Orasi Ilmiah Guru Besar Institut Teknologi Bandung – Sistem Penyimpan Energi Termal untuk Konservasi Energi

Description

Krisis energi dunia akibat peningkatan populasi dan terbatasnya sumber energi berbasis fosil, ditambah oleh wabah Covid-19 dan perang Ukraina-Rusia, telah mendorong pentingnya sumber-sumber energi alternatif. Selain itu, pembakaran dari sumber energi fosil telah mencemari lingkungan akibat produksi gas rumah kaca (CO2) yang jumlahnya terus meningkat, yang menyebabkan kenaikan temperatur bumi atau biasa dikenal sebagai pemanasan global (global warming). Sistem penyimpan energi merupakan teknologi yang penting untuk kinerja optimal dari sumber energi alternatif, yaitu sebagai media yang dapat menyimpan energi untuk dapat digunakan pada waktu atau tempat yang lain. Di antara beberapa sumber energi alternatif, energi matahari merupakan sumber energi yang paling melimpah dan ramah lingkungan, dan teknologi penyimpanannya dikenal sebagai penyimpan energi termal (thermal energy storage, TES).

Secara fisis material sistem penyimpan energi termal bekerja atas dasar salah satu dari 2 metode, yaitu penyimpan energi dengan memanfaatkan perubahan temperatur dari material (sensibel TES) dan perubahan fase dari material (latent TES). Material sistem penyimpan energi termal bekerja atas dasar perubahan fase dikenal sebagai material berubah fase (phase change material, PCM). Kinerja utama dari PCM terkait dengan jumlah kalor yang dapat disimpan/dilepaskan dan laju serapan/lepasan kalor. Perubahan fase yang paling lazim digunakan untuk berbagai aplikasi adalah fase padat (solid) menjadi cair (liquid) atau yang dikenal sebagai proses peleburan (melting) atau sebaliknya (solidifikasi).

Klasifikasi PCM terdiri atas material organik, anorganik, dan campuran eutektik. Masing-masing jenis PCM memiliki keunggulan dan kelemahan, di antaranya adalah efek supercooling dan efek pemisahan fase untuk PCM anorganik dan konduktivitas termal yang rendah untuk PCM organik. Secara umum upaya untuk reduksi supercooling akan memengaruhi kinerja PCM dan laju transfer kalornya. Dua metode pasif dan aktif lazim digunakan untuk minimalisasi sisi negatif dari PCM, yaitu untuk reduksi efek supercooling dan pengendalian laju transfer kalor PCM. Cara pasif dengan menggunakan agen nukleator atau dopan kimiawi yang ditambahkan secara langsung pada PCM sehingga membentuk suspensi yang stabil. Di sisi lain, cara aktif dengan penambahan energi dari agen eksternal, seperti energi mekanik dari gelombang ultrasound, energi medan listrik, atau energi medan magnetik.

Buku kecil ini membahas beberapa hasil penelitian yang telah kami lakukan terkait mekanisme melting dan solidifikasi PCM, penerapan cara pasif atau/dan aktif untuk reduksi efek supercooling dan peningkatan transfer kalor PCM. Beberapa jenis PCM yang telah kami pelajari adalah PCM anorganik berbasis garam hidrat, yaitu calcium chloride hexahydrate (CaCl2×6H2O) dan calcium nitrate tetrahydrate (Ca(NO3)2·4H2O), dan PCM organik berbasis asam lemak (fatty acid) yaitu asam laurat (lauric acid, C12H24O2) dan minyak kelapa (coconut oil). Hasil studi kami secara eksperimen dan simulasi menunjukkan bahwa proses melting dan solidifikasi bersifat asimetrik, yaitu tidak hanya berbalik arah proses secara termodinamika. Proses melting didominasi oleh transfer kalor secara konveksi, sedangkan proses solidifikasi didominasi oleh transfer kalor secara konduksi. Secara umum pemberian agen nukleator/dopan kimiawi dan penerapan medan listrik atau medan magnet pada proses solidifikasi akan mengurangi barrier nukleasi melalui perubahan energi bebas Gibbs, sehingga menghasilkan kondisi yang mendukung bagi proses nukleasi. Pada bagian akhir dituliskan arah dan lingkup pengembangan sistem penyimpan energi termal, yaitu shape-stabilized composite PCM yang menawarkan konversi energi dengan efisiensi yang tinggi dan cairan ionik (ionic liquid) sebagai material baru dari PCM. Selain itu, fluida transfer kalor (heat transfer fluid), nanofluida, dan nanofluida magnetik (magnetic nanofluid, MNF) sebagai medium perpindahan kalor yang mendukung kinerja dari PCM. PCM memiliki potensi aplikasi yang sangat luas, dan pada buku ini kami membahas sedikit gambaran aplikasinya sebagai tambahan massa termal internal (internal thermal mass) pada gedung. Akhir kata, kinerja optimal dari sistem penyimpan energi termal tak lepas dari studi komputasi atau simulasi dan pentingnya kerja sama antardisiplin ilmu.