EKSPLORASI ENERGI
SUDARLIN
i
Eksplorasi Energi
EKSPLORASI ENERGI Penyusun : Sudarlin Editor : Sudarlin Edisi : Pertama Cetakan : Pertama
LISENSI BUKU
This work is licensed under the Creative Commons Attribution NonCommercial 4.0 International License. To view a copy of this license, visit http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/.
Omah Ilmu Alamat Telp Web Email
: Pogung Rejo, Sleman, Yogyakarta : 081226931661 : omah-ilmu.co.nr :
[email protected]
Sudarlin, EKSPLORASI ENERGI/Sudarlin edisi pertama – Yogyakarta: Omah Ilmu, 2016 cetakan pertama, iv + 160 hal, 14.8 x 21 cm. Seri Buku Elektronik Kimia
ii
Eksplorasi Energi
Judul
PENGANTAR Energi yang terbarukan merupakan istilah lain dari energi alternatif. Energi ini nantinya akan dibutuhkan oleh makhluk hidup yang ada dibumi mengingat energi utama akan habis. Tidak semua energi harus berasal dari fosil makhluk hidup seperti minyak bumi. Kita juga bisa memanfaatkan energi alternatif yang ada di bumi dan rata-rata mempunyai harga yang murah dan bisa digunakan oleh siapa saja. Salah satu contoh manfaat sumber energi alternatif adalah bisa digunakan sebagai pengganti energi utama yang ada di bumi. Seperti contoh, kita telah lama menggunakan minyak bumi sebagai kebutuhan energi yang ada dibumi. Minyak bumi bisa dijadikan sebagai bahan bakar kendaraan atau sebagai pembangkit listrik, misal bahan bakar bensin. Bensin berasal dari minyak bumi yang mempunyai sifat tak terbarukan. Kita akan merasa kebingungan jika minyak bumi di bumi ini semakin habis. Untuk itu, energi alternatif sangat cocok bagi umat manusia untuk lebih menghemat pasokan minyak bumi. Namun, masih jarang di Negara berkembang kita temukan kendaraan yang menggunakan energi alternatif lantaran pemerintahnya tidak memberikan sosialisasi kepada masyarakatnya. Oleh karena itu, pembahasan mengenai energi alternatif sangat dibutuhkan guna mendukung upaya dalam mengeksplorasinya. Mudah-mudahan keberadaan buku ini mampu memberikan gambaran mengenai sumber, prinsip dan penggunaan energi alternatif. iii
Eksplorasi Energi
DAFTAR ISI
iv
PENGANTAR ......................................................................................................... iii DAFTAR ISI............................................................................................................ iv BAB 1 ENERGI DAN PERMASALAHANNYA .............................................. 1 A. Hukum-Hukum Energi ....................................................................... 1 B. Sejarah Penggunaan Energi ............................................................. 2 C. Pemakaian Energi Dunia................................................................... 3 D. Eksplorasi Energi Terbarukan ....................................................... 5 BAB 2 SUMBER DAN BENTUK ENERGI ...................................................... 8 A. Energi dalam Al-Qur’an dan Sunnah Rasulullah ..................... 8 B. Sumber Energi.................................................................................... 11 C. Pengelompokan Energi .................................................................. 13 D. Konversi Energi ................................................................................. 17 E. Karakteristik Energi......................................................................... 17 BAB 3 ENERGI TAK TERBARUKAN...........................................................19 A. Pengertian ............................................................................................ 19 B. Batu Bara .............................................................................................. 20 C. Minyak Bumi (Petroleum) ............................................................. 22 D. Bahan Bakar Gas................................................................................ 24 E. Bahan Bakar Gas Alam .................................................................... 26 BAB 4 ENERGI TERBARUKAN......................................................................28 A. Pengertian ............................................................................................ 28 B. Sejarah Energi Terbarukan ........................................................... 29 C. Sumber Energi Terbarukan .......................................................... 30 D. Masalah Penggunaan Energi Terbarukan ............................... 31 BAB 5 BIOGAS .....................................................................................................34 A. Pengertian ............................................................................................ 34 B. Komposisi Biogas .............................................................................. 35 C. Reaktor Biogas ................................................................................... 36 D. Metanogenesis.................................................................................... 39
Eksplorasi Energi
BAB 6 BIOETANOL ............................................................................................45 A. Pengertian ............................................................................................ 45 B. Reaksi Pembentukan Etanol......................................................... 46 C. Sumber Produksi Etanol ................................................................ 49 D. Proses Produksi Bioetanol ............................................................ 49 E. Kekurangan Bioetanol .................................................................... 52 F. Penggunaan ......................................................................................... 52 BAB 7 BIODIESEL ..............................................................................................55 A. Pengertian ............................................................................................ 55 B. Penggunaan biodiesel ..................................................................... 56 C. Minyak Nabati Sebagai Bahan Baku Biodiesel ...................... 57 D. Proses Pembuatan Biodiesel ........................................................ 60 BAB 8 BATERAI ..................................................................................................67 A. Pengertian............................................................................. 67 B. Komponen Baterai ............................................................... 67 C. Jenis Baterai .......................................................................... 70 BAB 9 FUEL CELL ..............................................................................................75 A. Pengertian............................................................................. 75 B. Sumber Hidrogen ................................................................. 75 C. Jenis Fuel Cell ....................................................................... 77 BAB 10 SEL SURYA (SOLAR CELL)..............................................................82 A. Pengertian............................................................................. 82 B. Komponen dan Prinsip Kerja .............................................. 82 C. Perkembangan Sel Surya ..................................................... 84 D. Proses Konversi PN-Junction .............................................. 87 E. Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) ......................................... 92 BAB 11 ENERGI NUKLIR ................................................................................95 A. Pengertian............................................................................. 95 B. Reaksi Nuklir ........................................................................ 95 C. Bahan Bakar Nuklir ............................................................ 100 D. Sejarah Reaksi Nuklir dan PLTN ....................................... 103 BAB 12 ENERGI GEOTERMAL ................................................................... 106 A. Pengertian........................................................................... 106 B. Gradien Geotermal ............................................................. 106 Eksplorasi Energi
v
C. Penggunaan Geotermal...................................................... 108 D. Sejarah Energi Geotermal di Indonesia ............................ 109 E. Proses Merubah Geotermal Menjadi Tenaga Listrik ....... 110 BAB 13 ENERGI ANGIN ................................................................................ 114 A. Pengantar............................................................................ 114 B. Potensi Energi Angin di Indonesia.................................... 115 C. Jenis-jenis Angin ................................................................. 119 D. Energi Angin ....................................................................... 122 E. Penggunaan Energi Angin ................................................. 123 F. Pembangkit Listrik Tenaga Angin..................................... 124 G. Karakteristik Kerja Turbin Angin ..................................... 128 BAB 14 ENERGI AIR ...................................................................................... 130 A. Sejarah dan Penggunaan Energi Air ................................. 130 B. Komponen PLTA ................................................................ 133 C. Jenis-jenis PLTA ................................................................. 136 D. Parameter Operasi PLTA ................................................... 139 E. Bendungan .......................................................................... 142 BAB 15 GENERATOR LISTRIK................................................................... 145 A. Pengertian........................................................................... 145 B. Teori Pembangkitan Kelistrikan ....................................... 146 C. Jenis Generator ................................................................... 147 BAB 16 ENERGI ALTERNATIF TERBATAS........................................... 150 A. Coal Bed Methane (CBM) ................................................... 150 B. Shale Oil .............................................................................. 151 C. Dimethyl Ether ................................................................... 152
vi
Eksplorasi Energi
BAB 1 ENERGI DAN PERMASALAHANNYA Tiap hari kita selalu berhubungan dengan energi. Energi mengatur banyak aktivitas dan kegiatan manusia dan alam. Energi didefinisikan sebagai kapasitas untuk melakukan kerja. Di alam semesta, energi memiliki banyak bentuk seperti energi mekanik, termal, bunyi, kimia, elektromagnetik, dan lain-lain. Kelangkaan atau krisis energi yang terjadi saat ini memicu berbagai pihak untuk melakukan penemuan-penemuan baru di bidang energi terutama yang menyangkut hajat hidup orang banyak. A. Hukum-Hukum Energi Hukum pertama termodinamika disebut juga hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Energi hanya dapat dikonversi dari suatu bentuk ke bentuk lain. Hukum tersebut menunjukkan bahwa berbagai bentuk energi dapat saling dikonversikan, dan terdapat korespondensi kuantitatif antar jenis energi. Oleh karena itu, perubahan bentuk energi, misalnya dari energi kimia ke energi panas tidak melanggar hukum pertama karena jumlah total energi tidak berubah. Meski jumlah energi tidak berubah, nyatanya energi yang dapat dipakai semakin berkurang. Hal ini dapat dijelaskan menggunakan hukum kedua termodinamika. Hukum ini membahas mengenai spontanitas suatu proses, termasuk arahnya, apakah reversibel atau irreversibel. Suatu proses perubahan dianggap spontan jika proses tersebut mencapai kesetimbangan tanpa tambahan energi dari luar sistem. Sebaliknya, proses perubahan dianggap non spontan jika proses tersebut memerlukan tambahan energi dari luar sistem. Jika keadaan setelah perubahan tersebut dapat dikembalikan ke keadaan semula tanpa menyebabkan perubahan Eksplorasi Energi
1
lain, baik di dalam maupun di luar sistem, maka proses perubahan tersebut bersifat reversible. Akan tetapi, perubahan tanpa menyebabkan perubahan yang lain tidak mungkin dijumpai dalam kehidupan sehari-hari. Perubahan di alam adalah perubahan irreversibel. Sebagai contoh, jika kita memindahkan suatu benda, maka interaksi benda tersebut dengan lingkungannya akan menyebabkan hilangnya sejumlah kalor. Meski hukum pertama termodinamika menyebutkan energi bersifat kekal, tapi hukum menunjukkan fakta bahwa energi yang dapat dimanfaatkan (energi berguna) selalu lebih kecil akibat proses. Artinya, petiap transformasi energi akan menyebabkan penurunan energi berguna yang otomatis menyebabkan ketersediaan energi berguna semakin berkurang.
2
B. Sejarah Penggunaan Energi Pada awal prasejarah, sumber energi utama manusia berasal dari kayu yang dibakar. Energi ini biasanya digunakan untuk memasak atau memanaskan/penghangat, seiring perkembangan zaman, manusia mengolah kayu untuk kebutuhan lain sehingga sumber energi utama beralih ke angin dan air. Energi angin dan air saat awal penemuannya digunakan untuk menggerakkan kapal layar, peralatan pertukangan dan penggilingan padi/gandum. Memasuki abad ke-13, penggunaan energi semakin luas. Manusia menemukan batubara sebagai sumber energi baru. Saat itu, penggunaan batubara sebatas untuk memasak atau memanaskan. Penggunaannya semakin meluas saat mesin uap ditemukan pada abad ke-18. Penemuan mesin uap mendorong revolusi industri di Eropa, dimana batubara mulai digunakan secara besar-besaran. Selanjutnya, modifikasi mesin uap menjadi alat angkutan pada awal abad ke-19 menyebabkan pemakaian batubara semakin luas. Pada saat yang bersamaan yakni awal abad ke-19 , ditemukan lagi jenis energi baru yakni minyak bumi. Penggunaan minyak bumi mampu menggantikan peran batu bara yang ditandai dengan penemuan kendaraan berbahan bakar minyak. Eksplorasi Energi
Hingga abad ke-21, penggunaan energi minyak dan batubara terus mendominasi sumber energi dunia, khususnya setelah ditemukan listrik sebagai energi sekunder. Sumber energi yang digunakan selain minyak dan batubara adalah gas alam. Ketiga jenis sumber energi ini disebut sumber energi fosil. Penggunaan sumber energi fosil ternyata menciptakan banyak masalah lingkungan karena polusi, pencemaran, dan kerusakan lingkungan. Oleh karena itu, penggunaan energi fosil berusaha untuk digunakan melalui penggunaan energi alternatif. Pada akhir awal ke-20, sumber daya energi air dan angin juga mulai dimanfaatkan untuk pembangkitan tenaga listrik. Setelah itu menyusul energi Geotermal, energi nuklir pertengahan abad ke-20, dan energi energi surya pada awal abad-21. C. Pemakaian Energi Dunia Kebutuhan energi dunia terus mengalami peningkatan. Menurut proyeksi Badan Energi Dunia (International Energi Agency-IEA), hingga tahun 2030 permintaan energi dunia meningkat sebesar 45% atau rata-rata 1,6 % per tahun. Sekitar 80% kebutuhan energi dunia tersebut dipasok dari bahan bakar fosil, utamanya BBM termasuk di Indonesia. Hal tersebut disebabkan penggunaan kendaraan yang tak terkendali dan banyak alat yang membutuhkan tenaga listrik. Saat ini, Indonesia sendiri masih mengalami ketergantungan terhadap minyak bumi dan batubara sebagai sumber energi. Konsumsi kebutuhan energi di Indonesia berdasarkan kebutuhan rumah tangga, transportasi dan industri berdasarkan outlook energi Indonesia tahun 2011 yang dikeluarkan BPPT, dijelaskan bahwa konsumsi energi pada kurun waktu 2000 – 2009 meningkat dari 709,1 juta SBM pada tahun 2000 menjadi 865,4 juta SBM pada tahun 2009 atau meningkat rata-rata 2,2% per tahun. Padahal sumber energi lainnya masih banyak termasuk di Indonesia, misalnya Geotermal, tenaga air, tenaga surya, tenaga angin, dan biofuel. Indonesia memiliki potensi Geotermal terbesar Eksplorasi Energi
3
4
di dunia yaitu 29,038 GW. Namun, pemanfaatannya masih relatif kecil yaitu hanya sebesar 1.189 MW. Pemanfaatan energi terbarukan lainnya yang berasal dari tenaga air, tenaga surya, dan tenaga angin masih terbatas. Tenaga air dimanfaatkan hanya 7,54% dari potensi sebesar 75,670 MW. Biomass digunakan hanya 3,25% dari sumber daya 49,810 MW. Sama dengan itu, kapasitas terpasang tenaga surya sebesar 13.5 MW dan tenaga angin hanya 1.87 MW. Untuk biodiesel hanya dimanfaatkan sekitar 10% dari kapasitas produksi. Bioetanol relatif lebih kecil lagi. Masyarakat Energi Terbarukan Indonesia (METI) melihat adanya 4 masalah pokok di Indonesia. 1. Energi nasional adalah energi mix yang masih didominasi oleh sumber daya energi fosil saat ini. Lebih dari 50% sumber daya energi yang digunakan berasal dari minyak bumi. Jika batubara dan gas alam dimasukkan, maka angkanya mencapai 90%. Dengan komposisi seperti ini maka ketahanan energi nasional Indonesia menjadi sangat rapuh/rentan, karena cadangan sumber daya energi fosil ini terbatas dan pasar dunia dikuasai hanya sekelompok pedagang sehingga jika terjadi gejolak harga maupun kekurangan pasokan, maka ekonomi kita secara nasional akan langsung terpengaruh pula. 2. Suplai energi ke berbagai pengguna di tanah air terkendala faktor geografis negara yang sangat terpencar karena berupa pulau-pulau dan lautan, sehingga banyak masyarakat tinggal di daerah yang sangat terpencil serta hidup berkelompok kecil. Hal ini menyulitkan distribusi energi secara merata di seluruh daerah di tanah air dan menyebabkan pembangunan infrastruktur untuk jaringan distribusi bahan bakar cair maupun kelistrikan ke beberapa daerah menjadi tidak ekonomis. 3. Eksploitasi energi fosil yang sangat ekstensif telah menyebabkan kerusakan lingkungan yang parah dan sulit diperbaiki baik di lokasi tambang maupun akibat penjualan/eksploitasi pemanfaatannya yang menyebabkan Eksplorasi Energi
efek gas rumah kaca, yang disebabkan emisi CO2 di udara yang berlebihan. 4. Eksplorasi dan eksploitasi sumber daya energi masih tergantung pada negara asing baik dari sisi permodalan maupun teknologinya. Sebagai contoh kontraktor minyak bumi masih didominasi pemain asing dan teknologi pembangkit kelistrikan yang 80% lebih masih tergantung pada barang impor, sedangkan sisanya yang 20% berupa jasa manusia dan lain-lainnya. Kedua hal ini menyebabkan nilai tambah yang dinikmati oleh negara dalam eksplorasi maupun eksploitasi sumber daya energi menjadi sangat kecil. Keuntungan yang dinikmati oleh negara dari sektor energi hanya dari perdagangannya saja. D. Eksplorasi Energi Terbarukan Saat ini, Indonesia mengalami penurunan produksi minyak nasional akibat menurunnya secara alamiah cadangan minyak pada sumur-sumur produksi. Padahal dengan pertambahan jumlah penduduk meningkat pula kebutuhan akan sarana transportasi dan aktivitas industri yang berakibat pada peningkatan kebutuhan dan konsumsi Bahan Bakar Minyak (BBM). Untuk memenuhi kebutuhan BBM tersebut, pemerintah mengimpor sebagian BBM. Melihat kondisi tersebut, pemerintah telah mengeluarkan Peraturan Presiden Republik Indonesia Nomor 5 Tahun 2006 tentang Kebijakan Energi Nasional untuk mengembangkan sumber energi alternatif sebagai pengganti BBM. Walaupun kebijakan tersebut menekankan penggunaan batu bara dan gas sebagai pengganti BBM, tetapi juga menetapkan sumber daya yang dapat diperbaharui seperti bahan bakar nabati sebagai alternatif pengganti BBM. Selain itu pemerintah juga telah memberikan perhatian serius untuk pengembangan bahan bakar nabati (biofuel) dengan menerbitkan Instruksi Presiden No 1 Tahun 2006 tanggal 25 Januari 2006 tentang Penyediaan dan Pemanfaatan Bahan Bakar Nabati (Biofuel) sebagai bahan bakar Eksplorasi Energi
5
lain. Oleh karena itu eksplorasi dan eksploitasi terhadap sumbersumber alternatif saat ini menjadi sebuah kebutuhan.
Gambar 1.1 Potensi energi terbarukan di Indonesia
6
Indonesia mempunyai potensi sumber energi terbarukan yang sangat besar untuk dikembangkan sebagai sumber energi alternatif pengganti energi fosil. Sumber energi terbarukan yang dapat dikembangkan antara lain adalah energi surya, angin, air, laut, dan biomassa. Namun, pemanfaatan sumber-sumber energi tersebut belum maksimal. Sosialisasi yang kurang dan penggunaan teknologi cukup rumit menyebabkan sumber-sumber energi terbarukan belum dapat digunakan secara maksimal. Profil energi terbarukan di Indonesia dapat dilihat pada http://www.ebtke.esdm.go.id/. Pada umumnya sumber-sumber energi terbarukan tersedia di berbagai lokasi, sehingga cukup baik untuk dimanfaatkan pada daerah-daerah yang masih sulit terjangkau oleh pasokan energi fosil. Akan tetapi, ketersediaanya tidak kontinyu terhadap waktu sehingga perlu dilakukan penyimpanan energi atau kombinasi antara sumber-sumber energi Eksplorasi Energi
tersebut. Selain itu kebutuhan luas lahan untuk "memanen" energi terbarukan relatif luas per satuan jumlah energi yang dapat diekstrak. Namun demikian, untuk kebutuhan yang tidak terlalu tinggi energi terbarukan tetap sangat berpotensi untuk dimanfaatkan. Polusi yang dihasilkannya pun relatif rendah dibandingkan dengan sumber yang tak terbarukan.
7
Eksplorasi Energi
BAB 2 SUMBER DAN BENTUK ENERGI A. Energi dalam Al-Qur’an dan Sunnah Rasulullah 1. Q.S.Yunus ayat 5 ْ ًُ ََاش َل نِر َۡعه ٗ َُ ضٍَآءٗ َٔ ۡٱنقَ ًَ َس ٍٍَُِٕا َع َد َد ٱن ِّع َ ًُْۡ َٕ ٱنَّ ِري َج َع َم ٱن َّش ِ ط ِ ُٕزا َٔقَ َّد َز ۥِ ُ َي َۚ َٰ ۡ ۡ ۡ ٓ َۚ َّ َٰ َّ َ َ َ ِّ ك إِّل تِٱن َح ٧ ًٌَُٕ د نِقَ ٕۡ ٖو ٌَ ۡعه ِّ َق ٌُف َ ِق ٱَّللُ ذن َ اب َيا َخه َ َٔٱن ِح َع ِ ٌَص ُم ٱۡل “Dialah yang menjadikan matahari bersinar dan bulan bercahaya dan ditetapkan-Nya manzilah-manzilah (tempattempat) bagi perjalanan bulan itu, supaya kamu mengetahui Bilangan tahun dan perhitungan (waktu). Allah tidak menciptakan yang demikian itu melainkan dengan hak. Dia menjelaskan tandatanda (kebesaran-Nya) kepada orang-orang yang mengetahui.” Matahari dengan sinarnya merupakan sumber energi untuk menggerakkan makhluk-makhluk Allah yang diciptakanNya. Demikian halnya dengan cahaya bulan, makhluk memiliki penerangan di malam hari. Ayat ini membedakan antara cahaya yang dipancarkan matahari dan yang di pantulkan oleh bulan, yang dipancarkan matahari disebut diya (sinar) dan yang di pantulkan oleh bulan adalah nur (cahaya).
8 Gambar 2.1 Ilustrasi pemanfaatan energi matahari dan bumi Eksplorasi Energi
Energi matahari berasal dari pembakaran api yang besar sehingga menghasilkan berbagai radiasi cahaya. Tumbuhtumbuhan mengambil energi tersebut kemudian disimpan dalam bentuk cadangan makanan. Makhluk yang lain memanfaatkan cadangan makanan tersebut untuk bertahan hidup. Oleh karena itu, matahari merupakan sumber energi utama di muka bumi. Matahari merupakan benda raksasa yang mempunyai kekuatan gravitasi sangat besar yang bersifat menarik ke bagian pusat. Desakan tekanan di bagian pusat matahari sangat kuat sehingga partikel-partikel hidrogen saling bertabrakan dan membentuk unsur baru yaitu helium (reaksi fusi nuklir). Proses ini melepaskan sejumlah energi. Energi inilah yang menyebabkan matahari bersinar. 2. Q.S. Ar-Ruum ayat 46 ُ ي ۡٱنفُ ۡه ِك تِأَيۡ ِسِۦ َ خ َٔنٍُِ ِرٌقَ ُكى ِّيٍ ز َّۡح ًَرِِۦّ َٔنِر َۡج ِس ٖ َٔ ِي ٍۡ َءا ٌََٰرِ ِٓۦّ أٌَ ٌ ُۡس ِظ َم ٱن ِّسٌَا َح ُيثَ ِّش َٰ َس ۡ ْ َّ ُ ُ َ ُ ۡ ۡ َ ٦٨ ٌََُٔٔنِرَثرَغٕا ِيٍ فضهِِۦّ َٔن َعهكىۡ ذَشكس “Dan di antara tanda-tanda kekuasan-Nya adalah bahwa Dia mengirimkan angin sebagai pembawa berita gembira dan untuk merasakan kepadamu sebagian dari rahmat-Nya dan supaya kapal dapat berlayar dengan perintah-Nya dan (juga) supaya kamu dapat mencari karunia-Nya; mudah-mudahn kamu bersyukur.” Energi angin mampu menggerakkan awan, maka seperti itu pula energi angin mampu menggerakkan kapal layar, kincir angin, turbin, dan lain-lain. Energi ini telah memberikan manfaat besar bagi manusia untuk transportasi, listrik, dan pertanian. 3. Q.S. An-Nuur ayat 35 ٌۖ َصث ۡ ِ َٕ َٰ ًَ َٰ ۞ٱَّللُ َُٕ ُز ٱن َّع َّ ۡ ًِ اح ۡٱن ۡ ٕزِۦِ َك ًِ ۡش َك َٰٕ ٖج فٍَِٓا ِي ًِصثَا ُح ف ِ َُ ض َيثَ ُم ِ َۚ خ َٔٱۡلَ ۡز ُّ ُش َجا َج ٌۖح ُي ٌُٕقَ ُد ِيٍ َش َج َس ٖج ُّي َٰثَ َس َك ٖح ش ٌَۡرَُٕ َٖح َّّل ش َۡسقٍِ َّٖح َٔ َّل غ َۡستٍِ َّٖح ٌَ َكاد ّ ٞ ة ُد ِّزٞ ٱنص َجا َجحُ َكأ ََََّٓا َك ٕۡ َك َۚ َّ ُض ِسب َّ ٕز ٌَ ۡٓ ِدي ۡ ٌََٔ ٕزِۦِ َيٍ ٌَ َشآ َۚ ُء ٱَّللُ ۡٱۡلَيۡ َٰثَ َم ِ ٌُ ش ٌَۡرَُٓا ِ ُُِٱَّللُ ن ٖ َۚ َُ َاز َُّٕز َعهَ َٰىٞ َ ُ ّض ًٓ ُء َٔنَ ٕۡ نَىۡ ذًَۡ َع ۡع َّ ُ ٥٧ ٍىٞ ِاض َٔٱَّللُ تِك ِّم ش ًَۡء َعه ِ ِۗ َُّنِه “Allah (Pemberi) cahaya (kepada) langit dan bumi. Perumpamaan cahaya Allah, adalah seperti sebuah lubang yang tak tembus, yang di dalamnya ada pelita besar. Pelita itu di dalam kaca (dan) kaca itu seakan-akan bintang (yang bercahaya) seperti Eksplorasi Energi
9
mutiara, yang dinyalakan dengan minyak dari pohon yang berkahnya, (yaitu) pohon zaitun yang tumbuh tidak di sebelah timur (sesuatu) dan tidak pula di sebelah barat(nya), yang minyaknya (saja) hampir-hampir menerangi, walaupun tidak disentuh api. Cahaya di atas cahaya (berlapis-lapis), Allah membimbing kepada cahaya-Nya siapa yang dia kehendaki, dan Allah memperbuat perumpamaan-perumpamaan bagi manusia, dan Allah Maha Mengetahui segala sesuatu.” Cahaya digambarkan seperti suatu ceruk (lubang/ cekungan) yang tak tembus (kamisykaatin) yang di dalamnya ada pelita/lampu dimana pelita ini berada dalam suatu kaca yang mengakibatkan kaca ini terlihat seperti bintang yang terang di langit malam. Pelita itu sendiri digambarkan seperti dinyalakan oleh minyak yang berasal dari pohon yang diberkati yaitu zaitun, dimana minyaknya menerangi tanpa tersentuh api. Gambaran ayat di atas saat ini cocok dengan lampu listrik. Lampu menyala tanpa dipanaskan dengan minyak dan api, tetapi menggunakan filamen. Filamen tersebut jika dialiri listrik mampu berpendar dan bercahaya seperti bintang yang cemerlang di malam hari.
10
4. Q.S. Yasin ayat 80 “Tuhan yang menjadikan untukmu api dari kayu yang hijau, maka tiba-tiba kamu nyalakan (api) dari kayu itu."(QS. 36:80). Dalam ayat ini, Allah berfirman "...yaitu Tuhan yang menjadikan untukmu api dari kayu yang hijau ( ). Intuisi manusia, kayu yang hijau adalah kayu yang masih "basah" sehingga sulit terbakar. Tapi, Allah menyebutkan kayu yang hijau di dalam firmanNya, bukan kayu yg kering atau kayu yang lapuk. Beberapa tafsir menyebutkan kayu yang hijau tersebut adalah kayu Marakh atau kayu Affar. Jawaban yang lain secara saintis dapat dijelaskan menggunakan konsep kimia. Kayu atau daun yang hijau disebabkan kandungan klorofil di dalamnya. Zat ini membantu proses fotosintesis menghasilkan karbohidrat dan oksigen (O₂). 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ Eksplorasi Energi
Oksigen merupakan syarat terjadinya reaksi pembakaran. Tanpa oksigen tidak ada reaksi pembakaran, dan tanpa pembakaran tidakk ada api. B. Sumber Energi Secara sederhana energi adalah besaran yang menyatakan besarnya usaha yang dibutuhkan untuk terjadinya sesuatu. Segala sesuatu yang terjadi di alam pasti melibatkan energi. Bahkan energi terdapat dalam semua hal, baik di materi maupun di non materi. Pada materi, energi terkandung dalam berbagai bentuk, misal energi ikat antar atom, energi vibrasi molekul, dan lain-lain. Demikian halnya pada non materi energi terdapat pada gelombang cahaya dan suara. Jika materi tersebut berinteraksi, maka interaksinya akan melibatkan/mengubah bentuk energinya. Tumbuh-tumbuhan pada umumnya tumbuh karena mendapatkan zat-zat yang diperlukannya dari tanah. Pada saat zat-zat itu diserap oleh tumbuh-tumbuhan, daun menerima energi cahaya dari matahari dan menyerap gas CO2 dari udara. Energi dan materi tersebut diolah melalui fotosintesis dan produknya disimpang dalam bentuk kayu, daun, buah atau umbi tanaman. Cadangan energi tersebut dibebaskan lagi jika kayu dibakar. Oleh karena itu, energi dari tumbuh-tumbuhan disebut energi biomassa. Angin terjadi karena perbedaan temperatur udara antara satu tempat dengan tempat yang lain. Proses ini menyebabkan terjadinya pergeseran udara yang berpotensi sebagai tenaga angin. Perbedaan temperatur udara dapat disebabkan karena perbedaan penerimaan sinar matahari atau ketinggian tempat. Tenaga air terjadi karena air di lautan dan danau menguap disebabkan panas matahari dan naik ke langit menjadi awan kemudian turun di gunung dalam bentuk air dan hujan. Dengan gravitasi bumi, air mengalir melalui sungai dari lereng gunung yang menghasilkan potensi tenaga air. Energi yang lain, seperti energi geotermal terjadi karena pertemuan antara magma, yaitu panas dalam perut bumi dengan air. Energi nuklir diperoleh melalui reaksi nuklir. Energi pasang Eksplorasi Energi
11
surut terjadi dari resultan gaya gravitasi dan rotasi bumi dan gaya gravitasi matahari yang bekerja pada air laut. Energi ombak terjadi karena laut ditiup angin dan disebabkan udara di suatu tempat dipanasi oleh penyinaran matahari. Tabel 2.1 menunjukkan hubungan antara sumber-sumber energi dan karakteristiknya. Tabel 2.1
12
Lokasi
Dengan Bantuan Proses MataUtama hari
Angkasa Atmosfir Tanah Air/Laut Gravitasi Rotasi Magma Organik Kimia Reaksi Material Air Udara Gravitasi Bulan Gravitasi Radiasi Mekanik Panas Listrik
Sumber daya energi yang tersedia di Bumi
Ikhtisar sumber daya energi yang tersedia di bumi dan faktor-faktor yang berpengaruh pada pembentukannya
Biomassa Angin Air Batu bara Minyak & gas bumi Geotermal Nuklir χ Radiasi χ Surya Pasang Surut Sel bahan bakar Ombak Laut
Bumi Bumi
χ χ χ χ χ χ χ χ χ
χ
χ
χ χ χ χ χ χ χ χ
χ
χ
χ
χ χ
χ χ χ χ
χ
χ χ χ χ
χ
χ χ
χ
Eksplorasi Energi
χ χ
χ χ
χ χ χ
χ
χ χ
χ χ χ
χ χ
χ χ χ χ
χ χ
χ
χ χ
χ
C. Pengelompokan Energi Energi adalah besaran skalar, artinya besaran energi tidak terkait dengan arah hanya terkait dengan nilai. Satuan energi secara umum adalah Joule yang setara dengan 1 kg (m/det)2. Namun, satuan itu dapat disesuaikan dengan bentuk energi sebagai berikut: Energi dikelompokkan ke dalam enam kelompok, yaitu: 1. Energi mekanik Dalam termodinamika, energi mekanik didefinisikan sebagai suatu energi yang dapat digunakan untuk mengangkat suatu benda. Satuan energi mekanik dinyatakan dalam Joule. Bentuk transisional energi mekanik disebut kerja. Energi mekanik dapat disimpan dalam bentuk energi potensial dan energi kinetik. Energi potensial adalah energi yang dimiliki suatu benda akibat posisinya dalam suatu medan gaya. Misalnya energi medan gravitasi, energi yang berkaitan dengan suatu fluida yang terkompresi, energi yang berkaitan dengan posisi suatu bahan ferromagnetik dalam suatu medan magnet, dan energi yang berkaitan regangan elastis seperti pada pegas. Energi potensial pada bumi tergantung pada massa benda, gravitasi bumi, dan ketinggian benda sehingga dapat dirumuskan sesuai persamaan 2.1. Ep = m.h.g 2.1 dimana m = massa (kg), h = tinggi jatuh benda (m) dan g = gravitasi bumi (m/s2) Energi kinetik adalah energi yang dimiliki benda karena geraknya. Makin besar kecepatan benda bergerak makin besar energi kinetiknya dan semakin besar massa benda yang bergerak makin besar pula energi kinetik yang dimilikinya. Secara matematis dapat dirumuskan sesuai persamaan 2.2. 2.2 dimana m = massa (kg), v = kecepatan benda bergerak (m/d). 13
Eksplorasi Energi
14
2. Energi listrik Energi listrik adalah energi yang berkaitan dengan arus dan berakumulasi dengan elektron yang bergerak. Energi listrik dinyatakan dalam satuan daya dan waktu (kilowatt per jam atau Kwh). Bentuk transisional dari energi listrik adalah aliran elektron melalui suatu konduktor dari jenis tertentu. Energi listrik dilambangkan dengan (W). Satuan energi listrik lain yang sering digunakan adalah kalori, dimana 1 kalori sama dengan 0,24 Joule, Persamaan untuk menentukan besar energi listrik sesuai persamaan 2.3. W = Q.V 2.3 dimana W = energi listrik ( Joule) , Q = muatan listrik (Coulomb) dan V =beda potensial (Volt). Oleh karena I = Q/t, maka persamaan persamaan 2.3 menjadi W = V.I.t Jika persamaan tersebut dihubungkan dengan hukum Ohm (V = I.R) maka diperoleh persamaan 2.4. W =I2R.t 2.4 Energi listrik dapat diperoleh dengan cara merubah bentuk energi lainnya, seperti energi gerak, panas, kimia, dan energi nuklir menjadi energi listrik. Instalasi PLTA, PLTU, PLTD, PLTG adalah contoh instalasi yang mengubah energi tersebut menjadi energi listrik. Alat yang digunakan untuk mengubah energi tersebut adalah generator. Sementara itu, baterai, aki, dan elemen volta adalah penghasil listrik dengan cari lain menggunakan reaksi kimia. Selanjutnya, energi listrik yang dihasilkan dapat diubah menjadi berbagai bentuk energi yang lain: a. Energi listrik menjadi energi kalor, seperti setrika listrik, ceret listrik, kompor listrik dan lain sebagainya. b. Energi listrik menjadi energi cahaya, seperti pada lampu pijar, lampu neon dan lain-lainnya c. Energi listrik menjadi energi gerak, alat yang digunakan yaitu kipas angin, penghisap debu, dll. 3. Energi elektromagnetik Energi elektromagnetik adalah energi yang berkaitan dengan radiasi cahaya. Energi radiasi dinyatakan dalam Eksplorasi Energi
elektrovolt (eV) atau megaelektroVolt (MeV). Radiasi elektromagnetik tidak berkaitan dengan massa karena berupa gelombang yang merambat dengan beberapa karakter yang terukur, yaitu: panjang gelombang/ wavelength, frekuensi, amplitude/ amplitudo, kecepatan. Amplitudo adalah tinggi gelombang, sedangkan panjang gelombang adalah jarak antara dua puncak. Frekuensi adalah jumlah gelombang yang melalui suatu titik dalam satu satuan waktu. Panjang gelombang dan frekuensi berbanding terbalik. Energi elektromagnetik dipancarkan, atau dilepaskan, oleh semua material di alam semesta pada level yang berbeda-beda. Semakin tinggi level energi dalam suatu sumber energi, semakin rendah panjang gelombang dari energi yang dihasilkan, dan semakin tinggi frekuensinya. Perbedaan karakteristik energi gelombang digunakan untuk mengelompokkan energi elektromagnetik.
Gambar 2.2 Karakteristik spektrum elektromagnetik Spektrum elektromagnetik merupakan susunan gelombang elektromagnetik berdasarkan panjang gelombang dan frekuensinya. Gambar 2.2 merupakan karakteristik spektrum elektromagnetik yang disusun berdasarkan panjang gelombang Eksplorasi Energi
15
mencakup kisaran energi yang sangat rendah, dengan panjang gelombang tinggi dan frekuensi rendah, seperti gelombang radio sampai ke energi yang sangat tinggi, dengan panjang gelombang rendah dan frekuensi tinggi seperti radiasi X-ray dan Gamma Ray. 4. Energi kimia Energi kimia adalah energi yang keluar sebagai hasil interaksi elektron dimana atom-atom dan molekul-molekul berkombinasi sehingga menghasilkan senyawa kimia yang stabil. Energi kimia hanya dapat terjadi dalam bentuk energi tersimpan. Jika energi dilepaskan dalam suatu reaksi kimia, reaksi tersebut dinamakan reaksi eksotermis. Energi yang dilepaskan ini umumnya dinyatakan dalam satuan kalori atau British Thermal Unit (BTU) persatuan massa bahan bakar yang bereaksi. Pada beberapa reaksi kimia, energi diserap, dan reaksi ini dinamakan reaksi endotermis. 5. Energi nuklir Energi nuklir adalah energi tersimpan yang terlepas akibat interaksi partikel di dalam inti atom. Energi ini sebagai hasil usaha partikel-partikel untuk mendapatkan konfigurasi yang lebih stabil. Reaksi nuklir terdiri dari tiga jenis yakni: a. Peluruhan radioaktif, proses peluruhan radioaktif adalah suatu proses dimana hanya ada satu inti yang tidak stabil, yakni sebuah radioisotop, secara acak meluruh membentuk konfigurasi yang lebih stabil dengan cara melepaskan energi dan partikel-partikel tertentu. b. Reaksi fisi, merupakan proses pemecahan inti atom menjadi dua atau lebih inti. Proses ini melepaskan energi. c. Reaksi fusi, merupakan proses penggabungan dua inti menjadi satu inti yang lebih besar. Proses ini melepaskan energi yang besar seperti pada matahari. 16
6. Energi termal Energi termal adalah energi yang berkaitan dengan getaran atom dan molekul. Energi termal adalah bentuk energi Eksplorasi Energi
dasar yang mana semua bentuk energi dapat dikonversi ke dalam bentuk energi ini. Namun, pengonversian ini ke bentuk energi lain dibatasi oleh hukum kedua termodinamika. Bentuk transisional dari energi termal adalah panas, dan umumnya dinyatakan dalam satuan kalori. Energi termal dapat disimpan hampir pada semua media sebagai panas sensible maupun laten. Penyimpanan panas sensible diikuti dengan kenaikan temperatur, sementara penyimpanan panas laten diikuti dengan perubahan fase dan bersifat isotermis. D. Konversi Energi Konversi energi (energi conversion) merupakan perubahan bentuk energi dari yang satu menjadi bentuk energi lain. Hukum konservasi energi mengatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan (dibuat) ataupun dimusnahkan, tapi dapat berubah bentuk dari bentuk yang satu ke bentuk lainnya. Masa revolusi industri yang dimulai dari penemuan mesin uap oleh James Watt adalah contoh konversi energi dari energi batubara menjadi energi gerak mesin uap. Pada kehidupan seharihari misalnya energi listrik diubah menjadi energi cahaya, panas, gerak, dan lain-lain. Energi listrik sendiri adalah produk konversi energi dari energi lain seperti energi kinetik air terjun, energi uap, geotermal, energi biodiesel, energi batubara, dan lain sebagainya. E. Karakteristik Energi Kebutuhan pada energi tidak pernah berkurang, justru semakin bertambah. Gambar 2.3 memberikan ilustrasinya. Salah satu kebutuhan energi yang paling besar saat ini adalah energi yang di konversikan menjadi listrik selain energi penggerak dan energi panas. Untuk memenuhi kebutuhan energi maka perlu digali sumber-sumber energi yang disediakan alam. 17
Eksplorasi Energi
Gambar 2.3. Ilustrasi kebutuhan energi yang semakin meningkat
18
Energi yang disediakan oleh alam yang dapat dimanfaatkan manusia terdiri dari dua kelompok yaitu energi yang dapat diperbaharui( regenerative energi ) dan energi yang tidak dapat diperbaharui (non regenerative energi). Energi yang dapat diperbaharui berasal dari matahari, angin, geotermal, panas laut dan sebagainya, sedangkan energi yang tidak dapat diperbaharui adalah energi yang jumlahnya terbatas seperti minyak bumi, gas alam, batu bara, kayu, tenaga nuklir dan sebagainya.
Eksplorasi Energi
BAB 3 ENERGI TAK TERBARUKAN A. Pengertian Secara umum, energi tak terbarukan berasal dari bahan bakar fosil, meliputi batubara, minyak bumi (petroleum), dan gas alam. Bahan bakar fosil berasal dari pemfosilan senyawa karbohidrat. Senyawa ini dengan rumus kimia CnH2nOn dihasilkan dari tanam-tanaman melalui proses fotosintesis menggunakan energi matahari.
Gambar 3.1 Gambaran energi tak terbarukan Kebanyakan bahan bakar fosil diproduksi pada abad Carboniferious dalam era Paleozoic bumi, kira-kira 325 juta tahun yang lalu. Setelah tanaman mati, karbohidrat pada tanaman tersebut diubah menjadi senyawa hidrokarbon dengan rumus kimia CxHy oleh tekanan dan panas dengan ketiadaan oksigen. Eksplorasi Energi
19
Oleh karena itu, semua bahan bakar fosil berasal dari senyawa hidrokarbon. B. Batu Bara Batu bara adalah bahan bakar fosil. Batu bara merupakan endapan batuan organik terutama karbon, hidrogen, dan oksigen. Batu bara terbentuk dari tumbuhan yang telah terkonsolidasi antar strata batuan lalu diubah oleh kombinasi pengaruh tekanan dan panas selama jutaan tahun sehingga membentuk lapisan batu bara. Pembentukan batubara dimulai sejak Carboniferous Period (periode pembentukan karbon) yang berlangsung antara 360 juta sampai 290 juta tahun yang lalu. Mutu setiap endapan batu bara ditentukan oleh suhu dan tekanan serta waktu pembentukan yang disebut ‘maturitas organik’. Proses awalnya, gambut berubah menjadi lignite (batu bara muda) atau brown coal (batu bara coklat). Ini adalah batu bara dengan jenis maturitas organik rendah. Batu bara muda agak lembut dan warnanya bervariasi dari hitam pekat sampai kecoklat-coklatan. Akibat pengaruh suhu dan tekanan selama jutaan tahun, batu bara muda mengalami perubahan yang secara bertahap menambah maturitas organiknya dan mengubah batu bara muda menjadi batu bara subbitumen. Perubahan kimiawi dan fisika terus berlangsung hingga batu bara menjadi lebih keras dan warnanya lebih hitam dan membentuk bitumen atau antrasit. Dalam kondisi yang tepat, peningkatan maturitas organik yang semakin tinggi terus berlangsung hingga membentuk antrasit. Gambar 3.2 menunjukkan tingkatan atau jenis-jenis batu bara. Batu bara yang tingkatnnya terendah berwarna cokelat mengandung banyak abu dan lembap. Batu bara yang tingkatannya lebih tinggi mengandung karbon lebih banyak. 20
Eksplorasi Energi
Gambar 3.2. Jenis Batubara Jenis analisa kualitas batubara dilakukan dengan dua acara, yakni analisa proksimasi dan analisa ultimasi. Kedua jenis analisa ini digunakan untuk menentukan fraksi massa atau gravimetrik komponen-komponen di dalam batubara. Pada setiap lapisan batubara, terdapat parameter kadar air dan kadar abu yang sangat penting untuk mengetahui kualitas batubara. Kadar abu bervariasi karena abu batubara pada dasarnya adalah bahan organik yang mengendap pada waktu proses pemadatan. Kadar air batubara sangat bervariasi tergantung pada kedekatan dengan sumber air tanah sebelum penambangan, kedekatan dengan udara bebas pada waktu pengangkutan, dan cara penyimpanan sebelum dibakar. Oleh karena itu, kadar air dan abu batubara sangat bervariasi. Laporan analisis batubara biasanya dibuat dengan basis bebas abu dan bebas air baik secara ultimasi maupun proksimasi. Namun, untuk kegunaan perhitungan pembakaran dan pengangkutan batubara, analisis ini harus dikonversi ke dalam basis ketika dibakar atau ketika diterima, yang mengikutsertakan kedua fraksi abu dan air dalam batubara tersebut. Batu bara memiliki berbagai kegunaan yang penting. Kegunaan yang paling penting adalah untuk membangkitkan tenaga listrik, produksi baja, pembuatan semen dan proses industri lainnya serta sebagai bahan bakar cair. Selama Revolusi Industri pada abad 18 dan 19, kebutuhan batubara amat mendesak. Penemuan besar mesin uap oleh James Watt, yang dipatenkan pada tahun 1769, sangat berperan dalam Eksplorasi Energi
21
pertumbuhan penggunaan batu bara. Riwayat penambangan dan penggunaan batu bara tidak dapat dipungkiri berkaitan dengan Revolusi Industri, termasuk produksi besi dan baja serta transportasi kereta api dan kapal uap. Batu bara juga digunakan untuk menghasilkan gas untuk lampu gas di banyak kota. Penggunaan gas yang dihasilkan batu bara untuk penerangan jalan akhirnya digantikan oleh munculnya zaman listrik modern.
22
C. Minyak Bumi (Petroleum) Minyak bumi berasal dari kehidupan laut yang membusuk selama ratusan tahun hingga membentuk minyak mentah (crude oil). Minyak mentah biasanya ditemukan dalam kubah karang berpori yang besar dengan komposisi fraksi massa karbon berkisar antara 84 - 87% , fraksi massa hidrogen berkisar antara 11 -16%, jumlah fraksi oksigen dan nitrogen berkisar antara 0 - 7%, dan fraksi massa sulfur antara 0 - 4%. Penambangan minyak mentah meliputi 4 kegiatan, yaitu: 1. Ekplorasi, yakni pencarian dari pada sumber-sumber minyak 2. Produksi, yakni pengelolaan tambang-tambang minyak untuk menghasilkan minyak mentah 3. Transportasi, yakni pengangkutan minyak dari tempat-tempat penambangan 4. Penyulingan, yakni usaha untuk memperoleh jenis-jenis produksi dari minyak tersebut Parameter yang digunakan untuk kualitas minyak bumi adalah: 1. Nilai pembakaran dinyatakan dalam satuan kilojoule per kilogram (ataupun British Thermal Units per pound-massa). Nilai pembakaran minyak bumi serta hasil minyak bumi ditunjukkan sebagai fungsi bobot jenis produk tersebut sesuai gambar 3.3. Nilai pembakaran, dalam basis satuan massa, dari turunan minyak bumi naik jika bobot jenisnya turun atau jika 0API (American Petroleum Institute) dan °Be (°Baume)-nya naik.
Eksplorasi Energi
0
API
141,5 131,5 Bobot jenis pada 60 / 600 F
Gambar 3.3 Sifat-sifat turunan minyak bumi. 2.
Berat atau bobot jenis adalah kerapatan minyak dibagi dengan kerapatan air pada suhu 60 0F (15,60C). Bobot jenis minyak bumi dan produk-produk minyak bumi biasanya dinyatakan dalam satuan 0Be atau 0API. Hubungan antara bobot jenis s dan satuan ini adalah sebagai berikut: 140 s 130 0 Be
s
141,5 131,5 0 AP!
Harus pula dicatat untuk kedua persamaan ini bahwa air mempunyai bobot jenis 100 dan jika 0Be dan 0API naik maka bobot jenis cairan berkurang. Eksplorasi Energi
23
3.
Titik nyala (flash point) adalah temperatur minimum minyak pada waktu uapnya keluar dari permukaan minyak langsung akan menyala. Pada temperatur yang sedikit lebih tinggi, yang disebut dengan titik api (fire point), uap akan membantu pembakaran. Haruslah selalu diperhatikan agar tetap ada jaminan bahwa temperatur maksimum minyak tidak melewati titik nyalanya. 4. Titik lumer (pour point) adalah temperatur terendah pada mana suatu minyak atau produk minyak akan mengalir di bawah kondisi standar. Titik ini ditentukan dengan mencari temperatur maksimum dimana permukaan suatu sampel minyak dalam suatu tabung percobaan standar tidak bergerak selama 5 detik ketika tabung percobaan diputar ke posisi horisontal. Titik lumer sama dengan temperatur ini ditambah lima derajat Fahrenheit. Minyak mempunyai banyak kelebihan dibandingkan dengan batubara saat dibakar. Minyak lebih bersih dan mudah untuk ditangani, disimpan dan diangkut, lebih mudah dibakar dibandingkan dengan batubara batubara, serta mempunyai sedikit abu. Namun, ada beberapa persoalan yang muncul pada saat pembakaran bahan bakar minyak. Meskipun hanya sedikit abu yang dihasilkan, namun sulit untuk membuangnya. Beberapa minyak mentah mempunyai fraksi sulfur yang cukup tinggi, yang meskipun dapat dibuang dari minyak tersebut sebelum ia dibakar, namun proses tersebut adalah proses yang mahal. Unsur lain yang menjadi persoalan, yang ditemui di dalam bahan bakar minyak adalah vanadium. Vanadium beroksidasi pada waktu pembakaran menjadi vanadium pentaoksida (VO5) dan senyawa ini akan mengakibatkan korosi yang cepat dari bahan-bahan.
24
D. Bahan Bakar Gas Hampir semua bahan bakar gas adalah bahan bakar fosil atau hasil samping (byproducts) dari bahan bakar fosil. Bahan bakar ini dapat dibagi menjadi tiga kelompok besar, yaitu gas alam, gas pabrik, dan gas hasil samping. Komposisi bahan bakar Eksplorasi Energi
gas umumnya dinyatakan dalam bentuk fraksi mole atau volume dari komponen gas itu. Analisis juga dapat dinyatakan dalam bentuk fraksi massa elemental. Nilai pembakaran bahan bakar gas umumnya dinyatakan dalam satuan energi per satuan volume, seperti kilojoule per meter kubik atau British thermal unit per kaki kubik. Akan tetapi, satuan ini berbanding lurus dengan tekanan absolut dan berbanding terbalik dengan temperatur absolut. Nilai pembakaran juga dapat dinyatakan dalam bentuk energi per satuan massa (kilojoule per kilogram) dimana satuan ini bebas terhadap tekanan dan temperatur. Nilai pembakaran volumetrik suatu campuran bahan bakar gas sama dengan jumlah perkalian volume atau fraksi mol komponen individual dengan nilai pembakaran volumetrik komponen yang bersangkutan. Jika nilai pembakaran volumetrik suatu komponen gas pada temperatur referensi (Tr) dan tekanan referensi (Pr), maka nilai pembakaran volumetrik campuran gas (HHV) tersebut adalah:
HHVvcampuranPr,Tr HHVv,i Pr,Tr Vi i
dimana HHVi dan HHVv adalah nilai pembakaran tinggi volumetrik dari fraksi volumetrik komponen gas yang ke-i dan ke-v. Persamaan berikut ini dapat dipakai untuk mengkonversi nilai pembakaran tinggi volumetrik pada tekanan dan temperatur referensi tertentu ke tekanan dan temperatur lain:
HHVv P,T HHVv Pr,Tr
P Tr Pr T
dimana tekanan dan temperatur pada persamaan ini harus dalam nilai absolut. Nilai pembakaran volumetrik HHVv pada suatu tekanan P dan temperatur T dapat dikonversi menjadi nilai pembakaran gravimetrik HHVm dengan mengalikan nilai volumetrik tersebut dengan volume jenis v dari gas pada tekanan dan temperatur yang sama: HHVm = (HHVv)P,T (v)P,T Eksplorasi Energi
25
Volume jenis suatu campuran gas dapat dihitung dari berat molekular gas tersebut (MW) dan persamaan keadaan gas ideal, seperti berikut:
v
RuT V RT m P PMW
dimana Ru adalah konstanta gas universal.
26
E. Bahan Bakar Gas Alam Gas alam adalah satu-satunya bahan bakar fosil gas yang sebenarnya dan biasanya terperangkap dalam lapisan batu kapur (limestone) di atas reservoar minyak bumi. Tekanan reservoar dapat berkisar antara 350 hingga 700 bar (5000 hingga 10.000 lb/in2). Gas alam terutama terdiri dan metana dengan sedikit fraksi gas lain. Di antara semua bahan bakar fossil, gas alam mempunyai nilai pembakaran gravimetik yang tertinggi, yakni sekitar 55.800 kJ/kg atau 24.000 Btu/lbm. Nilai pembakaran volumetrik gas alam sekitar 37.000 kJ/m3 atau 1.000 Btu/kaki3 pada 1 atm dan 200C (68°F). Umumnya, gas alam dijual dalam satuan-satuan “therms”, di mana 1 “therm” sama dengan 100.000 Btu. Di antara ketiga kelas utama bahan bakar fossil, gas alam adalah yang mempunyai cadangan paling sedikit. Pembakaran gas alam mempunyai beberapa kelebihan dibandingkan dengan pembakaran minyak dan batubara. Sifatnya paling mudah dibakar, bercampur dengan udara secara baik, serta terbakar secara bersih dengan sedikit abu. Gas alam dapat diangkut dengan mudah dan murah melalui saluran pipa dan gas dari luar negeri kadang-kadang dikonversi menjadi gas alam cair (liquified natural gas, LNG) pada -1270C dan dikapalkan dengan tanker-tanker cryogenik. Kekurangan gas alam sebagai sumber energi masalah penyimpanannya, yakni sulit untuk menyimpan sejumlah besar energi dalam bentuk gas alam. Beberapa perusahaan gas menginjeksikan gas bertekanan tinggi ke dalam lubang bawah tanah yang besar yang mempunyai cairan berlas dan berkubah. Eksplorasi Energi
Jika gas telah dipompakan ke dalam tangki cairan (aquefer), ia segera menggantikan air tanah.
27
Eksplorasi Energi
BAB 4 ENERGI TERBARUKAN A. Pengertian Energi yang terbarukan adalah energi yang sumbernya tersedia di alam dalam jumlah besar karena merupakan bagian dari proses alam atau sumbernya dapat diproduksi dalam waktu yang relatif singkat. Secara umum, energi terbarukan adalah sumber daya non fosil yang dapat diperbaharui dan jika dikelola dengan baik maka sumber dayanya tidak akan habis. Konsep energi terbarukan mulai dikenal pada tahun 1970-an, sebagai upaya untuk mengimbangi pengembangan energi fosil.
Gambar 4.1 Gambaran energi terbarukan 28
Energi terbarukan merupakan cara terbaik untuk mengatasi pemanasan global dan perubahan iklim. Penggunaan Eksplorasi Energi
energi terbarukan akan mengurangi penggunaan bahan bakar fosil yang berarti mengurangi emisi karbondioksida dan memberikan dampak perubahan iklim yang lebih rendah. Gambaran penggunaan energi terbarukan dapat dilihat pada gambar 4.1. Meski banyak alasan untuk memilih energi terbarukan dibandingkan energi fosil, tetapi hingga saat ini energi terbarukan sepenuhnya belum siap untuk menggantikan bahan bakar fosil. Hal yang paling penting untuk dilakukan sekarang adalah mengembangkan teknologi penggunaan energi terbarukan melalui berbagai penelitian dan sosialisasi. B. Sejarah Energi Terbarukan Sepanjang sejarah, berbagai macam energi terbarukan telah digunakan, meliputi: 1. Kayu adalah bahan bakar biomassa paling tua dalam sejarah manusia yang digunakan sebagai sumber energi panas untuk memasak. Selain itu, kayu yang dibakar dalam kondisi kurang oksigen (dipirolisis) akan menghasilkan arang yang dapat memberikan panas lebih banyak dalam massa yang relatif lebih sedikit dibandingkan kayu kering. Namun, energi ini kurang efisien karena membutuhkan bahan baku kayu/pohon dalam jumlah besar. 2. Tenaga hewan untuk menarik gerobak/kereta dan alat-alat mekanik tradisional. Hewan seperti kuda, sapi, atau kerbau sejak dulu telah dimanfaatkan sebagai tenaga transportasi dan penggerak pabrik. Hingga kini, di berbagai belahan dunia masih banyak penggunaan hewan untuk tujuan ini. 3. Energi air awalnya digunakan untuk menggerakkan penggilingan padi. Saat ini, energi air digunakan pula untuk pembangkit energi listrik. 4. Lemak hewani, terutama minyak ikan paus sudah lama dibakar sebagai minyak untuk lampu. 5. Energi angin awalnya hanya untuk kapal layar, tapi saat ini energi angin digunakan pula untuk pembangkit energi listrik. Eksplorasi Energi
29
6. Tenaga surya awalnya hanya untuk sumber panas atau penerangan di siang hari, tapi saat ini digunakan pula untuk pembangkit energi listrik.
30
C. Sumber Energi Terbarukan 1. Energi matahari Matahari merupakan sumber energi terbesar. Sinar matahari, atau tenaga surya dapat digunakan sebagai sumber panas, penerangan, dan listrik. Selain itu, energi matahari terlibat pula dalam berbagai reaksi kimia dan perubahan fisik di alam. Contoh reaksi kimia yang membutuhkan energi matahari adalah reaksi fotosintesis pada tumbuhan. Contoh proses fisik yang melibatkan adalah angin yang bertiup akibat pergerakan udara karena perbedaan temperatur. 2. Energi angin Angin adalah pergerakan udara yang terjadi akibat perbedaan temperatur antar dua tempat. Energi angin telah digunakan selama berabad-abad lalu untuk menggerakkan perahu layar dan menggerakkan kincir angin yang mengolah biji-bijian. Sekarang angin dipergunakan untuk menggerakkan turbin yang menghasilkan energi listrik. 3. Energi air Air yang mengalir dari hulu ke hilir merupakan energi yang sangat besar. Air merupakan sumber daya terbarukan yang secara terus menerus tersirkulasi oleh penguapan dan peresapan. Panas matahari menyebabkan air di danau dan lautan menguap untuk membentuk awan. Air tersebut jatuh kembali ke bumi dalam bentuk hujan dan salju dan mengalir melalui sungai dan aliran lain menuju lautan. Air yang mengalir dapat dijadikan energi untuk memutar kincir yang selanjutnya energi tersebut digunakan untuk proses mekanis industri. Energi aliran air juga dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik melalui turbin dan generator. 4. Energi biomassa Pada awalnya, biomassa dikenal sebagai sumber energi ketika manusia membakar kayu untuk memasak makanan atau Eksplorasi Energi
menghangatkan tubuh pada musim dingin. Kayu merupakan sumber energi biomassa. Sumber biomassa selanjutnya berkembang berupa bahan organik yang dapat mengalami fermentasi atau reaksi kimia membentuk bioetanol, biogas, dan biodiesel. Biomassa dapat digunakan untuk menghasilkan listrik dan sebagai bahan bakar transportasi. 5. Hidrogen Hidrogen mempunyai potensi yang besar sebagai bahan bakar dan sumber energi, tetapi teknologi yang dibutuhkan untuk mendukungnya masih dalam tahap-tahap awal. Hidrogen merupakan zat yang berlimpah di bumi. Sebagai contoh, air mengandung dua pertiga hidrogen, tetapi di alam, hidrogen dijumpai bersama-sama dengan elemen lain. Reaksi khusus dibutuhkan untuk memisahkan hidrogen dari senyawanya. Selanjutnya, hidrogen dapat digunakan sebagai bahan baku sel bahan bakar (fuelcell). 6. Energi geotermal Panas yang terkandung dalam perut bumi menghasilkan uap panas yang dapat digunakan untuk menggerakkan generator dan menghasilkan listrik atau untuk pemakaian lain seperti pemanasan rumah dan pembangkit daya pada industri. Energi geotermal dapat diambil dari sumber di bawah tanah melalui pengeboran atau dari sumber lain yang lebih dekat dengan permukaan bumi. 7. Energi ombak laut Energi ombak dapat digunakan untuk membangkitkan energi listrik. Akan tetapi, dengan teknologi yang ada sekarang, energi ombak kurang efektif dalam hal biaya dibandingkan dengan sumber energi terbarukan yang lain. D. Masalah Penggunaan Energi Terbarukan 1. Estetika, membahayakan habitat, dan pemanfaatan lahan Beberapa sistem energi terbarukan menghasilkan masalah lingkungan yang unik. Misalnya, turbin angin bisa berbahaya untuk burung yang terbang. Bendungan air pembangkit listrik dapat menciptakan penghalang bagi migrasi ikan yang ini menjadi Eksplorasi Energi
31
32
masalah serius di bagian barat laut pasifik karena telah mengurangi populasi ikan salmon. Pembakaran biomassa dan biofuel menyebabkan polusi udara yang sama dengan membakar bahan bakar fosil, meskipun karbon yang dilepaskan ke atmosfer ini dapat diserap kembali jika organisme penghasil biomassa tersebut secara terus menerus dibudidayakan. Masalah lain dengan banyak energi terbarukan, khususnya biomassa dan biofuel, adalah sejumlah besar lahan yang dibutuhkan untuk usaha pembudidayaannya. Termasuk penggunaan sel surya yang sering merusak estetika perubahan/gedung atau pemasangan turbin air/angin yang merusak estetika alam. 2. Ketersediaan Salah satu kekurangan yang cukup signifikan adalah ketersediaan energi terbarukan di alam. Beberapa energi terbarukan bersifat sementara, misal sinar matahari yang hanya tersedia ketika siang hari, energi angin yang kekuatannya bervariasi setiap saat, energi air yang tak bisa dimanfaatkan ketika sungai kering, biomassa memiliki masalah yang sama dengan yang dihadapi dunia pertanian (misal iklim, hama), dan lain-lain. 3. Konsentrasi dan infrastruktur Energi angin adalah yang tersulit untuk difokuskan, sehingga membutuhkan turbin yang besar untuk menangkap energi angin sebanyak-banyaknya. Metode pemanfaatan energi air bergantung pada lokasi dan karakteristik sumber air sehingga desain turbin air bisa berbeda. Pemanfaatan energi matahari dapat dilakukan dengan berbagai cara, namun untuk mendapatkan energi yang banyak membutuhkan luas area penangkapan yang besar. 4. Jarak ke penerima energi listrik Keragaman geografis juga menjadi masalah signifikan, karena beberapa sumber energi terbarukan seperti geotermal, air, dan angin bisa berada di lokasi yang jauh dari penerima energi listrik. Geotermal di pegunungan, energi air di hulu sungai, dan energi angin di lepas pantai atau dataran tinggi. Pemanfaatan Eksplorasi Energi
sumber daya tersebut dalam skala besar kemungkinan akan memerlukan investasi cukup besar dalam jaringan transmisi dan distribusi serta teknologi itu sendiri dalam menghadapi lingkungan terkait. 5. Faktor eksternal Faktor yang menyebabkan kesulitan pengembangan energi terbarukan adalah faktor eksternal seperti geopolitik, ekonomi, dan sosial-budaya. Faktor ekonomi misalnya menyebabkan penggunaan sumber karbohidrat sebagai bahan baku bioetanol tidak berjalan dengan baik. Jika sumber karbohidrat misal singkong digunakan sebagai bahan baku bioetanol maka harga ekonominya akan meningkat, padahal di beberapa lokasi singkong masih menjadi makanan pokok. Demikian halnya dengan faktor politik yang menyebabkan energi nuklir Korea Utara masih tersendat karena persaingan politik dengan Amerika.
33
Eksplorasi Energi
BAB 5 BIOGAS A. Pengertian Biogas adalah gas yang dihasilkan oleh aktifitas anaerob atau fermentasi dari bahan-bahan organik seperti kotoran hewan, limbah domestik (rumah tangga), sampah biodegradable, atau setiap limbah organik yang biodegradable dalam kondisi anaerob. Gambar 5.1 menunjukkan proses pembentukan biogas dari limbah organik. Kandungan utama dalam biogas adalah metana dan karbondioksida.
34 Gambar 5.1. Proses pembentukan biogas dari limbah organik Eksplorasi Energi
Metana sebagai kandungan utama biogas dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi karena dapat mengalami reaksi pembakaran sesuai reaksi berikut: Energi yang dilepaskan pada reaksi tersebut sebesar 891 kJ/mol. Energi tersebut dapat digunakan sebagai bahan bakar untuk memasak, kendaraan, dan pembangkit listrik. B. Komposisi Biogas Biogas sebagian besar mengandung gas metana (CH4), karbondioksida (CO2), dan beberapa kandungan yang jumlahnya kecil diantaranya hidrogen sulfida (H2S), amonia (NH3), hidrogen (H2), serta gas nitrogen yang kandungannya sangat kecil. Energi yang terkandung dalam biogas tergantung dari konsentrasi metana (CH4). Semakin tinggi kandungan metana maka semakin besar kandungan energi (nilai kalor) pada biogas, dan sebaliknya semakin kecil kandungan metana semakin kecil nilai kalor. Tabel 5.1 menunjukkan komposisi biogas secara umum. Komposisi tersebut menghasilkan energi per satu meter kubik biogas sekitar 6.000 watt jam yang setara dengan setengah liter biodiesel. Oleh karena itu, biogas sangat cocok digunakan sebagai bahan bakar alternatif yang ramah lingkungan pengganti minyak tanah, LPG, butana, batu bara, maupun bahan-bahan lain yang berasal dari fosil. Tabel 5.1 Komposisi biogas secara umum Komponen % Metana (CH4) 55-75 Karbon dioksida (CO2) 25-45 Nitrogen (N2) 0-0.3 Hidrogen (H2) 1-5 Hidrogen sulfida (H2S) 0-3 Oksigen (O2) 0.1-0.5
35
Eksplorasi Energi
Kualitas biogas dapat ditingkatkan dengan cara: 1. Menghilangkan kandungan hidrogen sulfur. Hidrogen sulfur merupakan racun dan zat yang menyebabkan korosi. Jika gas dibakar akan membentuk senyawa baru bersama-sama oksigen, yaitu sulfur dioksida/sulfur trioksida (SO2/SO3). Senyawa ini lebih beracun. Pada saat yang sama akan membentuk asam sulfid (H2SO3) suatu senyawa yang lebih korosif. 2. Menghilangkan kandungan karbondioksida menggunakan pereaksi basa atau adsorben zeolit/karbon aktif. 3. Menghilangkan kandungan air. Kandungan air dalam biogas menurunkan titik penyalaan biogas serta dapat menimbulkan korosif.
36
C. Reaktor Biogas Ada beberapa jenis reaktor biogas yang dikembangkan diantaranya adalah reaktor jenis kubah tetap (fixed-dome), reaktor drum terapung (floating drum), reaktor jenis balon, jenis horizontal, jenis lubang tanah, dan jenis ferrocement. Dari keenam jenis digester biogas yang sering digunakan adalah jenis kubah tetap (fixed-dome) dan jenis drum terapung (floating drum). Beberapa tahun terakhir ini dikembangkan jenis reaktor balon yang banyak digunakan sebagai reaktor sederhana dalam skala kecil (Shodikin, 2011). Penjelasan masing-masing reaktor sebagai berikut: 1. Reaktor kubah tetap (fixed-dome) Reaktor ini disebut juga reaktor China karena pertama kali dibuat di China sekitar tahun 1930an. Sejak itu reaktor ini berkembang dengan berbagai model. Reaktor ini memiliki dua bagian yaitu a. Digester sebagai tempat pencerna material biogas dan sebagai rumah bagi bakteri, baik bakteri pembentuk asam maupun bakteri pembentuk gas metana. Bagian ini dapat dibuat dengan kedalaman tertentu menggunakan batu, batu bata, atau beton. Strukturnya harus kuat karena berfungsi untuk menahan gas agar tidak terjadi kebocoran. Eksplorasi Energi
b. Kubah tetap (fixed-dome), bentuknya menyerupai kubah dan bagian ini merupakan pengumpul gas yang tidak bergerak (fixed). Gas yang dihasilkan dari material organik pada digester akan mengalir dan disimpan di bagian kubah. Biaya konstruksi reaktor ini lebih murah daripada reaktor drum terapung, karena tidak memiliki bagian yang bergerak menggunakan besi yang tentunya harganya relatif lebih mahal. Selain itu, perawatannya lebih mudah. Kerugian dari reaktor ini adalah sering terjadi kehilangan gas pada bagian kubah karena konstruksi tetapnya.
Gambar 5.2. Sketsa reaktor kubah tetap (fixed-dome) 2. Reaktor drum terapung (floating drum) Reaktor jenis terapung pertama kali dikembangkan di India pada tahun 1937 sehingga dinamakan reaktor India. Reaktor ini memiliki bagian digester yang sama dengan reaktor kubah. Perbedaannya terletak pada bagian penampung gas yang menggunakan peralatan bergerak berupa drum. Drum ini dapat bergerak naik turun yang berfungsi untuk menyimpan gas hasil fermentasi dalam digester. Pergerakan drum mengapung pada cairan dan tergantung pada jumlah gas yang dihasilkan. Eksplorasi Energi
37
38
Gambar 5.3. Sketsa reaktor floating drum Keuntungan reaktor ini adalah dapat melihat secara langsung volume gas yang tersimpan pada drum karena pergerakannya. Tempat penyimpanannya yang terapung menyebabkan tekanan gas konstan. Kerugiannya adalah biaya material konstruksi lebih mahal. Faktor korosi pada drum juga menjadi masalah sehingga bagian pengumpul gas pada reaktor ini memiliki umur yang lebih pendek dibandingkan menggunakan tipe kubah tetap. Eksplorasi Energi
3. Reaktor balon Reaktor balon merupakan jenis reaktor yang banyak digunakan pada skala rumah tangga yang menggunakan bahan plastik sebagai penampung gas sehingga lebih efisien. Reaktor ini terdiri dari satu bagian yang berfungsi sebagai digester dan penyimpan gas masing-masing bercampur dalam satu ruangan tanpa sekat. Material organik terletak di bagian bawah karena memiliki berat yang lebih besar dibandingkan gas yang akan mengisi pada rongga atas.
Gambar 5.4. Tampilan Reaktor balon D. Metanogenesis Metana merupakan gas yang terbentuk oleh adanya ikatan kovalen antara empat otom H dengan satu atom C. Metana merupakan suatu alkana. Alkana secara umum memiliki sifat sukar reaksi (memiliki afinitas yang kecil) sehingga biasa disebut parafin. Sifat lain alkana adalah mudah mengalami reaksi
Eksplorasi Energi
39
pembakaran sempurna dengan oksigen menghasilkan gas karbondioksida dan uap air. Mikroba penghasil metana sering disebut metanogen, sedangkan proses pembentukan metana oleh mikroba tersebut disebut metanogenesis. Bakteri metanogen termasuk salah satu golongan Archaebacteria, selain halofilik, dan termofilik. Sesuai dengan nama golongannya Archaebacteria merupakan mikroorganisme yang tahan hidup di daerah ektrim seperti perairan dengan kadar garam tinggi (halofil) seperti Halobacterium, atau pada daerah dengan temperatur tinggi (extremethermofil) seperti Sulfolobus, Pyrodictium. Semua Archaebacteria hidup di lingkungan air tawar yang anaerob seperti sedimen atau pada saluran pencernaan hewan. Jika ditinjau dari struktur selnya, Archaebacteria memiliki kemiripan dengan struktur sel eubakteria yaitu sel dengan tipe prokariot, struktur membran sel lipid bilayer namun bedanya pada Archaea menggunakan gugus eter yang berikatan pada lipid, berbeda dengan membran sel eubakteria yang menggunakan gugus ester untuk berikatan dengan lipid. Ikatan antara gugus eter dan lipid ini membentuk membran bilayer dari gliseroldieter, membran monolayer dari digliserol-tetraeter. Secara lebih rinci karakteristik bakteri metanogen disajikan pada tabel 5.2.
40
Tabel 5.2. Karakteristik Bakteri Metanogen Karakteristik Metanogen Bentuk sel Batang, kokus, spirilla, filament, sarcina Sifat Gram + / Gram Klasifikasi Archaebacteria Struktur dinding sel Pseudomurein, protein, heteropolysaccharida Metabolisme Anaerob Sumber energi dan H2 + CO2, H2+ metanol, format, metilamin, sumber karbon metanol (30 % diubah menjadi CH4), asetat (80 % diubah menjadi CH4) Produk katabolisme CH4 atau CH4 + CO2 Eksplorasi Energi
Metanogen dapat memproduksi metana melalui perombakan substrat yang berbeda-beda. Tabel 5.3 merinci jenis bakteri dan substrat yang digunakan dalam pembentukan metana. Tabel 5.3. Bakteri Metanogen dan Substratnya Genus Substrat dalam metanogenesis Methanobakteriales Methanobacterium H2 + CO2, format Methanobrevibacter H2 + CO2, format Methanosphaera Methanol + H2 Methanothermus H2 + CO2, hipertermofilik Methanothermobacter H2 + CO2, format, termofilik Methanococcales Methanococcus H2 + CO2, piruvat + CO2, format Methanothermococcus H2 + CO2, format Methanocaldococcus H2 + CO2 Methanotorris H2 + CO2 Methanomicrobiales Methanomicrobium H2 + CO2, format Methanogenium H2 + CO2, format Methanospirillum H2 + CO2, format Methanoplanus H2 + CO2, format Methanocorpusculum H2 + CO2, format, alkohol Methanoculleus H2 + CO2, format, alkohol Methanofollis H2 + CO2, format Methanolacinia H2 + CO2, alkohol Methanosarcinales Methanosarcina H2 + CO2, metanol, metilalanin, Methanolobus Metanol, metilalanin Methanohalobium Metanol, metilalanin,halophilik Methanococoides Metanol, metilalanin Methanohakophilus Metanol, metil sulfida, halophilik Methanosaeta Asetat Meethanosalsum Metanol, metilalanin, dimetilsulfida Eksplorasi Energi
41
Genus Methanopyrales Methanopyrus
Substrat dalam metanogenesis H2 + CO2, hipertermopilik
Oleh karena setiap metanogen memerlukan substrat yang berbeda untuk membentuk metana, maka reaksi pembentukan metana juga berbeda untuk setiap substrat yang digunakan. Dari tabel 5.3 di atas dapat dirangkum ada 3 jenis substrat yang digunakan oleh metanogen dalam menghasilkan metana. Jenisjenis substrat tersebut antara lain: 1. Substrat berupa CO2 yang dapat berupa CO2 (menggunakan donor elektron dari H2, alkohol dan piruvat), formate (HCOO-), dan karbon monoksida (CO).
42 Gambar 5.4. Mekanisme reaksi asam asetat menjadi metana Eksplorasi Energi
2. Substrat berupa gugus metil yang dapat berupa metanol (CH3OH), metilanlanin (CH3NH3+), dimetilalanin ((CH3)2NH2+), trimetilalanin ((CH3)3NH+), metilmercaptan (CH3SH), dan dimetilsulfida ((CH3)2S. 3. Substrat berupa asetotropik yang berupa asetat (CH3COO-) dan piruvat (CH3COCOO-).
Gambar 5.5. Mekanisme reaksi asam asetat menjadi metana Kemampuan metanogen dalam mengubah substratsubstrat di atas dikarenakan metanogen mengandung koenzimkoenzim yang dibutuhkan dalam proses pembentukan metana. Koenzim-koenzim tersebut antara lain: 1. Metanofuran, berperan pada tahap awal metanogenesis. Metanofuran mengandung lima cincin furan dan nitrogen amino yang mengikat karbon dioksida.
Eksplorasi Energi
43
2. Metanopterin, yakni koenzin yang memiliki struktur menyerupai asam folat merupakan pembawa C1 pada tahap intermediat reduksi karbondioksida menjadi metana. 3. Koenzim M (CoM) merupakan molekul kecil yang berperan dalam tahap akhir konversi CH3 menjadi metana. 4. Koenzim F 430 merupakan bagian dari komplek enzim metil reduktase. 5. Koenzim F 420 merupakan koenzim redoks. Koenzim ini merupakan derivat flavinkarena memiliki struktur menyerupai koenzim flavin. Koenzim ini berperan sebagai donor elektron pada beberapa tahap reduksi karbondioksida. Bentuk teroksidasi dari koenzim F 420 dapat menyerap cahaya dengan panjang gelombang 420 nm dan fluoresensi hijau biru. 6. Koenzim B (CoB ) merupakan koenzim redoks. Koenzim ini memiliki molekul sederhana 7-merkaptoheptanoiltreoninfosfat yang strukturnya menyerupai vitaminasam pantotenat yang merupakan bagian dari asetil KoA. Koenzim ini berperan sebagai donor elektron dalam metanogenesis.
44
Eksplorasi Energi
BAB 6 BIOETANOL A. Pengertian Bioetanol adalah energi alternatif yang memanfaatkan etanol (etil alkohol) hasil fermentasi karbohidrat. Etanol dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi karena dapat mengalami reaksi pembakaran sesuai reaksi berikut: Energi yang dilepaskan pada reaksi tersebut sebesar 1368 kJ/mol. Sebagai bahan bakar, saat ini, etanol digunakan dengan cara dicampur dengan bensin pada berbagai variasi. Campuran ini disebut gasohol. Gambar 6.1 memperlihatkan campuran yang umum digunakan untuk gasohol.
Gambar 6.1 Campuran yang umum digunakan untuk gasohol Etanol digunakan secara luas di Brasil dan Amerika Serikat. Kedua negara ini memproduksi 88% dari seluruh jumlah bahan bakar etanol yang diproduksi di dunia. Kebanyakan mobilmobil yang beredar di Amerika Serikat saat ini dapat Eksplorasi Energi
45
menggunakan gasohol E10. Bahkan, penggunaan gasohol E10 diwajibkan di beberapa kota dan negara bagian AS. Sejak tahun 1976, pemerintah Brasil telah mewajibkan penggunaan gasohol, dan sejak tahun 2007, campuran yang legal adalah berkisar gasohol E25. Pada bulan Desember 2010, Brasil sudah mempunyai 12 juta kendaraan dan truk ringan bahan bakar fleksibel dan lebih dari 500 ribu sepeda motor yang dapat menggunakan bahan bakar etanol murni (E100). Tampilan fisik masing-masing gasohol dapat dilihat pada gambar 6.2.
Gambar 6.2. Tampilan fisik masing-masing gasohol
46
B. Reaksi Pembentukan Etanol Glukosa (gula sederhana) dibuat oleh tumbuhan melalui proses fotosintesis. 6 CO2 + 6 H2O + cahaya matahari → C6H12O6 + 6 O2 Dalam fermentasi etanol, glukosa akan dipecah menjadi etanol dan karbon dioksida. Proses ini melibatkan proses fermentasi anaerob sebagaimana reaksi berikut: C6H12O6 → 2 CH3CH2OH+ 2 CO2 + panas Proses pertama adalah hidrolisis karbohidrat menjadi glukosa sebagaimana gambar 6.3. Selanjutnya, glukosa terfermentasi dalam sel bakteri sesuai mekanisme pada gambar Eksplorasi Energi
6.4. Asam piruvat yang dihasilkan dapat mengalami tiga jenis reaksi sebagaimana disajikan pada gambar 6.5. Reaksi yang menghasilkan alkohol pada gambar 6.5. adalah reaksi yang terakhir, yakni fermentasi. Sementara, dua reaksi yang lain terjadi dalam tubuh manusia/hewan.
Gambar 6.3. Hidrolisis karbohidrat membentuk glukosa
47 Gambar 6.4. Glikolisis glukosa membentuk piruvat Eksplorasi Energi
Gambar 6.5. Reaksi piruvat ada beberapa kondisi Bukan hanya glukosa yang dapat difermentasi. Gula lainnya seperti fruktosa juga dapat digunakan untuk fermentasi. Tiga macam gula lainnya juga dapat difermentasi dengan memecahnya melalui hidrolisis menjadi molekul-molekul glukosa atau fruktosa. Amilum dan selulosa adalah molekul yang terdiri dari ikatan-ikatan glukosa. Sukrosa (atau gula tebu) merupakan molekul glukosa yang berikatan dengan molekul fruktosa. Etanol juga dapat diproduksi dari adisi etena (etilena). Dengan penambahan air ke dalam etena maka akan mengubah etena menjadi etanol C2H4 + H2O → CH3CH2OH sebagaimana gambar 6.6. Sumber etena yang dapat digunakan dapat berasal dari minyak atau gas bumi. Etanol juga bisa dihasilkan dari kalsium karbida.
48 Gambar 6.6. Reaksi adisi etena menghasilkan etanol Eksplorasi Energi
C. Sumber Produksi Etanol Sekitar 5% etanol yang diproduksi di dunia pada tahun 2003 sebenarnya merupakan produk minyak bumi. Etanol dari minyak bumi ini dibuat dengan hidrasi katalis etena menggunakan katalis asam sulfat. Dua juta ton etanol yang berasal dari minyak mentah dihasilkan setiap tahunnya. Etanol yang berasal dari minyak bumi (etanol sintetik) secara kimia sama dengan bioetanol dan hanya bisa dibedakan melalui penanggalan radiokarbon. Bioetanol biasanya diperoleh dari tanaman pertanian. Tanaman pertanian ini dianggap bisa diperbaharui karena tumbuh dari energi matahari melalui fotosintesis. Etanol dapat diproduksi dari banyak macam tanaman seperti tebu, bagasse, miscanthus, bit gula, sorgum, grain sorghum, switchgrass, jelai, hemp, kenaf, kentang, ubi jalar, singkong, bunga matahari, buah, molasses, jagung, stover, serealia, gandum, straw, kapas, biomassa lainnya, termasuk berbagai macam sampah selulosa. Sebuah proses alternatif untuk memproduksi bioetanol dari algae (rumput laut) saat ini sedang dikembangkan oleh perusahaan Algenol. Algae dapat memproduksi etanol secara langsung tanpa membunuh tanaman itu sendiri. Diklaim bahwa proses dari algae ini dapat menghasilkan 6000 galon per acre per tahun, lebih besar dari tanaman jagung yang hanya 400 galon per acre per tahun. D. Proses Produksi Bioetanol Sebelum dilakukan fermentasi, beberapa tanaman membutuhkan hidrolisis karbohidrat seperti selulosa dan amilum menjadi gula. Hidrolisis selulosa disebut sebagai selulosis. Enzim digunakan untuk mengubah amilum menjadi gula. Secara umum, proses produksi bioetanol diperlihatkan pada gambar 6.7. 49
Eksplorasi Energi
Gambar 6.7. Proses produksi bioetanol secara umum
50
Jika etanol ingin digunakan sebagai bahan bakar, maka sebagian besar kandungan airnya harus dihilangkan dengan cara distilasi. Tingkat kemurnian etanol setelah didistilasi masih sekitar 95-96%. (masih ada kandungan airnya 3-4 %). Campuran ini dinamakan etanol hidrat dan bisa digunakan sebagai bahan bakar, tapi tidak bisa dicampur sama sekali dengan bensin. Jadi, biasanya kandungan air dalam etanol hidrat dibuang habis terlebih dahulu dengan pengolahan lainnya sehingga baru bisa dicampurkan dengan bensin. Kandungan air tersebut terjadi pada titik azeotrop sebagaimana gambar 6.8. untuk mengeringkan air tersebut dilakukan dengan cara: 1. Distilasi azeotropik dilakukan dengan cara menambahkan benzena atau sikloheksana ke dalam campuran. Ketika zat ini ditambahkan, maka akan membentuk campuran azeotropik heterogen. Hasil akhirnya nanti adalah etanol anhidrat dan campuran uap dari air dan sikloheksana/benzena. Ketika dikondensasi, uap ini akan menjadi cairan.
Eksplorasi Energi
2. Distilasi ekstraktif dengan cara menambahkan komponen terner dalam etanol hidrat sehingga akan meningkatkan ketidakstabilan relatif etanol tersebut. Ketika campuran terner ini nantinya didistilasi, maka akan menghasilkan etanol anhidrat. 3. Penggunaan saringan molekul untuk membuang air dari etanol. Dalam proses ini, uap etanol bertekanan melewati semacam tatakan yang terdiri dari butiran saringan molekul. Pori-pori dari saringan ini dirancang untuk menyerap air. Setelah beberapa waktu, saringan ini pun divakum untuk menghilangkan kandungan air di dalamnya. Dua tatakan biasanya digunakan sekaligus sehingga ketika satu sedang dikeringkan, yang satunya bisa dipakai untuk menyaring etanol. Teknologi dehidrasi ini diperkirakan dapat menghemat energi sebesar 3.000 btus/gallon (840 kJ/L) jika dibandingkan dengan distilasi azeotropik.
51 Gambar 6.8. Titik azeotrop pada proses distilasi etanol Eksplorasi Energi
E. Kekurangan Bioetanol 1. Ketika etanol dibakar di atmosfer (bukan di oksigen murni), maka akan ada reaksi kimia yang lain yang menghasilkan 4 komponen kimia lainnya, termasuk dengan gas nitrogen (N2). Gas nitrogen dapat menimbulkan munculnya nitrogen oksida, salah satu polutan utama di udara. 2. Etanol bersifat higroskopis, yang artinya mudah menyerap uap air langsung dari atmosfer. Hal ini dapat mengurangi konsentrasi etanol sehingga nilai bakarnya menurun. Selain itu, etanol tidak dapat didistribusikan melalui pipa sehingga distribusi sedikit lebih repot. Akibat lain adalah kerusakan pada mesin akibat korosi. 3. Etanol korosif terhadap logam, misal pada besi: Fe + 2C2H5OH → Fe(C2H5O)2 + H2 Fe → Fe2+ + 2e 2C2H5OH +2e →2C2H5O- + H2 Fe2+ + 2C2H5O- → Fe(C2H5O)2 4. Tekanan uap etanol lebih rendah dari bensin atau lebih sulit menguap dari bensin. Hal ini karena molekul etanol membentuk ikatan hidrogen. Akibatnya, pembakaran mesin menggunakan etanol lebih sulit, khususnya saat musim dingin. 5. Bioetanol mengandung bahan-bahan yang dapat larut seperti ion-ion klorida. Ion halida bersifat korosif dengan 2 cara, yakni ion ini akan menyerang pasivator film oksida pada logam sehingga akan menimbulkan korosi atau ion ini akan meningkatkan konduktivitas bahan bakar. Konduktivitas elektrik yang meningkat menyebabkan korosi pada elektrik dan galvanis pada sistem bahan bakar. Bahan-bahan yang dapat larut, seperti aluminium hidroksida yang merupakan produk dari ion halida tadi, akan menyumbat sistem bahan bakar sedikit demi sedikit. 52
F. Penggunaan Oleh karena kelemahan bioetanol, khususnya tekanan uapnya yang rendah, maka bioetanol dicampur dengan bensin Eksplorasi Energi
yang dinamakan gasohol. Bensin akan meningkatkan tekanan uap bioetanol sebagaimana gambar 6.8.
Gambar 6.8. Tekanan uap berbagai variasi gasohol Selain itu, karena sifatnya yang korosif, mesin yang menggunakan etanol atau gasohol sebagai bahan bakar harus dimodifikasi terlebih. Bentuk modifikasi dapat dilihat pada gambar 6.9.
Gambar 6.9. Bentuk modifikasi untuk mesin yang menggunakan etanol/gasohol. Sejak tahun 1989 juga telah dioperasikan mesin etanol yang memakai basis dari mesin diesel di Swedia. Mesin-mesin ini dipakai di bus kota, juga digunakan di truk-truk distribusi dan pengangkut sampah. Mesin ini dibuat oleh perusahaan Scania, mempunyai rasio kompresi yang telah dimodifikasi dan bahan bakarnya adalah 93.6 % etanol dan 3.6 % peningkatan pembakaran, dan 2.8% denaturan (bahan bakar ini disebut sebagai ED95). Eksplorasi Energi
53
Peningkatan pembakaran tersebut memungkinkan mesin ini melakukan pembakaran seefisien dengan siklus pembakaran pada mesin diesel. Mesin-mesin ini telah digunakan di Britania Raya oleh Reading Transport tapi penggunaan bahan bakar bioetanol saat ini akan ditutup.
54
Eksplorasi Energi
BAB 7 BIODIESEL A. Pengertian Biodiesel adalah energi alternatif berupa metil ester atau etil ester yang diproduksi melalui reaksi esterifikasi asam lemak atau transesterifikasi trigliserida. Metil ester dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi karena dapat mengalami reaksi pembakaran sesuai reaksi berikut: Energi yang dilepaskan pada reaksi tersebut sebesar ±3000 kJ/mol. Penggunaan biodiesel biasanya dicampur dengan solar sehingga dinamakan biosolar. Hal ini karena komposisi diantara keduanya saling melengkapi. Metil ester sebagai bahan utama biodiesel memiliki atom O yang menyebabkannya lebih sulit terbakar dibandingkan dengan solar. Solar dapat menyala pada suhu 90 oC, sedangkan biodiesel menyala pada suhu 190 oC. Dengan demikian, pencampuran antara solar dan metil ester akan meningkatkan titik nyala biodiesel. Biodiesel mempunyai sifat kimia dan fisika yang sama dengan solar sehingga dapat bercampur dengan baik dan digunakan langsung untuk mesin diesel. Pencampuran 20 % biodiesel ke dalam solar menghasilkan produk bahan bakar tanpa mengubah sifat fisik secara nyata. Produk ini di Amerika dikenal sebagai biosolar B-20 yang banyak digunakan untuk bahan bakar bus. Energi yang dihasilkan oleh biodiesel relatif tidak berbeda dengan solar (128.000 BTU vs 130.000 BTU), sehingga engine torque dan tenaga kuda yang dihasilkan juga sama. Walaupun kandungan kalori biodiesel serupa dengan petroleum diesel, tetapi karena biodiesel mengandung oksigen, maka flash pointnya lebih tinggi sehingga tidak mudah terbakar. Biodiesel tidak menghasilkan uap yang membahayakan pada suhu kamar, maka biodiesel lebih aman daripada solar Eksplorasi Energi
55
dalam penyimpanan dan penggunaannya. Selain itu, biodiesel tidak mengandung sulfur dan senyawa benzena yang karsinogenik, sehingga biodiesel merupakan bahan bakar yang lebih bersih dan lebih mudah ditangani dibandingkan dengan solar. Penggunaan biodiesel juga dapat mengurangi emisi karbon monoksida, hidrokarbon total, partikel, dan sulfur dioksida. Kelebihan lain dari segi lingkungan adalah tingkat toksisitas biodiesel yang 10 kali lebih rendah dibandingkan dengan garam dapur dan tingkat biodegradabilitasnya sama dengan glukosa, sehingga sangat cocok digunakan pada kegiatan di perairan untuk bahan bakar kapal/motor. Biodiesel tidak menambah efek rumah kaca seperti halnya solar karena karbon yang dihasilkan masuk dalam siklus karbon. B. Penggunaan biodiesel Saat ini, penggunaan dan produksi biodiesel meningkat dengan cepat, terutama di Eropa, Amerika Serikat, dan Asia. Pertumbuhan SPBU seiring dengan pertumbuhan kendaraan yang menggunakan biodiesel/biosolar sebagai bahan bakar. Tabel 7.1 Sifat atau persyaratan biodiesel pada mesin Jenis Biodiesel Mesin Mesin putaran Sifat Mesin putaran rendah dan industri tinggi sedang ≥ 40 ≥ 40 ≥ 30 Bilangan setana Temperatur didih (°C) 288 282 – 338 Kekentalan pada 38°C 1,4 – 2,5 2,0 – 4,3 5,8 – 26,4 (mm2/s)
56
Bilangan setana adalah ukuran kualitas penyalaan bahan bakar yang mengindikasikan kesiapan bahan bakar mesin diesel untuk menyala secara spontan pada kondisi temperatur dan tekanan tertentu di ruang bakar. Semakin tinggi bilangan setana, waktu penundaan antara injeksi dan penyalaan semakin pendek dan kualitas penyalaan semakin baik.
Eksplorasi Energi
Sifat Titik nyala (°C) Kadar belerang (% berat) Kadar air dan sedimen (% volume) Kadar abu (% berat) Rams bottom residu karbon dalam 10 % residu distilasi (% massa)
Jenis Biodiesel Mesin Mesin putaran industri tinggi ≥ 38 ≥ 52
Mesin putaran rendah dan sedang ≥ 55
≤ 0,50
≤ 0,50
≤ 2,00
≤ 0,05
≤ 0,05
≤ 0,50
≤ 0,01
≤ 0,01
≤ 0,1
≤ 0,15
≤ 0,35
-
Sumber : American Society for Testing and Material (ASTM) D-975, 1991
Untuk penggunaan biodiesel pada dasarnya tidak perlu modifikasi pada mesin diesel, bahkan biodiesel mempunyai efek pembersihan/pelumas pada mesin, tangki bahan bakar, injektor dan selang. Namun, untuk kualitas yang terbaik terdapat beberapa sifat atau persyaratan biodiesel untuk mesin sebagaimana disajikan pada tabel 7.1. C. Minyak Nabati Sebagai Bahan Baku Biodiesel 1. Metil ester asam lemak Metil ester asam lemak memiliki rumus molekul Cn-1H2(n-r)-1CO–OCH3 dengan nilai n yang umum adalah angka genap antara 8 sampai dengan 24 dan nilai r yang umum 0, 1, 2, atau 3. Beberapa metil ester asam lemak yang umum dikenal disajikan pada tabel 7.2. Tabel 7.2. Beberapa metil ester asam lemak yang dikenal Panjang Asam No Nama Rumus Kimia Lemak 1. Metil stearat C17H35COOCH3 [n = 18 ; r = 0] 2. Metil palmitat C15H31COOCH3 [n = 16 ; r = 0] Eksplorasi Energi
57
No Nama
Rumus Kimia
3. 4. 5. 6.
C11H23COOCH3 C17H33COOCH3 C17H31COOCH3 C17H29COOCH3
Metil laurat Metil oleat Metil linoleat Metil linolenat
Panjang Asam Lemak [n = 12 ; r = 0] [n = 18 ; r = 1] [n = 18 ; r = 2] [n = 18 ; r = 3]
Kelebihan metil ester asam lemak dibanding asam-asam lemak lainnya: a. Ester dapat diproduksi pada suhu reaksi yang lebih rendah. b. Gliserol yang dihasilkan dari metanolisis bersifat bebas air. c. Pemurnian metil ester lebih mudah dibanding dengan lemak lainnya karena titik didihnya lebih rendah. d. Metil ester dapat diproses dalam peralatan karbon steel dengan biaya lebih rendah daripada asam lemak yang memerlukan peralatan stainless steel. Metil ester asam lemak tak jenuh memiliki bilangan setana yang lebih kecil dibanding metil ester asam lemak jenuh (r = 0). Jumlah ikatan rangkap suatu metil ester asam lemak yang banyak akan menyebabkan penurunan bilangan setana. Dengan demikian, metil ester asam lemak jenuh lebih dikehendaki untuk komponen biodiesel seperti yang terdapat dalam fraksi stearin minyak sawit.
58
2. Minyak nabati Industri pengolahan minyak sawit menghasilkan fraksi olein dan stearin. Fraksi olein lebih baik digunakan untuk pembuatan minyak goreng, karena asam lemak tak jenuh yang terkandung di dalamnya lebih mudah dihancurkan di dalam tubuh. Fraksi stearin biasanya digunakan sebagai bahan baku pada pabrik oleokimia dan untuk diekspor. Akan tetapi, saat ini ekspor stearin mendapat saingan dari negara lain yang juga penghasil kelapa sawit seperti Malaysia. Akibatnya, fraksi stearin akan terus berlimpah karena produksi oleokimia dalam negeri
Eksplorasi Energi
sampai kini juga masih sangat sedikit dibanding produksi bahan baku yang terus meningkat. Stearin memiliki asam lemak jenuh yang lebih banyak daripada fraksi olein, karena itu fraksi stearin memiliki bilangan setana lebih besar. Kedua alasan di atas menjadikan fraksi stearin sebagai sumber yang tepat untuk dijadikan bahan baku pembuatan biodiesel. Tabel 7.3. Kandungan asam lemak beberapa minyak nabati. Asam Lemak
r n
Heksanoat Oktanoat Dekanoat Laurat
0 0 0 0
Miristat
0 14
Palmitat
0 16
Stearat
0 18
6 8 10 12
Eikosanoat 0 20 Dekasanoat 0 22 Palmitoleat 1 16 Oleat 1 18 Linoleat
2 18
Linolenat
3 18
Terdapat pada Inti Sawit Kelapa Sawit (%) (%) (%) 0.5 0.5 3 – 10 6 – 9 3 – 14 6 – 10 0,1 – 37 –52 44 – 51 1,0 0,9 – 7 – 17 13 – 18 1, 5 41,8 – 2 – 9 8 – 10 46,8 4,2 – 1 – 3 1–3 5,1 0,2 – 0,6 0,7 0,6 0,3 37,3 – 11 –23 5,5 – 40,8 7,5 9,1 – 1 – 3 Tr – 11,0 2,5 0– 0,6
Bunga Kedelai Matahari (%) (%) -
Kanola (%) -
-
-
-
7 – 10
4– 8
3,49
3–6
2– 5
0,48
0–2
0– 1
-
1 20 –35
0– 1 20– 35
64,4
40 –57
45– 68
22,30
5 - 14
-
8,23
Sumber : CIC Indochemical, (1992); Goering (1982) n : jumlah karbon r : jumlah ikatan rangkap
59
Eksplorasi Energi
Tabel 7.3. menyajikan kandungan asam lemak dari beberapa minyak nabati. Data yang disajikan mengenai persen kandungan asam lemak jenuh (r = 0) dan tidak jenuh (r > 0) dapat digunakan untuk memperkirakan besarnya angka setana yang dimiliki tiap jenis asam lemak. Asam lemak sawit memiliki sifat jenuh yang lebih tinggi sehingga dapat diperkirakan memiliki bilangan setana yang lebih tinggi. Minyak kedelai adalah bahan baku biodiesel yang dikembangkan di Amerika Serikat. Bahan baku dari minyak bunga matahari dan rapseed (kanola) dikembangkan sebagai bahan baku biodiesel di Eropa yang memiliki angka setana di bawah biodiesel sumber minyak sawit. D. Proses Pembuatan Biodiesel Biodiesel dapat berupa metil ester ataupun etil ester tergantung dari jenis alkohol yang digunakan. Tetapi yang paling sering diproduksi adalah metil ester karena metanol mudah didapat dan tidak mahal. Proses produksi biodiesel secara umum ditampilkan pada gambar 7.1.
60 Gambar 7.1. Proses produksi biodiesel secara umum Eksplorasi Energi
Asam lemak bebas pada proses tersebut diubah menjadi ester melalui proses esterifikasi sesuai gambar 7.2.
Gambar 7.2. Esterifikasi asam lemak bebas Proses selanjutnya, trigliserida diubah menjadi ester melalui proses transesterifikasi sesuai gambar 7.3.
61
Eksplorasi Energi
Gambar 7.3 Transesterifikasi asam lemak bebas Proses pada gambar 7.3 diawali dengan proses pembentukan ion etoksida dari etanol menggunakan katalis basa sesuai reaksi berikut: Ion etoksida yang terbentuk berfungsi sebagai nukleofil pada reaksi selanjutnya sesuai gambar 7.4.
62
Eksplorasi Energi
Gambar 7.4. Siklus reaksi transesterifikasi asam lemak bebas Katalis yang sering digunakan dalam produksi biodiesel sebagaimana disebutkan di atas adalah KOH atau NaOH. Kedua katalis ini adalah katalis homogen bagi biodiesel sehingga memiliki beberapa kelemahan, yakni pemisahan katalis dari produknya cukup rumit. Sisa katalis homogen tersebut dapat mengganggu pengolahan lanjut biodiesel yang dihasilkan. Selain itu, katalis homogen tersebut dapat bereaksi dengan asam lemak bebas membentuk sabun sehingga akan mempersulit pemurnian, menurunkan yield biodiesel, memperbanyak konsumsi katalis dalam reaksi metanalisis. Penggunaan katalis heterogen dalam produksi biodiesel dapat mengatasi beberapa kelemahan yang dimiliki oleh katalis homogen. Pemisahan katalis heterogen dari produknya cukup sederhana, yaitu dengan menggunakan penyaringan. Salah satu katalis heterogen yang dapat digunakan melalui reaksi Eksplorasi Energi
63
metanolisis adalah kalsium karbonat (CaCO ) yang dipijarkan pada suhu dan waktu tertentu. CaCO yang telah dipijarkan akan terdekomposisi menjadi kalsium oksida (CaO) dan karbondioksida (CO ). CaO merupakan oksida basa kuat yang memiliki aktivitas katalitik yang cukup tinggi sehingga dapat digunakan sebagai katalis.
Gambar 7.5. Mekanisme reaksi metanolisis trigliserida menggunakan katalis basa heterogen (CaO)
64
Mekanisme reaksi metanolisis minyak kelapa menggunakan katalis CaO dapat dilihat pada gambar 7.5. Pada gambar 7.5, mekanisme reaksi metanolisis trigliserida menggunakan katalis basa heterogen (CaO) diawali dengan penjerapan alkohol (R-OH) pada permukaan katalis (molecular adsorption). Selanjutnya terjadi interaksi (surface diffusion) dan mengakibatkan pelemahan ikatan dari alkohol yang terjerap. Spesies aktif (RO-) terjerap pada permukaan Ca. Tahap selanjutnya, RO- menyerang atom karbon pada gugus karbonil trigliserida sehingga berikatan pada atom C tersebut. Setelah Eksplorasi Energi
berikatan, terjadi pemutusan ikatan sehingga dihasilkan satu alkil ester asam lemak dan digliserida anion. Tahap terakhir, proton (H+) berimigrasi menuju digliserida anion dan berikatan dengan oksigen. Mekanisme ini terjadi dua kali lagi sehingga dihasilkan tiga alkil monoester (biodiesel) dan gliserol. Selain CaO, katalis lain yang sering digunakan untuk reaksi metanolisis pembentukan ester disajikan pada tabel 7.4. Tabel tersebut menunjukkan kandungan silika yang banyak bersifat tidak aktif pada reaksi metanolisis dan yang sangat aktif adalah katalis dengan kandungan kalsium dan natrium. Senyawa dengan nilai 10 memberi arti katalis mampu mengkonversi hingga 95%, tetapi pada kenyataannya katalis tersebut juga banyak sekali menghasilkan sabun. Katalis-katalis dengan komponen kalsium dan magnesium kurang baik digunakan sebagai katalis karena cenderung membentuk sabun (memiliki sifat ganda). Senyawa yang mengikat komponen Si, Mg dan Al cenderung berfungsi sebagai penyangga katalis. Tabel 7.4 Katalis metanolisis dan produksi metil ester asam-asam lemak relatif Produksi Metil Ester Katalis Komposisi Asam Lemak relatif MgO 98% MgO SiO2 93% SiO2 ; 3% Al2O3 CaO 7% CaO ; 92% Al2O3 CaO.MgO 9,22% CaO ; 91% MgO 10 14,8% CaO ; 85,2% CaO. Al2O3 Al2O3 CaO.SiO2 12,6% CaO ; 87,4% SiO2 CaO bubuk 3 CaO.MgO. 6,34% CaO ; 5,64% MgO 0,5 Al2O3 ; 86% Al2O3 4,76% K2CO3 ; 95,2% K2CO3.MgO 5 MgO K2CO3.Al2O3 14,2% K2CO3 ; 85% 4 Eksplorasi Energi
65
Katalis
Komposisi
Produksi Metil Ester Asam Lemak relatif
Al2O3 K2CO3 bubuk Na2CO3 bubuk 2,73% Fe2O3 ; 97,3% MgO 1,5% - 3,6% CH3ONa ; CH3ONa.SiO2 98,5% - 96,5% SiO2 Fe2O3.MgO
6 0,8 2
Sumber : Peterson dan Scarrah, 1984 (dikutip dari Zahrina, 2000)
Katalis logam seperti Cu dan Sn pada reaksi metanolisis tidak menghasilkan metil ester. Katalis yang bersumber dari limbah seperti janjang sawit dan limbah sekam padi juga dapat digunakan sebagai katalis. Sekam padi mengandung senyawa dengan komponen K dan Na, janjang sawit banyak mengandung komponen K yang baik sebagai katalis.
66
Eksplorasi Energi
BAB 8 BATERAI A. Pengertian Baterai adalah energi alternatif berupa sumber energi listrik yang memanfaatkan reaksi reduksi dan oksidasi (redoks). Reaksi redoks yang digunakan untuk menghasilkan listrik disebut sel galvani. Reaksi redoks lain disebut sel elektrolisis yang tidak terkait dengan baterai. Berdasarkan penggunaannya baterai dapat dibagi 2, yakni baterai primer dan baterai sekunder. Baterai primer hanya bisa dipakai sekali karena menggunakan reaksi kimia yang bersifat tidak bisa dibalik (irreversible reaction). Baterai jenis kedua adalah baterai sekunder yang dapat diisi ulang (rechargeable) karena reaksi kimianya bersifat bisa dibalik (reversible reaction). B. Komponen Baterai Sebuah baterai biasanya terdiri dari tiga komponen penting, yaitu: 1. Anode (kutub positif baterai) 2. Katode (kutub negatif baterai) 3. Elektrolit (penghantar) Pada baterai, anoda adalah kutub negatif. Elektroda akan melepaskan elektron menuju ke sirkuit dan karenanya arus listrik mengalir ke dalam elektroda ini dan menjadikannya anoda dan berkutub negatif. Pada baterai, reaksi oksidasi terjadi secara spontan. Karena terus menerus melepaskan elektron, anode cenderung menjadi bermuatan positif dan menarik anion dari larutan (elektrolit) serta menjauhkan kation. Dalam contoh gambar 8.1., diagram anode seng (Zn) di kanan, anion adalah SO4-2, kation adalah Zn2+ dan ZnSO4 elektrolit. Pada sel elektrolisis, anode adalah elektrode positif. Arus listrik dari kutub positif sumber tegangan listrik luar (GGL) dialirkan ke elektrode sehingga memaksa elektrode teroksidasi dan melepaskan elektron. Eksplorasi Energi
67
Gambar 8.1 Diagram dari anode seng pada baterai. Kebalikan dari anode, katode adalah kutub elektroda dalam sel elektrokimia yang terpolarisasi jika kutub ini bermuatan positif (sehingga arus listrik akan mengalir keluar darinya, atau gerakan elektron akan masuk ke kutub ini) sebagaimana ditunjukkan pada gambar 8.2.
68 Gambar 8.2 Diagran katode tembaga dalam sel galvanik
Eksplorasi Energi
Pada baterai biasa (baterai karbon-seng), yang menjadi kutub katode biasanya adalah logam seng, yang juga sering menjadi pembungkus dari kotak baterai tersebut. Sedangkan, pada baterai alkaline, yang menjadi katode adalah logam mangan dioksida (MnO2). Komponen yang terakhir adalah elektrolit, yakni zat yang larut atau terurai ke dalam bentuk ion-ion dan selanjutnya larutan menjadi konduktor elektrik, ion-ion merupakan atom-atom bermuatan elektrik. Cara kerjanya dapat dilihat pada gambar 8.3.
Gambar 8.3 Larutan elektrolit dalam sebuah baterai Elektrolit bisa berupa air, asam, basa, garam atau berupa senyawa kimia lainnya. Beberapa gas tertentu dapat berfungsi sebagai elektrolit pada kondisi tertentu misalnya pada suhu tinggi atau tekanan rendah. Elektrolit kuat identik dengan asam, basa, dan garam kuat. Elektrolit merupakan senyawa yang berikatan ion dan kovalen polar. Sebagian besar senyawa yang berikatan ion merupakan elektrolit sebagai contoh ikatan ion NaCl yang merupakan salah satu jenis garam yakni garam dapur. NaCl dapat menjadi elektrolit dalam bentuk larutan dan lelehan atau bentuk
Eksplorasi Energi
69
liquid dan aqueous. sedangkan dalam bentuk solid atau padatan senyawa ion tidak dapat berfungsi sebagai elektrolit.
70
C. Jenis Baterai Jenis baterai pada zama modern sekarang ini secara kronologis dapat disingkat sebagai berikut: 1. Baterai Sel Daniel merupakan baterai primer yang reaksi kimianya bersifat tidak bisa dibalik (irreversible reaction). Reaksinya: Kutub Reaksi Anoda (dalam ZnSO4) Katoda (dalam CuSO4) 2. Baterai Sel Laclanche merupakan baterai primer Baterai Zinc-Carbon juga disering disebut dengan Baterai “Heavy Duty” yang sering kita jumpai di toko-toko ataupun supermarket. Baterai jenis ini terdiri dari bahan zinc yang berfungsi sebagai terminal negatif dan juga sebagai pembungkus baterainya, sedangkan terminal positifnya adalah terbuat dari Karbon yang berbentuk batang (rod). Baterai jenis Zinc-Carbon merupakan jenis baterai yang relatif murah dibandingkan dengan jenis lainnya. Reaksinya: Kutub Reaksi Anoda ( ) Katoda ( ) 3. Baterai alkaline merupakan baterai primer Baterai Alkaline ini memiliki daya tahan yang lebih lama dengan harga yang lebih mahal dibanding dengan baterai Zinc-Carbon. Elektrolit yang digunakannya adalah Potassium hydroxide yang merupakan zat alkali (alkaline) sehingga namanya juga disebut dengan baterai alkaline. Saat ini, banyak baterai yang menggunakan alkalline sebagai elektrolit, tetapi mereka menggunakan bahan aktif lainnya sebagai elektrodanya. Eksplorasi Energi
Reaksinya: Kutub Reaksi ( ) Anoda ( ) ( ) Katoda 4. Baterai perak oksida merupakan baterai primer Baterai silver oxide merupakan jenis baterai yang tergolong mahal dalam harganya. Hal ini dikarenakan tingginya harga perak (silver). Baterai silver oxide dapat dibuat untuk menghasilkan energi yang tinggi tetapi dengan bentuk yang relatif kecil dan ringan. Baterai jenis silver oxide ini sering dibuat dalam dalam bentuk baterai koin (coin battery) atau baterai kancing (button cell). Reaksinya: Kutub Reaksi ( ) Anoda ( ) Katoda Baterai jenis silver oxide ini sering dipergunakan pada jam tangan, kalkulator maupun aplikasi militer. Tampilannya pada gambar 8.4.
Gambar 8.4 Baterai perak oksida 5. Aki merupakan baterai sekunder yang dapat diisi ulang karena reaksi kimianya bersifat bisa dibalik (reversible reaction). Sistem kerjanya pada gambar 8.5. Reaksinya: Eksplorasi Energi
71
Kutub Anoda Katoda
Reaksi
( )
( )
Gambar 8.5 Sistem Kerja Aki
72
6. Baterai Nikel Cadmium Baterai Ni-Cd (Nickel-Cadmium) adalah jenis baterai sekunder (isi ulang) yang menggunakan nickel oxide hydroxide dan metallic cadmium sebagai bahan elektrolitnya. Baterai Ni-Cd memiliki kemampuan beroperasi dalam jangkauan suhu yang luas dan siklus daya tahan yang lama. Di satu sisi, baterai NiCd akan melakukan discharge sendiri (self discharge) sekitar 30% per bulan saat tidak digunakan. Baterai Ni-Cd juga mengandung 15% tosik/racun yaitu bahan carcinogenic cadmium yang dapat membahayakan kesehatan manusia dan lingkungan hidup. Saat ini, penggunaan dan penjualan baterai Ni-Cd (NickelCadmiun) dalam perangkat portabel konsumen telah dilarang
Eksplorasi Energi
oleh EU (European Union) berdasarkan peraturan “directive 2006/66/ec” atau dikenal dengan “battery directive”. Reaksinya: Kutub Reaksi ( ) ( ) Anoda ( ) ( ) Katoda 7. Baterai Nikel Metal-Hidrad (NiMH) Baterai Ni-MH (Nickel-Metal Hydride) memiliki keunggulan yang hampir sama dengan Ni-Cd, tetapi baterai Ni-MH mempunyai kapasitas 30% lebih tinggi dibandingkan dengan Baterai Ni-Cd serta tidak memiliki zat berbahaya Cadmium yang dapat merusak lingkungan dan kesehatan manusia. Baterai Ni-MH dapat diisi ulang hingga ratusan kali sehingga dapat menghemat biaya dalam pembelian baterai. Baterai Ni-MH memiliki self-discharge sekitar 40% setiap bulan jika tidak digunakan. Saat ini baterai Ni-MH banyak digunakan dalam kamera dan radio komunikasi. Meskipun tidak memiliki zat berbahaya cadmium, baterai Ni-MH tetap mengandung sedikit zat berbahaya yang dapat merusak kesehatan manusia dan lingkungan hidup, sehingga perlu dilakukan daur ulang (recycle) dan tidak boleh dibuang di sembarang tempat. Reaksinya: Kutub Reaksi Anoda Katoda
M = Lantanum, serium, nikel, mangan, atau aluminium
(
)
(
)
8. Baterai Litium Baterai jenis Li-Ion (Lithium-Ion) merupakan jenis Baterai yang paling banyak digunakan pada peralatan Elektronika portabel seperti digital kamera, handphone, video kamera ataupun laptop. Baterai Li-Ion memiliki daya tahan siklus yang tinggi dan juga lebih ringan sekitar 30% serta menyediakan kapasitas yang lebih tinggi sekitar 30% jika dibandingkan Eksplorasi Energi
73
dengan baterai Ni-MH. Rasio self-discharge adalah sekitar 20% per bulan. Baterai Li-Ion lebih ramah lingkungan karena tidak mengandung zat berbahaya cadmium. Sama seperti baterai Ni-MH (Nickel-Metal Hydride), meskipun tidak memiliki zat berbahaya Cadmium, baterai Li-Ion tetap mengandung sedikit zat berbahaya sehingga perlu dilakukan daur ulang (recycle) dan tidak boleh dibuang di sembarang tempat. Reaksinya: Kutub Reaksi Anoda Katoda
Gambar 8.6 Sistem Kerja Baterai Litium
74
Eksplorasi Energi
BAB 9 FUEL CELL A. Pengertian Fuel Cell atau bahan bakar hidrogen (BBH) adalah sumber energi alternatif berupa energi listrik yang dihasilkan melalui reaksi redoks H2 dan O2. Berbeda dengan baterai, yang menghabiskan zat dari dalam untuk bekerja, fuel cell memanfaatkan zat dari luar, seperti hidrogen dan oksigen. Hidrogen dihasilkan melalui proses tertentu dan disimpan, sedangkan oksigen berasal dari atmosfer. Hidrogen yang disimpan akan dicampur dengan oksigen dari atmosfer dan terjadi reaksi kimia. Reaksi ini merupakan pereaksian pembentukan air yang membebaskan energi listrik dan panas. Secara sederhana, reaksi fuel cell dapat dituliskan sebagai berikut: 2H2 + O2 → 2H2O + Energi listrik + Panas Pembakaran hidrogen tersebut terjadi secara eksotermik. Hidrogen tergolong molekul yang sangat reaktif sehingga pembakaran dapat berlangsung dengan mudah. Reaksi menghasilkan dua molekul air. Energi total yang dihasilkan reaksi pembakaran hidrogen ini adalah 478 kJ/mol, energi yang cukup besar untuk membuat suatu ledakan. Untuk satu kali reaksi, energi listrik yang dihasilkan sekitar 2,5 V. B. Sumber Hidrogen Hidrogen adalah unsur paling melimpah dengan persentase kira-kira 75% dari total massa unsur alam semesta. Kebanyakan bintang dibentuk oleh hidrogen dalam keadaan plasma. Senyawa hidrogen relatif langka dan jarang dijumpai secara alami di bumi. Keberadaan hidrogen di bumi lebih banyak membentuk senyawa dengan unsur lainnya. Contohnya metana (CH4), air (H2O), dan sebagainya. Hidrogen secara industri dihasilkan dari proses pembakaran bahan bakar fosil. Namun, hasil dari pembakaran Eksplorasi Energi
75
bahan bakar mencemari lingkungan. Metana menjadi reaktan dengan proses steam reforming menghasilkan CO2, CO, H2S, dan H2. Karbon monoksida inilah yang menjadi limbah sehingga perlu handling yang baik. Cara lain berupa gasifikasi atau proses biologis. Ilmuwan saat ini sedang meneliti dan mencari cara menghasilkan hidrogen yang efektif dan efisien: 1. Enzymatic menggunakan enzim ferredoksin sebagaimana reaksi berikut: 4H+ + ferredoksin → ferredoksin+ + 2H2
Gambar 9.1. Molekul ferredoksin
76
2. Elektrolisis urea (CO(NH2)2 melalui tahapan reaksi berikut: (CO(NH2)2 + 6OH- → N2 + 5H2O + 6CO2 + 6eNi(OH2) + OH- → NiOOH + H2O + e6 H2O + 6e- → 3H2 + 6OHTotal Reaksinya: (CO(NH2)2 + H2O → N2 +3H2 + CO2 3. Kanarev (peneliti asal Kuba) dan Mizuno (peneliti asal Jepang) meneliti elektrolisis plasma untuk mendapat hidrogen. 4. Fotokatalisis/termal katalisis air sesuai reaksi 2H2O ⇋ 2H2 + O2 menggunakan katalis NaTaO3:La. K3Ta3B2O12, dan TiO2:Pt. 5. Teknik vibrasi ultrasonik disertai dengan gelombang radio. Kristal piezo elektrik dilekatkan di dasar kuba logam yang diletakkan pada bahan fleksibel (karet). Jika kristal distimulasi oleh arus listrik dengan frekuensi resonansi sekitar 42,7 kHz, Eksplorasi Energi
maka kristal akan bergetar dan kubah logam ikut bergetar sehingga terjadi resonansi pada air dan terdisosiasi menjadi gas hidrogen dan oksigen. 6. Reaksi rantai sulfur-iodin melalui tahapan reaksi berikut: I2 + SO2 + 2H2O → 2HI + H2SO4 (1200C) 2H2SO4 → 2SO2 + 2H2O + O2 (8300C) 2HI → I2 + H2 (4500C) C. Jenis Fuel Cell Fuel cell dan batere komposisinya sama, keduanya terdiri dari dua elektroda yang dipisahkan oleh larutan elektrolit. Jenis fuel cell berdasarkan elektrolitnya: 1. Acid Fuel Cell menggunakan elektrolit asam sebagaimana gambar 9.2. Total energi yang dihasilkan mencapai 2,46 V.
Gambar 9.2. Acid Fuel Cell 2. Alkaline Fuel Cell menggunakan elektrolit basa sebagaimana gambar 9.3.
77
Eksplorasi Energi
Gambar 9.3. Alkaline Fuel Cell 3. Molten-carbonate fuel cells (MCFCs) menggunakan elektrolit karbonat sebagaimana gambar 9.4. Reaksinya: Anoda
:
Katoda
:
78 Gambar 9.4. Molten-carbonate fuel cells (MCFCs) Eksplorasi Energi
4. Proton exchange membrane fuel cell menggunakan elektrolit polimer. 5. Solid oxide fuel cell menggunakan elektrolit padatan oksida atau keramik.
Gambar 9.5. Solid oxide fuel cell Selain itu, fuel cell telah dikembangkan menggunakan berbagai reagen yang menggantikan H2. Jenisnya antara lain: 1. Direct Borohydride Fuel Cell: Anoda : NaBH4 + 8OH− → NaBO2 + 6H2O + 8e− (E = -1.24 V) Katoda : 2O2 + 4H2O + 8e− → 8OH− (E = +0.4V) : NaBH4 + 2O2 → NaBO2 + 2H2O + listrik (E = +1.64V) 2. Direct-Methanol Fuel Cell: Anoda : Katoda
: :
(E = +1.64V)
Eksplorasi Energi
79
3. Direct-Ethanol Fuel Cell: Anoda : Katoda : : 4. Formic Acid Fuel Cell: Anoda : HCOOH → CO2 + 2H+ + 2e− Katoda : 1/2 O2 + 2H+ + 2e− → H2O : HCOOH + 1/2 O2 → CO2 + H2O 5. Zinc–Air Fuel Cell: Anoda : Zn + 4OH- → Zn(OH)42− + 2e- (E = -1.25 V) Fluid : Zn(OH)42- → ZnO + H2O + 2OHKatoda : 1/2 O2 + H2O + 2e- → 2OH- (E = 0.34 V) : 2Zn + O2 → 2ZnO (E = 1.59 V) 6. Microbial Fuel Cell (MFC) atau Biological Fuel Cell menggunakan bakteri untuk mengoksidasi senyawa organik sehingga menghasilkan aliran elektron (listrik). Contoh pada gambar 9.6.
80 Gambar 9.6. Microbial Fuel Cell (MFC) Eksplorasi Energi
7. Enzymatic Biofuel Cell menggunakan enzim sebagai katalis untuk mengoksidasi bahan fuel cell. Contoh pada gambar 9.7.
Gambar 9.7. Enzymatic Biofuel Cell
81
Eksplorasi Energi
BAB 10 SEL SURYA (SOLAR CELL) A. Pengertian Sel surya atau fotovoltaik adalah sumber energi alternatif berupa piranti yang dapat menghasilkan listrik melalui proses fotolistrik pada material semikonduktor menggunakan sinar matahari. Matahari sebagai sumber energi utama di permukaan bumi dapat diolah dengan berbagai cara, salah satunya dengan prinsip helioelectrical yang menghasilkan listrik. Prinsip yang lain adalah prinsip heliochemical yang digunakan pada proses fotosintesis dan prinsip heliothermal yang digunakan pada kompor surya. Secara sederhana, prinsip helioelectrical adalah kemampuan sinar matahari mengeksitasi elektron dari material tertentu sehingga elektron tersebut dapat dialirkan sebagai listrik. Dengan proses itu, sel surya menghasilkan tegangan 0,5-1 volt tergantung intensitas cahaya dan jenis material semikonduktor yang digunakan. B. Komponen dan Prinsip Kerja Komponen utama sistem sel surya merupakan rakitan beberapa sel fotovoltaik secara seri dan paralel. Untuk generasi pertama, sel surya yang menggunakan silikon, satu sel fotovoltaiknya menghasilkan tegangan kurang lebih 0.5 Volt. Jadi sebuah panel surya 12 Volt terdiri dari kurang lebih 36 sel (untuk menghasilkan 17 Volt tegangan maksimun). Komponen sederhana sel surya diperlihatkan pada gambar 10.1.
82
Eksplorasi Energi
Gambar 10.1. Komponen sederhana sel surya Sel surya yang digunakan untuk pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) memiliki beberapa komponen, yaitu: 1. Charge controller, digunakan untuk mengatur pengaturan pengisian baterai. Tegangan maksimun yang dihasilkan panel surya pada hari yang terik akan menghasilkan tegangan tinggi yang dapat merusak baterai. 2. Inverter, adalah perangkat elektrik yang mengkonversikan tegangan searah (DC – direct current) menjadi tegangan bolak balik (AC - alternating current). 3. Baterai, adalah perangkat kimia untuk menyimpan tenaga listrik dari tenaga surya. Tanpa baterai, energi surya hanya dapat digunakan pada saat ada sinar matahari. 4. Diagram instalasi pembangkit listrik tenaga surya ini terdiri dari panel surya, charge controller, inverter, baterai. Diagram instalasi pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) diperlihatkan pada gambar 10.2.
Eksplorasi Energi
83
Gambar 10.2. Diagram instalasi pembangkit listrik tenaga surya Combiner pada gambar 10.2 menghubungkan kaki positif panel surya satu dengan panel surya lainnya. Kaki/ kutub negatif panel satu dan lainnya juga dihubungkan. Ujung kaki positif panel surya dihubungkan ke kaki positif charge controller, dan kaki negatif panel surya dihubungkan ke kaki negatif charge controller. Tegangan panel surya yang dihasilkan akan digunakan oleh charge controller untuk mengisi baterai. Untuk menghidupkan beban perangkat AC (alternating current) seperti televisi, radio, komputer, dll. Arus baterai disupply oleh inverter.
84
C. Perkembangan Sel Surya 1. Generasi pertama Teknologi pertama yang berhasil dikembangkan oleh para peneliti adalah teknologi yang menggunakan bahan silikon kristal tunggal. Teknologi ini mampu menghasilkan sel surya dengan efisiensi yang sangat tinggi. Masalah terbesar yang dihadapi Eksplorasi Energi
dalam pengembangan silikon kristal tunggal ini adalah proses produksinya secara komersial sangat mahal sehingga membuat solar sel panel yang dihasilkan menjadi tidak efisien sebagai sumber energi alternatif. Teknologi yang kedua adalah menggunakan wafer silikon poli kristal. Saat ini, hampir sebagian besar panel solar sel yang beredar di pasar komersial berasal dari screen printing jenis silikon poli kristal ini. Wafer silikon poli kristal dibuat dengan teknologi casting berupa balok silikon dan dipotong-potong dengan metode wire-sawing menjadi kepingan (wafer), dengan ketebalan sekitar 250–350 micrometer. Dengan teknologi ini bisa diperoleh sel surya lebih murah meskipun tingkat efisiensinya lebih rendah jika dibandingkan dengan silikon kristal tunggal. 2. Generasi kedua Generasi kedua adalah sel surya yang dibuat dengan teknologi lapisan tipis (thin film). Teknologi pembuatan sel surya dengan lapisan tipis ini dimaksudkan untuk mengurangi biaya pembuatan solar sel mengingat teknologi ini hanya menggunakan kurang dari 1% bahan baku silikon jika dibandingkan dengan bahan baku untuk tipe silikon wafer. Metode yang paling sering dipakai dalam pembuatan silikon jenis lapisan tipis ini adalah dengan Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) dari gas silane dan hidrogen. Lapisan yang dibuat dengan metode ini menghasilkan silikon yang tidak memiliki arah orientasi kristal atau yang dikenal sebagai amorphous silikon (non kristal). Selain menggunakan material dari silikon, sel surya lapisan tipis juga dibuat dari bahan semikonduktor lainnya yang memiliki efisiensi solar sel tinggi seperti Cadmium Telluride (Cd Te) dan Copper Indium Gallium Selenide (CIGS). Efisiensi tertinggi saat ini yang bisa dihasilkan oleh jenis solar sel lapisan tipis ini adalah sebesar 19,5% yang berasal dari solar sel CIGS. Keunggulan lainnya dengan menggunakan tipe lapisan tipis adalah semikonduktor sebagai lapisan solar sel bisa dideposisi pada substrat yang lentur sehingga menghasilkan divais solar sel yang fleksibel. Persoalannya adalah material ini Eksplorasi Energi
85
86
belum dapat diterima dengan baik karena mengandung unsur cadmium. Bila rumah yang atapnya dipasang sel surya CdTe terbakar, unsur cadmium ini akan menimbulkan polusi yang membahayakan. 3. Generasi ketiga Penelitian agar harga solar sel menjadi lebih murah selanjutnya memunculkan teknologi generasi ketiga yaitu teknologi pembuatan sel surya dari bahan polimer atau disebut juga dengan sel surya organik dan sel surya foto elektrokimia. Sel Surya organic dibuat dari bahan semikonduktor organik seperti polyphenylene vinylene dan fullerene. Pada solar sel generasi ketiga ini photon yang datang tidak harus menghasilkan pasangan muatan seperti halnya pada teknologi sebelumnya melainkan membangkitkan exciton. Exciton inilah yang kemudian berdifusi pada dua permukaan bahan konduktor (yang biasanya di rekatkan dengan organik semikonduktor berada di antara dua keping konduktor) untuk menghasilkan pasangan muatan dan akhirnya menghasilkan efek arus foto (photocurrent). Jenis lain yang lebih berkembang adalah sel surya photokimia merupakan jenis sel surya exciton yang terdiri dari sebuah lapisan partikel nano (biasanya titanium dioksida) yang di endapkan dalam sebuah perendam (dye). Teknologi ini pertama kali diperkenalkan oleh Profesor Graetzel pada tahun 1991 sehingga jenis solar sel ini sering juga disebut dengan Graetzel sel atau dye-sensitized solar cells (DSSC). Graetzel sel ini dilengkapi dengan pasangan redoks yang diletakkan dalam sebuah elektrolit (bisa berupa padat atau cairan). Komposisi penyusun solar sel seperti ini memungkinkan bahan baku pembuat Graetzel sel lebih fleksibel dan bisa dibuat dengan metode yang sangat sederhana seperti screen printing. Meskipun solar sel generasi ketiga ini masih memiliki masalah besar dalam hal efisiensi dan usia aktif sel yang masih terlalu singkat, solar sel jenis ini akan mampu memberi pengaruh besar dalam sepuluh tahun ke depan mengingat harga dan proses pembuatannya yang akan sangat murah Eksplorasi Energi
D. Proses Konversi PN-Junction Proses pengubahan atau konversi cahaya matahari menjadi listrik ini dimungkinkan karena bahan material yang menyusun sel surya berupa semikonduktor. Lebih tepatnya tersusun atas dua jenis semikonduktor; yakni jenis n dan jenis p. Semikonduktor jenis n merupakan semikonduktor yang memiliki kelebihan elektron, sehingga kelebihan muatan negatif, (n = negatif). Sedangkan semikonduktor jenis p memiliki kelebihan hole, sehingga disebut dengan p ( p = positif) karena kelebihan muatan positif. Caranya, dengan menambahkan unsur lain ke dalam semkonduktor, maka kita dapat mengontrol jenis semikonduktor tersebut, sebagaimana diilustrasikan pada gambar 10.3.
Gambar 10.3. Cara membuat semikonduktor tipe p dan n Pada awalnya, pembuatan dua jenis semikonduktor ini dimaksudkan untuk meningkatkan tingkat konduktifitas atau tingkat kemampuan daya hantar listrik dan panas semikonduktor alami. Di dalam semikonduktor alami (disebut dengan semikonduktor intrinsik) ini, elektron maupun hole memiliki jumlah yang sama. Kelebihan elektron atau hole dapat meningkatkan daya hantar listrik maupun panas dari sebuah semikoduktor. Eksplorasi Energi
87
Misal semikonduktor intrinsik yang dimaksud adalah silikon (Si). Semikonduktor jenis p dibuat dengan cara menambahkan unsur boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga) atau Indium (In) ke dalam kristal Si. Unsur-unsur tambahan ini akan menambah jumlah hole. Semikonduktor jenis n dibuat dengan menambahkan nitrogen (N), fosfor (P), atau arsen (As) ke dalam kristal Si sehingga terjadi kelebihan elektron. Usaha menambahkan unsur tambahan ini disebut dengan doping yang jumlahnya tidak lebih dari 1 % dibandingkan dengan berat Si yang di-doping. Dua jenis semikonduktor n dan p ini jika disatukan akan membentuk sambungan p-n atau dioda p-n (istilah lain menyebutnya dengan sambungan metalurgi/metallurgical junction) yang dapat digambarkan sebagai berikut: 1. Semikonduktor jenis p dan n sebelum disambung.
2. Sesaat setelah dua jenis semikonduktor ini disambung, terjadi perpindahan elektron dari semikonduktor n menuju semikonduktor p, dan perpindahan hole dari semikonduktor p menuju semikonduktor n. Perpindahan elektron maupun hole ini hanya sampai pada jarak tertentu dari batas sambungan awal. 88
Eksplorasi Energi
3. Elektron dari semikonduktor n bersatu dengan hole pada semikonduktor p yang mengakibatkan jumlah hole pada semikonduktor p akan berkurang. Daerah ini akhirnya berubah menjadi lebih bermuatan negatif. Pada saat yang sama, hole dari semikonduktor p bersatu dengan elektron yang ada pada semikonduktor n yang mengakibatkan jumlah elektron di daerah ini berkurang. Daerah ini akhirnya lebih bermuatan positif.
4. Daerah negatif dan positif ini disebut dengan daerah deplesi (depletion region) ditandai dengan huruf W. Elektron dan hole yang ada di daerah deplesi disebut dengan pembawa muatan minoritas (minority charge carriers) karena keberadaannya di jenis semikonduktor yang berbeda. 5. Perbedaan muatan positif dan negatif di daerah deplesi menimbulkan medan listrik internal E dari sisi positif ke sisi negatif, yang mencoba menarik kembali hole ke semikonduktor p dan elektron ke semikonduktor n.
89
Eksplorasi Energi
90
6. Medan listrik tersebut mengakibatkan sambungan p-n berada pada titik setimbang, yakni saat di mana jumlah hole yang berpindah dari semikonduktor p ke n dikompensasi dengan jumlah hole yang tertarik kembali ke arah semikonduktor p akibat medan listrik E. Begitu pula dengan jumlah elektron yang berpindah dari semikonduktor n ke p, dikompensasi dengan mengalirnya kembali elektron ke semikonduktor n akibat tarikan medan listrik E. Dengan kata lain, medan listrik E mencegah seluruh elektron dan hole berpindah dari semikonduktor yang satu ke semiikonduktor yang lain. 7. Pada sambungan p-n inilah proses konversi cahaya matahari menjadi listrik terjadi. Untuk keperluan sel surya, semikonduktor n berada pada lapisan atas yang menghadap ke arah datangnya cahaya matahari, dan dibuat jauh lebih tipis dari semikonduktor p, sehingga cahaya matahari yang jatuh ke permukaan sel surya dapat terus terserap dan masuk ke daerah deplesi dan semi-konduktor p. 8. Ketika sambungan semikonduktor ini terkena cahaya matahari, maka elektron mendapat energi dari cahaya matahari untuk melepaskan dirinya dari semikonduktor n, daerah deplesi maupun semi-konduktor. Terlepasnya elektron ini meninggalkan hole pada daerah yang ditinggalkan oleh elektron yang disebut dengan fotogenerasi elektron-hole (electron-hole photogeneration) yakni, terbentuknya pasangan elektron dan hole akibat cahaya matahari. Eksplorasi Energi
9. Cahaya matahari dengan panjang gelombang tertentu membuat fotogenerasi pada sambungan p-n berada pada bagian sambungan p-n yang berbeda pula. Spektrum merah dari cahaya matahari yang memiliki panjang gelombang lebih panjang, mampu menembus daerah deplesi hingga terserap di semikonduktor p yang akhirnya menghasilkan proses fotogenerasi di sana. Spektrum biru dengan panjang gelombang yang jauh lebih pendek hanya terserap di daerah semikonduktor n. 10. Selanjutnya, karena pada sambungan p-n terdapat medan listrik E, elektron hasil fotogenerasi tertarik ke arah semikonduktor n, begitu pula dengan hole yang tertarik ke arah semikonduktor p. Jika rangkaian kabel dihubungkan ke dua bagian semikonduktor, maka elektron akan mengalir melalui kabel. Jika sebuah lampu kecil dihubungkan ke kabel, lampu tersebut menyala dikarenakan mendapat arus listrik, dimana arus listrik ini timbul akibat pergerakan elektron. Eksplorasi Energi
91
E. Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) merupakan jenis sel surya yang memanfaatkan zat warna (dye) sebagai medium penyerap cahaya (foton). Secara umum, DSSC terdiri dari 5 komponen utama, yaitu substrat yang dilapisi oksida transparan konduktif, film tipis semikonduktor, senyawa dye, elektrolit yang berisi pasangan spesi redoks, dan elektroda lawan sebagai tempat regenerasi elektron. Komponen DSSC dapat dikelompokkan menjadi dua bagian, yaitu rangkaian dalam dan rangkaian luar. Rangkaian dalam ini terdiri dari sensitizer, semikonduktor, dan elektrolit yang bekerja dengan cara memanfaatkan karakteristik fotokimia dan fisika. Rangkaian luar berupa anoda dan katoda yang berfungsi mengalirkan elektron ke piranti yang membutuhkan sumber energi listrik. Struktur skematis DSSC ditunjukkan pada gambar 10. 4.
Gambar 10. 4. Struktur skematis DSSC (Harianto, 2014)
92
Prinsip kerja DSSC mencakup tiga proses yang berbeda, yaitu eksitasi fotosensitizer oleh foton, pemanfaatan pita konduksi, dan reaksi redoks pada larutan elektrolit. Secara skematik prinsip kerja DSSC dapat ditunjukkan pada gambar 10. 5.
Eksplorasi Energi
Proses pertama dimulai dengan terjadinya eksitasi elektron molekul dye akibat absorbsi foton. Elektron tereksitasi dari ground state (D) ke excited state (D*). D + e- → D* Elektron dari excited state kemudian terinjeksi menuju conduction band (ECB) titania sehingga molekul dye teroksidasi (D+). Adanya donor elektron berupa elektrolit (I-) mengakibatkan molekul dye kembali ke keadaan awalnya (ground state) dan mencegah penangkapan kembali elektron oleh dye yang teroksidasi. 2D+ + 3e- → I3- + 2D
Gambar 10. 5. Skema prinsip kerja DSSC Setelah mencapai elektroda TCO, elektron mengalir menuju counter elektrode melalui rangkaian eksternal. Dengan Eksplorasi Energi
93
adanya katalis pada counter elektrode, elektron diterima oleh elektrolit sehingga hole yang terbentuk pada elektrolit (I3-), akibat donor elektron pada proses sebelumnya, berekombinasi dengan elektron membentuk iodida (I-). I3- + 2e- → 3 IIodida ini digunakan untuk mendonorkan elektron kepada dye yang teroksidasi, sehingga terbentuk suatu siklus transport elektron. Adanya siklus inilah yang mampu mengkonversi cahaya matahari menjadi listrik.
94
Eksplorasi Energi
BAB 11 ENERGI NUKLIR A. Pengertian Nuklir adalah sumber energi alternatif berupa kalor/radiasi hasil reaksi fisi atom. Kalor dan radiasi tersebut dapat digunakan sebagai sumber energi. Misal untuk kalor yang dihasilkan dapat digunakan untuk memanaskan reaktor air sehingga menghasilkan uap yang dapat menggerakkan turbin listrik. Proses pemanfaatan energi nuklir untuk listrik disebut pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN) sebagaimana gambar 11.1.
Gambar 11.1. Pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN) B. Reaksi Nuklir Reaksi nuklir merupakan reaksi antara inti atom dengan inti atom atau inti atom dengan neutron. Reaksi tersebut menyebabkan bergabungnya inti atom (reaksi fusi) atau terbelahnya inti atom tersebut (reaksi fisi). Contoh reaksi fusi: 95
Sementara contoh reaksi fisi adalah:
Eksplorasi Energi
Diantara dua jenis reaksi tersebut, reaksi yang digunakan sebagai sumber energi alternatif adalah reaksi fisi. Hal ini karena reaksi fusi butuh energi aktivasi yang sangat besar. Selain itu, reaksi fusi antara dua inti atom yang lebih berat daripada besi dan nikel justru menyerap energi. Reaksi fisi dapat dilakukan dalam reaktor nuklir buatan manusia dengan persiapan energi terjangkau. Pada reaksi fisi, inti pecah menjadi dua atau lebih, dengan melepaskan dua atau tiga neutron bebas, yang terbang dengan kecepatan yang tinggi sekali, sehingga mempunyai energi kinetik yang besar. Dalam suatu reaktor, energi ini dilepaskan kepada moderator, yang merupakan bagian dari sumber panas dalam reaktor nuklir. Akan terjadi reaksi berantai jika jumlah neutron bebas diabsorpsi. Dalam teknologi nuklir jika keadaan ini terjadi maka disebut tercapai criticality. Reaksi fisi nuklir dapat di rumuskan sebagai berikut:
96
dimana: n = neutron U = uranium F1 = fraksi 1 F2 = fraksi 2 E = energi yang dibebaskan Jika inti U-235 menyerap sebuah neutron (n), terjadilah suatu transisi inti yaitu uranium -236 yang memasuki keadaan labil atau keadaan eksitasi (diberi tanda bintang *), yang kemudian dapat melepaskan energinya dengan beberapa cara. Tambahan yang diperoleh inti U -236 adalah jumlah energi kinetik dan energi ikatan dari neutron yang diserap. Untuk atom-atom berat dengan angka massa ganjil seperti U-235, energi eksitasi yang berkaitan dengan serapan neutron adalah lebih besar dari ambang (threshold) atau energi aktivasi untuk pemisahan dua hasil fisi dalam keadaan eksitasi F1* dan F2* dengan nomor atom masing-masing Z1 dan Z2 serta angka massa Eksplorasi Energi
A1 dan A2. Pada saat yang sama sejumlah b neutron dan energi sebanyak E dilepaskan. Walaupun memerlukan waktu yang lama, hasil-hasil fisi F* akan kehilangan energi eksitasinya dengan memancarkan sinar-sinar beta dan gama dan melepaskan beberapa neutron. Suatu inti yang memancarkan sinar beta akan bertambah angka atomnya (atau muatan intinya) dengan satu unit dan menjadi satu unsur baru. Jumlah energi yang dibebaskan reaksi nuklir adalah kirakira sebanyak: Energi kinetik fraksi fisi F1 dan F2 . . . . . . E1 + E2 = 167 MeV Energi kinetik neutron . . . . . . . . . . . . . . . . . .En = 5 MeV Energi sinar gama berupa foton . . . . .. . . . Eg = 13 MeV Energi sinar beta berupa elektron . . . . . . . Eb = 7 MeV Jumlah energi per atom U -235 E = 192 MeV Dengan demikian, maka per pemecahan atom U-235 dibebaskan energi sejumlah ±192 MeV. Jika dibandingkan dengan pembakaran senyawa karbon (C) menggunakan oksigen (O2) yang menghasilkan energi ±4 eV, maka perbandingan atom C dan U-235 yang dibutuhkan adalah:
Dengan demikian, sebanyak 2,45 ton karbon/arang setara dengan 1 gram bahan bakar nuklir untuk menghasilkan jumlah energi yang sama. Angka itu berlaku untuk zat-zat yang murni. Untuk bahan bakar dalam keadaan yang sebenarnya berlaku angka-angka praktek yang lebih rendah, yaitu 1 : 10.000 bagi batu bara dan 1 : 7.000 bagi minyak bumi. Besarnya energi nuklir dapat dihitung dari massa yang hilang atau massa tereduksi menggunakan persamaan E = mc2. Contoh: n + U-235 → Zr-94 + La-139 + 3n dimana massa masing-masing isotop dalam a.m.u adalah n : 1.008665 U-235 : 235.0439299 Eksplorasi Energi
97
Zr-94 : 93.9063152 La-139 : 138.9063533 sehingga selisih massanya adalah 0.21393 a.m.u atau 3.5524x10−28 kg (1 a.m.u = 1.660539040×10−27 kg). Dengan rumus E = mc2, diperoleh energi yang dibebaskan sebesar 199.3 MeV. Contoh yang lain dengan jumlah energi yang dihasilkan adalah: n + U-235 -> Ba-144 + Kr-90 + 2n + 179.6 MeV n + U-235 -> Ba-141 + Kr-92 + 3n + 173.3 MeV n + U-235 -> Zr-94 + Te-139 + 3n + 172.9 MeV Proses reaksi nuklir secara visual digambarkan pada gambar 11.2. Pada taraf a, sebuah neutron bebas yang berjalan secara “biasa” atau “lambat” bertubrukan dengan inti uranium U235. Neutron ini diserap oleh U-235 sehingga menjadi U-236, sebagaimana tampak pada taraf b. Inti U-236, mengalami eksitasi. Inti ini kemudian pecah menjadi dua jenis atom lain yang lebih ringan, yang dinamakan hasil fisi seperti terlihat pada taraf c.
98
Gambar 11.2 Skema reaksi fisi nuklir
Eksplorasi Energi
Bersamaan dengan pemecahan itu, terjadi radiasi beberapa jenis sinar, seperti sinar alfa, beta dan gamma. Radiasi ini pada umumnya berbahaya untuk kesehatan. Selain itu, ada dua atau tiga neutron terlempar keluar dengan kecepatan yang besar yang menimbulkan panas. Pada asasnya yang terjadi dalam proses pemecahan inti U-235 adalah inti itu pecah menjadi dua inti atom lain yang lebih ringan, sedangkan energi pengikat atom semula dibebaskan. Energi yang dibebaskan itu berbentuk energi kinetik dari dua atau tiga neutron cepat yang dilempar keluar dan radiasi beberapa jenis sinar dan panas. Oleh karena itu, proses paling penting adalah bagaimana “menangkap” energi yang dibebaskan tersebut. Hal ini dilakukan dengan melepaskan neutron-neutron cepat itu ke dalam komponen reaktor yang dinamakan “moderator”. Moderator tersebut memperlambat kecepatan neutron-neutron cepat itu. Energi kinetik neutron itu diubah oleh moderator menjadi panas sehingga suhu moderator naik. Jika neutron cepat sudah menjadi neutron lambat bertemu lagi atau bertubrukan lagi dengan sebuah inti U-235, sebagaimana terlukis pada fase e, maka proses serapan neutron oleh U-235 menjadi U-236 terulang lagi yang kemudian menyebabkan terjadinya lagi proses pemecahan. Kritikalitas sebagaimana telah disebut di atas tercapai, jika reaksi ini mencapai taraf berupa reaksi berantai. Perlu dicatat bahwa dapat terjadi, neutron lambat itu bertubrukan dengan inti U-238. Uranium-238 tidak fisil, tapi dapat menyerap neutron itu sehingga terjadi U-239, dan yang kemudian menjelma menjadi plutolium-239. Jika dikatakan U-235 itu fisil, maka U-238 dinamakan fertil atau subur. Reaktor-reaktor yang pertama dibuat menggunakan grafit sebagai moderator. Bahan-bahan lain yang dipakai kemudian adalah air biasa (H2O) dan air berat (D2O). Bahan yang dipakai sebagai moderator harus memenuhi syarat agar jangan menyerap terlampau banyak neutron, karena neutron diperlukan untuk bertubrukan seterusnya supaya reaksi berantai dapat terpelihara. Eksplorasi Energi
99
Salah satu karakteristik suatu material sebagai moderator disebut “rasio moderator” yang untuk air biasa adalah 60, untuk grafit sekitar 220 dan untuk air berat 1700. Lebih tinggi rasio moderator lebih baik sifat-sifatnya.
100
C. Bahan Bakar Nuklir Penggunaan tenaga nuklir memerlukan isotop-isotop yang fisil. Isotop-isotop tersebut memenuhi syarat yakni atomnya harus memiliki 90 ≤ Z ≤ 100 dan 2Z – N = 43 ± 2. Umumnya, atom yang bagus adalah U(235) atau Pu(239). Uranium dijual di pasaran dunia berupa konsentrat dengan suatu komposisi kimia U3O8 dengan nama yellow cake. Pada asasnya, U3O8 merupakan suatu produk, berisi uranium alam dengan komposisi isotop sebagaimana ditemukan dalam alam, dan biasanya berisi uranium dengan kadar 0,7%. Untuk penggunaan sebagai bahan bakar nuklir dari reaktor air biasa, kadar uranium ini masih harus ditingkatkan dari 0,7% menjadi antara 2 dan 3%. Untuk penggunaan dalam reaktor air berat, bahan bakar ini tidak perlu diperkaya karena kadar 0,7% uranium sudah mencukupi. Ada beberapa proses pengayaan uranium yang dikenal pada masa ini. Proses difusi, yang kini dipakai besar-besaran di USA dan USSR, pada asasnya atom-atom “disaring” sehingga unsur-unsur yang mempunyai perbedaan berat terpisah. Hal ini juga terjadi pada sistem nozzle yang dikembangkan oleh Jerman Barat dan sistem sentrifugal yang dikembangkan di negeri Belanda. Prancis pada saat ini sedang mengembangkan suatu proses keempat, yang dilandaskan suatu reaksi kimia. Untuk dapat memperkaya bahan bakar uranium, bentuknya yang seperti roti dan kue, harus diubah menjadi berupa gas. Salah satu jenis gas yang memenuhi syarat adalah gas UF6. Karenanya sebelum diperkaya, U3O8 perlu dikonversi menjadi UF6. Setelah diperkaya bahan bakar nuklir ini perlu diberi bentuk yang cocok untuk dipakai dalam reaktor nuklir yaitu berbentuk tablet atau pelet. Eksplorasi Energi
Oleh karena itu gas UF6 diubah menjadi UO2 yang berbentuk bubuk atau powder, dan kemudian dicetak dalam bentuk tablet atau pelet, yang diisikan dalam elemen-elemen bahan bakar nuklir berupa tabung-tabung. Sekedar untuk mendapatkan gambaran, sebuah PLTN dengan daya terpasang 600 MW PWR akan memerlukan bahan bakar UO2 sebanyak 30 ton setahun, yang berasal dari 130.00 ton bahan penambangan (uranium ore) dengan kemurnian 0,1%. Bahan bakar yang telah dipakai didinginkan dulu selama beberapa waktu dalam sebuah kolam pendingin. Selanjutnya, diangkut ke pabrik proses ulang. Pabrik proses ulang menghasilkan tiga produk: 1. Uranium yang masih dapat dimanfaatkan biasanya dalam bentuk UNH, yang masih perlu diubah menjadi UF6.. 2. Plutonium, yang juga dapat dimanfaatkan. 3. Bahan buangan yang harus “dibuang” karena bahan buangan nuklir ini masih sangat radioaktif, dan masih sangat berbahaya. Pembuangannya dilakukan dengan menanamnya dalam tanah yang mempunyai sifat dapat bertindak sebagai perisai lagi pula tidak mengandung air tanah. Gambar 11.4 memperlihatkan siklus bahan bakar nuklir (Nuclear Fuel Cycle), mulai dari penambangan, pemanfaatan, sampai dengan penyimpanan akhir.
101
Eksplorasi Energi
102
Gambar 11.4. Siklus Bahan Bakar Nuklir. Selain itu, tiap PLTN harus mempunyai suatu rencana pengungsian. Jika terjadi suatu hal yang tidak diinginkan, misalnya terjadi sesuatu bencana nuklir yang dapat membahayakan penduduk sekitarnya, maka sudah tersedia rencana pengungsian sebagai tindakan awal bagi pemerintah daerah untuk mengambil tindakan-tindakan. Hal lain adalah rencana penutupan atau penutupan suatu PLTN. Sebab-sebab penutupan PLTN adalah: 1. Telah mencapai akhir pemakaian secara teknis, ataupun secara ekonomis; 2. Telah mencapai akhir pemakaian secara fungsional misalnya untuk reaktor-reaktor percobaan atau prototipe; 3. Terjadi suatu kerusakan yang besar, yang akan memerlukan biaya yang terlampau tinggi untuk perbaikan. Cara-cara penutupan suatu PLTN meliputi: 1. Penutupan secara aman. Bagian-bagian radioaktif yang ditaruh dalam ruangan-ruangan tertentu dalam bangunan PLTN, kemudian ditutup dan dijaga. 2. Pembongkaran sebagian beserta penutupan secara aman dari bagian-bagian yang tidak dibongkar.
Eksplorasi Energi
3.
Pembongkaran secara keseluruhan. Dalam hal ini bagianbagian yang mengandung bahan bakar radioaktif disimpan di tempat lain yang aman.
D. Sejarah Reaksi Nuklir dan PLTN Pada tahun 1939, Otto Hahn dan Fritz Strassmann di Berlin menembaki uranium dengan neutron dan menemukan unsur barium yang lebih ringan sebagai hasil dari reaksi itu, tetapi tidak dapat menjelaskan percobaan munculnya barium tersebut. Otto Frisch dan Lise Metner menjelaskan bahwa percobaan Hahn dan Strassmann adalah reaksi fisi, yakni pembelahan suatu inti berat menjadi inti-inti yang lebih ringan, misalnya inti barium, dengan melepaskan banyak energi. Pada tahun 1942, Enrico Fermi bersama Leó Szilárd membangun reaktor nuklir pertama dan pada tanggal 2 Desember 1942, jam 15.52. Mereka berhasil membuat reaksi berantai pertama dalam proyek yang diprakarsai dan dikoordinasi oleh Arthur H. Compton. Reaktor nuklir produksi pertama di pakai untuk sebuah bom. Pada tahun 1943, reaktor-reaktor dibangun di Hanford, Washington, untuk memproduksi plutonium. Tahun 1945, bom atom pertama diletuskan di Alamogordo, New Mexico pada 16 Juli 1945, disusul Hiroshima 6 Agustus dan Nagasaki pada tanggal 9 Agustus. Selanjutnya, Uni Soviet melakukan percobaan pada tahun 1949 dan Inggris pada tahun 1952. Pada 20 Desember 1951, listrik dari generator yang digerakkan oleh tenaga nuklir pertama kali dihasilkan oleh Experimental Breeder Reactor-I (EBR-1) yang berlokasi di Arco, Idaho. Pada 26 Juni 1954, pukul 5:30 pagi, PLTN pertama dunia utnuk pertama kalinya mulai beroperasi di Obninsk, Kaluga Oblast, USSR. PLTN ini menghasilkan 5 megawatt, cukup untuk melayani daya 2,000 rumah. PLTN skala komersial pertama dunia adalah Calder Hall, yang mulai beroperasi pada 17 Oktober 1956. Pada tahun 1956, di seluruh dunia hanya terdapat dua buah PLTN dengan daya terpasang total 7,8 MWe. Sepuluh tahun kemudian dalam tahun 1965, jumlah ini meningkat menjadi 66 Eksplorasi Energi
103
buah PLTN dengan daya terpasang keseluruhan 7.000 MWe, di 9 negara. Lima belas tahun berikutnya, 1980, jumlah ini menjadi 249 PLTN di 25 negara dengan daya terpasang 142.000 MWe. Pada tahun 1991, angka-angka di atas menjadi 420 PLTN di 34 negara mengoperasikan daya terpasang total 326,6 ribu MWe. Angka-angka di atas terlihat pada Tabel 11.1. Tabel 11.1 Perkembangan daya terpasang PLTN 1955-1991 Keterangan Daya Terpasang (Ribu We) Jumlah PLTN Jumlah Negara
1955 1960 1965 1970 1975 1980 1988 1991 0,008 0,13 7 20 76 142 311 327 2 2
24 5
66 9
98 14
200 19
249 25
410 32
420 34
Sumber: IAEA Bulletin, Quarterly Journal of the International Atomic Energi Agency, Vienna, Berbagai edisi.
Gambar 11.5. Pangsa tenaga nuklir dalam pembangkitan energi listrik tahun 1991 104
Pada tahun 1991, Perancis membangkitkan hampir 73 persen dari energi listriknya menggunakan tenaga nuklir, yang Eksplorasi Energi
tertinggi di dunia, disusul dengan 59,3 persen oleh Belgia. Hal ini dapat dilihat pada gambar 11.5. Selanjutnya dapat juga dibaca bahwa di 11 negara pangsa energi nuklir adalah lebih dari 25 persen seluruh pembangkitan tenaga listrik. Produksi uranium terdapat di sejumlah negara yang relatif terbatas. Australia, Kanada dan Amerika Serikat termasuk negaranegara yang memiliki deposit uranium yang agak besar. Tabel 11.2 memperlihatkan produksi tahun-tahun 1980 dan 1989 uranium di negara-negara WOCA (World Outside Centrally Planned Economies). Tampak bahwa produksi tahun 1989 berada cukup jauh dibanding dengan tahun 1980. Hal ini adalah terutama karena masalah kecurigaan terhadap lingkungan yaitu, bahaya radiasi nuklir yang ditakutkan masyarakat. Tabel 10.3. Produksi Uranium di Negara-negara WOCA 1980 1989 Negara Ton % Ton Australia 1.561 3,5 3.800 Kanada 7.150 16,2 11.000 Perancis 2.634 5,9 3.190 Gabon 1.033 2,3 950 Namibia 4.042 9,1 3.600 Niger 4.128 9,3 3.000 Afrika Selatan 6.146 13,9 2.900 Amerika Serikat 16.800 38,0 4.600 Sisa WOCA 749 1,7 900 Jumlah WOCA 44.243 100 33.940 Sumber: Eberhard Muller-Kahle, 1991.
% 11,2 32,5 9,4 2,8 10,6 8,8 8,5 13,6 2,6 100
Saat ini, Indonesia memiliki tiga buah reaktor nuklir penelitian, sebuah di Bandung dengan daya 100 kW, Yogyakarta dengan daya 91 kW, sedangkan sebuah reaktor uji bahan (material tes reaktor) yang cukup besar terpasang di Serpong dengan daya 30 MW termal. Eksplorasi Energi
105
BAB 12 ENERGI GEOTERMAL A. Pengertian Geotermal adalah sumber energi alternatif berupa energi panas yang tersimpan dalam batuan/perut bumi. Energi panas tersebut berasal dari aktivitas tektonik di dalam bumi yang terjadi sejak planet ini diciptakan. Panas ini juga berasal dari panas matahari yang diserap oleh permukaan bumi. Selain itu sumber energi panas bumi ini diduga berasal dari beberapa fenomena: 1. Peluruhan elemen radioaktif di bawah permukaan bumi. 2. Panas yang dilepaskan oleh logam-logam berat karena tenggelam ke dalam pusat bumi. 3. Efek elektromagnetik yang dipengaruhi oleh medan magnet bumi. Panas tersebut dapat dialirkan ke permukaan untuk menguapkan air sehingga dapat menggerakkan turbin yang tersambung dengan generator listrik. Energi geotermal telah dimanfaatkan untuk pembangkit listrik di Italy sejak tahun 1913 dan di New Zealand sejak tahun 1958. Sekitar 10 Giga Watt pembangkit listrik tenaga panas bumi telah dipasang di seluruh dunia pada tahun 2007 dan menyumbang sekitar 0.3% total energi listrik dunia.
106
B. Gradien Geotermal Secara umum, setiap penurunan 1 km kedalaman perut bumi, temperatur naik sebesar 25 - 30ºC atau setiap kedalaman bertambah 100 meter temperatur naik sekitar 2,5 sampai 3ºC. Jadi semakin jauh ke dalam perut bumi suhu batuan akan makin tinggi. Jika suhu di permukaan bumi adalah 27ºC maka untuk kedalaman 100 meter suhu bisa mencapai sekitar 29,5ºC.
Eksplorasi Energi
Pertambahan panas tersebut dikenal sebagai gradien geotermal sebagaimana ditunjukkan pada gambar 12.1. Untuk tempat-tempat tertentu di sekitar daerah volkanik gradien geotermal dapat lebih besar lagi. Variasinya 1 - 5°C / 100m. Karena itu, temperatur pada kedalaman sekitar 5000 km (batas inti bumi) diperkirakan mencapai 5500 ºC. Di dalam kulit bumi, aliran air yang dekat dengan batuan panas bumi bisa mencapai 148ºC. Air tersebut tidak menjadi uap (steam) karena tidak ada kontak dengan udara. Jika air panas tadi keluar ke permukaan bumi melalui celah atau terjadi rekahan di kulit bumi, maka muncul air panas yang biasa disebut dengan hot spring. Air panas alam ini biasa dimanfaatkan sebagai kolam air panas, dan banyak pula yang sekaligus menjadi tempat wisata.
Gambar 12.1 Termal gradien panas bumi
Eksplorasi Energi
107
108
C. Penggunaan Geotermal Saat ini energi geotermal telah dimanfaatkan untuk pembangkit listrik di puluhan negara, termasuk Indonesia. Selain itu, energi geotermal dapat juga dimanfaatkan untuk pemanasan ruangan, pemanasan air, pemanasan rumah kaca, pengeringan hasil produk pertanian, pemanasan tanah, pengeringan kayu, kertas dan lain-lain. Pembangkit listrik menggunakan panas bumi disebut Pembangkit Listrik Tenaga Geotermal (PLTG). Untuk mencapai panas bumi pada titik yang diharapkan, maka harus menggali sumur dengan kedalaman hingga dan 1,5 km bahkan lebih. Adapun prinsip yang digunakan hampir sama dengan untuk mendapatkan listrik dari atau angin, yaitu menggunakan panas bumi untuk menggerakkan turbin. Selain itu, pemompaan air panas bertekanan tinggi menuju ke dalam tangki bertekanan rendah juga harus dilakukan sehingga menghasilkan kilatan panas yang bisa digunakan sebagai penggerak generator turbin. Saat ini untuk membuat pembangkit listrik digunakan air panas yang berasal dari tanah yang berfungsi sebagai pemanas cairan yang lain. Cairan ini dipanaskan dengan menggunakan temperatur yang sangat rendah, kemudian cairan akan menguap dan mengembang dan cairan inilah yang bekerja sebagai penggerak turbin. Saat ini beberapa negara telah menggunakan dan memanfaatkan panas bumi ini untuk memenuhi kebutuhan listrik. Bahkan bisa mencapai hingga 15% sehingga ini akan menjadi sumber listrik yang aman dan tanpa polusi. Namun sayangnya, pembangkit tenaga listrik dengan menggunakan panas bumi ini hanya bisa digunakan pada lempeng tektonik yang bertemperatur tinggi. Temperatur ini berasal dari sumber panas bumi yang telah tersedia cukup dekat dengan permukaan sehingga tidak semua tempat bisa memanfaatkan energi panas bumi dengan mudah. Negara yang banyak menggunakan geotermal sebagai sumber listrik pada tahun 2010 diperlihatkan pada tabel 12.1.
Eksplorasi Energi
Tabel 12.1.
Pemakaian PLTG pada berbagai negara pada tahun 2010
Negara
Kapasitas Sumbangsih untuk Sumbangsih untuk (MW) energi listrik energi geotermal nasional dunia (%) USA 3086 0.3 29 Philippines 1904 27 18 Indonesia 1197 3.7 11 Mexico 958 3 9 Italy 843 1.5 8 Selandia Baru 628 10 6 Iceland 575 30 5 Japan 536 0.1 5 D. Sejarah Energi Geotermal di Indonesia Pada tahun 1918, usulan JB Van Dijk untuk memanfaatkan energi panas bumi di daerah Jawa Barat merupakan titik awal dari perkembangan panas bumi di Indonesia. Secara kebetulan, hal tersebut juga bersamaan dengan awal pengusahaan panas bumi di dunia, yaitu Larnderello, Italia. Perbedaannya adalah kalau di Indonesia masih sebatas usulan, akan tetapi di Italia pengusahaan telah menghasilkan uap alam yang dapat dimanfaatkan untuk membangkitkan tenaga listrik. Tahun 1926 – 1928. Pada tahun ini, lapangan panas bumi yang ada di Kamojang bernama KMJ-3. Hingga saat ini KMJ-3 masih menghasilkan uap kering dengan suhu 1400 C dan tekanan 2,5 atmosfer. Sejak tahin 1928 kegiatan pengusahaan panas bumi di Indonesia terhenti dan dilanjutkan kembali pada tahun 1964. Dan dari 1964 sampai dengan 1981 penyelidikan sumber daya panas bumi resmi dilakukan secara aktif bersama oleh Direktorat Vulkanologi (Bandung), Lembaga Masalah Ketenagaan dengan memanfaatkan bantuan luar negeri.
Eksplorasi Energi
109
Tahun 1970-an. Pada tahun 1972 telah dilakukan pemboran pada 6 buah sumur panas bumi di pegunungan, Dieng. Akan tetapi tak ada satupun yang berhasil ditemukan uap panas bumi. Di tahun 1974, Pertamina aktif di dalam kegiatan di Kamojang bersama PLN untuk mengembangkan pembangkit listrik , dan selesai pada 1977. Tahun 1980-an. Pada tahun 1980-an usaha pengembangan panas bumi ditandai oleh Keppres No.22 Tahun 1981 untuk menggantikan Keppres No. 16 Tahun 1974. Menurut ketentuan dalam Keppres No. 22/1981 tersebut pertamina ditunjuk untuk melakukan survei panas bumi di Indonesia. Dan pada tahun 1982 juga menandatangani kontrak pengusahaan panas bumi dengan (Unocal Geothermal of Indonesia) UGI untuk sumur panas bumi di Gunung Cisalak, Jawa Barat. Tahun 1990-an. Pada tahun 1991, pemerintah mengeluarkan kebijakan pengusahaan panas bumi melalui Keppres No. 45/1991 sebagai penyempurnaan yang terdahulu. Dalam Keppres No 45/1991 Pertamina mendapatkan keluasan bersama kontaktor untuk melakukan eksplorasi dan eksploitasi panas bumi.
110
E. Proses Merubah Geotermal Menjadi Tenaga Listrik Sebagian besar pembangkit listrik menggunakan uap. Uap dipakai untuk memutar turbin yang kemudian mengaktifkan generator untuk menghasilkan listrik. Prinsipnya sama dengan pembangkit listrik lain, hanya saja banyak pembangkit listrik masih menggunakan bahan bakar fosil untuk mendidihkan air guna menghasilkan uap. Pembangkit yang digunakan untuk merubah geotermal menjadi tenaga listrik secara umum mempunyai komponen yang sama dengan power plant lain yang bukan berbasis geotermal, yaitu terdiri dari generator, turbin sebagai penggerak generator, heat exchanger, chiller, pompa, dan sebagainya. Ada tiga macam teknologi pembangkit listrik tenaga geotermal yaitu dry steam, flash steam, dan binary cycle. Eksplorasi Energi
PLTP sistem Dry Steam mengambil sumber uap panas dari bawah permukaan. Sistem ini dipakai jika fluida yang dikeluarkan melalui sumur produksi berupa fasa uap. Uap tersebut yang langsung dimanfaatkan untuk memutar turbin dan kemudian turbin akan mengubah energi Geotermal menjadi energi gerak yang akan memutar generator untuk menghasilkan energi listrik (Gambar 12.2).
Gambar 12.2 Skema PLTP Sistem Dry Steam PLTP sistem Flash Steam merupakan PLTP yang paling umum digunakan. Pembangkit jenis ini memanfaatkan reservoir Geotermal yang berisi air dengan temperatur lebih besar dari 82°C. Air yang sangat panas ini dialirkan ke atas melalui pipa sumur produksi dengan tekanannya sendiri. Karena mengalir keatas, tekanannya menurun dan beberapa bagian dari air menjadi uap. Uap ini kemudian dipisahkan dari air dan dialirkan untuk memutar turbin. Sisa air dan uap yang terkondensasi kemudian disuntikkan kembali melalui sumur injeksi ke dalam Eksplorasi Energi
111
reservoir, yang memungkinkan sumber energi berkesinambungan dan terbarui (lihat Gambar 12.3).
ini
Gambar 12.3 Skema PLTP Sistem Flash Steam
112
PLTP sistem Binary Cycle dioperasikan dengan air pada temperatur lebih rendah yaitu antara 107°-182°C. Pembangkit ini menggunakan panas dari air panas untuk mendidihkan fluida kerja yang biasanya senyawa organik (misalnya iso-butana) yang mempunyai titik didih rendah. Fluida kerja ini diuapkan dengan heat exchanger yang kemudian uap tersebut digunakan untuk memutar turbin. Air kemudian disuntikkan kembali kedalam reservoir melalui sumur injeksi untuk dipanaskan kembali. Pada seluruh proses dalam sistem ini air dan fluida kerja terpisah, sehingga hanya sedikit atau tidak ada emisi udara (lihat Gambar 12.4). Eksplorasi Energi
Gambar 12.4 Skema PLTP Sistem Binary Steam
113
Eksplorasi Energi
BAB 13 ENERGI ANGIN
114
A. Pengantar Wilayah Indonesia yang berada di sekitar daerah ekuator merupakan daerah pertemuan sirkulasi Hadley, Walker, dan lokal. Kondisi ini ditengarai memiliki potensi angin yang dapat dimanfaatkan untuk pengembangan energi terbarukan sebagai alternatif pembangkit listrik yang selama ini lebih banyak menggunakan bahan bakar minyak bumi. Energi angin telah lama dikenal dan dimanfaatkan manusia. Perahu-perahu layar menggunakan energi ini untuk melewati perairan sudah lama sekali. Pasukan-pasukan Viking yang ditakuti sekian ratus tahun yang lalu menggunakan kapal layar kecil untuk menelusuri pantai-pantai Eropa dari Skandinavia. Christopher Columbus masih memakai kapal layar besar di abad 15 untuk menemukan benua Amerika. Kincir angin telah digunakan untuk menggiling tepung di Persia pada abad ke-7. Walaupun kincir ini berbeda dari kincir Eropa, tapi kincir angin Persia merupakan asal-muasal kipas angin Eropa. Kincir angin di Belanda dipakai untuk menggerakkan pompa irigasi dan menggiling tepung, walau saat ini sebagai objek pariwisata. Sebagaimana diketahui, pada asasnya angin terjadi karena ada perbedaan suhu antara udara panas dan udara dingin. Di daerah khatulistiwa yang panas, udara naik ke atas dan bergerak ke daerah yang lebih dingin misalnya kutub. Sebaliknya di kutub yang dingin, udaranya menjadi dingin dan turun ke bawah. Dengan demikian terjadi suatu perputaran udara, berupa perpindahan udara dan kutub utara ke garis khatulistiwa menyusuri permukaan bumi, dan sebaliknya, suatu perpindahan udara dari garis khatulistiwa kembali ke kutub utara, melalui
Eksplorasi Energi
lapisan udara yang lebih tinggi. Perpindahan udara seperti ini dikenal sebagai angin pasat. Gambar 13.1 melukiskan terjadinya angin pasat ini secara skematik. Dengan sendirinya hal yang serupa terjadi pula antara wilayah khatulistiwa dan kutub selatan. Selain angin pasat, terdapat pula angin-angin lain, misalnya angin musim (angin mousson), angin pantai, dan angin lokal lainnya. Prinsipnya adalah bahwa angin terjadi karena adanya perbedaan suhu udara di beberapa tempat di muka bumi.
Gambar 13.1 Skema terjadinya angin B. Potensi Energi Angin di Indonesia Pembangkit Listrik Tenaga Angin mengkonversikan energi angin menjadi energi listrik dengan menggunakan turbin angin atau kincir angin. Cara kerjanya cukup sederhana, energi angin yang memutar turbin angin, diteruskan untuk memutar rotor pada generator di bagian belakang turbin angin, sehingga akan menghasilkan energi listrik. Energi listrik ini biasanya akan Eksplorasi Energi
115
disimpan ke dalam baterai sebelum dapat dimanfaatkan. Secara sederhana sketsa kincir angin ditunjukkan pada gambar 13.2.
116 Gambar 13. 2. Sketsa kincir angin Eksplorasi Energi
Syarat–syarat dan kondisi angin yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi listrik diperlihatkan pada tabel tabel 13.1. Tabel tersebut menjelaskan bahwa angin kelas 3 adalah batas minimum dan angin kelas 8 adalah batas maksimum energi angin yang dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik. Tabel 13.1. Tingkatan kecepatan angin 10 meter permukaan tanah
117 Pemanfaatan energi angin merupakan pemanfaatan energi terbarukan yang paling berkembang saat ini. Berdasarkan data Eksplorasi Energi
dari WWEA (World Wind Energi Association), sampai dengan tahun 2007 perkiraan energi listrik yang dihasilkan oleh turbin angin mencapai 93.85 GigaWatts, menghasilkan lebih dari 1% dari total kelistrikan secara global. Di tengah potensi angin melimpah di kawasan pesisir Indonesia, total kapasitas terpasang dalam sistem konversi energi angin saat ini kurang dari 800 kilowatt. Di seluruh Indonesia, lima unit kincir angin pembangkit berkapasitas masing-masing 80 kilowatt (kW) sudah dibangun. Tahun 2007, tujuh unit dengan kapasitas sama menyusul dibangun di empat lokasi, masingmasing di Pulau Selayar tiga unit, Sulawesi Utara dua unit, dan Nusa Penida, Bali, serta Bangka Belitung, masing-masing satu unit. Mengacu pada kebijakan energi nasional, maka pembangkit listrik tenaga bayu (PLTB) ditargetkan mencapai 250 megawatt (MW) pada tahun 2025.
118 Gambar 13.3. Pola sirkulasi udara akibat rotasi bumi Eksplorasi Energi
C. Jenis-jenis Angin Angin timbul akibat sirkulasi di atmosfer yang dipengaruhi oleh aktivitas matahari dalam menyinari bumi yang berotasi. Dengan demikian, daerah khatulistiwa akan menerima energi radiasi matahari lebih banyak daripada di daerah kutub, atau dengan kata lain, udara di daerah khatulistiwa akan lebih tinggi dibandingkan dengan udara di daerah kutub. Perbedaan berat jenis dan tekanan udara inilah yang akan menimbulkan adanya pergerakan udara. Pergerakan udara inilah yang didefinisikan sebagai angin. Gambar 13.3 merupakan pola sirkulasi pergerakan udara akibar aktivitas matahari dalam menyinari bumi yang berotasi. Berdasarkan prinsip dari terjadinya, angin dapat dibedakan sebagai berikut: 1. Angin laut dan angin darat Angin laut adalah angin yang timbul akibat adanya perbedaan suhu antara daratan dan lautan. Seperti yang kita ketahui bahwa sifat air dalam melepaskan panas dari radiasi sinar matahari lebih lambat daripada daratan, sehingga suhu di laut pada malam hari akan lebih tinggi dibandingkan dengan suhu di daratan. Semakin tinggi suhu, tekanan udara akan semakin rendah. Akibat adanya perbedaan suhu ini akan menyebabkan terjadinya perbedaan tekanan udara di atas daratan dan lautan. Hal inilah yang menyebabkan angin akan bertiup dari arah darat ke arah laut. Sebaliknya, pada siang hari dari pukul 09.00 sampai dengan pukul 16.00 angin akan berhembus dari laut ke darat akibat sifat air yang lebih lambat menyerap panas matahari. 2. Angin lembah Angin lembah adalah angin yang bertiup dari arah lembah ke arah puncak gunung yang biasa terjadi pada siang hari. Prinsip terjadinya hampir sama dengan terjadinya angin darat dan angin laut yaitu akibat adanya perbedaan suhu antara lembah dan puncak gunung. Eksplorasi Energi
119
3. Angin musim Angin musim dibedakan menjadi 2, yaitu angin musim barat dan angin musim timur. Angin musim barat/angin muson barat adalah angin yang mengalir dari benua Asia (musim dingin) ke benua Australia (musim panas). Jika angin melewati tempat yang luas, seperti perairan dan samudra, maka angin ini akan mengandung curah hujan yang tinggi. Angin musim barat menyebabkan Indonesia mengalami musim hujan. Angin ini terjadi pada bulan Desember, Januari dan Februari, dan maksimal pada bulan Januari dengan kecepatan minimum 3 m/s. Angin musim timur/angin muson timur adalah angin yang mengalir dari benua Australia (musim dingin) ke benua Asia (musim panas). Angin ini menyebabkan Indonesia mengalami musim kemarau, karena angin melewati celah- celah sempit dan berbagai gurun (Gibson, Australia Besar, dan Victoria). Musim kemarau di Indonesia terjadi pada bulan Juni, Juli dan Agustus, dan maksimal pada bulan Juli.
120
4. Angin permukaan Kecepatan dan arah angin ini dipengaruhi oleh perbedaan yang diakibatkan oleh material permukaan bumi dan ketinggiannya. Secara umum, suatu tempat dengan perbedaan tekanan udara yang tinggi akan memiliki potensi angin yang kuat. Ketinggian mengakibatkan pusat tekanan menjadi lebih intensif. Selain perbedaan tekanan udara, material permukaan bumi juga mempengaruhi kuat lemahnya kekuatan angin karena adanya gaya gesek antara angin dan material permukaan bumi ini. Disamping itu, material permukaan bumi juga mempengaruhi kemampuannya dalam menyerap dan melepaskan panas yang diterima dari sinar matahari. Sebagai contoh, belahan bumi utara didominasi oleh daratan, sedangkan selatan sebaliknya lebih di dominasi oleh lautan. Hal ini saja sudah mengakibatkan angin di belahan bumi utara dan selatan menjadi tidak seragam.
Eksplorasi Energi
5. Angin topan Angin topan adalah pusaran angin kencang dengan kecepatan angin 120 km/jam atau lebih yang sering terjadi di wilayah tropis di antara garis balik utara dan selatan. Angin topan disebabkan oleh perbedaan tekanan dalam suatu sistem cuaca. Di Indonesia dan daerah lainnya yang sangat berdekatan dengan khatulistiwa, jarang sekali dilewati oleh angin ini. Angin paling kencang yang terjadi di daerah tropis ini umumnya berpusar dengan radius ratusan kilometer di sekitar daerah sistem tekanan rendah yang ekstrem dengan kecepatan sekitar 20 Km/jam.
Gambar 13.4 Arah angin permukaan dan pusat tekanan atmosfer rata-rata pada bulan Januari, 1959-1997. Garis merah merupakan zona konvergen intertropik (ITCZ). Gambar 13.4 menunjukkan tekanan udara dan arah angin bulanan pada permukaan Bumi dari tahun 1959-1997. Perbedaan tekanan terlihat dari perbedaan warna. Biru menyatakan tekanan rendah, sedangkan kuning hingga oranye menyatakan sebaliknya. Eksplorasi Energi
121
Arah dan besar angin ditunjukkan dengan arah panah dan panjangnya.
122
D. Energi Angin Sebagaimana diketahui menurut fisika klasik energi kinetik dari sebuah benda dengan massa m dan kecepatan v adalah E = ½ m.v2, dengan ketentuan, kecepatan v tidak mendekati kecepatan cahaya. Rumus itu berlaku juga untuk angin, yang merupakan udara yang bergerak dimana: E = Energi (joule); m = massa udara (kg); v = kecepatan angin (m/detik). Jika suatu “blok” udara, yang mempunyai penampang A m2, dan bergerak dengan kecepatan v (m/detik), maka jumlah massa, yang melewati sesuatu tempat adalah: m = A.v.q (kg/det) dimana A = penampang (m2); v = kecepatan (m/det); q = kepadatan udara (kg/m3); Dengan demikian maka energi yang dapat dihasilkan per satuan waktu adalah: P = E = ½nq.A.V3 (per satuan waktu) dimana P = daya (W) E = energi (J) q = kepadatan udara (kg/m3) A = penampang (m2) v = kecepatan (m/det). Untuk keperluan praktis sering dipakai rumus pendekatan berikut P = k.A.v3 dimana P = daya (kW); k = suatu konstanta (1,37.1V); A = luas sudu kipas (m2); v = kecepatan angin (km/jam). Walaupun dalam rumus di atas besaran-besaran k dan A digambarkan sebagai konstanta-konstanta, pada asasnya dalam besaran k tercermin pula faktor-faktor seperti geseran dan Eksplorasi Energi
efisiensi sistem, yang mungkin juga tergantung dari kecepatan angin v. Sedangkan luas A tergantung pula misalnya dari bentuk sudu, yang juga dapat berubah dengan besaran v. Oleh karena itu untuk suatu kipas angin tertentu, besaran-besaran k dan A dapat dianggap konstan hanya dalam suatu jarak capai angin terbatas. Gaya-gaya angin yang berkerja pada sudut-sudut kincir pada asasnya terdiri atas tiga komponen yaitu: 1. Gaya aksial a, yang mempunyai arah sama dengan angin. Gaya ini hams ditampung oleh poros dan bantalan. 2. Gaya sentrifugal s, yang meninggalkan titik tengah. Jika kipas bentuknya simetrik, semua gaya sentrifugal s akan saling meniadakan atau resultantenya sama dengan nol. 3. Gaya tangensial t, yang menghasilkan momen, bekerja tegak lurus pada radius dan yang merupakan gaya produktif. E. Penggunaan Energi Angin Penggunaan tenaga angin diperkirakan dapat dilakukan untuk keperluan-keperluan seperti: 1. Menggerakkan pompa air untuk irigasi, tambak ikan/udang, atau untuk mendapatkan air tawar bagi ternak; 2. Menggiling padi untuk memperoleh beras; 3. Menggergaji kayu 4. Membangkitkan tenaga listrik. Untuk pemanfaatan kincir angin bagi pembangkitan tenaga listrik skala kecil, diperlukan sebuah pengatur tegangan, oleh karena kecepatan angin yang berubah-ubah, sehingga tegangan juga berubah. Diperlukan sebuah baterai untuk menyimpan energi, karena sering terjadi angin tidak bertiup. Jika angin tidak bertiup, perlu dicegah generator bekerja sebagai motor. Oleh karena itu perlu pula sebuah pemutus otomatik. Gambar 13.5 memperlihatkan skema sebuah kipas angin bagi pembangkit listrik yang kecil. 123
Eksplorasi Energi
Gambar 13.5. Skema pusat listrik tenaga angin skala kecil.
124
F. Pembangkit Listrik Tenaga Angin Pembangkit Listrik Tenaga Angin (Wind Power) adalah pembangkit yang memanfaatkan hembusan angin sebagai sumber penghasil listrik. Alat utamanya adalah generator, dengan generator tersebut maka dapat dihasilkan arus listrik dari gerakan blade/baling-baling yang bergerak karena hembusan angin. Pembangkit ini (PLTB) lebih efisien dari pada pembangkit listrik tenaga surya dalam menghasilkan listrik. Pembangkit listrik telah ada di pasaran memiliki kapasitas Watt per jam 200, 400, 500, 1000, 2000, dean 3000 Watt. Pembangkit ini tidak bisa dioperasikan pada sembarang tempat karena medan yang akan dipasang harus memiliki kecepatan angin yang tinggi dan stabil seperti yang ditunjukkan pada Tabel 13.1 di atas.
Eksplorasi Energi
Umumnya suatu pembangkit listrik tenaga angin terdiri dari beberapa komponen utama yaitu ; a) kincir angin, b) gear box, c) brake system, d) generator dan e) alat penyimpan energi. Selanjutnya komponen-komponen tersebut akan diuraikan berikut ini. 1. Kincir angin Secara umum kincir angin dapat di bagi menjadi 2, yaitu kincir angin yang berputar dengan sumbu horizontal, dan yang berputar dengan sumbu vertikal. Gambar 13.6 menunjukkan jenis-jenis kincir angin berdasarkan bentuknya.
Gambar 13.6 Jenis-jenis kincir angin Gambar 13.7 menunjukkan karakteristik setiap kincir angin sebagai fungsi dari kemampuannya untuk mengubah energi kinetik angin menjadi energi putar turbin untuk setiap kondisi kecepatan angin. Dari gambar 13.10 dapat disimpulkan bahwa kincir angin jenis multi-blade dan Savonius cocok digunakan untuk aplikasi PLTB kecepatan rendah. Sedangkan kincir angin Eksplorasi Energi
125
tipe Propeller, paling umum digunakan karena dapat bekerja dengan lingkup kecepatan angin yang luas.
Gambar 13.7 Karakteristik kincir angin 2. Gear box Merupakan suatu peralatan yang dipasang pada PLTB yang berfungsi untuk mengubah putaran rendah pada kincir menjadi putaran tinggi.
126
3. Brake system Alat ini digunakan untuk menjaga putaran pada poros setelah gearbox agar bekerja pada titik aman saat terjadi angin yang besar. Alat ini perlu dipasang karena generator memiliki titik kerja yang aman dalam pengoperasiannya. Generator ini akan menghasilkan energi listrik maksimal pada saat bekerja pada titik kerja yang telah ditentukan. Kehadiran angin luar dugaan akan menyebabkan putaran yang cukup cepat pada poros generator, sehingga jika tidak diatasi maka putaran ini dapat merusak generator. Dampak dari kerusakan akibat putaran berlebih diantaranya adalah overheat, rotor breakdown, kawat pada generator putus, karena tidak dapat menahan arys yang cukup besar. Eksplorasi Energi
4. Generator Ada berbagai jenis generator yang dapat digunakan dalam sistem turbin angin, antara lain generator serempak (synchronous generator), generator tak-serempak (unsynchronous generator), rotor sangkar maupun rotor belitan ataupun generator magnet permanen. Penggunaan generator serempak memudahkan kita untuk mengatur tegangan dan frekuensi keluaran generator dengan cara mengatur-atur arus medan dari generator. Sayangnya penggunaan generator serempak jarang diaplikasikan karena biayanya yang mahal, membutuhkan arus penguat dan membutuhkan sistem kontrol yang rumit. Generator tak-serempak sering digunakan untuk sistem turbin angin dan sistem mikrohidro, baik untuk sistem fixed-speed maupun sistem variable speed. 5. Penyimpan energi Pada sistem stand alone, dibutuhkan baterai untuk menyimpan energi listrik berlebih yang dihasilkan turbin angin. Contoh sederhana yang dapat dijadikan referensi sebagai alat penyimpan energi listrik adalah aki mobil. Aki 12 volt, 65 Ah dapat dipakai untuk mencatu rumah tangga selama 0.5 jam pada daya 780 watt.
Gambar 13.8 Tower PLTB (kiri) Guyed (Tengah) Lattice (kanan) Mono-structure 6. Tower Tower PLTB dapat dibedakan menjadi 3 jenis seperti gambar 13.8. Setiap jenis tower memiliki karakteristik masingEksplorasi Energi
127
masing dalam hal biaya, perawatan, efisiensinya, ataupun dari segi kesusahan dalam pembuatannya. G. Karakteristik Kerja Turbin Angin Gambar 13.9 menunjukkan pembagian daerah kerja dari turbin angin. Berdasarkan gambar ini, daerah kerja angin dapat dibagi menjadi 3, yaitu (a) cut-in speed (b) kecepatan kerja angin rata-rata (kecepatan nominal) (c) cut-out speed. Secara ideal, turbin angin dirancang dengan kecepatan cut-in yang seminimal mungkin, kecepatan nominal yang sesuai dengan potensi angin lokal, dan kecepatan cut-out yang semaksimal mungkin. Namun secara mekanik kondisi ini sulit diwujudkan karena kompensasi dari perancangan turbin angin dengan nilai kecepatan maksimal (Vcutoff) yang besar adalah Vcut dan Vrated yang relatif akan besar pula.
Gambar 13.9 Karakteristik kerja turbin angin 128
Selain dari data yang ditunjukkan gambar sebelumnya, penentuan kecepatan angin suatu daerah dapat juga dilakukan dengan menggunakan metode probalistik distribusi Weibull Eksplorasi Energi
dalam mengolah kumpulan data hasil survey seperti yang diperlihatkan pada gambar 13.10.
Gambar 13.10 Penentuan kecepatan angin rata-rata suatu daerah
129
Eksplorasi Energi
BAB 14 ENERGI AIR A. Sejarah dan Penggunaan Energi Air
130
Tenaga air telah berkontribusi banyak bagi pembangunan kesejahteraan manusia sejak beberapa puluh abad yang lalu. Beberapa catatan sejarah mengatakan bahwa penggunaan kincir air untuk pertanian, pompa dan fungsi lainnya telah ada sejak 300 SM di Yunani, meskipun peralatan-peralatan tersebut kemungkinan telah digunakan jauh sebelum masa itu. Pada masamasa antara jaman tersebut hingga revolusi industri, aliran air dan angin merupakan sumber energi mekanik yang dapat digunakan selain energi yang dibangkitkan dari tenaga hewan. Perkembangan penggunaan energi dari air yang mengalir kemudian berkembang secara berkelanjutan sebagaimana dicontohkan pada desain tenaga air yang menakjubkan pada tahun 1600-an untuk istana Versailles dibagian luar Paris, Prancis. Sistem tersebut memiliki kapasitas yang sepadan dengan 56 kW energi listrik. Sistem tenaga air mengubah energi dari air yang mengalir menjadi energi mekanik dan kemudian biasanya menjadi energi listrik. Air mengalir melalui kanal (penstock) melewati kincir air atau turbin dimana air akan menabrak sudu-sudu yang menyebabkan kincir air ataupun turbin berputar. Ketika digunakan untuk membangkitkan energi listrik, perputaran turbin menyebabkan perputaran poros rotor pada generator. Energi yang dibangkitkan dapat digunakan secara langsung, disimpan dalam baterai ataupun digunakan untuk memperbaiki kualitas listrik pada jaringan. Jumlah daya listrik yang dapat dibangkitkan pada suatu pusat pembangkit listrik tenaga air tergantung pada ketinggian (h) dimana air jatuh dan laju aliran airnya. Ketinggian (h) menentukan besarnya energi potensial (EP) pada pusat Eksplorasi Energi
pembangkit (EP = m x g x h). Laju aliran air adalah volume dari air (m3) yang melalui penampang kanal air per detiknya (q m3/s). Daya teoritis kasar (P kW) yang tersedia dapat ditulis sebagai:
Daya yang tersedia ini kemudian akan diubah menggunakan turbin air menjadi daya mekanik. Karena turbin dan peralatan elektro-mekanis lainnya memiliki efisiensi yang lebih rendah dari 100% (biasanya 90% hingga 95%), daya listrik yang dibangkitkan akan lebih kecil dari energi kasar yang tersedia.
Gambar 14.1 Pusat Pembangkit Listrik Tenaga Air Pada Umumnya Laju q dimana air jatuh dari ketinggian efektif h tergantung dari besarnya luas penampang kanal. Jika luas penampang kanal terlalu kecil, daya keluaran akan lebih kecil dari daya optimal karena laju air q dapat lebih besar. Di lain pihak, ukuran kanal tidak dapat dibuat besar secara sembarangan karena laju air q yang melalui kanal tergantung dari laju pengisian air pada reservoir air di belakang bendungan.
Eksplorasi Energi
131
Volume air pada reservoir dan ketinggian h yang bersangkutan, tergantung dari laju air yang masuk ke dalam reservoir. Selama musim kering, ketinggian air pada reservoir dapat berkurang karena jumlah air dalam reservoir lebih sedikit. Selama musim hujan, ketinggiannya dapat naik kembali karena air yang masuk dari berbagai aliran air yang mengisi bendungan. Fasilitas pembangkit listrik tenaga air harus di desain untuk menyeimbangkan aliran air yang digunakan untuk membangkitkan energi listrik dan jumlah air yang mengisi reservoir melalui sumber alami seperti curahan hujan, salju, dan aliran air lainnya. Pembangkit listrik tenaga air merupakan aplikasi energi terbaru yang terbesar dan paling matang secara teknologi, dimana terdapat 678.000 MW kapasitas daya listrik yang terpasang di seluruh dunia, yang menghasilkan lebih dari 22% listrik dunia (2564 TWh/tahun pada 1998). Dalam hal ini, 27.900 MW merupakan pembangkit skala kecil yang menghasilkan listrik 115 TWh/tahun. Di eropa barat, pembangkit listrik tenaga air berkontribusi sebesar 520 TWh listrik pada tahun 1998, atau sekitar 19% dari energi listrik di Eropa (sehingga menghindari emisi dari sejumlah 70 juta ton CO2 per tahun-nya).
132
Grafik 14.2. Pembangkitan energi listrik tenaga air dunia dalam TWh Eksplorasi Energi
Pada sejumlah negara di Afrika dan Amerika Selatan, pembangkit listrik tenaga air merupakan sumber listrik yang menghasilkan lebih 90% kebutuhan energi listriknya. Grafik 14.2 memperlihatkan pembangkitan energi listrik dari air dunia yang meningkat secara dinamis tiap tahunnya. Di samping pembangkit listrik tenaga air yang berkapasitas besar yang telah ada, masih terdapat ruang untuk pengembangan lebih jauh dimana diperkirakan hanya sekitar 10% dari total potensi air di dunia yang telah digunakan.
Grafik Pie 14.3. Kondisi Pembangkitan Energi Listrik (Sumber PLN 2007) B. Komponen PLTA Secara garis besar komponen-kompnen PLTA berupa dam, turbin, generator ,transmisi dan reservoir air. Adapun penjelasan beberapa macam komponen PLTA tersebut disajikan dalam penjelasan berikut ini: 1. Dam Dam berfungsi untuk menampung air dalam jumlah besar karena turbin memerlukan pasokan air yang cukup dan stabil. Selain itu dam juga berfungsi untuk pengendalian banjir. contoh bendungan Jatiluhur yang berkapasitas 3 miliar kubik air dengan volume efektif sebesar 2,6 miliar kubik.
Eksplorasi Energi
133
2. Intake Intake adalah suatu bangunan pada bendung yang berfungsi sebagai penyadap aliran sungai, mengatur pemasukan air dan sedimen serta menghindarkan sedimen dasar sungai dan sampah masuk ke intake. Terletak di bagian sisi bendung, di tembok pangkal dan merupakan satu kesatuan dengan bangunan pembilas. 3. Penstock Penstock adalah saluran dimana air dari resevoir bergerak untuk menuju turbin. Aliran fluida pada penstock mempengaruhi unjuk kerja sebuah turbin. Hal yang perlu diperhatikan dalam pemilihan penstock untuk PLTA adalah diameter. Dimana semakin kecil diameter maka kecepatan air dalam penstock akan semakin naik untuk debit yang sama, kerugian pada penstock disebabkan debit air dan tinggi jatuh yang relatif kecil dan ketersediaan material di daerah lokal.
Pen
Power House
Gambar 14.4 Penstock 134
4. Turbin Turbin berfungsi untuk mengubah energi potensial menjadi energi mekanik. Air akan memukul sudu-sudu dari turbin Eksplorasi Energi
sehingga turbin berputar. Perputaran turbin ini di hubungkan ke generator. Turbin terdiri dari berbagai jenis seperti turbin Francis, Kaplan, Pelton, dan lain-lain. Turbin memiliki prinsip kerja yakni sebagai berikut gaya jatuh air yang mendorong baling-baling menyebabkan turbin berputar. Turbin air kebanyakan seperti kincir angin, dengan menggantikan fungsi dorong angin untuk memutar baling-baling digantikan air untuk memutar turbin. Selanjutnya turbin merubah energi. 5. Generator PLTA Generator dihubungkan ke turbin dengan bantuan poros dan gearbox. Memanfaatkan perputaran turbin untuk memutar kumparan magnet didalam generator sehingga terjadi pergerakan elektron yang membangkitkan arus AC. Berdasarkan perhitungan dalam perencanaan digunakan generator dengan kapasitas tertentu. Generator tersebut merupakan generator yang mempunyai kecepatan putar dalam rpm dengan tegangan keluaran dalam volt, cos φ dan frekuensi output dalam Hz. Untuk menaikan kecepatan dalam rpm digunakan speed increaser dengan gearing ratio : Besarnya daya yang dapat dihasilkan setelah memperhitungkan besarnya efisiensi turbin, efisiensi speed increaser, efisiensi generator adalah sekitar 0,70 diperoleh: P = η.9,81.Q.H dimana: P : Daya (KW) η : Efisiensi Generator Q : Debit aliran (m3/s) H : Tinggi jatuh / Head (m) 135
Eksplorasi Energi
Arus persamaan:
generator
sinkron
dihitung
menggunakan
√ Dimensi utama generator dihitung menggunakan persamaan: S = 1,11 x kω.π2.B.ac.D2.Ln x 10-3 Jika jumlah saluran adalah 3 buah dengan panjang masing-masing 10 cm maka panjang bersih inti armatur : Larm = L – 3x10 = 970 mm 6. Travo Travo digunakan untuk menaikan tegangan arus bolak balik (AC) agar listrik tidak banyak terbuang saat dialirkan melalui transmisi. 7. Transmisi Transmisi berguna untuk mengalirkan listrik dari PLTA ke rumah-rumah atau industri. Sebelum listrik kita pakai tegangannya di turunkan lagi dengan travo step down. C. Jenis-jenis PLTA
136
1. Berdasarkan tinggi terjun Berdasarkan tinggi terjun terdapat jenis-jenis PLTA seperti: a. PLTA jenis terusan air (water way) Adalah pusat listrik yang mempunyai tempat ambil air (intake) di hulu sungai dan mengalirkan air ke hilir melalui terusan air dengan kemiringan (gradient) yang agak kecil. Tenaga listrik dibangkitkan dengan cara memanfaatkan tinggi terjun dan kemiringan sungai. b. PLTA Jenis DAM atau Bendungan Adalah pembangkit listrik dengan bendungan yang melintang di sungai, pembuatan bendungan ini dimaksudkan untuk menaikkan permukaan air dibagian hulu sungai guna Eksplorasi Energi
membangkitkan energi potensial yang lebih besar sebagai pembangkit listrik. c. PLTA Jenis Terusan dan DAM (campuran) Adalah pusat listrik yang menggunakan gabungan dari dua jenis sebelumnya, jadi energi potensial yang diperoleh dari bendungan dan terusan. 2. Berdasarkan aliran sungai Ditinjau dari caranya membendung air, PLTA dapat bagi menjadi dua kategori yaitu: a. PLTA run off river Pada PLTA run off river, air sungai dialihkan dengan menggunakan dam yang dibangun memotong aliran sungai. Air sungai ini kemudian disalurkan ke bangunan air PLTA seperti pada Gambar 8. Banyak dipakai dalam PLTA saluran air atau terusan, jenis ini membangkitkan listrik dengan memanfaatkan aliran sungai itu sendiri secara alamiah.
Gambar 14.5. Prinsip Kerja PLTA Run Off River b. PLTA dengan kolam tando (reservoir) Pada PLTA dengan kolam tando (reservoir), aliran sungai dibendung dengan bendungan besar agar terjadi penimbunan air Eksplorasi Energi
137
sehingga terjadi kolam tando. Selanjutnya air dari kolam tando dialirkan ke bangunan air PLTA seperti Gambar 9. Dengan adanya penimbunan air terlebih dahulu dalam kolam tando, maka pada musin hujan di mana debit air sungai besarnya melebihi kapasitas penyaluran air bangunan air PLTA, air dapat ditampung dalam kolam tando. Pada musim kemarau di mana debit air sungai lebih kecil dari pada kapasitas penyaluran air bangunan air PLTA, selisih kekurangan air ini dapat di atasi dengan mengambil air dari timbunan air yang ada dalam kolam tando. Inilah keuntungan penggunaan kolam tando pada PLTA. Hal ini tidak dapat dilakukan pada PLTA run off river. PLTA run off river, daya yang dapat dibangkitkan tergantung pada debit air sungai. Tetapi PLTA run off river memerlukan biaya pembangunan yang lebih murah dari pada PLTA dengan kolam tando (reservoir), karena kolam tando memerlukan bendungan yang besar dan juga memerlukan daerah genangan yang luas. Jika ada sungai yang mengalir keluar dari sebuah danau, maka dapat dibangun PLTA dengan menggunakan danau tersebut sebagai kolam tando.
138
Gambar 14.6. Potongan Memanjang Pipa Pesat PLTA Sutami Dengan Kolam Tando Reservoir
Eksplorasi Energi
D. Parameter Operasi PLTA Pada prinsipnya ada beberapa parameter yang mempengaruhi operasi PLTA, disebabkan oleh: 1. Keberadaan air Untuk dapat mengoptimalkan pengoperasian PLTA, baik dalam keadaan musim penghujan maupun musim kemarau panjang, diperlukan perhitungan besar volume air yang tersedia dalam bendungan atau dam, guna perhitungan berapa besar debit air yang harus dialirkan melalui pintu air yang dialirkan ke turbin. Bila terjadi banjir, berapa besar volume air yang harus dibuang keluar dari bendungan atau dam melalui pintu pembuangan air, sehingga tetap terjadi keseimbangan air dalam bendungan atau dam, dengan demikian dapat dihindari kerusakan bangunan bendungan atau dam maupun perangkat keras pendukung lainnya. Untuk kebutuhan perhitungan keadaan air baik yang akan masuk maupun yang berada dalam bendungan atau dam, dilakukan pengukuran terhadap parameter yang mempengaruhi keadaan air yang akan masuk maupun yang ada dalam bendungan atau dam. Pengukuran tersebut dilakukan pada berbagai stasiun ukur yang tersebar pada DAS dalam bendungan atau dam tersebut. Data hasil pengukuran yang diperoleh pada stasiun pengukuran, ditransmisikan melalui media komunikasi yang digunakan ke pusat kontrol operasi PLTA untuk diproses sesuai fungsinya dalam sistem kontrol tersebut. Pada perhitungan keberadaan air tersebut, ada beberapa parameter yang harus diperhatikan antara lain: a. Aliran permukaan ( surface flow) Aliran permukaan dan aliran dasar dipengaruhi intensitas curah hujan dan lama turunnya hujan. Semakin tinggi intensitas curah hujan dan semakin lama waktu turunnya hujan, semakin besar aliran permukaan dan aliran dasar sungai. Tinggi permukaan dipengaruhi aliran permukaan dan aliran dasar. Semakin besar aliran permukaan dan aliran dasar, Eksplorasi Energi
139
b. c. d.
e.
140
semakin tinggi muka air yang terjadi, sehingga semakin besar volume air yang mengalir ke dalam bendungan atau dam. Aliran dasar (base flow) Tinggi muka air Kehilangan air karena keadaan lingkungan Parameter kehilangan air yang disebabkan keadaan lingkungan, dipengaruhi antara lain : 1) Suhu udara : semakin tinggi suhu udara, semakin besar kehilangan air 2) Kelembaban : semakin kecil kelembaban (humidity) maka semakin besar kehilangan air 3) Kecepatan angin : semakin cepat kecepatan angin berhembus, semakin besar kehilangan air 4) Penyinaran Matahari : semakin panas dan semakin lama penyinaran matahari, semakin besar kehilangan air Keadaan DAS Parameter keadaan DAS dipengaruhi beberapa parameter, antara lain: 1) Vegetasi : semakin rapat tumbuhnya tumbuh-tumbuhan (pohon) dalam DAS, semakin besar aliran dasar sungai 2) Penduduk : semakin padat atau ramai penduduk yang bermukim dalam DAS, semakin besar kehilangan air 3) Industri : semakin banyak industri yang beroperasi dalam DAS, semakin besar kehilangan air
2. Konstruksi saluran air Kecepatan gerakan turbin, dipengaruhi oleh besar tekanan aliran air yang dialirkan ke turbin. Besar tekanan aliran air yang dialirkan tersebut, dipengaruhi debit air yang dialirkan beserta konstruksi dan penempatan saluran air yang mengalirkan air tersebut. Semakin lebar diameter dan semakin tinggi pintu saluran air dibuka, semakin besar debit air yang dialirkan, semakin tinggi tekanan air yang terjadi masuk ke turbin. Selain hal tersebut di atas, rancangan dan peletakan saluran air tersebut, juga mempengaruhi tekanan air yang dialirkan ke turbin. Semakin besar perbedaan sudut antara posisi Eksplorasi Energi
saluran pintu masuk air dari bendungan atau dam (Q2) dengan posisi saluran pintu air keluar yang mengalirkan air masuk ke turbin (Q1) pada gambar di bawah ini, semakin besar tekanan air yang mengalir masuk ke turbin, dengan demikian perputaran turbin semakin cepat. Semakin cepat perputaran turbin, semakin besar listrik yang terjadi. Bentuk peletakan posisi saluran air yang mengalirkan air ke turbin, dipaparkan pada gambar di 14.7.
Gambar 14.7 Bentuk posisi pintu saluran masuk air dan keluar, dengan Q1 = sudut posisi peletakan pintu keluar air dengan garis horizontal, Q2 = sudut posisi peletakan pintu saluran air masuk dari bendungan/dam dengan garis horizontal Data hasil pengukuran yang ditransmisikan ke pusat kontrol operasi PLTA tersebut diproses sesuai kebutuhan masingmasing data tersebut. Dari hasil olahan data tersebut, diketahui berapa besar listrik yang dapat dihasilkan dari setiap operasi yang dilakukan, berdasarkan besar debit air yang dialirkan melalui pintu saluran air ke turbin, beserta keputusan apa yang segera diinstruksikan untuk dioperasikan, dalam upaya pengamanan sistem pembangkit listrik tenaga air secara menyeluruh. Block diagram alur data hasil pengukuran dipaparkan pada gambar 14.8. 141
Eksplorasi Energi
Gambar 14.8. Block diagram alur data hasil pengukuran, dengan St1 s/d Stn=stasiun ukur pada DAS, WD = stasiun ukur pada bendungan / dam, Pi1 s/d Pin = pintupintu masuk air ke saluran air, Po1 s/d Pon=pintupintu keluar air dari saluran, T = turbin, L = listrik yang dihasilkan E. Bendungan
142
Bendungan (dam) adalah konstruksi yang dibangun untuk menahan laju air menjadi bendungan, danau, atau tempat rekreasi. Seringkali bendungan juga digunakan untuk mengalirkan air ke sebuah Pembangkit Listrik Tenaga Air. Bendungan terdiri dari beberapa komponen, yaitu : 1. Badan bendungan (body of dams), bagian yang berfungsi sebagai penghalang air. Bendungan umumnya memiliki tujuan untuk menahan air, sedangkan struktur lain seperti pintu air atau tanggul digunakan untuk mengelola atau mencegah aliran air ke dalam daerah tanah yang spesifik. Kekuatan air memberikan listrik yang disimpan dalam pompa air dan ini dimanfaatkan untuk menyediakan listrik bagi jutaan konsumen. 2. Pondasi (foundation), bagian dari bendungan yang berfungsi untuk menjaga kokohnya bendungan.
Eksplorasi Energi
3. Pintu air (gates), digunakan untuk mengatur, membuka dan menutup aliran air di saluran baik yang terbuka maupun tertutup. Bagian yang penting dari pintu air adalah : a. Daun pintu (gate leaf) adalah bagian dari pintu air yang menahan tekanan air dan dapat digerakkan untuk membuka , mengatur dan menutup aliran air. b. Rangka pengatur arah gerakan (guide frame) adalah alur dari baja atau besi yang dipasang masuk ke dalam beton yang digunakan untuk menjaga agar gerakan dari daun pintu sesuai dengan yang direncanakan. c. Angker (anchorage) adalah baja atau besi yang ditanam di dalam beton dan digunakan untuk menahan rangka pengatur arah gerakan agar dapat memindahkan muatan dari pintu air ke dalam konstruksi beton. d. Hoist adalah alat untuk menggerakkan daun pintu air agar dapat dibuka dan ditutup dengan mudah. 4. Bangunan pelimpah (spill way) adalah bangunan beserta instalasinya untuk mengalirkan air banjir yang masuk ke dalam bendungan agar tidak membahayakan keamanan bendungan. Bagian-bagian penting dari bangunan pelimpah : a. Saluran pengarah dan pengatur aliran (controle structures) digunakan untuk mengarahkan dan mengatur aliran air agar kecepatan alirannya kecil tetapi debit airnya besar. b. Saluran pengangkut debit air (saluran peluncur, chute, discharge carrier, flood way). Makin tinggi bendungan, makin besar perbedaan antara permukaan air tertinggi di dalam bendungan dengan permukaan air sungai di sebelah hilir bendungan. Apabila kemiringan saluran pengangkut debit air dibuat kecil, maka ukurannya akan sangat panjang dan berakibat bangunan menjadi mahal. Oleh karena itu, kemiringannya terpaksa dibuat besar, dengan sendirinya disesuaikan dengan keadaan topografi setempat. c. Bangunan peredam energi (energi dissipator), digunakan untuk menghilangkan atau setidak-tidaknya mengurangi energi air agar tidak merusak tebing, jembatan, jalan, Eksplorasi Energi
143
5. 6. 7. 8.
9.
bangunan dan instalasi lain di sebelah hilir bangunan pelimpah. Kanal (canal), digunakan untuk menampung limpahan air ketika curah hujan tinggi. Reservoir, digunakan untuk menampung atau menerima limpahan air dari bendungan. Stilling basin memiliki fungsi yang sama dengan energi dissipater. Katup (kelep, valves), fungsinya sama dengan pintu air biasa, hanya dapat menahan tekanan yang lebih tinggi (pipa air, pipa pesat dan terowongan tekan). Merupakan alat untuk membuka, mengatur dan menutup aliran air dengan cara memutar, menggerakkan kearah melintang atau memanjang di dalam saluran airnya. Drainage galeri, digunakan sebagai alat pembangkit listrik.
144
Eksplorasi Energi
BAB 15 GENERATOR LISTRIK A. Pengertian Generator listrik adalah alat yang memproduksi energi listrik dari sumber mekanik dengan menggunakan induksi elektromagnetik. Konsep generator pertama kali ditemukan oleh Michael Faraday yang berkebangsaan Inggris, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Generator bekerja berdasarkan huykum Faraday. Pada gambar 15.1, bila konduktor digerakkan maju mundur antara kutub utara dan kutub selatan maka jarum galvanometer akan bergerak. Gerakan tersebut menunjukkan adanya gaya listrik yang dihasilkan.
Gambar 15.1. Ilustrasi Faraday Law
Eksplorasi Energi
145
1. 2. 3. 4.
Berdasarkan gambar tersebut: Jarum Galvanometer akan bergerak, bila konduktor/magnet yang bergerak Arah gerak jarum sama dengan arah gerakan konduktor arah kutub-kutubnya Besarnya penyimpangan jarum akan sebanding dengan kecepatan potong. Jarum tidak akan bergerak bila gerakan dihentikan.
B. Teori Pembangkitan Kelistrikan 1. Induksi Elektromagnetik Generator ini menggunakan prinsip hukum Faraday yaitu bila sebuah konduktor digerakkan di dalam medan magnet, maka akan timbul arus induksi pada konduktor tersebut. 2. Arah Gaya Listrik Arah dari gaya gerak listrik yang dibangkitkan pada sebuah konduktor dalam medan magnet akan berubah dengan bertukarnya arah dari magnetic flux dan arah gerakan konduktor. Hal ini dapat ditunjukkan dengan kaidah tangan kanan Fleming yaitu “Apabila sebuah penghantar bergerak keluar memotong garis gaya magnet, maka gaya gerak listrik akan bergerak ke kiri” sebagaimana gambar 15.2.
146 Gambar 15.2 Kaidah tangan kanan Fleming Eksplorasi Energi
C. Jenis Generator Ada 2 cara untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik, yaitu dengan: 1. Generator DC Generator DC terdiri dua bagian, yaitu stator, yaitu bagian mesin DC yang diam/tidak bergerak, dan bagian rotor, yaitu bagian mesin DC yang berputar. Bagian stator terdiri dari: rangka motor, belitan stator, sikat arang, bearing dan terminal box. Sedangkan bagian rotor terdiri dari: komutator, belitan rotor, kipas rotor dan poros rotor. Prinsip kerja generator DC sama dengan generator AC. Namun, pada generator DC arah arus induksinya tidak berubah. Hal ini disebabkan cincin yang digunakan pada generator DC berupa cincin belah (komutator).
Gambar 15.3. Generator DC Bagian yang harus menjadi perhatian untuk perawatan secara rutin adalah sikat arang yang akan memendek dan harus diganti secara periodik/berkala. Komutator harus dibersihkan Eksplorasi Energi
147
dari kotoran sisa sikat arang yang menempel dan serbuk arang yang mengisi celah-celah komutator, gunakan amplas halus untuk membersihkan noda bekas sikat arang. 2. Generator AC Bagian utama generator AC terdiri atas: magnet permanen (tetap), kumparan (solenoida). cincin geser, dan sikat. Pada generator. perubahan garis gaya magnet diperoleh dengan cara memutar kumparan di dalam medan magnet permanen. Karena dihubungkan dengan cincin geser, perputaran kumparan menimbulkan GGL induksi AC. OIeh karena itu, arus induksi yang ditimbulkan berupa arus AC. Adanya arus AC ini ditunjukkan oleh menyalanya lampu pijar yang disusun seri dengan kedua sikat.
Gambar 15.4. Generator AC 148
Contoh generator AC yang akan sering kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari adalah dinamo sepeda. Bagian utama dinamo sepeda adalah sebuah magnet tetap dan kumparan yang Eksplorasi Energi
disisipi besi lunak. Jika magnet tetap diputar, perputaran tersebut menimbulkan GGL induksi pada kumparan. Jika sebuah lampu pijar (lampu sepeda) dipasang pada kabel yang menghubungkan kedua ujung kumparan. lampu tersebut akan dilalui arus induksi AC. Akibatnya, lampu tersebut menyala. Nyala lampu akan makin terang jika perputaran magnet tetap makin cepat (laju sepeda makin kencang).
149
Eksplorasi Energi
BAB 16 ENERGI ALTERNATIF TERBATAS A. Coal Bed Methane (CBM)
150
Coal Bed Methane (CBM) atau disebut Gas Metana Batubara merupakan suatu sumber energi alternatif yang berasal dari gas alam yang terbentuk dan teradsorpsi dalam batubara. CBM berasosiasi dengan batu bara sebagai reservoir maupun source rocknya, sehingga CBM ini berbeda dengan gas alam pada umumnya. CBM diproduksi secara insitu, karena CBM tersimpan dalam rekahan batubara, sehingga tidak bisa diproduksi secara asal-asalan. CBM biasanya ditemukan pada tambang batubara non-konvensional. CBM ini tersimpan pada rekahan dan sistem pori pada batubara sampai pada saat air merubah tekanan pada reservoir, kemudian gas yang terdapat pada rekahan tersebut keluar melalui matriks batubara dan mengalir melalui rekahan sampai pada sumur. Dari sumur itulah gas ini bisa di alirkan dan digunakan untuk kegiatan rumah tangga, industri kecil, hingga industri besar. Sebagai sumber energi alternatif, tentulah CBM ini telah dipertimbangkan sisi positif dan negatifnya. Berbagai penelitian yang telah dilakukan membuktikan bahwa CBM ini lebih ramah lingkungan lingkungan dibandingkan sumber energi fosil seperti minyak bumi, karena CBM memiliki kandungan hidrokarbon yang lebih rendah yakni Propana dan Butana. Bahkan penggunaan CBM di Jicheng China menunjukkan, selain lebih ramah lingkungan karena menghasilkan sedikit emisi karbondioksida dan tidak menghasilkan timbal, CBM pada kendaraan bermotor juga lebih irit 50% dibandingkan dengan bensin. Untuk itu, sekiranya sangat bermanfaat jika CBM digunakan secara massal sebagai pengganti minyak bumi yang semakin menipis. CBM banyak sekali terdapat dialam ini, dan juga di Indonesia. Indonesia memiliki cadangan CBM yakni 450 TCS Eksplorasi Energi
dan tersebar dalam 11 basin. Potensi terbesar terletak di kawasan Barito, Kalimantan Timur yakni sekira 101,6 TCS, disusul oleh Kutai sekira 80,4 TCS. Menanggapi hal ini, sejak tahun 2008, Indonesia mulai mengembangkan gas metana batubara. Hingga saat ini, tercatat telah ditandatangani 39 kontrak kerja sama CBM dan telah menghasilkan listrik. Bahkan tahun 2011, Indonesia sudah menghasilkan listrik dari CBM, meskipun kecil. CBM yang telah menghasilkan listrik tersebut berlokasi di Wilayah Kerja Sanga-Sanga, Kalimantan Timur. Dalam jangka waktu minimal 5 tahun. PLN akan menggunakan gas tersebut sebagai bahan bakar untuk tenaga listrik yang akan didistribusikan bagi desa-desa yang terletak di dalam atau sekitar wilayah kerja itu. B. Shale Oil Shale Oil yaitu batuan sedimen yang mengandung material organik. Batuan sedimen ini tersusun dari kombinasi antara senyawa kerogen (senyawa penyusun utama minyak bumi) dan batuan karbonat. Shale Oil ini tidak berasal dari batubara dan minyak bumi, tetapi dari serpihan batuan yang mengandung sulfur dan nitrogen yang relatif tinggi. Energy density dari batubara sekitar 6.67 kW-h/kg, sedangkan shale oil memiliki level yang lebih rendah, yaitu 1.03 kW-h/kg. Dibandingkan minyak bumi, shale oil dan batubara memiliki kemiripan dalam soal emisi, keduanya mengandung sulfur dan nitrogen yang relatif tinggi, selain itu kelebihan Shale Oil adalah lebih bersih dibandingkan batubara. Shale Oil yang berasal dari kerogen yang memadat, menjadikan pemanfaatannya dapat dilakukan dengan mencairkannya dengan pemanasan, kemudian mengekstraknya ke permukaan sebagaimana sumur-sumur minyak. Ahli geologi Amerika mengatakan sumber energy Shale Oil tersedia sebanyak 2.6 trilyun barrel di muka bumi, dengan lebih dari 75%-nya berada di daratan Amerika. Meskipun konversi Eksplorasi Energi
151
shale oil ke BBM memerlukan proses yang lebih rumit dan mahal, namun dengan jumlah sebesar itu, diperkirakan oil shale dapat memperpanjang kehidupan selama beberapa ratus tahun setelah minyak bumi benar-benar habis. Pendapat lain yang dikemukakan oleh Pengamat Energi dari ITS bahwasannya Shale Oil yang dikembangkan AS merupakan salah satu bentuk energi alternatif untuk mengatasi minyak bumi yang semakin langka, karena Shal Oil tidak berasal dari minyak bumi dan batubara. Dengan Shale Oil ini, dipastikan akan bisa digunakan untuk mengantisipasi terjadinya kelangkaan dan harga minyak bumi yang semakin meningkat. C. Dimethyl Ether
152
Dimethyl ether atau yang sering disebut sebagai metoksi metana, merupakan senyawa organik yang berbentuk gas dengan rumus umum CH3OCH3, yang dapat dihasilkan dari pengolahan minyak bumi, batubara, limbah plastik, limbah kertas dan barbagai hasil olahan dari hidrokarbon lainya. Senyawa ini juga memiliki karakteristik seperti LPG yaitu dapat dicairkan sehingga mudah untuk didistribusikan kepada masyarakat. Karena karakteristik yang mirip tersebut, dimetil eter sering digunakan untuk campuran, bahkan menggantikan bahan LPG 100%. Dimethyl ether termasuk bahan kimia tidak beracun, senyawa ini tidak mengandung unsur Sulfur (S) dan Nitrogen (N), sehingga memungkinkan emisi SOx, Nox dan jelaga yang jauh lebih rendah dari solar. Selain itu, DME juga dikatakan sebagai bahan bakar ramah lingkungan karena tidak melibatkan sulfur ataupun nitrogen dalam proses produksinya, tidak beracun, mudah terurai, tidak menimbulkan korosi demikian juga emisi dari hasil pembakaran lebih bersih dibanding minyak Selama ini, penggunaan DME yang hanya sebatas sebagai propelan mulai akan dikembangkan sebagai bahan bakar pada sektor transportasi dan rumah tangga untuk menggantikan kompor LPG. Pemanfaatan di rumah tangga mengurangi
Eksplorasi Energi
ketergantungan pada LPG yang sebagian besar diimpor dan meningkatkan ketahanan energi nasional. Dimetil eter dapat diperoleh melalui dua cara, yaitu melalui proses langsung dan proses tidak langsung. Melalui proses tidak langsung, dengan cara metanol disintesis terlebih dahulu, kemudian diikuti dengan reaksi dehidrasi metanol dan pada reaktor terpisah DME akan disintesis. Pada proses pembentukan langsung, H2 & CO disintesis menjadi DME. Oleh karena bahan baku pembuatan DME sangat beragam dan dapat dijumpai di Indonesia, mulai dari gas alam, batubara, residu minyak, limbah plastik, limbah peternakan, limbah pabrik gula, hingga limbah kertas. Penggunaan campuran DME-LPG untuk rumah tangga akan mengantisipasi kekurangan LPG di masa yang akan datang. Selain itu, sumber gas alam yang potensial dan belum teralokasikan dapat dipertimbangkan sebagai bahan baku pabrik DME di Indonesia guna mengantisipasi kebutuhan DME dunia.
153
Eksplorasi Energi
