TUGAS 1. Energy Terbarukan [PDF]

Citation preview

1



Makalah Energi Tugas Mata Kuliah energy Terbarukan



Di susun oleh:



M.ICHWANULHADI NIM. 20601800023



MAGISTER TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK INDUSTRI UNIVERSITAS ISLAM SULTAN AGUNG SEMARANG 2019



2



BAB I ENERGI 1. Pengertian energy [1] Manusia membutuhkan energi untuk melakukan kehidupan sehari-hari, misalnya untuk berjalan, berlari, bekerja, atau beraktivitas. Selain itu manfaat energi penting untuk kebutuhan lain, yang juga bisa diubah menjadi listrik untuk keperluan manusia sehari-hari. Menurut bahasanya, energi berasal dari bahasa yunani yaitu ‘ergon’ yang berarti kerja. Dalam melakukan suatu pekerjaan kita selalu memanfaatkan energi atau tenaga dari dalam tubuh kita. Energi juga penting untuk menunjang kehidupan dan kebutuhan manusia seharihari. Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tetapi dapat dirubah dan dikonversi bentuknya. Satuan energi menurut Satuan Internasional (SI) adalah joule (J). Energi bersifat fleksibel, yang berarti dapat berubah dan berpindah. Terdapat banyak macam-macam energi, misalnya energi otot yang dimiliki manusia. Ada juga energi panas atau energi bunyi, serta energi kinetik dan energi potensial. Pemanfaatan energi pun harus dilakukan dengan cermat agar dapat digunakan secara efektif dan efisien. Energi dibutuhkan diantaranya untuk menggerakkan mobil, untuk memanaskan dan mendinginkan ruangan, dan menjalankan komputer. Matahari merupakan sumber energi; energi matahari diperlukan antara lain untuk pertumbuhan tanaman dan proses siklus air. Energi yang terdapat dalam makanan menghasikan energi bagi manusia, baik berjalan, olah raga, bernyanyi, bekerja, belajar, berpikir, saat melamun, bahkan saat tidurpun memerlukan energi. Manusia membutuhkan beberapa ribu kalori setiap harinya untuk melakukan kegiatan dalam kehidupan sehari-hari. Oleh karena itu, disarankan setiap pagi sebelum beraktivitas kita harus makan dahulu. Dengan demikian, tubuh kita memiliki cukup energi untuk melakukan segala kegiatan dan kesehatan tubuh akan selalu terjaga. Seseorang yang terus melakukan kerja, misalnya memindahkan barang lama-kelamaan akan merasa lelah dan akhirnya orang tersebut tidak mampu lagi memindahkan barang. Hal tersebut disebabkan pada saat memindahkan barang setiap orang mengeluarkan energi.



Gambar 1. Orang yang memindahkan barang lama-kelamaan akan merasa lelah karena kehabisan energi RGI DAN



3



Berdasarkan contoh di atas terlihat bahwa energi dan kerja merupakan dua hal yang tidak dapat dipisahkan. Artinya, jika pada suatu benda diberikan energi sehingga benda bergeser, dikatakan pada benda tersebut terjadi kerja atau usaha. Sebagai gambaran untuk memahami lebih jauh pengertian energi dan bagaimana kaitannya dengan kerja atau usaha, dapat kita rasakan pada saat melaksanakan puasa. Pada saat berpuasa badan terasa lemas kurang bertenaga, sedangkan jika tidak berpuasa badan terasa segar. Pada saat berpuasa, energi makanan yang dikonsumsi lebih sedikit dibandingkan dengan energi yang dikonsumsi pada saat tidak berpuasa. Badan menjadi segar kembali beberapa saat setelah berbuka puasa. Mengapa hal itu terjadi? Sumber energi yang dimiliki manusia berasal dari makanan dan minuman. Badan menjadi segar kembali, karena kekurangan energi selama berpuasa telah diganti kembali setelah mengkonsumsi makanan dan minuman. Tentunya, makanan dan minuman tidak dapat langsung berubah menjadi energi tetapi harus mengalami suatu proses atau diolah dulu oleh sistem pencernaan tubuh. Setelah mengalami proses pencernaan di dalam tubuh, zat-zat makanan berubah menjadi energi. Selanjutnya, energi yang dihasilkan dari proses pencernaan dapat digunakan untuk melakukan berbagai aktivitas. Pengertian energy menurut beberapa definisi, antara lain : a. Arti Energi Menurut KBBI Pengertian energi menurut KBBI (Kamus Besar Bahasa Indonesia) adalah kemampuan untuk melakukan kerja (misalnya untuk energi listrik dan mekanika). Bisa juga diartikan sebagai daya (kekuatan) yang dapat digunakan untuk melakukan berbagai proses kegiatan, misalnya dapat merupakan bagian suatu bahan atau tidak terikat pada bahan (seperti sinar matahari). b. Definisi Energi Secara Umum Pengertian energi secara umum adalah suatu kemampuan untuk melakukan usaha (kerja) atau melakukan suatu perubahan. Kemampuan ini diukur dengan variabel waktu dan besarnya usaha yang dilakukan. c. Pengertian Energi Menurut Para Ahli Berikut akan dibahas mengenai pengertian dan definisi energi menurut pendapat para ahli dan pakar. d. Menurut Einstein Pengertian energi menurut Einstein merupakan sebuah produk dari massa dan kuadrat kecepatan cahaya. e. Menurut Campbell, Reece, dan Mitchell Pengertian energi menurut Campbell, Reece, dan Mitchell adalah suatu kemampuan untuk mengatur ulang sebuah materi tertentu. f. Menurut Arif Alfatah dan Muji Lestari Definisi energi menurut Arif Alfatah dan Muji Lestari merupakan sesuatu yang dibutuhkan oleh benda agar benda dapat melakukan usaha. g. Menurut Robert L. Wolke Menurut Robert L. Wolke, arti energi adalah suatu kemampuan untuk dapat membuat suatu hal terjadi. h. Menurut Pardiyono Pengertian energi menurut Pardiyono merupakan suatu bentuk kekuatan yang dihasilkan atau dimiliki oleh suatu benda i. Menurut Michael J. Moran Pengertian energi adalah sesuatu konsep dasar termodinamika dan merupakan salah satu aspek penting dalam analisis teknik. j. Menurut Aip Saripudin



4



Definisi energi menurut Aip Saripudin merupakan kemampuan untuk dapat melakukan urusan atau bisnis tertentu. k. Menurut Sumantoro Arti energi menurut Sumantoro merupakan kemampuan untuk melakukan sebuah pekerjaan yang sifatnya mendorong atau memindahkan sebuah benda atau objek. l. Menurut Alvin Hadivvono Pengertian energi merupakan sesuatu yang bergerak, dan juga mempunyai hubungan dengan ruang dan waktu. m. Menurut Mikrajuddin Definisi energi diartikan sebagai kemampuan untuk melaksanakan atau melakukan sebuah pekerjaan objek.



1.1. Energi dan Usaha Manusia, hewan, dan tumbuhan pada saat melakukan aktivitasnya selalu memerlukan energi. Energi yang digunakan manusia, hewan, dan tumbuhan berasal dari berbagai makanan dan minuman yang dikonsumsinya. Mesin-mesin dan alat elektronik dapat beroperasi jika ada energi yang menggerakkannya. Energi yang digunakan mesin mobil berasal dari bahan bakar berupa bensin, solar, atau dapat juga berupa bahan bakar bentuk lainnya; sedangkan alat elektronik dapat beroperasi jika ada sumber energi listrik. Energi yang dimiliki mesin digunakan untuk melakukan usaha, misalkan mesin mobil digunakan untuk menggerakkan roda sehingga mobil dapat bergerak. Mobil dapat bergerak karena adanya perubahan energi, yaitu dari energi kimia yang berasal dari bahan bakar berubah menjadi energi gerak yang dihasilkan oleh mesin. Energi dan usaha dalam IPA adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Sedangkan usaha didefinisikan dengan gaya kali jarak perpindahan benda yang dikenai gaya. Untuk lebih memahami tentang perubahan dan perpindahan energi serta hubungannya dengan usaha, mari kita ambil suatu contoh. Misalkan Kita melakukan usaha terhadap sebuah batu besar dengan cara mengangkatnya. Dalam hal ini Kita telah menyalurkan energi, tetapi energi ini tidak hilang. Energi tersebut tidak habis, melainkan dipindahkan ke batu itu. Batu tersebut sekarang memiliki energi dan bisa melakukan usaha. Dari contoh di atas dapat disimpulkan bahwa ketika usaha dilakukan pada sistem, maka energi sistem akan meningkat. Sebaliknya, ketika sistem melakukan usaha, maka energinya akan berkurang. Jadi usaha bisa diartikan sebagai energi yang digunakan atau energi yang dipindahkan. Maka sangat tepat jika satuan energi sama dengan satuan usaha, yaitu joule (J). Jika Kita melakukan usaha sebesar 200 J pada sebuah benda, berarti Kita memindahkan 200 J energi ke benda tersebut. Ketika benda dikenai usaha, maka energi benda akan meningkat. Secara matematik hubungan ini dinyatakan sebagai perubahan energi W = E . Dimana W adalah usaha dan E adalah perubahan energi. 1.2. Rumus Usaha Pengertian kerja atau usaha dalam kehidupan sehari-hari diartikan sebagai suatu tindakan yang sungguh-sungguh untuk mencapai suatu hasil. Hal ini jelas berbeda dengan pengertian kerja atau usaha dalam fisika. Dalam fisika kerja atau usaha diartikan sebagai hasil perkalian antara gaya yang bekerja pada suatu benda dengan jarak



5



perpindahan benda tersebut. Usaha dikatakan bekerja pada benda apabila sebuah gaya menyebabkan benda tersebut bergerak searah dengan arah gaya tersebut. Contoh pada Gambar 2.a., delman dapat bergerak karena kuda memberikan gaya, sehingga delman dapat bergerak searah dengan arah gerak kuda tersebut.



Gambar 2.a. Kuda menarik delman



Gambar 2b. Gaya F menyebabkan benda bergerak sejauh S pada arah gaya F tersebut Jika kita perhatikan Gambar 2.b., arah gaya yang bekerja pada benda searah dengan arah perpindahannya. Karena pengaruh gaya sebesar F, benda berpindah sejauh S. Besarnya kerja atau usaha yang bekerja pada benda dapat ditentukan dengan persamaan : W = F.S ………………………………………………………………..(1) dimana : W = kerja atau usaha (joule) F = gaya (newton) S = jarak perpindahan (meter) Jika arah gaya yang bekerja pada benda membentuk sudut terhadap arah perpindahannya, maka untuk menentukan besar kerja atau usahanya tidak dapat langsung menggunakan persamaan di atas. Besarnya gaya yang menyebabkan benda berpindah sejauh S adalah komponen F pada arah mendatar (arah perpindahan S), yaitu . Untuk lebuh jelasnya perhatikan gambar berikut ini.



6



Gambar 3a. Arah gaya yang dikerjakan pegolf pada roda tidak searah dengan perpindahan roda. 8



BERMUTU



Gambar 3b. Benda dikenai gaya sebesar F yang arahnya membentuk sudut terhadap arah mendatar. Besar gaya yang menyebabkan benda tersebut berpindah adalah komponen gaya F, yaitu F cos  Selanjutnya, untuk menentukan kerja atau usaha pada benda dapat kita gunakan persamaan : (2) Dimana : W = kerja atau usaha (joule) F cos = gaya efektif (newton) S = jarak perpindahan (meter) 1.3. Satuan Energi Satuan internasional untuk energi adalah joule. Satuan joule merupakan satuan yang diturunkan dari satuan gaya dan satuan jarak dalam sistem MKS, yaitu newton dan meter. Dalam fisika ada beberapa satuan lainnya yang dapat dikonversikan ke dalam satuan joule. Satuan-satuan tersebut antara lain: erg, kalori, kilokalori, elektronvolt, MeV, dan kWh. Secara rinci hubungan antara satuan joule dengan satuan energi lainnya adalah: 1.1.1. Hubungan Joule – erg Seperti telah diuraikan di atas, satuan joule diperoleh dari satuan newton dan meter. Berarti, 1 joule adalah besarnya usaha yang ditimbulkan gaya sebesar 1 newton yang menyebabkan benda berpindah sejauh 1 meter. Untuk menentukan hubungan antara joule dengan erg dapat kita lakukan



7



dengan mengkonversikan satuan besaran-besaran energi dalam sistem MKS ke dalam satuan besaran-besaran energi dalam sistem cgs. Satuan erg sudah jarang digunakan karena yang lazim adalah satuan SI, yaitu Joule. 1 joule = 1 newton x 1 meter = 1 kg . 1 m/s2 x 1 meter = 1000 gram . 100 cm/s2 x 100 cm = 10.000.000 gram cm2 / s2 = 107 gram cm2 / s2 = 107 erg 1.1.2. Hubungan Joule – kalori



Peninjauan hubungan satuan energi antara joule dengan kalori dapat kita peroleh dengan cara sebagai berikut. 1 joule = 0,24 kalori 1 kalori = 4,2 joule karena 1 kalori = 10-3 kkal 1 kkal = 103 kalori maka 1 kkal = 4,2 x 103 joule Satuan kalori digunakan untuk energi panas 1.1.3. Hubungan Joule – elektronvolt



Peninjauan hubungan satuan energi antara elektronvolt dapat kita peroleh dengan cara sebagai berikut. 1 joule = 0,625 x 1019 eV 1 eV = 1,6 x 10-19 joule karena 1 eV = 10-6 MeV 1 MeV = 106 eV



joule dengan



maka 1 MeV = 106 x 1,6 x 10-19 joule = 1,6 x 10-13 joule Satuan elektronvolt sering digunakan pada perhitungan energi pada kasus sinar katoda, sinar-X, dan lain-lain. 1.1.4. Hubungan Joule – kWh



Peninjauan hubungan satuan energi antara joule dengan kWh dapat kita peroleh dengan cara sebagai berikut.



8



1 watt = 1 joule/s 1 joule = 1 watt.s 1 kW = 103 watt 1 kWh = 103 x 3600 watt.s 1 kWh = 3,6 x 106 watt .s watt.s = 1/3,6 x 10-6 kWh watt.s = 0,278 x 10-6 kWh watt.s = 2,78 x 10-7 kWh 1 joule = 1 watt.s 1 joule = 2,78 x 10-7 kWh Satuan kWh sering dipakai pada perhitungan energi listrik yang digunakan di rumah-rumah atau pabrik. 1.4. Manfaat Energi Terdapat banyak fungsi dan manfaat energi bagi kehidupan manusia. Berikut merupakan beberapa manfaat energi.  Untuk keberlangsungan hidup makhluk hidup.  Untuk melakukan aktivitas sehari-hari  Untuk menunjang sarana transportasi.  Sebagai alat penerangan.  Sebagai penunjang media hiburan.  Untuk keperluan medis dan kesehatan.  Untuk keperluan komunikasi dan informasi.



9



BAB II MACAM-MACAM ENERGI [2]



Energi adalah ukuran dari kesanggupan benda tersebut untuk melakukan suatu usaha. Energi berasal dari bahasa Yunani yaitu energia yang berarti kemampuan untuk melakukan usaha. Energi merupakan besaran yang kekal, artinya energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan, tetapi dapat diubah dari suatu bentuk satu ke bentuk yang lain namun tidak merubah jumlah atau besar energi secara keseluruhan. Dalam pengertian sehari-hari energi merupakan kemampuan untuk melakukan gerak, jika suatu objek mampu untuk melakukan gerakan, maka obyek tersebut dikatakan mempunyai energi. Menurut ilmu fisika, terdapat berbagai macam bentuk energi diantaranya: 2.1. Energy Mekanik Benda yang bergerak atau memiliki kemampuan untuk bergerak, memiliki energi mekanik. Air terjun yang berada di puncak tebing memiliki energi mekanik yang cukup besar, demikian juga dengan angin.



2.2. Energi Kinetik Energi kinetik adalah energi dari suatu benda yang dimiliki karena pengaruh gerakannya, contohnya ketika seseorang yang sedang berlari, maka posisi orang tersebut akan berubah setiap detiknya, perubahan posisi ini menunjukkan bahwa orang itu memiliki energi. 2.3. Energi Potensial Energi potensial adalah energi yang dimiliki suatu benda akibat adanya pengaruh tempat atau kedudukan dari benda tersebut. Energi potensial disebut juga dengan energi diam karena benda yang dalam keaadaan diam dapat memiliki energi. Jika benda tersebut bergerak, maka benda itu mengalami perubahan energi potensial menjadi energi gerak. Energi potensial memiliki beberapa bentuk diantaranya: energi potensial gravitasi, energi potensial pegas, dan lain - lain. 2.4. Energi Panas Energi panas adalah energi ini muncul saat terjadinya perubahan suhu benda, dan menjalar dari bagian yang panas ke bagian yang dingin. Energi ini dapat dideteksi dengan indera peraba dan thermometer. 2.5. Energi Kimia Energi kimia adalah energi yang tersimpan secara kimiawi. Misalnya makanan yang kita makan menghasilkan energi kimia yang sangat bermanfaat bagi tubuh. Minyak bumi mengandung energi kimia yang sangat bermanfaat untuk bahan bakar. Baik energi kimia dalam makanan maupun energi kimia dalam minyak bumi berasal dari energi matahari. 2.6. Energi Nuklir Energi nuklir adalah energi yang tersimpan dalam atom. Energi keluar ketika terjadi proses reaksi nuklir. Energi ini diperoleh dari hasil reaksi inti, yaitu reaksi yang terjadi pada inti atom dimana partikel - partikel berenergi tinggi bertumbukkan dengan inti atom tersebut sehingga terbentuklah inti baru yang berbeda dengan inti semula.



10



2.7. Energi Listrik Energi listrik adalah energi yang ditimbulkan oleh benda yang bermuatan listrik. Muatan listrik yang diam (statis) menimbulkan energi potensial listrik, sedangkan muatan listrik yang bergerak (dinamis) menimbulkan arus listrik dan energi magnet. 2. Sumber-Sumber Energi 3.1. Sumber Energi Tak Terbaharui Sumber energi tidak terbaharui (nonrenewable) didefinisikan sebagai sumber energi yang tidak dapat diisi atau dibuat kembali oleh alam dalam waktu yang singkat. Sumber energi tak terbaharui diantaranya: 2.1.1. Minyak Bumi Minyak bumi adalah zat cair licin dan mudah terbakar yang terjadi sebagian besar karena hidrokarbon. Menurut teori, minyak bumi berasal dari sisa - sisa binatang kecil dan tumbuhan yang hidup di laut jutaan tahun yang lalu yang mengendap dan mendapat tekanan dari lempengan bumi sehingga secara alami larut dan berubah menjadi minyak bumi. 2.1.2. Batubara Batubara adalah batuan sedimen yang berasal dari material organik (organoclastic sedimentary rock), yang memiliki kandungan utama berupa karbon, hidrogen, dan oksigen. Batubara ini merupakan hasil akumulasi tumbuhan dan material organik pada suatu lingkungan pengendapan tertentu.



Gambar 4. Proses Pembentukan Batubara



Batubara yang kita kenal dibentuk dari sisa- sisa tumbuhan yang terkubur di dasar rawa selama jutaan tahun yang lalu. Pertama, sisa-sisa tumbuhan berubah menjadi bahan yang padat disebut gambut. Akibat tekanan dan pemanasan dari lapisan bagian atas, sisa-sisa tumbuhan tersebut berubah menjadi batubara. 3.2. Energi Alternatif (Sumber Energi Terbaharui) Sumber energi terbaharui (renewable) didefinisikan sebagai sumber energi yang dapat dengan cepat diisi kembali oleh alam. Berikut ini adalah yang termasuk sumber energi terbaharui: 3.2.1. Matahari Energi matahari diperoleh dari cahaya panas yang merupakan komponen dari



11



panas matahari. Selain memanaskan air, energi ini juga bisa diubah menjadi listrik.



Gambar 5. Sel Surya Matahari Sumber: Energi Dan Perubahannya, 2009



Secara global, matahari menyediakan 10.000 kali energi bumi yang dapat di memanfaatkan siapapun secara gratis, dan merupakan salah satu sumber energi alternatif yang potensial untuk dikelola dan dikembangkan lebih lanjut, terutama bagi negara- negara tropis seperti Indonesia. 3.2.2. Angin Energi angin adalah energi yang dihasilkan oleh udara yang berhembus di permukaan bumi. Energi angin dapat diubah menjadi energi mekanik untuk menghasilkan usaha. Karena angin tidak menimbulkan polusi, maka banyak negara - negara membangun turbin angin sebagai sumber tenaga listrik tambahan.



Gambar 6. Turbin Angin 3.2.3. Panas Bumi Energi panas bumi adalah energi panas yang berasal dari dalam bumi. Energi panas ini dihasilkan di dalam inti bumi yang ditimbulkan oleh peristiwa peluruhan partikel-partikel radioaktif di dalam batuan. Inti bumi terbentuk dari magma yang mengalir menembus berbagai lapisan batuan di bawah tanah. Saat mencapai reservoir air bawah tanah, terbentuklah air panas bertekanan tinggi yang keluar ke permukaan bumi melalui celah atau retakan di kulit bumi, maka timbul sumber air panas yang biasa disebut uap panas.



12



Gambar 7. Uap Panas Sumber: Energi Dan Perubahannya, 2009 3.2.4. Biomassa Biomassa merupakan sumber energi yang dapat diperbaharui karena tumbuhtumbuhan dapat kita tanam setiap saat. Dari berbagai macam bahan bakar biomassa, kayu merupakan kebutuhan yang sangat banyak digunakan, seperti pada rumah tangga dan pada ketel uap. Membakar biomassa bukan cara satusatunya untuk menghasilkan energi karena biomassa dapat juga dikonversi ke bentuk energi lain diantaranya gas metana atau etanol dan biosolar.



Sumber: Energi Dan Perubahannya, 2009 Gambar 8. Jenis-Jenis Biomassa



3.3. Potensi Energi Terbarukan Provinsi Lampung memiliki potensi energi baru terbarukan yang cukup besar yang bisa menjadi sumber energi untuk membantu pemenuhan kebutuhan energi di provinsi Lampung, namun sebagian besar diantaranya belum dimanfaatkan sehingga belum menjadi penyokong penyedia energi yang bermanfaat. Dan berikut ini adalah potensi energi terbarukan yang ada di provinsi Lampung : 3.3.1. Kelapa Sawit CPO yang berasal dari kelapa sawit merupakan sumber bahan baku biosolar yang sudah tersedia, meskipun saat ini CPO masih diperuntukkan untuk keperluan non energi seperti minyak goreng dan sabun. Namun perlu dipertimbangkan pengembangan dan pemanfaatannya sebagai bahan baku pembuatan biosolar yang bermanfaat sebagai sumber energi pengganti minyak solar mengingat kebutuhan akan minyak solar tiap tahun pasti mengalami peningkatan seiring meningkatnya



13



jumlah penduduk dan kemampuan ekonomi masyarakat. Pemanfaatan CPO sebagai biosolar dikarenakan setiap ton CPO dapat menghasilkan 0,39 ton biodiesel. 3.3.2. Kotoran Ternak Kotoran sapi dan kerbau telah lama diteliti dan dipraktekkan sebagai pengganti gas LPG untuk keperluan memasak dalam rumah tangga. Karena begitu banyaknya ternak sapi dan kerbau yang ada di propinsi Lampung, dan sangat mudahnya untuk membuat alat pengkonversi kotoran ternak menjadi biogas, maka seharusnya teknologi itu sudah saatnya untuk diterapkan, agar penggunaan gas LPG dapat dikurangi. Sehingga ketergantungan masyarakat Lampung pada minyak tanah dan LPG akan hilang. Menurut penilitian Houdkav, 1991 kotoran sapi memiliki kadar energi J tiap kilo gramnya 3.3.3. Bioetanol Bioetanol dapat dihasilkan dari ubi kayu dan ubi jalar serta tebu, dimana tanaman tersebut merupakan salah satu komoditi unggulan dari provinsi Lampung. Namun permasalahan yang sama untuk pemanfaatannya menjadi bioetanol, yaitu penggunaan bahan dasar yang masih menjadi bahan baku untuk keperluan produk sektor non energi, seperti ubi kayu untuk pembuatan tepung tapioka dan tebu sebagai bahan dasar pembuatan gula putih. Disamping itu teknologi yang sangat mahal juga menjadi kendala untuk menjadikan beberapa bahan baku tersebut menjadi bioetanol. Padahal dalam tiap ton bahan baku dapat dikonversi menjadi bioetanol secara berurutan, untuk ubi kayu 0,215 ton, ubi jalar 0,215 ton dan untuk tebu 0,211 ton. 3.3.4. Ampas Tebu (Baggase) Ampas tebu sering dianggap oleh masyarakat luas sebagai limbah dari pemerasan tebu setelah diambil sarinya yang kemudian dibuang begitu saja. Padahal dalam ampas tebu ini terkandung nil;ai kalori yang juga dapat dimanfaatkan sehingga menjadi potensi energi yang baik bagi penggunanya. Dari LDA 2011 terlihat hasil panen tebu sebesar 99.473 ton, kemudian dari angka tersebut didapat ampasnya 37.302 ton. Dengan nilai kadar air 50%, tiap satu kilo gram ampas tebu mengandung nilai kalor 7.600 kj/kg. Sehingga jika semua ampas tebu tersebut dapat termanfaatkan dengan benar, maka dapat menghasilkan energi sebesar 283.498 GJ. 3.3.5. Kulit Kakao Telah diakui bahwa kakao atau yang lebih akrab disebut kopi cokelat merupakan salah satu komoditi unggulan dari provinsi Lampung. Terutama di daerah-daerah yang lahan perkebunannya masih sangat luas. Namun sayangnya kulit dari buah kakao ini tidak dianggap sebagai barang yang bermanfaat, dan hanya dibuang begitu saja. Padahal nilai energi yang terkandung dalam kulit ini dapat juga bermanfaat bagi yang memanfaatkannya. Dari LDA 2011 dalam tabel pertanian dapat dilihat bahwa hasil panen kakao pada tahun 2010 adalah sebesar 36.378 ton. Dalam tiap ton buah kakao 70% nya adalah kulitnya, dan tiap satu kilo gram kulit dengan kadar air 85% mengandung nilai kalor 16.998 kj/kg. Sehingga jika semua kulit buah kakao dapat dimanfaatkan menjagi energi, maka besar energi yang dihasilkan adalah 432.847 GJ.



14



3.3.6. Tempurung Kelapa Tempurung kelapa merupakan bagian buah kelapa yang fungsinya secara biologis adalah pelindung inti buah dan terlatak di bagian sebelah dalam sabut dengan ketebalan berkisar antara 3-6 mm. Tempurung kelapa dikategorikan sebagai kayu keras tetapi mempunyai kadar lignin yang lebih tinggidan kadar selulosa yang lebih rendahdengan kadar air sebesar 8%. Dalam tiap kilo gram tempurung kelapa tersebut mengandung nilai kalor 4.300 kj/kg. (Tilman, 1981). Sehingga dapat terlihat bahwa potensi energi dari tempurung kelapa ini sangatlah besar karena nilai kalor yang terkandung di dalamnya setengah dari nilai kalor yang dimiliki oleh bagasse tebu. Hal ini tentunya sangat baik untuk dikelola dengan baik sehingga energi ini dapat bermanfaat, mengingat panen kelapa di provinsi Lampung ini sangatlah besar tiap tahunnya.



3.3.7. Sekam Padi Sekam adalah pembungkus padi atau kulit padi yang biasanya hanya terbuang begitu saja pada saat penggilingan padi berlangsung. Padahal sekam padi dapat juga dikonversi menjadi energi panas yang tentunya dapat dimanfaatkan oleh manusia. Karena kadar selulosanya yang cukup tinggi sehingga sekam padi ini dapat memberikan pembakaran yang merata dan stabil. Sekamn padi memiliki kerapatan jenis 125 kg/m3, dengan nilai kalor 3500 Kkal/kg sekam dengan konduktivitas panas 0,271 BTU (Houston, 1972). Jadi dengan panen padi di provinsi Lampung tahun 2010 adalah sebesar 2.673.844 ton, sehingga dari hasil panen tersebut dapat menghasilkan 25% sekam padi sehingga didapat 668.461 ton yang tentunya akan menjadi sumber energi yang sangat besar bila dimanfaatkan dengan benar. 3.3.8. Sampah Sampah merupakan limbah buangan dari masyarakat atau industri yang dianggap tidak bermanfaat dan menjijikkan bagi sebagian orang. Namun sebenarnya di dalam sampah ini juga terkandung energi yang ternyata dapat bermanfaat bagi manusia. Nilai kalor yang terkandung dalam sampah sangat tergantung dari jenis sampah itu sendiri, untuk sampah yang tergolong organik terkandung nilai kalor rata-rata 22.100 kj/kg sampah. Sementara itu untuk sampah yang tergolong sampah non organik terkandung nilai kalor rata-rata 60, 833 kj/kg. Maka dapat menjadi energi yang besar jika tiap manusia perhari menghasilkan sampah sebesar 1 kg dan tentunya sampah itu dapat terkonversi menjadi energi yang bermanfaat sehingga semua limbah tidak akan menjadi ancaman bagi kelestarian lingkungan. 3.3.9. Potensi Tenaga Angin Menurut BMKG Lampung dari Tahun 2010 di pelabuhan panjang dan sekitarnya menunjukkan bahwa rata-rata kecepatan angin selama 4 tahun sebesar 4,93 m/detik. Namun belum ada penelitian lebih lanjut mengenai potensi angin untuk khusus kawasan pesisir provinsi Lampung, sehingga belum tertutup kemungkinan pengembangan teknologi tenaga bayu di provinsi Lampung. Apabila merujuk ke Bangka-Belitung yang memiliki pembangkit listrik tenaga bayu berkapasitas 80 KW, dan banyak penelitian yang menyatakan pantai barat Sumatera memiliki kecepatan angin diatas 6 m/detik maka akan dapat disimpulkan bahwa provinsi Lampung pun memiliki potensi yang tinggi untuk pengembangan pembangkit listrik tenaga angin terutama untuk daerah pesisir pantainya.



15



3.3.10. Potensi Tenaga Surya Sebagai negara beriklim tropis, Indonesia mempunyai potensi energi surya yang cukup besar. Berdasarkan data intensitas radiasi matahari yang dihimpun dari 18 lokasi di Indonesia, untuk Kawasan Barat Indonesia (KBI) sekitar 4,5 kWh/m2 dengan variasi bulanan sekitar 10%. Namun penelitian yang dilakukan oleh BMKG menyebutkan bahwa provinsi Lampung memiliki intensitas radiasi matahari sebesar 5,2 kWh/m2. Ini berarti provinsi Lampung memiliki nilai intensitas radiasi matahari diatas rata-rata intensitas radiasi matahari Kawasan Barat Indonesia. Tahun anggaran 2012 dinas pertambangan dan energi provinsi Lampung melakukan penelitian tenaga angin di empat kabupaten yang berbatasan dengan wilayah pesisir, yaitu kabupaten Lampung Selatan, kabupaten Lampung Timur, kabupaten Lampung Barat dan kabupaten Tanggamus. Tujuan penelitian tersebut adalah untuk merencanakan penempatan alat ukur kecepatan angin dan penentuan lokasi sebagai upaya implementasi pemanfaatan energi tenaga angin di provinsi Lampung. Dari penelitian tersebut didapatkan data yang tersusun dalam sebuah tabel berikut ini. Tabel 1. Data Penelitian Tenaga Angin BMKG



Sumber: Badan Meteorologi, Klimatologi dan Geofisika



3.3.11. Energi Listrik Tenaga Air dan Panas Bumi Berdasarkan informasi dari Dinas Pertambangan dan Energi Provinsi Lampung. potensi sumber energi utama yang berada di provinsi ini adalah panas bumi dan tenaga air sebagaimana diberikan pada tabel 2 dan tabel 3 berikut ini.



16



Tabel 2. Potensi PLTP



Tabel 3. Potensi PLTA



Sumber : PLN, RUPTL 2011.



17



BAB III KONDISI KELISTRIKAN DAN TRANSFORMASI ENERGI [2] 3.1. Kondisi kelistrikan Perkembangan kelistrikan di Provinsi Lampung menunjukkan peningkatan yang cukup pesat serta mempunyai prospek pengembangan yang cukup tinggi. Hal tersebut dapat dilihat dari pesatnya pembangunan sarana kelistrikan yang meliputi pembangkit, jaringan, gardu induk yang diusahakan baik oleh PLN maupun Non PLN (Captive Power) dan koperasi. Pertumbuhan pemakaian listrik di Provinsi Lampung mencapai angka 13 % pertahunnya, Proyeksi pertumbuhan ini telah dilakukan oleh Harmen, 2003. Gambar 6 adalah tingkat pertumbuhan konsumsi listrik di provinsi lampung antara tahun 2006 hingga tahun 2010.



Sumber: BPS, LDA 2011 dan PT PLN (Persero) Gambar 9. Perkembangan pemakaian listrik di Provinsi Lampung Untuk memenuhi kebutuhan energi listrik di Provinsi Lampung saat ini dipasok oleh pembangkit–pembangkit listrik dibawah pengelolaan PT. PLN (persero) Sektor Bandar lampung sebesar ± 70% dan sisanya dipasok oleh pembangkit listrik dari sistem Sum-Sel - Lampung sebesar ± 30 % dari total kebutuhan. Hal ini dimungkinkan karena sistim kelistrikan di Provinsi Lampung dihubungkan (interkoneksi) dengan sistem kelistrikan Sum-Sel. (lihat Gambar 7).



18



Sumber: PT PLN RUPTL 2011-2020 Gambar 10. Sistem jaringan transmisi interkoneksi Lampung – SumSel Pasokan dari pembangkit listrik di wilayah Propinsi Lampung berasal dari pembangkit listrik tenaga uap, tenaga air dan tenaga diesel seperti yang diberikan dalam tabel 4. Tabel 4. Pasokan energi listrik untuk Provinsi Lampung No



Pembangkit



1 PLTA Besai 2 PLTA Batutegi 3 PLTU Tarahan 3-4 4 PLTD 5 PLTG Jumlah pasokan Lampung Jumlah Beban Pasokan SumBagSel



Daya Terpasang (MW) 90 30 200 110 28 458



Daya Mampu (MW) 89 28 180 99 26 422 492 70 Sumber: PT.PLN RUPTL 2011-2020



Peningkatan energi terjual setiap tahunnya selalu mengalami peningkatan yang sangat signifikan, misalnya pada tahun 2006 yang hanya 1502 GWh menjadi 1634 GWh pada 2007. Peningkatan ini tergolong tinggi dengan laju pertumbuhan penduduk pertahunnya yang kurang dari 1,2%, peningkatan ini lebih disebabkan oleh program percepatan listrik pedesaan, yaitu program percepatan peningkatan desa yang terlistriki. Sehingga pada triwulan pertama tahun 2010 persentasi desa



19



yang belum terlistriki menjadi 29%, seperti yang diperlihatkan dalam Tabel 6. Dan tabel 5 menunjukkan perkembangan kondisi kelistrikan. Tabel 5. Perkembangan Kondisi Kelistrikan di Provinsi Lampung Tahun



2006



Pelangga n (Unit) 788970



2007



845824



2008



904878



2009



925175



2010



1037981



Daya Terpasang (MW) 869781



Produksi (MWh)



Terjual (MWh)



1698633



150222 2 939918 1909178 163456 3 1033759 2163460 190230 0 1062897 2318417 202402 7 1226601 2606813 225945 0 Sumber: BPS, LDA 2011 dan PT.PLN (Persero)



Tabel.6. Jumlah Desa Berlistrik dan Belum Berlistrik



Kabupaten



Jumlah Desa PLN



Desa Berlistrik Belum Berlistrik Non Jumlah % Jumlah % PLN 223 89.92% 25 10.08%



Lampun 248 223 g Selatan Lampun 283 209 51 260 91.87% 23 8.13% g Tengah Lampung Timur 252 164 55 219 86.90% 33 13.10% Lampung Utara 232 166 166 71.55% 66 28.45% Lampung Barat 196 120 120 61.22% 76 38.78% Tangamus 372 257 257 69.09% 115 30.91% Tulang Bawang 234 78 78 33.33% 156 66.67% Way Kanan 207 106 106 51.21% 101 48.79% Bandar - 100.00% - 100.00% Lampung Metro - 100.00% - 100.00% Pesawaran 133 101 101 75.94% 32 24.06% Jumlah 2,157 1,424 106 1,530 70.93% 627 29.07% Sumber: BPS, LDA 2011 dan PT.PLN (Persero) Untuk penyediaan daya listrik dan sistem kelistrikan disusunlah suatu perencanaan yang dilakukan oleh PT.PLN (Persero) sampai tahun 2019. Hal ini diberikan pada Tabel 7. Namun karena beberapa faktor, sehingga perencanaan ini tidak sesuai dengan yang terjadi.



20 Tabel 7. Perencanaan neraca daya Wilayah Lampung



3.2. Transformasi Energi Provinsi lampung memiliki potensi yang cukup besar dalam kategori energi baru terbarukan yang bisa menjadi sumber energi untuk membantu pemenuhan kebutuhan energi di provinsi lampung. Tongkol jagung adalah sumber energi terbarui yang kebanyakan orang menganggapnya hanya sebagai limbah dari buah jagung. Padahal tongkol jagung ini dapat dikonversi menjadi energi listrik dengan cara gasifikasi, yaitu pembakaran dalam tungku kemudian uap panasnya dialirkan untuk menggerakkan turbin dan menghasilkan arus listrik. Dengan cara ini diperkirakan satu kilo watt jam listrik dapat dihasilkan hanya dengan dua kilo gram tongkol jagung. Berikut adalah berita dari Kompas 25/02/2011 Perusahaan dari Korea selatan LIG Ensulting, dalam waktu dekat akan mengembangkan pembangkit listrik tenaga biomassa di Gorontalo senilai 30 juta dollar AS. Dengan menggunakan bahan baku tongkol jagung, diproyeksikan dapat menghasilkan tenaga listrik 12 megawatt. Potensi energi dari tongkol jagung di provinsi Lampung sangatlah besar melihat pada tahun 2010 nilainya mencapai 2.483.540 ton tongkol jagung. Mengingat daerah lain bisa mengembangkan potensi ini dengan bisa menarik investor untuk menanamkan modalnya, diharapkan di provinsi Lampung juga akan demikian. Sehingga potensi tersebut dapat dimanfaatkan.



3.3. Klasifikasi Mesin konversi Energi [3] 3.3.1. Motor Pembakaran Dalam 3.3.1.1.Motor Pembakaran Dalam Jenis Spark Ignition Engine (Sie) 3.3.1.1.1. Motor Bensin 2 Langkah Motor Bensin 2 langkah artinya dalam satu siklus kerja atau satu putaran poros engkol memerlukan dua langkah piston. Langkah pertama setelah terjadi pembakaran piston bergerak dari TMA menuju TMB melakukan ekspansi, lubang buang mulai terbuka. Karena tekanan didalam silinder lebih besar dari lingkungan, gas pembakaran keluar melalui lubang buang. Piston terus begerak menuju TMB lubang buang



21 semakin terbuka dan saluran bilas mulai terbuka. Bersamaan dengan kondisi tersebut tekanan didalam karter mesin lebih besar daripada di dalam silinder sehingga campuran bahan bakar udara menuju silinder melalui saluran bilas sambil melakukan pembilasan gas pembakaran. Proses ini disebut pembilasan, proses ini berhenti pada waktu piston mulai begerak dari TMB menuju TMA dengan lubang buang dan saluran bilas tertutup. Langkah kedua setelah proses pembilasan selesai, campuran bahan bakar masuk kedalam silinder kemudian dikompresi, posisi piston menuju TMA. Sesaat sebelum piston sampai di TMA campran bahan-bakar dan udara dinyalakan sehingga terjadi proses pembakaran. Siklus kembali lagi ke proses awal seperti diuraikan diatas. Dari uraian diatas terlihat piston melakukan dua kali langkah yaitu dari : a. TMA menuju TMB ; proses yang terjadi ekspansi, pembilasan ( pembuangan dan pengisian) b. TMB menuju TMA ; prose yang terjadi kompresi, penyalaan pembakaran Keuntungan dan kekuranag siklus 4 langkah dan 2 langkah dapat dilihat dari tabel berikut ini



Gambar 11. Siklus kerja motor bensin 2 langkah (a) langkah ekpansi (b) pembuangan gas sisa (c) pembilasan silinder (scavening) (d) langkah kompresi (e) penyalaan busi Sumber: Pulkrabek



22



Gambar 12.Siklus kerja motor bensin 2 langkah 3.3.1.1.2. Motor Bensin 4 Langkah Motor Bensin 4 langkah artinya dalam satu siklus kerja atau satu putaran poros engkol memerlukan empat langkah piston, yaitu langkah pemasukan, kompresi, kerja, dan pembuangan. Langkah Pemasukan, piston dari TMA menuju TMB, katup masuk membuka sehingga campuran bahan bakar dan udara masuk ke ruang silinder. Langkah Kompresi, piston dari TMB menuju TMA melakukan kompresi campuran bakar dan udara sehingga tekanan meningkat.Sementara kedua katup menutup. Langkah kerja, campuran bahan bakar dan udara yang terkompresi dibakar oleh busi sehingga piston terdorong dan poros engkol berputar. Langkah pembuangan, pada langkah ini katup buang membuka, sementara piston bergerak dari TMA menuju TMB membuang gas hasil pembakaran.



Gambar 13. Siklus kerja motor bensin 4 langkah (a) Langkah pemasukan (b) langkah kompresi (c) penyalaan busi (d) langkah kerja (e) pembuangan gas (f) langkah pembuangan (Sumber: Pulkrabek)



23



3.3.1.2.Perhitungan Daya Mesin Pada motor bakar, daya dihasilkan dari proses pembakaran didalam silinder dan biasanya disebut dengan daya indiaktor. Daya tersebut dikenakan pada torak yang bekerja bolak balik didalam silinder mesin. Jadi didalam silinder mesin, terjadi perubahan energi dari energi kimia bahan bakar dengan proses pembakaran menjadi energi mekanik pada torak. Daya indikator adalah merupakan sumber tenaga persatuan waktu operasi mesin untuk mengatasi semua beban mesin. Mesin selama bekerja mempunyai komponen-komponen yang saling berkaitan satu dengan lainnya membentuk kesatuan yang kompak. Komponenkomponen mesin juga merupakan beban yang harus diatasi daya indikator. Sebagai contoh pompa air untuk sistim pendingin, pompa pelumas untuk sistem pelumasan, kipas radiator, dan lain lain, komponen ini biasa disebut asesoris mesin. Asesoris ini dianggap parasit bagi mesin karena mengambil daya dari daya indikator. Disamping komponen-komponen mesin yang menjadi beban, kerugian karena gesekan antar komponen pada mesin juga merupakan parasit bagi mesin, dengan alasan yang sama dengan asesoris mesin yaitu mengambil daya indikator. Untuk lebih mudah pemahaman dibawah ini dalah perumusan dari masing masing daya. Satuan daya menggunakan HP ( hourse power ) dengan



Ne = adalah daya efektif atau daya poros ( HP) Ni = adalah daya indikator ( HP) Ng = adalah kerugian daya gesek ( HP) Na = adalah kerugian daya asesoris ( HP)



3.3.2. Efisiensi Mesin Efisiensi mesin menggambarkan tingkat efektifitas mesin bekerja. Secara alamiah setiap proses memerlukan energi, menghasilkan kerja untuk melakukan proses, kemudian ada energi yang harus dibuang. Seperi manusia yang harus makan untuk melakukan aktifitas kerja, selanjutnya secara alamiah harus ada yang dibuang. Apabila proses ini tidak berjalan semestinya, manusia dinyatakan dalam keadaan sakit dan tidak bisa melakukan kerja. Dalam kondisi ini seandainya manusia adalah mesin maka manusia dalam keadaan rusak. Konsep efisiensi menjelaskan bahwa perbandingan antar energi berguna dengan energi yang masuk secara alamiah tidak pernah mencapai 100%. Pada motor bakar ada beberapa definisi dari efisiensi yang menggambarkan kondisi efektifitas mesin bekerja, yaitu a. Efisiensi termal b. Efisiensi termal indikator c. Efisiensi termal efektif d. Efisiensi mekanik 3.3.2.1. Efisiensi termal Efisiensi termal adalah konsep dasar dari efisiensi siklus ideal yang didefinisikan perbandingan antara energi yang berguna dengan energi yang masuk. Energi berguna adalah pengurangan antara energi masuk dengan energi terbuang. Jadi efisiensi termal dirumuskan dengan persamaan : 3.3.2.2. Efisiensi termal indikator Efisiensi termal indikator adalah efisiesi termal dari siklus aktual diagram



24 indikator. Energi berguna dari diagram indikator adalah kerja indikator dan energi masuknya adalah energi dari proses pembakaran perkilogramnya. Perumusannya adalah sebagai berikut



Karena efisiensi termal indikator adalah pada siklus aktual maka fluidanya adalah bahan bakar dengan udara, sehingga perhitungan energi akor adalah sebagai berikut



Dengan Ni = adalah daya indikator ( watt)



Qc



= laju kalor masuk per kg bahan bakar ( kcal/kg.jam) = laju bahan bakar yang digunakan (kg/jam) = Nilai kalor bahan bakar per kcal/kg



3.3.2.3. Efisiensi termal efektif Efisiensi termal efektif adalah perbandingan daya poros atau daya efektif dengan laju kalor masuknya. Perumusannya adalah sebagai berikut



3.3.2.4. Efisiensi mekanik Semua beban mesin diatasi dengan sumber energi dari proses pembakaran yang menghasilkan energi mekanik. Energi mekanik yang terukur pada diagram indikator adalah kerja indikato. Kerja indikator persatuan waktu inilah yang akan dtransfer mejadi kerja poros persatuan waktu. Adapun besarnya nilai efektifitas dari transfer daya indikator menjadi daya poros adalah efisiensi mekanis. Jadi efisiensi mekanis adalah perbandingan antara daya poros dengan daya indikator dan dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut.



3.3.3. Efisiensi volumetrik Udara yang dihisap masuk silinder selalu banyak mengalami hambatan aliran sehingga aliran udara banyak kehilangan energi, disamping itu udara hisap juga menyerap panas dari saluran hisap terutama pada ujung saluran hisap yang ada katup masuknya. Karena menyerap panas temperatur udara menjadi naik dan menyebabkan massa jenis turun tetapi menaikkan nilai viskositasnya. Dengan kondisi tersebut udara lebih sulit mengalir dengan massa per satuan volumenya juga berkurang. Untuk mendefinisikan jumlah udara yang masuk ke ruang silinder dirumuskan ukuran keefektifan aliran udaran masuk yaitu efisiensi volumetri. Perumusannya adalah sebagai berikut:



25



3.3.4. Laju Pemakaian Bahan Bakar Spesifik Laju pemakaian bahan bakar spesifik atau spesific fuel consumtion (SFC) adalah jumlah bahan bakar (kg) per waktunya untuk menghasikan daya sebesar 1 Hp. Jadi SFC adalah ukuran ekonomi pemakaian bahan bakar. Perhitungan untuk mngetahui SFC adalah:



3.3.5. Motor Pembakaran Dalam Jeniscompression Ignition Engines (CIE) Motor diesel disebut dengan motor penyalaan kompresi (compression ignition engine) karena penyalaan bahan bakarnya diakibatkan oleh suhu kompresi udara dalam ruang bakar. Siklus Kerja mesin Diesel 4 langkah, pada prinsipnya hampir sama dengan mesin Otto, dimana piston bergerak secara translasi dari Titik Mati Atas (TMA) ke Titik Mati Bawah (TMB) dan sebaliknya berulang-ulang sebanyak 4 kali dalam satu siklus



Gambar 14. Siklus Ideal mesin diesel Mesin siklus diesel empat langkah mempunyai langkah-langkah sebagai berikut: a. Langkah hisap atau pemuatan. Pada langkah ini, katup masuk (I) terbuka dan udara murni disedot ke dalam silinder ketika piston bergerak turun dari TMA ke TMB seperti yang diperlihatkan gambar 2.5a. b. Langkah Kompresi. Pada langkah ini, kedua katup tertutup dan udara dikompresi ketika piston bergerak keatas dari TMB ke TMA. Dari hasil kompresi, tekanan dan temperatur udara meningkat. Sampai saat ini poros telah berputar satu putaran.



26



Gambar 2.5. Mesin diesel siklus empat langkah. c. Langkah ekspansi atau kerja. Sesaat sebelum piston mencapai TMA, bahan bakar diinjeksikan dalam bentuk semburan sangat haluske dalam silinder mesin melalui nosel (N) yang disebut juga katup injeksi bahan bakar. Pada kondisi ini temperatur udara yang ada disilinder sudah bisa membakar bahan bakar. Hasilnya terjadi kenaikan tiba-tiba tekanan dan temperatur dari produk pembakaran. Bahan bakar diasumsikan terbakar pada tekanan konstan. Karena terjadi kenaikan tekanan, piston di dorong kebawah dengan gaya yang besar. Gas panas tersebut berekspansi karena gerakan turun piston, selama ekspansi ini energi panas dirobah menjadi energi mekanik kerja. d. Langkah buang. Pada langkah ini, katup buang (E) terbuka ketika piston bergerak ke atas. Pergerakan piston ini mendorong keluar produk pembakaran dari dalam silinder melalui katup buang ke atmosfir. Langkah ini menyelesaikan siklus dan silinder mesin siap untuk menghisap udara segar kembali. Gambar 5 memperlihatkan diagram indikator mesin diesel siklus empat langkah. Langkah hisap ditunjukkan oleh garis 1-2, yang terletak dibawah garis tekanan atmosfir. Karena perbedaan tekanan ini maka udara mengalir ke dalam silinder mesin. Langkah kompresi ditunjukkan oleh garis 2-3 yang memperlihatkan katup masuk tertutup (IVC) sedikit setelah titik 2 (TMB/BDC). Pada akhir langkah, terjadi kenaikan tekanan di dalam silinder. Sedikit sebelum akhir langkah kompresi (TMA/TDC), katup bahan bakar terbuka dan bahan bakar diinjeksikan ke silinder mesin. Bahan bakar dibakar oleh temperatur tinggi udara bertekanan. Pembakaran menaikkan tekanan dan temperatur produk pembakaran, tetapi tekanan konstan, seperti ditunjukkan oleh garis 3-4. Langkah ekspansi ditunjukkan oleh garis 4-5 dimana katup buang terbuka (EVO) sedikit sebelum titik 5 (TMB). Sekarang gas asap dibuang ke atmosfir pada garis 5-1 yang terletak diatas garis tekanan atmosfir. Karena perbedaan tekanan ini menyebabkan gas buang mengalir ke luar silinder mesin. 3.3.6. Perbandingan Mesin Bensin dengan Mesin Diesel Motor diesel disebut dengan motor penyalaan kompresi (compression ignition engine) karena penyalaan bahan bakarnya diakibatkan oleh suhu kompresi udara dalam ruang bakar. Sementara, motor bensin disebut motor penyalaan busi (spark ignition engine) karena penyalaan bahan bakar diakibatkan oleh percikan bunga api listrik dari busi.



27



Gambar15. Perbandingan mesin bensin dan diesel Motor diesel dan motor bensin mempunyai beberapa perbedaan. Berikut perbedaan antara mesin diesel dan mesin bensin. No. 1.



Mesin Bensin Mesin bensin menarik campuran bensin dan udara selama langkah hisap.



Mesin Diesel Mesin diesel hanya menarik udara selama langkah hisap.



2



Tekanan pada akhir kompresi sekitar 10



Tekanan pada langkah kompresi sekitar



kg/cm2.



35 kg/cm2.



Campuran bahan bakar udara dibakar



Bahan bakar diinjeksi dalam bentuk spray.



3



dengan bantuan busi. 4



Pembakaran bahan bakar terjadi pada



Pembakaran terjadi pada hampir tekanan



hampir volume konstan.



konstan.



5



Mempunyai rasio kompresi sekitar 6 - 10.



Mempunyai rasio kompresi sekitar 15-25.



6



Karena rasio kompresi rendah, mesin



Karena rasio kompresi tinggi maka mesin



bensin lebih ringan dan murah



diesel lebih berat dan mahal



28 3.4. TURBIN GAS



3.4.1. Pengertian Turbin Gas Turbin gas adalah suatu penggerak mula yang memanfaatkan gas sebagai fluida kerja. Didalam turbin gas energi kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik berupa putaran yang menggerakkan roda turbin sehingga menghasilkan daya. Bagian turbin yang berputar disebut rotor atau roda turbin dan bagian turbin yang diam disebut stator atau rumah turbin. Rotor memutar poros daya yang menggerakkan beban (generator listrik, pompa, kompresor atau yang lainnya). Turbin gas merupakan salah satu komponen dari suatu sistem turbin gas. Sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen yaitu kompresor, ruang bakar dan turbin gas. Saat ini sistem turbin gas telah banyak diterapkan untuk berbagai keperluan seperti mesin penggerak generator listrik, mesin industri, pesawat terbang dan lainnya. 3.4.2. Prinsip Kerja Turbin Gas Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistem turbin gas adalah sebagai berikut: a. Pemampatan (compression) udara di hisap dan dimampatkan b. Pembakaran (combustion) bahan bakar dicampurkan ke dalam ruang bakar dengan udara kemudian di bakar. c. Pemuaian (expansion) gas hasil pembakaran memuai dan mengalir ke luar melalui nozel (nozzle) d. Pembuangan gas (exhaust) gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat saluran pembuangan.



Gambar 16. Turbin Gas



29 Udara masuk ke dalam kompresor melalui saluran masuk udara (inlet). Kompresor ini berfungsi untuk menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, akibatnya temperatur udara juga meningkat. Kemudian udara yang telah dikompresi ini masuk kedalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar disemprotkan bahan bakar sehingga bercampur dengan udara tadi dan menyebabkan proses pembakaran. Proses pembakaran tersebut berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehingga dapat dikatakan ruang bakar hanya untuk menaikkan temperatur. Gas hasil pembakaran tersebut dialirkan ke turbin gas melalui suatu nozel yang berfungsi untuk mengarahkan aliran tersebut ke sudu-sudu turbin. Daya yang dihasilkan oleh turbin gas tersebut digunakan untuk memutar kompresornya sendiri dan memutar beban lainnya seperti generator listrik, dll. Setelah melewati turbin ini gas tersebut akan dibuang keluar melalui saluran buang (exhaust). 3.4.3. Siklus Brayton Turbin gas merupakan suatu mesin yang bekerja mengikuti siklus termodinamik Brayton. Siklus ini merupakan siklus daya termodinamika ideal untuk turbin gas, sehingga saat ini siklus ini yang sangat populer digunakan oleh pembuat mesin turbin dalam analisa untuk up-grading performance. Siklus Brayton ini terdiri dari proses kompresi isentropik yang diakhiri dengan proses pelepasan panas pada tekanan konstan. Adapun siklus termodinamikanya pada diagram p-v dan t-s adalah sebagai berikut [gambar 3.2]:



Gambar 17. Diagram p-v dan T-s Urutan proses kerja sistem turbin gas [gambar 17] adalah : 1-2 Proses kompresi adiabatis udara pada kompresor, tekanan udara naik. Kerja yang dibutuhkan oleh kompresor: Wc = ma (h2 – h1)



30 2-3 Proses pembakaran campuran udara dan bahan-bakar pada tekanan konstan, dihasilkan panas pada ruang bakar. Jumlah kalor yang dihasilkan: Qa = (ma + mf) (h3 – h2) 3-4 Proses ekspansi adiabatis gas pembakaran pada turbin dihasilkan kerja turbin berupa putaran poros dan gaya dorong, tekanan turun. Daya yang dibutuhkan turbin: WT = (ma + mf) (h3 – h4) 4-1 Proses pembuangan kalor pada tekanan konstan. Jumlah kalor yang dilepas: QR = (ma + mf) (h4 – h1) Dari diagram T-S dapat dilihat setelah proses kompresi pada kompresor temperatur naik yaitu T2 dari tempertur atmosfer T1 dan tekanan naik dari p1 menjadi p2, tempertur dan tekanan ini diperlukan untuk proses pembakaran. Setelah bahan bakar disemprotkan dan bercampur dengan udara mampat didalam ruang bakar dan dinyalakan, terjadi proses pembakaran, temperatur naik lagi sampai T3. Temperatur T3 adalah temperatur gas pembakaran yang akan masuk turbin, temperatur ini dibatasi oleh ketahan material turbin pada suhu tinggi. Setelah proses ekspansi pada turbin, temperatur gas sisa menjadi turun sampai T4 dan temperatur gas sisa ini masih tinggi diatas temperatur T1. 3.4.4. Klasifikasi Turbin Gas Turbin gas dapat dibedakan berdasarkan siklusnya, kontruksi poros dan lainnya. Menurut siklusnya turbin gas terdiri dari: a. Turbin gas siklus tertutup (Close cycle) b. Turbin gas siklus terbuka (Open cycle) Perbedaan dari kedua tipe ini adalah berdasarkan siklus fluida kerja. Pada turbin gas siklus terbuka, akhir ekspansi fluida kerjanya langsung dibuang ke udara atmosfir, sedangkan untuk siklus tertutup akhir ekspansi fluida kerjanya didinginkan untuk kembali ke dalam proses awal. 3.4.4.1. Turbin gas siklus terbuka (Open cycle) Pada sistem turbin gas terbuka [gambar 3.3], fluida kerja akan keluar masuk sistem yaitu udara lingkungan masuk kompresor dan gas bekas keluar turbin ke lingkungan. Ruang bakar menjadi satu dengan sistem turbin gas dan bahan bakar yang digunakan terbatas yaitu hanya bahan bakar cair dan gas. Bahan bakar tersebut sebelum digunakan sudah dimurnikan, sehingga tidak mengandung unsur unsur yang merugikan.



Gambar 18. Bagan kerja turbin gas siklus terbuka



31 Permasalahan turbin gas sistem terbuka terfokus pada proses pendinginan ruang bakar dan sudu-sudu turbin. Disamping itu, karena gas pembakaran langsung besinggungan dengan material turbin, permasalahan korosi dan abarasi pada sudu turbin, menjadi sangat penting, jika hal ini diabaikan akan berakibat fatal dan sangat merugikan, yaitu sudu-sudu turbin bisa bengkok atau patah. Kalau hal tersebut terjadi, daya turbin menurun, dan secara keseluruah efisien kerja menjadi rendah. Turbin gas sistem terbuka banyak dipakai untuk mesin pesawat terbang, karena bentuknya lebih simpel, ringan dan tidak banyak memakan tempat, hal ini cocok dengan peryaratan turbin gas untuk pesawat terbang. Bahan bakar padat tidak disarankan untuk digunakan pada sistem turbin gas terbuka langsung, karena hasil pembakaran banyak mengandung partikel yang bersifat korosi terhadap material turbin, yang dapat merusak sudu turbin. Kendala tersebut dapat diatasi dengan memisahkan ruang bakar dengan saluran fluida kerja, dengan kata lain, fluida kerja masuk turbin dikondisikan tidak mengandung gas hasil pembakaran. Untuk keperluan tersebut, dibuat turbin gas sistem terbuka tak langsung. Dengan sistem ini, proses pembakaran berlangsung sendiri di dalam ruang bakar yang terpisah dengan saluran fluida kerja yang akan masuk turbin. Energi panas dari porses pembakaran akan ditransfer ke fluida kerja secara langsung atau menggunakan alat penukar kalor. Model transfer energi panas dari ruang bakar ke fluida kerja secara lansung adalah sebagai berikut. Pipa pipa yang berisi fluida kerja udara mampat dari kompresor dilewatkan ke ruang bakar atau dapur. Panas dari proses pembakaran ditransfer secara langsung ke fluida kerja didalam pipa pipa, temperatur fluida akan naik sampai nilai tertentu sebelum masuk turbin. Untuk model transfer panas dengan penukar kalor, banyak diaplikasikan pada turbin gas berbahan bakar nuklir. Ruang bakar berbahan bakar nuklir sering disebut dengan reaktor. Di dalam reaktor nuklir terjadi reaksi fusi yang menghasilkan panas yang tinggi, panas yang tinggi tersebut ditransfer ke fluida yang sekaligus berfungsi sebagai pendingin reaktor, fluida tersebut sering diistilahkan sebagai fluida primer. Kemudian, fluida primer bersuhu tinggi dialirkan ke alat penukar kalor. Didalam alat penukar kalor terdapat pipa-pipa berisi fluida kerja bersuhu rendah, untuk fluida ini sering disebut sebagai fluida sekunder. Dengan kondisi tersebut, terjadi tranfer panas dari fluida primer bersuhu tinggi ke fluida sekunder bersuhu rendah. 3.4.4.2. Turbin Gas Siklus Tertutup (Close cycle) Sistem turbin gas tertutup langsung banyak digunakan untuk aplikasi tubin gas dengan bahan bakar nuklir [gambar 6.5]. Fluida kerja yang paling cocok adalah helium. Proses kerja dari sistem tersebut adalah sebagai berikut. Helium tekanan tinggi dari kompresor dimasukan reaktor untuk dipanasi dan sekaligus untuk pendinginan reaktor. Setelah itu, helium berekspansi diturbin dengan melepaskan sebagian besar energinya. Energi tersebut diubah pada sudu-sudu turbin menjadi putaran poros turbin dan langsung menggerakan kompresor ataupun beban lainnya. Helium keluar turbin, tekanannya sudah menurun, tetapi masih bertemperatur tinggi. Helium bertemperatur tinggi harus didinginkan sebelum masuk kompresor, untuk keperluan tersebut, dipasang penukar kalor. Selanjutnya, helium dingin masuk kompresor lagi untuk dikompresi lagi.



32



Gambar 19. Bagan kerja turbin gas siklus tertutup



3.4.5. Komponen Utama Turbin Gas a. Saluran Masuk Udara (Air Inlet Section) Berfungsi untuk menyaring kotoran dan debu yang terbawa dalam udara sebelum masuk ke kompresor. b. Compressor Section Komponen utama pada bagian ini adalah aksial flow compressor, berfungsi untuk mengkompresikan udara yang berasal dari inlet air section hingga bertekanan tinggi sehingga pada saat terjadi pembakaran dapat menghasilkan gas panas berkecepatan tinggi yang dapat menimbulkan daya output turbin yang besar. c. Ruang Bakar (Combustion Section) Pada bagian ini terjadi proses pembakaran antara bahan bakar dengan fluida kerja yang berupa udara bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi. Hasil pembakaran ini berupa energi panas yang diubah menjadi energi kinetik dengan mengarahkan udara panas tersebut ke transition pieces yang juga berfungsi sebagai nozzle. Fungsi dari keseluruhan sistem adalah untuk mensuplai energi panas ke siklus turbin. d. Turbin Section Turbin section merupakan tempat terjadinya konversi energi kinetik menjadi energi mekanik yang digunakan sebagai penggerak kompresor aksial dan perlengkapan lainnya. Dari daya total yang dihasilkan kira-kira 60 % digunakan untuk memutar kompresornya sendiri, dan sisanya digunakan untuk kerja yang dibutuhkan. e. Exhaust Section Exhaust section adalah bagian akhir turbin gas yang berfungsi sebagai saluran pembuangan gas panas sisa yang keluar dari turbin gas.



33 3.5. Motor Pembakaran Luar



3.5.1. Sistem Pembangkit Daya Uap Sistem Pembangkit Daya Uap mengandalkan energi kinetik dari uap untuk menghasilkan energi listrik. Bentuk utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah generator yang dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh tenaga kinetik dari uap kering. Proses konversi energi pada sistem pembangkit daya uap berlangsung melalui 3 tahapan, yaitu: a. Pertama, energi kimia dalam bahan bakar diubah menjadi energi panas dalam bentuk uap bertekanan dan temperatur tinggi. b. Kedua, energi panas (uap) diubah menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran. c. Ketiga, energi mekanik diubah menjadi energi listrik. Sistem pembangkit daya uap menggunakan fluida kerja air uap yang bersirkulasi secara tertutup. Siklus tertutup artinya menggunakan fluida yang sama secara berulang-ulang. Urutan sirkulasinya secara singkat adalah sebagai berikut: a. Air diisikan ke boiler hingga mengisi penuh seluruh luas permukaan pemindah panas. Didalam boiler air ini dipanaskan dengan gas panas hasil pembakaran bahan bakar dengan udara sehingga berubah menjadi uap. b. Uap hasil produksi boiler dengan tekanan dan temperatur tertentu diarahkan untuk memutar turbin sehingga menghasilkan daya mekanik berupa putaran. c. Generator yang dikopel langsung dengan turbin berputar menghasilkan energi listrik sebagai hasil dari perputaran medan magnet dalam kumparan, sehingga ketika turbin berputar dihasilkan energi listrik dari terminal output generator. d. Uap bekas keluar turbin masuk ke kondensor untuk didinginkan dengan air pendingin agar berubah kembali menjadi air yang disebut air kondensat. Air kondensat hasil kondensasi uap kemudian digunakan lagi sebagai air pengisi boiler. Demikian siklus ini berlangsung terus menerus dan berulang-ulang.



34



Gambar 20. Skema kerja Sistem Pembangkit Tenaga Uap 3.5.2. Siklus Rankine Siklus kerja yang digunakan pada PLTU adalah siklus rankine, ciri utama siklus rankine adalah fluida kerja yang digunakan yaitu air. Siklus rankine merupakan siklus ideal untuk pembangkit daya uap. Pada siklus rankine ideal sederhana terdiri dari 4 proses yang dapat dilihat pada gambar diagram T–s berikut:



Gambar 21. Skema kerja siklus Rankine Adapun urutan siklus dari Gambar 4.2 adalah: 1– 2 Fluida kerja/air dipompa dari tekanan rendah ke tekanan tinggi dan pada proses ini fluida kerja masih berfase cair sehingga tidak memerlukan input tenaga yang terlalu besar. Proses ini dinamakan proses kompresi isentropik karena pada saat di pompa, secara ideal tidak ada perubahan entropi yang terjadi.



1– 3 Air bertekanan tinggi tersebut masuk ke boiler untuk mengalami proses selanjutnya, yaitu dipanaskan secara isobarik (tekanan konstan). Sumber panas didapat dari proses pembakaran. Di boiler air mengalami perubahan fase cair dan uap serta 100% uap kering.



35 1– 4 Proses ini terjadi pada turbin uap. Uap kering dari boiler masuk ke turbin dan mengalami proses secara isentropik. Energi yang tersimpan di dalam uap air di konversi menjadi energi gerak pada turbin. 1– 1 Uap air yang keluar dari turbin uap masuk ke kondensor dan mengalami kondensasi secara isobarik. Uap air diubah fasenya menjadi cair kembali sehingga dapat digunakan kembali pada proses siklus. 3.5.3. Jenis Boiler Bagian ini menerangkan tentang berbagi jenis boiler: Fire tube boiler, Water tube boiler, Paket boiler, Fluidized bed combustion boiler, Atmospheric fluidized bed combustion boiler, Pressurized fluidized bed combustion boiler, Circulating fluidized bed combustion boiler, Stoker fired boiler, Pulverized fuel boiler, Boiler pemanas limbah (Waste heat boiler) dan and Pemanas fluida termis. 3.5.3.1. Fire Tube Boiler Pada fire tube boiler, gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan boiler ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Fire tube boilers biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relative kecil dengan tekanan steam rendah sampai sedang. Sebagai pedoman, fire tube boilers kompetitif untuk kecepatan steam sampai 12.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2. Fire tube boilers dapat menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas atau bahan bakar padat dalam operasinya. Untuk alasan ekonomis, sebagian besar fire tube boilers dikonstruksi sebagai “paket” boiler (dirakit oleh pabrik) untuk semua bahan bakar.



Gambar 22. Fire tube Boiler 3.5.3.2. Water Tube Boiler Pada water tube boiler, air umpan boiler mengalir melalui pipa-pipa masuk kedalam drum. Air yang tersirkulasi dipanaskan oleh gas pembakar membentuk steam pada daerah uap dalam drum. Boiler ini dipilih jika kebutuhan steam dan tekanan steam sangat tinggi seperti pada kasus boiler untuk pembangkit tenaga. Water tube boiler yang sangat modern dirancang dengan kapasitas steam antara 4.500 – 12.000 kg/jam, dengan tekanan sangat tinggi. Banyak water tube boilers yang dikonstruksi secara paket jika digunakan bahan bakar minyak bakar dan gas. Untuk water tube yang menggunakan bahan bakar padat, tidak umum dirancang secara paket.



36



Gambar 23. Diagram sederhana water tube boiler 3.5.3.3. Paket Boiler Disebut boiler paket sebab sudah tersedia sebagai paket yang lengkap. Pada saat dikirim ke pabrik, hanya memerlukan pipa steam, pipa air, suplai bahan bakar dan sambungan listrik untuk dapat beroperasi. Paket boiler biasanya merupakan tipe shell and tube dengan rancangan fire tube dengan transfer panas baik radiasi maupun konveksi yang tinggi.



Gambar 24. Jenis paket boiler 3.5.3.4. Boiler Pembakaran dengan Fluidized Bed (FBC) Pembakaran dengan fluidized bed (FBC) muncul sebagai alternatif yang memungkinkan dan memiliki kelebihan yang cukup berarti dibanding sistim pembakaran yang konvensional dan memberikan banyak keuntungan – rancangan boiler yang kompak, fleksibel terhadap bahan bakar, efisiensi pembakaran yang tinggi dan berkurangnya emisi polutan yang merugikan seperti SOx dan NOx. Bahan bakar yang dapat dibakar dalam boiler ini adalah batubara, barang



37 tolakan dari tempat pencucian pakaian, sekam padi, bagas & limbah pertanian lainnya. Boiler fluidized bed memiliki kisaran kapasitas ya ng luas yaitu antara 0.5 T/jam sampai lebih dari 100 T/jam. 3.5.3.5. Atmospheric Fluidized Bed Combustion (AFBC) Boiler Kebanyakan boiler yang beroperasi untuk jenis ini adalah Atmospheric Fluidized Bed Combustion (AFBC) Boiler. Alat ini hanya berupa shell boiler konvensional biasa yang ditambah dengan sebuah fluidized bed combustor. Sistim seperti telah dipasang digabungkan dengan water tube boiler/ boiler pipa air konvensional. Batubara dihancurkan menjadi ukuran 1 – 10 mm tergantung pada tingkatan batubara dan jenis pengumpan udara ke ruang pembakaran. Udara atmosfir, yang bertindak sebagai udara fluidisasi dan pembakaran, dimasukkan dengan tekanan, setelah diberi pemanasan awal oleh gas buang bahan bakar. Pipa dalam bed yang membawa air pada umumnya bertindak sebagai evaporator. Produk gas hasil pembakaran melewati bagian super heater dari boiler lalu mengalir ke economizer, ke pengumpul debu dan pemanas awal udara sebelum dibuang ke atmosfir. 3.5.3.6. Pressurized Fluidized Bed Combustion (PFBC) Boiler Pada tipe Pressurized Fluidized bed Combustion (PFBC), sebuah kompresor memasok udara Forced Draft (FD), dan pembakarnya merupakan tangki bertekanan. Laju panas yang dilepas dalam bed sebanding dengan tekanan bed sehingga bed yang dalam digunakan untuk mengekstraksi sejumlah besar panas. Hal ini akan meningkatkan efisiensi pembakaran dan peyerapan sulfur dioksida dalam bed. Steam dihasilkan didalam dua ikatan pipa, satu di bed dan satunya lagi berada diatasnya. Gas panas dari cerobong menggerakan turbin gas pembangkit tenaga. Sistim PFBC dapat digunakan untuk pembangkitan kogenerasi (steam dan listrik) atau pembangkit tenaga dengan siklus gabungan/ combined cycle. Operasi combined cycle (turbin gas & turbin uap) meningkatkan efisiensi konversi keseluruhan sebesar 5 hingga 8 persen. 3.5.3.7. Atmospheric Circulating Fluidized Bed Combustion Boilers (CFBC) Dalam sistim sirkulasi, parameter bed dijaga untuk membentuk padatan melayang dari bed. Padatan diangkat pada fase yang relatif terlarut dalam pengangkat padatan, dan sebuah down-comer dengan sebuah siklon merupakan aliran sirkulasi padatan. Tidak terdapat pipa pembangkit steam yang terletak dalam bed. Pembangkitan dan pemanasan berlebih steam berlangsung di bagian konveksi, dinding air, pada keluaran pengangkat/ rise daripada boiler AFBC, untuk penerapannya di industri memerlukan lebih dari 75 – 100 T/jam steam. Untuk unit yang besar, semakin tinggi karakteristik tungku boiler CFBC akan memberikan penggunaan ruang yang semakin baik, partikel bahan bakar lebih besar, waktu tinggal bahan penyerap untuk pembakaran yang efisien dan penangkapan SO2 yang semakin besar pula, dan semakin mudah penerapan teknik pembakaran untuk pengendalian NOx daripada pembangkit steam AFBC.



38 3.5.3.8. Pulverized Fuel Boiler Kebanyakan boiler stasiun pembangkit tenaga yang berbahan bakar batubara menggunakan batubara halus, dan banyak boiler pipa air di industri yang lebih besar juga menggunakan batubara yang halus. Teknologi ini berkembang dengan baik dan diseluruh dunia terdapat ribuan unit dan lebih dari 90 persen kapasitas pembakaran batubara merupakan jenis ini. Untuk batubara jenis bituminous, batubara digiling sampai menjadi bubuk halus, yang berukuran +300 micrometer (μm) kurang dari 2 persen dan yang berukuran dibawah 75 microns sebesar 70-75 persen. Harus diperhatikan bahwa bubuk yang terlalu halus akan memboroskan energi penggilingan. Sebaliknya, bubuk yang terlalu kasar tidak akan terbakar sempurna pada ruang pembakaran dan menyebabkan kerugian yang lebih besar karena bahan yang tidak terbakar. Batubara bubuk dihembuskan dengan sebagian udara pembakaran masuk menuju plant boiler melalui serangkaian nosel burner. Udara sekunder dan tersier dapat juga ditambahkan. Pembakaran berlangsung pada suhu dari 1300 1700 °C, tergantung pada kualitas batubara. Waktu tinggal partikel dalam boiler biasanya 2 hingga 5 detik, dan partikel harus cukup kecil untuk pembakaran yang sempurna. Sistim ini memiliki banyak keuntungan seperti kemampuan membakar berbagai kualitas batubara, respon yang cepat terhadap perubahan beban muatan, penggunaan suhu udara pemanas awal yang tinggi dll. Salah satu sistim yang paling populer untuk pembakaran batubara halus adalah pembakaran tangensial dengan menggunakan empat buah burner dari keempat sudut untuk menciptakan bola api pada pusat tungku.



3.6. Mesin Fluida



3.6.1. Turbin Air Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat, karena pada air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik (pada air mengalir). Tenaga air (Hydropower) adalah energi yang diperoleh dari air yang mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran air di sungai. Sejak awal abad 18 kincir air banyak dimanfaatkan sebagai penggerak penggilingan gandum, penggergajian kayu dan mesin tekstil. Memasuki abad 19 turbin air mulai dikembangkan. Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka head adalah beda ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka air keluar dari kincir air/turbin air. Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan energi potensial air yaitu : E = mgh Dengan, m adalah massa air h adalah head (m) g adalah percepatan gravitasi Daya merupakan energi tiap satun waktu dinyatakan sebagai :



,



sehingga peramaan dapat



39



Dengan mensubsitusikan P terhadap maka :



dan mensubsitusikan ρQ terhadap m / t



P = ρQgh Dimana : P adalah daya (watt) Q adalah kapasitas aliran ρ adalah densitas air Selain memanfaatkan air jatuh hydropower dapat diperoleh dari aliran air datar. Dalam hal ini energi yang tersedia merupakan energi kinetik E = ½ mv2 Dengan v adalah kecepatan aliran air ( m/s) Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut : P = ½ρQv2 atau dengan menggunakan persamaan kontinuitas Q = Av , maka P = ½ρQv3 Dengan A adalah luas penampang aliran air (m2)



3.6.2. Macam-Macam Turbin Air Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk pembangkit tenaga listrik.. Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Energi mekanis diubah dengan generator listrik menjadi tenaga listrik. Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi. Tabel 5.1 Pengelompokan Turbin high head impulse turbines



reaction turbines



Pelton Turgo



medium head cross-flow multi-jet Pelton Turgo



Francis



low head cross-flow



propeller Kaplan



3.6.3.Turbin Impuls Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pda nozle. Air keluar nozle yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan.



40



3.6.3.1. Turbin Pelton Turbin pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nosel. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi.



Gambar 25.Turbin Pelton



Gambar 26. Nozle



Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu dibentuk sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai tengah-tengah sudu dan pancaran air tersebut akan berbelok ke kedua arah sehinga bisa membalikkan pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gayagaya samping. Untuk turbin dengan daya yang besar, sistem penyemprotan airnya dibagi lewat beberapa nosel. Dengan demikian diameter pancaran air bisa diperkecil dan ember sudu lebih kecil.



Gambar 27. Turbin Pelton dengan banyak nozle Turbin Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih kurang 150 meter tetapi untuk skala mikro head 20 meter sudah mencukupi. 3.6.3.2. Turbin Turgo Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbin



41 pelton turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nozle membentur sudu pada sudut 20 o. Kecepatan putar turbin turgo lebih besar dari turbin Pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan.



Gambar 28. Sudu turbin Turgo dan nozle



3.6.3.3. Turbin Crossflow Salah satu jenis turbin impuls ini juga dikenal dengan nama Turbin MichellBanki yang merupakan penemunya. Selain itu juga disebut Turbin Osberger yang merupakan perusahaan yang memproduksi turbin crossflow. Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 litres/sec hingga 10 m3/sec dan head antara 1 s/d 200 m.



Gambar 29. Turbin Crossflow Turbin crossflow menggunakan nozle persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Air mengalir keluar membentur sudu dan memberikan energinya (lebih rendah dibanding saat masuk) kemudian meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel.



42



Gambar 30. Turbin Crossflow 3.6.3.4. Turbin Reaksi Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat berputar. Turbin yang bekerjaberdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin reaksi. Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin. 3.6.3.5. Turbin Francis Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian keluar. Turbin Francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan air masuk secara tangensial. Sudu pengarah pad turbin Francis dapat merupakan suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Untuk penggunaan pada berbagai kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan yang tepat. Keterangan gambar ; 1. Generator Rotor 2. Generator Stator 3. Turbine Shaft 4. Runner 5. Turbine Head Cover 6. Stay Ring Discharge Ring 7. Supporting Cone 8. Guide Vane 9. Operating Ring 10. Guide Vane Servomotor 11. Lower Guide Bearing 12. Thrust Bearing 13. Upper Guide Bearing 14. Spiral Case 15. Draft Tube Cone Gambar 31. Turbin Francis .



43



Gambar 32. Sketsa Turbin Francis 3.6.3.6. Turbin Kaplan & Propeller Turbin Kaplan dan propeller merupakan turbin rekasi aliran aksial. Turbin ini tersusun dari propeller seperti pada perahu.. Propeller tersebut biasanya mempunyai tiga hingga enam sudu.



Gambar 33.Turbin Kaplan



44 BAB IV MESIN KONVERSI ENERGI NON-KONVENSIONAL 6.1.Pembangkit Daya Uap Tenaga Nuklir Reaksi nuklir merupakan reaksi pembelahan inti atom. Umumnya reaksi nuklir terdiri atas dua jenis, yaitu reaksi fisi dan fusi. Reaksi fisi merupakan pecahnya inti atom menjadi inti-inti yang lebih kecil. Reaksi nuklir jenis fisi dapat terjadi di dalam teras reaktor nuklir yang dapat dikendalikan, reaksi ini juga dapat terjadi pada ledakan bom nuklir yang tidak terkendali. Sementara reaksi fusi merupakan reaksi penggabungan inti-inti atom yang kecil menjadi inti atom yang lebih besar. 6.1.1 Komponen Reaktor Nuklir a. Bahan Bakar Nuklir b. Moderator c. Reflektor Reflektor dipasang di sekeliling teras reaktor dengan maksud agar neutron yang dihamburkan keluar dapat dipantulkan kembali ke teras reaktor. Oleh karena itu, kebocoran neutron dapat dikurangi d. Batang Kendali Untuk menjalankan reaktor nuklir yang baik, diperlukan reaksi pembelahan berantai yang dapat dikendalikan secara teliti. Syarat utama bagi pengendalian reaktor adalah bahwa keadaan kritis dan nyaris superkritis dapat tercapai dengan lancar dan teratur. Kemudian, kenaikan daya harus dapat tercapai dengan kecepatan yang teratur pula, sedangkan pada setiap tingkat daya hendaknya dapat tercapai suatu keadaan yang stabil. Syarat lain adalah bahwa setiap keadaan transien (perubahan cepat yang tidak terkendali dalam reaktor) dapat dikoreksi dengan penggunaan mekanik pengendalian. Akhirnya, dikehendaki pula bahwa reaktor pada setiap waktu dapat dihentikan (shutdown) atau dapat dijalankan (startup) Pengendalian reaktor biasanya dapat dilakukan dengan mengatur banyaknya penyerapan neutron. Dalam tipe-tipe reaktor tertentu, pengendalian itu dilakukan dengan mengatur pembangkitan neutron, misalnya dalam tipe bahan bakar cairan dengan mengubah konsentrasi bahan bakar. Prinsip kerja dari batang kendali adalah dengan memasukkan dan mengeluarkan batang kendali dari teras reaktor. Jika batang kendali dimasukkan ke dalam teras reaktor, neutron akan diserap sehingga populasi neutron berkurang. Dengan demikian, daya reaktor menjadi semakin rendah. Sebaliknya jika batang kendali dikeluarkan dari reaktor, populasi neutron semakin banyak dan daya reaktor menjadi semakin tinggi. Penggunaan batang kendali ini berkaitan langsung dengan perubahan daya reaktor. e. Pendingin Suatu zat pendingin diperlukan untuk menghindari terjadinya suhu yang berlebihan dalam bejana reaktor. Sifat-sifat yang harus dimiliki oleh zat pendingin adalah sebagai berikut:  Mempunyai penyerapan neutron yang rendah  Mempunyai perpindahan panas yang baik  Dapat menggunakan daya pompa yang rendah  Mempunyai titik beku yang rendah  Mempunyai titik didih yang tinggi  Stabil dalam lingkungan radiasi dan suhu tinggi



45  Tidak korosi  Aman dalam penanganan Berbagai bahan yang dapat dipergunakan sebagai pendingin adalah  Bentuk gas: udara, helium, CO2, uap  Bentuk cair: Air ringan (H2O), air berat (D2O)  Logam cair: Na, NaK Air ringan merupakan bahan pendingin yang paling banyak dalam reaktor nuklir, f. Selongsong Bahan Bakar Bahan bakar nuklir dibungkus dengan kelongsong logam. Apabila unsur radioaktif hasil fisi lepas dari bahan bakar maka kelongsong akan menahan unsur terssebut. Fungsi utama dari kelongsong ini adalah untuk mengungkung unsurunsur hasil fisi sehingga unsur- unsur tersebut tidak akan terlarut dalam air pendingin dan tidak keluar dari teras reaktor. g. Tangki Reaktor Tangki reaktor merupakan tempat dari semua komponen reaktor nuklir. Tangki reaktor ini berbentuk tangki biasa dengan ukuran sangat besar dan terbuat dari baja tahan karat. Pada bagian bawah tangki terpasang inti reaktor. h. Penahan Radiasi Tangki reaktor disangga oleh bangunan pengungkung yang berupa gedung reaktor. Gedung reaktor terbuat dari pelat baja dan beton berat dengan ketebalan sekitar dua meter. Gedung reaktor ini juga dilengkapi dengan sistem ventilasi. Fungsi utama dari gedung reaktor ini adalah untuk menahan radiasi yang berasal dari teras reaktor. 6.1.2 Jenis-jenis Reaktor Daya Reaktor Daya yang saat ini beroperasi adalah sebagai berikut. 6.1.2.1. Boiling Water Reactor (BWR), Reaktor Air Didih Reaktor ini terdiri atas sebuah bejana yang terbuat dari baja. Dalam bejana dipasang pipa-pipa, berisi bahan bakar yang berupa U-235 diperkaya dengan tingkat 3-4 %. Bejana ini diisi dengan air sehingga seluruh bahan bakar terendam air, tetapi pada bagian atas bejana dibiarkan adanya tempat kosong sekitar 12-15 % untuk diisi uap air. Setelah bahan bakar dinyalakan atau setelah terjadi reaksi fisi berantai maka air menjadi panas, mendidih, kemudian terbentuk uap. Dalam reaktor ini, air dipakai sebagai moderator dan sebagai fluida kerja.Uap yang dihasilkan kemudian dialirkan menuju turbin untuk memutar turbin sehingga dihasilkan tenaga gerak. Tenaga gerak dari turbin selanjutnya dipakai untuk memutar generator sehingga menghasilkan energi listrik. Setelah melalui turbin, uap tersebut akan mengalami proses pendinginan sehingga berubah menjadi air. Air tersebut dialirkan kembali ke dalam bejana pada sisi bawah untuk diuapkan kembali.



46



Gambar 34. Boiling Water Reactor a. Pressurized Water Reactor (PWR), Reaktor Air Bertekanan Reaktor ini terdiri atas sebuah bejana baja yang penuh berisi air. Dalam bejana tersebut terletak bahan bakar yang disusun dalam pipa-pipa yang dipasang secara berkelompok. Bahan bakar terdiri atas U-235 yang diperkaya. Suatu PWR mempunyai perangkat bahan bakar dengan masing-masing terdiri ats 200-300 batang bahan bakar, diatur secara vertikal. Setelah bahan bakar dinyalakan, terjadi panas sebagai hasil reaksi fisi. Panas yang dihasilkan oleh reaksi fisi dipakai untuk memanaskan air pendingin primer. Dalam sistem pendingin primer ini dilengkapi juga dengan alat pengontrol tekanan yang dipakai untuk mempertahankan tekanan pada sistem pendingin primer pada tekanan 150 atm. Hal ini digunakan untuk mempertahankan agar air pendingin primer ini tidak mendidih pada temperatur 300 oC. Air pendingin primer ini selanjutnya dialirkan ke sistem pembangkit uap sehingga terjadi pertukaran panas antara primer dan sistem sekunder. Antara pendingin primer dan pendingin sekunder dipisahkan oleh sistem pipa sehingga tidak terjadi pencampuran antara pendingin primer dengan pendingin sekunder. Pertukaran panas ini menyebabkan air pendingin sekunder mendidih dan menguap pada temperatur 100 oC karena tekanan pada sistem pendingin sekunder dibuat sama dengan tekanan udara normal. Uap air yang terbentuk dalam sistem pembangkit uap selanjutnya dipakai untuk menggerakkan turbin dan turbin inilah yang menggerakkan generator sehingga menghasilkan tenaga listrik. Listrik yang dihasilkan dari PLTN ini adalah listrik tegangan tinggi. Melalui jaringan tegangan tinggi dan transformator, tegangan tinggi dari listrik tersebut dapat diturunkan lalu listrik tersebut disalurkan ke konsumen.



47



Gambar 35. Pressurized Water Reactor b. Heavy Water Reactor (HWR), Reaktor Air Berat Ada dua jenis reaktor HWR, yaitu reaktor air berat tekan (Pressurized heavy water reactor, PHWR) dan reaktor air berat didih (Boiling Heavy Water Reactor, BHWR). Reaktor yang paling banyak digunakan adalah PHWR. Jenis PHWR yang dikenal diantaranya reaktor CANDU (Canadian Deuterium Uranium Reactor) Prinsip kerja reaktor ini hampir sama dengan PWR, namun dalam reaktor ini dipakai air berat (heavy water) bukan air biasa. Sedangkan dari segi konstruksi pada PHWR yang mendapat tekanan adalah pipa-pipa, bukan bejana.



Gambar 36. Reaktor CANDU



48 c. Advance Gas Cooled Reactor (AGR), Reaktor Berpendingin Gas Reaktor ini menggunakan grafit sebagai moderator dan gas karbon sebagai pendingin. Bahan bakarnya adalah pelet oksida uranium, yang diperkaya sampai 2,5 – 3,5 %. Gas karbon disirkulasikan melalui teras,temperaturnya mencapai 650 oC, dan kemudian melalui tabung generator uap air di luar teras, tetapi masih berada di dalam bejana beton dan bejana bertekanan. Batang kendali menembus moderator dan suatu sistem shutdown sekunder dilakukan dengan menyuntikkan nitrogen ke dalam pendingin.



Gambar 37. Advanced Gas Cooled Reactor



6.2.Sistem Pembangkit Tenaga Panas Bumi Energi panas bumi adalah energi panas yang berasal dari dalam Bumi. Pusat Bumi cukup panas untuk melelehkan bebatuan. Tergantung pada lokasinya, maka suhu Bumi meningkat satu derajat Celsius setiap penurunan 30 hingga 50 m di bawah permukaan tanah. Suhu Bumi 3000 meter di bawah permukaan cukup panas untuk merebus air. Kadang- kadang, air bawah tanah merayap mendekati bebatuan panas dan menjadi sangat panas atau berubah menjadi uap. Perut bumi mengandung energi panas yang cukup besar untuk bisa menghasilkan tenaga uap untuk menggerakkan turbin. Dengan memanfaatkan panas dari perut bumi, uap panas dalam perut bumi disalurkan melalui pipa-pipa kemudian di arahkan menuju turbin yang dikopel dengan generator sehingga menghasilkan energi listrik. Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) pada prinsipnya sama seperti Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU), hanya pada PLTU uap dibuat di permukaan menggunakan boiler, sedangkan pada PLTP uap berasal dari reservoir panasbumi. Apabila fluida di kepala sumur berupa fasa uap, maka uap tersebut dapat dialirkan langsung ke turbin, dan kemudian turbin akan mengubah energi panas bumi menjadi energi gerak yang akan memutar generator sehingga dihasilkan energi listrik.



49



Gambar 38. Perbedaan skema kerja PLTU dengan PLTP Apabila fluida panas bumi keluar dari kepala sumur sebagai campuran fluida dua fasa (fasa uap dan fasa cair) maka terlebih dahulu dilakukan proses pemisahan pada fluida. Hal ini dimungkinkan dengan melewatkan fluida ke dalam separator, sehingga fasa uap akan terpisahkan dari fasa cairnya. Fraksi uap yang dihasilkan dari separator inilah yang kemudian dialirkan ke turbin.



Gambar 39.Skema kerja siklus binary Apabila sumberdaya panas bumi mempunyai temperatur sedang, fluida panas bumi masih dapat dimanfaatkan untuk pembangkit listrik dengan menggunakan pembangkit listrik siklus binari (binary plant). Dalam siklus pembangkit ini, fluida sekunder ((isobutane, isopentane or ammonia) dipanasi oleh fluida panasbumi melalui mesin penukar kalor atau heat exchanger. Fluida sekunder menguap pada temperatur lebih rendah dari temperatur titik didih air pada tekanan yang sama. Fluida sekunder mengalir ke turbin dan setelah dimanfaatkan dikondensasikan sebelum dipanaskan kembali oleh fluida panas bumi. Siklus tertutup dimana fluida panas bumi tidak diambil masanya, tetapi hanya panasnya saja yang diekstraksi oleh fluida kedua, sementara fluida panas bumi diinjeksikan kembali kedalam reservoir.



50



Gambar 40. Siklus tertutup 6.3.Energi Surya Pemanfaatan energi surya saat ini makin sering diterapkan oleh berbagai industri maupun perumahan. Selain sumber energi yang melimpah dan gratis, pemanfaatan energi surya dengan menggunakan sel fotovoltaik semakin terjangkau sehingga bisa dipasang di rumah maupun untuk kebutuhan penerangan jalan. Selain sebagai sumber tenaga listrik, energi surya juga dapat dimanfaatkan sebagai tenaga uap, dan sistem pemanas air/udara. 6.3.1. Pemanfaatan Energi Surya Energi surya saat ini banyak dimanfaatkan dengan berbagai teknologi, diantaranya: a. Dengan sistem sel surya (fotovoltaik) Cara kerja sel surya adalah dengan menangkap sinar matahari yang mengenai semikonduktor pada panel sel surya, kemudian tegangan dibangkitkan dengan memisahkan muatan positif dan negatif bebas ke daerah lain dari sel surya. Muatan yang terpisah tersebut dipindahkan ke terminal listrik dalam bentuk aliran tenaga listrik.



Gambar 41. Rangkaian panel sel surya b. Dengan sistem konversi fotoelektrokemis Sistem konversi fotoelektrokemis energi surya diubah melalui elekrolisis air di mana melalui alat konverter tersebut menghasilkan tenaga listrik dan tenaga kemis yang berupa gas hidrogen sebagai bahan bakar. c. Dengan sistem penerima termal surya terdistribusi Cara kerja sistem ini adalah memanfaatkan sinar matahari dengan memanaskan fluida kerja baik berupa air, natrium, maupun gas helium untuk penggerak turbin yang menggerakkan generator sehingga menghasilkan energi listrik. Sinar



51 matahari diterima oleh sistem penerima kalor yang merubah fluida kerja menjadi uap untuk selanjutnya menggerakkan turbin. d. Dengan sistem penerima termal surya secara sentral Sistem ini mengumpulkan energi matahari dengan menggunakan cermin atau kolektor ke suatu menara yang telah dipasangi sistem uap sehingga uap yang dihasilkan mampu untuk menggerakkan turbin. 6.4.Energi Angin 6.4.1. Jenis Turbin Angin Berdasarkan arah sumbu geraknya, turbin angin terbagi menjadi 2, yaitu: turbin angin sumbu horizontal dan vertikal. Sedangkan berdasarkan prinsip gaya aerodinamik yang terjadi, turbin angin terbagi menjadi 2, yaitu jenis: lift dan drag. Turbin angin horisumbu horizontal memiliki sumbu putar yang sejajar dengan tanah, sedangkan turbin angin sumbu vertikal memiliki sumbu putar yang arahnya tegak lurus dengan tanah. Setiap jenis turbin angin memiliki perancangan, kekurangan dan kelebihan masing-masing. a. Turbin Angin Sumbu Horizontal Turbin angin sumbu horizontal mempunyai sumbu putar yang terletak sejajar dengan permukaan tanah dan sumbu rotor yang searah dengan arah angin. Komponen utama turbin angin sumbu horizontal meliputi: sudu (blade), ekor (tail), tiang penyangga (tower), dan alternator. Sudu pada turbin angin sumbu horizontal dibuat dengan material yang ringan supaya momen inersianya kecil sehingga mengakibatkan sudu bisa berputar pada kecepatan angin yang rendah. Berdasarkan letak rotor terhadap arah angin, turbin angin aksial akan dibedakan menjadi dua macam yaitu: Upwind dan Downwind. Turbin angin jenis upwind memiliki rotor yang menghadap arah datangnya angin, sedangkan jenis turbin angin jenis downwind memiliki rotor yang membelakangi arah datangnya angin.



52



Gambar 42 Turbin Angin Sumbu Horizontal. b. Turbin Angin Sumbu Vertical Turbin angin sumbu vertikal adalah jenis turbin angin yang pertama dibuat manusia. Pada awalnya, putaran rotornya hanya memanfaatkan efek magnus yaitu karena adanya selisih gaya drag pada kedua sisi rotor atau sudu sehingga menghasilkan momen gaya terhadap sumbu putar rotor. Salah satu contoh turbin angin sumbu vertikal jenis drag adalah turbin angin Savonius, yang mana terdiri dari dua atau tiga lembar pelat yang dilengkungkan pada arah tangensial yang sama terhadap sumbu putar. Turbin angin sumbu vertikal modern menerapkan bentuk yang aerodinamis pada rotornya untuk menghasilkan momen gaya. Contohnya adalah turbin angin Darrieus. Pada turbin angin Darrieus, sudu dibentuk melengkung dan berputar menyapu ruangan seperti tali yang berputar pada sumbu vertikal. Hal ini menyebabkan bentuk geometrinya rumit dan sulit untuk dibuat. Rotor turbin angin Darrieus pada umumnya terdiri atas dua atau tiga sudu. Variasi dari turbinn angin Darrieus adalah yang disebut dengan turbin angin H (tipe H). Tersusun dari dua atau tiga sudu lurus yang dihubungkan dengan struktur rangka ke poros. Keuntungan dari konsep turbin angin vertikal adalah sederhana dalam perancangannya, diantaranya adalah memungkinkan menempatkan komponen mekanik dan komponen elektronik, transmisi roda gigi dan generator dekat dengan permukaan tanah. Rotor turbin angin sumbu vertikal berputar tanpa dipengaruhi arah angin sehingga tidak membutuhkan mekanisme pengatur arah (seperti ekor) seperti pada turbin angin aksial sumbu horizontal.



53 Secara umum, potensi energi samudra yang dapat menghasilkan listrik dapat dibagi kedalam 3 jenis potensi energi yaitu energi pasang surut (tidal power), energi gelombang laut (wave energy) dan energy panas laut (ocean thermal energy). Energi pasang surut adalah energi yang dihasilkan dari pergerakan air laut akibat perbedaan pasang surut. Energi gelombang laut adalah energi yang dihasilkan dari pergerakan gelombang laut menuju daratan dan sebaliknya. Sedangkan energi panas laut memanfaatkan perbedaan temperatur air laut di permukaan dan di kedalaman. Meskipun pemanfaatan energi jenis ini di Indonesia masih memerlukan berbagai penelitian mendalam, tetapi secara sederhana dapat dilihat bahwa probabilitas menemukan dan memanfaatkan potensi energi gelombang laut dan energi panas laut lebih besar dari energi pajang surut. 6.5.Mesin Konversi Energi Gelombang Laut Sistem pelampung ini dapat menghasilkan daya hanya dengan mengapungkannya di permukaan lautan yang bergelombang. Sistem ini diletakkan kurang lebih satu atau dua mil laut dari pantai, yang disebut sebagai permanent magnet linear generator buoy. Koil elektrik mengelilingi batang magnet di dalam pelampung dan koil tersebut ditempelkan pada pelampung, batang magnet dikaitkan ke dasar laut. Saat ombak mencapai pelampung, maka pelampung tersbut akan bergerak naik dan turun secara relatif terhadap batang magnet yang menimbukan beda potensial dan listrik dibangkitkan. 6.5.1. Mesin Konversi Energi Termal Lautan (Otec) Lautan menerima panas yang berasal dari penyinaran matahari. Selain itu, air lautan juga menerima panas yang berasal dari panas bumi Pada teknologi konversi energi panas laut atau KEPL (Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC), siklus Rankine digunakan untuk menarik arus-arus energi termal yang memiliki sekurangkurangnya selisih suhu sebesar 20oC. Pada saat ini terdapat dua siklus daya alternatif yang dikembangkan, yaitu siklus Claude terbuka dan siklus tertutup. Siklus terbuka dengan mendidihkan air laut yang beroperasi pada tekanan rendah, menghasilkan uap air panas yang melewati turbin penggerak/generator. Siklus tertutup menggunakan panas permukaan laut untuk menguapkan fluida pengerak dengan Amonia atau Freon. Uap panas menggerakan turbin, kemudian turbin berkerja menghidupkan generator untuk menghasilkan listrik. Prosesnya, air laut yang hangat dipompa melewati tempat pengubah dimana fluida pemanas tekanan rendah diuapkan hingga menjalankan turbo-generator. Air dingin dari dalam laut dipompa melewati pengubah kedua mengubah uap menjadi cair kemudian dialiri kembali dalam sistem. Dalam siklus Claude terbuka, air laut digunakan sebagai medium kerja maupun sebagai sumber energi. Air hangat yang berasal dari permukaan laut diuapkan dalam suatu alat penguap (flash evaporator) dan menghasilkan uap air dengan tekanan yang sangat rendah, lk 0,02 hingga 0,03 bar dan suhu kira-kira 20oC. Uap itu memutar sebuah turbin uap yang merupakan penggerak mula bagi generator yang menghasilkan energi listrik (Gambar 1). Karena tekanan uap itu rendah sekali maka ukuran-ukuran turbin menjadi sangat besar. Setelah melewati turbin, uap yang sudah dimanfaatkan dialirkan ke sebuah kondensor yang menghasilkan air tawar. Kondensor didinginkan oleh air laut yang berasal dari lapisan bawah permukaan laut. Dengan demikian, metode dengan siklus Claude ini menghasilkan energi listrik maupun air tawar. Masalah dengan metode ini adalah bahwa ukuran-ukuran turbin menjadi sangat besar oleh karena



54 tekanan uap yang begitu rendah. Sebagai contoh, sebuah modul sebesar 10 MW yang terdiri atas penguap, turbin dan kondensor, akan memerlukan ukuran garis tengah dan panjang 100 meter.



Gambar 43. Skema Prinsip Kerja OTEC



6.5.2. Energi Pasang Surut Dua kali sehari, air pasang naik dan turun menggerakkan volume air yang sangat banyak saat tingkat air laut naik dan turun di sepanjang garis pantai. Energi air pasang bisa dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik seperti halnya listrik tenaga air tetapi dalam skala yang lebih besar. Pada saat air pasang, air bisa ditahan di belakang bendungan. Ketika surut, maka tercipta perbedaan ketinggian air antara air pasang yang ditahan di bendungan dan air laut, dan air laut di belakang bendungan bisa mengalir melalui turbin yang berputar, untuk menghasilkan listrik. 6.6. Fuel Cell Contoh implementasi energi kimia menjadi listrik secara langsung, adalah baterai dan fuel cell (sel bahan bakar). Mengingat pada sistem ini perubahan energi tidak melewati fase energi panas, maka tidak dibatasi oleh siklus mesin kalor dapat-balik (reversible) eksternal, yaitu:



55 Baterai dan fuel cell prinsip operasinya sama, perbedaannya terdapat pada bahan bakarnya, dengan baterai mempunyai jumlah bahan bakar atau energi tetap sedangkan fuel cell mempunyai bahan bakar yang terus-menerus diisikan. Beberapa baterai dapat beroperasi dapat-balik dengan produk reaksi kimia dipisahkan kembali ke reaktan semula dengan mengisikan daya listrik dalam baterai pada waktu pengisian (charging). Baterai digunakan sebagai sistem penyimpan energi dan dapat dibagi menjadi dua kategori, yaitu baterai primer dan sekunder. Baterai primer (seperti sel konvensional ”C” dan ”D”) tidak dapat diisi kembali, sedangkan baterai sekunder (seperti baterai mobil dengan asam dan timah) dapat diisi kembali berkali-kali. Baterai dan fuel cell komposisinya sama, keduanya terdiri dari dua elektrode yang dipisahkan oleh larutan elektrolit atau matriks. Dalam fuel cell, reaktan bahan bakar, pada umumnya hidrogen (H2) atau karbon monoksida (CO) diberikan ke salah satu elektrode berpori dan oksigen (O2) atau udara dimasukkan ke dalam elektrode berpori yang lain. Elektrode suatu fuel cell harus memenuhi tiga hal, yaitu: a. Berpori, agar bahan bakar dan elektrolit dapat menembusnya untuk memperoleh kontak yang cukup. Ukuran pori elektrode sangat penting. Ukuran terlalu besar akan mengakibatkan gas bahan bakar ”menggelembung” dan hilang keluar, sedangkan ukuran terlalu kecil akan terjadi kontak yang tidak cukup antara reaktan dan elektrolit mengakibatkan kapasitas sel berkurang.



b. Mengandung katalisator kimia untuk memecah ikatan bahan bakar menjadi atom, agar menjadi lebih reaktif. Katalisator paling populer yang digunakan saat ini adalah platina dan nikel yang disinter. c. Dapat melewatkan elektron ke terminal. Diagram skematis fuel cell, seperti ditunjukkan pada Gambar 44. berikut



Gambar 44. Skema Fuel Cell



56 DAFTAR PUSTAKA



[1] [2] [3]



J. Oliver, Energy dan Perubahannya, vol. 53, no. 9. 2013. 2011 Bruce, “Energi Alternatif,” J. Chem. Inf. Model., vol. 53, no. 9, pp. 1689–1699, 2013. Basyirun, Winarno, and Karnowo, “Mesin Konversi Energi,” Mesin Konversi Energi, vol. 91, pp. 399–404, 2017.