Merevolusioner Listrik Hidro: Balang Turbin Berbasis Komposit untuk Efisiensi Tinggi

Istilah "listrik hidro" seringkali membuat orang teringat operasi besar yang didorong oleh infrastruktur yang dibuat khusus seperti sistem bendungan dan turbin besar dengan balang turbin berbasis logam tradisional berbentuk propeller. Namun, banyak area kehabisan kapasitas baru untuk pembangkit listrik tenaga air skala besar dan daya tinggi. Pada saat yang sama, permintaan untuk lebih banyak dan energi terbarukan dengan biaya lebih rendah terus bertambah.

U.S. Department of Energy (DOE), dalam laporan "Hydropower Vision" 2018nya yang menggambarkan keadaan saat ini listrik hidro di Amerika Serikat dan tujuannya untuk masa depan, memprediksi bahwa pertumbuhan pasar listrik hidro AS — dari 101 gigawatt (GW) kapasitas energi pada 2018 menjadi kapasitas potensi hampir 150 GW pada 2050 — akan memerlukan teknologi canggih baru yang dapat menyediakan lebih banyak energi dengan biaya lebih rendah.

Salah satu solusi potensial adalah generator hidro yang lebih kecil yang menangkap energi yang tidak terpantau dari sistem air aliran rendah seperti saluran irigasi dan sungai, menurut Darren Wren, manajer umum di Kinetic NRG (Gold Coast, Australia). Didirikan pada 2016 oleh pendiri yang telah meninggal, Paul Camilleri, Kinetic NRG adalah perusahaan energi terbarukan yang didanai secara pribadi yang berfokus pada pengembangan teknologi generasi tenaga air baru untuk menyampaikan listrik yang hemat biaya dan dapat diandalkan.

Teknologi pertama perusahaan disebut sistem Hydro-kinetic Energy Generator (HEG), yang berukuran 1,5 meter diameter dengan output hingga 30 kilowatt (kW) dari aliran air 2,0 meter per detik. Output ini menjadikannya sistem hidropower "mikro" menurut badan klasifikasi seperti U.S. DOE, yang mendefinisikan sistem mikro sebagai yang memiliki kapasitas hingga 100 kW. Disediakan untuk penggunaan langsung di sungai, saluran irigasi atau tail race yang mengalirkan air dari bendungan yang ada, HEG dirancang untuk hidropower low-head — artinya "head," atau jarak antara garis air dan turbin, kurang dari 20 meter.

Pengembangan HEG dan balang turbin spiralnya telah berlangsung selama sekitar lima tahun, kata Wren. "Itu telah menjadi perjalanan yang panjang. Desain yang kami miliki sekarang lahir secara harfiah melalui coba-coba."

Merancang balang modular yang dapat diproduksi

Model balang spiral skala kecil pertama Kinetic NRG dibuat dari logam, tetapi saatnya untuk memproduksi prototipe skala penuh 1,5 meter diameter, "kami sebenarnya menemukan bahwa kami tidak dapat membuatnya," kata Wren. Konsepnya adalah memulai dengan potongan logam datar dan kemudian membentuk atau memukul serangkaian spiral yang memancar dari tengah. "Kami hanya tidak dapat menemukan cara untuk mengakses titik-titik tertentu dari bagian untuk menciptakan kekuatan yang kami butuhkan," katanya menjelaskan.

Perusahaan akhirnya mengusir usaha logamnya, tetapi tidak desain itu sendiri. Wren mengatakan Kinetic NRG bekerja sama dengan universitas setempat untuk menjelajahi teknik manufaktur dan bahan alternatif seperti nylon atau keramik, dan mulai berbicara dengan perusahaan pencetakan 3D untuk melihat apakah pencetakan tambah dapat menjadi opsi yang feasible. Masih, tidak ada solusi yang muncul yang memberikan kombinasi yang tepat antara kemanufacturan dan properti mekanik. Akhirnya, setelah perjalanan tiga tahun, Kinetic NRG diperkenalkan melalui koneksi jaringan suplai ke tim di perusahaan engineering Advanced Composite Structures Australia (ACS-A, Melbourne), yang spesialis dalam desain dan manufaktur komponen komposit nilai tambah tinggi volume rendah untuk berbagai pasar akhir.

Wren menyebut apa yang terjadi selanjutnya sebagai "pertemuan pikiran," menjelaskan bahwa Kinetic NRG bekerja sama dengan Paul Falzon, manajer umum di ACS-A, dan timnya pada berbagai metode untuk memproduksi dan merancang bagian menggunakan bahan komposit — bahan yang ACS-A ketahui dari pengalaman akan mampu menyediakan persyaratan bentuk, bobot dan kekakuan yang dibutuhkan Kinetic NRG.

Bentuk balang inovatif adalah tantangan desain utama untuk proyek, dengan persyaratan mekanik untuk balang berdasarkan, menurut Wren, standar yang ditetapkan oleh U.S. DOE dan International Electrotechnical Commission. Sisa komponen sistem — transmisi, manajemen daya, komunikasi, dll. — adalah produk off-the-shelf standar yang diketahui memenuhi semua peraturan yang diperlukan.

Menurut Falzon, ACS-A pertama mengevaluasi upaya logam untuk desain balang, dan kemudian menentukan bagaimana mencapai bentuk, toleransi dimensi dan bobot balang yang diperlukan. Balang juga perlu dapat menahan lingkungan air, dan cukup kaku untuk mendukung poros baja turbin tempatnya dilekatkan. Tim ACS-A memulai dengan desain logam asli dan "reverse engineered" balang komposit serat kaca untuk mencocokkan kekakuan asli, kata Falzon. Namun, beberapa perubahan desain perlu dilakukan saat beralih dari struktur logam yang diweld dan dibentuk ke laminat komposit. Seperti yang dijelaskan Falzon, "Kami mundur sejenak dan bertanya, 'Baiklah, jika kami akan memanfaatkan sepenuhnya bahan komposit, bagaimana tampilan hal ini?'"

Setelah beberapa iterasi dan diskusi, desain saat ini yang terbentuk terdiri dari empat balang komposit identik yang saling mengunci untuk membentuk bentuk spiral akhir. "Balang komposit sebenarnya lebih tebal dari desain baja, tapi lebih ringan karena densitas bahan yang lebih rendah yang kami kerjakan," kata Falzon. "Lebih tebal juga berarti kami mendapatkan banyak kekakuan lentur lebih banyak dibandingkan desain baja, jadi sebenarnya Anda mendapatkan produk yang jauh lebih kaku secara keseluruhan."

Inverted tooling

Mengembangkan bentuk untuk alat cetak, kata Falzon, adalah bagian paling menantang dari proses. Tim ACS-A mengevaluasi bentuk rangkaian balang asli menggunakan software CATIA dari Dassault Systèmes (Waltham, Mass., AS). Ini mengarah pada pengembangan permukaan balang dan desain konsep alat cetak. "Ketika Anda melihat bagian-bagian seperti sekarang ini, mereka sebenarnya dibuat dalam orientasi terbalik. Model balang harus dibalik untuk membuat alat cetak, dan ini aneh sampai Anda melihat alat cetak aktual ketika tiba. Ini cukup kompleks," kata Falzon. Dia menjelaskan bahwa alat cetak harus dibalik "untuk memastikan kami dapat mencapai finishing permukaan yang diperlukan di sisi balang yang terpapar aliran air," dan untuk memastikan setiap komponen balang yang diproduksi dapat dicetak dalam satu potongan. Alat cetak juga harus presisi: komponen balang yang saling mengunci harus dapat diselaraskan tepat saat dirakit, satu sama lain dan dengan poros pusat turbin. Untuk prototipe, alat cetak, yang disediakan oleh Sykes Australia (Sydney), diproduksi dari pasta alat cetak berbiaya rendah yang diikat pada backing busa dan kemudian diproses CNC ke bentuk akhir.

Bagian bawah alat cetak balang turbin.

Setelah alat cetak dikembangkan, prototipe balang skala penuh saat ini dibangun dari kain noncrimp fabric (NCF) serat kaca dan resin epoxy, diproduksi melalui hand layup dan dikeringkan pada suhu ruang, diikuti dengan post cure dalam oven pada suhu yang lebih tinggi dan aplikasi cat grade laut. Bahan dipilih, kata Falzon, untuk memenuhi persyaratan struktural dan biaya untuk bagian. Subkomponen yang saling mengunci diikat secara adesif — dipilih di atas pemasangan mekanis untuk kontrol dan akurasi dimensi yang lebih baik dalam penginstalan. "Trik sebenarnya," katanya, "adalah untuk memastikan bahwa balang dapat saling mengunci, tetapi setelah kami melaminasi semuanya dan melekatkannya bersama ini membentuk rangkaian yang sangat rigid yang mencapai kinerja bentuk struktural dan hidrodinamis yang diperlukan."

Analisis digital kekakuan struktur dan properti mekanik lainnya dilakukan menggunakan alat dari MSC Software (Newport Beach, Calif., AS). "Sistem ini jauh lebih efisien, lebih ringan dan mampu melakukan lebih banyak pekerjaan daripada desain asli," Falzon menambahkan.

 

Menuju produksi komersial

Menurut Wren, target produksi awal Kinetic NRG akan 950 unit selama periode tiga tahun, dan kemudian menskalakan dari sana menjadi beberapa ribuan per tahun. Pelanggan potensial, kata Wren, dapat mencakup individu pribadi dan perusahaan, perusahaan listrik dan pemerintah daerah — berbagai macam, menekankan keberagaman konsep HEG. Sistem dapat dipasang sebagai "mini pembangkit listrik tenaga air" dalam saluran irigasi, atau ditempatkan di bawah generator hidro yang ada untuk menghasilkan daya dari aliran yang tidak teroptimalkan, atau sebagai daya tambahan untuk komunitas atau bisnis terpencil, katanya.

Saat ini, prototipe HEG skala penuh sedang dalam pengujian mekanis di air; sementara itu, proses manufaktur skala besar sedang dievaluasi untuk produksi komersial.

ACS-A berharap untuk terus menyempurnakan desain balang, sesuai kebutuhan, tergantung pada hasil pengujian mekanis dan persyaratan untuk manufaktur hemat biaya yang paling mungkin. Secara khusus, kata Falzon, ACS-A sedang menjelajahi proses preforming otomatis "jadi kami dapat mendapatkan bentuk yang tepat dengan tenaga kerja manual minimal," diikuti oleh light resin transfer molding (L-RTM) atau proses kecepatan lebih tinggi lainnya.

Metode untuk penginstalan turbin juga sedang dievaluasi, tujuannya, kata Wren, agar subkomponen balang diproduksi secara modular dan dirakit secara lokal, untuk menghindari biaya dan tantangan dalam pengiriman unit skala penuh sambil menciptakan peluang pekerjaan lokal dan menurunkan biaya pemasangan. Untuk membuat ini mungkin, ACS-A mungkin perlu mengubah cara balang saling mengunci dan jumlah subkomponen dalam setiap rangkaian, juga. "Kami masih akan memiliki balang penuh dalam bentuk aslinya, itu masih akan menjadi bagian kunci," kata Wren, "tapi kami mungkin mengubah di mana transisi terjadi untuk membuat bentuk yang sama dengan lebih sedikit komponen untuk penginstalan onsite yang lebih mudah."

Dua perusahaan juga mengevaluasi konversi komponen logam turbin menjadi komposit, untuk mengurangi bobot rangkaian keseluruhan. "Kami akan menggunakan serat kaca di mana sesuai dan serat karbon di mana sesuai, tetapi pada akhirnya, kami perlu mencapai titik harga untuk teknologi ini untuk membuat biaya generasi energi untuk sistem kompetitif biaya," kata Falzon.

Saat proses desain dan manufaktur mendekati optimasi, tantangan berikutnya akan, menurut Wren, mengamankan investasi dan mitra manufaktur yang tepat untuk menskalakan ke volume komersial.