Langkah Maju: Kiat Insinyur GE Buka Jalan Untuk Masa Depan Energi Terbarukan

Lima puluh tahun sejak Hari Bumi yang pertama, dunia sudah membuat banyak kemajuan dalam memahami bahaya perubahan iklim dan menemukan solusi yang dibutuhkan. Namun, kita masih belum selesai. Pergantian ke mobil listrik saja akan memaksa kita untuk memikirkan kembali cara produksi mobil listrik, serta cara mendistribusikannya.

Energi terbarukan jelas merupakan bagian dominan dari energi masa depan, sama halnya dengan gas alam, penyimpanan energi, tenaga air dan jaringan listrik digital. Berbagai industri lainnya, seperti penerbangan, harus juga melakukan dekarbonisasi untuk membantu mencegah pemanasan planet bumi.

Bagaimana cara kita menyongsong masa depan berkarbon rendah? Para ilmuwan di GE Research punya beberapa gagasan. Misalnya, satu tim kini mengembangkan sebuah generator dengan superkonduktor untuk turbin bertenaga angin guna meningkatkan efisiensinya dan membantu menurunkan biaya energi. Grup peneliti lainnya di LM Wind Power, yang merupakan anak perusahaan GE Renewable Energy, kini menggunakan teknologi 3-D printing untuk membuat ujung bilah turbin yang lebih kuat dan lebih ringan. Tim itu juga berupaya di masa depan untuk membuat bilah-bilah tersebut dapat didaur ulang sepenuhnya pada akhir masa aktifnya. Rekan-rekan mereka juga membuat komponen 3D-printing pada menara turbin. Di berbagai belahan bumi, para ilmuwan GE sedang menggunakan supercomputer untuk meningkatkan rancangan ladang angin dan mendorong turbin gas maju ke tahap berikutnya. Silakan lihat.

MEDAN MAGNET MASA DEPAN

Sebuah ‘3 Tesla MRI system’ dipasang di fasilitas laboratorim khusus MRI milik GE Research di kampus Niskayuna, New York. Tim penelitian MRI dan magnet superkonduktor mendukung pengembangan sub-sistem dan aplikasi MRI, termasuk rancangan magnet superkonduktor yang unik. Banyak di antara ilmuwan ini, yang mengembangkan magnet canggih pada teknologi pemindai (scanner) untuk perawatan kesehatan di atas, juga menjadi bagian dari tim proyek generator superkonduktor bertenaga angin. Kredit foto: GE Research.

Sebuah penemuan terjadi pada suhu terdingin lebih dari seabad yang lalu kini menggerakkan penelitian turbin angin GE. Pada tahun 1911, ilmuwan Belanda Heike Kamerlingh Onnes mendapati bahwa elektron, yang biasanya kehilangan energi ketika masuk pada sebuah konduktor listrik, ternyata tidak mendapatkan halangan pada kawat merkuri yang didinginkan hingga suhu hampir nol – yang merupakan suhu yang kemungkinan paling dingin, minus 459,67 derajat Fahrenheit.  Fenomena yang disebut superkonduktivitas ini dapat membantu chip komputer untuk bekerja dengan lebih cepat dan, antara lain, memungkinkan terjadinya proses MRI. Sekarang, superkonduktivitas dapat membuka jalan untuk munculnya generator yang lebih efisien untuk digunakan pada turbin angin lepas pantai yang kuat.

Ini baru keren: Didukung oleh kontrak senilai $20,3 juta dari Kementerian Energi, para peneliti GE sedang berupaya membuat generator superkonduktor dapat membantu menurunkan biaya energi, menyederhanakan rantai pasok dalam manufaktur turbin, dan mendukung tujuan DOE untuk meningkatkan hampir tiga kali lipat sumbangan tenaga angin dalam produksi energi sehingga mencapai 20% pada dasawarsa mendatang.

TUJUAN MULIA

Didukung dengan dana penelitian baru sebesar $4,8 juta dalam bentuk hibah dari divisi Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) di Kementerian Energi Amerika Serikat, satu tim di GE Research berupaya merancang suatu sistem propulsi listrik yang kuat dan cukup ringan untuk menerbangkan pesawat komersial seberat 87,5 ton (175.000 pounds) beserta 175 penumpangnya. Kredit gambar: Getty Images.

Dalam hal efisiensi bahan bakar, industri penerbangan komersial sudah maju: Jumlah bahan bakar yang digunakan per penumpang telah turun hingga 80% sejak 1960. Meski demikian, penghematan itu diikuti dengan meningkatnya pertumbuhan jumlah penumpang pesawat pada periode yang sama. Akibatnya, para perancang pesawat dan mesinnya berupaya mencari jalan lain untuk mengurangi dampak industri penerbangan pada lingkungan dalam beberapa dasawarsa mendatang. “Kami butuh sesuatu yang benar-benar berbeda agar bisa melakukan lompatan ke depan,” kata John Yagielski, senior principal engineer di Global Research Center GE di Niskayuna, New York. Yagielski dan rekan-rekannya sedang mengerjakan sesuatu yang benar-benar beda: sistem propulsi listrik yang sangat kuat dan cukup ringan untuk menerbangkan pesawat komersial sebesar 87,5 ton (175.000 pounds) beserta 175 penumpangnya.

Visi 2050: Target itu didukung oleh dana penelitian baru sebesar $4,8 juta dalam bentuk hibah dari divisi Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) di Kementerian Energi Amerika Serikat – dan itu bukan tugas yang mudah. Tantangannya adalah mencari tahu cara mengkonversi bahan bakar nabati yang lebih bersih menjadi listrik dalam ukuran megawatt, dan kemudian mengubah energi listrik itu menjadi dorongan yang cukup kuat untuk menerbangkan jet Boeing 737. Tapi tantangan itu juga menjadi sebuah ajakan kepada para insinyur GE untuk memikirkan kembali tampilan mesin pesawat, menggambarkan desain-desain baru yang mungkin lebih efisien untuk penerbangan dibandingkan  model mesin tradisional yang ada di bawah sayap pesawat. “Perlu dibuktikan kelayakan dari sejumlah teknologi ini dan meyakinkan ARPA-E untuk berinvestasi guna mengembangkan prototipe yang lengkap dan menguji cobanya,” kata Yagielski. “Ini untuk pesawat pada tahun 2050-an.

PAKAR PERBAIKAN

Teknisi GE sedang menggunakan perangkat lunak yang memproses tumpukan data mentah tentang turbin angin yang nantinya bisa dimanfaatkan untuk perawatan odometer sekaligus penjadwalan pemeriksaan perangkat turbin pada bulan-bulan ketika angin jarang bertiup kencang. Kredit foto: GE Renewable Energy.

Jika Anda rutin menyetir dalam jarak jauh, ada baiknya Anda membuka kap mobil Anda setiap beberapa bulan untuk pemeriksaan menyeluruh. Tapi, jika Anda mengendarainya ke supermarket sekali dalam seminggu, Anda bisa melakukannya setiap tiga bulan. Itulah pendekatan yang digunakan oleh para insinyur di GE Renewable Energy untuk memperbaiki turbin angin. Mereka menyebutnya “perawatan odometer,” yang bisa saja membawa rezeki kepada operator ladang angin, sekaligus lebih banyak energi terbarukan yang tersedia bagi setiap orang. “Anda tidak perlu mengganti pelumas jika mobil Anda jarang dipakai selama berbulan-bulan,” kata Brian Theilemann, global services continuous improvement leader, GE Renewable Energy. “Hal yang sama juga terjadi pada turbin angin. Kami beralih dari pendekatan yang berdasarkan pada perhitungan waktu ke pendekatan yang berdasarkan pada pengunaan.”

Saat Jeda: Theilemann dan timnya kini menggunakan perangkat lunak yang memproses data mentah tentang output tenaga listrik, kecepatan angin, temperatur di dalam dan di luar, penggunaan bearing dan bahkan jenis pelumas untuk gearbox. Model statistis di perangkat lunak itu nantinya mengirimkan gambaran yang membantu mereka untuk menentukan waktu yang mendukung untuk dilakukannya pekerjaan perawatan, yang dapat memperpanjang penggunaan turbin di musim-musim angin bertiup kencang. Perusahaan listrik bahkan bisa memanfaatkan perawatan odometer untuk menjadwalkan pemeriksaan turbin pada beberapa bulan ketika angin jarang bertiup kencang.

PERCEPATAN PERTUMBUHAN

Di ladang angin, perusahaan-perusahaan Eropa COBOD dan LafargeHolchim berencana menggunakan 3D-printing dan beton berkinerja tinggi untuk membuat landasan turbin angin yang dapat menambah ketinggian turbin hingga 80 meter – dan mungkin lebih tinggi lagi. Kredit foto: GE Renewable Energy/lafargeHolchin/COBOD.

Industri tenaga angin kini berkembang pesat seirama dengan pertumbuhan turbin angin. Alasannya, turbin angin dapat menghasilkan lebih banyak energi bila menjulang lebih tinggi berkat hembusan angin yang lebih kuat. Bahkan dengan menaikkan ketinggian turbin-turbin yang ada saat ini, diperkirakan para operator ladang angin dapat meningkatkan output hingga 30%. Namun, membangun turbin yang lebih tinggi tidaklah mudah. Turbin akan menjadi sulit dikirimkan dan mahal untuk dipasang – tapi setiap tantangan juga merupakan peluang. GE Renewable Energy, bersama dengan dua perusahaan Eropa yang inovatif, sedang berupaya untuk menciptakan solusi dengan 3D-print.

Capaian konkret: GE bermitra dengan LafargeHolchim, pemimpin dunia di bidang bahan bangunan, dan COBOD, yang mengembangkan cara pembuatan struktur beton dengan 3-D print. Perusahaan-perusahaan itu bersama-sama berupaya menggunakan 3D-printng dan beton berkinerja tinggi untuk membuat landasan turbin angin di lapangan yang dapat menambahkan ketinggian turbin hingga 80 meter atau lebih. Seperti apa jadinya? COBOD muncul dengan sebuah sistem yang menggunakan printhead yang mencetak pada jalur yang ditinggikan – seperti penanda ajaib dengan ujungnya seukuran teko susu. Garis demi garis, ujung itu menghasilkan beton (suatu adonan khusus yang dikembangkan oleh LafargeHolchim) melalui print nozzle di saat nozzle itu mengikuti jalur yang sudah diprogramkan. “Itulah pabrik konstruksi otomatis beroda, dan kami dapat membawanya ke lapangan,” kata Henrik Lund-Nilesen, pendiri dan general manager COBOD.

TITIK PENENTU

GE tengah bekerja bersama mitra-mitra dalam negerinya untuk menguji ujung bilah turbin berukuran besar yang terbuat dari kulit berbahan thermoplastik yang diperkuat dengan struktur seperti kerangka, dengan cetakan 3D. Kredit foto: LM Wind Power.

GE sudah menggunakan 3D printing untuk membuat sejumlah komponen mesin jet dan turbin gas. GE sekarang ingin menerapkan proses manufaktur aditif pada pembuatan bilah turbin angin. GE Renewable Energy dan Kementerian Energi Amerika Serikat membentuk kemitraan pada awal tahun ini yang akan melakukan proses pengerjaan ujung bilah dengan menggunakan 3D print, yang bisa menjadikan bilah lebih ringan dan kuat dibandingkan dengan rancangan yang ada saat ini, dan bahkan dapat didaur ulang.

Pas dicetak: Sepanjang 10 hingga 15 meter dari ujung bilah turbin angin (“pucuk”) ternyata menangkap sebanyak 40% dari energi angin yang memutar generator. Itulah sebabnya ujung turbin itu menjadi titik perhatian dari proyek selama 25 bulan dan senilai $6,7 juta. GE dan mitra-mitranya berencana untuk mencetak pucuk bilah dalam ukuran penuh dari struktur serupa kerangka yang dicetak dengan 3D, dan melapisinya dengan kulit berbahan themoplastik. Tim GE dan mitra-mitranya, The Oak Ridge National Laboratory dan The National Renewable Energy Laboratory, berencana untuk menguji kualitas struktural dari satu pucuk bilah dalam sebuah laboratorium dan akan memasangkan tiga pucuk lainnya pada turbin angin. Anak perusahaan GE Renewable Energy, LM Wind Power, yang membuat bilah untuk turbin di darat dan lepas pantai, akhirnya dapat menggunakan teknologi itu pada skala industri.

HIDUP BARU

Bilah untuk turbin angin Haliade X dari GE panjangnya 107 meter. Kredit foto: GE Renewable Energy.

LM Wind Power adalah salah satu produsen bilah turbin angin terbesar di dunia. Bilah-bilah ini dirancang untuk dapat beroperasi selama lebih dari 20 tahun. Tapi apa yang terjadi pada bilah tersebut ketika sudah tak terpakai lagi? Sering kali bilah-bilah itu dibuang di tempat penimbunan akhir, berderet seperti tulang-tulang dinosaurus, karena belum banyaknya solusi daur ulang yang ada saat ini. LM Wind Power ingin mengubah hal itu. Perusahaan itu, yang mencapai kondisi bebas karbon pada tahun 2018, sedang bekerja sama dengan industri tenaga angin dan industri daur ulang untuk mendapatkan solusi yang berkelanjutan untuk mendaur ulang bilah yang sudah tak terpakai. Pada saat yang sama, LM Wind Power sedang merancang bilah yang mudah didaur ulang di masa depan.

Upaya kelompok: Pada musim gugur yang lalu, induk perusahaan LM Wind Power, GE Renewable Energy, bermitra dengan Veolia North America untuk bekerja sama dalam memproses bilah-bilah yang sudah tak terpakai lagi di tempat manufaktur semen Portland, yang merupakan unsur paling umum pada beton. Lalu, pada bulan Januari, sekelompok perusahan Denmark, termasuk LM Wind Power, mendapatkan pendanaan dari pemerintah negara ini untuk mengerjakan satu proyek yang berdurasi tiga tahun, yakni DecomBlades. Fokusnya adalah untuk meningkatkan teknologi daur ulang pada bilah-bilah yang sudah tak terpakai lagi. GE Renewable Energy juga bekerja sama dengan rantai pasokannya untuk mengidentifikasikan berbagai peluang yang ada. “Mencegah munculnya sampah sebelum terjadinya adalah cara terbaik untuk mengurangi dampak negatif kita pada planet ini, dan itu benar-bnar bisnis yang bagus,” kata Hanif Mashal, vice president of engineering and technology di LM Wind Power. Pengurangan sampah dalam pembuatan bilah sudah menghasilkan penghematan lebih dari $33 juta sejak 2016.

ANGIN KEDUA

Lawrence Cheung, pemimpin insinyur mekanis di GE Research, memiliki spesialisasi dalam memanfaatkan kecanggihan komputasi dari supercomputer modern. Dengan kecanggihan itu, dia menciptakan berbagai model yang sangat terperinci, yang menunjukkan bagaimana kita dapat menggunakan angin dalam kehidupan sehari-hari dan memanfaatkan sebesar-besarnya energi darinya. Kredit foto: GE Research.

Tentu, angin adalah sumber energi terbarukan – tapi tidak berarti tak terbatas, menurut sebuah studi baru yang sangat bagus di Nature Energy. Studi itu menemukan bahwa turbin raksasa di ladang angin menyedot begitu banyak udara yang bergerak sehingga turbin-turbin itu dapat menyebabkan penurunan kecepatan angin yang bisa terukur pada jarak hingga 30 mil jauhnya. Akibatnya, turbin angin yang posisinya berlawanan dengan arah angin mendapatkan keuntungan yang berbeda dengan turbin yang searah dengan arah angin. Termuan ini menekankan perlunya melakukan perencanaan yang lebih cermat. Temuan bahwa besarnya angin yang berhembus di suatu kawasan hanya sebesar itu juga menjadi bahan masukan di GE Research. Di situlah pemimpin insinyur mekanis Lawrence Cheung yang sudah memanfaatkan kecanggihan supercomputer modern dapat memahami seluk-beluk tenaga angin di dunia ini. Pengetahuan seperti itu menjadi semakin berharga bagi banyak negara dan produsen energi yang berupaya memanfaatkan sumber energi terbarukan seoptimal mungkin.

Bukan hanya udara panas: Karya terkini Cheung dapat membentuk pola aliran udara yang melintasi sebuah ladang angin dengan luas 5.000 hektar (atau kurang lebih seukuran 3.780 lapangan sepak bola). Dikenal sebagai simulasi dinamika cairan berlandaskan komputasi komputer, sejumlah model supercomputer-nya membagi-bagi turbin angin menjadi pecahan-pecahan ratusan juta meter kubik sehingga dapat dipahami seluruh seluk-beluknya.  Tujuannya bukan untuk mengatasi masalah penurunan kecepatan angin, tetapi untuk memahami setepat-tepatnya dampak dari aliran udara yang bergerak lebih lambat setelah melewati sebuah turbin yang posisinya diatur secara berbeda-beda di ladang angin. Dengan cara itulah biaya untuk mengurangi penurunan kecepatan angin dapat dibandingkan secermat-cermatnya dengan biaya pembangunan ladang angin yang menempatkan turbin-turbin dengan jarak yang saling berjauhan. Dengan pengembangan energi angin yang terkoordinasi, kita semua dapat memetik hasilnya.

WAKTUNYA TELAH TIBA

Foto di atas: Sebuah simulasi dengan tingkat kemiripan tinggi untuk memprediksi temperatur turbin dan ‘medan alir’ (flow fields) yang didapatkan oleh supercomputer. Atas: Michal Osusky, pimpinan proyek kelompok Thermosciences di GE Research, dan tim Computation Fluid Dynamics (CFD) GE Research sedang menggunakan supercomputer untuk menemukan cara baru untuk memperbaiki rancangan dan kinerja mesin jet dan mesin ‘turbomachinery’ pembangkit listrik. Kredit foto: GE Research.

Fakta menarik: turbin mesin, termasuk mesin pesawat, dapat menjadi lebih panas daripada titik cair dari komponen-komponennya, tapi komponen-komponen itu tidak mencair. Hal itu sepertinya bertentangan dengan intuisi kita, namun itu semua menjadi bagian dari pekerjaan sehari-hari dari para insinyur di GE Research, yang berupaya mendapatkan pemahaman yang lebih mendalam tentang aliran panas melalui turbin. Mengapa demikian? Karena itu adalah bagian penting dari tantangan yang lebih besar: Mengingat peran penting yang dimainkan oleh turbin dalam mesin pesawat terbang dan pembangkitan listrik, perubahan sedikit saja dalam desain dapat membawa penghematan yang luar biasa besar dalam biaya dan efisiensi. Nah, untuk itu kita perlu melakukan simulasi komputer, kata insinyur GE Research Rick Arthur: “Sama seperti pakar biologi menggunakan mikroskop atau para ahli astronomi menggunakan teleskop, simulasi dengan kemiripan tingkat tinggi membuat para peneliti mampu melihat apa yang seharusnya tidak bisa dilihat.” Kemiripan tingkat tinggi akan menjadi semakin tinggi, mengingat GE Research sudah mendapatkan izin penggunaan salah satu supercomputer paling cepat di dunia.

Sim city: Itulah Summit, yang ditempatkan di Oak Ridge National Laboratory di Tennessee. Supercomputer itu akan membuat para peneliti mampu menciptakan simulasi yang realistis tentang gejolak aliran panas yang mengalir melalui mesin dengan lebih baik daripada yang diperoleh bila mereka menggunakan model-model turbin dari komputer tua, yang pastinya tidak dapat memproses data dengan cepat. “Itu membuka berbagai prediksi yang sama sekali baru yang sebelumnya tidak akan pernah bisa kita lakukan,” kata Michal Osusky, lead thermosciences engineer di GE Research. “Bukannya metodologinya dulu tidak ada. Tapi sumber daya komputasi dengan kemampuan seperti sekarang dulu belum ada.”