Ketika dunia berjuang untuk memenuhi tantangan mencegah bencana perubahan iklim, industri pembangkit listrik telah diakui sebagai area yang paling penting untuk mengurangi emisi karbon. Oleh karena itu, lebih dari setengah negara bagian di Amerika Serikat telah memberlakukan arahan listrik terbarukan, termasuk beberapa negara bagian terbesar seperti California, Texas, dan New York, dan Arahan Energi Terbarukan Uni Eropa telah menetapkan target serupa. Terutama karena intermitensi dan variabilitas energi angin dan energi matahari, integrasi sumber daya energi terbarukan adalah tantangan yang semakin serius bagi utilitas publik.
Dalam sepuluh tahun terakhir, biaya angin dan energi matahari telah turun tajam. Dalam banyak kasus mereka memiliki keunggulan kompetitif dibandingkan bahan bakar fosil, terutama ketika digunakan pada skala grid. Instalasi komersial dan skala industri juga sangat ekonomis, terbukti oleh fakta bahwa perusahaan seperti Wal-Mart, Target dan Amazon telah menempatkan sejumlah besar panel surya di gudang dan lokasi ritel. Dengan terus berkembangnya energi angin lepas pantai dan teknologi panel surya non-tetap, titik-titik energi terbarukan yang berlaku juga semakin meluas.
Ditambah dengan kapasitas surya perumahan yang terus berkembang, tantangan lain untuk utilitas adalah bahwa integrasi energi terdistribusi tidak berada di bawah kendali mereka. Beberapa negara memberlakukan peraturan wajib pada pengukuran bersih atau biaya pakan di belakang listrik yang dihasilkan oleh meteran, yang menambah kompleksitas dan mempengaruhi pendapatan utilitas.
Tantangan besar lainnya juga terkait dengan perubahan iklim: keamanan dan keandalan infrastruktur jaringan. Kebakaran hutan baru-baru ini di California dan kebangkrutan PG&E adalah tanda-tanda awal bagaimana cuaca ekstrem dan perubahan iklim akan mempengaruhi jaringan listrik. PG&E bahkan sekarang melakukan pemadaman listrik berskala besar preventif untuk melindungi peralatan, pelanggan, dan hutan.
Sumber daya lain yang ditambahkan ke kombinasi ini adalah penyimpanan energi. Penyimpanan energi dapat mengambil banyak bentuk, termasuk penyimpanan yang dipompa, flywheels besar, kantung udara bertekanan bawah laut, dan bahkan derek yang mengangkat balok beton besar. Banyak dari opsi ini membutuhkan konstruksi skala besar untuk menghemat biaya, atau membutuhkan fitur geografis yang sangat spesifik.
Teknologi penyimpanan energi yang paling menonjol dan paling cepat berkembang adalah baterai. Baterai sangat dapat diskalakan dan dapat digunakan dari skala rumah tangga hingga skala pembangkit listrik. Mereka juga dapat dikerahkan di hampir semua lokasi tanpa perlu penilaian lingkungan yang luas, konstruksi infrastruktur dan pertimbangan peraturan daerah seperti pembangkit listrik tradisional. Pada akhirnya, perusahaan telah mengkonfirmasi bahwa mereka dapat memasang baterai besar hanya dalam enam bulan, yang sangat kontras dengan dekade yang diperlukan untuk merencanakan dan mendukung pembangkit listrik bahan bakar fosil.
Penyimpanan energi membawa banyak manfaat, terutama jika dikombinasikan dengan energi terbarukan yang terputus-terputus. Penggunaan penyimpanan energi yang paling jelas adalah arbitrase energi. Ketika harga listrik rendah, energi disimpan dan kemudian dikirim kembali ke jaringan ketika harga listrik tinggi. Pada hari yang cerah, ketika sumber fotovoltaik (PV) menghasilkan daya yang berlebihan, listrik dapat mengalir ke elemen penyimpanan, sehingga sumber daya "harus dikonsumsi" ini dapat dimanfaatkan hingga tingkat terbesar. Pada malam hari, ketika pembangkit listrik tenaga surya menurun, baterai akan memasok daya yang hilang, dan pembangkit listrik beban dasar akan naik. Oleh karena itu, banyak fasilitas baterai skala besar yang dikerahkan di lokasi yang sama dengan peternakan surya.
Jika PG&E mematikan pelanggan ketika risiko kebakaran tinggi, baterai dan panel surya akan melindungi rumah dan bisnis dari pemadaman listrik, sehingga menjaga proses kritis tetap berjalan dan mencegah makanan merusak. Selain itu, operator daya sekarang mengkoordinasikan dan mengendalikan sumber energi terdistribusi sebagai "pembangkit listrik virtual" yang menghasilkan, menyimpan, dan mengirimkan listrik sesuai dengan permintaan. Dalam beberapa kasus, ini termasuk respons permintaan, di mana beban listrik digeser ke jam sibuk.
Antarmuka utama untuk menghubungkan sumber angin, fotovoltaik, dan baterai ke grid adalah inverter. Sederhananya, inverter mengonversi daya DC ke daya AC dan menyinkronkannya ke frekuensi listrik 60Hz grid. Gambar 1 menunjukkan diagram panel surya yang disederhanakan yang terhubung ke grid, berfokus pada struktur inverter. Ada banyak gaya inverter, termasuk struktur multi-topologi inverter unidirectional dan dua arah dan multi-level. Setiap topologi memiliki kelebihan dan kekurangan tersendiri dalam keadaan tertentu. Komponen kunci dari inverter adalah sakelar daya, yang ditunjukkan pada gambar sebagai transistor bipolar gerbang terisolasi (IGBT).
Inverter: inverter
ACGrid: Kisi AC
Inverter menggunakan mikroprosesor, deteksi dan umpan balik yang tepat, dan algoritma yang benar untuk memberikan berbagai layanan ke grid, tidak hanya menyimpan dan melepaskan energi listrik. Salah satu contohnya adalah dukungan tegangan, regulasi frekuensi, dan pengurangan harmonik untuk menjaga kualitas daya. Energi terdistribusi dapat mengurangi beban pada transmisi daya dan jaringan distribusi karena energi listrik digunakan dekat dengan pembangkit listrik. Ini dapat mengurangi ketegangan dan kemacetan jaringan listrik, dan bahkan menunda peningkatan saluran listrik.
Ketika sejumlah besar daya melewati inverter, konversi antara daya AC dan DC harus sangat efisien. Bahkan, efisiensi puncak inverter komersial adalah 96-98%. Tetapi operator grid menginginkan efisiensi energi yang lebih tinggi, terutama pada skala utilitas, karena perubahan kecil dalam efisiensi energi masih berarti banyak listrik.
Untuk mencapai tingkat efisiensi energi ini, perangkat daya harus memiliki kerugian yang sangat rendah. Saat ini, IGBT telah menjadi switch utama untuk aplikasi ini. Namun, arus konduksi IGBT adalah beberapa ratus ampere, memblokir tegangan beberapa ribu volt. Ini terbuat dari silikon menggunakan proses yang mirip dengan yang digunakan untuk memproduksi chip komputasi berkinerja tinggi untuk ponsel dan pusat data.
Namun, bahan baru diharapkan dapat mencapai kinerja yang lebih tinggi, efisiensi energi yang lebih tinggi, dan keandalan yang lebih tinggi. Secara khusus, silikon karbida (SiC) adalah bahan masa depan. Perangkat elektronik daya SiC memiliki konduksi yang lebih rendah dan mengalihkan kerugian daripada perangkat silikon serupa. Tahap pertama transisi melibatkan dioda tingkat rendah, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, yang terhubung ke IGBT dalam anti-paralel. Mengganti dioda silikon dengan dioda SiC dapat mengurangi kerugian dan mengurangi overshoot selama beralih, sehingga mengurangi stres pada inverter. Meskipun dioda SiC lebih mahal daripada dioda silikon, wastafel panas yang lebih kecil dan ukuran sistem dapat mengurangi biaya sistem secara keseluruhan.
SiCMOSFET adalah tahap berikutnya dari transisi. Kecepatan switching SiC MOSFETs jauh lebih cepat daripada IGBTs silikon, sehingga penggunaannya dalam tahap peningkatan sistem pembangkit listrik tenaga surya membawa keuntungan yang lebih besar. Umumnya, konverter DC-DC digunakan untuk meningkatkan tegangan output panel surya. SIC MOSFETs dapat beralih lebih cepat, sehingga mengurangi ukuran komponen pasif yang mahal seperti induktor dalam tahap peningkatan dan meningkatkan efisiensi.
ON Semiconductor menyediakan berbagai IGBTs, Dioda SiC dan MoSFET SiC untuk memenuhi tegangan dan persyaratan saat ini dari berbagai inverter. Yang paling populer adalah modul daya, yang mengemas banyak sakelar daya dan dioda yang berbeda bersama-sama untuk mencapai ukuran kecil, desain mudah dan disipasi panas yang efisien. Selain perangkat elektronik daya utama, ON Semiconductor juga menyediakan pengemudi gerbang, isolasi galvanis, dan amplifier operasional berkinerja tinggi untuk menyelesaikan sistem.
Dengan peningkatan teknologi energi terbarukan dan penyimpanan energi dan penurunan biaya, "perubahan terbalik" dari jaringan listrik terus berlanjut pada tingkat yang semakin cepat. Selain mengurangi emisi karbon dan polusi, inverter juga mendukung jaringan listrik yang lebih fleksibel dan partisipatif, mengaburkan batas antara konsumen dan produsen. Kontrol dan koordinasi perusahaan daya yang benar dapat meningkatkan kualitas daya, mengurangi biaya peningkatan, dan memberikan pengguna layanan yang lebih andal. Elektronik daya adalah kunci yang memungkinkan teknologi yang memungkinkan infrastruktur penting kami diperbarui.