Menggabungkan tenaga surya dengan penyimpanan panas untuk menghindari pemborosan energi

Australia terkenal dengan iklimnya yang panas dan cerah, dengan beberapa bagian negaranya terlihat rata-rata 10 jam sinar matahari sehari – dibandingkan dengan empat jam yang rendah bagi kami di Inggris. Mungkin tidak mengherankan jika pada tahun 2021 tenaga surya menjadi sumber energi terbarukan terbesar di Australia. Namun, itu masih hanya dibuat-buat 12% dari total pembangkit energi negara (energi terbarukan secara keseluruhan menyumbang 29%).

Jadi bagaimana kita dapat meningkatkan proporsi listrik yang dihasilkan oleh sel surya? Apakah ini hanya masalah memotong biaya panel fotovoltaik dan meningkatkan ketersediaannya? Sayangnya, tidak – kenyataannya lebih bernuansa.

Peternakan tenaga surya paling produktif di lokasi di mana Matahari terik hari demi hari, seperti Australia dan AS barat daya. Tapi di tempat-tempat seperti itu, begitu banyak energi yang dihasilkan selama tengah hari, kadang-kadang terlalu banyak. Pemilik ladang surya kemudian harus membayar jaringan listrik untuk mengambil energi tambahan. Dan jika jaringan tidak menginginkannya, peternakan terpaksa mengurangi produksinya atau bahkan mematikan pembangkit listrik sama sekali.

Untuk mengatasi keadaan yang menjengkelkan ini, sistem energi terbarukan hibrida baru mulai muncul di lokasi ini, menggabungkan pembangkit listrik dengan beberapa bentuk penyimpanan energi, sehingga jaringan listrik hanya menerima daya saat dibutuhkan. Namun, meskipun ada berbagai pilihan penyimpanan, masing-masing memiliki keterbatasan. Baterai lithium-ion, misalnya, harganya sekitar lima kali lipat dari panel surya dan kinerjanya menurun seiring waktu. Dalam skema pembangkit listrik tenaga air, kelebihan listrik akan digunakan untuk memompa air ke tempat yang lebih tinggi, sehingga mengubah energi listrik dari sel surya menjadi energi potensial yang dapat diubah kembali saat dibutuhkan. Tetapi pengaturan ini memerlukan lokasi berbukit, yang tidak cocok untuk ladang surya karena rentan terhadap awan dan hujan. Juga sangat mahal untuk membangun pembangkit tenaga surya di lokasi yang gersang dan menghubungkannya ke skema hidro melalui jalur transmisi listrik.

Salah satu alternatif dari teka-teki ini adalah teknologi yang menunggu paten yang sedang dikembangkan oleh perusahaan Australia RayGen. Dengan memasangkan sel surya dengan penyimpanan panas berbasis air, perusahaan yang berbasis di Melbourne ini menawarkan apa yang diklaimnya sebagai sistem kompetitif biaya yang memenuhi kebutuhan operator jaringan listrik.

Bukan hanya tenaga surya

Sistem RayGen terdiri dari beberapa tahapan dan teknologi (gambar 1). Pertama, serangkaian cermin memfokuskan sinar matahari ke kumpulan sel surya di puncak menara penerima. Sel-sel ini mengubah sinar menjadi listrik, yang dimasukkan ke jaringan, seperti di ladang surya konvensional. Meskipun cahaya terfokus menyebabkan suhu sel meningkat, aliran air pendingin mencegahnya dari kepanasan dan menjadi tidak efisien. Panas yang sekarang ditahan di sirkuit pendingin dipindahkan melalui pertukaran panas ke sistem sekunder yang mengalir ke reservoir air bawah tanah yang diisolasi secara termal pada suhu 90 °C.

Ketika jaringan membutuhkan listrik tambahan, penyimpan panas ini, di samping reservoir air dingin, menggerakkan mesin siklus Rankine organik (ORC), di mana air panas menguapkan amonia yang memutar turbin untuk menghasilkan listrik. Amonia kemudian didinginkan dan dikondensasikan kembali oleh air dingin untuk melewati siklus lagi. Pada hari-hari ketika ada kelebihan tenaga surya, listrik tersebut dapat mendukung kapasitas penyimpanan energi dari bagian termal sistem.

RayGen mengklaim biaya sistem ini ditekan karena menggunakan berbagai teknologi terbarukan yang sudah mapan – dari penyimpanan energi panas berbasis pit hingga turbin berbasis fotovoltaik dan amonia – sehingga dapat bersaing di pasar. “Di sisi surya, biaya kami sebanding dengan fotovoltaik skala utilitas berdasarkan dolar per watt,” kata Kira Rundel, manajer komersial RayGen. “Di sisi penyimpanan, mirip dengan hydro yang dipompa. Dan dalam hal biaya penyimpanan energi, karena kita hanya menggunakan air, itu mirip dengan tenaga air.”

Uji coba teknologi

RayGen hampir selesai menugaskannya pembangkit listrik pertama, terletak sekitar enam jam perjalanan darat dari Melbourne, dekat tempat bernama Carwarp. Begitu banyak ladang surya telah dipasang di area ini sehingga pada hari yang cerah dapat terjadi kelebihan pasokan ke jaringan, yang memberi RayGen kesempatan untuk menunjukkan kredensialnya. Di lokasi ini perusahaan telah membangun empat dari sistem 1 MW-nya, berdampingan. Selain menghasilkan listrik hingga 4 MW dari sel surya, fasilitas ini memiliki kapasitas penyimpanan 50 MWh, dan dapat mengalirkan 3 MW ke jaringan listrik selama 17 jam melalui turbin ORC.

Setiap sistem 1 MW menampilkan bidang hampir 300 cermin "pintar", diatur di sekitar penerima fotovoltaik yang dipasang di menara. Cermin mampu melacak posisi Matahari sepanjang hari, mengarahkan cahaya ke menara dari fajar hingga senja dan memfokuskan sinar dengan faktor 750. Selain mengurangi jumlah sel fotovoltaik yang dibutuhkan, dan juga biayanya, memperbesar intensitas sinar matahari ke penerima juga memberikan peningkatan efisiensi yang berharga.

Penerima itu sendiri memiliki 4.41 m² area aktif yang terdiri dari 441 modul surya, masing-masing berukuran 10 × 10 cm dan diisi dengan kelas sel surya paling efisien yang tersedia secara komersial. Banyak digunakan untuk memberi daya pada satelit – aplikasi yang sangat menghargai efisiensi tinggi dan ketahanan terhadap radiasi – sel khusus ini terbuat dari beberapa bahan semikonduktor, termasuk germanium, gallium arsenide dan gallium indium phosphide, sehingga memiliki banyak persimpangan p-n. Karena setiap persimpangan memiliki profil penyerapan yang berbeda, sel dapat menangkap sebagian besar spektrum penuh Matahari – yang membentang dari ultraviolet hingga inframerah – menangkap sinar matahari dua kali lebih banyak dari silikon tradisional, dan secara efisien mengubahnya menjadi listrik.

Dengan pengaturan RayGen, efisiensi sel untuk pembangkit listrik sekitar 38%, sedangkan untuk modul hanya di atas 35%, dan efisiensi penerima secara nominal 32% (angka persisnya tergantung pada kondisi pengoperasian). Sebagai perbandingan, sel yang terbuat dari silikon tradisional akan memiliki efisiensi modul sekitar 18-20%. Sementara sel silikon seperti itu akan menghemat uang, itu akan menjadi ekonomi palsu menurut kepala penelitian RayGen, John Lasich. Dia berpendapat bahwa kenaikan biaya awal ini akan dibayangi oleh pemotongan substansial untuk pembangkit tenaga listrik dan rasio pembangkitan listrik-ke-panas yang lebih rendah.

Peran air

RayGen juga mengklaim teknologinya mengatasi kelemahan utama dari semua sistem fotovoltaik tradisional. Bahkan mereka yang menggunakan perangkat terbaik membuang banyak energi insiden Matahari dalam bentuk panas, yang juga meningkatkan suhu sel dan merusak efisiensinya. Namun, dalam sistem RayGen, kelebihan panas ini digunakan.

Di setiap penerima, air digunakan untuk mendinginkan fotovoltaik. Itu dipompa ke menara, melalui bagian belakang modul dan kembali ke pangkalan, di mana penukar panas mentransfer energi panas ke sistem sekunder. Air yang didinginkan kembali di sirkuit awal kemudian dapat dipompa kembali ke menara untuk digunakan kembali.

Sistem sekunder mengalir ke reservoir panas, yang di Carwarp berjarak 17,000 m³ lubang berisi air bersuhu 90 °C. Lubang tersebut dilapisi dengan polimer, diisolasi dan disegel, yang berarti bahwa – berkat rasio permukaan terhadap volume yang sangat rendah – sangat sedikit energi yang hilang. "Jika Anda menganggapnya seperti baterai, self-discharge lebih rendah dari sepersekian persen selama beberapa minggu," kata Lasich.

Saat jaringan membutuhkan energi dan Matahari tidak bersinar, panas dari lubang ini menggerakkan turbin ORC. Karena amonia adalah fluida kerja dalam sistem loop tertutup ini, amonia harus didinginkan dan dikondensasi ulang setelah melewati turbin, yang dilakukan dengan 17,000 m detik.³ pit, diadakan pada suhu yang lebih rendah. Di tempat yang panas dan cerah, seperti pinggiran Carwarp, lubang ini akan memanas hingga 40 °C atau lebih jika tidak didinginkan secara manual. Karena ini hanya 50 °C lebih kecil dari pit yang lebih panas, efisiensi pembangkitan listrik dari turbin ORC tidak lebih dari sekitar 5%. Jadi untuk meningkatkannya menjadi 12–15%, RayGen mendinginkan lubang air dingin hingga mendekati titik beku menggunakan pendingin industri, menciptakan perbedaan suhu sekitar 90 °C antara dua badan air yang masif. “Itu setara dengan pemasangan hidro dengan dua bendungan dengan ketinggian 1000 m,” kata Lasich.

Sementara efisiensi 12–15% untuk pembangkitan energi dari turbin tidak terlalu tinggi, tidak ada listrik yang dikonsumsi untuk memanaskan air hingga 90 °C. Listrik hanya digunakan untuk mendinginkan lubang dingin, dan untuk setiap 1 MWh yang digunakan untuk tujuan ini, 0.7–0.8 MWh diperoleh kembali saat menjalankan turbin. Pendinginan lubang kedua memungkinkan sistem penyimpanan energi RayGen berperilaku seperti baterai raksasa, menurut Lasich. Ketika grid memiliki lebih dari cukup energi, kelebihan apapun dapat digunakan untuk menjalankan chiller, yang juga dapat didukung oleh listrik dari sel surya multi-junction RayGen.

Masa cerah di depan?

“Sistem RayGen adalah eksploitasi yang menarik dari teknologi concentrator photovoltaic (CPV), dan elemen penyimpanan yang menggunakan air dari pendingin sel merupakan tambahan yang sangat baik untuk pembangkitan listrik saja,” kata Geoff Duggan, yang merupakan chief technical officer di Fullsun Photovoltaics Limited di Inggris, sebelum dilikuidasi dan dibubarkan pada tahun 2022. Namun, dia tidak yakin bahwa pendekatan baru ini akan merevisi minat pada sistem CPV. “Itu selalu dirundung oleh biaya dan ketidakmampuan untuk meningkatkan kapasitas di mana biaya akan berkurang secara dramatis.”

RayGen jelas lebih optimis tentang teknologinya, dan juga mengatakan bahwa pelanggan yang memesan sistem RayGen akan dapat menghasilkan pendapatan dari sejumlah aliran pendapatan yang berbeda. Selain mendapatkan bayaran untuk mengekspor listrik, pembayaran lebih lanjut berasal dari kemampuan untuk menyediakan jaringan dengan kapasitas tambahan, meskipun tidak digunakan. Selain itu, ada peluang pendapatan dari pasar layanan tambahan frekuensi, karena gabungan sistem surya dan termal dapat merespons permintaan jaringan dalam hitungan detik. Rundel menganggap bahwa sistem RayGen “memberikan proyek komersial yang menguntungkan dan menarik, bersama dengan mitra strategis kami”.

Selain menandatangani proyek 4 MW di dekat Carwarp, RayGen sedang menyusun jalur produksi untuk membuat modulnya. Pihaknya berharap dengan total modul yang diproduksi setiap tahun mampu menghasilkan daya sebesar 170 MW. Karena jumlah proyek dalam pipeline terus bertambah, lini ini akan diperluas ke skala yang lebih besar.

Proyek yang lebih besar juga membutuhkan sistem yang lebih besar. Misalnya, pit untuk proyek masa depan yang lebih besar akan ditingkatkan sejalan dengan peningkatan kapasitas ORC, untuk terus menyediakan penyimpanan 12–24 jam. RayGen mengharapkan lubang pada skala ini memiliki volume 150,000–250,000 m³, tergantung pada durasi penyimpanan yang diperlukan untuk proyek tertentu. Satu mitra, Energi Foton, telah mengamankan lahan di Australia Selatan untuk fasilitas yang akan menggabungkan 300 MW tenaga surya dengan kapasitas penyimpanan 3.6 GWh yang mampu menghasilkan hingga 150 MW.

Sementara proyek awal ada di Australia, ambisi RayGen meluas ke luar negeri. Tidak semua tempat di dunia ini memiliki cuaca yang indah yang dibutuhkan sistem RayGen, tetapi ada peluang di mana saja dengan banyak sinar matahari, kebutuhan akan listrik, dan jaringan yang akan mendapat manfaat dari sistem pasokan dan penyimpanan yang fleksibel dan cepat.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoAiStream. Kecerdasan Data Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• Mencetak Masa Depan bersama Adryenn Ashley. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/combining-solar-power-with-thermal-storage-to-avoid-wasting-energy/