KEI dan Pemecahannya (Bagian Ketiga)

Pada tulisan yang ketiga ini, akan dibahas mengenai potensi Indonesia di energi yang berkelanjutan dan terbarukan (sustainable and renewable energy). Sebelum membahas lebih jauh mengenai potensi sumber energi tersebut, apa makna dari ‘berkelanjutan dan terbarukan’? ‘Berkelanjutan dan terbarukan’ adalah dua kata yang terkait satu sama lain. ‘Berkelanjutan’ memiliki makna adanya suatu kontinuitas atau keberlangsungan dari sesuatu. Sedangkan ‘terbarukan’ adalah suatu mekanisme tumbuh-baru atau regenerasi dari sesuatu yang telah ada. Jadi, energi yang berkelanjutan dan terbarukan adalah energi yang keberadaannya bersifat kontinu karena didukung oleh adanya mekanisme tumbuh-baru atau regenerasi dari energi itu sendiri. Sumber-sumber dari energi ini berasal dari alam yang selalu tersedia setiap saat. Bagaimana dengan sumber energi fosil? Bukankah itu berasal dari alam juga? Memang benar, sumber energi tersebut berasal dari alam. Namun, apakah keberadaannya tersedia setiap saat? Tentu tidak,bukan!? Ketika sumber-sumber energi ini sudah habis, that’s it. Kalaupun bisa, dibutuhkan waktu yang sangat tidak sebentar. Makanya, constraint atau batasan dari sumber energi yang berkelanjutan dan terbarukan adalah ketersediaan sumber-sumbernya oleh alam yang berada dalam rentang waktu ‘setiap saat’.

Apa saja contoh dari energi yang berkelanjutan dan terbarukan? Panas bumi, surya, angin, arus laut, dan biofuel adalah beberapa di antaranya yang akan dibahas di tulisan ini.

Panas bumi. Sebagian mengenai ‘panas bumi’ sudah dibahas pada tulisan yang kedua. Pada tulisan kali ini akan dibahas mengenai panas bumi sebatas pengetahuan dari penulis yang terdapat pada referensi-referensi yang ada.

Panas bumi atau yang lebih dikenal luas sebagai Geothermal adalah sumber energi yang berasal inti bumi yang berjarak sekitar 4000 mil (6437.38 km) dari permukaan bumi dengan temperatur mencapai 9000 ˚F (4982.22 ˚C). Berikut terdapat gambar bumi beserta intinya dan gradien temperatur dari inti hingga ke permukaan bumi.

Struktur bumi (Sumber gambar)

Gradien temperatur pada struktur bumi (Sumber gambar)

Panas yang dihasilkan oleh inti bumi, yang terdiri dari outer core (cair) dan inner core (padat), tidak sampai ke kita karena adanya insulasi dari crust yang memiliki tebal sebesar 35 mil (56.33 km). Perbedaan temperatur antara permukaan dan inti bumi menyebabkan terjadi perpindahan panas ke lapisan mantle. Lapisan ini bersifat batuan-cair dengan viskositas yang tinggi bertemperatur antara 650 hingga 1250 ˚C. Pada suatu kondisi tertentu, beberapa bagian dari lapisan ini akan mencair dan membentuk magma. Karena sifat dari magma memiliki massa jenis kecil (seperti fenomena minyak dan air) dibandingkan dengan bebatuan yang ada di sekelilingnya, cairan panas ini akan bergerak naik ke lapiran crust dari bumi. Sebagian akan keluar dari permukaan bumi dalam bentuk lava (yang menyebabkan terbentuknya gunung berapi dan itulah mengapa gunung berapi identik dengan sumber panas bumi) dan sebagiannya lagi akan menetap di crust, memanaskan bebatuan dan air yang ada di sekelilingnya hingga 700 ˚F (371.11 ˚C). Uap yang terbentuk dari penguapan oleh magma ada yang mencapai permukaan bumi, yang disebut dengan geyser atau sumber air panas (hot spring), dan ada yang terperangkap di retakan dan antara bebatuan berpori-pori di bawah tanah. Uap yang terperangkap dalam suatu wadah bawah tanah ini dinamakan geothermal reservoir.

Salah satu pemanfaatan dari panas bumi ini adalah untuk menghasilkan listrik. Bagaimana caranya? Uap panas yang berasal dari geothermal reservoir dialirkan ke turbin. Uap panas ini memiliki temperatur dan tekanan yang tinggi (uap ini akan berekspansi atau mengembang sehingga pada akhirnya tekanannya akan turun) sehingga memutar turbin yang terhubung dengan generator. Dari generator inilah listrik diproduksi dan didistribusikan pada akhirnya. Berikut ilustrasi dari pembangkit listrik tenaga panas bumi. Uap yang telah digunakan dialirkan ke cooling tower (didinginkan dengan proses penguapan) untuk kembali diinjeksikan ke bawah tanah sehingga dihasilkan kembali uap bertemperatur dan bertekanan tinggi.

Ilustrasi pembangkit listrik tenaga panas bumi (Sumber gambar)

Ada tiga jenis pembangkit listrik tenaga panas bumi yang bergantung dari temperatur dan tekanan dari geothermal reservoir-nya,

-Dry steam power plant. Sesuai dengan namanya, pembangkit ini menggunakan uap dengan kandungan air yang minim.

Ilustrasi dari dry steam power plant (Sumber gambar)

-Flash steam power plant. Pembangkit ini digunakan jika isi dari reservoir-nya mostly adalah air panas dengan temperatur diatas 365 ˚C.

Ilustrasi dari flash steam power plant (Sumber gambar)

Fungsi dari flash tank yang terdapat pada sistem ini adalah untuk menguapkan secara cepat (flash) dari air panas. Sehingga tangki dikondisikan bertekanan lebih rendah dari tekanan air panas yang diekstrak.

-Binary-cycle power plant. Jika reservoir mengandung air dengan temperatur di bawah 400 ˚F (204.44 ˚C) maka yang dilakukan adalah dengan menginstalasikan heat exchanger. Jadi, yang dimanfaatkan dari air panas geothermal reservoir adalah panasnya. Untuk itu, fluida kerja yang digunakan untuk menggerakkan turbin harus memiliki temperatur didih lebih rendah dari air, seperti isopentane.

Ilustrasi dari binary-cycle power plant (Sumber gambar)

Indonesia terletak di dalam zona gunung berapi yang seringkali disebut Ring of Fire, dianugerahi sekitar 200 gunung berapi dan 100 lapangan panas bumi, terutama di pulau Jawa dan Sumatra. Perhatikan gambar berikut ini.

Persebaran gunung berapi di dunia dan lempeng (Sumber gambar)

Dengan potensi mencapai 27000 MW, tentunya hal ini seharusnya mendapat porsi untuk pembangkitan listrik yang lebih besar ketimbang memanfaatkan sumber-sumber energi lainnya seperti batu bara dan BBM (atau gas yang tengah dicanangkan oleh PLN saat ini). Walaupun memang,jika dibandingkan cost produksi listrik antara batu bara dengan panas bumi, masih lebih mahal panas bumi (sudah dibahas pada tulisan sebelum ini).

Surya. Salah satu sumber energi yang tersedia setiap saat selama matahari ada. Setiap tahunnya, bumi menerima radiasi dari matahari dengan kisaran 1,321 W/m² hingga 1,412 W/m². Variasi daya tersebut disebabkan oleh adanya perbedaan jarak antara bumi dan matahari pada waktu-waktu tertentu (karena lintasan dari bumi yang berbentuk elips). Radiasi yang benar-benar sampai ke daerah jangkauan manusia untuk dapat dimanfaatkan tidak sebesar angka yang disebutkan sebelumnya. Selain itu, pada tiap-tiap tempat di bumi, terdapat variasi radiasi yang diterima. Hal tersebut bergantung pada kondisi atmosfer di tempat tersebut (ketebalan dari atmosfer yang menyebabkan terjadinya rugi energi, energy loss) dan ketinggiannya. Berikut ilustrasi dari distribusi daya surya yang diterima masing-masing kontinen di bumi.

Distribusi penyinaran di bumi (Sumber gambar:NASA)

Terlihat pada ilustrasi di atas, Indonesia per harinya menerima radiasi antara 7 kWh/m² hingga 7.5 kWh/m² (dengan catatan kondisi langit yang bersih dan permukaan yang horizontal). Suatu potensi yang besar dan tentunya akan tersia-siakan begitu saja jika tidak dimanfaatkan secara optimal. Apalagi lama penyinaran matahari rata-rata 12 jam per harinya.

Untuk dapat menghasilkan listrik, ada dua cara yang dapat digunakan dan umumnya sudah diaplikasikan saat ini. Dengan photovoltaic dan solar thermal power plant. Lebih jelasnya perhatikan dua gambar berikut ini.

Solar thermal power plant (Sumber gambar)

Solar photovoltaic (Sumber gambar)

Photovoltaic, tentunya para pembaca sudah tidak asing lagi dengan istilah ini. Photovoltaic atau biasa disingkat PV adalah suatu istilah untuk material yang dapat mengkonversikan radiasi dari surya menjadi energi listrik. Material PV ini tergolong material semikonduktor yang artinya untuk suatu kondisi tertentu dapat berubah menjadi material konduktor yang sifatnya menghantarkan listrik. Beberapa contohnya, single crystal silicon, polycristalline silicon, gallium arsenide (GaAs), dll (sumber National Solar Power Research Institute, Inc. “Fundamental of Photovoltaic Materials”).

Bagaimana cara kerja dari material PV ini sampai bisa menghasilkan listrik? Perhatikan ilustrasi berikut ini.

Ilustrasi terjadinya arus listrik pada material semikonduktor (Sumber gambar)

Pada ilustrasi di atas, terlihat ada 2 lapis yang dinamakan n-type dan p-type. n-type adalah material semikonduktor dengan jumlah elektron berlebih, sedangkan p-type adalah material semikonduktor dengan jumlah hole atau lubang berlebih. Ketika dua lapisan ini digabungkan, yang terjadi adalah berpindahnya elektron ke lapisan p-type dan meninggalkan hole di tempatnya semula. Sehingga, lapisan n-type yang awalnya bermuatan negatif menjadi positif. Begitu juga sebaliknya yang terjadi pada lapisan p-type. Pada permukaan kontak kedua lapisan ini terjadi medan listrik (dimana arus listrik bersirkulasi). Permukaan ini dinamakan p/n-junction.

Cahaya yang datang dari matahari terdiri dari berbagai macam spektrum. Bergantung pada tipe material PV yang digunakan, maka hanya spektrum cahaya tertentu terserap. Energi yang dibawa ini akan menggerakkan elektron dari posisi awalnya di dalam material yang digunakan. Dan sebagaimana kita ketahui bahwa elektron yang bergerak adalah definisi arus listrik. Besarnya arus bergantung pada material PV yang digunakan. Karena pada masing-masing material PV, terdapat satu karakteristik yang dinamakan built-in electric field (dijelaskan pada paragraf sebelum ini). Karakteristik yang menentukan berapa arus listrik yang dihasilkan (yang bergantung pada kondisi yang dibebankan).

Produksi listrik dengan menggunakan PV ini sudah menjadi hal yang umum di dunia saat ini. Baik itu untuk pembangkitan skala besar hingga skala rumah tangga bahkan skala kecil (seperti jam tangan, kalkulator, dsb-nya). Untuk pembangkit skala besar, dalam artian berfungsi sebagai pembangkit listrik tenaga surya yang akan didistribusikan, yang terbesar di dunia sekarang ada di Spanyol. Dengan kapasitas pembangkitannya sebesar 60 MW, pembangkit memakan waktu 16 bulan serta biaya sebesar 384 juta EURO atau sekitar Rp 4,7 trilliun untuk pembangunannya. Nilai investasi ini memang terlampau mahal jika dibandingkan dengan pembangunan PLTU 1 Banten (termasuk ke dalam proyek 10,000 MW-nya PLN) berkapasitas 625 MW yang memakan biaya sebesar Rp 3,9 trilliun. Jadi, penggunaan PV untuk pembangkitan skala besar masih terlalu mahal untuk daya yang dihasilkan. Hal ini juga berlaku untuk penggunaan PV pada skala rumah tangga. Untuk daya sebesar 60 W, biaya yang kira-kira harus dikeluarkan sekitar $ 72 atau Rp 720,000 (dengan kurs $ 1 =Rp 10,000). Dengan mengambil sampel kebutuhan listrik yang paling minimal, yaitu sekitar 450 W (di daerah pedesaan), maka biaya yang diperlukan kira-kira Rp 5 juta. Namun, di Bangladesh, terutama di daerah pedesaan, hampir 320,000 rumah terinstalasi PV untuk kebutuhan listriknya. Hal ini berkat kemudahan pembiayaan yang diberikan oleh Grameen Shakti, sebuah anak perusahaan dari Grameen Bank yang bergerak di bidang pemanfaatan energi terbarukan yang didirikan oleh Muhammad Yunus (peraih Nobel tahun 2006 karena idenya tentang kredit mikro). Adanya kemudahan pembiayaan ini (dengan kredit mikro), orang-orang miskin sekalipun dapat menikmati listrik dari PV. Dan tidak hanya sampai di situ, mereka juga didorong untuk berwiraswasta. Sehingga, kredit dapat dibayar dan taraf hidup mereka meningkat.

Berikutnya, selain PV, dikenal juga solar thermal power plant sebagai salah satu cara untuk menghasilkan listrik dari surya (sebagian pembahasan mengenai pembangkit listrik yang satu ini bisa dilihat pada tulisan sebelumnya). Di sini, yang digunakan untuk menghasilkan listrik adalah panas dari surya yang dikonsentrasikan ke satu titik. Makanya pembangkit ini memiliki nama lain concentrating solar power.

Pembangkit ini terdiri dari beberapa komponen, yaitu:

-Reflektor, yang berfungsi untuk memantulkan dan mengkonsentrasikan panas dari surya. Bentuk dari reflektor ini bermacam-macam. Perhatikan gambar berikut ini.

Macam-macam dari reflektor (Sumber gambar)

Reflektor ini memiliki satu parameter non-dimensional yang menentukan seberapa besar panas yang dapat dikonsentrasikan. Parameter ini disebut concentration factor. Ini adalah perbandingan antara temperatur permukaan dari matahari (5500 ˚C) dengan temperatur yang dikonsentrasikan.

-Receiver atau absorber, yang berfungsi untuk menerima panas yang terkonsentrasikan. Fluida yang mengalir di sini dapat berbentuk cair maupun gas. Bergantung pada tipe pembangkit yang dipilih nanti (akan dijelaskan beberapa di bawah ini).

-Sistem pembangkit listrik tenaga uap, yang berfungsi untuk membangkitkan listrik dengan menggunakan uap yang diproduksi dari panas yang terkonsentrasikan di komponen sebelumnya.

Tipe pembangkitnya pun bermacam-macam, sama seperti halnya pada pembangkit listrik tenaga panas bumi di atas. Namun, yang akan dibahas di sini hanya 3 saja.

-Parabolic Through Power Plant. Berikut ilustrasi dari sistem pembangkit ini.

Ilustrasi dari Parabolic Through Power Plant (Sumber gambar)

Sistem pembangkit ini dapat dijumpai di California (yang memiliki kapasitas pembangkitan sebesar 354 MWe. Pada sistem pembangkit tersebut, fluida yang mengalir di dalam absorber adalah thermo fluid. Fluida ini akan dipanaskan hingga temperaturnya mencapai 400 ˚C. Dari absorber, mengalir ke beberapa penukar panas (terdiri superheater, economizer, reheater, dan vaporizer) yang akan memindahkan panasnya ke air yang mengalir di dalam masing-masing penukar panas tersebut. Di akhir, air yang dipanaskan ini akan berubah fasa menjadi superheated steam (uap) dan siap digunakan untuk menggerakkan turbin uap.

Bagaimana jika terdapat ketiadaan sinar matahari, seperti di waktu malam atau ketika cuaca lagi tidak bersahabat (mendung dan berawan)? Sistem ini juga dilengkapi dengan sistem penyimpanan panas untuk menjamin keberjalanannya. Perhatikan ilustrasi berikut ini.

Ilustrasi keberlangsungan pembangkitan listrik (Sumber gambar)

Ilustrasi di atas menunjukkan keberlangsungan sistem pembangkit ini dalam sehari (termasuk ketika malam). Sebelum matahari muncul, sistem pembangkit ditambahkan pararel burner yang menggunakan bahan bakar fossil atau biomassa atau hidrogen. Ketika menjelang sore, panas yang sudah disimpan pada saat matahari tengah bersinar, akan digunakan. Bagaimana sistem penyimpanan panas ini?

Kembali ke gambar ilustrasi dari pembangkit ini di atas. Nampak 2 tangki yang bertuliskan hot tank dan cold tank. Isi dari tangki ini adalah garam yang dilelehkan (molten salt). Fluida ini yang digunakan untuk menyimpan panas. Ketika matahari tengah bersinar, fluida dipompa dari cold tank ke hot tank melalui sebuah penukar panas yang tersambung dengan absorber dari sistem pembangkit ini. Ketika malam tiba, maka fluida yang tersimpan pada hot tank akan dialirkan balik ke cold tank melalui penukar panas tersebut. Sehingga panas dari molten salt ini dapat dipindahkan ke thermol fluid. Uap dapat diproduksi dan digunakan untuk menggerakkan turbin.

-Solar Thermal Tower Power Plant. Sistem ini menggunakan banyak reflektor (seringkali disebut heliostats) untuk memantulkan cahaya matahari dan dikumpulkan di satu titik di sebuah menara receiver. Dari sini udara atau molten salt dipanaskan dan digunakan untuk menguapkan air yang akan menggerakkan turbin. Temperatur yang bisa dicapai pada menara receiver sekitar 1000 ˚C. Sebuah temperatur (pada tekanan ambien) yang sangat cukup sekali untuk menguapkan air menjadi superheated steam. Sistem pembangkit ini dapat dibagi menjadi 2 jenis, yaitu

oOpen Volumetric Air Receiver Concept

Ilustrasi dari Open Volumectric Air Receiver (Sumber gambar)

Pada jenis ini, udara yang digunakan bertekanan ambien (sekeliling). Udara ini akan disedot oleh sebuah blower. Masuknya udara yang tersedot ini melalui receiver pada menara tersebut. Receiver atau absorber ini berupa keramik yang berporos atau kabel-kabel baja yang mebentuk sebuah meshing. Karena absorber menerima panas dari cahaya yang dipantulkan oleh reflektor-reflektor yang ada dan udara mengalir melaluinya, maka terjadi perpindahan panas dari absorver ke udara yang mengalir tersebut. Maka, terjadilah kenaikan temperatur pada udara yang mengalir. Temperatur yang dicapai sekitar 650 ˚C hingga 850 ˚C. Udara ini dialirkan ke sebuah penukar panas, sehingga panasnya dapat digunakan untuk menguapkan air yang selanjutnya digunakan untuk menggerakkan turbin. Perhatikan ilustrasinya di atas paragraf ini. Untuk melihat lebih jelas bagaimana perpindahan panas terjadi pada absober, perhatikan ilustrasi berikut ini.

Ilustrasi yang terjadi pada absorber (Sumber gambar: buku "Renewable Energy: Technology,Economics,and Environment")

oPresurrized Air Receiver Concept

Ilustrasi dari Presurrized Air Receiver (Sumber gambar)

Jenis berikutnya menggunakan udara terkompresi. Seperi yang terlihat pada ilustrasi di atas, terdapat dua jenis turbin yang digunakan. Yang pertama adalah turbin gas dan yang kedua adalah turbin uap. Dan masing-masing turbin ini menggerakkan sebuah generator yang menghasilkan listrik. Sistem ini mengambil bentuk dari PLTGU, pembangkit listrik tenaga gas dan uap. Pada PLTGU, gas panas yang telah digunakan pada turbin gas, digunakan kembali untuk menguapkan air yang akan digunakan uapnya untuk menggerakkan turbin uap. Dengan begini efisiensi dari turbin gas yang sangat rendah dapat diperbaiki. Begitu juga dengan sistem pembangkit tenaga surya jenis ini. Hanya saja, yang membedakan adalah fluida gas pada yang digunakan untuk menggerakkan turbin gas bukan merupakan hasil pembakaran bahan bakar dengan udara, melainkan udara terkompresi yang dipanaskan pada menara receiver atau absorber. Temperatur udara yang dicapai sekitar 1100 ˚C.

Biaya untuk sebuah sistem pembangkit tenaga surya ini berkisar antara 2000 EURO/kW hingga 5000 EURO/kW atau sekitar Rp 24,200,054/kW hingga Rp 60,500,135/kW. Pada daerah-daerah yang memiliki intensitas penyinaran yang bagus dapat menghasilkan listrik dengan biaya sekitar 0.15 EURO/kWh atau Rp 1,815/kWh, bahkan bisa mencapai 0.10 EURO/kWh atau Rp 1,210/kWh jika diproduksi secara massal. Memang masih terbilang mahal untuk ukuran Indonesia. Tapi, ke depannya proyeksi dari pembiayaan untuk sistem pembangkit tenaga surya akan mengalami penurunan. Hal ini dikarenakan semakin umumnya penggunaan teknologi ini untuk pembangkitan listrik di dunia.

(Tidak ada 'Read More')