitas energi terbarukan dan dua kali lipat peningkatan efisiensi energi pada tahun 2030. Ini adalah ambisi yang berani tetapi diperlukan untuk mendekati pencapaian tujuan net zero dalam jangka waktu yang dibutuhkan.

Topik yang sering diabaikan adalah bagaimana mengelola ketidakpastian pasokan energi terbarukan. Dan, ketika dibahas, sering berfokus pada masalah tingkat tinggi, seperti distribusi jaringan dan pasokan tenaga nasional. Namun, bisa memakan waktu hingga 15 tahun untuk perluasan jaringan transmisi dan distribusi listrik untuk berlaku. Dengan kebutuhan tindakan segera untuk membatasi dampak perubahan iklim, ada kebutuhan mendesak untuk melihat melampaui pembangkitan tenaga terpusat, dan menuju pembangkitan panas terlokalisasi.

Puncak dan lembah dalam pasokan dari sumber daya angin dan matahari, dan peningkatan yang cukup besar dalam permintaan seiring panas dialiri listrik berarti masuk akal untuk melihat peluang sinergi baru antara sektor tenaga dan panas.

Penyimpanan energi termal (TES) dan bentuk penyimpanan energi jangka panjang (LDES) lainnya adalah dua jalan menjanjikan untuk memaksimalkan potensi situasi yang berkembang.

Kebutuhan untuk mengadopsi metode TES saat kita melanjutkan perjalanan menuju masa depan yang lebih berkelanjutan jelas. Dan, seiring teknologi berkembang untuk memenuhi permintaan ini, ada baiknya mempertimbangkan dampak yang lebih luas dari opsi-opsi ini terhadap lingkungan kita, di luar faktor seperti biaya modal, efisiensi, dan output energi. Di sini kami melihat dua alternatif dan mempertimbangkan beberapa isu ini.

Hari ini bentuk penyimpanan energi yang paling umum untuk panas adalah penyimpanan termal melalui panas peka dan laten menggunakan bahan perubahan fase (PCM), dan penyimpanan termokimia. Opsi penyimpanan elektrokimia dibagi menjadi dua kategori; kapasitor dan baterai. Sementara kapasitor menawarkan efisiensi lebih tinggi dan peningkatan masa pakai dibandingkan baterai, kapasitor membawa muatan jauh lebih sedikit per satuan per massa.

Baterai juga telah menjadi subjek banyak penelitian tentang penggunaannya dalam sistem penyimpanan energi, termasuk integrasi dengan sistem teknologi terbarukan. Baterai Lithium Iron Phosphate (LIPB) telah menjadi subjek beberapa studi yang mengevaluasi penggunaannya, misalnya di ladang angin untuk menyimpan energi untuk digunakan ketika angin tidak bertiup. Efisiensinya meningkat secara dramatis ketika lebih dari satu baterai digunakan, memungkinkan siklus pengisian dan pengosongan penuh. Makalah lain berfokus pada peningkatan efisiensinya, misalnya dengan mengendalikan suhu operasinya menggunakan alas panas, atau telah melihat dampaknya terhadap lingkungan melalui penilaian siklus hidup (LCA).

Di Spirax Sarco, bersama rekan-rekan di Chromalox, kami telah mengembangkan bentuk TES inovatif: SteamBattery. Ini menyimpan panas yang dihasilkan oleh pemanas listrik terendam sebagai air panas bertekanan tinggi dalam wadah yang terinsulasi baik.

Ketika uap diperlukan dari SteamBattery, diambil dari ruang ullage (gas) dari wadah, dan digunakan langsung sebagai uap, atau tidak langsung melalui penukar panas untuk terhubung dengan sistem pemanas “basah”. Uap yang dikondensasi dikembalikan ke wadah. Seiring uap digunakan, tekanan menurun hingga titik di mana SteamBattery sepenuhnya terisi. Diisi ulang oleh pemanas listrik terendam, yang mampu menggunakan listrik dari sumber terbarukan langsung atau dari jaringan ketika tenaga terbarukan berbiaya rendah tersedia. Dapat mengosongkan uap dan diisi secara bersamaan, memberikan fleksibilitas dalam penerapannya, dan sebagai penyimpanan penyangga. Mampu terisi penuh dalam 8 jam, dapat melakukannya semalam.

Menggunakan literatur saat ini tentang LIPB bersama model kami, dan studi yang ada untuk SteamBattery, kami bertujuan untuk membandingkan dampak lingkungan dari dua solusi penyimpanan energi ini. Ada beberapa batasan, karena batas yang ditetapkan oleh studi LIPB; terutama pendekatan cradle-to-gate yang tidak mempertimbangkan transportasi atau pembuangan di akhir masa pakai.

Setelah batas sistem ditetapkan, berbagai dampak lingkungan komparatif dapat dinilai. Karena perbedaan model yang digunakan antara studi LIPB dan studi SteamBattery, kami menemukan 10 dari 18 dalam studi LIPB menawarkan perbandingan langsung.

Ini yang paling relevan dengan dampak perubahan iklim, dan diukur dalam kg kesetaraan karbon dioksida. Hasil menunjukkan bahwa SteamBattery akan menghasilkan 8,58 kg/1.000 kWh energi yang disimpan sepanjang masa pakainya, sedangkan LIPB menghasilkan 16,10/1.000 kWh sepanjang masa pakainya. Secara efektif, SteamBattery memiliki setengah emisi CO2 dari LIPB sepanjang masa pakai bergunanya.

Kami memeriksa enam kategori dampak lingkungan, termasuk yang mencakup ekotoksikasi dan eutrofikasi di lingkungan laut dan air tawar, serta asidifikasi dan ekotoksikasi di lingkungan darat. Untuk lingkungan air tawar dan laut, SteamBattery ditemukan 95% lebih sedikit dampaknya dibandingkan LIPB. Ini sebagian besar disebabkan oleh proses manufaktur pelat katode yang diperlukan untuk LIPB.

Ketika melihat dampak darat, gambaran yang berbeda muncul. Produksi sulfur dioksida SteamBattery 83% lebih sedikit dari LIPB. Namun, ekivalen diklorobenzena lebih tinggi dari LIPB. Pemeriksaan lebih dekat, mempertimbangkan beban dampak kedua produk di berbagai kategori lingkungan, menyimpulkan bahwa ini adalah area untuk potensi perbaikan daripada kelemahan serius.

Penilaian selanjutnya menyoroti dampak SteamBattery yang berkurang pada sumber daya alam, seperti bahan bakar fosil dan air. Secara khusus, beban lingkungan tertinggi terutama terkait dengan LIPB, terutama dalam ekotoksikasi laut dan air tawar, sedangkan dampak paling signifikan SteamBattery jauh lebih rendah dalam ekotoksikasi darat.

Seiring kebutuhan akan sistem uap berkelanjutan tumbuh, ada keharusan yang jelas untuk mempertimbangkan lebih dari sekadar menghindari bahan bakar fosil. Ketahanan dan masa depan planet bergantung pada sejumlah faktor lain, dengan pertimbangan lingkungan di daftar atas. Studi awal ini menunjukkan survei yang lebih holistik dari opsi potensial harus selalu dipertimbangkan sebelum keputusan akhir dibuat.

Sumber:

Borbala Rebeka David, Sean Spencer, Jeremy Miller, Sulaiman Almahmoud, Hussam Jouhara:(Comparative environmental life cycle assessment of conventional energy storage system and innovative thermal energy storage system,2021).