Hambatan Penerapan Penyimpanan Baterai Amerika Serikat: Harga dan Produk

Meskipun AS saat ini memiliki beragam teknologi yang dapat mendekarbonisasi jaringan listrik, hambatan sosial, keuangan, dan juga politik mungkin menghalangi penerapan teknologi modern ini dalam jangka waktu yang diperlukan untuk menekan perubahan lingkungan. Perspektif ini menyoroti 2 hambatan terbesar dalam penggunaan ruang penyimpanan baterai: harga dan juga produk. Biaya penyimpanan baterai pada teknologi modern, khususnya, biasanya masih terlalu tinggi. Sebuah kelompok studi di Institut Teknologi Modern Massachusetts mengeksplorasi kumpulan strategi politik dan keuangan yang dikembangkan dan disediakan oleh pemerintah Amerika Serikat untuk mengiklankan pelepasan ruang penyimpanan energi lebih cepat dan juga meminimalkan harga. Hal penting yang perlu dipertimbangkan dalam kenaikan harga adalah nilai bahan baterai yang relatif tinggi, menurut laporan tersebut. Dan rantai pasokan yang berukuran lebih kecil dan efisien menyoroti pentingnya produk baterai, peningkatan harga, dan tantangan peningkatan yang cepat. Ada beberapa faktor yang menyebabkan hal ini selain layanan teknologi dan ekonomi, beberapa di antaranya dianalisis oleh MIT. Seringkali, terdapat kemitraan yang kontras antara keunggulan kompetitif suatu perusahaan (yaitu tata letak eksklusif dan juga manufaktur) dan produksi ekstra ekonomis (yaitu sentralisasi, standardisasi, dll) yang harus diatasi melalui imbalan politik dan ekonomi. Pada akhirnya, diperlukan urgensi yang lebih tinggi di bidang investasi publik dan eksklusif untuk mengatasi perubahan lingkungan dengan pertumbuhan yang cepat dan juga penerapan solusi yang paling efektif.

Salah satu solusi paling penting untuk mencegah perubahan iklim lebih lanjut adalah dekarbonisasi sektor energi listrik. Menurut data yang dilansir oleh Energy Details Administration (EIA) Amerika Serikat, pada tahun 2020, total emisi karbon yang dihasilkan oleh pasar energi mewakili sekitar 32% dari total emisi karbon di AS. Dengan menggunakan sumber energi terbarukan seperti tenaga angin dan surya, energi dapat dihasilkan tanpa melepaskan karbon dioksida, polutan utama pemicu pemanasan global. Meskipun demikian, energi terbarukan menghadapi masalah pembangkitan yang berulang karena pasokannya bergantung pada kondisi iklim yang tidak menentu serta kendali manusia di masa lalu. Hal ini merupakan perbedaan besar dibandingkan dengan fasilitas pembangkit bahan bakar fosil yang dapat memasok lebih banyak listrik setiap saat. Ada berbagai solusi untuk mengatasi intermiten dan memastikan bahwa permintaan selalu terpenuhi: misalnya, fasilitas pembangkit energi terbarukan dapat dibangun secara berlebihan sehingga ketika matahari atau angin tidak mencukupi, energi listrik yang dihasilkan masih dapat memenuhi pasokan permintaan. Namun, pendekatan ini memakan biaya dan juga memerlukan pembatasan. Layanan lainnya adalah dengan memanfaatkan pasokan energi yang dapat dikelola dalam jumlah minimal (seperti hidrogen ramah lingkungan dan tenaga nuklir, dll), idealnya energi bersih yang tidak menghasilkan karbon dioksida (seperti hidrogen hijau, amonia, bahan bakar fosil, dll). Meskipun demikian, inovasi-inovasi baru ini masih berjuang untuk mencapai metrik biaya dan efisiensi yang layak jika dihasilkan dengan menggunakan prosedur netral karbon. Meskipun diperlukan berbagai metode, sistem ruang penyimpanan energi merupakan solusi yang sangat menjanjikan serta menawarkan beragam pilihan desain.

Maksud dari pemanfaatan ruang penyimpanan tenaga listrik adalah dengan mengubah energi listrik yang diberikan oleh sumber daya terbarukan menjadi tenaga jenis lain, seperti energi panas, energi elektrokimia, tenaga listrik, dan lain sebagainya, apabila pasokan tenaga listrik mencukupi, yang dapat disimpan dan dilepaskan untuk memenuhi kebutuhan selama jangka waktu pasokan. Fasilitas pembangkit listrik tenaga air yang dipompa sebenarnya telah menjadi jenis ruang penyimpanan energi yang efektif dan terdokumentasi dengan baik selama lebih dari 100 tahun; menurut Departemen Energi Amerika Serikat (DOE), pompa air saat ini mencakup 95% dari kapasitas penyimpanan energi di semua sistem penyimpanan energi skala utilitas di Amerika Serikat. Meskipun demikian, kapasitas ruang penyimpanan energi yang lebih besar diperlukan untuk mendekarbonisasi jaringan listrik ke tingkat yang lebih besar: menurut laporan studi Administrasi Informasi Ketenagalistrikan (EIA) Amerika Serikat, saat ini Amerika Serikat memiliki kurang dari 2GW sistem ruang penyimpanan energi skala utilitas yang diterapkan, serta ratusan gigawatt ruang penyimpanan energi mungkin diperlukan pada tahun 2050 untuk membantu dekarbonisasi mendalam. Pompa air sulit untuk diukur karena biasanya hanya menguntungkan untuk proyek ruang penyimpanan energi yang besar dan padat modal, serta lokasi penerapannya dibatasi oleh batasan geografis dan memungkinkan. Selain itu, jaringan listrik merupakan kumpulan layanan, yang masing-masing bergantung pada berbagai karakteristik daya dan juga kebutuhan daya, waktu reaksi, dan sebagainya, yang memerlukan beragam layanan ruang penyimpanan energi. Statistik paling umum yang digunakan untuk membantu mengetahui apakah teknologi modern penyimpan daya ideal secara praktis dan ekonomis untuk suatu aplikasi adalah 'periode,' yang juga mewakili waktu yang diperlukan untuk mengisi penuh atau memberi energi kembali pada baterai. Oleh karena itu, pilihan untuk dijalankan dalam berbagai durasi dapat dieksplorasi. Karena ruang desain besar yang mereka sediakan untuk mencapai serangkaian periode dan juga berbagai manfaat lain yang dibahas dalam artikel ini, baterai menggunakan serangkaian teknologi ruang penyimpanan energi yang menarik untuk pekerjaan penyimpanan energi.

Baterai adalah perangkat penyimpanan elektrokimia yang memanfaatkan perbedaan energi antara reaksi 'redoks' untuk mengubah energi listrik, sehingga menghemat daya listrik sebagai daya kimia atau menghemat daya listrik dari daya kimia. Baterai memiliki banyak keunggulan potensial dibandingkan berbagai jenis teknologi penyimpanan energi lainnya. Misalnya, reaksi elektrokimia biasanya jauh lebih dapat diandalkan daripada respons termokimia dalam jaringan terdekarbonisasi (dan juga, secara umum, jaringan berenergi) karena pelepasan energi listrik secara langsung (umumnya pada tingkat suhu dan tekanan yang sama).

Selain itu, terdapat berbagai rencana penyimpanan energi reaksi redoks yang dapat dipilih, menyediakan ruang tata letak yang luas untuk teknologi modern penyimpanan energi berbasis aplikasi. Sebagai contoh, pertimbangkan berbagai baterai bisnis yang digunakan dalam perangkat elektronik konsumen, yang merupakan sebagian kecil dari sistem penyimpanan daya baterai skala jaringan yang tersedia untuk digunakan dalam berbagai desain: baterai lithium-ion, timbal-asam, nikel-kadmium, seng-karbon, dll. Selain itu, baterai dapat digunakan secara praktis di mana saja, tidak seperti penyimpanan termal atau gravitasi, yang biasanya memerlukan lokasi penyimpanan yang terperinci secara geografis. Manfaat-manfaat ini memungkinkan baterai digunakan tidak hanya untuk operasi jaringan listrik setelah dekarbonisasi, namun juga menawarkan nilai tambah sebagai layanan sekunder; misalnya baterai berkontribusi terhadap peningkatan kemandirian daya dan keandalan. Pertimbangkan runtuhnya jaringan listrik Puerto Riko selama Badai Maria pada tahun 2017. Desain mikrogrid yang tersebar termasuk fasilitas pembangkit sumber daya terbarukan dan sistem ruang penyimpanan energi dapat mencegah pemadaman listrik besar-besaran yang tragis. Hal ini karena pembangkitan listrik yang tersebar mengurangi konstruksi dan perkuatan sistem transmisi (seperti saluran listrik dan tiang listrik) yang menyebarkan listrik namun berisiko terhadap kejadian cuaca buruk.

Selain itu, manufaktur listrik yang tersebar menghilangkan kemungkinan satu titik kegagalan. Tentu saja, masalah kebebasan politik dan keuangan di lingkungan sekitar juga perlu dipertimbangkan. Banyak negara tidak memiliki sumber daya bahan bakar tak terbarukan yang ekonomis dan praktis, sehingga perubahan pada pasar energi terbarukan dapat meningkatkan produksi listrik dalam negeri, mengurangi kebutuhan impor listrik, dan juga meningkatkan kebebasan geopolitik. Amerika Serikat secara khusus mengakui tantangan keuangan yang dapat ditimbulkan oleh ketergantungan terhadap listrik, setelah mengalami kekurangan minyak yang disebabkan oleh geopolitik pada tahun 1970an dan 1980an.

Ada banyak jenis teknologi baterai saat ini, masing-masing dengan desain model yang berbeda-beda, banyak di antaranya dapat disesuaikan dengan serangkaian bahan kimia serta menggunakan sejumlah alternatif. Baterai litium-ion (LIB) dianggap sebagai teknologi baterai utama; pada tahun 1990-an dan setelahnya, baterai lithium-ion terutama digunakan pada perangkat elektronik dan seluler, sedangkan dalam beberapa tahun terakhir, baterai lithium-ion terutama digunakan dalam sistem penyimpanan energi stasioner serta otomotif listrik (EV) di 2 pasar skala besar ini. Mayoritas inovasi baterai yang dipertimbangkan untuk digunakan di sektor ketenagalistrikan masih relatif prematur dan mungkin memerlukan studi penelitian coba-coba yang komprehensif, namun pekerjaan yang dicapai hingga saat ini sebenarnya hanya penerapan kecil atau prosedur komersial minimal, sering kali karena kinerjanya masih buruk atau hanya cocok untuk aplikasi Jaringan Listrik. Contoh inovasi tersebut antara lain baterai sirkulasi redoks (RFB) dan baterai metal-air (MAB).

Menurut Badan Energi Internasional, pada tahun 2030, sebagian besar pengurangan emisi CO2 akan berasal dari teknologi modern yang saat ini dirilis atau tersedia di pasaran, dan pada tahun 2050, sekitar lima puluh persen pengurangan karbon akan bergantung pada inovasi yang saat ini masih dalam tahap demo atau prototipe inovasi energi. Jadi pemerintah federal dan budaya secara praktis berada di jalur yang benar untuk mengatasi perubahan lingkungan. Meskipun demikian, terdapat banyak potensi hambatan sosial, finansial, dan politik lainnya yang perlu diatasi untuk memastikan bahwa teknologi modern energi yang ideal dapat diterapkan dengan cukup cepat sehingga penurunannya cukup besar untuk menghindari kerusakan dalam skala yang lebih besar (Gambar 1). Meskipun faktor-faktor yang perlu dipertimbangkan ini tidak terlepas dari aspek teknis, faktor-faktor tersebut mungkin memerlukan pendekatan dan solusi yang berbeda. Pekerjaan ini mengkaji dua tantangan penting dalam penerapan baterai yang lebih luas: harga baterai dan pembatasan produk. Serangkaian teknologi baterai dengan atribut efisiensi yang sesuai saat ini sudah ada, namun biaya awal yang tinggi mungkin menunda atau menghentikan pengembangan yang lebih luas, khususnya pada skala produksi yang rendah saat ini. Terakhir, meskipun teknologi baterai tertentu memenuhi metrik harga dan kinerja penting, aksesibilitas dan rantai pasokan komponen penting mungkin menghambat integrasi yang cepat dan mendalam. Oleh karena itu, permasalahan ini harus diselesaikan secepat mungkin untuk mencapai tujuan utama dekarbonisasi. Karya ini menemukan teknik finansial dan politik untuk mengatasi atau menghindari hambatan-hambatan ini.
Hambatan Utama 1: Biaya Baterai

Biaya merupakan faktor inti yang perlu dipertimbangkan mengenai apakah baterai dapat digunakan dalam aplikasi penyimpanan energi jaringan. Tidak seperti pasar baterai lainnya seperti perangkat klinis, perangkat elektronik konsumen, truk listrik, dll, aplikasi jaringan listrik memerlukan layanan energi bersih dengan biaya yang jauh lebih rendah untuk bersaing dengan fasilitas pembangkit bahan bakar fosil yang terjangkau. Karena pelepasan jaringan listrik memerlukan investasi yang besar, dan sering kali memerlukan akses terhadap pendanaan (misalnya pendanaan), biaya sumber daya sebenarnya secara tradisional menjadi hambatan yang signifikan terhadap adopsi sumber daya terbarukan dan oleh karena itu juga merupakan indikasi utama kelayakan tekno-ekonominya. Untuk baterai, biayanya umumnya bergantung pada harga bahan serta jangkauan produksi. Departemen Tenaga Listrik Amerika Serikat biasanya menetapkan antara $100/kWh dan $150/kWh sebagai batas atas biaya pendanaan sistem penyimpanan listrik jaringan yang praktis secara finansial.

Baterai litium-ion saat ini merupakan salah satu teknologi penyimpanan energi baterai yang paling banyak digunakan dalam aplikasi jaringan listrik. Baterai lithium-ion memiliki kemampuan untuk mempercepat perkembangannya sejak tahun 1990-an karena pertama kali digunakan secara luas di pasar bernilai tinggi seperti perangkat elektronik pelanggan dan truk listrik. Di pasar-pasar ini, pemasok baterai dapat memasarkan produk baterai dengan kualitas lebih rendah dan harga lebih tinggi karena merekalah satu-satunya pilihan. Hal ini memungkinkan baterai lithium-ion dibuat dalam skala dan harga, sekaligus memaksimalkan kinerja. Jadi ketika teknologi ini dipertimbangkan untuk sistem ruang penyimpanan daya, baterai lithium-ion sebenarnya telah menunjukkan efisiensi yang kuat, kinerja pengisian dan pengosongan baterai ini sekarang sangat tinggi, biasanya mencapai 95%, dan rantai pasokan dibangun untuk memastikan bahwa harganya lebih rendah. Khususnya dengan berkembangnya mobil listrik, harga baterai lithium-ion sebenarnya telah turun drastis dalam beberapa tahun terakhir; baterai lithium-ion, yang terdiri dari sel baterai rakitan dan sistem administrasi dan keamanan, telah turun dalam kisaran yang mungkin ditentukan oleh Departemen Tenaga Listrik AS (sekitar 140 USD/kWh), dan diperkirakan akan turun di bawah USD 100/kWh di masa depan. Kemampuan produksi internasional untuk baterai litium-ion diperkirakan melebihi 700GWh per tahun dan saat ini merupakan sektor yang bernilai hampir $50 miliar. Meskipun hal ini merupakan perkembangan yang sangat baik, sejumlah solusi masih diperlukan untuk memungkinkan semua layanan jaringan listrik dan mencapai dekarbonisasi yang mendalam. Selain itu, masalah rantai pasokan yang diulas di bagian berikutnya mungkin menghambat penerapan sistem penyimpanan daya baterai lithium-ion. Beberapa teknologi baterai modern lainnya menawarkan layanan yang lebih ekonomis, terutama pada jangka waktu yang lebih lama (lebih dari 4 jam), namun mereka tidak mendapatkan keuntungan dari permasalahan pasar yang sama seperti Li-ion dan juga mengalami kesulitan untuk bersaing.

Banyak desain dan produk baterai alternatif yang memiliki keunggulan harga mendasar dibandingkan baterai Li-ion. Baterai sirkulasi, misalnya, menggunakan desain sistem yang secara unik membagi daya dan daya, yang menunjukkan bahwa keduanya dapat berskala secara independen satu sama lain. Hal ini memungkinkan pertumbuhan kapasitas penyimpanan daya yang terjangkau, menjadikan baterai tersebut lebih hemat biaya untuk jangka waktu yang lebih lama. Di sisi lain, sistem tertutup seperti baterai litium-ion memasangkan daya dan daya, menjadikan biaya unit penyimpanan daya sebagai kriteria yang cukup tetap. Meskipun telah disebutkan bahwa biaya jangka panjang bukanlah faktor yang perlu dipertimbangkan dibandingkan dengan biaya di muka, baterai aliran model terbuka (RFB) atau baterai logam-udara (MAB) juga memfasilitasi penghematan finansial biaya jangka panjang dengan memungkinkan pemeliharaan komponen yang ditargetkan. Seseorang dapat langsung mengisi atau menggantinya dengan elektrolit (komponen baterai yang paling cepat rusak), sedangkan sistem tertutup pada umumnya seperti baterai litium-ion perlu menambah atau mengganti seluruh paket baterai, sehingga menghasilkan sejumlah limbah. Pada akhirnya, ada juga baterai yang menggunakan produk berbiaya lebih rendah dan kandungan lebih tinggi daripada baterai lithium-ion, sehingga mengurangi biaya potensial.

Terlepas dari manfaat yang melekat ini, solusi penyimpanan energi yang ada sulit untuk diselesaikan karena berbagai alasan. Pada awalnya, meskipun gaya optimal dari jaringan yang terdekarbonisasi secara mendalam mengintegrasikan serangkaian layanan penyimpanan baterai, skenario ini jauh dari kenyataan yang ada. Karena inovasi baterai baru ini sebenarnya hanya hemat biaya untuk aplikasi skala jaringan dan juga tidak dapat menjangkau pasar yang bernilai lebih tinggi, tidak jelas bagaimana cara menurunkan harga serta meningkatkan efisiensi sehingga baterai tersebut dapat bersaing dengan baterai lithium-ion ketika kebutuhannya benar-benar muncul, layanan penyimpanan listrik jangka panjang atau penggantian fasilitas pembangkit bahan bakar fosil dapat dipenuhi dengan biaya yang lebih rendah.

Yang memperburuk permasalahan ayam-telur ini adalah teka-teki serupa lainnya: Inovasi-inovasi yang muncul ini tentu saja lebih berisiko. Hal ini membuat teknologi tersebut kurang menarik perhatian pengawas proyek, sponsor, atau pembuat keputusan lainnya, sehingga teknologi modern ini semakin jarang digunakan dan ditampilkan, serta akibatnya selalu dianggap berisiko. Sebagai akibat dari hambatan-hambatan ini, banyak proyek yang mengusulkan untuk menggunakan teknologi baterai yang sedang berkembang ini harus berjuang untuk mengamankan pendanaan dengan investasi keuangan perusahaan, pendanaan pekerjaan, dan banyak lagi. Masalah-masalah ini mungkin tidak dapat diselesaikan hanya oleh sektor swasta, dan tindakan pemerintah federal dapat mengurangi bahaya teknologi dan juga mengurangi biaya yang timbul dari solusi ruang penyimpanan energi yang hanya menarik perhatian jaringan listrik namun dapat berkontribusi terhadap dekarbonisasi mendalam. Umumnya, demonstrasi berskala besar perlu diuji dan dipertahankan dengan pengadaan langsung. Salah satu cara untuk mencapai hal ini adalah melalui pembiayaan pemerintah federal untuk tugas presentasi bisnis, seperti yang telah dilakukan sebelumnya dengan Undang-Undang Pemulihan dan Reinvestasi Amerika. Saat ini, Divisi Ketenagalistrikan AS memberikan pendanaan yang cukup besar untuk proyek-proyek ruang penyimpanan tenaga listrik. Namun demikian, pendanaan ini sebenarnya secara historis diberikan kepada laboratorium penelitian nasional Amerika Serikat, bukan atas permintaan publik, yang akan melibatkan sektor swasta dan juga berpotensi mempercepat kemajuan. Selain itu, pemerintah AS dapat mengembangkan program khusus untuk presentasi penyimpanan listrik jaringan, yang telah menunjukkan harapan dalam banyak proyek pembangunan tahap awal. Kebutuhan ini akhir-akhir ini sebagian dipenuhi oleh Program Studi Penelitian Lanjutan Badan Proyek Tenaga Listrik (ARPA-E) Divisi Ketenagalistrikan AS untuk Kemajuan Penting dalam Teknologi Energi dengan Kemungkinan yang Belum Dimanfaatkan. Demikian pula, Demo Kantor Energi Bersih AS merupakan langkah lain menuju arah terbaik: perusahaan ini didirikan pada tahun 2021 dengan tujuan untuk memamerkan proyek penyimpanan energi yang besar (bahkan bernilai miliaran dolar), dan juga untuk bekerja sama dengan sektor swasta untuk mempercepat adopsi dan penerapan teknologi modern energi bersih.

Teknologi yang ada saat ini dapat berkontribusi pada dekarbonisasi di bidang ketenagalistrikan. Namun, ada kekhawatiran mengenai kemampuan untuk menciptakan dan menerapkan teknologi modern ini dengan cepat dan hemat biaya, sebuah tugas yang saat ini belum ada. Dengan insentif yang tepat, perlakuan pemerintah dapat membantu mencapai dan mempercepat hasil yang diinginkan. Selain itu, berbagai pendekatan dan prosedur dapat membantu mengatasi beberapa kendala tersebut jika digunakan dengan bijak dan cepat. Meskipun demikian, pendekatan ini memerlukan waktu dan akses terhadap investasi publik dan eksklusif sangatlah penting