Redox Flow Batteries (RFB): Baterai Cair Sebagai Perangkat Penyimpan Energi Pada Pembangkit Listrik Energi Terbarukan

Energi terbarukan seperti sel surya dan turbin angin semakin banyak digunakan di seluruh dunia. Pada tahun 2020, energi terbarukan diprediksi akan menyuplai 12% kebutuhan listrik di USA dan 20% di Eropa^[1]. Kunci dari pesatnya perkembangan energi terbarukan adalah teknologi penyimpanan energi yaitu baterai. Baterai yang umum digunakan sebagai perangkat penyimpanan energi pembangkit listrik energi terbarukan adalah baterai litium ion.

Pada Desember 2017, Tesla telah membangun baterai litium ion raksasa di selatan Australia dengan kapasitas 90 MWh untuk menyimpan energi listrik dari pembangkit listrik tenaga bayu^[2]. Namun, biaya yang dibutuhkan cukup besar dan baterai litium ion sedang menghadapi isu ketersediaan material penyusunnya yang sedikit terutama litium. Sehari-hari, kita menggunakan baterai dengan komponen penyusannya berupa logam padat. Lalu, bagaimana jika komponen penyusun baterainya berfasa cair ?

Baterai natrium-sulfur mengawali lahirnya baterai berfasa cair namun temperatur operasinya mencapai titik leleh logam natrium. Baterai tersebut akhirnya tidak dapat bersaing di pasaran karena kondisi operasinya yang ekstrem. (baca juga : Baterai Natrium Ion ). Para peneliti kemudian mencari alternatif baterai cair yang dapat beroperasi pada temperatur ruang. Selain itu, karakteristik baterai yang paling dicari adalah biaya fabrikasi yang murah terutama untuk aplikasi penyimpan energi pada pembangkit listrik energi terbarukan.

Redox Flow Batteries (RFB) mulai dipertimbangkan sebagai perangkat penyimpanan energi untuk skala besar (0,5 – 12 MW). RFB merupakan baterai cair yang mengalir secara kontinyu dan tersirkulasi. Dibandingkan baterai litium ion, RFB memiliki waktu discharge yang lebih lama dan lifetimenya hingga 10 tahun. Dari segi biaya, RFB membutuhkan biaya yang lebih murah dibandingkan dengan baterai litium ion. Namun, Efisiensi RFB masih lebih rendah dibandingkan baterai litium ion. Tabel 1 menunjukkan perbandingan berbagai jenis perangkat penyimpanan energi pada pembangkit listrik energi terbarukan.

Tabel 1. perbandingan berbagai jenis perangkat penyimpanan energi pada pembangkit listrik energi terbarukan^[3]

RFB menggunakan elektrolit berfasa cair yang disimpan terpisah dalam tangki penyimpanan. Elektrolit yang digunakan adalah ion logam yang terlarut dalam larutan aqeuos atau non-aqueous. Cairan ion logam di sel positif akan mengalami reaksi reduksi ketika proses discharge. Sedangkan cairan ion logam di sel negatif akan mengalami reaksi reduksi ketika proses discharge. Ion-ion logam tersebut biasanya dilarutkan dalam H₂SO₄ atau HClO₄. Ion H⁺ yang dihasilkan akan berpindah melalui membran penukar ion. Gambar 1 menjelaskan skema RFB secara umum.

Gambar 1. Skema RFB^[4]

RFB diperkenalkan pertama kali pada tahun 1970 oleh NASA dengan daya 1 kW. Bahan RFB yang digunakan berbasis Fe/Cr. Namun perkembangan RFB berbasis Fe/Cr berhenti karena reaksi ion Cr yang lambat dan terjadi degradasi sel. Saat ini, teknologi RFB yang paling sukses adalah RFB berbahan vanadium atau vanadium redox flow battery (VRFB). Vanadium yang terlarut dalam larutan asam sulfat 5 M digunakan sebagai elektrolit pada anoda dan katoda^[1]. Penggunaan logam yang sama pada anoda dan katoda memberikan beberapa keuntungan yaitu tidak terkontaminasinya membran dan elektroda, mengantisipasi penurunan kapasitas dan lifetime yang lebih lama. Vanadium (II)/vanadium (III) merupakan pasangan ion logam di sisi anoda sedangkan vanadium (IV)/vanadium (V) merupakan pasangan ion logam di sisi katoda. Vanadium (IV)/vanadium (V) biasanya teridentifikasi sebagai VO²⁺ dan VO₂⁺. Skema VRFB dan reaksi yang terjadi ditunjukkan oleh Gambar 2 dan video di bawah ini.

Gambar 2. Skema VRFB dan reaksinya^[5]

VRFB telah dikomersialisasikan ke seluruh dunia sebagai perangkat penyimpanan energi pada pembangkit listrik sel surya atau turbin angin. Di Asia, VRFB skala besar telah dipasang di Jepang dan China. Jepang memiliki unit VRFB dengan kapasitas 60 MWh yang diproduksi oleh Sumitomo. Sedangkan China memiliki unit VRFB dengan kapasitas 400 MWh yang diproduksi oleh Pu Neng dan 800 MWh yang diproduksi oleh Rongke Power yang ditunjukkan oleh Gambar 3^[6].

Gambar 3. VRFB yang telah dibangun di Jepang dan China^[6]

Pengembangan VRFB terkendala oleh harga vanadium dan membran penukar ion yang mahal (Gambar 5a)^[7]. Namun, International Renewable Agency (IRENA) memprediksi bahwa pada tahun 2030 biaya instalasi VRFB akan mengalami penurunan hingga 50 USD/kWh dan lifetime yang lebih lama hingga 30 tahun. Selain itu, efisiensinya pun meningkat dari 70% menjadi 78%^[8]. VRFB masih terus dikembangkan sebagai solusi perangkat penyimpanan energi skala besar yang lebih aman dan tahan lama. Hal itu diperkuat oleh penjualan RFB yang setiap tahunnya meningkat (Gambar 5b)^[9]. Maka, baterai litium ion harus bersiap berkompetisi dengan VRFB dalam pengembangan perangkat penyimpanan energi skala besar.

Gambar 5. (a) Presentase biaya pada pembuatan VRFB^[7] (b) Kurva penjualan RFB dari tahun 2014 – 2020^[9]

Referensi

[1] Hiksas, M.M dan Aninditio, M.L. 2016. Redox Flow Batteries for Small Scale Energy Storage. IEEE Conference on Technologies for Sustainability

[2] Leary, K. 2018. Elon Musk’s Huge Battery in South Australia Made $1 Million in Profit in Just a Few Days. Diakses dari : https://www.sciencealert.com/south-australia-tesla-battery-earns-million-neoen-company?perpetual=yes&limitstart=1 pada 15 September 2018

[3] Soloveichik, G.L. 2015. Flow Batteries : Current Status and Trends. Chemical Reviews, 115, 11533 – 11558

[4] Weber, A.Z., Mench, M.M., Meyers, J.P., Ross, P.N., Gostick, J.T dan Liu, Q. 2011. Redox Flow Batteries : A Review. Journal of Applied Electrochemistry, 41, 1137-1164

[5] SCHMID. VRFB Technology. Diakses dari : https://schmid-group.com/en/business-units/energy-systems/vrfb-technology/vrfb-operating-principle/ pada 15 September 2018

[6] Bushveld Energy. 2018. Applications of Flow Batteries in Africa.

[7] Li, B dan Liu, J. 2017. Progress and Directions in Low-Cost Redox-Flow Batteries for Large-Scale Energy Storage. National Science Review, 4, 91-105

[8] IRENA. 2017. Electricity Storage and Renewables : Costs and Markets to 2030.

[9] Burger, A. Battery Against Battery. Diakses dari : https://www.eniday.com/en/technology_en/redox-flow-battery-against-lithium-ion/ pada 15 September 2018