Di belakang bengkel seukuran gudang, sekitar selusin insinyur di hardhat sedang membangun mesin biru raksasa. Enam silinder, masing-masing lebih tinggi dari seseorang, dan setumpuk tabung, pipa, dan katup memanjang ke atas dari mesin diesel laut yang dikelilingi oleh perancah tiga lantai.
Diciptakan oleh startup SustainX di Seabrook, New Hampshire, mesin ini dirancang untuk menyimpan energi dengan mengompresi udara. Motor listrik memutar poros engkol mesin untuk menggerakkan piston di silinder di atas. Piston meremas campuran udara dan air berbusa dan memompa udara bertekanan ke dalam tangki baja besar di mana ia dapat disimpan seperti pegas melingkar. Ketika sebuah utilitas listrik membutuhkan daya, tank-tank itu akan terbuka, memungkinkan udara keluar, menghidupkan mesin, dan menghasilkan listrik untuk para pelanggan utilitas.
Taruhannya tinggi. Jika sebuah perusahaan seperti SustainX dapat mengirimkan sistem yang dapat menyimpan energi dengan murah bahkan untuk beberapa jam pada suatu waktu, itu akan mengubah angin dan matahari menjadi penyedia listrik yang dapat diandalkan, lebih seperti pembangkit berbahan bakar fosil. Fluktuasi angin dan output matahari dapat dihaluskan dan kelebihan daya dari angin malam hari, misalnya, dapat dikirim kemudian ketika permintaan lebih tinggi.
Mesin SustainX dan lainnya seperti itu berada di ujung tombak perlombaan teknologi dalam penyimpanan energi. Pekerjaan perusahaan, didukung oleh lebih dari $ 30 juta dalam dana swasta dan pemerintah, merupakan taruhan bahwa insinyur pintar yang menggunakan bahan-bahan yang murah dan mudah tersedia seperti udara dan air akan mengalahkan legiun ilmuwan yang mengejar terobosan dalam baterai.
Mesin SustainX, digambarkan di sini pada Mei 2013, menggunakan teknologi udara tekan isotermal untuk menyimpan energi. (Foto: SustainX) Penyimpanan energi menarik begitu banyak perhatian karena terobosan dalam biaya dan kinerja dapat membuat jaringan listrik lebih bersih dan lebih dapat diandalkan. Setiap hari, utilitas menjalankan tindakan penyeimbangan konstan: untuk memastikan layanan yang andal, jumlah daya yang dihasilkan di pembangkit listrik harus sesuai dengan apa yang dikonsumsi di rumah dan bisnis. Jika ada lonjakan permintaan dari AC di hari musim panas, misalnya, pembangkit listrik perlu menambah lebih banyak listrik dan memutarnya kembali ketika permintaan mereda di malam hari.
Penyimpanan energi bertindak sebagai cadangan, atau rekening bank energi. Selama masa-masa puncak permintaan, penyimpanan dapat menghantarkan listrik di tempat pembangkit bahan bakar fosil “peaker”. Teknologi ini dapat mengencangkan output variabel dari ladang angin dan surya atau menambah kapasitas gardu induk maksimal yang memberikan daya ke lingkungan lokal. Ketika ditempatkan di atau dekat bangunan, penyimpanan energi dapat menyediakan cadangan selama pemadaman listrik. Namun, banyak dari aplikasi ini yang membutuhkan perangkat yang dapat menyediakan daya selama beberapa jam atau mungkin setengah hari. Dan itu harus dilakukan dengan aman dan dengan biaya rendah.
Untuk penyimpanan multi-jam, ada alasan kuat untuk mengejar sistem penyimpanan mekanis di atas baterai elektrokimia, kata eksekutif industri. Baterai membutuhkan bahan yang lebih mahal, seperti litium atau kobalt, yang dapat mengalami kendala pasokan. Tidak seperti sistem mekanis, kapasitas penyimpanan baterai isi ulang berkurang dari waktu ke waktu, seperti yang dialami sebagian besar pengguna laptop.
Lalu ada langkah inovasi. Secara umum, laju pengembangan dalam penelitian baterai lambat — diukur dalam bertahun-tahun, bukan berbulan-bulan — dan peningkatan kinerja sering kali meningkat. Selain itu, membuat baterai jenis baru dalam volume besar membutuhkan investasi besar di muka di pabrik. Sebaliknya, sistem mekanis yang inovatif dapat dirakit dari mesin yang sedikit dimodifikasi, tangki gas industri, dan peralatan lain yang sudah dipahami dengan baik dan diproduksi dalam skala besar.
"Ini semacam tantangan integrasi sistem, daripada harus menemukan dan membangun perangkat tertentu agar semuanya berfungsi, " kata Gareth Brett, CEO Highview Power Storage yang berbasis di London, yang menggunakan udara cair — udara bertekanan dan didinginkan sampai menjadi cair — untuk menyimpan energi di jaringan. "Kekayaan intelektual kami adalah bagaimana sistem direkayasa dan disatukan dengan cara yang efisien dan biaya rendah."
Ketika datang untuk menyimpan listrik untuk digunakan pada jaringan listrik, pompa tenaga air penyimpanan dianggap sebagai standar emas — teknologi yang relatif murah yang telah mengirimkan energi di Amerika Serikat selama lebih dari 80 tahun. Sesuai namanya, air dipompa ke atas bukit ke reservoir saat permintaan listrik rendah, dan dilepaskan ketika dibutuhkan untuk menghasilkan listrik melalui turbin pembangkit listrik tenaga air. Stasiun hidro yang dipompa dapat menghasilkan ledakan besar daya selama beberapa jam, memungkinkan operator jaringan mengisi kesenjangan dalam pasokan listrik tanpa harus memanfaatkan pembangkit listrik berbahan bakar fosil. Namun, sebagian besar terbatas pada medan pegunungan, yang menyediakan peningkatan ketinggian yang dibutuhkan antara reservoir, dan tinjauan lingkungan memakan waktu bertahun-tahun.
Metode penyimpanan massal lainnya yang terbukti murah adalah penyimpanan energi udara terkompresi, atau CAES, di mana kompresor memompa udara ke dalam gua-gua bawah tanah. Ketika daya dibutuhkan, udara bertekanan dilepaskan dan dipanaskan dengan membakar gas alam. Udara itu kemudian diledakkan ke dalam turbin untuk menghasilkan listrik. Ada dua pabrik penyimpanan energi udara terkompresi geologis di dunia, termasuk yang dibuka di Jerman pada 1978 dan dibuka di Alabama pada 1991. Kedua unit masih beroperasi dan dianggap berhasil. Tetapi tidak ada yang lain dibangun karena sulit untuk menemukan lokasi dengan formasi geologi yang cocok dan untuk membiayai proyek-proyek ini. Pabrik ketiga dapat bergabung dengan barisan mereka di Texas, dengan rencana menyerukan proyek $ 200 juta untuk menyimpan hingga 317 megawatt — sebanding dengan output dari pembangkit listrik berukuran sedang.
Inovator di startup energi telah mengambil inspirasi dari kedua teknik ini, bercabang ke berbagai arah. LightSail Energy yang berbasis di SustainX dan Berkeley, California mengusulkan untuk mengompres udara untuk penyimpanan, tetapi menyimpannya di dalam tangki di atas tanah, yang berarti mereka tidak terbatas pada lokasi dengan gua-gua bawah tanah. General Compression yang bermarkas di Newton, Massachusetts, telah mengembangkan sistem penyimpanan udara terkompresi yang melekat langsung ke turbin angin.
Perbedaan utama dari CAES tradisional dalam pendekatan ini, yang disebut penyimpanan energi udara tekan isotermal, adalah bahwa tidak ada bahan bakar yang perlu dibakar di lokasi. Sebaliknya, perusahaan CAES generasi kedua ini menangkap dan menggunakan kembali panas yang dihasilkan saat udara berada di bawah tekanan tinggi. LightSail Energy bermaksud untuk menyemprotkan kabut air yang halus saat udara dikompresi dan menyimpan air panas itu sampai nanti. Ketika udara bertekanan dilepaskan untuk menghasilkan listrik, air panas, bukan pembakar gas alam, memanaskan udara melalui penukar panas.
Pendekatan CAES yang berpotensi lebih murah adalah menyimpan udara terkompresi dalam tas kain di bawah air. Saat menyimpan udara dalam tangki baja, baja harus cukup tebal untuk menampung udara bertekanan tinggi. Tetapi tekanan air bisa melakukan pekerjaan itu — gratis. Saat bekerja di sebuah startup surya, mantan insinyur roket Scott Frazier meramalkan perlunya sistem penyimpanan murah yang dapat ditempatkan hampir di mana saja. Dan pada tahun 2010, ia ikut mendirikan perusahaan, Bright Energy Storage Technologies, untuk mengejar ide menyimpan udara bertekanan dalam kantung besar yang berlabuh di dasar samudera atau di dasar waduk air tawar.
"Jika saya memiliki tangki di atas tanah, Anda harus membayar lebih untuk tekanan yang lebih tinggi. Semakin banyak udara yang saya pompa, semakin banyak baja yang saya butuhkan — itu cukup linier, " kata Frazier. Prototipe pertama perusahaan, yang dibuat untuk Angkatan Laut AS di Hawaii, akan menggunakan mesin truk yang dimodifikasi untuk menekan udara dalam tangki di atas tanah. Jika mekanisme mesin itu terbukti praktis, perusahaan dan Angkatan Laut berencana untuk membangun prototipe kedua yang menyimpan udara di bawah air.
Bahkan desain penyimpanan massal yang lebih sederhana akan memanfaatkan gravitasi seperti yang dilakukan stasiun pompa air. Advanced Energy Energy Storage, yang berbasis di Santa Barbara, California, sedang mencari untuk membangun proyek-proyek di mana energi dari pertanian tenaga surya atau angin akan mendorong kereta api kereta api ke atas bukit ketika ada permintaan rendah untuk energi di grid. Ketika daya paling dibutuhkan, gerbong kereta akan menurun dan menghasilkan daya. Motor traksi listrik yang mendorong mobil menanjak berjalan terbalik saat menuruni bukit dan beroperasi sebagai generator, sama seperti mobil hibrida mengisi baterai selama pengereman. Dalam konsep yang serupa, EnergyCache, didirikan oleh seorang insinyur mesin MIT dan didanai oleh Bill Gates, membangun sistem penyimpanan percontohan di mana kerikil diangkut naik turun menggunakan peralatan lift ski yang dimodifikasi.
Di daerah penyimpanan hidro yang dipompa selama beberapa dekade, ada ide-ide baru juga, termasuk menyimpan air di akuifer atau menempatkan tanaman di laut, seperti yang sudah dilakukan oleh satu perusahaan di Jepang. Pendekatan-pendekatan ini menggunakan konfigurasi dasar yang sama — reservoir buatan di lokasi tinggi di sebelah reservoir lebih rendah — tetapi berpotensi dapat dibangun di lebih banyak lokasi. Paling ambisius adalah proposal untuk membangun "pulau energi" di Laut Utara di lepas pantai Belanda atau Belgia. Idenya adalah untuk membangun pulau buatan dengan reservoir dan menggunakan energi berlebih yang dihasilkan oleh turbin angin pada waktu permintaan rendah untuk memompa air untuk penyimpanan.
Semua inovasi ini dimulai dengan bahan yang murah tetapi akhirnya mengalami tantangan teknis yang sama: efisiensi. Jika banyak energi yang hilang mengubah listrik menjadi udara terkompresi atau air yang disimpan dan kembali lagi, biayanya naik. Di bidang ini, baterai bersaing sangat baik: beberapa jenis lebih dari 90 persen efisien dalam pengisian dan pemakaian.
Triknya, kemudian, untuk penyimpanan mekanis, adalah meningkatkan efisiensi sebanyak mungkin. Dengan penyimpanan udara, itu seringkali berarti memanfaatkan panas dengan lebih baik. Sementara pengembang CAES isotermal seperti LightSail menangkap panas yang dihasilkan dari udara tekan, inovator lain memanen panas dari sumber luar yang seharusnya dibuang. Pada proyek demo di dekat London, Highview Power Storage menyalurkan limbah panas dari pembangkit listrik terdekat ketika mengubah udara cair yang tersimpan menjadi gas bertekanan tinggi, yang mengubah turbin menjadi listrik. Menggunakan berbagai teknik, bahkan menyimpan udara dingin dalam kerikil untuk membantu proses pendinginan, Highview Power Storage bisa mendapatkan efisiensi konversi energi hingga lebih dari 70 persen, katanya.
Pabrik uji coba penyimpanan energi udara cair (LAES) 300 kilowatt Highview di Slough, Inggris. (Foto: Penyimpanan Daya Highview) Sistem mekanik tidak dapat menandingi baterai terbaik dalam hal efisiensi, tetapi itu tidak tepat, kata Richard Brody, mantan wakil presiden pengembangan bisnis di SustainX. Lebih penting, terutama untuk aplikasi penyimpanan jamak, adalah biaya dimuka yang relatif rendah dan fakta bahwa sistem mekanik dapat berjalan selama beberapa dekade tanpa kehilangan kapasitas penyimpanan. Mesin yang disetel dengan baik dengan bahan-bahan dasar — baja, udara, air, dan kerikil — tidak akan menurunkan kinerja senyawa kimia dalam elektroda baterai dari waktu ke waktu, kata pendukung penyimpanan mekanik. "Kami belum melihat teknologi [baterai] elektrokimia yang dapat melakukan apa yang dapat kami lakukan pada skala dan umur sistem yang sedang kita bicarakan, " kata Brody. "Kami pikir itu tidak praktis untuk melakukan hal-hal skala megawatt dengan sistem baterai berbasis sel ini."
Mengingat potensi penyimpanan energi yang meluas di jaringan, pendekatan yang menggunakan bahan-bahan murah terus menarik perhatian serius. Selain sejumlah startup, banyak peneliti bekerja pada udara terkompresi atau dicairkan. Universitas Birmingham di Inggris, misalnya, menciptakan pusat penelitian untuk penyimpanan energi kriogenik dan konsorsium yang dipimpin oleh utilitas Jerman RWE telah berkomitmen 40 juta Euro ($ 53 juta) selama tiga setengah tahun untuk mengembangkan CAES efisiensi tinggi sistem yang akan menyimpan panas dari proses kompresi di kapal besar seperti termos yang diisi dengan bahan keramik.
Cabang teknologi penyimpanan ini dapat membantu transportasi juga. Perusahaan teknik Ricardo memiliki dua proyek untuk mengeksplorasi bagaimana udara cair dapat meningkatkan efisiensi mesin pembakaran internal. Peugeot Citroen, di antara pembuat mobil lain, sedang mengejar metode untuk menggunakan tangki penyimpanan udara terkompresi untuk secara efektif bertindak seperti baterai pada mobil penumpang hibrida. Sebagian besar daya tarik adalah ketersediaan suku cadang dan infrastruktur, kata Dr. Andrew Atkins, kepala insinyur teknologi di Ricardo. "Anda tidak memiliki masalah rantai pasokan, " katanya. "Bagaimanapun, udara adalah tentang kita."
