KONVERSI ENERGI ALTERNATIF

Konsep Energi

Energi adalah sebuah konsep yang sukar dipahami. Ia tidak dapat dilihat dan tidak memiliki bentuk fisik. Kita hanya mengetahui ia ada karena kita dapat melihat akibatnya, dan kita hanya dapat menilainya atas apa yang dapat dikerjakannya terhadap kita. Jadi dari pengertian diatas dapat diambil kesimpulan bahwa energi adalah kemampuan untuk melakukan kerja atau usaha. Suatu prinsip dasar fisika yang disebut hukum pertama Termodinamika I yang menyatakan bahwa ,“Energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan tetapi dapat di konversikan ke bentuk energi yang lain”. Dalam proses perubahan itu, sebagian energi selalu berubah bentuk menjadi yang tidak diinginkan, karena itu efisiensi perubahan tidak pernah 100 persen.

Gambar 1 : Grafik Sumber Energi di Dunia

2.2 Sumber Energi

Sumber energi terbagi atas dua jenis yaitu :

• Energi yang tidak dapat diperbaharui (non renewable energy)

Contohnya bahan bakar fosil seperti minyak bumi dan batu bara.

• Energi yang dapat diperbaharui (renewable energy)

Merupakan energi yang diperoleh dari sumber daya yang regenerative (dapat diperbaharui) dan tak terhabiskan.Contohnya seperti EnergiAngin, Geothermal, Air, Bio, Samudera/laut, Nuklir, dan Matahari.

Pada tahun 1972, sekelompok pakar perencana dan para ilmuwan yang berpengaruh menerbitkan buku The Limits to Growth tentang ramalan takdir masyarakat industri, isinya antara lain meramalkan cadangan minyak dunia akan mengering di awal tahun 1992. Kenyataannya, hal itu tak terjadi karena sulit untuk mengetahui berapa banyak bahan bakar fosil yang tersisa.

Perkiraan terbaru mengisyaratkan “sisa waktu” cadangan batu bara yang diketahui sekitar 250 tahun, minyak 40 tahun, dan gas 70 tahun, namun seperti yang dinyatakan di atas, statistik tersebut seharusnya dilihat sebagai tidak lebih dari “tebakan”. Karena sebab-sebab diatas maka para ilmuan mulai mencari dan mengembangkan sumber-sumber energi alternatif guna mengatasi krisis energi yang akan terjadi.

Energi alternatif adalah energi yang digunakan sebagai pengganti bahan bakar fosil dan umumnya dapat diperbaharui dan ramah lingkungan.

2.2.1 Energi Angin

Energi angin telah lama dikenal dan dimanfaatkan manusia. Bahkan pada abad ke-15 Cristopher Columbus memanfaatkan kapal layar untuk menemukan Benua Amerika. Pada abad ke-7 ditemukan kincir angin yang telah digunakan untuk menggiling tepung di Persia.

Dalam rangka mencari bentuk-bentuk sumber energi yang bersih dan renewable/terbarukan, energi angin mendapat perhatian yang cukup besar. Angin terjadi karena ada perbedaan suhu antara udara panas dan udara dingin. Di daerah khatulistiwa yang panas, udaranya menjadi panas, mengembang dan menjadi ringan, naik ke atas dan bergerak ke daerah yang lebih dingin misalnya daerah Kutub.

Sebaliknya di daerah Kutub yang dingin, udaranya menjadi dingin dan turun ke bawah. Dengan demikian terjadi suatu perputaran udara, berupa perpindahan udara dari Kutub Utara ke Khatulistiwa dan dari Garis Khatulistiwa kembali ke Kutub Utara.

Turbin angin mengkonversikan energi kinetik dari angin menjadi daya mekanik yang kemudian dikonversikan menjadi daya elektrik menggunakan generator.

Tenaga angin modern dihasilkan dalam bentuk listrik dengan mengubah rotasi dari pisau turbin menjadi arus listrik dengan menggunakan generator listrik. Tenaga angin dapat digunakan untuk menjalankan turbin angin dan beberapa di antaranya mampu untuk memproduksi 5 MW. Turbin dengan keluaran 1.5-3 MW sudah menjadi hal yang umum untuk penggunaan komersil.

Gambar 2 : Kincir Angin

Untuk pemanfaatan kincir angin bagi pembangkit tenaga listrik skala kecil, diperlukan sebuah pengatur tegangan karena kecepatan angin yang tidak konstan (berubah-ubah) sehinga tegangan juga berubah-ubah. Angin-angin di Indonesia dianggap tidak begitu konstan dan deras yang disebabkan oleh letak Indonesia yang tepat di daerah khatulistiwa. Diperlukan sebuah baterai untuk menyimpan energi, karena sering terjadi angin tidak bertiup. Bila angin tidak bertiup, perlu dicegah generator bekerja sebagai motor. Oleh karena itu perlu sebuah pemutus otomatik.

Rumus yang digunakan untuk menghitung daya yang ditimbulkan oleh angin yang dikembangkan oleh Golding berbentuk :

P = k.F.A.E.v³

dengan :

P = daya (kW)

k = konstanta (1,37.10-5)

F = suatu factor (0,5926)

Yang merupakan bagian dari angin, yang dapat secara maksimal dimanfaatkan dengan sebuah kipas dari tenaga angin.

A = penampang arus angin (m²)

E = efisiensi rotor dan peralatan lainnya

v = kecepatan angin (km/jam)

Aplikasi dari penggunaan kincir angin contohnya :

ü Menggerakkan pompa air untuk irigasi, tambak ikan/udang, atau untuk mendapatkan air tawar untuk ternak.

ü Menggiling padi untuk memperoleh beras.

ü Menggergaji kayu.

ü Membangkitkan energi listrik.

Gambar 3 : Konversi Energi Angin Menjadi Energi Listrik

2.2.2 Energi Geothermal

Ditinjau dari segi bahasa geothermal terdiri dari dua kata yaitu geo yang berarti bumi dan thermal yang berarti panas. Jadi geothermal adalah energi yang berasal dari panas pusat bumi.

Energi geothermal berasal dari penguraian radioaktif di pusat bumi, yang membuat bumi panas dari dalam, dan dari matahari yang membuat panas permukaan bumi

Sumber energi geothermal ada tiga macam :

v Magma

Terbentuk dari lelehan batu akibat temperatur yang sangat tinggi pada kedalaman bumi tertentu

v Hot spring

Air panas di dalam bumi yang naik kepermukaan bumi melalui lapisan yang retak

Gambar 4 : Bentuk dari Hot Spot

v Geyser

Air panas di dalam bumi yang muncul ke permukaan melalui ledakan.

Gambar 5 : Bentuk dari Geyser

Ada beberapa proses pengolahan panas bumi yaitu :

n Injection well

Sebuah sumur production-injection diborkan ke dalam batuan panas dasar yang permeabilitasnya terbatas dan berisi cairan.

Gambar 6 : Injection well

n Injection water

Air diinjeksikan pada tekanan tertentu untuk memastikan retakan, atau membuka retak yang ada di dalam developing reservoir dan batuan panas dasar.

Gambar 7 : Injection Water

n Hydro-fracture

Pemompaan air dilanjutkan untuk memperluas retak dengan jarak yang lebih jauh dari bor injeksi.

Gambar 8 : Hydro-fracture

n Doublet

Sebuah sumur produksi dibor dengan tujuan untuk memotong sistem retak yang dilakukan pada langkah sebelumnya, dan air disirkulasikan untuk menyadap panas dari batuan panas dasar yang dengan permeabilitas yang meningkat.

Gambar 9 : Doublet

n Multiple wells

Sumur-Sumur Produksi tambahan dibor untuk menyadap panas dari batuan panas dasar bervolume besar yang di hubungkan dengan pengumpul pembangkit daya.

Gambar 10 : Multiple Wells

n Mengolah panas bumi tersebut menjadi listrik

Gambar 11 : Konversi Panas Bumi Menjadi Listrik

Yang membuat energi geotermal menarik sebagai sumber energi yang dapat diperbaharui adalah kepadatannya. Tidak seperti energi angin, gelombang, dan matahari, yang menyebar, energi geotermal dapat dipanen secara ekonomis dari sebuah sumber titik.

Para pecinta alam yang menolak madanya industri geotermal ini mencatat bahwa uap subteranean membawa polutan bersamanya seperti hidrogen sulfida dan mineral-mineral beracun ke permukaan, yang kemudian mencapai air terjun, sungai, dan danau, di mana mereka dapat mempengaruhi kehidupan di air. Para kritikus juga mencatat bahwa bangunan geotermal juga memancarkan gas rumah kaca, karbon diokasida. Akan tetapi, pancaran tersebut terjadi pada level yang sangat rendah, sekitar seperseribu yang dipancarkan pembangkit listrik berbahan bakar fosil untuk kapasitas yang sama.

2.2.3 Energi Air

Tiga ribu tahun yang lalu, kincir air menyediakan manusia pengganti tenaga otot untuk pertama kalinya untuk menggerakkan pengilingan jagung/padi dan mengalirkan air pada sistem irigasi. Tenaga air adalah energi yang diperoleh dari air yang mengalir. Besar potensi energi air di Indonesia adalah 74.976 MW, sebanyak 70.776 MW ada di luar Jawa, yang sudah termanfaatkan adalah sebesar 3.105,76 MW sebagian besar berada di Pulau Jawa.

Pembangkit tenaga hidrolistrik bekerja dengan prinsip yang sederhana. Turbin memeras energi dari air yang bergerak saat ia mengalir menuruni sebuah sungai dan energi inilah yang digunakan untuk menggerakkan generator listrik

Gambar 12 : Pemanfatan Energi Air Menjadi Energi Listrik

Hidroelektrisitas adalah satu bentuk tenaga hidro yang digunakan untuk memproduksi listrik. Kebanyakan tenaga hidroelektrik berasal dari energi potensial dari air yang dibendung dan menggerakkan turbin air dan generator. Bentuk yang kurang umum adalah memanfaatkan energi kinetik seperti tenaga ombak.

Di banyak bagian Kanada (provinsi British Columbia, Manitoba, Ontario, Quebec, dan Newfoundland and Labrador) hidroelektrisitas digunakan secara luas. Pusat tenaga yang dijalani oleh provinsi-provinsi ini disebut BC Hydro,Manitoba Hydro, Hydro One (dulunya "Ontario Hydro"), Hydro-Québec, dan Newfoundland and Labrador Hydro. Hydro-Québec merupakan perusahaan penghasil listrik hydro terbesar dunia, dengan total listrik terpasang sebesar 31.512 MW .

Tenaga listrik hydro, menggunakan kinetik, atau energi gerakan sungai, sekarang menyediakan 20% listrik dunia. Norwegia menghasilkan hampir seluruh listriknya dari hydro, sedangkan Iceland memproduksi 83% dari kebutuhannya (2004), Austria memproduksi 67% dari seluruh listrik yang dihasilkan di negara tersebut. Kanada merupakan penghasil tenaga hidro terbesar dunia dan memproduksi lebih dari 70% listriknya dari sumber hidroelektrik.

Turbin yang digunakan pada instalasi hydrolistrik berkepala sedang menyerupai baling-baling perahu dan berdiameter sekitar 1 m(3 kaki). Kipas tetap di atas baling-baling untuk melancarkan aliran air.

Gambar 13 : Model Generator dan Turbin yang Digunakan PLTA

2.2.4 Energi Bio (Bio Energy)

Bahan bakar bio adalah bahan bakar yang diperoleh dari biomass/ organisme atau produk dari metabolisme mereka, seperti kotoran dari sapi, kerbau, kuda, limbah padi, jagung, ubi kayu, kelapa, kelapa sawit dan tebu.

Pemanfaatan energi biomassa dan biogas di seluruh Indonesia sekitar 167,7 MW yang berasal dari limbah tebu dan biogas sebesar 9,26 MW yang dihasilkan dari proses gasifikasi. Biaya investasi biomassa adalah berkisar 900 dollar/kW sampai 1.400 dollar/kW dan biaya energinya adalah Rp 75/kW-Rp 250/kW.

Energi bio dapat dikelompokkan menjadi tiga macam, yaitu :

a) Energi Biomassa

Merupakan produk fotosintesis, yakni butir- butir hijau daun yang bekerja sebagai sel sel surya, menyerap energi matahari dan mengkonversikan dioksida karbon dengan air menjadi suatu senyawa karbon,hidrokarbon dan oksigen.

Gambar 14 : Proses Penyerapan CO₂

Biomassa bisa diubah menjadi listrik atau panas dengan proses teknologi yang sudah mapan. Selain biomassa seperti kayu, dari kegiatan industri pengolahan hutan, pertanian dan perkebunan, limbah biomassa yang sangat besar jumlahnya pada saat ini juga belum dimanfaatkan dengan baik.

Munisipal solid waste (MSW) di kota-kota besar merupakan limbah kota yang utamanya adalah berupa biomassa, menjadi masalah yang serius karena mengganggu lingkungan adalah potensi energi yang bisa dimanfaatkan dengan baik.

Gambar 15 : Penggunaan Biomassa Untuk Memanaskan Air

Biomassa dapat diperlakukan dengan mengubahnya menjadi gas yang mudah terbakar. Dalam teknik yang disebut gasifikasi, kayu dipanasi dengan tekanan yang besar dengan campuran uap air dan oksigen. Campuran gas yang dihasilkan, yang memiliki sekitar sepersepuluh dari nilai energi metana murni, dapat dibersihkan untuk membuang polutannya, dan kemudian membakarnya di turbin gas konvensional berefisiensi tinggi untuk menghasilkan listrik.

b) Energi Biogas

Biogas adalah gas yang dihasilkan oleh aktifitas anaerobik atau fermentasi dari bahan-bahan organik termasuk diantaranya; kotoran manusia dan hewan, limbah domestik (rumah tangga). Kandungan utama dalam biogas adalah metana dan karbon dioksida.

Metana dalam biogas, bila terbakar akan relatif lebih bersih daripada batu bara, dan menghasilkan energi yang lebih besar dengan emisi karbon dioksida yang lebih sedikit

Karbon dalam biogas merupakan karbon yang diambil dari atmosfer oleh fotosintesis tanaman, sehingga bila dilepaskan lagi ke atmosfer tidak akan menambah jumlah karbon diatmosfer bila dibandingkan dengan pembakaran bahan bakar fosil.

Teknologi biogas pada dasarnya memanfaatkan proses pencernaan yang dilakukan oleh bakteri methanogen yang produknya berupa gas methana (CH₄). Gas methana hasil pencernaan bakteri tersebut bisa mencapai 60% dari keseluruhan gas hasil reaktor biogas, sedangkan sisanya didominasi CO₂. Bakteri ini bekerja dalam lingkungan yang tidak ada udara (anaerob), sehingga proses ini juga disebut sebagai pencernaan anaerob (anaerob digestion).
Bakteri methanogen akan secara natural berada dalam limbah yang mengandung bahan organik, seperti kotoran binatang, manusia, dan sampah organik rumah tangga. Keberhasilan proses pencernaan bergantung pada kelangsungan hidup bakteri methanogen di dalam reaktor, sehingga beberapa kondisi yang mendukung berkembangbiaknya bakteri ini di dalam reaktor perlu diperhatikan, misalnya temperatur, keasaman, dan jumlah material organik yang hendak dicerna.

Tahap lengkap pencernaan material organik adalah sebagai berikut:
1. Hidrolisis.

Pada tahap ini, molekul organik yang komplek diuraikan menjadi bentuk yang lebih sederhana, seperti karbohidrat (simple sugars), asam amino, dan asam lemak.

2. Asidogenesis.

Pada tahap ini terjadi proses penguraian yang menghasilkan amonia, karbon dioksida,danhidrogensulfida.

3. Asetagenesis.

Pada tahap ini dilakukan proses penguraian produk acidogenesis; menghasilkan hidrogen, karbon dioksida, dan asetat.

4. Methanogenesis.

Ini adalah tahapan terakhir dan sekaligus yang paling menentukan, yakni dilakukan penguraian dan sintesis produk tahap sebelumnya untuk menghasilkan gas methana (CH₄). Hasil lain dari proses ini berupa karbon dioksida, air, dan sejumlah kecil senyawa gas lainnya.

Gambar 16 : Proses Konversi Energi Biogas menjadi Listrik

Adapun grafik komposisi biogas pada umumnya :

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

Nilai kalori dari 1 meter kubik Biogas sekitar 6.000 watt jam yang setara dengan setengah liter minyak diesel. 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.

Limbah biogas, yaitu kotoran ternak yang telah hilang gasnya (slurry) merupakan pupuk organik yang sangat kaya akan unsur-unsur yang dibutuhkan oleh tanaman. Bahkan, unsur-unsur tertentu seperti protein, selulose, lignin, dan lain-lain tidak bisa digantikan oleh pupuk kimia. Pupuk organik dari biogas telah dicobakan pada tanaman jagung, bawang merah dan padi.

Dilihat dari sisi konstruksinya, reaktor biogas bisa digolongkan dalam dua jenis :

1. Fixed dome (kiri) : mewakili konstruksi reaktor yang memiliki volume tetap sehingga produksi gas akan meningkatkan tekanan di dalam reaktor
2. Floating drum (kanan) : berarti ada bagian pada konstruksi reaktor yang bisa bergerak untuk menyesuaikan dengan kenaikan tekanan reaktor

Gambar 17 : Fixed Dome & Floating Drum

Dari Gambar di atas, dapat dilihat bahwa kedua jenis konstruksi reaktor biogas tersebut tidak jauh berbeda, keduanya memiliki komponen tangki utama, saluran slurry masuk dan residu keluar, separator (optional), dan saluran gas keluar. Perbedaan yang ada antara keduanya adalah pada bagian pengumpul gasnya (gas collector).

Pada konstruksi fixed dome, gas yang terbentuk akan langsung disalurkan ke pengumpul gas di luar reaktor berupa kantung yang berbentuk balon (akan mengembang bila tekanannya naik).

Pada reaktor biogas jenis fixed dome, perlu diberikan katup pengaman untuk membatasi tekanan maksimal reaktor sesuai dengan kekuatan konstruksi reaktor dan tekanan hidrostatik slurry di dalam reaktor. Katup pengaman yang sederhana dapat dibuat dengan mencelupkan bagian pipa terbuka ke dalam air pada ketinggian tertentu seperti dapat dilihat pada gambar berikut ini:

Gambar 18 : Katup Pengaman Fixed Dome

Pada Gambar di atas ditunjukkan skema katup pengaman tekanan sederhana. Katup pengaman ini terutama penting untuk reaktor biogas jenis fixed dome. Sedangkan pada jenis floating drum, pengumpul gas berada dalam satu kesatuan dengan reaktor itu sendiri. Produksi gas akan ditandai dengan naiknya floating drum. Katup gas bisa dibuka untuk menyalurkan gas ke kompor bila floating drum sudah terangkat.

Bila dilihat dari aliran bahan baku (limbah), reaktor biogas juga bisa dibagi 2 :

1) Tipe bak (batch)

Bahan baku reaktor ditempatkan di dalam wadah (ruang tertentu) dari awal hingga selesainya proses pencernaan. Ini hanya umum digunakan pada tahap eksperimen untuk mengetahui potensi gas dari suatu jenis limbah organik.

2) Tipe Mengalir (Continous)

Ada aliran bahan baku masuk dan residu keluar pada selang waktu tertentu. Lamanya (waktu) bahan baku berada di dalam reaktor biogas disebut sebagai waktu retensi hidrolik (hydraulic retention time/HTR).

Salah satu batasan (constraint) utama dalam mendesain biogas untuk masyarakat di pedesaan adalah masalah biaya instalasi, kemudahan pengoperasian serta perawatan. Reaktor biogas jenis fixed dome yang dibuat dari bahan tembok dan beton umumnya memerlukan biaya yang tidak murah.
Oleh karena itu, beberapa aplikasi reaktor biogas di negara ketiga menggunakan bahan yang lebih murah dan mudah didapat, seperti kantung (tubular) polyethylene

Reaktor biogas dari kantung polyethylene ini pada dasarnya tergolong reaktor jenis fixed dome. Reaktor dengan volume slurry 4 m3 akan memerlukan kantung polyethylene berdiameter 80 cm dengan panjang 10 m (80% dari kantung akan berisi slurry). Kantung polyethylene diposisikan horizontal (sekitar 90% badan reaktor berada di bawah permukaan tanah).

Gambar 19 : Reaktor Biogas Sederhana

Bagi masyarakat pengguna, reaktor biogas ini akan menghasilkan dua keuntungan sekaligus, yakni berupa bahan bakar gas (untuk memasak) serta pupuk berkualitas tinggi.

c) Energi Biofuel

Biofuel adalah setiap bahan bakar baik padatan, cairan ataupun gas yang dihasilkan dari bahan-bahan organik. Biofuel dapat dihasilkan secara langsung dari tanaman atau secara tidak langsung dari limbah industri, komersial, domestik atau pertanian.

Ada tiga cara untuk pembuatan biofuel: pembakaran limbah organik kering (seperti buangan rumah tangga, limbah industri dan pertanian); fermentasi limbah basah (seperti kotoran hewan) tanpa oksigen untuk menghasilkan biogas (mengandung hingga 60 persen metana), atau fermentasi tebu atau jagung untuk menghasilkan alkohol dan ester; dan energi dari hutan (menghasilkan kayu dari tanaman yang cepat tumbuh sebagai bahan bakar).

Proses fermentasi menghasilkan dua tipe biofuel: alkohol dan ester. Bahan-bahan ini secara teori dapat digunakan untuk menggantikan bahan bakar fosil tetapi karena terkadang diperlukan perubahan besar pada mesin, biofuel biasanya dicampur dengan bahan bakar fosil. Contoh dari Biofuel adalah Biodiesel dan Bioethanol.

Gambar 20 : Pembuatan Biodiesel

Gambar 21 : Pembuatan Bioethanol

2.2.5 Energi Samudera/Laut

Yaitu energi yang dihasilkan dari samudra atau laut berdasarkan sifat dan keadaan yang terjadi dilaut, dalam hal ini energi samudra atau laut terbagi atas tiga yaitu :

• Energi Panas Laut

Prinsip energi panas laut adalah dengan menggunakan beda temperatur antara temperatur di permukaan laut dan temperatur di dasar laut. Dalam memanfaatkan energi panas laut biasanya menggunakan sebuah alat yang disebut Pengubah energi Termal Lautan (Ocean Thermal Energy Converter) dapat memanfaatkan perbedaan suhu untuk membangkitkan listrik, seperti sebuah mesin pendingin yang dibalik. Cetak biru peralatan OTEC terdiri dari sebuah unit mengambang yang berisi mekanisme “kulkas” bergandengan dengan sebuah generator. Air yang hangat dialirkan dari permukaan, dan air dingin disalurkan dari kedalaman 1 km (0,62 mil).

• Energi Pasang Surut

Prinsip energi pasang surut adalah dengan menggunakan prinsip beda ketinggian antara laut pasang terbesar dan laut surut terkecil. Pasang dan surut yang terjadi setiap hari menyediakan energi yang bersih dan besar dan belum dimanfaatkan dalam jumlah besar, berdasarkan beberapa perkiraan kapasitasnya sampai 1000 GW

Secara mendasar ada 2 pendekatan teknis untuk memanfaatkan pasang surut sebagai energi yang dapat diperbaharui :

1. Menggunakan jajaran turbin-turbin yang besar seperti kincir angin di bawah permukaan air, diletakkan di air dimana arus pasangnya kuat.

2. Pendekatan ini memiliki banyak persamaan dengan pembangkit tenaga hidrolistrik yang ada karena menggunakan penghalang besar mirip bendungan untuk menjerat pasang yang datang dan melepaskan air yang terjebak melalui serangkaian turbin.

Gambar 22 : Bentuk Kerja Energi Laut Pasang Surut

• Energi Gelombang

Prinsip energi gelombang adalah dengan menggunakan prinsip besar ketinggian gelombang dan panjang gelombang.Gelombang terjadi saat angin menggerakkan permukaan laut yang terbuka dan menciptakan gelombang badai lokal. Energi torbulennya melesap dan dibawa pergi dengan jarak lebih dari ribuan kilometer dalam bentuk gelombang besar yang lebih halus. Saat Gelombang mendekati pantai yang dangkal, mereka kehilangan 60% energinya karena gesekan dengan dasar laut.

Gambar 23 : Bentuk Kerja Energi Gelombang Laut

Gelombang tidak selalu bergerak pada arah yang seragam, dan beberapa alat yang direncanakan untuk memeras energi laut pada keadaan normal harus dapat menahan pukulan secara periodik oleh hantaman yang paling hebat.

Kesulitan ini membuat para insinyur untuk membuat alat-alat untuk mengambil energi gelombang, yang secara garis besar dikelompokkan menjadi 2 :

1) Peralatan Mengambang

Peralatan ini disebar jauh ke lepas pantai dimana gelombang masih penuh dengan energi. Tetapi hal ini membuat peralatan ini sulit untuk mendapatkan pemeliharaan rutin, memerlukan kabel transmisi tenaga yang panjang sampai kedarat, dan mudah rusak

Peralatan mengambang yang disebut “clam” adalah cincin berbentuk donat dengan 12 ruang yang saling menyambung, dengan diameter keseluruhan sekitar 70 m (230 kaki). Pada tiap ruangan tertutup yang berisi udara memiliki sebuah dinding karet lentur yang menghadap permukaan laut. Saat gelombang menggempur dinding, udara di dalam ruangan dipaksa melalui turbin masuk ke ruang yang berdekatan dan generator kecil yang dihubungkan dengan turbin membangkitkan tenaga.

2) Peralatan Menetap

Peralatan ini tertanam dengan kuat di dasar laut yang dangkal, atau dibangun di pantai, dan dengan demikian menyediakan akses dan kehandalan yang lebih baik. Dalam beberapa rancangan, tenaga gelombang digunakan untuk menekan udara, yang mengendalikan turbin.

Gambar 24 : Bentuk Peralatan Menetap

2.2.6 Energi Nuklir

Bagi negara industri maju, kenaikan harga minyak dapat menyebabkan bencana besar bagi perekonomian. Di sisi lain dengan gaya kehidupan manusia sekarang pembakaran BBM dapat meningkatkan kadar CO­₂ diatas permukaan bumi yang memicu efek rumah kaca berupa kenaikan temperatur dan cenderung untuk mendestabilisasi pola cuaca.

Sementara itu energi yang dapat diperbaharui yang ramah lingkungan seperti energi surya, energi angin, energi air, pasang surut, biomassa, dan geothermal sudah secara besar-besaran dikembangkan. Namun kelemahan energi ini pada masalah efisiensi serta cadangan sumber yang bervariasi.seperti air, surya dan angin sangat dipengaruhi oleh pola cuaca setempat. Dengan teknologi yang ada saat ini, energi tersebut dapat memenuhi kebutuhan negara-negara dengan populasi tersebar namun sulit untuk menyediakan energi bagi populasi padat terkosentrasi dengan kebutuhan energi perjiwa cukup tinggi seperti negara-negara industri.

Gambar 25 : Gas Rumah Kaca

Oleh karena itu, energi nuklir fisi dapat dianggap sebagai solusi intermediet karena cadangan bahan bakar yang cukup melimpah. Namun isu radiasi dan limbah nuklir yang menjadi sangat sensitif dimasyarakat serta sering di politisir telah signifikan menekan perkembangan teknologi ini. Dan tampaknya masa depan energi nuklir fisi sulit diramalkan menjadi baik

Energi nuklir merupakan energi yang berasal dari penggabungan (fusi) atau pemisahan (fisi) inti atom nuklir. Energi nuklir merupakan energi yang hanya terdapat dalam bentuk energi tersimpan yang dapat diproduksi dengan membangkitkan radioisotop. Energi nuklir mempunyai harga energi spesifik terbesar dibanding dengan energi tersimpan yang lain.

Secara garis besar radioisotop terbagi atas dua yaitu :

• Sumber secara alamiah

Yaitu radioisotop berumur panjang seperti: U-235,U-238,TH-232.

• Sumber secara buatan

Misalnya seperti :

1. Produk pengaktifan inti stabil.

2. Produk radioaktif dari fisi

Reaksi yang terjadi pada proses pengambilan energi nuklir terdiri dari :

1. Peluruhan radioaktif

Unsur radioaktif dapat meluruh menjadi unsur lain secara spontan menghasilkan sinar radioaktif. Pancaran yang paling karakteristik adalah dengan sinar alfa, beta, dan gamma.

2. Reaksi fisi

Reaksi Fisi nuklir adalah reaksi pembelahan inti atom akibat tubrukan inti atom lainnya, dan menghasilkan energi dan atom baru yang bermasa lebih kecil, serta radiasi elektromagnetik. Contoh reaksi fisi adalah ledakan senjata nuklir dan pembangkit listrik tenaga nuklir. Unsur yang sering digunakan dalam reaksi fisi nuklir adalah Plutonium dan Uranium (terutama Plutonium-239, Uranium-235).

Pada reaksi fisi, isotop berat yang dapat berfisi menyerap sebuah neutron berenergi rendah dan membentuk sebuah inti senyawa. Kemudian inti senyawa itu membelah menjadi inti bermasa ringan sambil melepaskan kelebihan energi pengikatan.

.

Gambar 26 : Reaksi Fisi

3. Reaksi fusi

Reaksi Fusi nuklir adalah reaksi peleburan dua atau lebih inti atom menjadi atom baru dan menghasilkan energi, juga dikenal sebagai reaksi yang bersih. Pada reaksi fusi, inti bermassa ringan bergabung dalam rangka melepaskan energi pengikatan.

Gambar 27 : Reaksi Fusi

Reaksi fusi juga menghasilkan radiasi sinar alfa, beta dan gamma yang sangat berbahaya bagi manusia.

Contoh reaksi fusi nuklir adalah reaksi yang terjadi di hampir semua inti bintang di alam semesta, senjata bom hidrogen juga memanfaatkan prinsip reaksi fusi tak terkendali. Unsur yang sering digunakan dalam reaksi fusi nuklir adalah Lithium dan Hidrogen (terutama Lithium-6, Deuterium , Tritium ).

Proses fusi paling penting di alam adalah yang terjadi di dalam bintang. Meskipun tidak melibatkan reaksi kimia, tetapi seringkali fusi termonuklir di dalam bintang disebut sebagai proses "pembakaran". Pada pembakaran hidrogen, bahan bakar netto-nya adalah empat proton, dengan hasil netto satu partikel alpha, pelepasan dua positron dan dua neutrino (yang mengubah dua proton menjadi dua netron), dan energi. Ada dua jenis pembakaran hidrogen, yaitu rantai proton-proton dan siklus CNO yang keberlangsungannya bergantung pada massa bintang. Untuk bintang-bintang seukuran matahari atau lebih kecil, reaksi rantai proton-proton mendominasi, sementara untuk bintang bermassa lebih besar siklus CNO yang mendominasi. Reaksi pembakaran lain seperti pembakaran helium dan karbon juga terjadi bergantung terutama pada tahapan evolusi bintang.

Reaktor nuklir dapat dibedakan atas tiga macam :

1. Berdasarkan perbedaan spektrum energi neutron (reaktor cepat, reaktor termal)

2. Berdasarkan jenis material yang digunakan sebagai moderator dan pendingin (Magnox, AGR, LWR, HWR, RBMK, HTGR)

3. Bardasarkan fungsi (reaktor riset, converter, reaktor daya)

Gambar 28 : Pembangkit Listrik Tipe PWR

Gambar 29 : Pembangkit Listrik Tipe BWN

Pembangkit listrik tenaga nuklir sekarang sebagian besar operasinya sama seperti pembangkit berbahan bakar fosil. Energi panas digunakan untuk menekan gas yang menggerakkan turbin-turbin yang dihubungkan dengan generator listrik. Perbedaannya dengan tenaga nuklir adalah panasnya datang dari pemecahan inti tak stabil unsur-unsur radioaktif alamiah, sedangkan pembangkit berbahan bakar fosil dari pembakaran gas atau batu bara. Bahan bakar yang paling umum digunakan adalah isotop uranium, disebut uranium-235 (U-235) yang ditambang di seluruh dunia dalam bentuk bijih-bijih campuran. Bijih tersebut dimurnikan, dipadatkan, dan disusun rapi menjadi butir-butir sebelum disegel ke dalam batang yang panjang, yang menjadi bahan bakar untuk dimasukkan ke dalam reaktor nuklir.

U-235 bersifat radioaktif. Intinya pecah secara spontan menjadi dua atom yang lebih ringan, dengan melepaskan panas dan dua atau tiga buah neutron cepat. Bila neutron-neutron tersebut kemudian bertumbukan dengan inti U-235 yang berdekatan dengannya, mereka akan menyebabkan inti U-235 tersebut juga memecah, melepaskan panas yang lebih besar dan juga lebih banyak neutron. Jika terdapat U-235 yang cukup (sekitar 4 kg atau 9 lb), sebuah reaksi berantai akan terjadi yang melepaskan sejumlah energi yang sangat besar. Inilah tenaga perusak yang diberikan oleh senjata nuklir. Dalam reaktor, kecepatan fisi dikontrol dengan ketat menggunakan batang-batang grafit yang berfungsi menyerap kelebihan neutron cepat, sehingga menghasilkan sumber panas yang konstan, yang kemudian dipindahkan ke pendingin (umumnya adalah air bertekanan sekitar 150 atmosfer).

Gambar 30 : Reaksi Berantai

Di dalam sebuah reaktor nuklir, bagian pusat pembangkit listrik tenaga nuklir adalah ”teras” yang berisi sekitar 120 ton bahan bakar uranium dalam bentuk sekitar 35.000 batang bahan bakar. Batang-batang bahan bakar memberikan panasnya pada air (pendingin utama) yang mengelilinginya di dalam tembok tebal tabung reaktor bertekanan. Pendingin utama tersebut mentarnsfer panasnya ke ”loop” air yang terpisah (pendingin sekunder) dalam sekelompok generator uap. Uap lalu menggerakkan turbin-turbin yang berhubungan dengan sebuah generator listrik. Pendingin kedua diembunkan lagi dan kembali masuk ke sistem. Pemisahan ”loop” dari air pendingin membantu meminimalkan resiko air yang tecemar mencapai lingkungannya.

.

.

Gambar 31 : Reaktor Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir

2.2.7 Energi Surya

Sejarah peradaban manusia mencatat bahwa tenaga surya sangat berpengaruh terhadap segala aspek kehidupan manusia dan lingkungan sejak awal kehidupan di dunia ini.

Matahari adalah suatu bola dari awan gas dengan suhu yang amat sangat panas. Suhu efektif permukaan matahari besarnya 5760 K, sedang pada intinya dapat mencapai lebih kurang 8 x 10⁶ sampai dengan 40 x 10⁶ K.

Radiasi matahari dihasilkan dari reaksi fusi termonuklir pada inti matahari yang membebaskan energi dalam bentuk radiasi gelombang elektromagnetik dengan frekuensi tinggi. Suatu teori yang akhir-akhir ini dikemukakan oleh para ahli yang mengatakan bahwa radiasi gelombang elektromagnetik merupakan kombinasi dari gelombang elektrik arus bolak-balik berkecepatan tinggi dengan gelombang medan magnetik yang menumbuhkan partikel-partikel energi dalam bentuk foton.

Menentukan Besaran Radiasi Matahari

Jarak rata-rata matahari dengan bumi R_BM = 1,49 x 10¹¹ m, sedang besar rapat radiasi adalah :

2.0 kalori cm²/menit = 2 x 10⁴ kalori/m² menit

= 1/3 x 10³ kalori/m² dt

Bila dikalikan dengan konstanta Joule yang besarnya 4,184 joule/kal, menghasilkan besaran rapat radiasi matahari (S) :

S = 1/3 x 10³ x 4,184 = 139,6 W/m²

S ~ 1395 W/m² ~ 442 Btu/ft² jam.

Radiasi Energi Surya

Matahari memancarkan energi dalam bentuk radiasi elektromagnetik. Radiasi tersebut hanya sekitar 50% yang dapat diserap oleh bumi. Menurut pengukuran radiasi surya oleh badan antariksa amerika serikat NASA pada tahun 1971 tentang besaran konstanta matahari sebesar 1353 watt/m². Dari besaran tersebut 7,85% atau 105,8 watt/m² dipancarkan dalam bentuk sinar ultraviolet, 47,33% atau 640,4 watt/m² dalam bentuk sinar tampak (vissible light) dan 44,85% atau 606,8 watt/m² dalam bentuk sinar infra merah. Pada dasarnya energi radiasi matahari mempunyai besaran yang tetap (konstan).

Pemanfaatan Energi Surya

Problem utama dalam pemanfaatan energi surya adalah faktor siang dan malam yang selalu bergantian sehingga kontinuitas perolehan energi surya selalu terputus pada malam hari. Walaupun begitu pemanfaatan energi surya baik secara langsung atau tidak langsung sudah ada kemajuan yang baik dengan adanya pesawat-pesawat pengubah energi, yang mengubah energi surya menjadi, sistem pemanas air/udara, tenaga mekanis, tenaga listrik.

a) Sistem Pemanas

Secara tradisional tenaga panas matahari telah dimanfaatkan sejak berabad-abad tang lalu, baik sebagai pengering padi, jelai, biji-bijian, pakaian, untuk mengawetkan makanan maupun membantu dalam proses fermentasi makanan dan buah-buahan. Pada permulaan abad ke XX di California dan Florida, Amerika, telah berdiri perusahaan-perusahaan pemanas air bertenaga panas matahari. Namun perusahaan- perusahaan tersebut mengalami kemunduran secara darastis setelah gas alam sebagai bahan bakar dipasarkan dengan harga yang murah dan dengan persediaan yang berlimpah.

Lalu pada awal tahun 1970 pemakaian energi panas matahari untuk pemanas air/udara mulai dikembangkan lagi akibat krisis energi fosil karena jumlah industri mulai banyak.

Pemanfaatan energi matahari sebagai pemanas dapat dilakukan dengan secara langsung atau dalam modus penyimpanan panas. Dimana ada beberapa modus penyimpanan panas yaitu :

1. Modus Penyimpanan Panas Sensibel

Panas disimpan dengan cara menaikkan temperatur suhu benda padat atau cair. Jika panas spesifik benda tersebut konstan, maka panas yang disimpan dalam benda tersebut jumlahnya berbanding langsung dengan kenaikkan temperatur.

2. Modus Penyimpanan Panas Laten

Proses penyimpanan panas berlangsung dalam proses isotermal dan terjadi ketika material mengalami perubahan fasa, biasanya dari padat ke cair. Perubahan fasa tersebut diikuti dengan penyerapan (pengisian) atau pelepasan (pengeluaran) energi panas yang relatif berjumlah panas. Sistem penyimpanan panas laten mempunyai kerapatan penyimpanan energi yang rata-rata lebih besar dari sistem penyimpanan panas sensibel.

3. Sistem Penyimpanan Panas Quasi-Laten

Sistem penyimpanan panas ini beroperasi dengan cara yang sama dan tidak dapat dibedakan dengan sistem penyimpanan panas laten. Dalam sistem ini panas diubah menjadi energi kimia dalam reaksi reversibel endotermik pada temperatur konstan. Untuk membalik proses, konstanta keseimbangan diubah dengan cara mengubah konsentrasi atau tekanan pereaksi atau dengan mengubah temperatur.

Penyerapan panas matahari tersebut dapat dilakukan dengan menggunakan alat penyerap panas salah satunya adalah kolektor surya. Kolektor surya adalah alat yang digunakan untuk mengkonversi energi surya berupa radiasi yang ditangkap menjadi energi panas.

Komponen-komponen utama dari kolektor surya adalah :

1. Cover, plat penutup transparan
2. Absorber, plat penyerap energi dan mengkonversi temal
3. Insulation, plat menahan/penyekat termal dalam kolektor
4. Saluran/kanal fluida, lewat medium pembawa energi
5. Kerangka, pasangan semua komponen dalam kolektor.

Dalam penginstalasiannya kolektor harus diseleksi agas didapatkan efisiensi yang tinggi dari kolektor dan untuk itu sebuah kolektor harus memenuhi syaratnya, dimana persyaratan dari kolektor tersebut adalah:

1. Transmisi yang melewati cover sebesar mungkin
2. Absorpsi pada absorber sebesar mungkin
3. Kerugian panas kesekeliling harus sekecil mungkin
4. Perpindahan panas antara absorber dan fluida yang baik
5. Kapasitas panas yang tinggi dari fluida pembawa energi
6. Keawetan dari material kolektor
7. Harga murah

Konstruksi Sederhana

Proses penyerapan energi surya dapat dilihat pada gambar dibawah dimana radiasi matahari diteruskan oleh cover kolektor ke absorber. Cahaya yang matahari tidak semuanya diserap ada juga yang dipantulkan kembali ke lingkungan. Cahaya yang masuk juga dipantulkan keatas namun terhalang oleh cover sehingga tidak lepas ke lingkungan, dari cover akan kembali dipantulkan ke absorber begitu seterusnya.

Gambar 32 : Flat Plate Solar Collector Heat Transfer Parameters

Lalu dari absorber panas akan ditransfer ke fluida yang mengalir dalam kanal-kanal dalam kolektor. yang mana fluida tersebut membawa panas ke tangki penampungan. Gambar dari tangki penyimpanan Panas dari enewrgi surya dapat dilihat pada gambar dibawah ini.

Gambar 33 : Tangki Penyimpan Panas Energi Surya

Ada beberapa jenis kolektor berdasarkan fluida pembawa energinya yaitu :

1. Water Kolektor

Adalah kolektor dengan air sebagai medium transport energinya. Air masuk kolektor dan melalui absorber dimana terjadi pengambilan panas dari absorber tersebut dan kembali keluar kolektor.

Gambar 34 : Salah-Satu Bentuk Water Collector

Ada beberapa jenis water collector yaitu:

· Absorber (tanpa cover dan tanpa insulasi)

· Flat-plat collector

· Evacuated Collector

· Concentrating collector

2. Air Collector

Adalah kolektor dengan udara sebagai medium transport energinya. Dimana udara masuk kolektor dan melewati absorber dan udara mengambil panas dari absorber kemudian keluar kolektor dengan temperatur yang tinggi dari temperatur ketika masuk kolektor.

Gambar 35 : Air Collector

Pemanfaatan energi setelah dikonversi oleh kolektor surya digunakan untuk berbagai kebutuhan diantaranya adalah :

1. Untuk destilasi air laut yang menghasilkan air murni sebagai air destilat
2. Untuk pemanas air kolam renang dengan cara pemompaan air ke suatu pesawat kolektor panas sinar surya yang dipasang di atas atap atau dilapangan terbuka yang disirkulasikan terus-menerus.
3. Untuk pemanas ruangan. Ini banyak digunakan di daerah yang bercuaca dingin agar temperatur dalam ruangan tetap hangat. Sistem pemanas ruangan dapat dibedakan yaitu sistem pemanas ruang aktif, dengan bantuan alat seperti kolektor surya dengan fluida transport air atau udara. Kedua sistem pemanas ruang pasif tanpa menggunakan alat apapun/secara alami yaitu dengan sistem rumah jendela yang besar yang dihadapkan keselatan bagi daerah subtropis dan daerah belahan bumi bagian utara.
4. Untuk pengering yang dilakukan di udara terbuka atau dengan menggunakan kolektor yang fluida pembawa energinya udara.

Dalam pemasangan kolektor perlu juga diperhatikan dari segi efisiensinya sebab hal ini merupakan efektifitas kerja dari kolektor sehingga panas yang dihasilkan besar dan kerugian termalnya kecil. Tiap jenis kolektor mempunyai besar efisiensi yang berbeda-beda tergantung bahan pembuatnya, ini dapat dilihat pada gambar grafik efisiensi beberapa jenis kolektor di bawah. Dari grafik tersebut jenis kolektor plstik absorber mempunyai efisiensi yang besar dari yang lainnya.

Gambar 36 : Grafik Efisiensi Dari Beberapa Jenis Kolektor

b) Sistem Pembangkit Tenaga Listrik

Sistem pembangkit listrik tenaga surya ini menggunakan suatu alat yang dinamakan dengan sel surya. Dimana sel surya berupa bahan semi konduktor penghantar aliran listrik yang dapat mengubah energi surya menjadi bentuk tenaga listrik. Hampir semua sel surya dibuat dari bahan silikon berkristal tunggal. Namun harganya masih sangat mahal sehingga biaya produksinya masih tinggi.

Cara Kerja Sel Surya

Konversi dari tenaga surya menjadi tenaga listrik melalui sel surya adalah melalui tahapan proses sebagai berikut :

1. Absorpsi cahaya dalam semikonduktor
2. Membangkitkan serta memisahkan muatan positf dan negatif bebas ke daerah-daerah lain dari sel surya, untuk membangkitkan tegangan dalam sel surya
3. Kemudian memindahkan muatan-muatan yang terpisah tersebut ke terminal listrik dalam bentuk aliran tenaga listrik.

Beberapa Kekurangan Generator Photovoltaic

Secara teoritis efisiensi maksimum yang dapat dicapai dari generator photovoltaic adalah 25% sedang dalam pelaksanaannya bahkan berkurang hingga 15%. Hal ini disebabkan beberapa faktor, antara lain ;

1. Adanya kerugian pantulan pada permukaan sel surya yang tidak dapat di hindari
2. Daya penyerapan yang kurang sempurna
3. Ikatan pada pasangan lubang elektron yang kurang sempurna
4. Timbulnya tahanan dalam secara seri yang menyebabkan tambahan lengkung degradasi.
5. Faktor tegangan.