Konsumen menjadi yang pertama mendengar tentang terobosan baterai yang tampaknya baru.
Untuk mendapatkan perhatian media teratas, baterai super baru ini juga menjanjikan untuk memenuhi kebutuhan kendaraan listrik (EV).
Mobilitas personal adalah masalah emosional yang tidak dapat ditekan, bahkan jika merugikan lingkungan. Namun, ruang industri, di sisi lain, lebih konservatif dan nampak tertinggal.
Tidak begitu. Industri adalah rasional dan memahami banyak kendala baterai dengan memfokuskan pada keandalan, ekonomi, masa pakai, dan keamanan.
Baterai untuk Traksi
Kursi roda, sepeda motor, dan mobil golf sebagian besar menggunakan baterai asam timbal. Meskipun berat, asam timbal berfungsi cukup baik dan hanya sedikit upaya dilakukan untuk beralih ke sistem lain. Li-ion akan menjadi alternatif alami dalam banyak aplikasi.
Meskipun Li-ion lebih mahal daripada asam timbal, biaya siklus dapat lebih rendah karena umur pakainya lebih lama. Keuntungan lain dari Li-ion dibandingkan dengan baterai berbasis nikel dan timbal adalah pemeliharaan yang rendah. Li-ion dapat dibiarkan pada keadaan muatan apa pun tanpa efek samping yang merugikan. Sebaliknya, NiCd dan NiMH memerlukan pembongkaran penuh sesekali untuk mencegah memori, dan asam timbal memerlukan muatan jenuh untuk mencegah sulfatasi.
Kebanyakan kursi roda dan mobil golf masih menggunakan asam timbal, begitu pula dengan forklift. Dengan forklift, bobot beratnya kurang menjadi masalah, tetapi waktu pengisian yang lama adalah kekurangan bagi gudang yang beroperasi 24 jam sehari. Beberapa forklift dilengkapi dengan sel bahan bakar yang mengisi baterai saat kendaraan digunakan. Baterai dapat dibuat lebih kecil tetapi tidak dihilangkan karena sel bahan bakar memiliki pengiriman daya yang buruk dan ramp-up yang lamban saat diminta; baterai tetap menjadi sumber daya utama.
Semakin berat aplikasi beroda, semakin tidak cocok baterai. Hal ini tidak menghentikan insinyur dari mencari sistem baterai besar untuk menggantikan mesin pembakaran dalam yang mencemari (ICE). Salah satu aplikasi seperti itu adalah sistem Kendaraan Terpandu Otomatis (AGV) di pelabuhan kapal. AGV beroperasi 24 jam sehari dan kendaraan tidak dapat terikat untuk interval pengisian yang panjang. Li-ion sebagian memecahkan masalah ini dengan menggantikan asam timbal 10-ton, 300kWh yang sangat besar dengan baterai yang lebih ringan dan dapat diisi lebih cepat. Tetapi baterai sangat besar memiliki batasan karena berat, waktu pengisian, dan infrastruktur, dan sel bahan bakar dapat memecahkan sistem traksi besar seperti yang dijelaskan dalam BU-1005 jika pembakaran bahan bakar fosil bukanlah pilihan.
Namun, belum ada solusi baterai ekonomis untuk sistem traksi besar dan pembakaran bahan bakar fosil tidak dapat sepenuhnya dihindari. Sementara baterai Li-ion modern menghasilkan sekitar 150Wh/kg energi, nilai kalorik bersih (NCV) dari bahan bakar fosil adalah lebih dari 12.000Wh/kg. Bahkan dengan efisiensi rendah 25 persen dari mesin ICE, energi dari baterai hanya sebagian kecil dibandingkan bahan bakar fosil (Lihat BU-1007: Nilai Kalorik Bersih) Selain itu, ICE dapat beroperasi dalam suhu dingin dan panas ekstrem, tugas yang baterai kesulitan memenuhi.
Baterai untuk Penerbangan
Tugas baterai di pesawat adalah memberi daya pada sistem navigasi dan darurat ketika Unit Daya Tambahan (APU) mati atau selama keadaan darurat dalam penerbangan. Baterai menyediakan daya untuk pengereman, operasi darat, dan memulai APU. Dalam kejadian kegagalan mesin, baterai harus menyediakan energi selama 30 menit hingga 3 jam. Setiap pesawat juga harus memiliki daya baterai yang cukup untuk memfasilitasi pendaratan yang aman. Selama penerbangan, listrik disuplai oleh generator dan, mirip dengan mobil, baterai pesawat bisa dilepas jika diperlukan.
Sebagian besar pesawat jet komersial menggunakan nikel-kadmium terendam. Memulai pesawat besar dimulai dengan mengembangkan APU, mesin turbin kecil yang terletak di bagian ekor pesawat. Ini membutuhkan waktu lebih lama dan memerlukan energi lebih banyak daripada memutar mesin reciprocating dari ukuran yang sama. Kecepatan pengembangan APU harus cukup tinggi untuk mencapai kompresi untuk pengapian mandiri. Memulai membutuhkan sekitar 15 detik dan mengonsumsi energi 15kW. Setelah berjalan, kompresor udara atau pompa hidrolik memulai mesin jet besar satu per satu.
Pesawat kecil sering memiliki asam timbal tertutup. Meskipun lebih berat dari NiCd, asam timbal memerlukan pemeliharaan yang lebih sedikit. Baterai pesawat 12 dan 24V dinilai dalam IPP (puncak daya saat ini) * dan IPR (penilaian daya saat ini) ** daripada CCA (ampere pembakaran dingin) seperti yang umum dalam industri otomotif. IPP dan IPR adalah standar Komisi Elektroteknik Internasional (IEC 60952-1) untuk baterai pesawat dan FAA TSO-C173 yang memungkinkan baterai mengembangkan setiap mesin selama 25–40 detik pada arus tinggi.
Pengecualian jet tempur modern dengan mesin jet menggunakan Li-ion, begitu pula dengan Boeing 787 Dreamliner. Airbus 350 menawarkan opsi kimia. Saat fungsi di pesawat komersial beralih dari hidrolik ke listrik, baterai yang lebih besar diperlukan. Li-ion yang berdensitas energi lebih tinggi memuaskan permintaan ini lebih baik daripada NiCd dan asam timbal. Namun, kegagalan Li-ion yang tidak terduga dengan konsekuensi serius mungkin membuat produsen pesawat kembali ke NiCd. Semua baterai rentan terhadap kerusakan; juga terdapat kegagalan panas yang dilaporkan dengan NiCd, tetapi ini dapat dikelola dengan lebih baik daripada Li-ion.
NiCd memberikan daya tahan dan layanan yang dapat diandalkan, tetapi membutuhkan pemeliharaan yang tinggi yang mencakup menjalankan baterai untuk menghilangkan memori. Layanan baterai kapal utama terdiri dari pembongkaran total dan penyingkapan setiap sel selama 24 jam dengan tali. Baterai juga diperiksa kapasitasnya dengan pengalisis baterai. Baterai NiCd yang lebih kecil memiliki persyaratan layanan yang berbeda.
Meskipun pesawat membawa banyak baterai yang berbeda di atas kapal, tujuan mereka hanya untuk memulai mesin dan menyediakan cadangan daya ketika mesin mati. Pesawat besar akan terus terbang dengan bahan bakar fosil karena baterai belum praktis untuk propulsi. Pesawat kecil yang ditenagai baterai sedang dicoba untuk pelatihan pilot dan penerbangan pendek tetapi ini hanya eksperimental. Berat dan keandalan pada baterai yang menua tetap menjadi kekhawatiran utama.
*Ipp: Arus puncak yang dikirim dalam 0,3 detik ke dalam pembongkaran terkontrol selama 15 detik pada tegangan terminal konstan setengah dari tegangan baterai nominal. **Ipr: Ini adalah arus pembongkaran pada akhir pembongkaran terkontrol selama 15 detik pada tegangan terminal konstan setengah dari tegangan baterai nominal.
Baterai Stasioner
Dengan semakin banyak pilihan baterai untuk sistem penyimpanan energi (ESS), pemilihan tidak boleh hanya didasarkan pada harga semata. Biaya per kWh hanya memberikan sedikit informasi tanpa juga memeriksa total biaya kepemilikan yang mencakup biaya per siklus, umur pakai, dan penggantian eventual.
Asam timbal sangat cocok untuk tugas-tugas yang hanya membutuhkan pembongkaran sesekali. Baterai aliran dan baterai natrium-sulfur berfungsi baik untuk sistem besar yang memerlukan pembongkaran teratur, sementara lithium ion direkomendasikan untuk sistem kecil hingga menengah yang memberikan pembongkaran singkat dengan kemampuan pengisian cepat beberapa kali sehari.
Secara tradisional, baterai stasioner adalah asam timbal. Ukuran dan beratnya kurang menjadi masalah, dan jumlah siklus terbatas tidak menimbulkan masalah ketika baterai jarang dibongkar. Baterai stasioner besar sebagian besar terendam dan memerlukan pemeriksaan berkala terhadap tingkat elektrolit. Pemeliharaan ini dapat dikurangi dengan sistem penyiraman otomatis.
Asam timbal teregulasi katup (VRLA) adalah versi pemeliharaan rendah dari asam timbal terendam. Dikatakan bahwa VRLA dapat dipasang dan dilupakan, tetapi ini sering diambil dengan ekstrim sehingga baterai menjadi terlantar. Pemeliharaan mencakup pemeriksaan tegangan, resistansi internal, dan kadang-kadang tingkat kapasitas.
Aplikasi yang terpapar suhu panas dan dingin serta yang membutuhkan siklus mendalam sering dilayani oleh nikel-kadmium terendam. Baterai ini lebih kokoh daripada asam timbal tetapi biayanya sekitar empat kali lipat. Baterai nikel-kadmium terendam tidak bersinter dan kurang rentan terhadap memori dibandingkan dengan versi bersinter, yang disegel, tetapi beberapa pemeliharaan masih diperlukan. NiCd adalah satu-satunya baterai yang dapat diisi dengan cepat dengan stres minimal.
Banyak baterai stasioner juga dilayani oleh Li-ion. Li-ion datang dengan banyak keunggulan, tetapi baterai tidak sebaik NiCd dan asam timbal pada suhu rendah. Baterai lain yang sedang membuat kebangkitan untuk penggunaan stasioner adalah nikel-besi. Penemu Thomas Edison mempromosikan NiFe untuk kendaraan listrik, tetapi akhirnya kalah dengan asam timbal karena biaya tinggi dan self-discharge tinggi. Perbaikan telah menghilangkan beberapa kekurangan, dan daya tahan baterai yang lebih unggul ini mendapatkan minat yang diperbaharui.
Sistem Penyimpanan Energi (Baterai Penyimpanan Grid)
Sumber energi terbarukan seperti angin dan matahari tidak memberikan aliran energi yang stabil, dan tidak selalu selaras dengan permintaan pengguna. Sistem penyimpanan energi besar (ESS) yang disebut pembalansan beban atau baterai penyimpanan grid diperlukan untuk menyediakan layanan yang lancar.
ESS menikmati lintasan pertumbuhan besar untuk beralih dari batu bara dan minyak ke sumber daya terbarukan. Instalasi ESS di Afrika Selatan sendiri diperkirakan akan mencapai 1.500MWh pada tahun 2021. Kimia-kimia yang sedang dipertimbangkan adalah baterai aliran, Li-ion, asam timbal, dan seng-bromin. Seng-bromin adalah jenis baterai aliran hibrida yang dapat dianggap sebagai mesin elektroplating. Selama pengisian, seng terendapkan ke elektroda konduktif membentuk bromin; proses ini berbalik saat pembongkaran. Baterai ESS lainnya yang terkemuka adalah baterai natrium-sulfur suhu tinggi.
Menyimpan energi untuk menyediakan daya pemangkasan puncak bukanlah hal baru. Pembangkit listrik tenaga air menggunakan listrik berlebih untuk memompa air kembali ke waduk pada malam hari untuk digunakan keesokan harinya. Dengan faktor efisiensi 70–85 persen, pompa hidro lebih mudah dikelola daripada menyesuaikan generator dengan kebutuhan daya yang tepat. Memompa udara terkompresi ke dalam rongga bawah tanah besar dan balon bawah air juga digunakan untuk menyimpan energi.
Flywheel juga berfungsi sebagai penyimpanan energi. Motor listrik besar memutar flywheel berbobot satu ton ketika energi berlebih tersedia untuk menyediakan kekurangan energi singkat. Flywheel berkecepatan tinggi berputar pada lebih dari 30.000 rpm pada bantalan magnetik dalam ruang vakum. Motor listrik/generator dengan magnet permanen mengisi dan membongkar energi kinetik sesuai permintaan.
Flywheel modern mengganti baja dengan serat karbon untuk menahan rotasi yang lebih tinggi hingga 60.000 rpm. Energi meningkat dengan kuadrat kecepatan, memberikan empat kali lipat daya pada berat yang lebih rendah. Jika flywheel gagal, pelindung mencegah pecahan terlepas.
Menggunakan flywheel untuk menyimpan energi kinetik bukanlah hal baru. Pada tahun 1940-an dan 1950-an, bus kota di Swiss ditenagai oleh flywheel. Motor listrik akan memutar flywheel 3 ton hingga 3.000 rpm dalam 3 menit. Berubah menjadi generator, motor kemudian akan mengubah energi kembali menjadi listrik. Setiap pengisian akan menghasilkan 6km (3,75mi) di jalan datar. Bus ini bebas polusi tetapi tindakan giroskop menentang perubahan arah di jalan berliku.
Pembalansan beban gravitasi menuju Li-ion karena jejak kecil, pemeliharaan rendah, dan umur panjang. Li-ion tidak menderita sulfasi seperti asam timbal ketika tidak sepenuhnya diisi secara berkala. Ini dapat menjadi kekurangan besar dalam instalasi ketika permintaan melebihi pasokan. Li-ion juga memiliki keuntungan berupa bobot ringan dan semi-portabel untuk instalasi di lokasi terpencil. Kerugian dari Li-ion adalah harganya yang tinggi dan kinerja rendah pada suhu dingin. Kelemahan lainnya adalah ketidakmampuan untuk diisi di bawah titik beku.
Harga Li-ion telah turun dan Tabel 1 menyediakan perbandingan biaya dengan asam timbal untuk aplikasi penyimpanan grid. Meskipun harga awal Li-ion lebih tinggi daripada asam timbal, biaya per siklus lebih rendah dalam aplikasi siklus dalam-dalam. Li-ion dikatakan akan meningkatkan pangsa pasar tetapi asam timbal akan tetap memiliki pengaruhnya.
| LEAD ACID | LI-ION | ||
|---|---|---|---|
| Harga Baterai | $20,000 | $52,000 | |
| Umur Pakai | 500 siklus pada 50% DoD | 1.900 siklus pada 90% DoD | |
| Biaya Per Siklus | $40 | $28 |
Tabel 1: Perbandingan biaya asam timbal dan Li-ion untuk energi terbarukan
[1] Li-ion memiliki biaya awal yang lebih tinggi tetapi lebih rendah pada biaya per siklus. Harga diestimasi.
Output energi dari turbin angin industri besar adalah 1 megawatt (MW) dan lebih; unit terbesar telah berkembang menjadi 10MW. Beberapa turbin membentuk sebuah farm angin yang menghasilkan 30–300MW. Untuk membayangkan satu megawatt, 1MW memberi makan 50 rumah atau sebuah supermarket Walmart.
Tidak semua sistem energi terbarukan termasuk baterai pembalansan beban. Baterai tersebut hanya menjadi terlalu besar dan investasi tidak selalu bisa dibenarkan. Jika didukung oleh baterai, sebuah farm angin 30MW menggunakan baterai penyimpanan sekitar 15MW. Ini setara dengan 20.000 baterai starter atau 176 Tesla S 85 EV dengan masing-masing baterai 85kWh. Biaya untuk menyimpan energi dalam baterai tinggi, dan beberapa mengatakan itu menggandakan biaya menjadi langsung.
Sistem manajemen baterai (BMS) menjaga baterai sekitar 50 persen muatan untuk memungkinkan menyerap energi pada angin kencang dan memberikan pada permintaan beban tinggi. BMS modern dapat beralih dari pengisian ke pembongkaran dalam waktu kurang dari satu detik. Ini membantu menstabilkan tegangan pada saluran transmisi, juga dikenal sebagai regulasi frekuensi.