Prinsip kerja turbin angin

Setelah turbin melakukan tugasnya untuk menangkap dan menghasilkan energi listrik, listrik tersebut tidak langsung dialirkan ke konsumen, melainkan disimpan terlebih dahulu dalam suatu wadah. Ada berbagai metode penyimpanan energi yang digunakan, dikembangkan, atau masih dalam tahap teori yang dapat diterapkan untuk energi angin. Metode-metode tersebut meliputi penyimpanan energi elektrokimia seperti baterai, penyimpanan energi kimia melalui produksi elektro-hidrogen, penyimpanan energi potensial gravitasi seperti pada hidroelektrik dengan sistem pompa, penyimpanan energi potensial listrik dengan kapasitor, penyimpanan panas laten menggunakan material pengubah fase, serta penyimpanan energi kinetik seperti roda gila.

Beberapa metode ini hanya mampu menyimpan energi untuk jangka pendek, sementara yang lain dapat digunakan untuk penyimpanan jangka panjang. Faktor penting lain yang perlu dipertimbangkan dalam penyimpanan energi adalah kecepatan pelepasan energi maksimum serta jumlah siklus pengisian dan pengosongan yang dapat dilakukan tanpa menurunkan efisiensi. 

1. penyimpanan energi elektrokimia

a. Baterai Timbal-Asam

Baterai timbal-asam adalah jenis baterai isi ulang yang paling tua dan banyak digunakan. Baterai ini bekerja dengan memanfaatkan reaksi kimia antara timbal dioksida sebagai katode dan asam sulfat sebagai elektrolit. Setiap sel baterai menghasilkan tegangan 2 volt, dengan kepadatan energi sekitar 30 W-h/kg dan kepadatan daya 180 W/kg.

Baterai ini memiliki beberapa keunggulan, seperti efisiensi energi yang tinggi (80%-90%), mudah dipasang, biaya awal yang rendah, dan tingkat pengosongan daya yang kecil, hanya sekitar 2% per bulan pada suhu 25°C. Hal ini membuat baterai timbal-asam cocok untuk penyimpanan energi jangka panjang.

Namun, ada keterbatasan, yaitu umur baterai yang tergolong pendek, sekitar 1200-1800 siklus pengisian/pengosongan daya atau sekitar 5-15 tahun. Umur baterai bisa berkurang jika sering dikosongkan sepenuhnya atau digunakan pada suhu tinggi. Meskipun suhu tinggi hingga 45°C dapat meningkatkan kapasitas baterai, hal ini juga dapat memperpendek masa pakainya. Oleh karena itu, perawatan dan penggunaan yang hati-hati diperlukan untuk menjaga performa dan umur baterai.

b. Baterai Berbasis Nikel

Baterai berbasis nikel, seperti nikel-kadmium (NiCd), nikel-metal hidrida (NiMH), dan nikel-seng (NiZn), menggunakan bahan yang serupa, seperti elektrode positif yang terbuat dari nikel-hidroksida dan elektrolit yang merupakan campuran kalium-hidroksida dan sedikit litium-hidroksida. Elektrode negatifnya berbeda, dengan NiCd menggunakan kadmium, NiMH menggunakan paduan logam, dan NiZn menggunakan seng-hidroksida. Tegangan per sel baterai ini sekitar 1,2 V (1,65 V untuk NiZn), dan kepadatan energi untuk baterai NiCd adalah 50 W-h/kg, NiMH 80 W-h/kg, dan NiZn 60 W-h/kg, yang lebih tinggi daripada baterai timbal-asam.

Baterai NiCd memiliki masa pakai yang lebih lama, dengan siklus pengisian antara 1500-3000 siklus, lebih baik dari baterai timbal-asam. Namun, baterai berbasis nikel, terutama NiCd, memiliki kelemahan seperti harga yang lebih mahal (hingga 10 kali lebih mahal dari baterai timbal-asam) dan efisiensi energi yang lebih rendah. Baterai NiMH memiliki efisiensi sekitar 65%-70%, sedangkan NiZn sekitar 80%. Selain itu, baterai NiCd cenderung memiliki pengosongan daya yang lebih tinggi, mencapai lebih dari 10% kapasitas per bulan. Meskipun begitu, NiCd masih digunakan untuk aplikasi industri besar seperti penyimpanan energi pada sistem energi terbarukan.

c. Baterai Litium

Baterai berbasis litium terdiri dari dua jenis utama: litium-ion dan litium-polimer. Kelebihan baterai ini dibandingkan baterai NiCd dan timbal-asam adalah kepadatan energi yang lebih tinggi, efisiensi yang lebih baik, pengosongan daya yang lebih rendah, dan membutuhkan perawatan yang minimal. Baterai litium-ion memiliki tegangan sekitar 3,7 V per sel, dengan kepadatan energi antara 80-150 W-h/kg, dan efisiensi energi mencapai 90%-100%. Baterai litium-polimer memiliki kepadatan energi yang mirip, yaitu antara 100-150 W-h/kg.

Kepadatan daya untuk litium-ion lebih tinggi, sekitar 500-2000 W/kg, sedangkan litium-polimer sekitar 50-250 W/kg. Baterai litium-ion memiliki pengosongan daya yang sangat rendah, maksimal 5% per bulan, dan dapat bertahan hingga 1500 siklus pengisian daya. Namun, baterai ini sensitif terhadap suhu tinggi dan pengosongan daya yang dalam, yang dapat mengurangi masa pakainya. Baterai ini juga memerlukan perlindungan untuk menghindari kerusakan karena pengisian berlebih atau suhu ekstrem.

Baterai litium-polimer lebih ringan dan lebih aman, dengan risiko kebakaran yang lebih rendah dibandingkan litium-ion. Namun, masa pakainya lebih pendek, hanya sekitar 600 siklus pengisian daya. Kedua jenis baterai ini memiliki pengosongan daya yang tergantung pada suhu, dan biaya baterai berbasis litium berkisar antara $900 dan $1300 per kWh.

2. Penyimpanan Superkapasitor

Superkapasitor, juga dikenal sebagai ultrakapasitor, adalah jenis kapasitor dengan kapasitas penyimpanan energi yang sangat tinggi dalam ukuran kecil. Berbeda dengan baterai, superkapasitor menyimpan energi menggunakan muatan statis, bukan reaksi kimia. Ada dua jenis utama superkapasitor: lapisan ganda elektrokimia (ECDL) dan pseudo-kapasitor. Superkapasitor ECDL adalah yang paling umum dan terbuat dari elektroda berbasis karbon yang terbenam dalam elektrolit cair. Selama pengisian daya, ion dalam elektrolit bermigrasi ke elektroda yang berbeda karena medan listrik, menciptakan dua lapisan bermuatan.

Keunggulan superkapasitor adalah efisiensi energi yang sangat tinggi, antara 85% hingga 98%, dan siklus hidup yang panjang, bisa mencapai lebih dari 100.000 siklus. Superkapasitor juga bisa mengisi dan mengosongkan daya dalam hitungan detik, jauh lebih cepat daripada baterai. Namun, mereka memiliki kelemahan seperti tingkat pengosongan daya sendiri yang tinggi, sekitar 14% per bulan, dan kepadatan energi yang lebih rendah dibandingkan baterai, artinya daya besar hanya bisa disediakan dalam waktu singkat.

Meskipun memiliki harga yang lebih tinggi (sekitar $20.000 per kWh), superkapasitor ideal digunakan untuk aplikasi penyimpanan energi sementara, seperti menyimpan energi dari pengereman regeneratif atau menangani lonjakan daya mendadak. Untuk penggunaan yang lebih lama, superkapasitor bisa digabungkan dengan baterai biasa untuk membagi beban, dengan baterai menangani daya dalam jangka waktu lama, dan superkapasitor menangani puncak daya.

3. Penyimpanan Hidrogen

Hidrogen sedang dikembangkan sebagai cara untuk menyimpan energi listrik. Prosesnya melibatkan penggunaan listrik untuk memisahkan air menjadi hidrogen melalui elektrolisis. Sekitar 50 kWh energi listrik diperlukan untuk menghasilkan satu kilogram hidrogen. Biaya listrik sangat penting untuk membuat penyimpanan hidrogen menjadi pilihan yang efisien. Misalnya, dengan tarif $0,03 per kWh, harga hidrogen yang dihasilkan akan sekitar $1,50 per kilogram.

Ada dua metode utama untuk menyimpan hidrogen: penyimpanan bertekanan dan penyimpanan dalam logam hidrida. Penyimpanan bertekanan menggunakan tangki baja yang dapat menyimpan hidrogen pada tekanan tinggi (200-250 bar), tetapi dengan kapasitas yang rendah. Untuk meningkatkan kapasitas, digunakan tangki dengan lapisan aluminium atau komposit serat karbon yang dapat menyimpan hidrogen pada tekanan 350 bar. Namun, untuk kapasitas yang lebih tinggi, diperlukan tekanan yang lebih tinggi lagi, sekitar 700 bar.

Alternatif lain adalah penyimpanan hidrogen dalam logam hidrida, seperti magnesium hidrida dan natrium alumunium hidrida. Logam-logam ini bisa menyimpan hidrogen secara reversibel, tetapi memerlukan suhu tinggi untuk melepaskan hidrogen. Meski memiliki kepadatan energi yang baik, bahan ini membutuhkan sistem manajemen panas dan kapasitas penyerapan yang rendah.

Penyimpanan hidrogen dalam bentuk cair terbatas karena suhu yang sangat rendah (-253°C) diperlukan untuk menyimpannya, serta biaya dan efisiensi yang rendah. Wadah penyimpanan harus dilapisi isolasi termal untuk menjaga suhu tetap rendah. Selain itu, hidrogen cair mudah menguap, dan sekitar 3% hilang setiap hari karena kebocoran dan kehilangan panas.

Referensi

[17] Sumiati, R., & Zamri, A. (2013). Rancang bangun miniatur turbin angin pembangkit listrik untuk media pembelajaran. Jurnal Teknik Mesin, 3(2), 1-8.