Lebih dari 200 tahun yang lalu, ketel uap membantu memicu Revolusi Industri. Sejak saat itu, uap telah menjadi sumber kehidupan aktivitas industri di seluruh dunia. Saat ini produksi uap – yang dihasilkan dari pembakaran gas, minyak, atau batu bara untuk merebus air – menyumbang persentase yang signifikan terhadap penggunaan energi global di bidang manufaktur, yang menggerakkan pembuatan kertas, bahan kimia, obat-obatan, makanan, dan banyak lagi.
Kini, startup AtmosZero, didirikan oleh Addison Stark SM ’10, PhD ’14; Todd Bandhauer; dan Ashwin Salvi, mengambil pendekatan baru untuk mengalirkan listrik ke ketel uap yang berusia berabad-abad. Perusahaan telah mengembangkan pompa panas modular yang mampu menghasilkan uap industri pada suhu hingga 150 derajat Celcius untuk berfungsi sebagai pengganti boiler pembakaran.
Perusahaan mengatakan sistem uap 1 megawatt pertamanya jauh lebih murah untuk dioperasikan dibandingkan solusi listrik yang tersedia secara komersial berkat teknologi kompresor ultra-efisien, yang menggunakan listrik 50 persen lebih sedikit dibandingkan boiler resistif listrik. Para pendiri berharap hal ini cukup untuk membuat ketel uap dekarbonisasi mendorong revolusi industri berikutnya.
“Steam adalah fluida kerja terpenting yang pernah ada,” kata Stark, yang menjabat sebagai CEO AtmosZero. “Saat ini semuanya dibangun berdasarkan ketersediaan uap yang ada di mana-mana. Elektrifikasi yang hemat biaya dan memerlukan inovasi yang dapat diperluas. Dengan kata lain, hal ini memerlukan produk yang diproduksi secara massal — bukan proyek yang hanya dilakukan sekali saja.”
Memanfaatkan uap
Stark bergabung dengan Program Teknologi dan Kebijakan ketika dia datang ke MIT pada tahun 2007. Dia akhirnya menyelesaikan gelar master ganda dengan menambahkan teknik mesin ke studinya.
“Saya tertarik dengan transisi energi dan mempercepat solusi untuk mewujudkan hal tersebut,” kata Stark. “Transisi tidak terjadi dalam ruang hampa. Anda perlu menyelaraskan perekonomian, kebijakan, dan teknologi untuk mendorong perubahan tersebut.”
Stark tinggal di MIT untuk mendapatkan gelar PhD di bidang teknik mesin, mempelajari biofuel termokimia.
Setelah MIT, Stark mulai mengerjakan teknologi energi tahap awal dengan Badan Proyek Penelitian Lanjutan— Energi (ARPA-E) Departemen Energi, dengan fokus pada efisiensi manufaktur, hubungan energi-air, dan elektrifikasi.
“Bagian dari pekerjaan itu adalah menerapkan pelatihan saya di MIT pada hal-hal yang belum pernah diinovasi selama 50 tahun,” kata Stark. “Saya melihat penukar panas. Ini sangat mendasar. Saya berpikir, ‘Bagaimana kita bisa menata ulangnya dalam konteks kemajuan modern dalam teknologi manufaktur?'”
Permasalahan ini sangat sulit dan berdampak besar, karena menyentuh hampir setiap sudut perekonomian industri global. Lebih dari 2,2 gigaton CO2 emisi dihasilkan setiap tahun untuk mengubah air menjadi uap – yang menyumbang lebih dari 5 persen emisi terkait energi global.
Pada tahun 2020, Stark ikut menulis artikel di jurnal Joule dengan Gregory Thiel SM ’12, PhD ’15 berjudul, “Untuk mendekarbonisasi industri, kita harus mendekarbonisasi panas.” Artikel tersebut mengkaji peluang dekarbonisasi panas industri, dan membuat Stark bersemangat tentang dampak potensial dari pompa panas listrik yang terstandarisasi dan terukur.
Sebagian besar pilihan ketel listrik saat ini membawa peningkatan besar dalam biaya pengoperasian. Banyak juga yang memanfaatkan panas limbah pabrik, sehingga memerlukan perbaikan yang mahal. Stark tidak pernah membayangkan dirinya akan menjadi seorang pengusaha, namun ia segera menyadari bahwa tidak ada seorang pun yang akan bertindak atas temuannya untuknya.
“Satu-satunya cara untuk mewujudkan penemuan ini adalah dengan mendirikan dan menjalankan perusahaan,” kata Stark. “Ini adalah sesuatu yang tidak saya antisipasi atau inginkan, namun inilah saya.”
Stark bermitra dengan mantan penerima penghargaan ARPA-E Todd Bandhauer, yang telah menemukan teknologi kompresor pendingin baru di labnya di Colorado State University, dan mantan rekan ARPA-E Ashwin Salvi. Tim ini resmi mendirikan AtmosZero pada tahun 2022.
“Kompresor adalah mesin pompa panas dan menentukan efisiensi, biaya, dan kinerja,” kata Stark. “Tantangan mendasar dalam menyalurkan panas adalah semakin tinggi pompa panas Anda menaikkan suhu udara, semakin rendah efisiensi maksimumnya. Hal ini menghadapi batasan termodinamika. Dengan merancang efisiensi optimal pada jendela operasional yang penting bagi zat pendingin yang kami gunakan, dan untuk pembuatan kompresor kami secara presisi, kami dapat memaksimalkan masing-masing tahap kompresi untuk memaksimalkan efisiensi operasional.”
Sistem ini dapat bekerja dengan limbah panas dari udara atau air, namun tidak memerlukan limbah panas untuk bekerja. Banyak boiler listrik lainnya mengandalkan limbah panas, tetapi Stark berpendapat hal itu menambah terlalu banyak kerumitan pada pemasangan dan pengoperasian.
Sebaliknya, dalam siklus pompa panas baru AtmosZero, panas dari udara bersuhu sekitar digunakan untuk menghangatkan bahan perpindahan panas cair, yang menguapkan zat pendingin sehingga mengalir ke rangkaian kompresor dan penukar panas sistem, mencapai suhu yang cukup tinggi untuk merebus air sambil memulihkan panas dari zat pendingin setelah mencapai suhu yang lebih rendah. Sistem ini dapat ditingkatkan dan diturunkan agar sesuai dengan proses industri yang ada.
“Kita bisa bekerja seperti boiler pembakaran,” kata Stark. “Pada akhirnya, pelanggan tidak ingin mengubah cara fasilitas manufaktur mereka beroperasi untuk menghasilkan listrik. Anda tidak dapat mengubah atau meningkatkan kompleksitas di lokasi.”
Pendekatan tersebut berarti boiler dapat digunakan dalam berbagai konteks industri tanpa biaya proyek khusus atau perubahan lainnya.
“Apa yang sebenarnya kami tawarkan adalah fleksibilitas dan sesuatu yang dapat diterapkan dengan mudah serta meminimalkan total biaya modal,” kata Stark.
Dari 1 hingga 1.000
AtmosZero telah memiliki sistem percontohan 650 kilowatt yang beroperasi di fasilitas pelanggan dekat kantor pusatnya di Loveland, Colorado. Perusahaan saat ini fokus untuk mendemonstrasikan ketahanan dan keandalan sistem sepanjang tahun saat mereka berupaya menyelesaikan tumpukan pesanan dan bersiap untuk melakukan penskalaan.
Stark mengatakan begitu sistem dibawa ke fasilitas pelanggan, sistem tersebut dapat diinstal dalam satu sore dan diterapkan dalam hitungan hari, tanpa waktu henti (downtime).
AtmosZero bertujuan untuk mengirimkan beberapa unit ke pelanggan selama satu atau dua tahun ke depan, dengan rencana untuk menyebarkan ratusan unit setahun setelahnya. Perusahaan saat ini menargetkan pabrik yang menggunakan energi panas di bawah 10 megawatt pada permintaan puncak, yang mewakili sebagian besar fasilitas manufaktur di AS.
Stark bangga menjadi bagian dari kelompok startup dekarbonisasi yang berafiliasi dengan MIT yang sedang berkembang, beberapa di antaranya menargetkan sektor vertikal tertentu, seperti Boston Metal untuk baja dan Sublime Systems untuk semen. Namun menurutnya, selain material yang paling umum, industri ini menjadi sangat terfragmentasi, dan satu-satunya hal yang umum adalah penggunaan uap.
“Jika kita melihat seluruh segmen industri, kita melihat uap ada dimana-mana,” kata Stark. “Ini adalah peluang yang sangat matang untuk memberikan dampak dalam skala besar. Uap tidak dapat dihilangkan dari industri. Hampir semua proses industri yang kami rancang selama 160 tahun terakhir berkaitan dengan ketersediaan uap. Jadi, kita perlu fokus pada cara menghasilkan uap dengan emisi rendah, bukan menghilangkannya dari proses.”
