Kajian Roadmap Pengembangan Energy Storage untuk Smart Grid System
advertisement
KAJIAN ROADMAP PENGEMBANGAN ENERGY STORAGE UNTUK SMART GRID SYSTEM Disusun Oleh: Euis Jubaedah Abdul Hamid Budiman PUSAT TEKNOLOGI KONVERSI DAN KONSERVASI ENERGI BADAN PENGKAJIAN DAN PENERAPAN TEKNOLOGI DAFTAR ISI DAFTAR ISI …………………………………………………………………………………………………………………………ii DAFTAR GAMBAR .................................................................................................................. v DAFTAR TABEL ...................................................................................................................... vi KATA PENGANTAR .............................................................................................................. vii Jakarta, Desember 2013 ............................................................................................................ vii BAB I. PENDAHULUAN ................................................................................................................. 1 BAB II. JENIS dan STATUS TEKNOLOGI PENYIMPAN ENERGI ...................................................... 5 I.1. Penyimpan Energi Berbahan Elektrokimia .......................................................... 5 I.1.1. Baterai Asam Timbal (Lead Acid) ..................................................................... 6 I.1.2. Baterai Berbahan Dasar Nikel .............................................................................. 7 I.1.3. Baterai Lithium .................................................................................................... 8 I.1.4. Baterai Aliran (Flow Batteries)............................................................................ 9 I.1.5. Sodium Beta Alumina Batteries ......................................................................... 11 I.1.6. Metal Air Batteries ............................................................................................. 13 I.1.7. Kapasitor Listrik Dua Lapis Ganda (Electric Double Layer Capacitors).......... 13 I.1.8. Pseudocapacitors ................................................................................................ 14 I.1.9. Hybrid Capacitors .............................................................................................. 15 I.2. Penyimpan Energi Mekanik .............................................................................. 15 I.2.1. Bendungan Hidroelektrik (Pumped Storage Hydro - PSH) .............................. 15 I.2.2. Penyimpan Energi Udara Bertekanan (CAES=Compressed Air Energy Storage) ……………………………………………………………………………………………………………………….16 I.2.3. Penyimpan Energi Roda Gila (Flywheels) ........................................................ 18 I.3. Penyimpan Energi Thermal (Thermal Energy Storage-TES)............................ 21 I.3.1. Solar Thermal ..................................................................................................... 22 I.3.2. Penyimpan Energi Thermal untuk Heating, Ventilation, and Air Conditioning (HVAC).............................................................................................................. 25 I.4. Hidrogen sebagai Sistem Penyimpan Energi ..................................................... 28 BAB III. DATA BIAYA TEKNOLOGI PENYIMPAN ENERGI ............................................................. 34 BAB IV. ANALISA KESENJANGAN DAN STRATEGI PENGEMBANGAN TEKNOLOGI PENYIMPANAN ENERGI ............................................................................................................... 38 I.5. Analisa Kesenjangan Teknologi ........................................................................ 38 I.5.1. Pertumbuhan Pembangkit Listrik Energi Alternatif di Dalam Negeri ............... 38 I.5.2. Industri Baterai di Indonesia .............................................................................. 39 I.5.3. Lemahnya Pasar Indonesia................................................................................. 40 I.5.4. Kurangnya Fasilitas Laboratorium dan Peralatan Pengujian ............................. 41 I.5.5. Kebijakan Pemerintah dan Dukungan Pemerintah............................................. 42 I.6. Roadmap Pengembangan Industri Penyimpanan Energi untuk Aplikasi Smart Grid di Indonesia................................................................................................ 43 BAB V. KESIMPULAN DAN REKOMENDASI ................................................................................ 45 I.7. Kesimpulan ........................................................................................................ 45 I.8. Rekomendasi ...................................................................................................... 45 DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................................................... 46 DAFTAR GAMBAR Gambar I.1 Peran penyimpan energi listrik dalam jaringan perusahaan listrik .............. 3 Gambar II.1 Perbandingan daya dan waktu pelepasan pada berbagai jenis teknologi penyimpan energi .................................................................................................................................... 5 Gambar II.2 Skema Baterai Aliran ................................................................................. 10 Gambar II.3 Prinsip Baterai Sodium-sulfida (NaS) ........................................................ 11 Gambar II.4 Contoh Baterai NaS ................................................................................... 12 Gambar II.5 Baterai NaS yang diproduksi oleh NGK .................................................... 12 Gambar II.6 Struktur Baterai Li-udara ........................................................................... 13 Gambar II.7 Penyimpan Energi Pumped Hidroelektrik – PSH ]....................................................... 16 Gambar II.8 Penyimpan tipe kompresi udara dgn tangki penyimpan di bawah tanah .. 17 Gambar II.9 Baterai Flaywheel produksi Beacon Power .............................................. 19 Gambar II.10 Sistem penyimpan energi solar termal ...................................................... 22 Gambar II.11 Sistem pembangkit listrik dengan memanfaatkan solar thermal ............. 23 Gambar II.12 Jenis- jenis kolektor solar termal ............................................................. 24 Gambar II.13 Prinsip Kerja pendinginan gedung dengan memanfaatkan TES .............. 26 Gambar II.14 TES-HVAC dengan integrasi pendingin pada AC .................................. 27 Gambar II.15 Sistem Penyimpan Energi Hidrogen ........................................................ 30 Gambar II.16 Posisi Teknologi Penyimpanan energi pada setiap aplikasi yang diterapkan .................................................................................................. 31 Gambar IV.1 Rancangan roadmap pengembangan teknologi Baterai untuk sistem Smart Grid Tahun 2014 - 2025 ............................................................................. 43 DAFTAR TABEL Tabel II.1 Persyaratan umum yang harus dipenuhi oleh teknologi penyimpan energi untuk setiap aplikasi ..................................................................................... 31 Tabel II.2 Status teknologi penyimpanan energi ........................................................... 32 Tabel II.3 Kelebihan dan kekurangan teknologi penyimpan energi.............................. 33 Tabel III.1 Data biaya teknologi penyimpanan energi masal untuk mendukung sistem integrasi energi terbarukan skala besar[ ........................................................ 34 Tabel III.2 Pilihan teknologi penyimpan energi untuk pengaturan frequency .............. 35 Tabel III.3 Pilihan teknologi penyimpanan energi untuk pendukung T & D jaringan .... 36 Tabel III.4 Biaya penyimpanan energi untuk aplikasi manajemen energi pada sektor komersial dan industri .................................................................................. 36 Tabel III.5 Biaya penyimpanan energi untuk aplikasi manajemen energi sektor rumah tangga ........................................................................................................... 37 Tabel IV.1 Data Industri produsen baterai di Indoneisa ................................................. 39 Tabel IV.2 Tahapan pelaksanaan roadmap industri baterai di indonesia ....................... 44 KATA PENGANTAR Puji dan syukur kami panjatkan kehadirat Allah SWT, atas ridha-Nya Laporan Studi Kajian Roadmap Pengembangan Energy Storage untuk Smart Grid System ini bisa diselesaikan dengan baik. Laporan ini diharapkan dapat memberi gambaran tentang Road Map Pengembangan Energy Storage khususnya Pengembangan Teknologi Baterai untuk mendukung pengembangan Smart Grid di Indonesia. Pada kajian in akan dibahas mengenai status teknologi baterai di Indonesia, Identifikasi isu yang berkaitan dengan pengembangan teknologi penyimpanan energi di dunia, kesenjangan penelitian, kendala dan tantangan untuk mengembangkan teknologi baterai di Indonesia. Dalam Kajian ini, penulis lebih memfokuskan pembahasan pada aplikasi baterai sekunder untuk penyediaan energi bersih yang dapat dijadikan sebagai penyimpan energi listrik untuk sumber energi terbarukan, energi surya dan energi angin yang teritegrasi dalam sistem grid yang cerdas (smart grid) Kami berharap laporan ini dapat digunakan sebagai acuan bagi para pembuat kebijakan, akademisi yang berminat untuk mengembangkan baterai. Jakarta, Desember 2013 Penyusun BAB I. PENDAHULUAN Sejak terjadi krisis minyak pada tahun 2008 dimana harga minyak sangat tinggi serta isu pemanasan global memacu negara-negara maju dan negara berkembang untuk mulai mencari alternatif baru dalam penyedian sumber energi yang bersih terutama berasal dari sumber energi terbarukan. Terkait masalah energi ini, pemerintah telah mengeluarkan undang-undang Nomor 30 Tahun 2007 tentang Energi yang mengamanatkan beberapa hal terkait dengan energi terbarukan diantaranya bahwa pengelolaan energi harus mengutamakan kemampuan nasional, mengutamakan penggunaan teknologi ramah lingkungan, penyediaan energi diutamakan menggunakan energi setempat yang bersumber pada energi terbarukan serta pemerintah pusat dan daerah berkewajiban untuk menyediakan energi baru dan terbarukan. Pada 2025, pemerintah mentargetkan bahwa energi bauran yang dapat dicapai dari EBT adalah sekitar 17 persen. Salah satu keunggulan penggunaan EBT adalah tingkat polusinya yang rendah sehingga tidak menimbulkan dampak eksternal yang akan mempercepat global warming. Hal ini sejalan dengan konvensi internasional untuk ikut secara aktif menjaga kebersihan udara dunia. Di samping itu eksploitasi EBT merupakan suatu proses produksi yang sustainable, sehingga tidak perlu dikhawatirkan akan kehabisan sumbernya. Trend saat ini memberikan gambaran bahwa energi terbarukan telah menjadi ambisi global di negara-negara Eropa, yang unggul dalam teknologi ramah lingkungan, dan negara-negara Timur Tengah serta Asia. Kecenderungan itu, oleh PBB, diperkirakan akan terus meningkat pada tahun 2025 seperti pemanfaatan energi angin dan matahari untuk memenuhi kebutuhan energi listrik. Energi listrik adalah salah satu bentuk energi yang berperan penting bagi kemajuan peradaban manusia. Hal ini dikarenakan energi listrik dapat dengan mudah diaplikasikan maupun diubah menjadi bentuk energi lainnya, tak terkecuali disimpan dalam bentuk energi kimia. Kenaikan kebutuhan sumber energi sangat tergantung pada strategi pemerintah. Strategi tersebut harus mempertimbangkan ketahanan energi dengan menjamin ketersediaan, akses masyarakat pada harga yang terjangkau dalam jangka panjang dan tetap memperhatikan perlindungan terhadap lingkungan. Untuk mendukung penyediaan energi bersih tersebut, penyimpanan energi menjadi sangat penting untuk menyediakan pasokan energi yang handal dan kontinyu dalam waktu yang relatif lama. Baterai adalah sebuah sarana yang dapat menyimpan energi listrik untuk digunakan sesuai dengan keperluannya sewaktu-waktu dan dapat dipindahkan dari satu tempat ke tempat lainnya. 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. Di beberapa negara maju, pengembangan sarana penyimpan energi menjadi salah satu prioritas dalam kebijakan energi di negaranya. Mereka melakukan stimulus dengan memberikan bantuan pendanaan kepada sektor swasta dan lembaga penelitian untuk mengkaji dan mengembangkan teknologi baterai dan smart grid. Pemerintah Indonesia mentargetkan penggunaan sel surya sebagai sumber energi bersih pada tahun 2025 sebesar 800 MWp. Hal ini berarti bahwa kurang lebih 40 MWp pembangkit listrik tenaga surya harus dibangun per tahunnya. Rencana tersebut perlu mendapat perhatian khusus karena penggunaan teknologi sel surya pasti membutuhkan baterai sekunder sebagai tempat penyimpanan energi listriknya. Penulis sangat menyayangkan saat ini produk baterai yang beredar banyak di pasaran, terutama baterai jenis deep-cycle adalah baterai sekunder import dari negara lain, khususnya negara China. Sementara di sisi lain, di Indonesia pengkajian dan pengembangan teknologi baterai masih sangat sedikit, saat ini yang sedang dalam tahap pengkajian dan pengembangan adalah baterai jenis lithium untuk kendaraan bermotor (mobil listrik). Teknologi penyimpanan energi selain diperlukan untuk mendukung sistem jaringan yang terintegrasi dengan pembangkit listrik energi alternatif serta utilitas transmisi dan distribusi juga diperlukan untuk berbagai aplikasi di sektor rumah tangga, komersial dan industri seperti terlihat pada gambar dibawah ini: Gambar I.1 Peran penyimpan energi listrik dalam jaringan perusahaan listrik [1] Pada kajian in akan dibahas mengenai status teknologi baterai di Indonesia, identifikasi isu yang berkaitan dengan pengembangan teknologi penyimpanan energi di dunia, kesenjangan penelitian, kendala dan tantangan untuk mengembangkan teknologi baterai di Indonesia. Setiap pembahasan tentang strategi pengembangan teknologi penyimpanan energi harus dimulai dengan penilaian terhadap beragam teknologi yang ada. Untuk menentukan potensi pengembangan industri baterai di Indonesia, maka diperlukan data tentang status teknologi penyimpanan energi saat ini dan kemungkinan kemajuan teknologi yang akan terjadi dalam waktu dekat. Berdasarkan jenisnya, baterai dapat dibagi menjadi baterai primer (primary battery) dan baterai sekunder (secondary battery). Baterai primer adalah baterai yang tidak dapat diisi muatan listrik kembali (charge) setelah habis digunakan, sedangkan baterai sekunder dapat diisi kembali oleh muatan listrik (rechargeable). Hampir semua bidang memerlukan baterai sekunder sebagai sumber penyimpan dan pemasok energi listrik. Hal ini karena baterai sekunder, selain dapat diisi kembali oleh muatan listrik (rechargeable), juga dengan mudah dapat dipindahkan dari satu tempat ke tempat lainnya (portable). Aplikasi baterai sekunder dapat digunakan dalam bidang telekomunikasi, kedokteran, penyediaan tenaga listrik, kelautan dan sebagainya. Dalam Kajian ini, penulis lebih memfokuskan pembahasan pada aplikasi baterai sekunder untuk penyediaan energi bersih yang dapat dijadikan sebagai penyimpan energi listrik untuk sumber energi terbarukan, energi surya dan energi angin yang terintegrasi dalam sistem grid yang cerdas (smart grid) Ada berbagai jenis baterai sekunder yang saat ini secara komersial telah diproduksi. Masingmasing jenis baterai tersebut memiliki karakteristik yang berbeda-beda. Parameter-parameter utama untuk membedakan baterai satu dengan yang lainnya diantaranya yaitu kerapatan energi (Wh/dm3), kerapatan energi jenis (Wh/kg), kerapatan daya (W/kg), kapasitas (Ah/g), dan banyaknya siklus (cycles). Pada Bab II akan dibahas mengenai jenis-jenis baterai sekunder yang sedang dikembangkan dan yang telah ada di pasaran. BAB II. JENIS dan STATUS TEKNOLOGI PENYIMPAN ENERGI Pada laporan ini, penulis membagi jenis dan karakterisktik tekonologi penyimpan energi ke dalam beberapa kelompok diantaranya: penyimpan energi elektrokimia, penyimpan energi mekanik, penyimpan energi thermal dan penyimpan energi hidrogen dimana setiap jenis teknologi masing-masing memiliki keunggulan dan kekurangan seperti diuraikan dalam penjelasan di bawah ini. Gambar di bawah ini sedikit banyaknya memberikan gambaran tentang perbandingan daya output dan waktu pelepasan (discharge) yang dimiliki oleh masing-masing teknologi penyimpan energi. Gambar II.1 Perbandingan daya dan waktu pelepasan pada berbagai jenis teknologi penyimpan energi [2] I.1. Penyimpan Energi Berbahan Elektrokimia Penyimpan energi elektrokimia terdiri dari dua bagian yaitu elektroda dan elektrolit. Pada teknologi baterai yang konvensional, umumnya energi disimpan dalam elektroda sementara ion penghantar listrik justru ada pada proses elektrokimia yang terjadi dalam elektrolit. Baterai isi ulang (rechargeable) didalamnya terdapat elektrolit yang mengandung satu atau lebih larutan aktif yang mengalir melalui sel elektrokimia yang kemudian diubah energi kimianya secara langsung menjadi listrik. Kemajuan teknologi material dan kontrol pada interface antara elaktroda dan elektrolit akan mendorong peningkatan kinerja dari baterai elektrokimia. Peluang lain yang mungkin juga dapat terjadi adalah dengan menggabungkan dua perangkat seperti baterai yang memiliki rapat energi tinggi dengan kapasitor yang memiliki kepadatan daya tinggi. I.1.1. Baterai Asam Timbal (Lead Acid) Baterai asam timbal adalah baterai sekunder yang paling banyak dikembangkan di dunia. Baterai jenis ini pertama kali ditemukan oleh Gaston Planté pada tahun 1859. Baterai asam timbal banyak digunakan untuk aplikasi otomotif, sehingga dinamakan juga sebagai baterai SLI (Starting, Lightning and Ignition). Penggunaan masal baterai jenis SLI dikarenakan material untuk membuat baterai tersebut cukup murah namun baterai memiliki performa cukup baik. Akan tetapi, untuk aplikasi yang membutuhkan daya yang lebih tinggi dengan waktu yang relatif lama, baterai SLI tidak dapat digunakan. Hal ini karena baterai asam timbal hanya memiliki kedalaman pelepasan muatan listrik (Depth of Discharge – DOD) sebesar 50 % saja. Baterai jenis asam timbal tersusun atas timbal dioksida sebagai katoda, sepon logam timbale sebagai anoda dan asam sulfat sebagai elektrolitnya. Setiap sel memiliki tegangan sebesar 2 Volt. Keuntungan penggunaan baterai jenis asam timbal diantaranya adalah kuat, murah, handal, toleran terhadap kelebihan pengisian, impedansi internal yang rendah, dan banyaknya perusahaan pembuat baterai jenis ini di berbagai belahan dunia. Sedangkan kekurangan dari baterai jenis SLI ini diantaranya adalah sangat berat, memiliki efisiensi energi yang rendah (sekitar 70%), berbahaya jika kelebihan panas pada saat pengisian, memiliki waktu siklus yang rendah (300-500 siklus), dan materialnya berbahaya bagi lingkungan. Saat ini telah dikembangkan baterai asam timbal tipe free maintenance (bebas perawatan) dimana pada sistemnya digunakan katup pengatur. Aplikasi baterai ini banyak digunakan pada industri otomotif, kelautan, telekomunikasi dan uninterruptible power supply (UPS). Namun untuk aplikasi grid skala besar, baterai asam timbal konvensional masih menjadi alternatif yang terbaik. Biaya baterai asam timbal untuk penyimpanan energi massal berkisar antara $ 425 - $ 980/kWh. Karena operator jaringan tidak bisa mengendalikan kondisi fluktuatif yang terjadi pada sistem jaringan yang menggunakan energi baru terbarukan (terutama untuk sumber energi seperti matahari dan angin), maka masalah baterai yang dihadapi adalah siklus umur yang pendek dan ekstra perawatan. Beberapa produsen baterai timbal di luar negeri telah melakukan beberapa perbaikan pada sistem baterai ini yaitu dengan menambahkan karbon pada elektrodanya sehingga dapat meningkatkan output daya dan mengurangi reaksi kimia yang merugikan di dalam sel baterai. Masalah lain yang dihadapi pada pengembangan industri baterai timbal adalah : • diperlukan manajemen thermal yang aman seperti kemungkinan untuk pendinginan otomatis • diperlukan perancangan baterai asam timbal yang khusus untuk sistem grid. I.1.2. Baterai Berbahan Dasar Nikel I.1.2.1. Baterai Nikel Kadmium (NiCad) Baterai nikel kadmium ditemukan tahun 1899, namun baru diproduksi secara masal pada tahun 1960an. Baterai jenis ini memiliki tegangan sel sebesar 1,2 Volt dengan kerapatan energi dua kali lipat dari baterai asam timbal. Sebagai katoda, baterai ini menggunakan nikel hidroksida Ni(OH) 2 dan kadmium (Cd) sebagai anodanya yang dipisahkan oleh lkalin potasium hidroksida sebagai elektrolitnya. Baterai nikel kadmium memiliki nilai hambatan internal yang kecil dan memungkinkan untuk di charge dan discharge dengan rate yang tinggi. Dibandingkan dengan baterai asam timbal, baterai nikel kadmium memiliki waktu siklus yang lebih lama dan perawatan yang ringan. Umumnya baterai jenis ini memiliki waktu siklus hingga lebih dari 500 siklus. Salah satu kekurangan baterai jenis nikel kadmium adalah adanya efek ingatan (memory effect) yang berarti bahwa baterai dapat mengingat jumlah energi yang dilepaskan pada saat discharge sebelumnya. Efek ingatan disebabkan oleh perubahan yang terjadi pada struktur Kristal elektrode ketika baterai nikel kadmium diisi muatan listrik kembali sebelum seluruh energy listrik yang terdapat pada baterai nikel kadmium dikeluarkan/digunakan. Selain itu, baterai nikel kadmium juga sangat sensitif terhadap kelebihan pengisian, sehingga perlu perhatian khusus pada saat pengisian muatan listrik pada baterai. Saat ini baterai nikel kadmium banyak digunakan untuk alat-alat elektronik seperti halnya baterai primer. Untuk kebutuhan dalam volume besar, baterai nikel kadmium menimbulkan masalah seperti toksisitas dan tingkat kesulitan dalam self discharge, oleh karena itu untuk sementara ini baterai nikel kadmium adalah alternatif solusi jangka pendek sebagai pengganti baterai asam timbal. I.1.2.2. Baterai Nikel Metal Hidrida (NiMH) Baterai nikel metal hidrida sebenarnya memiliki karakteristik yang sama dengan baterai nikel kadmium. Perbedaannya terletak pada penggunaan material untuk anodanya. Bila pada baterai nikel kadmium, kadmium digunakan sebagai anoda, maka pada baterai jenis ini metal hidrida yang digunakan. Metal hidrida terbuat dari campuran lanthanium yang dapat menyerap dan menghasilkan hidrogen. Baterai jenis ini memiliki kerapatan energi dua kali lebih besar dibandingkan dengan baterai jenis asam timbal dan 25-40 % lebih tinggi dibandingkan dengan baterai nikel kadmium. Keuntungan penggunaan baterai jenis nikel metal hidrida diantaranya adalah rendahnya impedansi internal, memiliki siklus hidup sebesar 500 siklus, dan memiliki kedalaman pelepasan energi listrik yang tinggi. Selain itu baterai ini juga cenderung lebih ramah lingkungan. Adapun kekurangan baterai nikel metal hidrida yang paling menonjol yaitu tingginya kecepatan pelepasan muatan sendiri (self-discharge), adanya efek ingatan dan memiliki efisiensi energi yang cukup rendah (65 %). Sama seperti halnya pada baterai nikel kadmium, baterai nikel hibrida juga hanya dapat dijadikan sebagai solusi jangka pendek saja. I.1.3. Baterai Lithium Lithium adalah metal yang paling ringan dan memiliki potensial elektrokimia yang paling tinggi dibandingkan dengan logam lainnya. Baterai berbasis lithium cukup menjanjikan karena dapat memberikan kapasitas jenis (specific capacity) sebesar 3.600 Ah/kg. Nilai ini jauh lebih besar dibandingkan dengan kapasitas jenis dari baterai sekunder jenis asam timbal yang sebesar 260 Ah/kg saja. Penggunaan lithium sebagai baterai, pertama kali dilakukan oleh perusahaan Exxon (USA) pada tahun 1970 dengan menggunakan LiTiS 2 sebagai katoda baterai. Ada beberapa jenis baterai sekunder berbasis lithium yang berkembang saat ini, diantaranya adalah baterai lithium-ion, baterai lithium polimer dan baterai lihium sulfur. Lithium juga memiliki sifat reaktif yang tinggi terhadap air dan oksigen, untuk itu baterai lithium harus menggunakan elektrolit yang tidak mengandung air seperti lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), Lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ) dan Lithium perchlorate (LiClO 4 ), dimana kesemuanya itu dilarutkan dalam pelarut organik, bukan air. Dalam baterai Li-ion, lithium ion bergerak dari elektroda negatif ke elektroda positif selama pelepasan, dan kemudian kembali ke elektroda negatif ketika pengisian. Saat ini baterai lithium-ion sudah banyak digunakan dalam produk-produk elektronik, tercatat volume produksinya di seluruh dunia mencapai 10-12 jam gigawatt (GWh) per tahun. Di negara maju dan berkembang seperti China, teknologi baterai ini dinilai sudah cukup matang dan komersial untuk diaplikasikan pada produk elektronik dan kendaraan listrik, bahkan mereka telah memposisikan bahwa Li-Ion menjadi platform teknologi terkemuka untuk produk mereka. Mengingat waktu siklus baterai Li-ion yang lebih panjang dan kekompakan dimensi (volume dan berat) yang relatif lebih kecil, serta efisiensi energi yang tinggi yaitu sekitar 85-90%, maka baterai Li-Ion ini juga cocok untuk diaplikasikan pada sistem grid energi baru dan terbarukan (fotovoltaik dan angin). Baterai Li-Ion umumnya bekerja pada tegangan 4 V dengan energi spesifik antar 100 Wh/kg – 150 Wh/kg. Adapun biaya untuk komersialisasi baterai lithium saat ini yang sesuai adalah sekitar $900 - $1.900/kWh (EPRI, 2010a, hal 424). Status baterai Li-Ion yang terbaru adalah muncul dengan material nano yaitu penggantian material grafit-Lithium Kobalt Oksida oleh paduan lithium logam sebagai pengganti elektroda karbon. Permasalahan utama pada baterai Lithium adalah sifat larutan elektrolit LiFP 6 – organik yang bersifat toksid dan mudah terbakar. Adapun solusi sementara yang sedang dikaji adalah penggunaan garam lithium sebegai alternatif pengganti LiFP 6 . Indonesia memiliki sumber mineral lithium yang sangat banyak, hal ini dikarenakan wilayah Indonesia yang merupakan negara kepulauan dengan banyak gunung berapi yang masih aktif. Mineral Lithium terbentuk dari aliran magma yang membeku menjadi batuan granit dan lempung monomorillonit. Distribusi batuan granit, banyak dijumpai di seluruh wilayah Indonesia. Dilihat dari geokimianya, terdapat sungai aktif di Sumatera mengandung lithium di atas 40 g/ton. Jika kita melakukan dengan serius, maka tidak mustahil kita mendapatkan mineral lithium di Indonesia. Sumber daya mineral kita sangat mendukung industri baterai. I.1.4. Baterai Aliran (Flow Batteries) Baterai aliran merupakan baterai sekunder yang dapat diisi ulang (rechargeable), dimana elektolitnya mengandung satu atau lebih larutan elektro aktif yang mengalir melalui sel elektrokimia dan mengubah energi kimia menjadi listrik. Selama proses pengoperasian, baterai akan mengalami reaksi redoks (reaksi reduksi dan oksidasi). Baterai ini mempunyai membran atau pemisah untuk mengisolasi elektrolit dalam perpindahan ion. Pada umumnya, elektrolit disimpan di tangki dan dipompa melalui sel. Baterai tipe ini mudah dan cepat untuk diisi ulang dengan mengganti elektrolit dan secara bersamaan akan merecover material untuk pengisian energi kembali. Baterai alir merupakan penyimpan energi yang cukup menarik untuk sistem grid karena kemampuannya untuk menyimpan energi dalam jumlah yang cukup besar, mempunyai potensi life cycle yang panjang dan efisiensi yang tinggi. Namun demikian teknologi ini masih dalam tahap pengembangan awal. Baterai tipe ini mempunyai kelemahan terkait proses termal dan stabilitas membran kimia dan elektrolit nya. Hal ini berdampak pada waktu pengoperasian dan umur baterainya. Selain itu desain stack dari baterai tipe ini dapat menyebabkan scaling. Beberapa masalah penting seperti kebocoran, ketahanan pompa, umur seal dan pipa memerlukan perhatian yang cukup dan perlu adanya pengembangan dalam membran, desain stack, sistem monitoring, material baru dan desain sel Salah satu contoh baterai alir adalah baterai Vanadium Redox. Baterai tipe ini menyimpan energi dalam bentuk charge ion dalam 2 tanki elektrolit yang terpisah yaitu untuk elektroda positif dan negatif seperti ditunjukkan pada gambar dibawah ini: Gambar II.2 Skema Baterai Aliran [3] Teknologi baterai Vanadium redoks ini adalah salah satu jenis teknologi yang paling matang diantara teknologi baterai alir lainnya. Pada baterai VRB digunakan cairan vanadium sebagai elektrolitnya yang disimpan pada tangki luar yang kemudian dialirkan menuju regenerative fuel cell untuk menghasilkan listrik sebagai hasil reaksi redoks dari elektrokimianya. Kelebihan dari VRB adalah jumlah energi dapat disimpan sebanyak-banyaknya hanya dengan cara meningkatkan ukuran tangki elektrolitnya. VRB memiliki internal discharge yang rendah dan kerugian parasitic yang rendah pula. Siklus VRB diperkirakan sekitar 10000 siklus. Yang menjadi kelemahan VRB adalah kerapatan energi yang rendah sehingga masih memerlukan perbaikan pada membran dan elektrolitnya. I.1.5. Sodium Beta Alumina Batteries Sodium (Na) merupakan material baterai yang baik karena mempunyai potensial reduksi yang tinggi, sehingga mudah untuk menerima elektron. Selain itu, material ini merupakan material yang ringan, tidak beracun, murah dan cukup banyak tersedia di alam. Sodium juga bersifat reaktif terhadap air dan oksigen. Sodium beta alumina discharge dengan mengalirkan ion sodium yang berasal dari cairan sodium pada anoda melalui elektrolit padat beta alumina (BASE) menuju katoda. Katoda itu sendiri adalah elektrolit sodium polysulfide (Na-S battery) . Gambar II.3 Prinsip Baterai Sodium-sulfida (NaS) [2] Baterai NaS beroperasi pada temperatur 300 oC, dan menghasilkan listrik dari hasil reaksi antara sodium dan sulfur. Sulfur cair sebagai elektroda positifnya dan sodium cair sebagai elektroda negatifnya, keduanya dipisahkan oleh elektrolit padat beta alumina. Kelemahan dari baterai ini adalah sulitnya suhu pendinginan dapat tercapai, karena pada saat pendingin sodium dan sulfur akan menjadi padat dan rusak. Untuk itulah baterai NaS dibungkus agar eletrolit di dalamnya tetap basah. Dan karena sodium polysulfida memiliki sifat korosif yang tinggi, maka setiap selnya harus ditutup dengan casing baja. Baterai sodium seharusnya mempunyai titik lebur elektroda yang rendah dan elektrolit yang solid sehingga bisa beroperasi pada temperatur rendah. Dengan demikian dapat mengurangi panas yang terbuang, meningkatkan efisiensi, mengurangi harga material dan meningkatkan durabilitas. Gambar II.4 Contoh Baterai NaS [1] Teknologi NaS baterai telah didemonstrasikan pada 190 lebih lokasi di Jepang, total kapasitas yang terpasang adalah 270 MW. Baterai NaS terbesar adalah 34 MW, atau 245 MWh digunakan untuk mensupport pembangkit listrik tenaga angin di bagian utara Jepang. Gambar II.5 Baterai NaS yang diproduksi oleh NGK [1] NGK membuat baterai Sodium untuk penyimpan energi skala grid. Sejak tahun 2002, perusahaan Jepang memproduksi modul baterai Na-S yang mampu beroperasi pada 50 kW selama 6 jam. Pada tahun 2009, NGK mendistribusikan ke 200 lokasi di seluruh dunia dengan total kapasitas 300 MW. I.1.6. Metal Air Batteries Penamaan baterai Metal Air berasal dari reaktan yang menyediakan energi yang didapat dari reaksi elektrokimia. Sebagai contoh baterai Zinc-udara, energi dilepaskan melalui oksidasi Zinc dengan oksigen dari udara. Baterai tipe ini hampir sama dengan fuel cell dimana oksidator maupun bahan bakar tidak dipacking dalam sel. Gambar II.6 Struktur Baterai Li-udara [2] Baterai Zn-udara secara komersial dikembangkan pada awal 1932 untuk aplikasi komunikasi daerah terpencil. Zn-udara fuel cell dengan recharging mekanik digunakan sebagai power untuk bus dan pembangkit listrik stasioner. Secara umum fuel cell tipe ini adalah katoda tipis yang terdiri dari katalis bukan logam mulia pada kolektor karbon, pemisah membran polimer, elektrolit basa dan serbuk zinc sebagai anoda. Katalis reduksi oksigen yang digunakan pada katoda terdiri atas mangan oksida yang dibuat secara sol gel. Katalis ini harus mampu untuk mengurangi dan mengembangkan oksigen. I.1.7. Kapasitor Listrik Dua Lapis Ganda (Electric Double Layer Capacitors) Electric double layer capacitor (EDLC) biasa disebut superkapasitor atau dikenal juga sebagai ultrakapasitor, superkondensor, pseudocapacitor, kapasitor elektrokimia double layer atau ultrakapasitor adalah kapasitor elektrokimia yang mempunyai densitas energi besar jika dibandingkan dengan kapasitor konvensional, kapasitor jenis ini mempunyai densitas energi 1000 kali lebih besar. Komersial superkapasitor tertinggi bisa mempunyai kapasitan sampai 3.000 farad (A. Burke. 2000). Superkapasitor mempunyai variasi komersial aplikasi, diantaranya adalah pada kendaraan elektrik, sebagai pengganti power suplai, mobile devices. Berdasarkan tren riset dan pengembangan, superkapasitor dapat dikelompokkan dalam tiga kelas, elektrokimia kapasitor dua lapisan, pseudokapasitor dan hibrid kapasitor, penyebab utama dari tiga kelas ini adalah pada jenis elektroda yang digunakan. Kapasitor dua lapisan terdiri dari elektroda yang dihubungkan secara kontak langsung dengan pengumpul arus, sedangkan antara elektroda ditempatkan separator dan pada elektroda sebagai bahan aktif diinjeksikan elektrolit. Pada superkapasitor dua lapisan berdasarkan pada jenis elektrodanya dapat dikelompokan menjadi aktivasi karbon, karbon aerogel dan karbon nanotube. Salah satu kekurangan supercapasitor adalah penyimpanan tenaga spesific yang relatif rendah (R. Kotz, et al. 2000). Pada produk komemersial, supercapasitor mempunyai spesifik energi dibawah 10 Wh kg-1, lebih rendah jika dibandingkan dengan batterai asam timbal yaitu 35-40 Wh kg-1, tetapi untuk litium ion dapat mencapai 150 Wh kg-1. Supercapasitor mempunyai spesifik daya yang lebih tinggi dari betterai. Sisi positif lain adalah siklus hidup yang lebih tinggi, dapat dioperasikan pada range temperatur yang lebih besar dan charge dan discharge yang cepat. Untuk pengembangan lebih lanjut EDLC ini perlu adanya control dalam ukuran pori elektroda. Para peneliti menyarankan ukuran optimum pori adalah sedikit lebih kecil dari ukuran ion yang berpindah. Perlu juga dipertibangkan distribusi ukuran pore dalam elektroda karbon I.1.8. Pseudocapacitors Psedokapasitor dibangun menggunakan elektroda dari bahan metal oksida atau hidroksida, seperti ruthenium, cobalt, nikel dan mangan oksida atau hidroksida. Bahan-bahan ini dalam bentuk konduktor atau semikonduktor dan menunjukkan sifat-sifat redox aktiv yang menghasilkan pseudokapasitance. Pemakaian ruthenium oxide pada superkapasitor dengan pertimbangan dapat menghasilkan kapasitan yang relative konstan pada tegangan diatas 1.4 V dengan spesifik kapasitan dalam range 600 – 1000 F/g tergantung cara preparasinya (C. Peng, et al, 2008), dan relatif stabil untuk siklus yang lama. I.1.9. Hybrid Capacitors Hybrid capasitor adalah teknik menggabungkan dua jenis kapasitor yaitu EDLC dan pseudocapacitors. Strategi untuk memasangkan material elektroda EDLC dengan material pseudocapacitif baik dengan elektroda yang sama ataupun peralatan yang sama merupakan cara yang menjanjikan untuk membuat peralatan baru yang menjembatani jarak/gap antara kapasitor, kapabilitas power tinggi, baterai dan kapabilitas penyimpan energi. Produsen dapat membuat elektoda hybrid dengan melapisi carbon nanotube dengan konduktor polimer. Elektroda tipe ini akan menghasilkan kapasitansi 170 F/g. Peralatan hybrid dapat dibuat dengan memasangkan elektroda negatif karbon dengan pseudocapacitive transition metal oxide (TMO) atau elektroda positif polimer. Baterai leadcarbon merupakan hybrid antara teknologi lead acid tradisional dengan kapasitor karbon. I.2. Penyimpan Energi Mekanik I.2.1. Bendungan Hidroelektrik (Pumped Storage Hydro - PSH) Penyimpan energi bertenaga air yang dipompakan lebih dikenal dengan istilah pumpedstorage hydroelectricity (PSH) dimana PSH ini adalah jenis pembangkit listrik tenaga air yang banyak digunakan oleh beberapa pembangkit lisrik untuk penyeimbang beban (load balancing). Metode penyimpan energi ini adalah memanfaatkan energi potensial air dimana air dipompakan dari reservoir elevasi lebih rendah ke reservoir yang lebih tinggi. Pada saat diluar beban puncak, listrik digunakan untuk menggerakkan pompa, namun pada saat beban puncak, air dialirkan kembali menuju turbin (pompa reversible) yang diletakkan dekat reservoir pada elevasi yang lebih rendah, sehingga menghasilkan listrik kembali. Gambar II.7 Penyimpan Energi Pumped Hidroelektrik – PSH [2] Secara teknik, PSH ini merupakan teknologi penyimpan energi yang paling efektif yaitu dapat menyimpan jumlah energi yang besar, namun secara ekonomi tergolong mahal karena selain ukuran area reservoir yang besarnya juga ada kerugian biaya listrk yang ditimbulkan untuk menjalankan pompa. Namun demikian jenis penyimpan energi ini masih terbilang kompetitif dibanding jenis lainnya bila dilihat dari harga per kW atau per kWh nya. Saat ini PSH yang sudah terpasang dan beroperasi di seluruh dunia adalah sekitar 129 GW. Aplikasi utamanya untuk manajemen energi, keseimbangan energi, kontrol frekwensi dan untuk penyediaan sistem cadangan. Italia dan Swiss pertama kalinya mengembangkan sistem ini pada tahun 1890 an, kemudian pada tahun 1933 para insinyur membuat pompa turbin reversible yang dilengkapi dengan motor generator. Pompa hidro tersedia dalam banyak ukuran dengan waktu discharge yang beragam dari beberapa jam sampai beberapa hari. Teknologi PSH ini dapat dikatakan sudah cukup matang dan secara komersial penyimpan energi tipe ini dikembangkan sampai kapasitas 4.000 MW dan mempunyai umur ekonomi yang tinggi, yaitu sekitar 50 tahun. Adapun kekurangan dari teknologi ini adalah waktu konstruksi untuk pembangunan PSH pada umumnya memerlukan waktu yang lama dan biaya yang besar. I.2.2. Penyimpan Energi Udara Bertekanan (CAES=Compressed Air Energy Storage) Penyimpan energi tipe udara bertekanan merupakan metode penyimpanan dengan menggunakan energi listrik untuk menekan udara dan menyimpannya dalam reservoar baik yang terletak di bawah tanah ataupun dalam pipa atau tangki yang terletak di atas tanah. Kemudian ketika beban puncak, udara bertekanan tersebut dilepaskan untuk dialirkan pada turbin konvensional sehingga dihasilkan listrik untuk mensuplai energi listrik pada jaringan. Disamping itu udara bertekanan dapat dipanaskan dengan menggunakan panas buang dari mesin atau pembangkit listrik untuk meningkatkan tekanannya. Gambar II.8 Penyimpan tipe kompresi udara dengan tangki penyimpan di bawah tanah [2] Penyimpan energi udara bertekanan dibangun pertama kalinya di Huntort, Jerman dengan kapasitas 290 MW dan beroperasi sejak 1978. Kemudian di Mc Intosh Alabama dibangun pembangkit yang modern 110 MW dengan kapasitas penyimpanan 2.700 MWh dan beroperasi sejak 1991. Kedua pembangkit tersebut merupakan satu-satunya yang menggunakan penyimpan energi kompresi udara yang beroperasi di dunia. Pembangkit ini disebut penyimpan energi udara bertekanan generasi pertama. Generasi kedua penyimpan energi tipe ini adalah dengan memodifikasi struktur dengan meningkatkan efisiensi energi. Penyimpan energi kompresi udara yang terdapat di Huntort mempunyai efisiensi sebesar 42%, sementara yang terletak di Mc Intosh Alabama mempunyai efisiensi 54%. Penyimpan energi tipe ini juga dikembangkan di Iowa dengan kapasitas 260 MW di mana ditujukan untuk penyimpan energi angin. Selain itu, di Ohio juga dibangun dengan kapasitas 2.700 MW. Ada 2 buah kekurangan dalam sistem penyimpan tipe compressed air, yaitu : a. Berkurangnya efisiensi terkait dengan proses pendinginan/pemanasan ulang b. Emisi CO 2 yang dihasilkan oleh proses pemanasan ulang Para peneliti melakukan pengembangan teknologi penyimpan CAES dengan melakukan modifikasi sistem menjadi sistem adiabatik yang canggih/maju. Tipe CAES menggunakan intercooling dan aftercooling untuk menghilangkan panas, namun pada tipe adiabatik ini menggunakan energi termal yang menyerap panas dari kompresi udara panas yang digunakan untuk memanaskan ulang sebelum ditekan, sehingga akan meningkatkan efisiensi. Pengembangan teknologi CAES difokuskan pada desain kompresor tekanan tinggi ataupun temperatur tinggi dengan memperhatikan pemilihan bahan/material, ekspansi panas, konsep sealing dan batasan panas untuk bearing dan lubrikasi. Selain itu, juga dilakukan pengembangan terhadap thermal energy storage (TES) yang lebih efisien. Pengembangan CAES generasi kedua yaitu dengan mempertahankan proses pendinginan ataupun pemanasan ulang namun dilakukan penambahan cycle untuk meningkatkan efisiensi. I.2.3. Penyimpan Energi Roda Gila (Flywheels) Penyimpan energi tipe Flywheel bekerja dengan memutar rotor (flywheel) secara sangat cepat dan mempertahankan energi dalam sistem sebagai energi putar. Energi akan diubah kembali dengan memperlambat roda gila tersebut. Sistem pada roda gila itu sendiri adalah baterai kinetik atau baterai mekanis dimana pada saat roda gila berputang dengan kecepatan yang sangat tinggi untuk menyimpan energinya. Penyimpan energi jenis flywheel menggunakan listrik untuk mengatur kecepatannya, namun para insinyur mengembangkan peralatan yang menggunakan energi mekanik secara langsung. Penyimpan energi tipe flywheel yang canggih mempunyai rotor yang terbuat dari carbon filamen yang mempunyai kekuatan tinggi, suspensi dengan menggunakan bearing magnetik dan mampu berputar dengan kecepatan 20.000 sampai 50.000 RPM dalam kondisi vakum. Gambar II.9 Baterai Flaywheel produksi Beacon Power [4] Flywheel merupakan peralatan mekanik yang mempunyai gaya inersia yang besar dan menyimpan energi dalam bentuk putaran. Komponen utama flywheel adalah rotor, stator dan bearing. Pada inti roda gila terdapat rim komposit serat karbon, didukung oleh hub logam dan motor/generator yang dipasang pada poros. Ketiganya dirakit membentuk sebuah rotor. Saat pengisian (menyerap energi) motor roda gila tersebut bertindak seperti beban dan menarik daya dari jaringan untuk mempercepat putaran rotor hingga mencapai kecepatan yang lebih tinggi. Saat pemakaian, motor diaktifkan ke modus pembangkit dan energi inersia dari rotor akan menggerakkan generator hingga menghasilkan listrik yang dialirkan kembali ke jaringan. Pemilihan bahan/material merupakan hal penting dalam teknologi flywheel. Energi yang tersimpan secara proporsional tergantung pada masa dan luasan kecepatan putaran atau lebih tepatnya pada kecepatan angularnya. Pada kecepatan putaran yang sama, flywheel yang mempunyai masa lebih tinggi mampu menyimpan energi lebih banyak/besar. Panjang optimal rotor secara langsung berhubungan dengan pertimbangan dinamis flywheel. Para insinyur memilih panjang flywheel untuk menghindari eksitasi kritis, dimana panjang yang aman adalah di bawah kecepatan rotor saat flywheel berputar pada kecepatan saat tekanan maksimum. Bearing merupakan support rotor. Bearing dapat berbentuk bola dan bisa bersifat magnetik, dikarakterisasi atas berat, losses, biaya dan umur pemakaian. Bearing magnetik mempunyai keunggulan yaitu mempunyai kecepatan putar yang tinggi dan karakteristik vibrasi yang bagus. Sementara bearing bentuk bola mempunyai kelebihan dalam materinya yaitu keramik ataupun baja keras. Pada kecepatan putar yang tinggi, bearing magnetik merupakan pilihan yang baik. Pada kecepatan tertentu, bearing bola mempunyai keunggulan di dalam beratnya berkaitan dengan loses gesekan/hambatan yang rendah. Sistem penyimpan energi Flywheel yang modern mengandalkan bearing magnetik. Operator mempertahankan efisiensi flywheel dengan menempatkannya pada lingkungan vakum untuk mengurangi gesekan/tarikan. Pada awalnya, developer menggunakan bearing mekanikal, namun akhir-akhir ini dikembangkan untuk meningkatkan performa dan harga, dengan menggunakan bearing superkonduktor temperatur tinggi. Penggunaan bearing tipe ini dapat mengurangi rugi gesekan dan memperpanjang waktu penyimpanan. Pemilihan bahan/material untuk silinder tergantung pada aplikasi dan manufaktur harus memperhatikan biaya, berat, ukuran dan kinerjanya. Salah satu keterbatasan desain flywheel adalah kekuatan tensile dari bahan/material yang digunakan untuk rotor. Semakin kuat cakram/disc yang digunakan maka akan semakin cepat putarannya dan semakin banyak energi yang dapat disimpan. Teknologi flywheel terus ditingkatkan melalui pengembangan material ringan, mikro elektronik dan sistem bearing magnetik. Produsen flywheel telah menguji desain flywheel dan menunjukkan power densitas pada kecepatan 11.0000 RPM adalah melebihi 11,9 kW/kg dengan efisiensi 93%. Saat ini para peneliti memfokuskan pada pengembangan komponen rotor untuk menghasilkan energi melalui rotasi/pemutaran. Selain itu para peneliti dan suplier terus mengembangkan untuk mendapatkan flywheel yang murah dan sistem yang efisien sehingga dapat menyimpan energi dalam waktu yang lebih lama. Dewasa ini, perusahaan manufaktur mengembangkan flywheel sistem untuk telekomunikasi dengan kapasitas 2 kWh dan 6 kWh. Beacon Power telah berhasil dalam mengembangkan jaringan flywheel yang terdiri dari 40 buah wheel dengan kapasitas 25 kWh dan mampu menyimpan 1 MW selama 1 jam. Beacon Power sekarang ini mengembangkan dan mendemonstrasikan plant flywheel dengan kapasitas 20 MW untuk aplikasi regulasi frekwensi. Harga flywheel bervariasi antara 100 US$/kW untuk kapasitas besar dan RPM yang rendah sampai 300 US$/kW untuk kapasitas kecil dan RPM tinggi. Biaya instalasi termasuk koneksi listrik berkisar antara 20 US$/kW sampai 40 US$/kW. Adapun biaya operasi dan pemeliharaan tergantung pada jenis flywheel. Perbaikan yang dilakukan oleh staf internal akan murah dibanding perbaikan yang dilakukan oleh pihak vendor yaitu 3 US$/kW/tahun. Keterbatasan teknologi flywheel terletak pada kapasitas penyimpan energi. Kecepatan yang didapat berakibat pada energi yang dikembalikan ke grid. Pada kecepatan rendah, flywheel tidak dapat mengirimkan nominal power. Sebagai contoh pada perbandingan kecepatan lebih dari 3:1 flywheel akan memberikan 90% dari energi yang tersimpan kepada beban listrik. Flywheel bisa mempunyai efisiensi yang tinggi dan memberikan kelebihan dibanding teknologi penyimpan energi lainnya. Bagaimanapun juga, kehilangan friksi pada putaran flywheel merupakan salah satu keterbatasan dalam teknologi flywheel dan menghambat potensi flywheel sebagai penyimpan jangka panjang. Diperkirakan bahwa 200 ton flywheel dapat kehilangan power sampai 200 kW. Dengan asumsi efisiensi 85%, efisiensi total dapat turun menjadi 78% setelah beroperasi selama 5 jam dan turun menjadi 45% setelah beroperasi selama sehari. Akhir-akhir ini Flywheel menggunakan bearing magnetik dan mekanik dan dapat mengirimkan power dalam waktu singkat (5-30 detik). Pada aplikasi yang menggunakan flywheel sebagai back up power, flywheel dapat bekerja dengan durasi yang singkat. Waktu untuk back up biasanya sekitar 15 detik, di mana dengan waktu tersebut cukup untuk memback up generator secara penuh dan menjadi pilihan sebagai back up primer. Flywheel tidak dapat digunakan secara sendiri sebagai back up power tanpa adanya baterai atau generator. Selain itu flywheel tidak dapat digunakan bila generator tidak handal untuk mencapai kondisi power yang penuh (full power) dalam waktu 10 detik. I.3. Penyimpan Energi Thermal (Thermal Energy Storage-TES) TES adalah teknologi penyimpan panas dengan cara memanaskan atau mendinginkan suatu media sehingga energi yang tersimpan tersebut dapat digunakan untuk aplikasi pemanas dan pendingin serta pembangkitan listrik. Pemanas listrik atau gas dan pendingin udara sekarang ini banyak digunakan baik di perumahan maupun secara komersial dan alat ini memerlukan sejumlah energi yang cukup signifikan. Oleh karena itu TES dapat membantu mengurangi ketergantungan pada konsumsi bahan bakar fosil serta dapat mengurangi emisi CO 2 . Secara umum ada 3 tipe mekanisme sistem penyimpan energi termal yaitu : 1. Penyimpan Panas Sensible (Sensible Heat Storage) yaitu energi panas disimpan dengan cara menaikkan temperatur material/fluida. Jumlah energi pada material secara sederhana dapat ditingkatkan dengan memanaskan material tersebut sampai suhu tinggi. Energi yang mengakibatkan terjadinya perubahan temperatur tersebut disebut panas sensible, besar panas sensible merupakan hasil dari panas spesifik dan perubahan temperatur. Cara perpindahan panas dapat melalui radiasi, konveksi dan konduksi. 2. Penyimpan energi panas laten yaitu pemanfaatan energi pada saat perubahan fasa. Material akan menyerap ataupun membuang panas ketika material tersebut berubah dari padat menjadi cair dan sebaliknya. Sebagai contoh perubahan material dengan panas laten tinggi adalah air yang dapat berubah menjadi es ataupun uap. 3. Penyimpan panas termo kimia yaitu sistem penyimpanan pada energi yang diserap dan dilepaskan dalam proses pembentukan dan pelepasa ikatan molekul pada reaksi kimia. Ada beberapa jenis teknologi TES yang sedang dikembangkan saat ini yaitu: I.3.1. Solar Thermal Integrasi penyimpan energi termal dengan energi solar dapat digunakan untuk mendukung sistem jaringan. Berbeda dengan Photovoltaik, Solar Thermal menggunakan energi panas dari matahari untuk memanaskan fluida yang selanjutnya fluida tersebut dialirkan melalui suatu sistem untuk menggerakkan turbin sehingga dihasilkan listrik. Gambar II.10 Sistem penyimpan energi solar termal [5] Pada sistem solar thermal terdapat panel kolektor berupa kaca cermin atau lensa yang berfungsi untuk menangkap panas sinar matahari dan tangki berinsulasi yang berfungsi untuk menyimpan fluida yang telah dipanaskan. Sinar matahari dipantulkan oleh cermin menuju ke receiver (solar receiver steam generator) dimana panas dari matahari dikumpulkan dan digunakan untuk memanaskan fluida dengan menggunakan sistem boiler yang dapat mengubah fasa cair menjadi fasa uap. Selanjutnya uap ini dialirkan melalui sebuah pipa untuk menggerakkan turbin yang kemudian akan memutar generator dan menghasilkan tenaga listrik. Gambar II.11 Sistem pembangkit listrik dengan memanfaatkan solar thermal [6] Saat ini ada empat macam disain panel kolektor yang dapat digunakan yaitu: Parabolic trough, dish striling, fresnel reflector dan solar power tower seperti ditunjukkan pada gambar di bawah ini: Parabolic Trough Fresnel Reflector Solar Power Tower Gambar II.12 Jenis- jenis kolektor solar termal [6] Status teknologi solar thermal saat ini dapat dikatakan sudah matang terbukti dari banyaknya negara yang memproduksi dan mengembangkan teknologi ini diantaranya yaitu: 1. California, Amerika Serikat, Pada tahun 1980 dan 1990, Departemen Energi Amerika mensponsori fasilitas demonstrasi 10 MW Solar One dan Solar Two menunjukkan karakteristik penyimpan CSP power tower dengan garam molten. Konfigurasi power tower ini menggunakan garam sodium dan potasium nitrat untuk mengumpulkan dan menyimpan energi termal dan kemudian mengirimkannya pada turbin uap ketika operator grid membutuhkan listrik, kapasitas lainnya adalah 354 MW yang dikembangkan pada tahun 1984 - 1991 oleh SEGS-Luz, 5 MW dalam proyek Sierra Sun Tower pada tahun 2009 dan 5 MW dalam proyek areva solar pada tahun 2008 dengan menggunakan fresnel linier. 2. India, dengan area seluas 219.000 meter persegi maka kolektor mampu menghasilkan listrik sebesar 35-40 MW dengan rata-rata intensitas penyinaranya adalah sebesar 5.8 KWH per meter persegi per hari.(Gordon Feller). 3. Jerman, pada tahun 2011 total solar thermal yang terpasang adalah 1,66 juta unit dan menghasilkan energi 5,6 TWth. 4. Spanyol dan Australia saat ini adalah negara terkemuka dalam produksi energi solar thermal Para peneliti telah menguji bermacam fluida seperti air, udara, minyak dan sodium untuk memindahkan panas matahari. Sekarang ini, garam molten merupakan fluida terbaik. Produsen menggunakan garam molten dalam sistem solar power tower dikarenakan dapat mencapai temperatur tinggi pada tekanan atmosfir tanpa adanya proses pendidihan. Garam molten bersifat efisien, biaya yang rendah, mempunyai temperatur operasi yang dapat bersaing dengan turbin uap tekanan tinggi dan suhu tinggi. Selain itu, garam ini juga tidak mudah terbakar dan tidak beracun. Para produsen menggunakan garam molten dalam industri kimia dan logam sebagai fluida pemindah panas. Garam molten adalah campuran dari 60% sodium nitrate dan 40% potassium nitrat, dan dikenal dengan nama saltpeter. Insinyur dapat memasukkan calsium nitrat dalam campuran garam untuk mengurangi biaya dan mendapatkan keuntungan secara teknik. Titik leleh garam ini 220 OC. Operator harus menjaga cairan garam ini selama umur plant, memindahkan dari tanki bersuhu dingin menuju tangki bersuhu panas. Tangki diisolasi secara menyeluruh, Ukuran tangki dan persediaan garam tergantung pada temperatur operasi serta tergantung pada kapasitas penyimpanan dan teknologinya dan kebutuhan menyimpan energi untuk beberapa waktu. I.3.2. Penyimpan Energi Thermal untuk Heating, Ventilation, and Air Conditioning (HVAC) Sistem penyimpan energi thermal dianggap mampu mengatasi masalah dalam pengadaan pasokan energi untuk pemenuhan kebutuhan di sektor rumah tangga, bangunan komersial dan industri. Seperti yang telah diketahui dari banyak sumber bahwa energi yang digunakan oleh sektor rumah tangga dan bangunan komersial adalah sebagian besar digunakan untuk keperluan HVAC yaitu sekitar 55% dari total konsumsi energinya. Dengan sistem TES, maka kebutuhan energi untuk HVAC dapat disupplai karena TES dapat membantu mengurangi konsumsi energi pada saat waktu beban puncak serta mengurangi emisi gas CO 2 . Selain jenis solar thermal, sistem TES juga dapat digunakan untuk aplikasi pendingin ruangan. Sistem ini terdiri dari tangki penyimpan fluida, refrigerator atau pendingin, pipa penghubung, pompa dan kontrol. Media yang digunakan pada umumnya air, es dan material yang dapat berubah fasa. Panas yang digunakan adalah panas laten, teknologi TES jenis ini lebih dikenal dengan teknologi PCM (Phase Change Material). Prinsip kerjanya cukup sederhana yaitu PCM sebagai material penyimpan panas latent menggunakan ikatan kimia untuk menyimpan dan melepas panas. Ketika PCM diberi perlakuan panas hingga temperatur lelehnya, maka material PCM akan menyerap panas yang cukup besar dan temperatur akan tetap konstan hingga proses pelelehan berakhir, kemudian ketika temperatur lingkungan turun maka material PCM akan berubah menjadi padatan, dan saat itulah PCM melepaskan panas latent. Untuk aplikasi pendingin ruangan, PCM didinginkan/dibekukan terlebih dahulu menggunakan refrigerator/chiller. Air dingin dihasilkan selama periode diluar beban puncak, dan air dingin tersebut didistribusikan ke gedung-gedung pada saat beban puncak, sehingga biaya listrik yang digunakan menjadi lebih hemat. Tanki penampungan air dibuat dengan menggunakan diffuser dengan tujuan untuk menghilangkan turbulensi akibat adanya perbedaan temperatur di dalam tanki. Air dingin akan menempati bagian bawah tanki dan disalurkan ke konsumen, sementara air hangat sisa pemakaian akan masih ke bagian atas tanki, seperti digambarkan pada gambar di bawah ini: Gambar II.13 Prinsip Kerja pendinginan gedung dengan memanfaatkan TES [8] Sistem TES juga dapat mengurangi konsumsi energi tergantung pada desain spesifik seperti ketika operator menggunakan pendingin pada beban penuh di malam hari. Sistem juga dapat mengurangi energi pompa dan kipas dengan menurunkan temperatur air dan udara, sehingga berakibat pada jumlah sirkulasi udara yang diperlukan. Sistem TES dapat diaplikasikan untuk fasilitas komersial maupun industri, namun demikian tetap harus memenuhi persyaratan untuk keekonomiannya. Sistem akan sesuai ketika beban pendingin maksimum lebih besar dari beban rata-rata. Harga permintaan yang tinggi dan juga perbedaan harga listrik saat waktu beban puncak dan diluar beban puncak mempengaruhi keekonomian sistem TES. Adapun biaya kapital sistem ini lebih tinggi dibanding sistem pendinginan langsung konvensional, namun ada beberapa faktor ekonomi yang dapat menurunkan biaya kapital tersebut. Teknologi TES telah diterapkan lebih dari puluhan tahun. Beberapa perusahaan secara komersial memproduksi produk dengan menggunakan teknologi ini. Dari sisi teknologi, ada sedikit metode penyimpanan termal yang sederhana ataupun dapat digunakan secara langsung. Sistem ini menghasilkan es selama periode diluar beban puncak dan mengkonsumsinya untuk pendinginan selama periode beban puncak. Sebagai contoh sistem TES pada HVAC adalah sistem Ice Energy Ice Bear seperti gambar di bawah ini. Teknologi ini merupakan sistem penyimpan energi termal yang ditargetkan untuk instalasi bangunan rendah. Sistem terdiri atas 4 komponen primer yaitu penyimpan es terinsulasi, kompresor es, sistem refrigerator dan kontroller. Vendor merakit sistem dengan sistem pendingin atap yang ada dengan blower. Operator menggunakan sub sistem kondensor untuk menyimpan es di malam hari dan mendinginkan ruangan di siang hari. Gambar II.14 TES-HVAC dengan integrasi pendingin pada AC [2] Elemen utama TES-HVAC adalah desain koil es, kontroller and interfase kontrol. Para insinyur mendesain koil es dan sub sistem aliran refrigeran untuk memaksimalkan perubahan energi pada semua temperatur dengan menggunakan sistem umpan cair dengan jumlah pelumas sedikit. Karena sub sistem diisolasi dari kompresor, peralatan dapat secara mandiri mengontrol ratio pelumas untuk memelihara beroperasinya kompresor. Aliran refrigeran menggunakan pompa yang bisa diatur untuk mengatur konsumsi es selama beroperasi. Tergantung pada konfigurasi sistem, pendingin dapat berukuran kecil dari yang diperlukan untuk pendinginan langsung sehingga peralatan seperti kipas pendingin, pompa air maupun kipas kondensor dapat dibuat dengan ukuran kecil. Manufaktur membatasi energi pemompaan dengan meningkatkan temperatur air pendingin. Sistem penyimpan juga dapat meningkatkan penggunaan panas recoveri dan strategi ekonomiser. Manufaktur mendesain interfase kontroller untuk bekerja dengan data aplikasi dan memberikan informasi melalui internet. TES untuk sistem HVAC merupakan pendekatan teknologi yang sudah matang. Tujuannya untuk memaksimalkan efektifitas sistem untuk memindahkan beban pendingin. Desain ini juga merupakan implementasi yang sesuai/tepat untuk mendukung pasokan jaringan listrik. Sejumlah desain dapat membuat sistem TES lebih efisien dibanding tanpa penyimpan. Sistem penyimpan dapat membuat pendingin beroperasi dengan beban penuh pada saat malam hari dan beroperasi secara beban penuh atau parsial di siang hari. I.4. Hidrogen sebagai Sistem Penyimpan Energi Hidrogen sebagai media penyimpanan energi juga sedang gencar dikembangkan oleh negaranegara maju. Hidrogen merupakan pembawa energi yang penting untuk masa datang karena hidrogen dianggap memiliki kandungan energi tertinggi dibandingkan dengan bahan bakar lainnya. Dengan demikian hidrogen dapat dijadikan sebagai bahan bakar alternatif pengganti bahan bakar fosil seperti batu bara, minyak mentah, gas alam dan turunannya. Hidrogen dapat digunakan pada mesin pembakaran internal konvesional atau fuel cell yang mengubah energi kimia secara langsung menjadi energi listrik tanpa pembakaran. Hidrogen merupakan sumber energi yang bersih, handal dan ketika terjadi pembakaran akan dihasilkan air sehingga hidrogen merupakan gas yang ramah lingkungan. Kekurangannya, meskipun tersedia dalam jumlah yang melimpah, pada umumnya hidrogen ditemukan dalam ikatan hidrokarbon ataupun air. Sehingga untuk memanfaatkannya diperlukan proses pemisahan terlebih dahulu dari senyawanya. Beberapa metode pemisahan hidrogen dari unsur senyawanya antara lain:[7] 1. Steam Reforming Dalam proses ini, gas alam seperti metana, propana atau etana direaksikan dengan steam (uap air) pada suhu tinggi (700~1000oC) dengan bantuan katalis, untuk menghasilkan hidrogen, karbon dioksida (CO 2 ) dan karbon monoksida (CO). Sebuah reaksi samping juga terjadi antara karbon monoksida dengan steam, yang menghasilkan hidrogen dan karbon dioksida. Persamaan reaksi yang terjadi pada proses ini adalah: CH 4 + H 2 O --> CO + 3H 2 CO + H 2 O --> CO 2 + H 2 Gas hidrogen yang dihasilkan kemudian dimurnikan, dengan memisahkan karbon dioksida dengan cara penyerapan. Saat ini, steam reforming banyak digunakan untuk memproduksi gas hidrogen secara komersil di berbagai sektor industri, diantaranya industri pupuk dan hidrogen peroksida (H 2 O 2 ). Akan tetapi metode produksi seperti ini sangat tergantung dari ketersediaan gas alam yang terbatas, serta menghasilkan gas CO 2 , sebagai gas efek rumah kaca. 2. Gasifikasi Biomasa Metode yang kedua adalah gasifikasi biomasa atau bahan alam seperti jerami, limbah padat rumah tangga atau kotoran. Di dalam prosesnya, bahan-bahan tadi dipanaskan pada suhu tinggi dalam sebuah reaktor. Proses pemanasan ini mengakibatkan ikatan molekul dalam senyawa yang ada menjadi terpecah dan menghasilkan campuran gas yang terdiri dari hidrogen, karbon monoksida dan metana. Selanjutnya dengan cara yang sama seperti pada steam reforming, metana yang dihasilkan diubah menjadi gas hidrogen. Gasifikasi biomasa atau bahan organik memiliki beberapa keunggulan, antara lain menghasilkan lebih sedikit karbon dioksida, sumber bahan baku yang berlimpah dan terbarukan, bisa diproduksi di hampir seluruh tempat di dunia serta biaya produksi yang lebih murah. 3. Gasifikasi Batu Bara Gasifikasi batu bara merupakan metode pembuatan gas hidrogen tertua. Biaya produksinya hampir dua kali lipat dibandingkan dengan metode steam reforming gas alam. Selain itu, cara ini pula menghasilkan emisi gas buang yang lebih signifikan. Karena selain CO 2 juga dihasilkan senyawa sulfur dan karbon monoksida. Melalui cara ini, batu bara pertama-tama dipanaskan pada suhu tinggi dalam sebuah reaktor untuk mengubahnya menjadi fasa gas. Selanjutnya, batu bara direaksikan dengan steam dan oksigen, yang kemudian menghasilkan gas hidrogen, karbon monoksida dan karbon dioksida. 4. Elektrolisa Air (H 2 O) Elektrolisa air memanfaatkan arus listrik untuk menguraikan air menjadi unsur-unsur pembentuknya, yaitu H 2 dan O 2 . Gas hidrogen muncul di kutub negatif atau katoda dan oksigen berkumpul di kutub positif atau anoda. Hidrogen yang dihasilkan dari proses elektrolisa air berpotensi menghasilkan zero emission, apabila listrik yang digunakan dihasilkan dari generator listrik bebas polusi seperti energi angin atau panas matahari. Namun demikian dari sisi konsumsi energi, cara ini memerlukan energi listrik yang cukup besar. Selain keempat metode di atas, masih ada metode lain untuk memproduksi gas hidrogen, yaitu antara lain photoelectrolysis, dekomposisi air pada suhu tinggi (themal decomposition of water), photobiological production, plasmatron, fermentasi bahan organik dan lain-lain. Para peneliti menunjukkan bahwa hidrogen dapat digunakan secara langsung pada Internal Combustion Engine/mesin diesel dan hanya memerlukan sedikit modifikasi seperti dalam turbin gas. Efisiensi energi dari fuel cell berkisar antara 40-60%, tergantung pada teknologi yang digunakan. Mesin dengan menggunakan bahan bakar fosil mempunyai efisiensi yang rendah, sementara sistem turbin gas dapat mencapai 60%. Fuel cell temperatur tinggi dapat menghasilkan listrik dan panas yang berguna untuk pemanasan. Sistem ini dapat mencapai efisiensi hingga 80%. Gambar II.15 Sistem Penyimpan Energi Hidrogen [2] Pengembangan teknologi fuel cell dalam beberapa tahun ini mengalami kemajuan yang pesat. Beberapa perusahaan besar mulai komersialisasi fuel cell. Dibanding sistem penyimpan lainnya, sistem fuel cell terbilang mahal dengan biaya 3.000 US$/kW-5.000. Namun demikian, harga ini akan mengalami penurunan seiring dengan pengembangan teknologi dan pembuatan dalam skala besar. Adapun yang menjadi kelemahan fuel cell adalah : a. harga pasaran yang relatif lebih tinggi dari listrik yang ada saat ini b. belum tersedianya infrastruktur yang memadai, atau biaya pengadaannya tinggi c. Hidrogen sebagai bahan bakar utama tidak tersedia dengan mudah d. Kecepatan reaksi yang terjadi lambat e. Tingkat keamanannya masih rendah Dari keseluruhan jenis teknologi penyimpanan energi seperti yang dijelaskan diatas maka dapat digambarkan perbandingan karakteristik dari setiap jenis teknologi yang dipilih untuk keperluan setiap aplikasi yang akan diterapkan seperti terlihat pada gambar dibawah ini: Gambar II.16 Posisi Teknologi Penyimpanan energi pada setiap aplikasi yang diterapkan [1] Seperti telah dijelaskan sebelumnya bahwa pemilihan teknologi penyimpanan energi sangat tergantung pada biaya teknologi dan keuntungan yang diperoleh dalam hal ini kapasitas daya (MW) dan kapasitas energi (MWh) yang dapat dibangkitkan. Setiap aplikasi yang diterapan tentunya memiliki persyaratan umum dalam menentukan kapasitas penyediaan energinya. Tabel dibawah ini adalah persyaratan umum yang harus dipenuhi oleh teknologi penyimpanan energi pada setiap aplikasi yang diterapkan: Tabel II.1 Persyaratan umum yang harus dipenuhi oleh teknologi penyimpan energi untuk setiap aplikasi Aplikasi Sistem integrasi Energi Alternatif Deskripsi Integrasi sistem pembangkit listrik tenaga angin: ramp & voltage support Penyimpanan diluar beban puncak Integrasi sistem pembangkit PV T & D di perkotaan dan di pedesaan T & D di perkotaan dan di pedesaan Pendukung utilitas Kapasitas 1 – 10 MW (pembangkit tersebar) 100 – 400 MW (Terpusat) 100 – 400 MW Durasi 15 min Siklus /Tahun 5000/tahun 10000 siklus energi penuh Lifetime (tahun) 20 5- 10 jam 300 – 500 20 1 - 2 MW 15 menit – 4 jam 2 – 6 JAM >4000 Stasionary 10 – 100 MW T & D Support Transportable 1 – 10 MW 2 – 6 JAM T & D Support DESS 25 – 200 kW ( 2-4 jam (Distributed 1 fasa) Energy 25 – 75 kW (3 Storage fasa) Systems C&I Solusi untuk 50 – 500 kW < 15 menit Kualitas Daya mengatasi kedip 1000 kW >15 menit C&I Back up daya UPS 50 – 1000 kW 4 – 10 jam Realibility daya C&I Mengurangi biaya 50 – 1000 kW 3-4 jam Manajemen energi 1 MW energi 4 – 6 jam Energi Penghematan biaya 2 – 5 kW 2 – 4 jam manajemen di energi rumah tinggal T & D = Transmission and Distribution, C & I = Commercial & Industrial Sumber: diolah dari EPRI, 2010 15 300 – 500 15 – 20 300 – 500 15 – 20 100 – 150 10 – 15 <50 10 <50 10 400 – 1500 15 150 – 400 10 - 15 Untuk memenuhi persyaratan di atas maka berikut ini adalah status teknologi yang sudah siap dan belum siap digunakan. Tabel II.2 Status teknologi penyimpanan energi Teknologi Baterai Lead Acid Mature Pumped Hydro Mature NiCd (Nikel Kadmium) Komersial NaS (Sodium – Sulfur) Komersial CAES generasi pertama Komersial CAES generasi kedua Zn/Br NiMH Vanadium Redox Advance Lead Acid, Li-Ion Fe/Cr NaNiCl 2 Zn/air, Zn-Cl, Li-Ion Nano Fuel CAES Nano superkapasitor Sumber : EPRI, 2010 Status Demo plant Demo plant Demo plant Demo plant Pilot Plant Pilot Plant Pilot Plant Tahap penelitian Tahap Ide gagasan Tahap ide gagasan Keterangan Sudah banyak produsen dan penggunanya Sudah banyak produsen dan penggunanya Sudah ada yang memproduksi dan mempromosikannya Sudah ada yang memproduksi dan mempromosikannya Sudah ada yang memproduksi dan mempromosikannya Adapun keuntungan dan kelebihan dari setiap teknologi penyimpan energi dapat dirangkum pada tabel di bawah ini: Tabel II.3 Kelebihan dan kekurangan teknologi penyimpan energi Teknologi Kelebihan Kekurangan Pumped Hydro Biaya rendah, kapasitas tinggi Sangat tergantung pada kondisi site CAES Biaya rendah, kapasitas tinggi Sangat tergantung pada kondisi site, membutuhkan bahan bakar gas Flow Baterai Kapasitas tinggi, Independent power dan energy Memiliki densitas energi yang rendah Metal – air Memiliki densitas energi yang tinggi Mengalami kesulitan pada proses charging NaS Memiliki densitas dan efisiensi yang tinggi Biaya produksi yang mahal, memerlukan disain keamanan yang lebih khusus Li-Ion Memiliki densitas dan efisiensi yang tinggi Biaya produksi yang mahal, memerlukan charging circuit yang khusus Ni-Cd Memiliki densitas dan efisiensi yang tinggi Lead – Acid Rendah biaya Life Cycle yang terbatas saat pelepasan Flywheels Daya yang tinggi Memiliki densitas energi yang rendah E.C Capasitas Life cycle yang lebih lama, efisiensi yang tinggi Memiliki densitas energi yang rendah VRB, PSB, ZnBr BAB III. DATA BIAYA TEKNOLOGI PENYIMPAN ENERGI Pada bab ini akan dibahas mengenai biaya modal dan data performance dari setiap teknologi penyimpan energi berdasarkan pengalaman dari beberapa negara yang sudah mengaplikasikannya. Perkiraan biaya dan performansi dihitung untuk setiap aplikasi penggunaan. Data-data perhitungan keekonomian ini diperoleh dari hasil penelitian EPRI pada tahun 2010. Dalam perhitungan biaya tersebut, EPRI menggunakan pendekatan estimasi atas biaya untuk instalasi, interkoneksi dan integrasi jaringan. Perkiraan biaya itu sendiri menggunakan analisa pada data-data proyek yang sudah berlalu dan harga saat ini serta asumsi-asumsi yang menjadi dasar perhitungan. Berikut ini adalah tabel-tabel yang menunjukkan data-data biaya teknologi penyimpanan untuk setiap aplikasi. Tabel III.1 Data biaya teknologi penyimpanan energi masal untuk mendukung sistem integrasi energi terbarukan skala besar [1] Adapun asumsi-asumsi yang digunakan dalam perhitungan data diatas adalah sebagai berikut: 1. Semua sistem merupakan sistem modular, data yang digunakan adalah data tahun 2010 yang diperoleh dari vendor. 2. Untuk semua pilihan teknologi, proses dan biaya kontingensi tergantung pada kematangan teknis dari sistem 3. Untuk teknologi Pumped hydro: durasi pengisian bisa melebihi 10 jam. Pada perhitungan ini data biaya yang lebih update sangat terbatas. Biaya itu sendiri sangat terganturng pada leokasi proyek. 4. Baterai lead-acid: perkiraan biaya didasarkan pada tingkat kecanggihan industri baterai. Biaya penggantian baterai untuk sementara tidak ditampilkan namun perlu dipertimbangkan sebagai biaya O&M dalan setiap analisis life cyclenya. 5. Pilihan teknologi baterai aliran belum dibangun untuk aplikasi jaringan yang skala besar. Perkiraan didasarkan pada desain konseptualnya. Tabel III.2 Pilihan teknologi penyimpan energi untuk pengaturan frequency [1] Untuk semua pilihan teknologi di atas biayanya sangat tergantung pada tingkat kematangan sistem. Teknologi Flywheel digunakan pada aplikasi ini meskipun data durasi dan biaya life cyclenya belum dapat ditunjukkkan saat ini karena masih terbatasnya data pengguna teknologi flywheel. Tabel III.3 Pilihan teknologi penyimpanan energi untuk pendukung T & D jaringan[1] Pada perhitungan data di atas, diasumsikan bahwa semua sistem dalam bentuk modular. Baterai sodium-sulfur sudah proven digunakan pada aplikasi pendukung T & D sistem jaringan. Teknologi baterai aliran seperti VRB, Zn/Br, Fe/Cr dan Zn/Air untuk sistem jaringan saat ini masih sangat terbatas penggunanya. Untuk baterai Li-Ion kimia, ada beberapa suplier yang menyatakan sanggup membuat kapasitas 1 – 10 MWS untuk aplikasi ini. Tabel III.4 Biaya penyimpanan energi untuk aplikasi manajemen energi pada sektor komersial dan industri [1] Pada sektor komersial dan industri, teknologi penyimpanan energi digunakan untuk alat ukur manajemen energi, kualitas daya dan reability. Teknologi CAES, Baterai aliran dan flywheel tidak digunakan untuk aplikasi ini. Baterai lead acid dengan kapasitas giga watts hour digunakan sebagai buck up dan UPS. Tabel III.5 Biaya penyimpanan energi untuk aplikasi manajemen energi sektor rumah tangga [1] Seperti halnya di sektor komersial, baterai digunakan untuk back-up daya dan alat ukur manajemen energi serta kualitas daya. Teknologi baterai aliran dan CAES juga tidak cocok digunakan untuk aplikasi ini. Untuk semua sistem di atas, kedepannya biaya penyimpanan energi yang timbul akan semakin berkurang seiring dengan semakin provennya teknologi tersebut serta semakin banyaknya konsumen yang menggunakan teknologi-teknologi penyimpanan energi di atas. BAB IV. ANALISA KESENJANGAN DAN STRATEGI PENGEMBANGAN TEKNOLOGI PENYIMPANAN ENERGI I.5. Analisa Kesenjangan Teknologi Dari sekian teknologi penyimpanan energi yang berkembang di dunia, ternyata Indonesia masih tertinggal jauh dalam pengembangannya. Kesenjangan ini mengakibatkan harga penyimpanan energi dan harga jual listriknya menjadi mahal. Pada bab ini akan diuraikan faktor yang menjadi penyebab terlambatnya Indonesia dalam pengembangan teknologi penyimpanan energi diantaranya yaitu: I.5.1. Pertumbuhan Pembangkit Listrik Energi Alternatif di Dalam Negeri Industri EBTKE di Indonesia belum sepenuhnya berkembang karena kebijakan insentif dan standarisasi portofolio energi belum ada. Hal ini menyebabkan tingkat komponen dalam negeri (TKDN) dari teknologi EBTKE masih sangat rendah. Sebagai pembanding, industri modul surya di China telah berkembang sangat pesat akibat dari dukungan pemerintah yang sangat besar. Pada tahun 2012, kapasitas industri modul surya di negara tersebut mencapai 50 GW, hampir dua kali lipat kapasitas dunia, tidak termasuk China. Lebih dari 90% produksinya diekspor ke luar negeri. Permasalahan yang menyebabkan perkembangan EBT sangat lambat cukup beragam dari kebijakan, teknologi, sosial hingga kelembagaannya. Selain hal tersebut, kebijakan harga BBM yang masih disubsidi juga menjadi penghambat perkembangan teknologi EBT dan juga konservasi energi (EBTKE) di Indonesia. Kebijakan Feed in Tariff (FIT) juga belum sepenuhnya diterapkan, baru sebatas pada biomasa/biofuel. Pemanfaatan energi baru terbarukan (EBT) di Indonesia masih berkisar 6% (sekitar 9% apabila biomasa komersial diperhitungkan), padahal potensinya sangat besar. Dari sisi pembangkitan listrik, baru sekitar 10% listrik yang diproduksi PLN disumbang oleh EBT. Pemanfaatan EBT di salah satu negara ASEAN seperti Philipina telah mencapai sekitar 39%, dimana sebagian besar disumbang oleh geothermal, hidro dan angin. Kapasitas pembangkit geothermal Philipina terbesar kedua di dunia, sedangkan untuk angin (bayu) adalah yang paling besar untuk kawasan ASEAN. I.5.2. Industri Baterai di Indonesia Untuk mendukung penyediaan energi bersih, industri memegang peranan penting mengingat pada industrilah produksi masal baterai sekunder terjadi. Di Indonesia, industri yang bergerak dalam proses produksi baterai dapat dihitung dengan jari saja dan umumnya hanya memproduksi baterai sekunder jenis SLI (starting, lightning and ignition) untuk mobil dan jika pasar kendaraan listrik serta pembnagkit listrik energi alternatif telah terbentuk dimasa yang akan datang, kebutuhan akan baterai sekunder yang memiliki kapasitas jenis dan kerapatan energi yang tinggi mutlak dibutuhkan. Dengan sendirinya, industri baterai di Indonesia juga akan mengarah kepada baterai sekunder dengan karakteristik tersebut. Berikut ini adalah data industri baterai yang ada di Indonesia. Tabel IV.1 Data Industri produsen baterai di Indoneisa [9] No. Nama Perusahaan Nama Produk 1. PT. Indobatt NGS, NEO, Volcano 2. PT. Gramitama Battery GBI, GS Premium, OSAKA, Yama 3. PT. Yuasa Battery 4. PT. International Chemical Industry 5. PT. World Star Battery Indonesia Yuasa Pafecta, Yuasa Maintenance Free, Yuasa Hibrid, Yuasa Yumicron, Yuasa VRLA, Yuasa Super MF ABC Alkaline, ABC Super Power, ABC New Special, ABC Dry Cell, ABC Economy WS Worldstar 6. PT. Leoch Battery Indonesia LP, LPX, LHR, LPL, LPF, DJW, LPG, LPGFT, LPC 7. PT. Nippress, Tbk NS Keterangan Lokasi pabrik di Krian, Jawa Timur. Produksi baterai untuk mobil dan sepeda motor Lokasi pabrik di Sidoarjo, Jawa Timur. Produksi baterai untuk mobil dan sepeda motor Lokasi pabrik di Tangerang, Banten. Produksi baterai untuk mobil dan sepeda motor Lokasi pabrik di Cengkareng, Banten. Produksi baterai kering (dry cell) untuk keperluan tegangan sangat rendah Lokasi pabrik di Surabaya, Jawa Timur. Produksi baterai untuk mobil dan sepeda motor Lokasi pabrik di Daan Mogot Tangerang, Banten. Aplikasi baterai untuk kendaraan listrik, motor dan mobil., UPS dan lain-lain. Selain baterai, PT. LBI juga memproduksi produk-produk lainnya seperti charger, power inverter, golf car Lokasi pabrik di Bogor, Jawa Barat. Aplikasi baterai untuk mobil, motor, mobil golf dan baterai industri Dari sekian industri di atas, saat ini hanya PT. Nipress Tbk merupakan industri milik dalam negeri, yang lain pada umumnya adalah PMA, sehingga kebijakan mereka untuk mengembangkan industri penyimpanan energi sangat tergantung pada kebijakan pusatnya. Walaupun di dalam negeri ada permintaan jenis baterai yg tidak diproduksi di Indonesia, maka perusahaan tersebut akan mensuplainya dari cabang perusahaan yang berada di negara lain. Mereka tidak ada keinginan untuk membangun industri yang sama di Indonesia. Hal inilah yang menyebabkan harga baterai masih mahal. Saat ini PT. Nipress Tbk telah berhasil memproduksi baterai Lithium untuk mobil listrik dan juga sedang mengembangkan baterai Lithium untuk BTS seluler. Namun demikian dalam produksi dan pengembangan baterai Lithium tersebut, PT. Nipress baru sebatas pada perakitan karena sel Lithiumnya masih diimpor dari negara luar. Dengan kondisi seperti ini secara struktur Indonesia belum mampu mandiri dalam pengembangan teknologi penyimpanan energi. Padahal jika dilihat dari potensi cadangan bahan tambang untuk mendukung industri baterai Lithium yang sangat mencukupi seperti dijelaskan pada bab sebelumnya, maka bisa dipastikan bahwa Indonesia sebenarnya mampu membangun industri baterai lithium dengan pasokan bahan baku dalam negeri. I.5.3. Lemahnya Pasar Indonesia Menurut Mahendra saat ini industri Indonesia menghadapi tiga kelemahan utama yaitu: pertama lemah terhadap ketergantungan impor yang berdampak pada defisit neraca transaksi berjalan. Kedua yaitu lemah terhadap ketahanan fiskal karena kenaikan konsumsi dan subsidi BBM yang berdampak menggerogoti ketahanan fiskal. Kelemahan ketiga yaitu, lemahnya produk Indonesia menembus pasar internasional. Dewasa ini, maraknya perdagangan bebas mengakibatkan banyaknya barang-barang impor dari luar negeri yang masuk ke Indonesia dan tentu saja berdampak pada penjualan produk lokal (dalam negeri). Seperti halnya produk-produk buatan China yang sudah menjamur di berbagai tempat. Hal ini membuat persaingan antara produk dalam negeri dan luar negeri semakin berat. Terlebih lagi, seperti yang telah diketahui bahwa produk buatan China menawarkan harga yang relatif lebih murah dibandingkan dengan harga produk dalam negeri. Kualitas produk yang dibuatnya pun sudah dapat dikatakan bagus. Sementara produk dalam negeri tidak dapat mengimbangi produk buatan luar negeri, seperti China karena mahalnya biaya transportasi dan ongkos produksi di Indonesia, membuat harga suatu produk tidak kompetitif di pasar lokal apalagi pada pasar Internasional, hasil industri made in Indonesia saat ini nyaris hanya bisa bertahan pada pasar dalam negeri ini merupakan salah satu faktor yang menyebabkan lemahnya daya saing produk dalam negeri. Faktor yang menyebabkan lemahnya daya saing produk dalam negeri 1. Mahalnya biaya transportasi dan ongkos produksi di Indonesia, membuat harga suatu produk tidak kompetitif di pasar lokal apalagi pada pasar Internasional, hasil Industri buatan Indonesia saat ini nyaris hanya bisa bertahan pada pasar dalam negeri, dan itupun sudah mulai tertekan karena desakan barang yang sama dari China, harganya pun jauh lebih murah, walaupun mutunya sulit untuk dipercaya. 2. Kurangnya mutu produk dalam negeri dibandingkan dengan produk impor; kualitas SDM yang rendah juga berakibat pada rendahnya mutu atau kualitas produk (barang maupun jasa) yang dihasilkan. Hal ini karena belum maksimalnya penerapan sebuah teknologi dalam proses produksi. Kebanyakan SDM hanya mengandalkan pengalaman saja tanpa diiringi penguasaan konsep dan teknologi yang membuat tidak maksimalnya proses produksi. 3. Kurangya kesadaran dan kebanggaan untuk menggunakan produk dalam negeri. Sudah menjadi rahasia umum bahwa produk buatan Indonesia berkelas lebih rendah dibandingkan dengan produk luar negeri. Masyarakat Indonesia umumnya telah melakukan pengaturan pada pola pikir mereka bahwa produk asal luar negeri selalu atau bahkan selamanya akan memiliki kualitas yang lebih bagus dibandingkan produk dalam negeri. [10] Dalam hal kaitannya dengan industri baterai/penyimpan energi di Indonesia, tersendatnya pengembangan teknologi penyimpan energi adalah sedikitnya permintaan atau kebutuhan produk penyimpan energi untuk pembangkit energi alternatif, sehingga industri dalam negeri menjadi ragu untuk mengembangkannya karena tidak adanya pasar yang dapat membuat industri menjadi untung. I.5.4. Kurangnya Fasilitas Laboratorium dan Peralatan Pengujian Penelitian dan pengembangan teknologi penyimpanan energi memerlukan biaya yang sangat besar dan fasilitas laboratorium serta perlengkapannya seperti misalnya: 1. Alat uji karakteristik elektrokimia; Alat ini diperlukan untuk mengetahui sifat fisik elektrokimia yang digunakan sehingga diperoleh bahan baku kimia yang sangat baik untuk digunakan sebagai elektrolit. 2. Dry room; yaitu sebuah ruangan yang digunakan untuk menjaga temperatur dan kelembaban material produk. 3. Reaktor deposisi material lapisan tipis 4. Scanning electron microscope (SEM); yaitu mikroskop yang digunakan untuk mendapatkan gambaran morfologi permukaan suatu benda dalam skala nano. 5. Transmission electron microscopy (TEM) yaitu mikroskop yang memanfaatkan elektron yang ditransmisikan melalui sample tipis yang akan diteliti. 6. X-Ray diffraction (XRD) adalah perangkat yang digunakan untuk mengetahui struktur kristal, komposisi kimia dan sifat fisik dari material atau lapisan film tipis. I.5.5. Kebijakan Pemerintah dan Dukungan Pemerintah Pemerintah juga melakukan upaya yang dapat meningkatkan produksi dalam negeri. Salah satunya adalah dengan program P3DN. Program P3DN merupakan upaya Pemerintah untuk mendorong masyarakat agar lebih menggunakan produk dalam negeri dibandingkan produk impor. Salah satu bentuknya adalah mewajibkan instansi pemerintah untuk memaksimalkan penggunaan hasil produksi dalam negeri dalam kegiatan pengadaan barang/jasa yang dibiayai oleh APBN/APBD. Dengan demikian, barang/jasa yang telah memiliki Sertifikat Tingkat Komponen Dalam Negeri (TKDN) akan memperoleh preferensi dari panitia lelang. Terkait dengan hal tersebut, Kementerian Perindustrian menyelenggarakan kegiatan Verifikasi Tingkat Komponen Dalam Negeri yang dibiayai sepenuhnya oleh APBN. Perusahaan yang ingin disurvei cukup mendaftarkan diri tanpa dipungut biaya apapun. Namun kebijakan lain yang mendorong terhadap tumbuhnya pasar industri teknologi penyimpanan energi dirasakan sangat kurang sekali, kurangnya stimulus yang diberikan terhadap pasar serta bantuan kepada industri untuk lebih mengembangkan Langkah lainnya adalah dengan memaksimalkan peran akademisi seperti para peneliti dan ahli ilmu teknologi untuk menunjang dunia usaha. Inovasi teknologi sangat dibutuhkan dalam persaingan produk yang dipasarkan. Saat ini, kita sudah berada di jaman yang mengutamakan teknologi, sehingga produk yang dipasarkan merupakan produk hasil teknologi. Dengan penggunaan teknologi, juga dapat menekan biaya produksi yang sampai saat ini masih banyak dilakukan dengan tenaga tradisional, yang akan meningkatkan efektivitas baik dari segi biaya maupun waktu.[10] Selama ini penelitian tentang teknologi baterai di perguruan tinggi Indonesia belum terlalu banyak dilakukan hal ini dikarenakan adanya keterbatasan infrastruktur laboratorium pengujian serta biaya riset yang cukup besar. I.6. Roadmap Pengembangan Industri Penyimpanan Energi untuk Aplikasi Smart Grid di Indonesia Merujuk pada target pemerintah tentang capaian bauran energi nasional pada tahun 2025 yang mana diharapkan bahwa peran energi alternatif termasuk energi terbarukan lebih besar dibandingkan dengan energi fosil. Untuk mencapai target tersebut diperlukan fasilitas pendukung seperti penyimpanan energi yang handal. Dalam upaya pengembangan teknologi penyimpanan energi yang handal untuk sistem smart grid maka diperlukan roadmap sebagai gambaran langkah pengembangan teknologi penyimpanan energi. Mengingat bahwa saat ini Indonesia memiliki cadangan bahan baku Lithium serta program smart grid dengan menggunakan baterai VRB, maka Roadmap yang dibuat adalah untuk mengembangkan kedua teknologi tersebut di atas yaitu baterai Li-Ion dan Vanadium Redoks (VRB) Berikut ini adalah rancangan roadmap pengembangan teknologi penyimpanan energi untuk sistem smart grid tahun 2014 – 2025. Gambar IV.1 Rancangan roadmap pengembangan teknologi Baterai untuk sistem smart grid Tahun 2014 – 2025 Pelaksanaan roadmap di atas dapat dilakukan melalui beberapa tahapan yaitu seperti terlihat pada tabel dibawah ini: Tabel IV.2 Tahapan pelaksanaan roadmap industri baterai di indonesia Isu Topik Kegiatan Rencana Aksi Diskusi sinergi para peneliti Waktu Pelaksanaan 2014 antar lembaga LitBang Riset Elektroda, polimer 2014 – 2015 elektrolit dan teknologinya Riset aspek keselamatan LITBANG 2015 - 2016 baterai , baterai yang ramah lingkungan, baterai yang ringan dan ekonomis Pembangunan Fasilitas 2016 Laboratorium Uji Baterai yang teritegrasi Brainstorming para peneliti 2014 dan akademisi yang bergerak dibidang penyimpanan Energi Pembentukan konsorsium Pengembangan Produk 2015 -2016 Baterai Li-Ion dan VRB Pembuatan protoype bersama 2017 – 2018 industri yang siap mengembangkan Pasar Pengujian Prototype 2018 - 2020 Analisa pasar oleh stakeholder 2020 – 2021 Promosi 2022 – 2023 Tumbuhnya industri baterai 2024 – 2025 untuk sistem smart grid Komersialisasi produk baterai dalam negeri 2024 – 2025 BAB V. KESIMPULAN DAN REKOMENDASI I.7. Kesimpulan Peranan industri penyimpanan energi sangat penting di Indonesia karena dengan adanya industri penyimpanan energi yang mandiri akan dapat mendukung upaya penyediaan energi yang bersih serta sistem jaringan yang cerdas. Untuk merealisasikan terbentuknya industri penyimpanan energi jenis deep cycle di Indonesia diperlukan sinergi antara pemerintah, lembaga litbang, perguruan tinggi dan industri yang sesuai dengan perannya masing-masing dan saling interdependence satu dengan yang lainnya sehingga kedepannya diharapkan dapat menjawab tantangan yang ada. Dengan adanya industri penyimpanan energi yang mandiri maka kebutuhan akan baterai sekunder jenis deep cycle di Indonesia dapat dipasok dengan mudah oleh produk-produk dalam negeri yang pada akhirnya akan membawa manfaat bagi perekonomian bangsa. I.8. Rekomendasi Berdasarkan hal-hal tersebut di atas, maka ada beberapa catatan penting yang dapat diajukan sebagai rekomendasi dari kajian ini yaitu sebagai berikut: 1. Perlu segera dibuat forum yang membahas secara intensif tentang teknologi penyimpanan energi. 2. Perlu adanya sharing hasil penelitian teknologi penyimpanan energi yang sudah dilakukan sebelumnya 3. Perlu dibuat kolaborasi riset antar perguruan tinggi, lembaga litbang dan industri tentang teknologi penyimpanan energi untuk sistem smart grid. 4. Perlu adanya lembaga yang khusus membidangi pengujian baterai sekunder yang dilengkapi dengan fasilitas laboratorium yang canggih. 5. Perlu segera dibuat kebijakan yang sifatnya dapat menaungi dan menstimulus penelitian di bidang baterai sekunder. DAFTAR PUSTAKA [1] D. Rastler, “Electricity Energy Storage Technology Options”, Final Report – EPRI,California-USA, December 2010 [2] -----, “2020 Strategic Analysis of Energy Storage in California”, Final Project Report, PIER, California, November 2011 [3] -------, “Energy Storage – A Key Enabler of Smart Grid,” NETL – USA, September 2009 [4] -----, “Flywheel Energy Storage System Data Sheet”, Beacon Power, USA, 2012 [5] Albeth Y W, Dony Sadaka R, Didik Margi U, “Aplikasi Pembangkit Listrik Tenaga Surya”, Makalah Energi Alternatif, Politeknik Negeri Semarang, Indoneisa, 2012 [6] Izzu Farhan F, Ocky Meilanie P, Ratih Harumsari, “Solar Thermal Energy Sorage”, Bahan Presentasi, Manajemen Gas-Teknik Kimia UI, Indonesia, 2011 [7] http://anekailmu.blogspot.com/2009/04/pembuatan-gas-hidrogen-h2.html [8] www.dntanks.com/storage-types/termal.energy.storage/termal-energy-storage-tanks/_ [9] Chaerul Hudaya, “ Peranan Riset Baterai Sekunder dalam Mendukung Penyediaan Energi Bersih di Indonesia 2025”, KIST [10] Mitha Filandari, “Lemahnya Daya Saing Produk Dalam Negeri Terhadap Produk Luar Negeri”, Gunadarma, 2013
