1. Pendahuluan
Ada satu ironi besar dalam dunia energi modern: kita sibuk mencari sumber energi baru, tetapi sering lupa mengelola energi yang sudah ada. Kita bicara soal pembangkit, panel surya, baterai, dan teknologi tinggi lain, tetapi pada saat yang sama energi juga terus “hilang” lewat jalur yang lebih sunyi: panas yang terbuang, sistem pendingin yang boros, dan bangunan yang tidak dirancang untuk bekerja selaras dengan iklimnya sendiri.
Krisis energi global membuat ironi ini makin terlihat jelas. Ketika populasi meningkat, kebutuhan listrik bertambah. Ketika ekonomi tumbuh, konsumsi energi ikut naik. Dan ketika pandemi serta konflik geopolitik membuat rantai pasok energi terguncang, kita mulai sadar bahwa ketahanan energi bukan hanya soal punya sumber, tetapi juga soal punya kontrol.
Dalam konteks itu, bangunan memegang peran yang sering diremehkan. Banyak orang menganggap energi terbesar dikonsumsi industri berat, lalu sisanya rumah tangga. Padahal sektor gedung dan bangunan justru menyerap energi dalam porsi besar, terutama lewat sistem pengondisian udara: pendinginan dan pemanasan. Di wilayah tropis seperti Indonesia, pendinginan menjadi kebutuhan dominan. Masalahnya, kebutuhan ini cenderung naik karena pola hidup berubah, urbanisasi meningkat, dan kenyamanan termal menjadi standar baru.
Di titik ini, konservasi energi bukan lagi slogan hemat listrik. Ia menjadi strategi nasional.
Dan strategi ini punya satu konsep yang sederhana tetapi penting: jika energi tidak selalu tersedia secara kontinu, maka energi harus bisa disimpan. Tidak selalu dalam bentuk listrik. Kadang, menyimpan panas justru lebih masuk akal. Karena pada akhirnya, banyak energi yang dipakai manusia bukan untuk “menyalakan mesin,” tetapi untuk mengatur temperatur.
Di sinilah sistem penyimpan energi termal atau Thermal Energy Storage (TES) menjadi relevan. TES bekerja dengan prinsip yang mudah dipahami: menyimpan energi termal ketika tersedia, lalu menggunakannya ketika dibutuhkan. Dan dalam dunia bangunan, teknologi seperti ini bisa menjadi pembatas pemborosan yang sangat efektif—terutama ketika kita ingin menekan beban AC tanpa mengorbankan kenyamanan.
Artikel ini membahas TES sebagai teknologi konservasi energi, dengan fokus pada penyimpanan laten berbasis material berubah fase (Phase Change Material/PCM). Pembahasan dibuat naratif-analitis, karena isu TES bukan sekadar urusan material, tetapi urusan sistem: bagaimana kita mengubah cara bangunan bekerja, dan bagaimana teknologi bisa membantu menekan konsumsi energi tanpa membuat hidup terasa lebih sulit.
2. Mengapa Penyimpanan Energi Termal Penting: Bangunan, AC, dan “Kebocoran Energi” yang Normalisasi
Selama ini, banyak orang memahami pemborosan energi sebagai perilaku individual. Lampu lupa dimatikan, AC disetel terlalu dingin, atau perangkat elektronik dibiarkan menyala. Semua itu benar. Tetapi ada masalah yang lebih besar: pemborosan energi yang terjadi karena sistemnya memang boros sejak awal.
Bangunan bisa boros bukan karena penghuninya malas, tetapi karena desainnya membuat energi terus “bocor.” Panas matahari masuk, dinding menyerap energi, ruangan menjadi panas, lalu AC bekerja keras untuk menurunkannya. Ketika AC bekerja keras, listrik meningkat. Lalu listrik meningkat menjadi beban bagi jaringan energi. Dan beban itu berulang setiap hari seperti rutinitas yang dianggap normal.
Ini siklus yang sangat familiar di negara tropis. Kita hidup di wilayah yang kaya sinar matahari, tetapi sinar itu sering dipandang sebagai musuh karena membuat ruangan panas. Padahal, jika dibaca lebih strategis, matahari adalah sumber energi paling melimpah. Tantangannya hanya satu: kontinuitas. Matahari tidak selalu ada di jam yang kita butuhkan. Ia punya ritmenya sendiri.
Maka kebutuhan berikutnya adalah teknologi penyimpanan.
TES menjadi penting karena ia memberi solusi yang terasa sederhana: panas dari matahari atau panas sisa dari sistem bisa ditangkap dan disimpan, sehingga energi tidak menguap begitu saja. TES juga menawarkan kelebihan dibanding banyak sistem penyimpanan energi lain, terutama karena konteksnya lebih dekat ke kebutuhan manusia sehari-hari. Kita tidak selalu butuh energi sebagai listrik murni, tetapi sering butuh energi sebagai kemampuan mengatur temperatur.
Secara umum, TES dapat dibagi menjadi tiga pendekatan utama:
-
penyimpanan sensible (berbasis perubahan temperatur),
-
penyimpanan laten (berbasis perubahan fase),
-
penyimpanan termokimia.
Di antara ketiganya, penyimpanan laten sering dianggap paling menarik untuk aplikasi praktis bangunan, karena efisiensinya tinggi dan sistemnya lebih sederhana dibanding termokimia. Penyimpanan laten memanfaatkan material berubah fase (PCM), yang biasanya bekerja melalui transisi padat-cair (melting) saat menyerap panas, lalu cair-padat (solidifikasi) saat melepas panas.
Di sini, PCM tidak “menciptakan energi.” Ia hanya mengatur kapan energi dilepas dan diserap. Tetapi dalam sistem bangunan, kemampuan “mengatur waktu” ini bisa menjadi pembeda besar. Karena beban puncak AC biasanya terjadi pada jam tertentu, dan jika kita bisa menggeser sebagian beban itu, sistem energi menjadi lebih stabil, lebih hemat, dan lebih mudah dikelola.
Yang menarik, PCM bisa beragam: organik, anorganik, maupun eutektik. Air sendiri adalah salah satu PCM paling populer karena murah dan tersedia, meskipun tidak selalu ideal untuk semua kondisi.
Di titik ini, PCM terasa seperti teknologi yang “terlalu sederhana untuk dianggap penting.” Tetapi justru kesederhanaannya yang membuat ia menarik. Kita tidak selalu butuh revolusi energi yang rumit. Kadang kita butuh solusi yang membuat energi lebih tertib.
Namun PCM punya persoalan khas yang membuatnya tidak bisa dipakai secara sembarangan: supercooling dan keterbatasan transfer panas.
Supercooling adalah fenomena ketika material tidak membeku pada temperatur yang seharusnya, melainkan membutuhkan temperatur lebih rendah untuk memulai pembekuan. Ini mungkin terdengar sepele, tetapi pada sistem penyimpanan energi termal, supercooling bisa membuat PCM gagal melepas energi sesuai jadwal. Ia seperti baterai panas yang “malas mengeluarkan” energinya saat dibutuhkan.
Selain itu, laju perpindahan kalor juga menjadi faktor penting. PCM bisa menyimpan energi besar, tetapi jika ia lambat dalam menyerap atau melepas panas, maka manfaatnya menjadi kurang optimal.
Dengan kata lain, TES berbasis PCM menjanjikan efisiensi, tetapi ia juga menuntut rekayasa material yang serius. Dan di sinilah riset memainkan peran penting: bukan hanya mencari PCM yang bisa berubah fase, tetapi mencari PCM yang berubah fase dengan cara yang dapat dikendalikan.
3. PCM Itu Tidak Simetris: Mengapa Melting dan Solidifikasi Punya Karakter Berbeda
Ada satu hal yang sering membuat teknologi PCM terlihat lebih mudah daripada kenyataannya: kita mengira prosesnya simetris. Logikanya tampak sederhana. Ketika suhu naik, material meleleh dan menyimpan energi. Ketika suhu turun, material membeku dan melepas energi. Seolah-olah proses itu akan berjalan mulus seperti tombol on-off.
Padahal kenyataannya, melting dan solidifikasi tidak selalu “berperilaku sama.”
Dalam banyak material PCM, proses meleleh sering terasa lebih mudah terjadi. Ketika energi masuk, material perlahan bergerak menuju fase cair. Tetapi ketika energi harus keluar, proses pembekuan bisa jauh lebih “rewel.” Material bisa menunda pembekuan, bisa membeku tidak merata, dan bisa mengalami fenomena yang membuat pelepasan panas tidak terjadi tepat waktu.
Inilah salah satu alasan mengapa PCM menjadi teknologi yang menarik sekaligus rumit. Ia bukan sekadar penyimpan panas, tetapi penyimpan panas yang harus punya jadwal. Kalau PCM menyerap panas terlalu cepat tetapi melepas panas terlalu lambat, atau sebaliknya, maka sistem menjadi tidak efektif.
Dalam konteks bangunan, masalah ini terasa sangat nyata.
Pada siang hari, ketika suhu lingkungan tinggi dan beban pendinginan meningkat, PCM diharapkan menyerap panas sehingga suhu ruang lebih stabil. Tetapi pada malam hari, PCM seharusnya melepas panasnya agar siap digunakan lagi untuk siklus berikutnya. Jika pelepasan panas tidak terjadi, PCM akan “penuh” dan tidak bisa menyimpan energi pada hari berikutnya. Akibatnya, sistem kehilangan fungsi utamanya.
Yang menarik, perbedaan perilaku melting dan solidifikasi juga terkait dengan cara panas berpindah.
Ketika PCM dalam fase padat mulai meleleh, biasanya terbentuk lapisan cair di permukaan yang kontak dengan sumber panas. Lapisan cair ini memungkinkan perpindahan panas terjadi lewat kombinasi konduksi dan konveksi. Artinya, setelah sebagian material menjadi cair, ia bisa “membantu dirinya sendiri” mempercepat proses meleleh karena fluida bergerak.
Namun ketika PCM membeku, prosesnya lebih sering didominasi konduksi. Lapisan padat yang terbentuk di permukaan menjadi penghalang transfer panas. Semakin tebal lapisan padat itu, semakin sulit panas keluar dari bagian dalam. Dengan kata lain, solidifikasi bisa menjadi semakin lambat seiring waktu. Ini menjelaskan mengapa pelepasan energi sering terasa lebih sulit daripada penyerapannya.
Di sini kita mulai melihat bahwa PCM tidak hanya ditentukan oleh titik leleh, tetapi juga oleh dinamika perpindahan kalor dalam dua arah yang berbeda.
Ada faktor lain yang makin memperumit: material PCM tidak selalu berada dalam kondisi ideal. Dalam sistem nyata, PCM bisa mengalami degradasi setelah siklus berulang, bisa mengalami perubahan struktur mikro, atau mengalami segregasi fase terutama pada PCM tertentu. Jika hal ini terjadi, performa PCM menurun, dan sistem TES kehilangan stabilitas.
Karena itu, mengembangkan PCM untuk aplikasi nyata bukan hanya soal menemukan material yang punya titik leleh “pas.” Ia soal membangun sistem yang mampu berulang-ulang tanpa kehilangan performa, dan mampu melepas serta menyerap panas sesuai ritme penggunaan.
Di titik ini, penelitian PCM menjadi lebih dekat dengan penelitian sistem, bukan sekadar penelitian material.
Dan ketika sistemnya adalah bangunan, maka PCM menjadi bagian dari rekayasa kenyamanan termal, bukan sekadar unit eksperimen di laboratorium.
4. Mengatasi Supercooling dan Meningkatkan Transfer Kalor: Strategi Pasif vs Aktif
Kalau PCM adalah teknologi penyimpanan energi yang menjanjikan, maka supercooling adalah salah satu hambatan paling “mengganggu” yang membuatnya sering gagal di aplikasi nyata.
Supercooling terjadi ketika PCM tidak membeku pada temperatur yang seharusnya menjadi titik transisinya, tetapi menunggu sampai temperatur turun lebih rendah sebelum proses pembekuan benar-benar dimulai. Dalam bahasa sederhana, materialnya seperti “menahan diri” untuk membeku. Dan akibatnya, energi panas yang seharusnya dilepas pada waktu tertentu justru tertahan lebih lama dari yang kita inginkan.
Dalam TES, ini masalah besar, karena TES adalah tentang pengaturan waktu energi. Ketika pelepasan energi meleset, keseluruhan sistem menjadi tidak sinkron.
Karena itu, riset dan inovasi di TES sering fokus pada dua target besar:
-
menekan supercooling,
-
meningkatkan laju transfer kalor.
Untuk mencapai dua target ini, pendekatan biasanya bisa dibaca dalam dua kategori: pasif dan aktif.
Strategi pasif berarti memperbaiki sistem tanpa memasukkan energi tambahan. Ia mengandalkan desain material dan struktur.
Salah satu strategi pasif paling umum adalah menambahkan nucleating agent. Secara konsep, nucleating agent membantu “memulai” proses pembekuan lebih awal, sehingga PCM tidak perlu menunggu suhu turun jauh untuk membeku. Ini penting karena pembekuan yang tepat waktu berarti pelepasan panas yang tepat waktu.
Strategi pasif lain adalah meningkatkan konduktivitas termal PCM. Banyak PCM, terutama yang berbasis organik, memiliki konduktivitas termal yang rendah. Akibatnya, panas sulit masuk dan keluar dengan cepat. Salah satu cara yang sering dikembangkan adalah menambahkan material konduktif seperti grafit, partikel logam, atau struktur berpori yang memungkinkan panas menyebar lebih cepat. Dengan konduktivitas yang lebih baik, PCM bisa bekerja lebih responsif.
Ada juga pendekatan desain geometri, misalnya dengan membuat fin atau sirip pada wadah PCM agar luas permukaan perpindahan panas meningkat. Ini terdengar sederhana, tetapi sangat efektif karena transfer panas pada PCM sering dibatasi oleh kontak dan geometri.
Namun strategi pasif punya batas. Jika kita hanya mengandalkan perubahan material dan struktur, kita masih terikat pada sifat alami PCM.
Di titik ini, strategi aktif muncul.
Strategi aktif berarti sistem dibantu dengan mekanisme eksternal yang memakai energi tambahan, dengan tujuan membuat PCM lebih terkendali. Misalnya dengan memberikan vibrasi, medan listrik, atau kontrol temperatur tertentu untuk memicu pembekuan. Pendekatan ini bisa lebih mahal dan lebih kompleks, tetapi di beberapa aplikasi ia bisa menjadi kunci, terutama ketika kebutuhan kontrol sangat ketat.
Yang menarik, strategi aktif sering dipakai ketika PCM ditargetkan untuk aplikasi yang membutuhkan presisi tinggi, bukan sekadar peredam temperatur. Dalam bangunan, pendekatan pasif sering lebih disukai karena sistem harus murah, sederhana, dan bisa bekerja tanpa perawatan rumit. Tetapi dalam sistem industri tertentu, strategi aktif bisa lebih diterima jika manfaatnya signifikan.
Di titik ini, kita bisa melihat bahwa TES bukan sekadar ide menyimpan panas, tetapi ekosistem rekayasa: material, desain, dan kontrol sistem harus selaras.
Jika tidak, PCM hanya akan menjadi bahan yang “teoritisnya bagus” tetapi tidak efektif saat diterapkan.
Dan di sinilah nilai riset menjadi jelas. Riset TES bukan hanya untuk menghasilkan publikasi, tetapi untuk mengubah teknologi yang secara konsep sederhana menjadi teknologi yang benar-benar bisa dipakai dalam sistem nyata.
5. TES untuk Bangunan Tropis: Potensi Hemat Energi, tetapi Harus Realistis dalam Implementasi
Kalau ada satu tempat yang paling “logis” untuk penerapan Thermal Energy Storage, itu justru bangunan. Alasannya sederhana: bangunan mengonsumsi energi secara terus-menerus, dan porsi paling besar sering berasal dari kebutuhan menjaga kenyamanan termal. Di Indonesia, kenyamanan termal biasanya identik dengan pendinginan. Dan pendinginan identik dengan AC. Ketika AC semakin menjadi standar hidup, konsumsi listrik bangunan ikut naik, dan beban puncak listrik biasanya terjadi pada jam yang sama: siang sampai sore.
Di titik ini, TES punya narasi yang sangat menarik: ia dapat menggeser beban energi.
Menggeser beban berarti beban puncak bisa dikurangi dengan cara menyimpan energi termal di waktu tertentu, lalu memanfaatkannya saat jam kritis. TES tidak harus menggantikan AC sepenuhnya. Justru TES bisa menjadi “mitra” AC untuk menekan beban kerja sistem pendingin agar tidak selalu memikul seluruh beban sendirian.
Salah satu skenario paling rasional adalah TES berbasis PCM yang terintegrasi pada sistem bangunan. PCM dapat ditempatkan di dinding, plafon, lantai, atau dalam modul tertentu, sehingga ia menyerap panas ketika suhu ruangan naik dan melepasnya ketika suhu turun.
Namun penerapannya tidak bisa asal “tempel PCM lalu selesai.” Bangunan tropis punya karakter yang khas: suhu harian relatif tinggi, variasi suhu malam hari tidak selalu cukup rendah, dan kelembapan tinggi bisa memengaruhi persepsi kenyamanan. Ini membuat pemilihan PCM harus benar-benar tepat.
PCM yang terlalu tinggi titik lelehnya tidak akan aktif ketika ruangan mulai panas. PCM yang terlalu rendah titik lelehnya mungkin akan selalu dalam fase cair dan tidak bekerja optimal sebagai penyimpan laten. Jadi ada kebutuhan untuk memilih PCM yang “pas” dengan ritme suhu tropis, bukan sekadar “bagus di katalog.”
Selain itu, kita harus realistis tentang kondisi bangunan Indonesia.
Banyak bangunan dibangun bukan berdasarkan desain termal optimal, tetapi berdasarkan kebutuhan cepat dan biaya. Banyak bangunan tidak punya insulasi yang baik. Banyak ruang memiliki kebocoran udara. Banyak bangunan mengandalkan pendinginan mekanis tanpa strategi pasif yang matang. Dalam kondisi seperti ini, PCM bisa membantu, tetapi tidak bisa menyelamatkan bangunan yang memang sejak awal “dibuat boros.”
Di sinilah TES harus dipahami sebagai bagian dari sistem efisiensi energi yang lebih luas. TES bisa efektif ketika ia didukung oleh desain bangunan yang masuk akal: orientasi, shading, ventilasi, material dinding, dan manajemen panas yang lebih baik. TES bukan solusi tunggal. Ia adalah penguat.
Hal penting lain adalah soal biaya dan perawatan.
Banyak teknologi efisiensi energi gagal diterapkan bukan karena tidak efektif, tetapi karena terlalu kompleks atau terlalu mahal. Untuk bangunan di Indonesia, teknologi yang paling mungkin diadopsi luas adalah teknologi yang sederhana, tidak menuntut perawatan tinggi, dan dapat bekerja dalam waktu lama tanpa intervensi besar.
Ini membuat strategi pasif lebih menarik. PCM yang dirancang dengan nucleating agent dan peningkatan konduktivitas termal akan lebih mudah diterima dibanding sistem aktif yang membutuhkan kontrol tambahan. Tetapi strategi pasif harus benar-benar matang, karena jika supercooling tetap terjadi, maka PCM tidak akan melepas panas pada waktu yang dibutuhkan. Dan jika PCM tidak bisa melepas panas, ia seperti “baterai termal yang macet.”
Ada pula aspek lain yang sering diabaikan: integrasi ke industri konstruksi.
PCM tidak akan digunakan secara luas jika ia hanya tersedia sebagai teknologi laboratorium. PCM harus bisa diproduksi dalam skala, bisa dipasang dengan metode konstruksi yang realistis, dan punya standar keselamatan yang jelas. Ini termasuk isu seperti kestabilan material, keamanan kebakaran (untuk PCM tertentu), hingga kompatibilitas dengan material bangunan lain.
Di titik ini, TES untuk bangunan tropis sebenarnya bukan hanya proyek energi, tetapi proyek industri. Ia membutuhkan ekosistem: riset material, desain sistem, produksi massal, dan standar implementasi.
Dan ketika ekosistem itu terbentuk, manfaat TES tidak hanya berupa penghematan listrik, tetapi juga stabilitas sistem energi. Jika beban puncak bisa ditekan, jaringan listrik menjadi lebih stabil. Jika jaringan lebih stabil, kebutuhan pembangkit cadangan bisa berkurang. Dan jika kebutuhan pembangkit cadangan turun, emisi juga ikut turun.
Di sini kita melihat bahwa TES bukan hanya teknologi kecil untuk bangunan. Ia bisa menjadi bagian dari strategi besar untuk mengelola permintaan energi secara lebih cerdas.
6. Kesimpulan: TES adalah Teknologi Hemat Energi yang Menuntut Kesabaran Rekayasa
Thermal Energy Storage terlihat seperti teknologi yang sederhana: menyimpan panas, lalu menggunakannya kembali. Tetapi begitu ia masuk ke dunia nyata, terutama dunia bangunan dan sistem pendingin, kesederhanaan itu berubah menjadi tantangan rekayasa yang kompleks.
PCM sebagai basis TES laten menawarkan potensi besar karena ia bisa menyimpan energi dalam jumlah besar tanpa membutuhkan volume yang terlalu besar. Tetapi PCM juga membawa persoalan yang harus ditangani dengan serius: supercooling, perbedaan perilaku melting dan solidifikasi, serta keterbatasan perpindahan kalor.
Ini membuat TES bukan sekadar urusan “material yang bisa meleleh.” Ia adalah urusan bagaimana material itu bekerja secara konsisten di dalam sistem.
Dalam konteks Indonesia, TES menjadi semakin relevan karena kebutuhan pendinginan bangunan terus meningkat. Urbanisasi meningkat, gaya hidup berubah, dan kenyamanan termal menjadi standar baru. Jika pola konsumsi energi ini tidak dikendalikan, maka efisiensi energi akan selalu tertinggal satu langkah di belakang pertumbuhan permintaan.
TES memberi cara untuk mengontrol konsumsi energi bukan dengan melarang kenyamanan, tetapi dengan mengatur ritmenya. Ia membantu menekan beban puncak dan membuat sistem pendinginan lebih ringan. Tetapi manfaat ini hanya bisa tercapai jika penerapannya realistis, titik transisi PCM cocok dengan iklim tropis, dan sistemnya dirancang agar tidak terjebak pada masalah supercooling dan transfer panas yang lambat.
Karena itu, TES sebenarnya bukan teknologi yang membutuhkan sensasi, tetapi teknologi yang membutuhkan kesabaran. Ia membutuhkan riset yang teliti, uji siklus jangka panjang, dan desain sistem yang mempertimbangkan kondisi nyata bangunan Indonesia.
Jika semua itu dilakukan, TES bisa menjadi salah satu teknologi konservasi energi paling strategis. Bukan karena ia terlihat futuristik, tetapi karena ia menyerang masalah yang paling nyata: pemborosan energi yang sudah terlanjur dianggap normal.
Dan di tengah krisis energi global, kemampuan menyimpan energi termal dengan cara yang sederhana dan efektif bisa menjadi salah satu langkah kecil yang menghasilkan dampak besar.
Daftar Pustaka
Sutjahja, I. M. (2024). Sistem penyimpan energi termal untuk konservasi energi. Orasi Ilmiah Guru Besar, Institut Teknologi Bandung.
Cabeza, L. F., Castell, A., Barreneche, C., de Gracia, A., & Fernández, A. I. (2011). Materials used as PCM in thermal energy storage in buildings: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15(3), 1675–1695.
Sharma, A., Tyagi, V. V., Chen, C. R., & Buddhi, D. (2009). Review on thermal energy storage with phase change materials and applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13(2), 318–345.
Zalba, B., Marín, J. M., Cabeza, L. F., & Mehling, H. (2003). Review on thermal energy storage with phase change materials, heat transfer analysis and applications. Applied Thermal Engineering, 23(3), 251–283.