FLYWHEEL ENERGY STORAGE SYSTEM (FESS) MECHANICAL BATTERY

Indonesia merupakan negara kepulauan terbesar di dunia yang terdiri dari 17.504 pulau, dan dengan populasi 270 juta jiwa. Tenaga listrik diperlukan untuk mendukung kegiatan sehari – hari dari masyarakat agar dapat berjalan dengan lancar terutama di pulau – pulau terpencil yang masih belum ada jaringan listriknya(offgrid). Distribusi listrik ke pulau – pulau terpencil tersebut lebih efisien menggunakan pembangkit listrik dengan teknologi energi terbarukan karena kapasitas daya yang diperlukan tidak begitu tinggi. Untuk memenuhi permintaan ini, sistem penyimpanan energi (energy storage) harus dikembangkan, yang tujuannya adalah menyediakan sarana untuk menghemat energi pada saat energi berlimpah dan mengembalikan energi pada saat-saat mendesak ketika energi kurang.

Seringkali pembangkit listrik energi terbarukan yang digunakan yaitu solar photovoltaic (PLTS) dihubungkan dengan baterai, dimana masa pakai baterai terbatas contohnya untuk baterai asam timbal memiliki lifetime sekitar dua tahun dan efisiensinya 60% atau kurang[1]. Penggunaan baterai asam timbal dapat menimbulkan masalah lingkungan yang serius, terutama di negara berkembang di mana infrastruktur daur ulang minimal atau tidak ada sama sekali. Sistem penyimpanan energi Flywheel Energy Storage System(FESS) memiliki kelebihan seperti efisiensi tinggi, umur panjang, memiliki densitas energi penyimpanan yang tinggi bila dibandingkan dengan energi storage lainya dan tidak ada pencemaran lingkungan. Selain itu, sistem ini dapat dipasang di lokasi pelanggan dan tidak memerlukan fasilitas transmisi baru. Penerapannya dapat dikombinasikan dengan energi terbarukan pembangkit listrik tenaga surya sehingga memungkinkan untuk mengontrol dan memantau tegangan sistem tenaga, meningkatkan kualitas serta keandalan catu daya[1].

Sistem pembangkit listrik tenaga surya merupakan sistem yang output dayanya fluktuatif sesuai dengan nilai intensitas cahaya matahari dan temperatur, begitu juga dengan pembangkit listrik tenaga angin yang output dayanya bergantung pada intensitas angin di area pembangkit sehingga menimbulkan variasi frekuensi dari sistem tenaga [2], output daya yang fluktuatif dari pembangkit listrik tenaga surya dan angin ini dapat menimbulkan masalah yang signifikan yaitu merusak kualitas daya, dll. Dalam contoh kasus real gangguan kualitas daya yang dihasilkan oleh pembangkit listrik energi terbarukan di indonesia adalah kasus pemadaman listrik total (blackout) yang terjadi karena menurunnya daya output yang dihasilkan dari PLTS 1 MWp pada daerah Nusa Tenggara Timur(NTT), dimana pada kondisi kasus ini jaringan listrik PLTS bukan sebagai offgrid atau stand alone tetapi tipe jaringannya adalah weak grid dengan energi backup dari Pembangkit Listrik Tenaga Diesel(PLTD), dimana kondisi ini disebabkan oleh menurunnya nilai irradiation matahari karena tertutupnya sinar matahari oleh awan (mendung). Pemadaman ini terjadi karena adanya fluktuasi daya yang terlalu besar dan PLTD tidak sanggup merespon sehingga terjadi blackout.

Flywheel Energy Storage System (FESS) adalah perangkat penyimpanan energi kinetik yang berperilaku seperti baterai. Perangkat tersebut dirancang untuk menyimpan energi secara mekanis pada rotor flywheel yang berputar sehingga nantinya dapat diambil kembali sebagai keluaran listrik. Input energi ke FESS dilakukan dengan menggerakkan flywheel ke kecepatan operasi dengan M/G (motor-generator), pengambilan energi terjadi ketika energi mekanik yang disimpan di rotor diubah menjadi keluaran listrik dengan M/G yang sama[1]. FESS dikenal lebih hemat energi dan memiliki daya spesifik dan kepadatan daya yang lebih tinggi, serta siklus hidup yang lebih lama dibandingkan baterai elektrokimia tradisional. Perkembangan FESS yang canggih menyediakan teknologi yang menjanjikan untuk permintaan catu daya yang lebih bersih dan efisien di seluruh dunia[2]. FESS dirancang sebagai energy storage untuk menyimpan energi dan melepaskan energi bila diperlukan[3].

Penyimpanan energi flywheel (FES) bekerja dengan cara mempercepat sebuah rotor (flywheel) ke kecepatan yang sangat tinggi dan mempertahankan energi dalam sistem sebagai energi kinetik. Ketika energi diekstraksi dari sistem, kecepatan rotasi flywheel berkurang sebagai konsekuensi dari prinsip kekekalan energi, menambahkan energi ke sistem akan menghasilkan peningkatan kecepatan flywheel. Sebagian besar sistem FES menggunakan listrik untuk mempercepat dan memperlambat roda gila. Sistem FES yang canggih memiliki rotor yang terbuat dari komposit serat karbon berkekuatan tinggi, digantung oleh bantalan magnet, dan berputar dengan kecepatan dari 20.000 hingga lebih dari 50.000 rpm dalam ruang hampa udara. Flywheel semacam itu dapat mencapai kecepatan dalam hitungan menit – mencapai kapasitas energinya jauh lebih cepat daripada beberapa bentuk penyimpanan lainnya.

Gambar 1. NASA G2 Flywheel [4]

Contoh penggunaan FESS adalah pada satelit luar angkasa International Space Station (ISS), ISS menggunakan sumber energi dari kombinasi antara solar photovoltaic dan flywheel, The Flywheel Energy Storage Unit (FESU) dirancang agar sesuai dengan kinerja Battery Charge Discharge Unit (BCDU) berdasarkan kebutuhan operasional pada beban [5]. Ketika kondisi ada sinar matahari dan daya yang dihasilkan oleh sumber dalam hal ini adalah PLTS lebih besar dari daya yang diperlukan oleh beban maka daya akan disimpan ke dalam energi storage(flywheel/baterai).

Gambar 2. Produk komersial Amber kinetic FESS hybrid dengan PLTS di West Boylston Municipal Light (WBLMP) Massachusetts, Amerika Serikat dengan daya 116 MWh

Gambar 2 berikut menunjukan produk komersial flywheel energy storage dari amber kinetik dengan daya yang dapat dihasilkan 116 MWh selama 6 jam, dengan kapasitas berikut perusahaan amber mengklaim dapat untuk memenuhi kebutuhan energi dari 38280 rumah untuk 1 jam. Hasil tersebut menunjukan bahwa kapasitas daya yang dihasilkan dari FESS lebih besar dari baterai dan memiliki lifetime yang lebih lama daripada baterai elektrokimia yang ada saat ini. Selain itu amber kinetic mengklaim lifetime dari FESS ini hingga 11000 cycle yang lebih unggul dari baterai elektrokimia dengan cycle yang lebih terbatas 5000 cycle.

Mengingat teknologi energi storage ini kedepan sangat penting untuk mensuport ketersedian energi dan mensupport pembangkit listrik untuk menghasilkan kualitas daya yang baik, pengembangan produk dari FESS ini menjadi komersial di indonesia dapat dilakukan oleh industri dalam negeri dengan peluang yang cukup besar. Negara terdekat di ASEAN yang juga sedang mengembangkan teknologi FESS ini menjadi komersial adalah filipina dengan daya yang dihasilkan masih terbatas di 8 KWh.

Referensi

S. Ye and B. Sun, “Application of flywheel battery in solar power system,” in 2009 International
Conference on Energy and Environment Technology, vol. 1. IEEE, 2009, pp. 533–536.
R. Takahashi, L. Wu, T. Murata, and J. Tamura, “An application of flywheel energy storage system for wind energy conversion,” in 2005 International Conference on Power Electronics and Drives Systems, vol. 2. IEEE, 2005, pp. 932–937.
H. Chu, Y. Fan, and C. Zhang, “A novel design for the flywheel energy storage system,” in 2005 International Conference on Electrical Machines and Systems, vol. 2. IEEE, 2005, pp. 1583– 1587.
Wikipedia, “Flywheel.” [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/
Flywheel_energy_storage.
L. Truong, F. Wolff, N. Dravid, and P. Li, “Simulation of the interaction between flywheel energy storage and battery energy storage on the international space station,” in Collection of Technical Papers. 35th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit (IECEC)(Cat. No. 00CH37022), vol. 2. IEEE, 2000, pp. 848–854.

Farizky Alvianandi adalah anggota tim teknis Divisi Pengabdian Masyarakat Adidaya Initiative. Dapat ditemui di instagram dengan nama pengguna @farizky26