Sekitar 66 persen energi berakhir sebagai panas terbuang. BRIN mengembangkan material termoelektrik untuk memanennya kembali menjadi listrik, meski tidak seluruh panas dapat dipulihkan.
ENERGI yang benar-benar kita manfaatkan ternyata lebih sedikit daripada yang terbuang.
Dari setiap 100 satuan energi yang masuk ke sistem, hanya sekitar 34 yang akhirnya menjadi kerja berguna. Selebihnya terlepas ke lingkungan, terutama sebagai panas.
Panas itu keluar dari cerobong industri, knalpot kendaraan, pembangkit listrik, pusat data, komputer, dan berbagai perangkat elektronik. Selama ini, sebagian besar dibiarkan berakhir di udara atau harus dibuang menggunakan sistem pendingin yang kembali membutuhkan energi.
Peneliti Pusat Riset Elektronika Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN), Asep Ridwan Nugraha, melihat panas tersebut bukan semata-mata sebagai kehilangan. Di dalamnya masih tersimpan peluang untuk menghasilkan listrik.
“Dari total energi yang kita gunakan, hanya sekitar 34 persen yang benar-benar terpakai, sedangkan 66 persen sisanya terbuang sebagai panas. Melalui rekayasa material termoelektrik, panas terbuang ini dapat kita panen kembali untuk menghasilkan energi listrik,” kata Asep, seperti dikutip dari laman BRIN.
Gambaran serupa terlihat dalam diagram aliran energi Lawrence Livermore National Laboratory di Amerika Serikat. Laboratorium itu menggunakan istilah rejected energy untuk energi yang tidak menjadi kerja berguna. Sebagian besarnya dilepaskan sebagai panas dari pembangkitan listrik, transportasi, industri, dan bangunan.
Namun, besarnya angka 66 persen tidak berarti seluruh panas tersebut dapat diubah kembali menjadi listrik. Sebagian memiliki temperatur terlalu rendah, tersebar di banyak tempat, atau membutuhkan biaya pemanenan lebih besar daripada nilai energi yang dihasilkan.
Di sinilah teknologi termoelektrik menjadi menarik. Bukan karena dapat menyelamatkan seluruh energi yang terbuang, melainkan karena mampu mengambil listrik dari sumber panas yang selama ini terlalu kecil, tersebar, atau sulit dijangkau teknologi konversi konvensional.
Listrik Tanpa Turbin
Pemanfaatan panas sisa juga mulai dikembangkan pada pembangkit panas bumi. Berbeda dari perangkat termoelektrik yang mengubah perbedaan suhu langsung menjadi listrik, teknologi binary unit masih menggunakan penukar panas dan turbin untuk menghasilkan listrik tambahan.
Perangkat termoelektrik bekerja menggunakan Efek Seebeck. Ketika kedua sisi material memiliki suhu berbeda, perpindahan pembawa muatan di dalam material menghasilkan tegangan listrik.
Semakin besar dan stabil perbedaan suhu antara sisi panas dan sisi dingin, semakin besar peluang listrik yang dapat dihasilkan.
Proses tersebut tidak membutuhkan turbin, piston, ataupun komponen mekanis yang bergerak. Karakter ini membuat perangkat termoelektrik relatif ringkas, tidak bising, dan dapat dipasang pada lokasi yang sulit dijangkau teknologi pemanfaatan panas konvensional.
Panas dari knalpot kendaraan, misalnya, dapat dialirkan ke satu sisi modul, sementara sisi lainnya dijaga lebih dingin. Perbedaan suhu itu kemudian menghasilkan listrik yang dapat membantu memasok kebutuhan kelistrikan kendaraan.
Pada skala lebih kecil, panas tubuh dapat dimanfaatkan untuk memberi daya pada sensor berdaya rendah. Teknologi yang sama juga berpeluang digunakan pada perangkat Internet of Things atau IoT yang ditempatkan jauh dari jaringan listrik dan sulit menjalani penggantian baterai secara rutin.
Baca juga: Panas Bumi Tak Selalu Harus Cari Sumur Baru
Kepala Pusat Riset Elektronika BRIN, Yusuf Nur Wijayanto, mengatakan ruang penerapan teknologi ini membentang dari proses industri dan kendaraan hingga perangkat elektronik dan tubuh manusia.
“Hal yang menarik dari riset Thermoelectric Energy Conversion adalah kemampuannya mengubah panas terbuang menjadi energi listrik, baik dari proses industri, kendaraan, perangkat elektronik, maupun panas tubuh manusia,” ujarnya dalam keterangan yang dimuat di laman BRIN.
Termoelektrik juga dapat bekerja dalam arah sebaliknya. Ketika listrik dialirkan, perangkat dapat memindahkan panas dan menghasilkan efek pendinginan. Karena itu, teknologi ini dapat diaplikasikan pada pendingin cip komputer, laser, sensor suhu, hingga kaca film mobil yang memerlukan pengendalian temperatur aktif.
Berburu Material Ideal
Kesederhanaan cara kerja tidak berarti perangkat termoelektrik mudah dibuat efisien.
Materialnya harus mampu menghantarkan listrik dengan baik, tetapi pada saat bersamaan menahan aliran panas agar perbedaan suhu pada kedua sisinya tidak cepat menghilang. Dua kebutuhan tersebut sering kali berlawanan.
Kinerja material termoelektrik biasa diukur menggunakan figure of merit atau nilai ZT. Nilainya dipengaruhi oleh kemampuan material menghasilkan tegangan akibat perbedaan suhu, konduktivitas listrik, konduktivitas termal, serta temperatur operasi.
Tim BRIN saat ini mengembangkan material semikonduktor berkinerja tinggi yang tetap diarahkan agar ekonomis, antara lain menggunakan paduan berbasis bismut. Rekayasa dilakukan hingga skala nano melalui defect engineering atau pembentukan cacat kristal secara terkendali dan penambahan fase sekunder.
Menurut Asep, pendekatan tersebut terbukti mampu meningkatkan konduktivitas listrik sekaligus menekan konduktivitas termal kisi hingga 23 persen. Dengan demikian, panas menjadi lebih sulit menembus material, sementara muatan listrik tetap dapat bergerak.
Material yang telah disintesis kemudian dipadatkan menggunakan fasilitas Spark Plasma Sintering milik BRIN. Setelah menjadi pelet padat, material tipe-N dan tipe-P dipotong dan dirangkai menjadi modul termoelektrik.
BRIN telah memiliki fasilitas untuk menjalankan tahapan dari sintesis material hingga fabrikasi perangkat. Sarana tersebut, menurut Asep, terbuka bagi kolaborasi dengan perguruan tinggi maupun pelaku industri.
Tidak Semua Panas Ekonomis
Ketersediaan panas buang yang melimpah belum otomatis membuat teknologi termoelektrik mudah dikomersialkan.
Kajian mengenai komersialisasi teknologi termoelektrik yang dipublikasikan pada 2023 memperkirakan efisiensi konversi cip termoelektrik komersial masih berada di sekitar 5 persen. Sejumlah kajian lain menempatkan efisiensi umum generator termoelektrik pada kisaran 5–10 persen, bergantung pada material, temperatur operasi, dan besarnya perbedaan suhu.
Efisiensi tersebut masih berada di bawah beberapa teknologi konversi panas berskala besar. Termoelektrik belum tentu menjadi pilihan terbaik ketika panas tersedia dalam volume besar, terkonsentrasi, dan dapat dimanfaatkan menggunakan turbin atau siklus termodinamika lain.
Keunggulannya justru muncul ketika panas tersebar, ruang pemasangan terbatas, penggunaan perangkat mekanis tidak praktis, atau kebutuhan listriknya kecil tetapi harus tersedia secara terus-menerus.
Departemen Energi Amerika Serikat juga mencatat bahwa sebagian besar panas buang industri berada pada temperatur rendah. Jumlahnya besar, tetapi kualitas energinya rendah sehingga lebih sulit dikonversi menjadi kerja atau listrik.
Nilai ekonominya akhirnya tidak hanya ditentukan oleh banyaknya panas. Temperatur, kestabilan sumber, desain pemindah panas, biaya material, daya tahan modul, dan nilai listrik yang dihasilkan ikut menentukan kelayakannya.
Baca juga: Panas Bumi Besar, Mengapa Listriknya Masih Kecil?
Yusuf mengakui tantangan riset termoelektrik tidak berhenti pada pencapaian nilai ZT yang tinggi.
“Tantangan risetnya adalah menghasilkan material termoelektrik yang efisien, stabil, dan ekonomis. Berbagai strategi dikembangkan, seperti doping, material komposit, rekayasa struktur, dan pengendalian proses fabrikasi,” katanya.
Itulah jarak yang masih harus ditempuh. Dari material yang menunjukkan kinerja baik di laboratorium menuju perangkat yang tahan lama, dapat diproduksi dalam jumlah besar, mudah dipasang, dan menghasilkan listrik dengan biaya masuk akal.
Menurut Yusuf, arah riset termoelektrik kini tidak hanya mengejar performa material. Penelitian juga harus mendorong lahirnya perangkat yang praktis dan relevan dengan kebutuhan efisiensi energi serta teknologi rendah karbon.
“Kemajuan teknologi termoelektrik membutuhkan kolaborasi erat antara bidang ilmu material dan rekayasa elektronika,” ujarnya.
Teknologi termoelektrik mungkin tidak dapat menyelamatkan seluruh energi yang berakhir sebagai panas. Namun, dalam sistem energi yang semakin membutuhkan efisiensi, sebagian kecil panas yang berhasil dipanen dapat mengurangi kebutuhan listrik tambahan, konsumsi bahan bakar, dan emisi.
Selama ini, panas buang dipandang sebagai akhir perjalanan energi. Riset termoelektrik mencoba mengubahnya menjadi awal bagi listrik berikutnya. ***
- Foto: Brett Sayles/ Pexels – Panas yang dilepaskan fasilitas industri menyimpan peluang untuk dipanen kembali menjadi listrik melalui perangkat termoelektrik.
