Perubahan iklim: Dapatkah baterai gravitasi memecahkan masalah penyimpanan energi kita?

Bisakah teknologi mutakhir yang memanfaatkan salah satu kekuatan fundamental alam semesta membantu memecahkan tantangan besar penyimpanan energi kita?

Ada teka-teki besar di balik revolusi energi terbarukan. 

Saat angin bertiup, matahari bersinar, dan ombak menggulung, ada banyak energi hijau yang akan dihasilkan. Tapi, ketika langit gelap dan kondisi alam tenang, dari mana energi terbarukan diperoleh?

Jawabannya, ada pada hari ini, yaitu dengan membakar bahan bakar fosil untuk menghasilkan dan meningkatkan produksi listrik konvensional. 

Ini adalah solusi abad ke-20 untuk masalah di abad ke-21, yang sangat kontras dengan rencana karbon netral.

Baca juga:

Untuk masa depan energi yang lebih bersih berarti berfokus pada baterai litium-ion yang lebih besar, kata beberapa pakar energi. 

Yang lain berpendapat bahwa hidrogen hijau adalah harapan terbaik dunia. 

Dan kemudian ada orang-orang yang menjagokan jawaban bukan pada solusi kimia, tetapi kekuatan tak terbatas yang mengelilingi kita semua: gravitasi.

Apa itu baterai gravitasi?

"Apa yang naik, harus turun" - ini adalah logika Newton yang tidak dapat diubah yang menopang gagasan baterai gravitasi. 

Bidang baru teknologi penyimpanan energi ini pada prinsipnya sangat sederhana. Ketika energi hijau berlimpah, surplus itu digunakan untuk mengangkut beban yang sangat besar ke ketinggian yang telah ditentukan. 

Kemudian, ketika energi terbarukan terbatas, beban yang di atas kemudian dijatuhkan ke bawah sehingga kemudian memberi daya pada generator untuk mendapatkan energi akibat tarikan gravitasi.

Pendekatan serupa, "pompa hidro", menyumbang lebih dari 90% penyimpanan energi berkapasitas tinggi di dunia saat ini.

Menyalurkan air ke atas bukit menggunakan kelebihan daya dan kemudian, bila diperlukan, memompanya ke bawah melalui generator pembangkit listrik tenaga air. 

Ini adalah sistem yang telah dicoba dan diuji. Tetapi ada masalah signifikan, yaitu seputar skalabilitas. 

Proyek hidro umumnya besar dan mahal, dengan membutuhkan modal yang banyak.

Pompa hidro juga memiliki persyaratan geografis yang ketat - seperti medan alam yang berliku-liku dan air yang melimpah. 

Tapi, jika dunia ingin mencapai net-zero, diperlukan sistem penyimpanan energi yang dapat ditempatkan hampir di mana saja, dan dalam skala besar.

Gravitricity, sebuah start-up teknik hijau yang berbasis di Edinburgh, bekerja untuk mewujudkannya. 

Pada April tahun lalu, perusahaan ini berhasil menguji coba prototipe baterai gravitasi pertamanya: sebuah menara baja setinggi 15 meter yang menahan beban besi seberat 50 ton. 

Inci demi inci, motor listrik mengangkat kotak logam besar itu ke angkasa sebelum secara bertahap melepaskannya kembali ke tanah, memberi daya pada serangkaian generator listrik dengan tarikan ke bawah. 

Instalasi ini hanya contoh dengan "skala kecil", kata Jill Macpherson, insinyur pengujian dan simulasi senior Gravitricity, tetapi mampu menghasilkan daya instan 250kW yang cukup untuk memberi daya kepada sekitar 750 rumah secara singkat.

Hal yang juga menggembirakan adalah apa yang dipelajari tim Gravitricity tentang potensi keberlanjutan sistem mereka.

"Kami membuktikan bahwa kami dapat mengontrol sistem untuk memperpanjang masa pakai komponen mekanis tertentu, seperti kabel pengangkat," kata Macpherson. 

"Sistem ini juga dirancang agar komponen individual dapat dengan mudah diganti alih-alih mengganti seluruh sistem sepanjang masa pakainya. Jadi, ada ruang lingkup nyata untuk memiliki masa operasional selama puluhan tahun."

Ketika prototipe Gravitricity mengarah ke langit, fokus perusahaan sekarang berada di bawah tanah. Para insinyur telah menghabiskan sepanjang tahun lalu untuk memeriksa tambang batu bara yang dinonaktifkan di Inggris, Eropa Timur, Afrika Selatan, dan Chili. 

Alasannya, jelas direktur pelaksana Charlie Blair, cukup lugas: "Mengapa membangun menara ketika kita dapat menggunakan geologi bumi untuk menopang beban kita?"

Baca juga:

Ini terlihat seperti solusi yang bagus. Bumi kini dipenuhi dengan lubang bekas tambang yang cukup dalam untuk menampung instalasi Gravitricity, yang akan ditanam setidaknya 300 meter, dan mungkin lebih jauh lagi.

Ada kemauan politik untuk mewujudkannya juga, kata Blair, dengan pembuat kebijakan ingin memanfaatkan antusiasme publik untuk apa yang disebut sebagai "transisi yang adil" - gagasan tentang ekonomi baru rendah karbon yang mengamankan mata pencaharian para pekerja di tambang bahan bakar fosil dan masyarakat setempat. 

Jadi, dengan dana yang cukup, prototipe bawah tanah (kemungkinan besar berlokasi di Republik Ceko) akan berfungsi pada tahun 2024. Namun, pertama-tama, serangkaian tantangan harus diatasi.

"Kita perlu melihat lebih dekat pada struktur teknik sipil yang ada - lapisan poros, lingkungan poros - dan memastikan mereka benar-benar sehat dan mampu menahan beberapa ribu ton," jelas Blair. 

"Ada juga potensi masalah keamanan di sekitar gas metana, dan kemungkinan tambang yang kebanjiran."

Dengan pemikiran itu, Gravitricity juga mencoba menenggelamkan poros yang dibuat khusus: upaya yang akan memakan banyak biaya di awal, tetapi menjanjikan keamanan yang jauh lebih besar di masa mendatang.

Namun, tidak semua inovator melihat manfaat dari solusi penyimpanan energi di bawah tanah ini. 

Dengan sistem kecerdasan buatan

Di sebuah lembah di Swiss selatan, sebuah prototipe baja dan beton yang terdiri lebih dari 20 lantai mencolok dari Energy Vault, perusahaan lain yang juga akan memproduksi baterai gravitasi. 

Saat pasokan daya hijau melebihi permintaan, salah satu dari beberapa derek yang dikendalikan mesin kecerdasan buatan mengangkat sepasang balok seberat 30 ton ke atas. 

Sebaliknya, ketika permintaan daya melebihi pasokan, derek kembali turun, menghasilkan energi yang cukup untuk ribuan rumah.

Dengan teknologi yang telah dicoba dan diuji - dan telah menerima investasi senilai $402 juta (Rp5,8 triliun) - Energy Vault siap untuk memulai peluncuran komersial. 

Untuk itu, perusahaan telah merancang sesuatu yang sedikit lebih estetis daripada prototipe di sudut Swiss: sebuah bangunan modular yang dijuluki "EVx" yang menyimpan ribuan beban pada sistem troli.

"Anggap saja seperti gudang elevator energi," kata Robert Piconi, CEO Energy Vault. 

"Ketika listrik bersih masuk, balok - yang terbuat dari bahan daur ulang - naik, dan ketika jaringan membutuhkan pasokan, mereka kembali turun. Sebuah EVx dengan kapasitas penyimpanan 100MWh dapat memberi daya pada sekitar 25.000 rumah selama sehari," kata dia.

Ukuran dan tata letak setiap instalasi akan menentukan kapasitas penyimpanannya secara keseluruhan, tetapi bahkan di tempat terbawah, bangunan ini butuh area puluhan hektare. 

Apakah ini akan jadi masalah? Tidak, kata Piconi, karena sistem tersebut kemungkinan besar terletak di dekat area pembangkit angin dan surya, jauh dari pusat kota.

"Kami juga tidak perlu menggali lubang yang dalam, atau memiliki pembatasan-pembatasan lainnya di lokasi. Pada dasarnya, sistem ini dapat dibangun di mana pun Anda dapat membangun gedung 20 lantai," katanya.

Pesan ini tampaknya tepat sasaran: Buku daftar pesanan Energy Vault terisi dengan cepat, dengan minat datang dari seluruh Eropa, Amerika, Timur Tengah, Australia, dan China. 

Ketertarikan China ini sangat menarik, kata Piconi, yang berharap produknya bisa menandakan perubahan arah bagi penghasil emisi gas rumah kaca terbesar di dunia itu.

Menyeimbangkan jaringan

Mungkin sekarang ini semua masih angan-angan, tetapi cepat atau lambat, semua negara harus menerapkan sistem penyimpanan energi hijau. 

Ini termasuk penyimpanan jangka panjang, mematikan lampu untuk waktu yang lama ketika stok pembangkit terbarukan rendah, dan semburan listrik singkat ketika jaringan membutuhkan pasokan tambahan.

Poin kedua ini berkaitan dengan masalah serius yang dihadapi pengembang energi hijau: jaringan listrik dirancang untuk bekerja dengan pembangkit listrik konvensional, bukan energi terbarukan.

"Setiap saat, jaringan listrik perlu diseimbangkan," jelas Thomas Morstyn, ahli teknik listrik di Universitas Edinburgh. 

"Operator terus-menerus harus mencocokkan penawaran dan permintaan, tetapi itu sulit ketika Anda memiliki sesuatu yang secara inheren terputus-putus seperti angin atau matahari, yang rentan terhadap variasi mendadak."

Massa berat baterai gravitasi yang digabungkan dengan penurunannya yang sangat lambat menghasilkan torsi dalam jumlah besar, memungkinkan sistem untuk menghasilkan daya maksimum hampir secara instan. 

Ini membuat teknologi tersebut sangat baik dalam menjaga keseimbangan jaringan, mengurangi risiko kerusakan infrastruktur yang serius dan pemadaman, dengan cara menjaga fluktuasi detik demi detik.

Bagaimana dengan baterai litium?

Baterai litium-ion, jenis yang memberi daya pada ponsel, laptop, dan kendaraan listrik kita, juga dapat meningkat sama cepatnya, dan memiliki angka efisiensi bolak-balik yang serupa dengan solusi gravitasi.

Biaya sel litium telah turun secara signifikan dalam beberapa tahun terakhir juga. Jadi mengapa tidak membuat baterai kimia yang lebih besar?

Untuk menjawab pertanyaan ini, penting untuk tidak hanya mempertimbangkan biaya yang harus dikeluarkan di muka, tetapi juga total biaya seumur hidup suatu sistem.

Baterai gravitasi adalah alat mekanis, dan karena itu, sistem dapat rusak. Mungkin akan ada kabel yang putus, gearbox yang macet, atau muncul bercak karat. 

Ini bisa menjadi masalah, tetapi tidak fatal. Setiap komponen individual dapat diganti dengan relatif mudah. 

"Kemampuan perbaikan" ini berarti baterai gravitasi dapat bertahan selama 50 tahun, kata Asmae Berrada, spesialis penyimpanan energi di Universitas Internasional Rabat di Maroko.

Ini berbeda dengan baterai ion-litium.

"Sel-sel litium-ion akan terdegradasi, yang berarti kapasitas penyimpanannya turun dan tak dapat diperbaiki dari waktu ke waktu," jelas Berrada.

Dalam penelitiannya, ia menemukan biaya masa pakai baterai litium melonjak dua kali lipat dari baterai gravitasi. 

"Ada juga batasan berapa kali baterai kimia dapat dipakai setiap hari jika Anda ingin memperpanjang masa pakai. Ini sesuatu yang tidak perlu dikhawatirkan oleh sistem gravitasi karena bagiannya dapat lebih mudah diganti."

Ini belum mempertimbangkan kekhawatiran seputar pelanggaran hak asasi manusia, di mana penambangan kobalt dikaitkan dengan pekerja anak, dan kerusakan lingkungan.

Berrada yakin bahwa cara non-litium untuk menyimpan energi hijau sangat penting. Oleh karena itu, dia dan timnya sedang mengerjakan prototipe baterai gravitasi berbasis air milik mereka sendiri, yang didanai oleh pemerintah Spanyol dan Maroko.

Alih-alih mengangkat beban padat yang besar, kelebihan tenaga hijau akan digunakan untuk menggerakkan piston yang terendam ke atas, Berrada menjelaskan, dengan perjalanan kembali yang mendorong air bertekanan tinggi melalui generator.

Sistem serupa sedang dikembangkan di California, AS, dan Jerman, sementara para peneliti di Nevada sedang mengeksplorasi solusi unik yang terinspirasi dari kereta api.

Berapa banyak percobaan ini yang akan membuahkan hasil? tidak ada yang tahu. Tapi yang tidak diragukan lagi adalah, dunia butuh solusi iklim yang berani dan kreatif.

Untuk mengatasi masalah ini, tidak ada satu solusi saja - tetapi baterai gravitasi, dengan memanfaatkan kekuatan Bumi yang benar-benar tak terbatas dan ada di mana-mana, hampir pasti memiliki peranan besar untuk masa depan kita.

--

Versi bahasa Inggris artikel ini berjudul Can gravity batteries solve our energy storage problems? dapat Anda baca di BBC Future.