Minggu, 30 Agustus 2015

BAB I KLASIFIKASI, SUMBER-SUMBER DAN PEMAKAIAN ENERGI

I.1. PENDAHULUAN
Sepanjang sejarah manusia, kemajuan-kemajuan besar dalam kebudayaan selalu diikuti oleh meningkatnya konsumsi energi. Sekarang, konsumsi energi kelihatannya berhubungan langsung dengan tingkat kehidupan penduduk serta derajat industrialisasi suatu negara. Negara-negara yang mempunyai persediaan suplai energi yang be­sar ternyata mengalami pula laju pertumbuhan industri serta kenaikan produk nasional bruto yang sebanding. Dalam banyak kasus, tersedianya energi dengan harga murah telah mengakibatkan pemakaian energi yang tidak efisien dan di beberapa tempat menyebabkan terjadinya kerusakan ekologi. Namun, adalah jelas bahwa untuk menaikkan tingkat kehidupan bagian terbesar penduduk dunia, konsumsi energi sekarang ini rnestilah betul-betui ditingkatkan. Gambar 1-1 menunjukkan hubungan antara konsumsi energi per kapita dengan tingkat kehidupan, yang diukur dengan besarnya produk nasional bruto per kapita dari berbagai negara di dunia.
Pada masa kini, beberapa negara yang kebetulan mempunyai suplai energi berharga murah menggunakan pula kekayaannya itu sebagai senjata politik dan ekonomi yang potensial guna mencapai tujuan-tujuan politik yang tak akan tercapai dengan cara-cara diplomatik biasa. Oleh karena "pemerasan energi" (energy blackmail) ini, penduduk negara-negara yang mempunyai ketergantungan pada energi menjadi semakin sadar akan perlunya konversi, konservasi dan pengembangan sumber-sumber energi baru.                
Upaya pencarian, pengembangan dan penggalian sumber-sumber baru ini adalah tanggung jawab para ilmuwan, insinyur-insinyur ketenagaan serta para teknisi. Untuk memenuhi hal ini, tentulah mereka harus mempunyai pengetahuan yang cukup ten-tang berbagai bentuk, sumber-sumber, teknik pengkonversian serta metoda-metoda konservasi energi tersebut, berikut batasan-batasan dan masalah-masalah yang ber-kaitan dengannya.
Pada pertengahan pertama abad keduapuluh, sumber-sumber energi digali dengan pertimbangan utama adalah faktor ekonomi biaya rendah. Sekarang, para insinyur ketenagaan harus memperhatikan tiga "E", yakni energi, ekonomi dan ekologi. Jadi, insinyur modern harus mengembangkan sistem-sistem yang dapat memproduksi energi dalam jumlah yang besar, dengan biaya yang rendah serta mempunyai dampak minimal terhadap lingkungan. Menyetimbangkan ketiga "E" ini secara tepat, adalah tantangan utama teknologi masa kini.









Gambar 1.1 Ketergantungan produk nasional bruto terhadap konsumsi energi, 1968.


1.2    HUBUNGAN  MASSA - ENERGI
Pemyataan hukum pertama termodinamika pada mulanya menyatakan bahwa, energi haruslah lestari dalam setiap proses. Postulat yang sehubungan dengan ini menyata­kan bahwa massa tak dapat diciptakan maupun dimusnahkan. Namun, pada tahun 1922, Albert Einstein membuat hipotesis bahwa energi sebenarnya dihubungkan de­ngan persamaan berikut :
                                                              E = mc2                                                                (1.1)
di mana :
E adalah energi yang dilepaskan, dalam joule
m adalah massa sebenarnya, dalam kilogram, yang dikonversi menjadi energi
c adalah kecepatan cahaya (3 X 108 m/det).
Persamaan ini sebenarnya menunjukkan proses yang reversibel, namun yang penting adalah bahwa jumlah massa dan energi mesti tetap kekal dalam setiap proses konversi energi.
Bila Persamaan (1.1) dipakai, akan kelihatan bahwa sejumlah kecil massa yang benar-benar ada menghasilkan sejumlah besar energi. Sebuah pembangkit tenaga de­ngan pembakaran batubara berkapasitas 600.000 kW(subskrip e menunjukkan bahwa yang dimaksud adalah energi listrik) yang bekerja secara kontinu, mengkonsumsi sekitar 220 ton batubara per jam atau sekitar 2.000.000 ton batubara per tahun. Se­buah pembangkit tenaga nuklir, yang bekerja secara kontinu dengan kapasitas 600.000 kWe , mengkonsumsi sekitar 1 ton bahan bakar
uranium per tahun. Massa bahan bakar aktual yang dikonversi menjadi  energi  pada  kedua  sistem ini   adalah   sekitar  640 g atau kurang dari 1 1/2 lb per tahun.
Jika energi diproduksi atau dilepaskan, seperti pada reaksikimia atau nuklir, mestilah ada pengurangan massa yang sebanding mengikuti proses tersebut, Pada buku ini tidak dibedakan antara energi aktual atau massa yang dikonversi menjadi energi. Bila rujukan dibuat bagi energi nuklir atau kimia, itu sebenarnya akan berarti merujuk ke massa total dari reaktan yang dapat dikonversi menjadi bentuk-bentuk yang lain me-lalui suatu jenis proses konversi.

1.3        KLASIFIKASI DAN JENIS-JENIS ENERGI
Ada dua jenis umum energi — energi transisional (transitional energy) dan energi tersimpan (stored energy). Energi transisional adalah energi yang sedang bergerak, dan dapat berpindah melintasi suatu batas sistem. Energi tersimpan, sebagaimana yang ditunjukkan oleh namanya, adalah energi yang mewujud sebagai massa, posisi dalam medan gaya, dan lain-lain. Bentuk tersimpan ini biasanya dapat dengan mudah di­konversi ke dalam bentuk energi transisional.
Karena belum adanya metodg atau sistem pengklassifikasian energi yang dapat diterima secara umum, buku ini akan membagi bentuk-bentuk energi ke dalam 6 kelompok atau klassifikasi utama. Keenam kelompok atau kategori tersebut adalah : energi mekanik, energi listrik, energi elektromagnetik, energi kimia, energi energi panas (termal).
Dalam termodinamika, energi mekanik didefinisikan sebagai suatu energi yang dapat digunakan untuk mengangkat suatu benda. Sistem satuan untuk energi mekanik yang umum digunakan di Amerika Serikat adalah foot pound (pon kaki) untuk energi dan horsepower (tenaga kuda) bagi satuan daya. Dalam buku ini yang akan dipakai umumnya adalah satuan-satuan Standar Internasional (SI). Dalam sistem ini satuan energi adalah joule (atau watt-detik) dan satuan daya adalah watt.
Bentuk transisional dari energi mekanik disebut kerja, Energi mekanik dapat disimpan dalam bentuk energi potensial maupun energi kinetik. Energi potensial ada­lah energi yang diperoleh oleh material tertentu sebagai akibat dari posisinya dalam suatu medan gaya. Termasuk di dalamnya energi medan gravitasi, energi yang berkaitan dengan suatu fluida yang terkompressi, energi yang berkaitan dengan posisi suatu bahan ferromagnetik dalam suatu medan magnit, dan energi yang berkaitan dengan regangan elastis seperti pada pegas dan batang puntiran (torsion bars). Energi kinetik adalah energi yang berkaitan dengan massa material tertentu akibat gesekan relatifnya terhadap benda lain. Roda gila (flywheel) adalah suatu contoh dari sebuah sistem yang menyimpan energi mekanik dalam bentuk energi kinetik. Energi mekanik adalah suatu bentuk energi yang sangat terpakai dan dapat dengan mudah dan efisien dikonversi menjadi bentuk energi yang lain.
Energi listrik adalah jenis energi yang berkaitan dengan arus dan akumulasi elektron. Energi jenis ini umumnya dinyatakan dalam satuan daya dan waktu, misalnya watt-jam atau kilowatt-jam. Bentuk transisional dari energi listrik adalah aliran elektron, biasanya melalui sebuah konduktor dari jenis tertentu. Energi listrik dapat di­simpan sebagai energi medan elektrostatik atau sebagai energi medan induksi.
Energi medan elektrostatik adalah energi yang berkaitan dengan medan listrik yang dihasilkan oleh terakumulasinya muatan (elektron) pada pelat-pelat kapasitor. Energi medan induksi, yang kadang-kadang disebut energi medan elektromagnetik, adalah energi yang berkaitan dengan medan magnit yang timbul akibat aliran elektron melalui kumparan induksi. Energi listrik, seperti energi mekanik, adalah bentuk energi yang sangat terpakai karena ia dapat dengan mudah dan efisien dikonversi menjadi bentuk energi yang lain.
Energi elektromagnetik adalah suatu bentuk energi yang berkaitan dengan radiasi elektromagnetik. Energi radiasi biasanya dinyatakan dalam satuan energi yang sangat kecil seperti elektronvolt (eV) atau juta-elektronvolt (MeV), Satuan energi ini juga biasa dipakai pada evaluasi energi nuklir.
Radiasi elektromagnetik adalah suatu bentuk energi murni, artinya tidak berkait­an dengan massa. Radiasi ini terjadi hanya sebagai energi transisional yang bergerak dengan kecepatan, cahaya, c. Kecepatan gelombang c adalah sama dengan hasil per-kalian frekuensi v, dalam siklus per detik atau hertz, dan panjang gelombang l, dalam meter, dari radiasi tersebut. Energi E dari gelombang-gelombang ini berbanding lang-sung dengan frekuensi radiasi v dan dinyatakan dengan hubungan sebagai berikut :
                                                                                         E = hv = hc / λ                   (1.2)
di mana E adalah energi dalam joule, h adalah konstanta Planck (6,626 x  10-34)
v adalah frekuensi, dan l adalah panjang gelombang.  Gelombang elektromagnetik ini lebih energetik bila panjang gelombangnya lebih pendek dan frekuensinya lebih tinggi.
Berdasarkan sumber radiasi atau panjang gelombang (energi), radiasi elektromag-netik dapat dibagi atas beberapa kelas yang berbeda. Radiasi gamma adalah jenis yang paling energetik dari energi elektromagnetik ini dan kebanyakan adalah hasil emanasi inti atom. Jenis berikutnya yang sangat energetik adalah sinar-x, yang dihasilkan akibat keluar-orbitnya elektron. Radiasi termal adalah radiasi elektromagnetik yang timbul akibat getaran atom. Kelompok energi elektromagnetik yang ini sangat besar, termasuk di antaranya adalah radiasi temperatur tinggi atau radiasi ultraviolet, dan kelompok kecil radiasi tampak, serta kelompok radiasi temperatur rendah atau infra merah. Radiasi gelombang milimeter dan gelombang mikro adalah bentuk paling energetik berikutnya dari radiasi dan dipakai untuk radar serta microwave cookers. Bentuk yang terakhir radiasi elektromagnetik adalah radiasi gelombang radio. Spek-trum elektromagnetik ditunjukkan pada Gambar 1.2.
Energi kimia adalah energi yang keluar sebagai hasil interaksi elektron di mana dua atau lebih atom dan/atau molekul-molekul berkombinasi menghasilkan senyawa kimia yang stabil. Energi kimia hanya dapat terjadi dalam bentuk energi-tersimpan. Jika energi dilepaskan dalam suatu reaksi kimia, reaksi tersebut dinamakan reaksi eksotermis. Energi yang dilepaskan ini umumnya dinyatakan dalam satuan kalori atau British thermal unit (Btu) per satuan massa bahan bakar yang bereaksi. Pada beberapa reaksi kimia, energi diserap, dan reaksi ini dinamakan reaksi endotermis. Sumber energi bahan bakar yang paling penting bagi manusia
adalah reaksi kimia ekso­termis tersebut yang disebut pula pembakaran. Reaksi pembakaran melibatkan oksi-dasi dari bahan bakar fossil.





Gambar 1.2 Spektrum energi elektromagnetik.

Energi nukhr adalah bentuk energi lain yang hanya ada sebagai energi tersimpan yang bisa lepas akibat interaksi partikel dengan atau di dalam inti atom. Energi ini dilepaskan sebagai hasil usaha partikel-partikel untuk mendapatkan konfigurasi yang lebih stabil. Energi yang dikeluarkan ini biasanya dinyatakan dalam satuan juta-elek-tron per reaksi. Reaksi nuklir secara umum dapat dibagi atas tiga jenis, yakni, peluluh-an radioaktif, fisi dan fusi. Proses peluluhan radioaktif adalah suatu proses di mana hanya satu inti yang tak stabil, yakni sebuah radioisotop, secara acak meluluh mem-bentuk konfigurasi yang lebih stabil, dengan keluarnya partikel-partikel dan energi. Reaksi fisi, yang merupakan proses utama pada reaktor nuklir, terjadi ketika sebuah inti bermassa berat menyerap sebuah netron dan inti senyawa terangsang (exited compound nucleus) yang dihasilkannya pecah menjadi dua atau lebih inti dengan keluarnya energi.
Reaksi annihilation umumnya disebut sebagai suatu reaksi nuklir, padahal se-benarnya adalah suatu reaksi terpisah yang tidak harus ada kaitannya dengan inti atom. Reaksi ini adalah suatu reaksi konversi energi puncak, di mana seluruh massa reaktan dikonversi menjadi energi. Pada reaksi annihilation, zat dan anti zat bergabung dan dikonversi menjadi energi elektromagnetik. Reaksi ini, adalah satu-satunya reaksi di mana partikel-partikel atom dihancurkan secara sempurna, namun satu-satunya reaksi jenis ini yang pernah diketahui terjadi secara alamiah, melibatkan partikel-par­tikel sub atom dan ini bukanlah reaksi yang penting.
Klasiflkasi utama yang terakhir adalah energi termal. Energi ini berkaitan dengan getaran atomik dan molekular. Energi termal adalah bentuk energi dasar dengan arti kata, semua bentuk energi lain dapat dikonversi secara penuh ke energi ini, tetapi pengkonversian energi termal menjadi bentuk energi lain dibatasi oleh hukum kedua termodinamika. Bentuk transisional dari energi termal adalah panas dan umumnya dinyatakan dalam satuan kalori atau British thermal unit. Energi termal dapat disimpan hampir pada semua media sebagai panas sensibel maupun panas laten. Penyimpanan panas sensibel diikuti dengan kenaikan temperatur, sementara penyimpanan panas laten diikuti dengan perubahan fase dan bersifat isotermis.

1.4 SUMBER-SUMBER ENERGI
Sumber-sumber energi dapat dikelompokkan ke dalam dua kategori umum — energi celestial atau energi perolehan (income energy), yakni energi yang mencapai bumi dari angkasa luar, dan energi modal (capital energy), yakni energi yang telah ada pada, atau di dalam bumi. Energi perolehan termasuk di antaranya adalah energi surya dan energi bulan, sedangkan sumber-sumber energi modal di antaranya adalah sumber energi atom dan panas bumi (geotermal).
Sumber-sumber energi celestial sebenarnya termasuk semua sumber yang mung-kin menyediakan energi untuk bumi dari angkasa luar. Di antaranya adalah elektro­magnetik, energi partikel dan gravitasional dari bintang-bintang, planet-planet dan bulan, begitu juga energi potensial meteor yang sedang memasuki atmosfir bumi. Sum­ber energi celestial yang berguna hanyalah energi elektromagnetik dari mataharinya bu­mi, yang disebut sebagai energi surya langsung, serta energi potensial dari bulannya bumi yang menghasilkan aliran pasang. Pemakaian energi celestial sangatlah atraktif karena sumbernya yang kontinu atau tak terhabiskan (non depletable) dan karenanya sifat-nya yang relatifbebas polusi — suatu pertimbangan yang sangat penting.
Energi surya langsung juga membangkitkan beberapa sumber-sumber energi tak langsung yang tak terhabiskan. Pemanasan surya bersama dengan rotasi bumi, meng-hasilkan beberapa arus konveksi besar dalam bentuk angin di atmosfir dan arus laut di samudera. Penyerapan energi surya juga membangkitkan gradien panas yang besar dalam lautan yang, tentu saja, potensial untuk memproduksi tenaga. Sebagai tam-bahan, penguapan permukaan air menimbulkan awan, yang, bila terkondensasi men-jadi hujan pada ketinggian yang cukup, akan menjadi sumber hidroelektrik atau te­naga air. Angin juga menimbulkan gelombang-gelombang lautan yang besar dan mem-punyai potensi untuk membangkitkan energi.
Sumber utama lainnya dari energi celestial atau energi perolehan ialah energi bulan, terutama yang berupa energi gravitasi bulan. Energi gravitasi bulan ini dimani-festasikan terutama dalam bentuk gelombang air-pasang yang mempunyai variasi dari beberapa inci hingga sekitar 25 atau 30 feet di pantai Passamaquoddy yang merupa-kan suatu bagian dari pantai Fundy yang terletak antara Maine di Amerika Serikat dengan New Brunswick di Kanada.
Telah ada beberapa proposal yang dibuat untuk memanfaatkan tenaga air pa-sang ini untuk memproduksi listrik, termasuk di antaranya sebuah rancangan suatu sistem listrik air pasang berdaya 800 hingga 14.000 MWg di pantai Passamaquoddy. Sistem tersebut terdiri dari sebuah dam yang menghadap ke arah datangnya gelom­bang pasang dan dapat menyalurkan air keluar-masuk melalui sejumlah turbin air reversibel di dalam dam.
Dua sistem listrik air pasang telah selesai dibangun. Rusia membangun sebuah pusat tenaga listrik air pasang kecil berdaya 2 MV/g di Kislaya Guba, kira-kira 600 mi ke arah utara Murmanks. Prancis telah pula membangun sistem listrik air pasang ini di Ranee Estuary di lepas pantai channel-island, Prancis, berdaya 240 MWg. Sistem yang menggunakan 24 turbin ini ditunjukkan pada Gambar 1.3, dan pusat pembangkit ini juga dipakai sebagai sebuah pumped storage system. Pada waktu kebutuhan daya rendah, unit-unit motor-generator dibalikkan dan air laut dipompakan ke dalam muara yang nantinya akan melepaskannya ke laut pada waktu kebutuhan daya mencapai puncak.
Potensi total dari seluruh sistem tenaga air pasang dunia diperkirakan sekitar ' 64.000 MWe. Walaupun ini adalah daya yang sangat besar, namun bila dibandingkan dengan kapasitas pembangkit listrik di Amerika Serikat tahun 1970 yang sebesar 356.800 MWg itu, tentulah ini relatif kecil. Meskipun pemakaian tenaga air pasang bukanlah merupakan penyelesaian bagi kebutuhan energi dunia, namun sumber ini bersifat "tak terhabiskan" dan energi tersebut pada dasarnya adalah bebas polusi.
Sumber utama energi modal yang digunakan sekarang ini adalah energi atom. Istilah energi atom, seperti yang dipakai di sini, mempunyai arti sebagai suatu energi yang dilepaskan sebagai hasil dari suatu reaksi tertentu yang melibatkan atom-atom ->• termasuk energi nuklir dan kimia. Energi nuklir dan kimia telah dibahas sampai batas tertentu sebelum ini, dan pengkonversian dari bentuk-bentuk energi ini akan dijelaskan lebih terperinci pada bab-bab selanjutnya.
Sumber-sumber utama terakhir dari energi bahan bakar yang tersedia adalah energi geotermal (panas bumi). Sumber ini sebenarnya adalah energi termal yang terperangkap di bawah dan di dalam lapisan-lapisan (crust) padat bumi. Energi ini mengejawantah


Gambar 1.3 Sebuah unit pompa-turbin dari pusat tenaga listrik air pasang La Ranee. Sistem ter-diri dari 24 pasang unit berdaya 10 MWg. (Dikutip dengan izin dari Editors of Power, the McGraw-Hill Magazine of Energy Systems Engineering}.

sebagai uap, air panas, dan/atau karang panas (hot rock) dan dilepaskan secara alamiah dalam bentuk fumarol, geyser, sumber air panas, dan letusan gunung api. Meskipun di bawah kulit bumi tersebut terdapat cadangan energi termal yang sangat besar, belum-lah memungkinkan untuk membornya melalui kulit bumi tersebut, walaupun beberapa percobaan telah dilakukan. Konsekuensinya, cadangan energi geotermal yang terpakai hanyalah yang terdapat pada kantong-kantong yang terperangkap di antara kulit bumi, dan beberapa kantong yang terdapat di dekat active fault lines.
Pemanfaatan energi geotermal bukanlah suatu teknologi baru karena sumur uap geotermal yang pertama telah digali di Larderello, Italia, pada tahun 1904 dan kapa-sitas pusat pembangkit itu sekarang adalah 370 MWg. Perusahaan the Pacific Gas and Electric Company mengoperasikan sebuah kompleks tenaga geotermal berdaya 400 MWg di Geyserville, California. Pada Gambar 1.4 dapat dilihat sebuah sistem pem­bangkit tenaga geotermal.
Banyak orang yang sedang mempromosikan tenaga geotermal sebagai suatu sum­ber utama energi bebas polusi. Namun, bila diteliti lebih dalam, energi geotermal ini tidaklah sepenuhnya bebas polusi sebagaimana yang dipromosikan itu. Polusi udara pada instalasi geotermal mungkin merupakan masalah yang penting oleh karena ada-ara pendingin
Gambar 1.4 Diagram skematis sebuah penyimpan geotennal yang khas dan sebuah pusat pem-bangkit. (Dari Skmtski dan Vopat, 1963.)

Tabel 1.1 Proyek-proyek tenaga geotermal
Kapasitas Tahun mulai produksi sekarang

Jenis

Negara

Daerah

secara komersil

MWg

sumber

Cina

Propinsi Kwantang

1958

???

???

Islandia



MamafjaU

1969

3,0

Air panas

Italia

Larderello

1912

375,0

Uap



Monte Amiata

1959

25,5

Uap

Jepang

Matsukawa

1966

20:0

Uap



Otake

1967

13,0

Uap

Meksiko

Cerro Prieto

1973

75,0

Air panas

Selandia Baru

Wairakei

1960

170,0

Uap

Uni Sovyet

Pauzhetsk

1967

13,0

Air pawls

Amerika Serikat

The Geysers

1960

395,0

Uap








nya emissi gas-gas radioaktif berat dan hidrogen sulfida (HzS), yang merupakan suaiu gas beracun. Oleh karena kondisi uap yang relatif buruk, suatu pembangkit tenaga geotermal biasanya membuang energi panas ke lingkungannya tiga kali lebih besar daripada yang dibuang oleh suatu unit pembangkit tenaga konvensional yang meng-gunakan bahan bakar fossil, per satuan daya listriknya. Ini dinamakan "pohisi termal". Sumber-sumber mata air panas geotermal mempunyai kandungan mineral yang cukup tinggi, sehingga pembuangan air dinginnya menjadi masalah pula. Masalah lain yang juga serius berkenaan dengan penggunaan energi geotermal ini adalah kemungkinan terjadinya penurunan tanah atau longsor serta naiknya aktivitas seismik, khususnya bila air diinjeksikan ke karang-panas (hot rock) untuk mengeluarkan energi termal tersebut.
Sebuah ringkasan tentang status pusat-pusat pembangkit tenaga geotermal se­karang ini serta perkembangannya yang diharapkan di masa dekat ini ditunjukkan pada Tabel 1.1. Sementara di bawah kulit bumi dalam lapisan panas (hot mantle) dan inti cair (molten core) terdapat sejumlah besar energi termal yang terperangkap, energi geotermal yang dapat dikeluarkan dari kulit bumi itu ternyata cukup terbatas. Selanjutnya, kantong-kantong ini biasanya menjadi kosong apabila energi dikeluar­kan. Taksiran total energi yang dapat dikeluarkan dari daerah-daerah goetermal utama di bumi adalah sekitar 3.000.000 MW^ -tahun.
1.5 PEMANFAATAN ENERGI

Sejak awal sejarah, dengan semakin banyaknya sumber-sumber energi baru yang di-temukan serta dengan semakin berkembangnya metoda konversi yang baru dan lebih baik, penggunaannya oleh manusia pun semakin meningkat. Sumber energi yang mula sekali digunakan ialah tenaga otot — mula-mula yang dipunyai oleh manusia sendiri, lalu belakangan dari binatang pekerja. Suatu waktu di awal evolusi, manusia belajar untuk menghasilkan energi dari pembakaran karbohidrat (tumbuhan dan kayu). Di sekitar tahun 3000 sebelum masehi manusia belajar untuk memanfaatkan angin guna

Tidak ada komentar:

Posting Komentar