Thermophotovoltaics yang dikembangkan oleh tim peneliti di University of Michigan bisa memulihkan lebih banyak energi dari baterai panas.
Baterai panas adalah perangkat penyimpanan energi yang menyimpan energi dalam bentuk panas. Energi ini bisa berasal dari sumber terbarukan seperti tenaga surya atau angin, atau dari panas berlebih yang dihasilkan oleh proses industri. Energi yang disimpan sebagai panas kemudian dapat dikonversi kembali menjadi listrik menggunakan teknologi seperti thermophotovoltaics (TPV), yang memanfaatkan foton inframerah untuk menghasilkan listrik. Baterai panas memungkinkan penyimpanan energi yang efisien dan dapat digunakan kapan saja, terlepas dari ketersediaan sumber energi terbarukan.
Thermophotovoltaics (TPV) merupakan teknologi yang mengubah panas menjadi listrik dengan menggunakan sel fotovoltaik yang dirancang khusus. Berbeda dengan sel surya biasa yang menggunakan cahaya tampak, sel TPV menggunakan foton inframerah yang dipancarkan oleh material yang dipanaskan. Proses ini memungkinkan penyimpanan dan konversi energi panas dari berbagai sumber, seperti energi surya termal atau limbah panas dari industri, menjadi listrik. Teknologi TPV berpotensi untuk digunakan dalam penyimpanan energi terbarukan yang efisien dan tahan lama.
Sel termofotovoltaik bekerja mirip dengan sel surya yang kita kenal. Keduanya mengubah radiasi elektromagnetik menjadi listrik, tetapi termofotovoltaik menggunakan foton inframerah berenergi lebih rendah daripada foton cahaya tampak berenergi lebih tinggi.
Baterai panas bisa menyimpan energi terbarukan yang dihasilkan saat produksi puncak, menggunakan teknologi seperti sel surya untuk mengubahnya kembali menjadi listrik saat diperlukan.
Menurut tim, dengan meningkatnya penggunaan energi terbarukan untuk mengurangi emisi karbon, diperlukan biaya penyimpanan energi yang lebih rendah dan durasi penyimpanan yang lebih lama karena energi dari matahari dan angin tidak selalu tersedia sesuai kebutuhan. Hal ini disampaikan dalam studi yang baru-baru ini diterbitkan di jurnal Joule.
Tim melaporkan bahwa alat baru mereka memiliki efisiensi konversi daya sebesar 44% pada suhu 1435°C, dalam rentang target untuk penyimpanan energi suhu tinggi (1200°C-1600°C). Ini lebih baik daripada desain sebelumnya yang mencapai 37% dalam rentang suhu ini.
Alat ini adalah bentuk baterai yang pasif dan tidak memerlukan litium seperti baterai biasa, sehingga tidak bersaing dengan pasar kendaraan listrik. Selain itu, berbeda dengan penyimpanan energi hidroelektrik yang memerlukan sumber air, alat ini dapat ditempatkan di mana saja.
Dalam baterai panas, termofotovoltaik mengelilingi blok material yang dipanaskan pada suhu setidaknya 1000°C. Suhu ini bisa dicapai dengan melewatkan listrik dari ladang angin atau matahari melalui resistor, atau dengan menyerap panas berlebih dari energi surya termal atau produksi baja, kaca, atau beton.
Material penyimpanan yang dipanaskan memancarkan foton termal dengan berbagai energi. Pada 1435°C, sekitar 20-30% dari foton tersebut memiliki energi yang cukup untuk menghasilkan listrik dalam sel termofotovoltaik tim. Kunci dari studi ini adalah mengoptimalkan material semikonduktor yang menangkap foton, untuk memperluas rentang energi foton yang bisa diubah menjadi listrik sambil menyesuaikan dengan energi dominan yang dihasilkan oleh sumber panas.
Tetapi sumber panas juga menghasilkan foton di atas dan di bawah energi yang dapat diubah menjadi listrik oleh semikonduktor. Tanpa rekayasa yang cermat, foton tersebut akan hilang.
Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti membangun lapisan tipis udara ke dalam sel termofotovoltaik tepat di luar semikonduktor dan menambahkan reflektor emas di luar celah udara—struktur yang mereka sebut jembatan udara. Rongga ini membantu menjebak foton dengan energi yang tepat sehingga masuk ke semikonduktor dan mengirim sisanya kembali ke material penyimpanan panas, di mana energi tersebut bisa dipancarkan kembali sebagai foton yang bisa ditangkap oleh semikonduktor.
Studi terbaru menemukan bahwa menumpuk dua jembatan udara meningkatkan desain, memperluas rentang foton yang diubah menjadi listrik dan rentang suhu yang berguna untuk baterai panas.
Tim telah mengajukan perlindungan paten dengan bantuan U-M Innovation Partnerships dan sedang mencari mitra untuk membawa teknologi ini ke pasar.
Penelitian ini didukung oleh National Science Foundation (nomor hibah 2018572 dan 2144662) dan Army Research Office (nomor hibah W911-NF-17-0312).
Referensi:
[1] https://news.umich.edu/renewable-grid-recovering-electricity-from-heat-storage-hits-44-efficiency/ diakses pada 28 Mei 2024
[2] Bosun Roy-Layinde, Jihun Lim, Claire Arneson, Stephen R. Forrest, Andrej Lenert. High-efficiency air-bridge thermophotovoltaic cells. Joule, 2024; DOI: 10.1016/j.joule.2024.05.002
Alumni S1 Kimia Universitas Negeri Makassar. Pengajar kimia, penulis di warstek.com.