RANCANGAN CARA PENANGGULANGAN ENERGI TERBUANG
DENGAN PENGAPLIKASIAN ARTIFICIAL PHOTOSYNTHESIS
PADA EMISI KARBON DIOKSIDA DARI PABRIK
Makalah Fisika Dasar
Oleh:
NAMA: SITTI MENTARI AMALIA ANDARI
NIM: 201134173745210
BIOTECHNOLOGY AND NEUROSCIENCE STUDY PROGRAM LIFE SCIENCES FACULTY
Saya, yang bertanda tangan dibawah, telah menyusun sendiri makalah ini dengan jujur. Jika saya terbukti melakukan kecurangan dan/atau plagiarisme, maka saya bersedia menerima sanksi dari pihak Surya University.
Tangerang, 7 Maret 2014.
RANCANGAN CARA PENANGGULANGAN ENERGI TERBUANG DENGAN PENGAPLIKASIAN ARTIFICIAL PHOTOSYNTHESIS
PADA EMISI KARBON DIOKSIDA DARI PABRIK
ABSTRACT
An object or a system can be said to contain energy when it has the ability to do work. Work is basically the transfer of energy from a system to another as force acts on the object and has a displacement. Power is the measure of work done in a period of time.
Energy can be produced from various sources, both renewable and non-renewable. The excessive use of non-renewable sources of energy, or fossil fuels, in the world is the main reason for the global warming phenomenon. The problem is that when people use non-renewable energy in their daily life, a large amount of this energy is wasted in vain. This paper discusses about the excess energy wasted and a way to help maintain and utilize this energy.
Artificial photosynthesis is a replication process of plant photosynthesis. Its development is a step further ahead of the usual photovoltaic cells in solar power harvests. The application of artificial photosynthesis cells to help carbon dioxide gas emission from factories is hoped to be a suitable innovation in managing excess energy waste.
1. Pendahuluan 1.1. Latar Belakang
Energi dalam fisika adalah kemampuan suatu benda untuk melakukan kerja, atau usaha [1]. Kerja adalah hasil dari gaya yang dilakukan kepada suatu objek yang menghasilkan perpindahan objek tersebut [2]. Secara garis besar, energi dibagi menjadi dua bentuk dan sumber, yaitu energi tak terbarukan dan energi terbarukan.
Energi tak terbarukan adalah energi yang sumbernya tidak dapat diperbaharui atau akan membutuhkan waktu yang sangat lama untuk diperbaharui. Contoh sumber energi tak terbarukan adalah bahan bakar fosil, atau bahan bakar mineral, dan energi nuklir.
Energi terbarukan adalah energi dari sumber daya alam yang dapat diperbaharui sejalan dengan waktu. Sumber-sumber dari energi terbarukan antara lain energi panas bumi, energi angin, dan energi surya. Selain itu, energi dari bahan-bahan organik juga termasuk dalam energi terbarukan. Penggunaan energi terbarukan diharapkan dapat membantu membatasi efek rumah kaca [3].
Dalam kehidupan sehari-hari, banyak aktivitas manusia yang membutuhkan energi dan banyak dari energi yang dipakai menjadi energi yang terbuang dengan sia-sia. Mulai dari menangkap radiasi elektromagnetik yang tidak terpakai dan mengubahnya menjadi energi listrik, hingga piezoelectricity yang mengambil tenaga dan tekanan dari getaran (stress mekanik) pada jalan yang dilewati mobil untuk menghasilkan muatan listrik, banyak cara-cara pemanfaatan energi terbuang yang sudah ditemukan.
Pada proses fotosintesis, gas karbon dioksida dan air bereaksi secara kimiawi untuk membentuk karbohidrat dan gas oksigen yang sangat bermanfaat bagi bumi. Saat ini, para peneliti di Amerika Serikat sedang meneliti tentang fotosintesis buatan, atau artificial photosynthesis. Peneliti-peneliti di JCAP, atau Joint Center for Artificial Photosynthesis, sudah meneliti tentang artificial photosynthesis sejak 2010 dibawah naungan U.S. Department of Energy (DOE) untuk membuat bahan bakar dari cahaya matahari, air, dan karbon dioksida [5].
Dengan kandungan gas karbon dioksida pada emisi gas polusi dari pabrik-pabrik yang sangat tinggi, pengaplikasian artificial photosynthesis terhadap gas karbon dioksida dari limbah pabrik diharapkan dapat membantu mengurangnya polusi di udara dan jumlah energi yang terbuang dengan sia-sia.
1.2. Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang diatas, maka rumusan masalah yang dibuat adalah apakah pengaplikasian artificial phosynthesis pada emisi asap pabrik dapat membantu dalam pemanfaatan energi yang terbuang.
1.3. Tujuan Penelitian
Tujuan penilitian ini adalah menganalisis apakah pengaplikasian artificial photosynthesis pada emisi asap pabrik dapat membantu dalam pemanfaatan energi yang terbuang.
2. Tinjauan Pustaka
2.1. Kerja, Energi, dan Daya
Dalam perspektif fisika, energi adalah kemampuan atau kapasitas suatu benda untuk melakukan kerja, atau usaha. Kerja adalah kegiatan suatu benda saat diberikan gaya dan bergerak atau mempunyai perpindahan (displacement) [6][7]. Persamaan dibawah menunjukkan korelasi antara gaya dan perpindahan benda pada suatu kerja atau usaha. Contoh, jika seseorang mendorong kardus di atas lantai dan kardusnya bergerak, maka ada kerja yang dihasilkan, tetapi jika seseorang mendoro tembok dan temboknya tidak bergerak, tidak ada kerja yang dihasilkan walaupun gaya sudah diberikan.
W = FΔs cos θ
Atau
Dengan kata lain, kerja adalah pengukuran dari transfer energi pada suatu sistem ke sistem lain, atau transferensi, atau perubahan dari bentuk energi satu menjadi yang lain, atau transduksi [8]. Semua benda yang dapat melakukan kerja mempunyai dan menggunakan energi.
Energi ada dalam berbagai bentuk. Contoh-contohnya adalah energi cahaya, energi gravitasi, energi listrik, energi bunyi atau suara, energi kimia, dan energi nuklir atau atom [9]. Tetapi pada dasarnya dapat dibedakan menjadi dua, energi kinetik dan energi potensial.
potensial. Ada juga yang dinamakan energi mekanikal, dimana energi mekanikal adalah gabungan antara energi potensial dan energi kinetik suatu benda.
Energi dapat diukur dan dihitung dengan satuan pengukuran SI Joule (J), sama seperti kerja, atau kg m2 s-2, sedangkan unit pengukuran energi listrik adalah kilowatt hour (kWH) yang setara dengan 3600 kJ.
2.1.1. Hukum Kekekalan Energi (Conservation law of energy)
Isi dari Hukum Kekekalan Energi adalah:
“Energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, tetapi hanya dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain.”
Hukum Kekekalan Energi juga merupakan isi dari Hukum I Termodinamika. Hubungan antara hukum konservasi atau kekekalan energi dengan kerja atau usaha dapat dituliskan sebagai persamaan dibawah.
Dalam kehidupan sehari-hari, kita membutuhkan energi listrik. Energi listrik didapatkan dari berbagai sumber. Sumber energi dapat dibagi menjadi dua, energi tak terbarukan, atau non-renewable energy, dan energi terbarukan, atau renewable energy.
2.1.2. Energi tak terbarukan (Non-renewable)
Energi tak terbarukan, atau non-renewable energy, merupakan energi yang dihasilkan dari sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui atau sangat sulit dan membutuhkan jangka waktu yang panjang untuk diperbaharui. Sebagian besar energi yang kita konsumsi diproduksi oleh sumber energi tak terbarukan yaitu bahan bakar fosil, atau fossil fuels, yaitu minyak (petroleum), gas alam, dan batu bara [10].
Bahan bakar fosil, atau bahan bakar mineral dibentuk dari fosil-fosil tumbuhan dan hewan [11] yang berlangsung selama jutaan tahun. Pembakaran bahan bakar fosil adalah sumber paling besar dari jumlah emisi gas karbon dioksida (CO2) yang merupakan salah satu gas rumah kaca (greenhouse gases) [12].
Gas-gas rumah kaca menyebabkan terjadinya efek rumah kaca, yaitu saat gas-gas rumah kaca memerangkap panas dalam atmosfer yang akhirnya dapat menaikkan suhu bumi [13].
Selain bahan bakar fosil, energi nuklir pun termasuk dalam energi tak terbarukan. Energi nuklir menggunakan atom-atom Uranium-235 yang keberadaannya akan menipis seiring waktu. Uranium-235 ditambang dari batu-batuan mineral dan energi listrik didapatkan dari energi yang dikeluarkan saat pembelahan nuklir (nuclear fission) dalam reaktor nuklir [14].
2.1.3. Energi terbarukan (Renewable)
organik atau biomass, seperti pohon yang sudah mati, sisa-sisa potongan kayu, hingga kotoran sapi [15] juga dapat dikategorikan sebagai sumber energi terbarukan.
2.1.4. Pengumpulan energi (Energy harvesting)
Pengumpulan energi, atau energy harvesting (EH), merupakan proses pengumpulan energi dari sumber-sumber eksternal, seperti energi surya, energi panas, energi kinetik, yang lalu disimpan ke dalam perangkat-perangkat kecil untuk dipakai [16]. EH dapat digunakan pada perangkat-perangkat elektronik kecil yang tidak membutuhkan banyak daya.
Beberapa contoh perangkat EH yang sudah dikenal adalah bahan-bahan piezoelectric dan pyroelectric. Bahan-bahan piezoelectric dapat mengumpulkan energi dari getaran, gerakan, dan suara dan diubah menjadi energi listrik, sedangkan bahan-bahan pyroelectric dan thermoelectric dapat mengumpulkan energi dari panas dan diubah menjadi energi listrik [17].
Selain itu, ada juga perangkat yang bernama photovoltaic (PV) energy harvesting techonology dimana alat yang dipakai mengumpulkan energi dari panas matahari atau tenaga surya. Sel-sel PV dapat memberikan energi ke perangkat elektronik seperti kalkulator hingga rumah dan penanda-penanda jalan [18].
2.2. Polusi Udara dari Asap Pabrik (Air pollution)
Polusi udara merupakan salah satu penyebab tingginya tingkat gas rumah kaca. Gas-gas rumah kaca termasuk uap air, karbon dioksida, gas metana, gas N2O,
dan ozon dapat memerangkap panas dari matahari dan merupakan ‘selimut’ yang menghangatkan bumi. Tetapi tidak sepenuhnya peran gas rumah kaca buruk karena jika gas-gas rumah kaca tidak ada sama sekali, suhu bumi akan menurut drastis sehingga 30 derajat Celsius lebih dingin [13]. Gas rumah kaca lainnya seperti CFCs, atau chlorofluorocarbons, merupakan gas rumah kaca buatan manusia yang ada karena proses-proses industri [19].
2.3. Fotosintesis Buatan (Artificial Photosynthesis)
Gambar 1. Proses artificial photosynthesis. Sumber: Royal Society of Chemistry
Artificial photosynthesis menggunakan prinsip PV cells, atau photovoltaic cells, yang menangkap cahaya foton seperti layaknya pengambilan energi surya biasanya dan mengubahnya menjadi energi listrik. Bedanya, pada proses artificial photosynthesis, memanfaatkan sifat-sifat enzim sebagai katalis dan organisme-organisme fotoautotrof kepada teori photoelectrochemistry dan produksi tenaga surya.
Peneliti di Nocera Lab di MIT, Massachusetts Institute of Technology, telah menemukan daun buatan, atau artificial leaf dari bahan-bahan stabil seperti silicone, elektronik, dan berbagai katalis agar daun buatan tersebut dapat bekerja selayaknya daun asli saat ditaruh di gelas berisi air dan dibiarkan dibawah sinar matahari. Selain itu, perusahaan elektronik Panasonic membuat proses artificial photosynthesis dengan semikonduktor dari bahan nitrida yang dapat digunakan untuk mengubah foton pada elektron-elektron untuk membelah air. Reaksi selanjutnya adalah mengubah karbon dioksida dan air dengan bantuin katalis metalik [20].
3. Analisis Inovasi
Salah satu aktivitas sehari-hari yang menghasilkan energi yang terbuang adalah terbuangnya gas polusi udara dari pabrik-pabrik. Pengaplikasian fotosintesis buatan, atau artificial photosynthesis kepada gas polusi udara yang mengandung CO2
merupakan salah satu inovasi yang dapat dipakai untuk membantu mengurangi jumlah energi yang terbuang dengan sia-sia.
Gas polusi udara dari pabrik-pabrik mengandung CO2 yang dapat meningkatkan level
gas rumah kaca yang menyebabkan pemanasan global. Selain membantu mengurangi jumlah energi yang terbuang, penggunaan artificial photosynthesis pada gas polusi udara dari pabrik dapat mengurangi tingkat CO2 pada bumi.
Artificial photosynthesis menggunakan cahaya matahari untuk mengubah gas karbon dioksida dan air menjadi karbohidrat yang dapat dipakai sebagai bahan bakar. Inovasi yang disarankan adalah penggunaan gas karbon dioksida dalam gas polusi udara dari emisi pabrik sebagai bahan untuk artificialphotosynthesis.
Gas polusi udara dari emisi pabrik dapat diarahkan untuk proses artificial photosynthesis dan gas karbon dioksida dapat dipisahkan dari gas-gas lainnya yang terkandung dalam polusi melalui proses Carbon Capture and Sequestration Technology (CCS) [21].
Ada tiga tahapan dalam proses ini, yaitu pemerangkapan gas karbon dioksida dari gas-gas lain, pemindahan gas karbon dioksida ke tempat penyimpanan, dan pembuangan gas karbon dioksida ke dalam tanah atau lautan. Karena proses artificial photosynthesis memerlukan karbon dioksida, maka ujung dari pipa gas CO2 tidak
berakhir di tempat penyimpanan seperti ke dalam tanah atau lautan. Karena gas karbon dioksida dibutuhkan untu proses artificial photosynthesis, maka gas CO2
dalam pipeline akan dipindahkan ke ruang tempat proses artificial photosynthesis ini akan berlangsung.
4. Simpulan
Berdasarkan analisis yang sudah dilakukan terhadap inovasi atau ide yang dikemukakan, maka kesimpulan yang didapat adalah bahwa adanya sejumlah energi yang terbuang dengan sia-sia pada kehidupan sehari-hari, salah satunya adalah gas polusi udara dari pabrik-pabrik. Penggunaan fotosintesis buatan, atau artificial photosynthesis, dalam penanggulangan gas polusi udara tersebut tidak hanya membantu dalam aspek energi yang terbuang tetapi juga dalam penanggulangan tingkat gas CO2 yang merupakan gas rumah kaca.
DAFTAR PUSTAKA
[1] “Energy (physics)” Internet:
http://global.britannica.com/EBchecked/topic/187171/energy, 27 Jan 2014 [5 Mar 2014]. [2] “SparkNotes: SAT Physics: Work” Internet:
http://www.sparknotes.com/testprep/books/sat2/physics/chapter7section1.rhtml, [5 Mar 2014].
[3] Researchomatic, “Individual Energy” Internet:
http://www.researchomatic.com/individual-energy-65802.html, 3 Mar 2011 [5 Mar 2014]. [4] National Geographic Education, “Air pollution” Internet:
http://education.nationalgeographic.com/education/encyclopedia/air-pollution/?ar_a=1, [6 Mar 2014].
[5] Joint Center for Artificial Photosynthesis, “Joint Center for Artificial Photosynthesis” Internet: http://solarfuelshub.org/about/, [6 Mar 2014].
[6]The Physics Classroom, “Definition and Mathematics of Work” Internet:
http://www.physicsclassroom.com/class/energy/Lesson-1/Definition-and-Mathematics-of-Work, [6 Mar 2014].
[7] R. Nave. Hyper Physics, “Work” Internet: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/wcon.html, [6 Mar 2014].
[8] Glenn Elert. The Physics Hypertextbook, “Work – summary” Internet: http://physics.info/work/summary.shtml, [6 Mar 2014]
[9] Solarschools.net, “What is energy: different forms of energy” Internet:
http://www.solarschools.net/resources/stuff/different_forms_of_energy.aspx, [6 Mar 2014]. [10] U.S. Energy Information Department, “What is energy? – energy explained, your guide to understanding energy” Internet:
http://www.eia.gov/energyexplained/index.cfm?page=about_home, 27 Sep 2013 [6 Mar 2014].
[11] Perpustakaan Kementerian Pekerjaan Umum, “Bahan bakar fosil” Internet: http://pustaka.pu.go.id/new/istilah-bidang-detail.asp?id=1759, [6 Mar 2014]. [12] Science Daily, “Fossil fuel” Internet:
http://www.sciencedaily.com/articles/f/fossil_fuel.htm, 6 Mar 2014 [6 Mar 2014]. [13] Larry West. About.com Environmental Issues, “What is the greenhouse effect?” Internet: http://environment.about.com/od/globalwarming/a/greenhouse.htm, [6 Mar 2014]. [14] BBC – GCSE Bitesize, “Renewable and non-renewable energy sources” Internet: http://www.bbc.co.uk/schools/gcsebitesize/geography/energy_resources/energy_rev1.sht ml, [6 Mar 2014].
[15] The Energy Story, “Chapter 10: biomass energy” Internet: http://www.energyquest.ca.gov/story/chapter10.html, [6 Mar 2014]. [16] Energy Harvesting Forum, “What is energy harvesting?” Internet: http://www.energyharvesting.net/, [6 Mar 2014].
[17] Institute of Physics, “Energy harvesting” Internet: http://www.iop.org/resources/energy/#3, [6 Mar 2014].
[18] Solar Energy Industries Association, “Photovoltaic (solar electric)” Internet: http://www.seia.org/policy/solar-technology/photovoltaic-solar-electric, [6 Mar 2014]. [19] US Environmental Protection Agency, “Greenhouse gas emissions: greenhouse gases overview” Internet: http://www.epa.gov/climatechange/ghgemissions/gases.html, 9 Sep 2014 [6 Mar 2014].
[20] Popular Science, “Panasonic’s artificial photosynthesis turns water, sunlight, and CO2
into useful chemicals” Internet: http://www.popsci.com/science/article/2012-
