Pengantar Pembangkit Listrik Tenaga Air Pompa dan Penyimpanan Hidrogen — Memilih Antara Penyimpanan yang Berlangsung Selama Beberapa Jam dan Penyimpanan yang Berlangsung Selama Beberapa Musim

Semakin besar pertumbuhan tenaga surya dan angin, semakin besar pula ketidaksesuaian yang dihadapi jaringan listrik di berbagai skala waktu yang berbeda — bukan hanya "beberapa detik ke depan" tetapi juga "malam ini," "cuaca buruk minggu ini," dan "permintaan yang mencakup berbagai musim." Baterai lithium-ion dapat merancang daya (kW) dan kapasitas (kWh) secara cukup independen, yang membuatnya kuat untuk penyesuaian selama beberapa menit hingga beberapa jam (untuk dasar-dasar baterai, lihat Panduan Baterai Daya). Tetapi mencoba menyimpan energi selama beberapa hari hingga beberapa musim hanya dengan baterai berarti kapasitas yang dibutuhkan akan membengkak dengan cepat, dan biayanya menjadi tidak masuk akal. Penyimpanan hidro pompa telah lama mengisi skala waktu yang lebih panjang tersebut, dan dalam beberapa tahun terakhir hidrogen telah menarik perhatian sebagai teknologi yang jangkauannya lebih jauh lagi. Artikel ini menyerahkan fisika dasar turbin hidrolik itu sendiri ke Panduan Pembangkit Listrik Tenaga Air, dan sebagai gantinya membandingkan pembangkit listrik tenaga air terpompa dan penyimpanan hidrogen sebagai dua solusi untuk satu masalah: "menyimpan energi, dan mengubahnya kembali menjadi listrik nanti."

Intinya dalam 30 Detik

• Penyimpanan tenaga air terpompa, yang mengalirkan air bolak-balik antara waduk atas dan bawah, adalah teknologi penyimpanan berkapasitas besar dan berdurasi panjang yang sudah mapan. Efisiensi bolak-balik berkisar sekitar 70–87%, dengan angka tengah sekitar 80%.

• Turbin pompa kecepatan variabel dapat terus menyesuaikan daya yang dikonsumsi saat memompa, dan dengan cepat mengurangi beban pemompaan ketika frekuensi turun, turbin ini dapat mendukung jaringan listrik ke arah yang sama dengan peningkatan output generator (lihat Panduan Pembangkit Listrik Tenaga Air untuk detailnya).

• Hidrogen tidak menyimpan "listrik sebagai listrik" — ia mengelektrolisis air menjadi hidrogen, menyimpannya, dan mengubahnya kembali menjadi listrik saat dibutuhkan melalui sel bahan bakar atau turbin gas. Efisiensi bolak-balik saat ini berada di kisaran sekitar 30–50%, lebih rendah daripada tenaga air terpompa.

• Sebagai gantinya, hidrogen memungkinkan Anda untuk merancang media penyimpanan (tangki atau penyimpanan bawah tanah) dan peralatan konversi energi (elektroliser, sel bahan bakar) secara terpisah, sehingga pada prinsipnya tidak bergantung pada medan dan cocok untuk penyimpanan jangka panjang yang berlangsung selama berminggu-minggu hingga beberapa musim.

• Memikirkan tenaga air terpompa sebagai "penyimpanan efisien selama berjam-jam hingga berhari-hari" dan hidrogen sebagai "penyimpanan jangka panjang yang kurang efisien tetapi tidak bergantung pada lokasi" menggambarkan hubungan yang lebih komplementer daripada kompetitif.

1. Mengurutkan Masalah "Penyimpanan Jangka Panjang" berdasarkan Skala Waktu

Variabilitas energi terbarukan tidak dapat dijelaskan pada satu skala waktu saja. Variasi beberapa menit akibat awan yang lewat, peningkatan selama beberapa jam saat permintaan malam hari meningkat dan output surya menurun bersamaan saat matahari terbenam, kekurangan angin selama beberapa hari akibat sistem tekanan rendah yang macet, perbedaan musiman dalam pola sinar matahari dan curah hujan — karakter penyimpanan yang dibutuhkan berubah sesuai dengan skala waktu yang berlaku.

Baterai dapat merancang output (kW) dan kapasitas (kWh) secara relatif bebas melalui jumlah sel, tetapi biaya meningkat hampir sebanding dengan peningkatan kapasitas. Pembangkit listrik tenaga air terpompa dan hidrogen menyimpan energi dalam bentuk "energi potensial air" atau "energi kimia molekul hidrogen," sehingga kurva biaya untuk memperluas kapasitas penyimpanan memiliki struktur yang berbeda dari baterai. Itulah mengapa keduanya dapat memainkan peran utama dalam penyimpanan jangka panjang.

2. Penyimpanan Tenaga Air Terpompa — Meninjau Kembali Teknologi Kapasitas Besar yang Sudah Mapan

Prinsip dasar tenaga air terpompa dan fisika turbin telah dibahas dalam Panduan Pembangkit Listrik Tenaga Air. Di sini fokusnya dipersempit pada kinerjanya sebagai teknologi penyimpanan.

Jumlah energi yang dapat disimpan dapat diperkirakan menggunakan volume air V, head efektif H, dan efisiensi keseluruhan \eta:

Kapasitas yang setara dengan kWh baterai ditentukan oleh volume penyimpanan efektif waduk atas dan bawah serta head, sedangkan output (kW) ditentukan oleh rating pompa-turbin dan motor-generator. Kemampuan untuk mendesain keduanya secara independen adalah sesuatu yang dimiliki oleh pembangkit listrik tenaga air terpompa seperti halnya baterai, tetapi untuk pembangkit listrik tenaga air terpompa, kendala medan dan hak air merupakan prasyarat untuk desain kapasitas.

Efisiensi bolak-balik — bagian daya yang kembali setelah satu siklus penuh pemompaan (pengisian) dan pembangkitan (pengosongan) — adalah hasil perkalian efisiensi pompa, efisiensi turbin, efisiensi motor-generator, dan kehilangan perpipaan, dan nilai terukur berada di kisaran 70–87%, dengan angka tengah sekitar 80%. Ini adalah angka yang matang yang didukung oleh pengalaman operasional selama beberapa dekade, pada tingkat yang sebanding atau sedikit di bawah efisiensi bolak-balik baterai lithium-ion.

Turbin pompa kecepatan tetap menarik daya yang relatif konstan saat memompa, yang membuatnya kurang baik dalam melacak kelebihan daya terbarukan yang datang dalam jumlah yang tidak menentu. Penyimpanan pompa kecepatan variabel menggunakan elektronika daya untuk terus menerus mengubah kecepatan putaran, memungkinkan penyesuaian beban pemompaan yang halus — dan ketika frekuensi turun, ia dapat dengan cepat mengurangi volume pemompaan, mendukung jaringan listrik ke arah yang sama dengan peningkatan output pembangkitan. Di Jepang, Pembangkit Listrik Kannagawa (TEPCO) di Prefektur Gunma dikenal sebagai salah satu pembangkit penyimpanan pompa terbesar di dunia, dirancang dengan head efektif 653 m dan, di atas kertas, enam unit motor-generator dengan daya masing-masing 470.000 kW — untuk output maksimum 2,82 juta kW dengan semua unit beroperasi. Saat ini, unit 1 dan 2 telah mulai beroperasi, memberikan output maksimum saat ini sebesar 940.000 kW. Untuk detail teknis pembangkit listrik tenaga air terpompa, termasuk pengoperasian kecepatan variabel dan peningkatan kapasitas, lihat bagian yang relevan dalam Panduan Dasar Pembangkit Listrik Tenaga Air.

Gambar 1 — Pembangkit listrik tenaga air pompa mengangkut air antara waduk atas dan bawah, beralih antara memompa dan menghasilkan dengan turbin pompa reversibel. Efisiensi bolak-balik berkisar sekitar 70–87%, berpusat di sekitar 80%.

3. Penyimpanan Jangka Panjang melalui Hidrogen — Menyimpan Listrik sebagai Molekul

Ide dasar di balik penyimpanan hidrogen adalah menggunakan daya berlebih untuk mengelektrolisis air menjadi hidrogen, menyimpannya dalam bentuk terkompresi, cair, atau bawah tanah, dan mengubahnya kembali menjadi listrik saat dibutuhkan melalui sel bahan bakar atau turbin gas berbahan bakar hidrogen/ko-bahan bakar. Seluruh proses ini disebut Power-to-Gas-to-Power (P2G2P). Hidrogen yang dibuat menggunakan daya yang berasal dari energi terbarukan seperti matahari atau angin disebut "hidrogen hijau," dan Ciri khasnya adalah emisi CO2 yang rendah selama produksi.

Jenis elektroliser meliputi elektrolisis air alkali, elektrolisis air membran elektrolit polimer (PEM), dan sel elektrolisis oksida padat (SOEC), yang beroperasi pada suhu lebih tinggi. Elektrolisis air alkali unggul dalam hal peningkatan skala dan rekam jejak, sementara PEM dikatakan menawarkan responsivitas yang lebih unggul, menjadikannya pilihan yang baik untuk energi terbarukan yang bervariasi. Hidrogen yang dihasilkan terkadang diubah menjadi bentuk kimia lain — gas bertekanan tinggi, hidrogen cair, atau amonia — untuk penyimpanan dan transportasi.

Di sisi konversi ulang, selain menghasilkan daya dengan sel bahan bakar elektrolit polimer (PEFC) atau sel bahan bakar oksida padat (SOFC), pembangkitan daya menggunakan turbin gas berbahan bakar hidrogen juga sedang dipertimbangkan untuk aplikasi skala besar. Efisiensi bolak-balik yang menggabungkan elektrolisis dan konversi ulang tetap sekitar 48% untuk konfigurasi sederhana (kira-kira efisiensi elektrolisis 80% × kira-kira efisiensi sel bahan bakar 60%), dan angka yang dilaporkan untuk sistem lengkap bervariasi dalam literatur dari sekitar 28% hingga 52%. Beberapa penelitian Angka efisiensi mencapai 60 persen untuk elektroliser yang lebih canggih yang dikombinasikan dengan sistem oksida padat, dan bahkan di atas 80% untuk sistem efisiensi tinggi di masa depan, tetapi seperti yang terjadi saat ini, konfigurasi utama memiliki efisiensi bolak-balik yang lebih rendah daripada pembangkit listrik tenaga air terpompa.

Salah satu lokasi demonstrasi terkemuka di Jepang adalah Fukushima Hydrogen Energy Research Field (FH2R), yang dibuka pada Maret 2020 di Namie, Prefektur Fukushima. Fasilitas ini menggabungkan pembangkit listrik tenaga surya 20 MW dengan apa yang disebut sebagai salah satu unit elektrolisis air alkali terbesar di dunia di kelas 10 MW (output terukur 6 MW, konsumsi daya maksimum 10 MW), yang mampu menghasilkan 1.200 Nm³ hidrogen per jam pada operasi terukur. Jumlah tersebut dikatakan cukup untuk mengisi sekitar 560 kendaraan sel bahan bakar (FCV), dan fasilitas ini diposisikan sebagai lokasi demonstrasi untuk memvalidasi seluruh rantai teknologi yang mengubah kelebihan energi terbarukan menjadi hidrogen, kemudian menyimpan dan menggunakannya.

Gambar 2 — Hidrogen menyimpan listrik dengan mengubahnya menjadi bentuk molekuler.

Karena terdapat kerugian pada proses elektrolisis dan rekonversi, efisiensi bolak-balik lebih rendah daripada PLTA pompa, tetapi pemisahan media penyimpanan dari peralatan pembangkitan cocok untuk penyimpanan jangka panjang dan skala besar.

4. Membandingkan Kedua Teknologi Secara Berdampingan

Jika hanya dilihat dari efisiensi, pembangkit listrik tenaga air terpompa lebih unggul, tetapi itu adalah keunggulan bersyarat — "jika ada medan yang sesuai." Hidrogen mengorbankan efisiensi demi kemampuan untuk diterapkan di lahan datar atau di daerah dengan infrastruktur yang ada, dan untuk fleksibilitas yang memungkinkannya berbagi nilai dengan penggunaan di luar listrik (bahan baku industri, kendaraan sel bahan bakar, penggunaan bahan bakar di masa depan). Daripada satu menggantikan yang lain, lebih praktis untuk melihatnya sebagai peran yang terbagi tergantung pada medan, permintaan, dan infrastruktur yang ada.

5. Bagaimana Hal Ini Terlihat Dari Perspektif Jaringan Listrik

Dari sudut pandang operasi jaringan listrik, baik pembangkit listrik tenaga air terpompa maupun penyimpanan hidrogen bukanlah "pembangkit listrik" — keduanya adalah "perangkat yang menggeser waktu." Respons dalam skala detik hingga menit, seperti pengaturan frekuensi, paling baik ditangani oleh baterai atau pembangkit listrik tenaga air terpompa dengan kecepatan variabel karena kecepatan responsnya yang superior. Pergeseran energi dalam skala jam hingga hari paling baik ditangani oleh pembangkit listrik tenaga air terpompa, yang memiliki keunggulan dalam efisiensi bolak-balik. Dan untuk variabilitas jangka panjang yang tidak dapat dipenuhi hanya oleh kapasitas penyimpanan baterai atau pembangkit listrik tenaga air terpompa — beberapa hari cuaca buruk yang berkelanjutan, atau kesenjangan pasokan-permintaan musiman — penyimpanan molekuler seperti hidrogen menjadi kandidat.

Dalam desain pasar seperti pasar daya penyeimbang, berbagai kategori produk daya pengatur diatur untuk setiap waktu respons yang ditargetkan, dan mencocokkan skala waktu ideal teknologi penyimpanan dengan desain produk pasar adalah kunci untuk mendapatkan hasil maksimal dari setiap teknologi. Detail sistem pasar ini dibahas dalam Panduan VPP (Pembangkit Listrik Virtual) dan Panduan Inersia Jaringan dan Pengaturan Frekuensi.

Ringkasan: Menelaah Kompromi Antara Efisiensi dan Lokasi

Pembangkit listrik tenaga air terpompa, dengan teknologi yang sudah mapan dan efisiensi bolak-balik yang tinggi, telah membawa pergeseran energi dalam skala waktu beberapa jam hingga beberapa hari. Hidrogen mengorbankan efisiensi, tetapi fleksibilitas pemisahan media penyimpanan dari peralatan pembangkitan memberikannya ruang untuk mencapai penyimpanan jangka panjang dan skala besar yang tidak dapat dilakukan oleh pembangkit listrik tenaga air terpompa, dan untuk berkembang ke penggunaan di luar listrik.

Saat mengevaluasi proyek penyimpanan skala besar, ada baiknya memeriksa hal-hal berikut:

1. Skala waktu apa yang ditargetkan — jam, hari, atau musim?

2. Bagaimana efisiensi bolak-balik dibandingkan dengan pembangkit listrik tenaga air terpompa?

3. Seberapa besar desain bergantung pada kondisi lokasi (medan, lahan, infrastruktur yang ada)?

4. Dapatkah ia berbagi nilai dengan penggunaan di luar listrik (penggunaan industri, penggunaan sebagai bahan bakar)?

Dengan mengingat keempat poin ini, Anda dapat melihat pembangkit listrik tenaga air terpompa dan penyimpanan hidrogen bukan sebagai persaingan "lama versus baru", tetapi sebagai teknologi komplementer yang sesuai dengan skala waktu yang berbeda.

Referensi

• [AS Administrasi Informasi Energi — Baterai skala utilitas dan penyimpanan terpompa mengembalikan sekitar 80% listrik yang mereka simpan
• NREL — Pembangkit Listrik Tenaga Air Penyimpanan Terpompa, Garis Dasar Teknologi Tahunan
• TEPCO Renewable Power — Pembangkit listrik tenaga air representatif (Pembangkit Listrik Kannagawa)
• Toshiba Energy Systems & Solutions — Bidang Penelitian Energi Hidrogen Fukushima (FH2R)
• NEDO — Materi tentang Bidang Penelitian Energi Hidrogen Fukushima
• Badan Sumber Daya Alam dan Energi — Kebijakan Hidrogen
• IEA — Hidrogen
• Asosiasi Tenaga Air Internasional — Penyimpanan Terpompa