Teknologi penyimpanan termal

Energi panas, sebagai salah satu sumber energi terpenting yang dimanfaatkan oleh umat manusia, diklasifikasikan menjadi tiga kategori berdasarkan prinsip kerjanya: penyimpanan panas yang masuk akal, penyimpanan panas termal laten (perubahan fasa), dan penyimpanan panas termokimia. Ini menyumbang 40% hingga 50% dari konsumsi energi akhir, dan penerapannya sangat luas-. Dalam sistem pengembangan dan pemanfaatan energi saat ini, hampir semua proses konversi energi melibatkan energi panas. Namun, karena hilangnya energi yang tidak dapat dihindari selama konversi energi, teknologi penyimpanan panas jarang diterapkan langsung pada penyimpanan energi listrik (yaitu, situasi di mana input dan outputnya adalah energi listrik). Sebaliknya, ini lebih sering digunakan sebagai penghubung dalam rantai konversi energi atau sekadar diterapkan pada sistem termal.

Penyimpanan panas yang masuk akal

Teknologi penyimpanan panas sensibel merupakan metode penyimpanan dan pelepasan panas dengan memanfaatkan perubahan suhu suatu zat. Mekanisme kerjanya relatif sederhana: penyimpanan atau pelepasan panas dicapai dengan memanaskan atau mendinginkan media. Selama proses ini, media tidak mengalami transformasi kimia atau perubahan fasa, sehingga seluruh sistem mudah dikendalikan dan dioperasikan secara stabil. Selain itu, ada banyak jenis bahan penyimpan panas yang tersedia dengan biaya rendah, sehingga cocok untuk-aplikasi skala besar. Teknologi ini tidak hanya sangat matang tetapi juga menunjukkan potensi penerapan yang luas di berbagai bidang. Namun, penyimpanan panas yang masuk akal juga menghadapi beberapa tantangan, seperti kepadatan energi yang rendah, ukuran peralatan yang besar, kehilangan panas yang signifikan selama penyimpanan jangka panjang, dan suhu keluaran yang tidak stabil. Media penyimpanan panas sensibel secara garis besar dapat diklasifikasikan menjadi dua kategori: cair dan padat. Bahan penyimpan panas cair yang umum termasuk air, minyak termal, garam cair, dan logam cair. Diantaranya, air, karena keamanan dan stabilitasnya yang baik, dan fakta bahwa suhu penyimpanan panasnya biasanya tidak melebihi 100 derajat, banyak digunakan dalam sistem pemanas air tenaga surya dan pemanas ruangan. Minyak termal, dengan konduktivitas termal yang sangat baik dan rentang suhu pengoperasian yang luas, telah digunakan dalam aplikasi penyimpanan energi panas suhu menengah- dan tinggi-awal; namun, biayanya yang tinggi, mudah terbakar, dan potensi{14}}risiko tekanan tinggi dalam sistem loop tertutup{15}}telah menyebabkan penggantiannya secara bertahap dengan opsi lain yang lebih unggul. Sebaliknya, garam cair, dengan tekanan uap jenuhnya yang rendah, viskositas rendah, konduktivitas termal tinggi, tidak-mudah terbakar, dan tidak-toksisitas, bekerja dengan baik pada suhu yang sesuai dengan parameter uap umum dan harganya relatif murah, menjadikannya pilihan ideal untuk konversi termoelektrik surya. Namun, pada suhu lingkungan yang sangat tinggi, garam cair dapat menimbulkan korosi pada jaringan pipa dan peralatan terkait, sehingga memerlukan penelitian lebih lanjut dan peningkatan kompatibilitas dan ketahanan panasnya dengan baja tahan karat. Logam cair, karena konduktivitas termalnya yang sangat tinggi, dianggap sebagai solusi penyimpanan termal bersuhu tinggi (lebih dari 600 derajat); namun, mengingat sifat kimianya yang sangat reaktif, tindakan keselamatan tambahan diperlukan untuk memastikan pengoperasian sistem yang normal, dan biayanya yang tinggi membuat sistem tersebut tetap berada pada tahap awal eksplorasi.

Bahan penyimpanan panas padat yang umum termasuk beton, batu, dan batu bata tahan api. Dibandingkan dengan bahan penyimpan panas cair, bahan penyimpan panas padat dapat beroperasi pada suhu yang lebih tinggi dan menyimpan lebih banyak panas di ruang yang sama, yang berarti pengurangan jumlah bahan yang dibutuhkan dan penurunan biaya keseluruhan.

Penyimpanan termal panas laten (perubahan fasa).

Teknologi penyimpanan energi panas perubahan fase terutama bergantung pada panas laten sebagai bentuk utama penyimpanan energi. Teknologi ini memanfaatkan penyerapan atau pelepasan panas laten dalam jumlah besar selama transisi fase untuk menyimpan panas. Selama proses ini, suhu material hampir konstan. Teknologi penyimpanan energi panas ini memiliki keunggulan yang signifikan seperti kepadatan energi yang tinggi dan volume yang kecil.

Proses transformasi materi dari satu keadaan ke keadaan lain disebut transisi fase. Biasanya, transisi ini terjadi dalam kondisi isotermal atau mendekati-isotermal dan disertai dengan perubahan energi yang signifikan-penyerapan atau pelepasan sejumlah besar panas. Energi ini didefinisikan sebagai panas laten transisi fase. Secara khusus, panas laten yang terlibat dalam transisi fasa sebagian besar material jauh lebih besar dibandingkan panas sensibel. Misalnya, air memiliki kapasitas panas spesifik sekitar 4,2 kJ/kg· derajat , dan selama transisi dari wujud padat ke cair (es mencair menjadi air), air dapat menyerap 355 kJ/kg energi sebagai panas laten transisi fase. Oleh karena itu, dalam hal kepadatan energi, pemanfaatan panas laten transisi fasa jauh lebih unggul dibandingkan metode yang hanya mengandalkan panas masuk akal.

Transisi fase materi terutama mencakup empat jenis: padat-padat, padat-cair, padat-gas, dan cair-gas. Meskipun transisi gas-gas dan cair-gas memiliki nilai panas laten yang tinggi, perubahan volume yang signifikan dalam kasus ini meningkatkan kesulitan pengoperasian praktis, sehingga membatasi penerapannya. Sebaliknya, transisi fase padat-yang terjadi ketika bahan padat bertransformasi dari satu bentuk kristal ke bentuk kristal lainnya, menunjukkan perubahan volume yang lebih kecil dan pendinginan super yang lebih rendah, namun panas yang dilepaskan atau diserap umumnya lebih rendah dibandingkan proses transisi fase lainnya. Dalam transisi fase padat{10}}cair, materi berubah dari wujud padat menjadi cair. Meskipun proses ini memerlukan wadah khusus untuk menampung cairan, perubahan volumenya jauh lebih kecil dibandingkan transisi fase-gas padat dan cair-gas, dan panas laten yang terlibat jauh lebih tinggi dibandingkan transisi fase-padat{14}}padat. Mengingat karakteristik ini, transisi fase cair padat saat ini dianggap sebagai metode penyimpanan termal perubahan fase yang paling praktis dan dapat diterapkan secara luas.

Saat ini, terdapat banyak jenis bahan yang digunakan dalam teknologi penyimpanan termal perubahan fasa, terutama dibagi menjadi dua kategori berdasarkan komposisi kimianya: organik dan anorganik. Bahan pengubah fasa organik terutama mencakup zat seperti lilin parafin, alkohol, dan asam lemak; sedangkan bahan perubahan fasa anorganik diwakili oleh garam kristal terhidrasi, garam cair, dan logam atau paduannya. Secara umum, bahan pengubah fasa organik lebih cocok untuk penyimpanan energi panas pada kisaran suhu rendah hingga sedang, sedangkan bahan pengubah fasa anorganik menunjukkan kinerja penyimpanan energi panas yang lebih baik pada kondisi suhu sedang hingga tinggi.

Penyimpanan termal termokimia

Teknologi penyimpanan energi panas termokimia menawarkan kepadatan energi per satuan volume yang sangat tinggi, mencapai urutan GJ/m³. Sebagai perbandingan, kepadatan energi bahan penyimpan panas sensibel hanya sekitar-sepersepuluh, dan kepadatan energi bahan penyimpan panas laten hanya setengahnya. Selain itu, dengan memisahkan reaktan, teknologi ini dapat mencapai penyimpanan energi panas-tanpa kehilangan pada suhu kamar, sehingga secara luas dianggap sebagai salah satu teknologi paling menjanjikan untuk penyimpanan energi panas-skala besar dan-jangka panjang. Berdasarkan berbagai perubahan ikatan kimia yang terlibat dalam proses penyimpanan energi, penyimpanan energi panas termokimia dapat dibagi lagi menjadi dua kategori utama: penyimpanan energi panas chemisorpsi dan penyimpanan energi panas reaksi kimia.

Penyimpanan termal chemisorpsi sangat cocok untuk aplikasi di lingkungan-bersuhu rendah. Hal ini bergantung pada pembentukan dan pemutusan gaya antarmolekul fisik atau kimia (seperti gaya van der Waals, gaya elektrostatis, dan ikatan hidrogen) antara adsorben padat dan adsorbat gas untuk mencapai penyimpanan dan pelepasan panas. Teknologi ini terutama mencakup dua kategori sistem: satu adalah sistem garam terhidrasi yang menggunakan uap air sebagai adsorbat; yang lainnya adalah sistem kompleks amonia yang menggunakan molekul amonia sebagai adsorbatnya. Tabel 1-2 menunjukkan tipe spesifik, suhu penyimpanan/pelepasan panas, dan kepadatan penyimpanan energi dari beberapa bahan penyimpanan termal chemisorpsi yang umum digunakan.

Tabel 1-2 Sifat Bahan Penyimpanan Termal Adsorpsi Kimia yang Umum Digunakan:

Penyimpanan energi panas reaksi kimia terutama diterapkan pada kondisi suhu- dan-tinggi, dan sistemnya beragam, termasuk reformasi metana, sintesis dan dekomposisi amonia, hidrida logam, karbonat, oksida logam, dan hidroksida logam. Metode-metode ini mencapai penyimpanan dan pelepasan energi panas melalui pemutusan dan rekombinasi ikatan kimia. Jenis penyimpanan energi ini memiliki nilai reaksi yang besar, kepadatan energi yang tinggi, dan rentang suhu pengoperasian yang luas. Namun, dalam penerapan praktisnya, tantangan tetap ada, termasuk pengendalian biaya, korosi material, dan penyimpanan gas. Oleh karena itu, perlu dilakukan-penelitian mendalam mengenai mekanisme reaksi yang relevan dan mengoptimalkan alur proses untuk meningkatkan kinerja secara keseluruhan.

Sistem penyimpanan energi panas termokimia memiliki struktur yang kompleks dan banyak perangkat tambahan, sehingga memerlukan biaya investasi awal yang tinggi. Saat ini, kepadatan energinya yang sangat-tinggi per satuan volume belum dimanfaatkan sepenuhnya. Selain itu, karena rumitnya mekanisme reaksi kimia yang terlibat, pengendalian laju reaksi yang tepat menjadi tantangan, dan beberapa proses reaksi memiliki persyaratan keselamatan yang ketat, sehingga semakin meningkatkan efisiensi sistem secara keseluruhan. Oleh karena itu, diperlukan-penelitian mendalam lebih lanjut mengenai teknologi penyimpanan energi panas termokimia untuk mengatasi masalah ini.