POTENSI PETIR SEBAGAI SUMBER ENERGI BARU ? Dr. Reynaldo Zoro Lab. Teknik Tegangan Tinggi dan Arus Tinggi Kelompok Keilmuan Ketenagalistrikan Sekolah Teknik Elektro & Informatika (STEI) Institut Teknologi Bandung Abstrak Petir merupakan pelepasan muatan listrik dari awan bermuatan ke tanah atau sebaliknya. Kejadian sambaran petir tertinggi terjadi di daerah khatulistiwa. Pada setiap sambarannya, petir melepaskan energi dengan mengalirkan arus berbentuk impuls ke tanah. Sambaran langsung ke obyek di atas tanah dapat merusak strukur di atas tanah dan sambaran tidak langsung berupa induksi dan konduksi dapat merusak peralatan berbasiskan mikroprosessor dan elektronika. Petir pada umumnya, selain terkonotasi dengan kerusakan, juga bermanfaat untuk tanaman karena dapat menyuburkan tanah akibat kandungan N2 nya. Sambaran petir dapat memberi pengaruh akustik, termis, elektrodinamis dan elektrokimia. Energi setiap sambaran petir diperoleh dari amplitudo yang tinggi tetapi dengan waktu yang sangat pendek. Energi berupa panas yang dihasilkan relatif kecil dan diperlukan struktur yang tinggi pada daerah dengan kerapatan sambaran petir yang juga tinggi untuk selalu disambar petir sehingga energinya dapat dikumpulkan untuk dimanfaatkan. Penelitian sambaran petir di Stasiun Penelitian Petir (SPP) ITB Gn. Tangkuban Perahu mencatat lebih dari 50 sambaran petir ke menara ukur dalam kurun waktu 3 tahun. Pendahuluan Keseringan sambaran petir semakin tinggi dengan semakin dekatnya lokasi sambaran ke daerah khatulistiwa. Hal ini disebabkan dengan faktor yang beragam diantaranya keadaan daratan, lautan, daerah datar, pegunungan, waktu (tahunan) dll. Perbedaan ini juga terjadi akibat pengaruh turbulensi mekanis, gerak konveksi, orografis, kondisi klimatologi dan gerakan udara naik di suatu daerah. Di Indonesia hari guntur berkisar antara 100 sampai 200 hari per tahun. Daerah tertinggi yang tercatat adalah 300 hari guntur di daerah Kalimantan Tengah yang masuk dalam equatorian belt.. Pada setiap saat di bumi terjadi sambaran petir antara 2000 sampai 8000 kali dan menghasilkan arus petir total sebesar 1800 Ampere. Hampir 40.000 badai petir terjadi setiap hari diseluruh dunia.
1
Mekanisme Sambaran Petir Kemungkinan terjadinya pembentukan awan tergantung pada kedaan setiap hari dan tahun. Keadaan ini digambarkan pada Gambar 1
dan 2 sebagai pengamatan di Gunung Tangkuban Perahu yang
menunjukkan kemungkinan terjadinya sambaran petir harian / stroke frequency statistics dan variasi bulanan / monthly variant.
Gambar 1. Statistik Petir Harian
Terbentuknya awan guntur terjadi akibat adanya gerakan udara ke atas, adanya kelembapan dan tersedianya partikel aerosol dari garam laut dan polutan industri. Data Varia si Bu la na n d i Da era h Trop is Ta hu n 1996 - 1998 4000 3594 3500
3325
Jumlah Sambaran Petir (n)
3000 2704
2591 2500 1936
2000
1887
1500 1035
937
1000
654 500
232
273
282
Ju li
Agt
S ep t
0 Ja n
Feb
M a ret
Ap ril
M ei
Juni
O kt
Nov
Des
Gambar 2. Statistik Petir Bulanan
2
Gerakan udara ke atas dapat terjadi karena pemanasan permukaan tanah oleh matahari dan atau keadaan permukaan tanah yang bergunung-gunung. Udara naik akan membawa partikel aeorosol dan kelembapan. Pada ketinggian 4 – 6 km dengan temperatur 0 sampai –10 0 C, terbentuk cairan dan batu es. Semakin ke atas gerakan udara naik ini, semakin besar butiran es , dan karena gaya beratnya akan jatuh kembali ke tanah. Benturan gerakan udara naik dan jatuhnya butiran es menyebabkan terjadinya pemisahan muatan. Muatan positif terkumpul dibagian atas awan dan muatan negatif dibagian bawah. Jika muatan cukup besar maka akan terjadi loncatan muatan ke tanah yang disebut petir. Suatu badai petir selama pelepasan muatan akan mengalirkan arus sekitar harga 0.5 A.
15,0
12,5
10,0
0C
-30
7,5
5,0
0
2,0
0
28 t
Gambar 3. Pembentukan Awan Bermuatan
Awan akan tumbuh ke atas mencapai 10 – 14 km untuk daerah tropis dengan ketinggian dasar awan 1.5 – 2 km diatas tanah. Setelah satu pelepasan muatan, akan terjadi lagi pengumpulan muatan di awan, dan dalam waktu 10 – 20 detik, petir berikutnya akan terjadi. Jika awan guntur terbentuk, terjadi kuat medan listrik di atmosfer, dengan besar 1 V/cm di atas tanah, 0.02 V/cm pada ketinggian 9 km, dan 10 V/cm di dalam awan tanpa adanya pelepasan muatan. Pada saat terjadi sambaran petir, kuat medan listrik bisa mencapai 4 kV/cm. Petir mempunyai frekuensi antara 106 sampai 107 Hz, sehingga dapat mengganggu radio dan alat komunikasi. Data Statistik dari Sambaran Petir Hari guntur ditentukan oleh jumlah hari dimana guntur terdengar, dan jika dalam satu hari terdengar guntur berkali-kali maka disebut satu kilometer guntur. Teknologi pemantauan petir yang lebih maju telah
3
mengukur jumlah sambaran petir 1 km2 per hari, sehingga tingkat kerapatan petir (NT) pada suatu daerah dapat diketahui
lash
Strokes Flash Density Analysis Density Analysis Location : West Java Date : January 1, 1998 - October 31, 1998 Window : (450 x 450) km2
Gambar 4. Kerapatan Sambaran Petir di Jawa Barat
Gambar 5. Oscillogram dari Petir Negatif (Multiple) dan Positif
Sebagai perbandingan, jumlah sambaran petir di Eropa (Alpen) + 4 sambaran/km2/tahun. Sedangkan untuk jumlah sambaran petir di Indonesia (Gn. Tangkuban Perahu) + 10 sambaran/km2/tahun. Sambaran petir berupa arus petir dengan bentuk gelombang impuls, dengan waktu muka gelombang 1 – 10 µs dan ekor
4
gelombang 50 - 100 µs, dengan arus petir dari 10 sampai lebih 100 kA. Sambaran petir negatif dapat terjadi berkali-kali (multiple stroke) dan sambaran positif biasanya berupa hugh stroke. Statistik arus puncak petir diberikan pada gambar berikut :
Prob a b ilita s
4
5
Arus Puncak Petir
Gambar 6. Statistik Arus Puncak Petir di Mnt. San Salvatore, Switzerland dan Gn. Tangkuban Perahu, Indonesia Mnt.. San Salvatore
Gn. Tangkuban Perahu
1. Petir Pertama, n = 126
4. Petir Negatif
2. Petir Negatif, n = 236
5. Petir Positif
3. Petir Positif, n = 28
Pengaruh Arus Petir Pengaruh akustik dihasilkan dalam bentuk suara sebagai akibat gaya tekan elektrodinamis dari arus petir yang sangat sempit (3 – 4 cm), dengan tekanan sekitar 10 bar, yang segera turun sangat cepat. Inti petir dengan temperatur panas yang naik cepat meledak dan menyebabkan suara keras. Petir masih dapat terdengar sampai jarak 10 km. Pengaruh Temperatur (Thermis) Pengaruh melelehnya logam pada objek yang terkena sambaran petir sangat sulit diketahui, karena kenyataan bahwa titik sambaran petir tidak memberikan pengembangan temperatur tinggi. Besarnya energi yang ditimbulkan adalah :
5
W = U ∫ i dt = U . Q [Ws] U = tegangan jatuh anoda, sekitar 20 V Q = jumlah muatan yang dapat melelehkan logam Jika muatan petir 25 As, maka energi yang dibangkitkan hanya W = 500 Ws = 500 J, yang dapat meleburkan baja dengan volume 50 mm3 atau jika terjadi sambaran pada permukaan sepanjang 2.5 cm penampang hanya menyebabkan peleburan sedalam 0.1 mm. Pada logam tipis (setipis kertas folio) akan menimbulkan lobang. Jika digunakan untuk penerangan rumah tangga, maka hanya akan dapat menyalakan bolham 50 W selama 10 detik. Setiap sambaran petir ke tanah hanya dapat memberikan energi yang sangat kecil. Untuk dapat memanfaatkan energi tersebut diperlukan antara lain : 1. Sambaran petir harus selalu terjadi pada satu titik yang telah ditentukan, misalnya menara tinggi, yang terletak di lokasi dengan kerapatan sambaran petir tinggi, misalnya Gn. Tangkuban Perahu. Pada Gambar 7 berikut ditunjukkan titik sambaran petir pada suatu daerah yang luas dan tersebar di berbagai tempat.
Gambar 7. Panorama Sebaran Sambaran Petir pada Suatu Daerah
6
2. Diperlukan penelitian lebih lanjut tentang kemampuan kapasitor untuk menyimpan energi gelombang impuls yang naik sangat cepat dengan amplitudo yang sangat besar. Arus ini kemudian disalurkan ke penyimpan / baterai untuk disimpan dan dimanfaatkan Kesimpulan Petir melepaskan energinya di seluruh permukaan bumi dalam jumlah yang sangat besar, pada tempat yang tersebar dengan masing-masing petir menghasilkan energi yang sangat kecil sehingga potensi petir sebagai sumber energi masih belum memadai untuk
pemakaian praktis. Indonesia dengan jumlah
sambaran petir yang tinggi sekalipun, masih memerlukan penelitian dan pengembangan lebih lanjut untuk dapat memanfaatkan petir secara komersial. Penelitian ke arah potensi petir dapat dilakukan pada daerah-daerah dengan kerapatan sambaran petir tinggi, dengan menggunakan banyak menara dan pemantauan petir secara real-time, sehingga potensi energi dari petir dapat direalisasikan dalam waktu panjang Daftar Pustaka Prof. Dr.-Ing. H. Baatz, Mechanismus des Gewitters und Blitzes Grundlagen des Blitzschutzes von Bauten, VDE-Schriftenreihe, Berlin, 1978 Zoro, Reynaldo., Karakteristik Petir dan Kondisi Cuaca di Daerah Tropis – Kasus Gunung Tangkuban Perahu, Disertasi Doktor, ITB, Bandung, September 1999
7
