1 BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kebutuhan energi akan semakin meningkat bersamaan dengan perkembangan teknologi dan pertumbuhan penduduk. Saat ini sebagian besar energi dihasilkan dari bahan bakar fosil yang ketersediaannya semakin menipis. Menurut BP Statistical Review of World Energy 2013, cadangan bahan bakar fosil berupa minyak bumi sampai akhir 2012 adalah 1668,9 milyar barrel, jumlah ini hanya mencukupi untuk diproduksi selama 52,9 tahun (www.bp.com/statisticalreview). Hal ini menunjukkan bahwa cadangan bahan bakar minyak bumi tidak akan bertahan lama, maka perlu dicari solusi untuk menemukan bahan bakar alternatif pengganti bahan bakar minyak.
Salah satu alternatif pengganti bahan bakar minyak yang saat ini sedang digalakkan oleh pemerintah adalah bahan bakar gas, dengan komponen utama metana. Cadangan bahan bakar gas konvensional saat ini sebesar 187,3 triliun m3, setara dengan produksi selama 55,7 tahun (www.bp.com/statisticalreview). Data tersebut menunjukkan bahwa cadangan bahan bakar gas konvensional juga tidak mencukupi untuk penggunaan jangka panjang. Maka orang mulai untuk memikirkan kemungkinan sumber bahan bakar lain yang ketersediaannya cukup menjanjikan untuk penggunaan jangka panjang.
Pada tahun 1934 Hammerschmidt melakukan tinjauan pada pipa gas Amerika yang tersumbat saat musim dingin. Pada awalnya diduga sumbat pada
2 pipa adalah es. Akan tetapi, berdasarkan penelitian di laboratorium ditemukan bahwa sumbat tersebut bukanlah es, namun hidrat dari gas. Pada tahun 1966 hidrat dari natural gas pertama kali dibuat di laboratorium dalam media berpori. Hasil penelitian menunjukkan bahwa hidrat dapat terbentuk dan stabil dalam lapisan bebatuan pada kondisi termodinamika yang spesifik. Hal ini mengarahkan peneliti untuk mencari keberadaan hidrat gas di alam yang nantinya akan digunakan sebagai sumber energi masa depan. Cadangan hidrat gas ditemukan di seluruh dunia di kedalaman laut dan di kawasan artik. Lebih dari 220 lokasi cadangan hidrat gas telah ditemukan sampai saat ini (Makogon,2005). Peta penemuan lokasi cadangan hidrat gas ditunjukkan pada Gambar 1.1 berikut.
Gambar 1.1 Peta Lokasi Penemuan Cadangan Hidrat Gas. (Makogon, 2005) Potensi cadangan gas alam dalam bentuk hidrat di seluruh dunia adalah lebih dari 1,5x1016 m3 yang tersebar di seluruh permukaan bumi, baik di dalam tanah maupun di dalam lautan. Hanya dengan 15% produksi gas alam ini, dapat terpenuhi kebutuhan energi selama 200 tahun pada level konsumsi saat ini (Makogon, 2005). Produksi gas alam dari hidrat gas dapat memberi kontribusi
3 pada perkembangan ekonomi secara berkelanjutan, yaitu berupa pemenuhan kebutuhan energi jangka panjang.
Natural gas hydrates adalah kristal padat (clathrate) yang tersusun dari air dan gas alam. Molekul gas terjebak di dalam sangkar air yang tersusun atas ikatan hidrogen dari molekul-molekul air. Natural gas hydrates stabil pada tekanan tinggi dan suhu rendah, dan terjadi secara alami di dasar laut yang bertekanan tinggi dan bersuhu rendah pada kedalaman 150-2000 meter di bawah permukaan laut. Jenis molekul gas yang dapat membentuk hidrat di antaranya adalah metana, etana, propana, dan karbon dioksida (Sloan, 2008).
Hidrat metana terdiri dari gas metana dan air yang membentuk kristal padat atau lebih dikenal dengan istilah clathrate, menyerupai es tetapi dapat terbakar jika bertemu dengan sumber api. Hidrat metana ditemukan beberapa dekade yang lalu dan beberapa penelitian telah dilakukan hingga saat ini. Dengan beberapa perhitungan diketahui bahwa potensi energi yang terkandung di dalam deposit hidrat metana jumlahnya lebih dari dua kali jumlah total energi dalam gas, minyak, dan batu bara kovensional digabung menjadi satu. Meskipun gas metana merupakan gas rumah kaca yang mempunyai dampak lebih berbahaya dibandingkan CO2, namun metana merupakan salah satu bahan bakar alternatif
yang banyak diminati. Hal ini terkait dengan tingginya bilangan oktan dan pembakaran yang bersih karena rasio H/C yang tinggi pada molekul metana.
Suhu dan tekanan kritis metana adalah 190,564 K dan 4,599 MPa. Dengan demikian pada kondisi normal metana berwujud gas, sehingga diperlukan tangki yang sangat besar untuk penyimpanannya. Gas metana biasanya dikemas secara
4 konvensional dengan pencairan gas yaitu pendinginan gas dengan sistem refrigerasi pada tekanan atmosferis atau menekan gas pada vessel bertekanan tinggi pada suhu kamar. Hal ini akan menimbulkan banyak kesulitan dalam hal teknologi dan keselamatan, terutama jika metana diinginkan sebagai bahan bakar alternatif untuk kendaraan. Oleh karena itu, diperlukan teknologi yang lebih aman dalam penyimpanan gas metana. Salah satu teknologi penyimpanan gas metana yang sedang banyak diteliti adalah dengan meniru fenomena hidrat gas. Pada teknologi ini, gas metana dapat disimpan dengan tekanan tidak terlalu tinggi dan suhu tidak terlalu rendah jika dibandingkan dengan sistem pencairan gas.
Hidrat gas merupakan bentuk penyimpanan gas dengan densitas tinggi. Dalam bentuk hidrat, 1 m3 hidrat metana (solid) dapat menampung sampai 164 m3 gas metana pada kondisi standar (STP). Dalam 1 m3 hidrat metana ini, volum yang ditempati oleh metana sebesar 0,2 m3, sedangkan sisanya sebesar 0,8 m3 terisi oleh air (Makogon et al., 2007). Volume 164 m3 gas metana pada kondisi standar (STP), memiliki volume 4,26 m3 pada kondisi pembentukan hidrat metana suhu 2,5 ˚C tekanan 33,1 bar, sedangkan volume hidrat metana adalah 1 m3
, sehingga penyimpanan gas metana dalam bentuk hidrat dapat mengurangi volume gas hingga lebih dari empat kali pada kondisi yang sama. Sehingga gas metana bila disimpan dalam bentuk hidrat akan lebih ekonomis karena dapat menampung gas dalam jumlah besar tapi dengan volum yang lebih kecil, serta lebih aman karena tekanannya tidak terlalu tinggi dan suhunya tidak terlalu rendah. Pada Tabel 1.1 dapat dilihat berbagai kondisi pembentukan hidrat metana.
5 Tabel 1.1 Kondisi Pembentukan Hidrat Metana. (Caroll, 2009)
Suhu (˚C) Tekanan (MPa) Komposisi Cairan (% mol CH4) Uap (% mol H2O) Hidrat (% mol CH4) 2,5 3,31 0,12 0,026 14,2 5,0 4,26 0,14 0,026 14,3 7,5 5,53 0,16 0,025 14,4
Catatan : komposisi untuk cairan dan hidrat adalah persen mol CH4, sedangkan
untuk uap adalah persen mol air.
Penelitian mengenai hidrat gas mulai dilakukan sejak tahun 1778 saat Priestley menemukan kristal melalui proses penggelembungan gas SO2 melewati
air pada suhu 0˚C tekanan atmosferis. Namun dalam menjelaskan kristal yang diperolehnya, Priestley tidak menamakan hidrat. Sekitar 33 tahun kemudian pada tahun 1811 Davy menemukan kristal yang serupa dari gas Cl2 yang dinamakan
hidrat gas. Hasil dari penelitian Davy tidak menarik banyak perhatian ketika itu, sehingga studi tentang hidrat gas tidak berkembang hingga sekitar seratus tahun. Pada tahun 1934, Hammerschmidt melakukan studi tentang pipa gas di Amerika yang tersumbat saat musim dingin, sumbat yang awalnya diasumsikan sebagai es ternyata merupakan hidrat dari gas. Ketika itu penelitian tentang kondisi pembentukan hidrat sangat diperlukan untuk menemukan cara efektif guna mencegah padatan hidrat menyumbat aliran pipa gas. Sebanyak 144 penelitian telah dipubikasikan dalam periode 1934 hingga 1965 (Makogon,2005).
Penelitian tentang hidrat gas pada periode berikutnya berhubungan dengan penemuan sumber hidrat gas di alam, yang diramalkan sebagai sumber energi masa depan. Hidrat di alam ditemukan di dalam lapisan sedimen, sehingga
6 penelitian hidrat gas terbaru adalah mengenai kestabilan pembentukan dan penguraian hidrat gas di dalam berbagai media untuk meniru sedimen alami. Beberapa penelitian yang terbaru diantaranya adalah penelitian yang dilakukan oleh Sung Chan Nam et al. (2008) tentang kinetika pembentukan dan peruraian hidrat metana pada media pasir silika dengan diameter rata-rata 329 µm. Tumpukan pasir silika ditempatkan dalam crystallizer dan ditambahkan air. Kemudian crystallizer diijeksikan gas metana dengan tekanan 8 MPa dan suhu dijaga tetap 1, 4, dan 7 ˚C. Pembentukan inti kristal lebih banyak terjadi pada suhu 1 dan 4 ˚C, sehingga konversi air menjadi hidrat pada suhu 1 dan 4 ˚C (79,8 dan 78,5 % mol) lebih besar dibandingkan suhu 7 ˚C (11,0 % mol).
Penelitian berikutnya oleh Zang et al. (2012), tentang pembentukan hidrat gas pada media pasir silika dengan diameter 150 – 380 µm. Pada penelitian ini digunakan gas metana murni dan campuran gas (91,85 % metana, 5,09% etana dan 3,06% propana). Hasil dari penelitian ini adalah kecepatan pembentukan hidrat metana lebih rendah jika dibandingkan dengan hidrat campuran gas. Diameter partikel pasir sangat mempengaruhi kecepatan pembentukan hidrat metana, namun pengaruh ukuran diameter tidak begitu signifikan terlihat pada hidrat campuran gas.
Penelitian oleh terbaru Chari et al. (2013) tentang pembentukan hidrat metana pada silika 250 nm, menunjukkan hasil bahwa yield hidrat meningkat dengan keberadaan silika. Dengan rasio berat silika dibandingkan berat air 1 : 8 diperoleh yield hidrat sekitar 40%, sedangkan dengan rasio berat silika dibandingkan berat air 1 : 4, yield hidrat mencapai 80%.
7 Salah satu hal penting dalam penelitian mengenai hidrat metana adalah perilaku termodinamika. Data termodinamika sangat penting dalam pengembangan teknologi methane storage yang meniru fenomena hidrat gas. Maka dalam penelitian ini akan diteliti mengenai kondisi kesetimbangan pembentukan hidrat metana. Pada penelitian kali ini akan diteliti perilaku termodinamika pembentukan hidrat metana dalam media glass beads dengan berbagai ukuran yaitu 680, 425, dan 250µm.
1.2 Rumusan Masalah
Pada penelitian ini akan dianalisa pembentukan hidrat metana ditinjau dari konsep termodinamika dan pengaruh ukuran glass beads terhadap tekanan pembentukan hidrat metana.
1.3 Keaslian Penelitian
Dari hasil studi pustaka yang telah dilakukan, penelitian tentang perilaku termodinamika pembentukan hidrat metana dengan menggunakan air murni dan glass beads dengan ukuran 680, 425, dan 250 µm sebagai media pembentukan hidrat belum pernah dilakukan. Penelitian yang pernah dilakukan yang terdapat di literatur adalah penelitian mengenai kinetika pembentukan dan peruraian hidrat metana pada pasir silika dengan berbagai ukuran (Sung et al. (2008), Pinnelli et al. (2012), Zang et al. (2012)) dan penelitian untuk memprediksi stabilitas termodinamika hidrat metana di lautan dengan pengaruh kadar garam dan gaya kapilaritas (Duan,2007, 2011).
8 1.4 Manfaat Penelitian
Manfaat yang diharapkan dapat diperoleh dari penelitian ini adalah : 1. Diharapkan penelitian ini dapat berkontribusi memberikan informasi tentang
data termodinamika pembentukan hidrat metana pada media glass beads. 2. Diharapkan penelitian ini dapat memberikan solusi penyimpanan gas metana,
yaitu penyimpanan dalam bentuk hidrat yang lebih aman dan efisien.
1.5 Tujuan Penelitian
Tujuan umum dari penelitian ini adalah mempelajari termodinamika proses pembentukan hidrat metana sehingga diperoleh kondisi suhu dan tekanan kesetimbangan pembentukan hidrat metana pada media glass beads.
Tujuan khusus dari penelitian ini adalah menghitung nilai konstanta Langmuir (C1,CH4 dan C2,CH4), guna merumuskan hubungan antara suhu dengan
