Perlombaan untuk Mengembangkan Teknologi Energi Terbarukan – Insinyur mekanik berlomba mengembangkan teknologi untuk mengubah dan menyimpan energi dari sumber terbarukan seperti energi angin, gelombang, matahari, dan panas.
Perlombaan untuk Mengembangkan Teknologi Energi Terbarukan
energiasolaraldia – Pada awal tahun 2000an, jaringan listrik mulai berubah. setiap hari Ia bukan pendukung energi terbarukan, namun ia menyatakan keprihatinannya terhadap penggunaan bahan bakar fosil. Dalam wawancara tahun 1910 dalam antologi Little Trips to Big Homes karya Elbert Hubbard, Thomas Edison mengungkapkan kemarahannya terhadap penggunaan bahan bakar alih-alih sumber daya terbarukan.
“Sistem pembakaran listrik itu membuatku muak—itu sia-sia,” kata Edison. “Anda tahu, kita harus menggunakan kekuatan alam dan dengan demikian mencapai kekuatan penuh kita. Sinar matahari adalah salah satu bentuk energi, sedangkan angin dan pasang surut adalah manifestasi energi. Apakah kita menggunakannya? Oh tidak! Kami membakar kayu dan batu bara sementara para penyewa membakar halaman depan rumah mereka untuk mendapatkan bahan bakar.”
Lebih dari satu abad kemudian, sekitar 80 persen konsumsi energi global masih berasal dari pembakaran bahan bakar fosil. Ketika dampak perubahan iklim terhadap lingkungan semakin parah, semakin penting bagi para ilmuwan dan insinyur untuk mengembangkan solusi energi terbarukan yang terukur.
“100 tahun yang lalu, Edison menyadari bahwa kita tidak dapat menggantikan pembakaran dengan satu pilihan saja,” tambah Reshma Rao PhD ’19, MIT: dan rekan pascadoktoral di Laboratorium Energi Elektrokimia yang menyertakan kutipan dari Edison dalam disertasinya. “Kita harus mencari solusi berbeda yang dapat bervariasi secara temporal dan geografis, bergantung pada ketersediaan sumber daya.”
Rao adalah salah satu dari beberapa peneliti di Departemen Teknik Mesin MIT yang telah mengikuti kompetisi untuk mengembangkan teknologi konversi dan penyimpanan energi dari sumber energi terbarukan seperti angin, gelombang, matahari, dan panas.
Baca juga : Teknologi untuk Transisi Energi Bersih
Menggunakan energi dari gelombang
Dalam hal energi terbarukan, gelombang memiliki sumber daya lain yang lebih baik dalam dua aspek. Pertama, tidak seperti matahari, gelombang menyediakan sumber energi yang konstan kapan pun waktunya. Kedua, karena massa air yang lebih besar, gelombang menawarkan kepadatan energi yang jauh lebih tinggi dibandingkan angin.
Meskipun memiliki keunggulan ini, pemanfaatan energi gelombang masih dalam tahap awal. Berbeda dengan angin dan matahari, tidak ada kesepakatan di bidang hidrodinamika gelombang mengenai penangkapan dan konversi energi gelombang yang efisien. Dick K.P. Yue, Profesor Teknik Philip J. Solondz, berharap dapat mengubah hal tersebut.
“Kelompok saya sedang mencari paradigma baru,” jelas Yue. “Daripada melakukan perbaikan kecil, kami ingin mengembangkan cara berpikir baru mengenai masalah energi gelombang.”
Salah satu aspek dari paradigma ini adalah menentukan geometri optimal untuk konverter energi gelombang (WEC). mahasiswa Emma Edwards mengembangkan metodologi sistematis untuk menentukan bentuk WEC yang harus diambil.
“Jika kita dapat mengoptimalkan bentuk WEC untuk memaksimalkan daya yang dapat diekstraksi, energi gelombang akan semakin mendekati sumber energi terbarukan yang layak secara ekonomi, kata Edwards .
Aspek lain dari paradigma energi gelombang yang sedang dikerjakan oleh tim Yue adalah menemukan konfigurasi WEC yang optimal di dalam air. Grgur Tokić PhD ’16, alumnus MIT dan rekan postdoctoral saat ini di grup Yue, membangun enclosure untuk konfigurasi WEC yang optimal dalam grup besar, bukan sebagai perangkat individual.
Sebelum peluncuran, WEC dikonfigurasikan ke lingkungannya. Penyetelan ini mencakup aspek-aspek seperti prediksi frekuensi gelombang dan arah angin yang ada. Menurut Tokić dan Yue, ketika WEC disetel dalam sebuah larik, penyetelan tersebut dapat dilakukan secara real-time, sehingga memaksimalkan potensi pengumpulan energi.
Dalam larik tersebut, WEC “jam tangan” dapat mengumpulkan pengukuran gelombang, seperti seperti amplitudo, frekuensi dan arah. Dengan menggunakan rekonstruksi dan perkiraan gelombang, WEC tersebut kemudian dapat menyampaikan informasi tentang kondisi ke WEC lain dalam susunan, sehingga memungkinkan WEC menyesuaikan menit demi menit sebagai respons terhadap kondisi gelombang saat ini.
“Jika sekumpulan WEC dapat dikonfigurasi dengan cepat cukup untuk dikonfigurasikan secara optimal untuk lingkungan saat ini, sekarang kita berbicara tentang bisnis yang serius,” jelas Yue. “Perpindahan ke array membuka kemungkinan kemajuan yang signifikan dan menghasilkan hasil yang berkali-kali lipat lebih banyak dibandingkan perangkat terisolasi yang interaktif.”
Dengan mengeksplorasi ukuran dan konfigurasi WEC yang optimal menggunakan metode teoretis dan komputasi, kelompok Yue berharap dapat mengembangkan potensi permainan- mengubah kerangka kerja untuk memanfaatkan kekuatan gelombang.
Mempercepat penemuan listrik tenaga surya
Jumlah energi matahari yang mencapai permukaan bumi menawarkan peluang menarik untuk pencarian energi terbarukan. Sekitar 430 triliun energi mencapai Bumi dari Matahari setiap jamnya. Jumlah tersebut setara dengan konsumsi energi global selama satu tahun.
Tonio Buonassisi, profesor teknik mesin, telah mendedikasikan seluruh kariernya untuk mengembangkan teknologi yang memanfaatkan energi ini dan mengubahnya menjadi listrik yang dapat digunakan. Namun menurutnya waktu adalah hal yang paling penting. “Jika Anda memikirkan apa yang kita hadapi terkait perubahan iklim, semakin jelas bahwa kita kehabisan waktu,” katanya.
Agar energi surya dapat memberikan dampak yang signifikan, para ilmuwan harus berkembang. bahan sel surya yang efisien, terukur, hemat biaya dan dapat diandalkan, menurut Buonassis. . Keempat variabel ini menghadirkan tantangan bagi para insinyur – alih-alih mengembangkan material yang hanya memenuhi salah satu faktor tersebut, mereka harus menciptakan material yang memenuhi keempat kriteria tersebut dan dapat dipasarkan secepat mungkin. “Jika kita membutuhkan waktu 75 tahun untuk memasarkan sel surya yang mampu melakukan semua hal tersebut, hal itu tidak akan membantu kita memecahkan masalah ini. Kita harus memasarkannya dalam lima tahun ke depan,” tambah Buonassisi.
Untuk mempercepat penemuan dan pengujian materi baru, tim Buonassis mengembangkan proses yang menggunakan kombinasi pembelajaran mesin dan eksperimen canggih. suatu jenis eksperimen yang memungkinkan sejumlah besar bahan diperiksa sekaligus. Hasilnya adalah kecepatan 10x lebih cepat dalam menemukan dan menganalisis material sel surya baru.
“Pembelajaran mesin adalah alat navigasi kami,” jelas Buonassisi. “Hal ini dapat menghilangkan hambatan dalam siklus pembelajaran, sehingga kami dapat menggali kandidat lebih dalam dan menemukan kandidat yang cocok dengan keempat variabel tersebut.”
Shijing Sun, peneliti di grup Buonassis, menggunakan kombinasi pembelajaran mesin dan kinerja tinggi eksperimen untuk mengevaluasi dan menguji sel surya perovskit dengan cepat.
“Kami menggunakan pembelajaran mesin untuk mempercepat penemuan material, dan kami telah mengembangkan algoritme untuk memandu kami ke titik sampel berikutnya dan mendorong eksperimen berikutnya,” kata Sun. Sebelumnya, diperlukan waktu tiga hingga lima jam untuk mengklasifikasikan material sel surya. Algoritme pembelajaran mesin dapat mengklasifikasikan materi hanya dalam lima menit.
Sun dan Buonassisi membuat 96 senyawa yang diuji menggunakan metode ini. Dua dari bahan perovskit ini cukup menjanjikan dan masih diuji.
Baca juga : Bagaimana Industri Game Bermain dengan Kecerdasan Buatan
Bahan baru untuk menangkap panas
Tim Buonassis berfokus pada pengembangan solusi yang mengubah energi matahari langsung menjadi listrik. Ilmuwan seperti Gang Chen, Profesor Energi Carl Richard Soderberg, sedang mengerjakan teknik yang mengubah sinar matahari menjadi panas. Energi panas dari panas kemudian digunakan untuk menghasilkan listrik.
“Selama 20 tahun terakhir, saya telah mengerjakan material yang mengubah panas menjadi listrik,” kata Chen. Meskipun sebagian besar penelitian material dilakukan pada skala nano, Chen dan timnya di NanoEngineering Group tidak asing dengan sistem eksperimental skala besar. Mereka sebelumnya membangun sistem pembersihan kerak menggunakan tenaga surya (CSP).
CSP menggunakan sinar matahari untuk memanaskan cairan termal seperti minyak atau garam cair. Cairan ini digunakan untuk menghasilkan listrik dengan mesin seperti turbin uap atau disimpan untuk digunakan nanti.
Selama proyek empat tahun yang didanai oleh Departemen Energi AS, tim Chen membangun penerima CSP di Bates Science dan MIT Pusat Teknik di Middleton, Massachusetts. Mereka mengembangkan penerima aerogel panas matahari – yang dijuluki STAR.
Sistem ini mengandalkan cermin yang dikenal sebagai reflektor Fresnel untuk mengarahkan sinar matahari ke dalam tabung yang berisi termofluida. Biasanya, agar cairan dapat secara efektif menangkap panas yang dihasilkan oleh pantulan sinar matahari, cairan tersebut harus dikelilingi oleh tabung vakum yang mahal. Namun untuk STAR, tim Chen menggunakan aerogel transparan yang dapat memerangkap panas pada suhu sangat tinggi, sehingga menghilangkan kebutuhan akan selubung vakum yang mahal. Dengan membiarkan lebih dari 95 persen sinar matahari masuk, aerogel mempertahankan sifat isolasinya dan mencegah panas keluar dari penerima.
Memecahkan masalah penyimpanan
Meskipun penerima CSP seperti STAR memiliki beberapa sifat penyimpanan energi, ada dorongan . . fungsi mengembangkan sistem penyimpanan energi yang lebih berkelanjutan untuk teknologi terbarukan. Menyimpan energi untuk digunakan nanti ketika sumber daya tidak menghasilkan aliran energi yang konstan—misalnya, ketika matahari tertutup awan atau hanya ada sedikit atau tidak ada angin—sangat penting untuk menghadirkan energi terbarukan ke dalam jaringan listrik. Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti sedang mengembangkan teknik perekaman baru.
Asegun Henry, Profesor Pengembangan Karir Robert N. Noyce, yang, seperti Chen, mengembangkan teknologi CSP, menciptakan sistem penyimpanan baru yang disebut “matahari dalam kotak”. Dengan menggunakan dua reservoir, kelebihan energi dapat disimpan dalam silikon cair putih panas. Ketika energi ekstra ini diperlukan, sel surya yang dipasang dapat diperbaiki untuk mengubah cahaya putih dari silikon kembali menjadi listrik.
Memastikan masa depan yang berkelanjutan
Transisi dari jaringan yang didominasi bahan bakar fosil ke energi terbarukan. hal ini tampaknya merupakan tugas yang berat, namun terdapat perkembangan yang menjanjikan selama dekade terakhir. Sebuah laporan yang dirilis pada bulan September menjelang KTT Iklim Global PBB menunjukkan bahwa konversi ke energi terbarukan telah meningkat empat kali lipat sejak tahun 2010 berkat investasi sebesar $2,6 triliun.
CEO Inger Andersen mengatakan setelah laporan tersebut dipublikasikan. Program Lingkungan PBB telah menekankan korelasi antara investasi pada energi terbarukan dan menjamin masa depan yang berkelanjutan bagi umat manusia. “Jelas bahwa kita harus mempercepat transisi global menuju sumber energi terbarukan untuk memenuhi tujuan iklim dan pembangunan internasional,” kata Andersen.