PROPOSAL KARYA
LOMBA KARYA INOVATIF ENERGI KELISTRIKAN
NATIONAL ELECTRICAL FESTIVAL UI 2015
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA
DATA KARYA
Nama Karya BALIST-SIS (Pembangkit Listrik Tenaga Sistem Sawah)
Deskripsi
BALIST-SIS merupakan alat pembangkit listrik berbasis hayati atau
biobased system yang menggunakan sistem sawah, yaitu padi, air, tanah dan berbagai mikroorganisme didalamnya. BALIST-SIS bukanlah suatu alat yang berfungsi untuk memasok daya yang sangat besar untuk suatu kota, melainkan ditunjukkan untuk menyediakan listrik bagi masyarakat di pedesaan khususnya di pedesaan Indonesia. Kelebihan dari alat ini adalah biaya yang murah, instalasi mudah, sustainableatau berkelanjutan dan didukung oleh negara Indonesia sendiri yang dikenal dengan sebutan
agriculture country. Kelebihan lain dari sistem pembangkit listrik tenaga sawah ini ialah tidak menimbulkan polusi, yang berarti ramah lingkungan -baik itu unsur di dalam tanah, suara, udara, bagi tanaman itu sendiri dan makhluk hidup disekitarnya. Alat ini dapat direalisasikan atau diaplikasikan dengan mudah dan tidak begitu mahal oleh banyak orang, tentunya yang memiliki sawah.
Latar Belakang
mikrohidro dan mungkin masih banyak lagi. Padahal jika dilihat, generator merupakan suatu alat dimana membutuhkan tempat yang besar untuk digunakan, juga menimbulkan kebisingan yang sangat mengganggu masyarakat di setiap aktivitas kehidupan. Tempat yang besar ini tentunya akan mengurangi lahan hijau di setiap area proyek pembangkitan instalasi listrik. Seperti pohon hutan yang ditebang untuk dijadikan area pembangkit listrik atau bahkan sawah di perkotaan yang terpaksa harus dirombak menjadi instalasi listrik berdaya tinggi karena kota yang masih kekurangan energi listrik.
Dari permasalahan diatas, bisa dilihat betapa terancamnya bumi tercinta ini apabila sistem hayati seperti tanaman, hewan, protista sampai arkaebakteria yang ada dalam ekosistem hilang tergeser karena pembangunan proyek. Yang terjadi adalah ekosistem lainnya ikut mengalami ketidakseimbangan, baik itu hilangnya keragaman spesies (walaupun berukuran mikro) sampai struktur bumi sendiri rusak karena proyek tersebut. Untuk itu timbullah ide luar biasa dari otak kami berdua untuk membangun alat peng-generate listrik dari kemampuan makhluk hidup itu sendiri. Makhluk hidup itu adalah mikroba yang ada di dalam sawah. Mikroba tersebut memiliki peran penting pada medium sawah dalam menghasilkan energi listrik tanpa mematikan ataupun merugikan padi maupun ekosistem didalamnya. Dengan menggunakan prinsip metabolisme dan pertukaran ion pada sistem penghasil listrik berbasis hayati ini sudah dapat menjawab permasalahan lingkungan terkait pembangunan instalasi listrik yang mengurangi lahan hijau di muka bumi ini khususnya di Indonesia.
pencemaran lingkungan. Proses penggunaan atau konversi energi tersebut sama saja dengan memindahkan karbon dari dalam bumi keluar menuju permukaan bumi, yaitu biosfer. Sedangkan BALIST-SIS bekerja dengan mendaur ulang karbon yang terdapat di udara (bagian biosfer) menjadi suatu biomassa yang terus meningkat yang kemudian diproses menjadi tenaga listrik yang siap dipakai. Pendaur ulangan karbon ini sangat mengatasi polusi lingkungan yang terjadi saat ini. Dimana telah sangat banyak mengandung karbon dioksida di udara.
Dasar Teori
MFC atau singkatan dari microbial fuel cell yang memiliki konsep penggunaan mikroorganisme pada suatu sistem sebagai bahan bakar bukanlah sesuatu yang baru, melainkan telah dikaji dan dibahas sejak tahun 1970-an (Suzuki, 1976; Roller, 1991). Yang pada akhirnya bermunculanfuel celllainnya, seperti PlantMFC,Paddy Field-MFC atau
Rice Paddy-Field MFC, sediment MFC dan turunannya yaitu Microbial Solar Cell (MSC) yang menggunakan sianobakteria dan alga (Fototropik organisme) dalam produksi listrik dengan menggunakan energi matahari atau solar (Rosenbaum et al, 2010). Pada MFC secara umum, bahwa bakteri ataupun mikroba prokariota pada sistem tersebut dapat memproduksi listrik (Logan dan Regan, 2006; Lovley, 2006).
dengan mikroba yang memakan makanan dari gula padi. Konsepnya adalah padi sebagai Plant dan solar, tanah sebagai sediment, mikroba sebagaimicrobial(MFC) dan pergerakan proton sebagai HFC dan PMFC
Kunci dari BALIST-SIS ini adalah metabolisme mikroba yang bergantung hasil fotosintesis padi. Fotosintesis padi dipengaruhi cahaya matahari (reaksi terang) sehingga diperoleh energi untuk membuat makanan bagi tanaman melalui siklus Calvin-Benson (reaksi gelap). Setelah makanan dibuat, sekitar 30-60% materi fotosintat tersebut didistribusikan ke akar, dan akar sendiri yang akan mengeluarkannya ke rizosfer (Marschnerr, 1995). Sehingga mikroba di dalam tanah atau rizosfer dapat mengambil energi dari makanan yang digunakan. Substrat makanan ini mulanya dirombak menjadi senyawa sederhana melalui proses glikolisis di dalam sitoplasma kemudian dilanjutkan ke proses dekarboksilasi oksidatif dan siklus Krebs yang juga menghasilkan senyawa berenergi tinggi yaitu ATP, NADH, dan FADH2. Karena NADH dan FADH2 bukan senyawa
instan penghasil energi maka, kedua senyawa tersebut diolah melalui rantai transfer elektron (RTE) pada membran sel. Penurunan potensial elektron dilakukan pada proses RTE ini, hal ini dimaksudkan agar akseptor elektron tidak menerima energi begitu tinggi. Sedangkan proton diluar terlalu besar maka timbullan gradien proton yang menyebabkan proton dari luar membran sel masuk ke dalam melalui ATP sintase. Pada saat itu juga terjadi reaksi coupling atau bersamaan dengan pembentukan ATP dari ADP+ dan Pi (Campbell et al., 2011). Rantai transfer elektron
adalah permulaan listrik dihasilkan, yaitu proses mulai bekerja pada kompleks protein I dimana NADH dioksidasi menjadi NAD+, H+ dan elektron (De Schamphelaire et al., 2008; Kaku et al., 2008). Elektron yang dihasilkan akan ditransfer melalui elektroda oksidasi (anoda) sedangkan H+ dialirkan menuju katoda (tempat reaksi reduksi) melalui membran penukar proton. Pada katoda terdapat oksigen yang merupakan akseptor terakhir elektron dan akan bereaksi dengan H+ hasil oksidasi NADH menghasilkan air (H2O). Pada kasus ini BALIST-SIS bekerja menyerupai
tetap menggunakan oksigen sebagai penerima elektron terakhir. Sebenarnya di dalam membran sel telah terjadi aliran listrik, hanya saja di sini kami mengambil elektron tersebut keluar dengan cara menggunakan elektrode berpotensial reduksi lebih tinggi (lebih plus) dibandingkan potensial penerima elektron selanjutnya yaitu ubikuinon. Dari teori diatas pembuatan ATP pada mikroba tentu akan mengganggu, karena H+ dan elektron yang seharusnya menjadi elemen utama sintesis ATP hilang dari sistem mikroba, yaitu ke sistem elektrode. Tapi Pengurangan produksi ATP ini tidak akan berpengaruh banyak pada bakteri, hanya saja tumbuh dan berkembangnya akan lebih lama daripada biasanya.
Dengan menggunakan perhitungan potensial reduksi oksigen dan oksidasi NADH. Bahwa nilai potensial reduksi oksigen +840 mV dan oksidasi NADH +320 mV. Rumusnya adalah Ereduksi + Eoksidasi, Sehingga
menghasilkan nilai 1.2 volt. Kemudian dilakukan perhitungan energi Gibbs dengan rumus∆G = - n. F.∆E
Dengan: n=2, F= 96485 Coulomb/mol dan ∆E=1.2 volt. Diperoleh nilai -2.31 x 102 kJ/Coulomb. Nilai minus energi Gibbs menandakan bahwa reaksi redoks tersebut berlangsung spontan. Tetapi untuk potensial elektron tidak akan mencapai 1.2 volt pada sistem MFC. Karena terdapat banyak penghilangan tegangan (gambar 6), yaitu pada membran sel, pada elektrolit di medium, pada elektrode dan pada membran penukar proton (Rabaey, K. dan Verstraete W., 2005). Sehingga hasil penelitian didapat bahwa Potensi tegangan sirkuit terbuka yang telah dideteksi pada sistem MFC sebesar 750-800 mV (Madigan, 2000). Tetapi secara teori, daya maksimal yang dikeluarkan oleh PMFC adalah sebesar 3.2 W/m2 plant growth area(PGA) (Strik, 2011).
dibandingkan elektrode logam. Logam memiliki permukaan halus yang padat (pori sangat halus) dan mudah terkorosi (teroksidasi). Salah satu penanggulangan jika memakai logam adalah harus stainless Steel
sedangkan harganya menjadi meningkat. Untuk itu dipilihlah elektrode berbahan karbon sebagai densitas daya terbaik untuk MFC (Dumas et al., 2007). Anoda di pasang di ruang oksidasi yaitu tempat sedimen risosfer dan mikroba, sedangkan katoda di tempatkan di ruang reduksi, yaitu udara bebas (gambar 1).
Proton exchange membrane (PEM) yang diartikan membran penukar proton merupakan lapisan atau membran yang berfungsi sebagai jalur proton, khusus proton, termasuk H+. PEM ini menjadi unsur yang penting agar jalur proton termobilisasi dengan baik menuju oksigen. Karena diruang anoda tidak terdapat oksigen (anaerob). PEM yang digunakan pada BALIST-SIS ini adalah Thamrion. Kemampuan membran ini tidak kalah dengan membran kimia yang telah lama yaitu Nafion. Dengan harga yang jauh lebih murah dan kemampuan transfer elektron yang baik, maka terpilihlah Thamrion sebagai PEM sistem ini.
Arus listrik dapat dihasilkan ketika ada beda potensial muatan di salah satu sisi sistem yang kemudian perbedaan muatan tersebut akan berkurang dan terus berkurang sehingga mencapai keseimbangan yang ditandai tidak ada lagi arus yang mengalir (∆G=0). Sesuai teori atom bahwa hanya elektron yang dapat melakukan perpindahan antar orbit atom, maka aliran arus listrik disebabkan karena perpindahan elektron dari satu sisi negatif ke satu sisi yang lebih positif (lebih sedikit elektron). Semakin banyaknya perbedaan muatan semakin tingginya juga nilai perbedaan potensial. Selama ini banyak yang tidak mengetahui ternyata makhluk hidup juga menghasilkan arus listrik, hanya saja nilai dari energi listrik tersebut sangat kecil sehingga saraf sensoris tubuh mengabaikannya. Begitu juga dengan sel, bakteri dan mikroba lain adalah penghasil listrik. Memang arus listrik yang dihasilkan adalah kecil tetapi tidakkah kita berpikir bahwa ukuran mikroba juga kecil, ukuran mereka hanya berkisar 0.2 um x 0.1um x 0.1 um. Jika kita mengakumulasi listrik yang dihasilkan dari koloni jumlah mereka (seluruh mikroba di dalam sistem) daya listrik yang dihasilkan akan mencapai 83 watt/m3(Clauwaert et al., 2007)
Inverter merupakan alat yang mengubah sinyal listrik DC (Direct Current) menjadi AC (Alternating Current) sekaligus meningkatkan tegangan listrik. Karena daya bergantung murni pada sumber listrik, otomatis kami tidak dapat menaikkan tegangan BALIST-SIS yang diketahui dari jurnal mencapai 83 watt/m3. Untuk dapat meningkatkannya
Inovasi
Tentunya produk BALIST-SIS ini tidak semata-mata dihasilkan murni dari pemikiran kami. Kombinasi dari jurnal-jurnal terkait dan realisasi produk yang sudah ada serta kenyataan situasi bumi yang menjadikan BALIST-SIS ini ada dipikiran kami. Inovasinya adalah kami menggunakan medium sawah yang sebagian besar kontur bumi pertiwi ini cocok dijadikan sawah ataupun sawah yang sudah ada memiliki jutaan hektar jika diestimasi. Serta pembaharuan lain adalah kita tidak berlandaskan konversi energi mekanik menjadi energi listrik seperti pada turbin dan generator, tapi konversi energi kimia menjadi energi listrik yang ditampung dan kemudian disesuaikan bentuk dan ukuran energi listrik tersebut untuk konsumen dan peralatan listrik yang sudah ada. Inovasi lain adalah kami menerapkan 3 bidang keilmuan sekaligus yakni, bioelektrokimia (biologi-elektro-kimia)
Kemudian penggunaan pupuk pada tanaman padi ini menjadi suatu pembaharuan atau inovasi dari BALIST-SIS, karena pupuk ini merupakan senyawa intermedia yang memediasi kecepatan metabolisme tanaman padi dan mikroba. Tanaman padi akan memiliki fotosintesis yang baik dan menghasilkan cadangan makanan dan zat buangan yang kemudian zat buangan tersebut yang akan dikonsumsi mikroba, mikroba akan tumbuh dan berkembang biak seiring meningkatnya substansi makanan dari tanaman. Sehingga dari hubungan itu tercipta simbiosis mutualisme antara padi dan mikroba di dalam sawah. Listrik yang dihasilkan akan berlangsung sustainable selama padi dan mikroba masih ada. Pupuk hanya digunakan dalam penentuan kecepatan aktivitas metabolik. Sedangkan pupuk yang kami gunakan adalah EM4 yang merupakan bakteri starter fermentasi.
Prinsip Kerja
potensial elektron dan proton akan terjadi pada membran sel mikroba setelah mereka mengonsumsi bahan organik tanaman padi dan sesaat konversi NADH dan FADH2 menjadi ATP berlangsung. Hasil akhir dari
metabolisme mikroba anaerob ini adalah NAD+, H+dan elektron. Elektron ini akan diterima oleh anoda dan dialirkan ke media penampungan. Kemudian proton berupa H+akan bergerak menuju PEM untuk bereaksi dengan Oksigen (O2) dan elektron membentuk air (H2O) pada ruang
reduksi.
Mikroba yang ada adalah berbagai jenis karena tiap mikroba mengkonsumsi bahan organik yang berbeda sehingga tiap mikroba akan berkontribusi pada penghasilan listrik. Mekanisme yang terjadi dalam keadaan anaerob sehingga menyebabkan tanaman padi akan membentuk struktur penyimpan oksigen di akarnya yang akan meningkatkan buangan organik sehingga dapat memberi makan mikroba lebih banyak dan akan menghasilkan listrik lebih tinggi. Setelah seluruh elektron dikumpulkan dari sawah oleh sebuah media penampungan energi listrik secara seri (untuk mencapai tegangan tinggi) kemudian secara paralel (untuk mencapai arus tinggi). Kemudian energi listrik ini dihubungkan dengan inverter untuk mengubah bentuk arus searah (DC) menjadi arus bolak-balik (AC) dan berpotensial tinggi. Kami menggunakan inverter yang mengubah potensial 12 VDC (Voltage Direct Current) menjadi 220 VAC (Voltage Alternative Current). Output dari BALIST-SIS ini adalah listrik bertegangan 220 VAC yang siap dikonsumsi oleh warga pedesaan yang mayoritas adalah petani di sawah.
1 Skema-Desain
Gambar 1. Desain 3 dimensi BALIST-SIS single
1
Gambar 3. Skema sistem BALIST-SIS
Gambar 4. Skema jalur aliran elektron BALIST-SIS
08 Januari 2015
Dosen Pembimbing Ketua Tim
1
Lampiran 1
Proses aliran elektron sistem BALIST-SIS
1
Lampiran 2
Diagram penurunan potensial elektron di dalam sistem MFC
1
Lampiran 3
Referensi
1. Brady, Nyle .1984. The Nature and Properties of Soils (9th ed.). USA: Macmillan Publishing Co.
2. Campbell, Reece, J.B., Urry, L.A., Cain, M.L., Wasserman, S.A., Minorsky, P.V., Jackson, R.B., 2011.Biology 9th Edition. 125-205
3. Clauwaert, P., Van der Ha, D., Boon, N., Verbeken, K., Verhaege, M., Rabaey, K., Verstraete, W., 2007. Open air biocathode enables effective electricity generation with microbial fuel cells. Environ. Sci. Technol. 41, 7564-7569.
4. Chesworth, Ward, ed. 2008. Encyclopedia of soil science. Dordrecht, Netherlands: Springer
5. De Schamphelaire, L., Bossche, L.V.D., Dang, H.S., Höfte, M., Boon, N., Rabaey, K.,Verstraete, W., 2008.Microbial fuel cells generating electricity from rhizodeposits of rice plants. Environ. Sci. Technol. 42, 3053–3058.
6. Dumas, C., Mollica, A., Feron, D., Basseguy, R., Etcheverry, L., Bergel, A., 2007. Marine microbial fuel cell: use of stainless steel electrodes as anode and cathode materials. Electrochim. Acta 53, 468–473
7. Jones, D.L. (1998).Organic acids in the rhizosphere- a critical review. Plant soil 205:25-44. 8. Logan BE, Regan JM (2006) Electricity-producing bacterial communities in microbial fuel
cells. Trends Microbiol. 14, 512-518.
9. McCarthy, David F. 1982. Essentials of Soil Mechanics and Foundations: Basic Geotechnics (2nd ed.). Reston, Virginia: Reston Publishing
10. Madigan, M.T. et al. (2000).Brock Biology of Microorganisms, Prentice Hall
1
12. Niessen, J.; Schröder, U.; Rosenbaum, M.; & Scholz, F. (2004). Fluorinated polyanilines as superior materials for electrocatalytic anodes in bacterial fuel cells. Electrochem. Commun. 6, 571–575.
13. Oller, S.D. et al. (1984) Electron-transfer coupling in microbial fuelcells.1. Comparison of redox-mediator reduction rates and respirator rates of bacteria. J. Chem. Technol. Biotechnol. B Biotechnol. 34, 3–12
14. Rabaey, K. dan Verstraete W., 2005. Microbial Fuel Cells: novel biotechnology for energy conservation,Trends in Biotechnology. 23. 291-293
15. Strik DPBTB, Timmers RA, Helder M, Steinbusch KJJ, Hamelers HVM, Buisman CJN.
Microbial solar cells: applying photosynthetic and electrochemically active organisms. Trends Biotechnol 2011;29:41–9.
