Materi_Teknologi_Baterai_PLTS_PLTB_.pptx

Teknologi plts dan pltb Teknologi plts dan pltb Teknologi plts dan pltb Teknologi plts dan pltb

1. Teknologi Baterai untuk PLTS dan PLTB Program Studi Teknik Pertanian Universitas Mataram

2. Tujuan Pembelajaran Mahasiswa mampu: Menjelaskan prinsip kerja baterai dalam sistem PLTS dan PLTB Mengidentifikasi jenis baterai yang umum digunakan Menganalisis kelebihan dan kekurangan masing-masing teknologi baterai Menerapkan konsep pemilihan baterai dalam desain sistem PLTS/PLTB

3. Pengantar Teknologi Baterai Baterai adalah alat penyimpan energi listrik melalui proses elektrokimia. Digunakan dalam sistem energi terbarukan untuk menyeimbangkan suplai dan permintaan. Penting dalam sistem off-grid dan hybrid.

4. Peran Baterai dalam PLTS dan PLTB Menyimpan kelebihan energi saat produksi tinggi. Menyalurkan energi saat produksi rendah atau malam hari. Menstabilkan tegangan dan frekuensi. Mengurangi ketergantungan terhadap grid.

5. Komponen Utama Sel Baterai Anoda (elektroda negatif) Katoda (elektroda positif) Elektrolit (penghantar ion) Separator (pemisah anoda dan katoda) Current Collector (pengumpul arus) Battery Management System (BMS)

6. Prinsip Dasar Reaksi Elektrokimia Reaksi Redoks : Anoda : Melepaskan elektron ( oksidasi ) Katoda : Menerima elektron ( reduksi ) Ion berpindah melalui elektrolit Elektron berpindah melalui rangkaian luar

7. Jenis-Jenis Baterai untuk PLTS/PLTB 1. Lead-Acid 2. Lithium-ion (Li-ion) 3. Nickel-Cadmium (Ni-Cd) 4. Flow Battery 5. Sodium-ion (Na-ion)

8. Perbandingan baterai

9. Lead-Acid Battery Kimia: Pb ( anoda ), PbO ₂ ( katoda ), H₂SO₄ ( elektrolit ) Reaksi : Pb + PbO ₂ + 2H₂SO₄ → 2PbSO₄ + 2H₂O Kelebihan : Biaya rendah , teknologi mapan Kekurangan : Berat , siklus hidup pendek

10. Lithium-ion Battery Elektroda : LiCoO ₂ / LFP ( katoda ), grafit ( anoda ) Keunggulan : Energi tinggi , ringan , efisiensi tinggi Kekurangan : Biaya tinggi , sensitif suhu tinggi

11. Prinsip Dasar Kerja Baterai Li-ion Bekerja berdasarkan reaksi redoks . Pengisian : ion lithium dari katoda ke anoda melalui elektrolit . Pemakaian : ion kembali ke katoda , menghasilkan arus melalui sirkuit luar . Ion bergerak melalui elektrolit ; elektron melalui rangkaian luar .

12. Struktur Umum Baterai Li-ion Anoda : grafit ( karbon ), menyimpan ion lithium. Katoda : LiCoO2, LiFePO4, dll . Elektrolit : cairan /gel penghantar ion lithium. Separator: mencegah kontak langsung anoda dan katoda . Current Collector: tembaga dan aluminium. Casing dan pengaman internal.

13. Struktur Umum Baterai Li-ion

14. Jenis-Jenis Baterai Li-ion Jenis Baterai Li-ion Bahan Katoda Tegangan (V) Kepadatan Energi (Wh/kg) Karakteristik LCO (Lithium Cobalt Oxide) LiCoO₂ ~3.7 V 150–200 Umum di HP, rendah arus NMC (Nickel Manganese Cobalt) LiNiMnCoO₂ 3.6–3.7 V 150–220 Seimbang antara energi dan umur NCA (Nickel Cobalt Aluminum) LiNiCoAlO₂ ~3.6 V 180–250 Energi tinggi, dipakai Tesla LFP (Lithium Iron Phosphate) LiFePO₄ ~3.2 V 90–160 Aman, tahan lama, ideal untuk PLTS/PLTB LMO (Lithium Manganese Oxide) LiMn₂O₄ 3.7–4.2 V 100–150 Stabil, suhu tinggi, kurang tahan lama LTO (Lithium Titanate) – unik Anoda: Li₄Ti₅O₁₂ 2.3 V 80–90 Super awet (15.000+ siklus), biaya tinggi

15. Cara Kerja : Charging & Discharging Charging: ion lithium dari katoda ke anoda. Discharging: ion lithium dari anoda ke katoda. Elektron mengalir di luar sel melalui rangkaian untuk menghasilkan listrik. Energi disimpan dan dilepaskan secara reversible.

16. Perbandingan Jenis Li-ion untuk PLTS/PLTB Jenis Kelebihan untuk PLTS/PLTB Kekurangan LFP ( LiFePO ₄) Aman, stabil termal , umur panjang (3000+ siklus ), cocok untuk suhu tropis Tegangan rendah , ukuran sedikit lebih besar NMC/NCA Energi padat, ringan, cocok untuk sistem kompak Kurang stabil suhu tinggi tanpa BMS LTO Cepat charging, sangat tahan lama Tegangan rendah , mahal

17. Battery Management System (BMS) Melindungi dari overcharge dan overdischarge . Mengatur distribusi arus dan tegangan antar sel. Memonitor suhu dan kondisi internal baterai . Wajib untuk sistem Li-ion agar aman dan efisien .

18. Nickel-Cadmium Battery Digunakan pada sistem skala kecil Tahan terhadap temperatur ekstrim Masalah lingkungan karena kandungan Cd

19. Prinsip Dasar Kerja Reaksi redoks antara nikel oksida (NiOOH) dan cadmium (Cd). Discharge: Cd + 2NiO(OH) + 2H₂O → Cd(OH)₂ + 2Ni(OH)₂ Charging: reaksi kebalikan, ion berpindah melalui elektrolit. Elektrolit: larutan alkali (KOH).

20. Struktur/Konstruksi Baterai Ni-Cd Anoda: Cadmium (Cd) Katoda: Nickel oxyhydroxide (NiOOH) Elektrolit: KOH (alkali) Separator: mencegah short-circuit Casing: logam tahan tekanan dan suhu

21. Karakteristik Teknis Tegangan nominal: 1.2 V per sel Kepadatan energi: 45–80 Wh/kg Siklus hidup: 1000–2000 Efisiensi: 70–80% Self-discharge: ~10%/bulan Suhu operasi: -40°C hingga +60°C

22. Keunggulan Ni-Cd Tahan suhu ekstrem Pengisian cepat Tahan terhadap overcharge Umur panjang jika dirawat dengan baik

23. Kekurangan Ni-Cd Mengandung cadmium (beracun) Efek memori: kapasitas menurun jika tidak dikosongkan Berat dan densitas energi rendah Biaya daur ulang tinggi

24. Aplikasi Potensial dalam PLTS/PLTB Skala kecil: sistem backup, sensor di lokasi ekstrem Skala sedang: sistem hybrid off-grid (jarang digunakan) Militer/industri: luar ruangan karena ketahanan fisik Kini banyak digantikan oleh Li-ion/LFP

25. Ilustrasi Struktur Baterai Ni-Cd

26. Flow Battery Energi disimpan dalam elektrolit cair di dua tangki Contoh: Vanadium Redox Battery (VRB) Kelebihan: Umur panjang, skala besar Kekurangan: Kompleks dan mahal

27. Prinsip Dasar Flow Battery Energi disimpan dalam dua tangki berisi elektrolit cair. Reaksi redoks terjadi saat cairan dipompa melewati sel elektro-kimia. Ion bermigrasi melalui membran pemisah untuk menghasilkan listrik. Contoh paling umum: Vanadium Redox Flow Battery (VRFB).

28. Struktur Flow Battery Tangki elektrolit positif dan negatif. Pompa untuk mengalirkan cairan ke sel reaksi. Elektroda (biasanya karbon) Membran ion selektif (anion/cation exchange membrane) Sistem kontrol dan inverter

29. Reaksi Kimia (VRFB) Elektrolit mengandung ion vanadium dalam 4 bentuk: V²⁺, V³⁺, VO²⁺, VO₂⁺ Reaksi Anoda: VO₂⁺ + 2H⁺ + e⁻ ⇌ VO²⁺ + H₂O Reaksi Katoda: V³⁺ + e⁻ ⇌ V²⁺ Proses reversible antara charge dan discharge

30. Karakteristik Flow Battery Tegangan nominal: 1.2–1.6 V per sel Kepadatan energi: 20–40 Wh/kg Siklus hidup: >10.000 siklus Efisiensi round-trip: 65–85% Rentang suhu: 0°C – 40°C Waktu penyimpanan sangat lama tanpa degradasi

31. Keunggulan Flow Battery Umur sangat panjang, cocok penyimpanan jangka panjang Mudah ditingkatkan kapasitas (cukup tambah ukuran tangki) Aman, tidak mudah terbakar Biaya operasional rendah untuk jangka panjang

32. Kekurangan Flow Battery Biaya awal sangat tinggi Kepadatan energi rendah → butuh ruang besar Komponen mekanis kompleks (pompa, tangki) Kurang cocok untuk aplikasi portable atau rumah kecil

33. Aplikasi Flow Battery PLTS skala besar (farm solar) PLTB skala besar & remote storage Integrasi dengan smart grid dan sistem load shifting Cadangan daya untuk industri besar dan kota

34. Ilustrasi Struktur Baterai Ni-Cd

35. Baterai Sodium-ion Alternatif ramah lingkungan Material lebih mudah didapat Masih dalam tahap riset dan pengembangan

36. Prinsip Dasar Baterai Sodium-ion Mirip dengan baterai Li-ion, menggunakan ion Na⁺ sebagai pembawa muatan. Ion sodium bergerak dari anoda ke katoda saat discharge. Elektrolit memungkinkan pergerakan ion Na⁺ antar elektroda. Potensi alternatif ramah lingkungan dan murah dari Li-ion.

37. Struktur/Konstruksi Baterai Na-ion Anoda: Karbon keras atau logam lain yang menyerap Na⁺. Katoda: Oksida logam natrium seperti NaFePO₄ atau NaCoO₂. Elektrolit: Garam natrium dalam pelarut organik. Separator: Memisahkan anoda dan katoda untuk mencegah hubung singkat. Casing: Umumnya logam atau plastik tahan suhu.

38. Reaksi dan Cara Kerja Discharge: Na⁺ bergerak dari anoda ke katoda, menghasilkan arus listrik. Charging: Na⁺ kembali ke anoda dengan bantuan arus eksternal. Mirip Li-ion tapi menggunakan bahan baku lebih melimpah (Na).

39. Karakteristik Teknis Tegangan nominal: 2.3–3.3 V per sel Kepadatan energi: 100–150 Wh/kg (potensial) Siklus hidup: 1000–3000 (pengembangan terus berlangsung) Efisiensi round-trip: 80–90% Rentang suhu: -10°C hingga 60°C Biaya rendah dan bahan melimpah

40. Keunggulan Baterai Na-ion Sumber daya melimpah dan murah (natrium vs. lithium). Lebih ramah lingkungan, tidak memerlukan kobalt. Stabil termal dan aman. Cocok untuk penyimpanan skala besar jika dikembangkan lebih lanjut.

41. Kekurangan Baterai Na-ion Masih dalam tahap pengembangan dan riset. Kepadatan energi lebih rendah dari Li-ion. Sedikit produsen komersial saat ini. Kurangnya data jangka panjang di lapangan.

42. Aplikasi Potensial dalam PLTS/PLTB Cadangan energi skala besar (grid storage). Pengganti Li-ion untuk sistem PLTS komunitas. Solusi ekonomi untuk daerah terpencil. Belum cocok untuk sistem portable atau mobil listrik.

43. Ilustrasi Baterai Sodium-ion

44. Parameter Pemilihan Baterai Kapasitas (Ah) Tegangan nominal Siklus hidup Efisiensi energi Biaya per kWh

45. Kinerja Baterai: Efisiensi & Umur Efisiensi round-trip > 90% (Li-ion) Siklus hidup: 1000–10000 tergantung jenis Degradasi tergantung suhu dan arus

46. Perhitungan Dasar Energi Baterai Energi = Tegangan × Kapasitas ( Wh ) Contoh : 48V, 100Ah → 4.8 kWh Estimasi kebutuhan daya harian sistem PLTS

47. Ilustrasi Rangkaian PLTS dengan Baterai

48. Studi Kasus Pemilihan Baterai Kebutuhan harian : 5 kWh Pilih baterai Li-ion 48V 120Ah → 5.76 kWh Tambahkan safety margin 20%

49. Tantangan & Masa Depan Teknologi Baterai Harga dan ketersediaan material Teknologi solid-state battery Integrasi AI untuk monitoring

50. Penutup dan Refleksi Pemilihan baterai mempengaruhi kinerja dan umur sistem PLTS/PLTB Perlu pemahaman teknis dan ekonomis Diskusi : Baterai apa yang cocok untuk desa terpencil ?