Sistem Kombinasi Garam Nitrat Sebagai PC

SISTEM KOMBINASI GARAM NITRAT SEBAGAI PENYIMPAN

PANAS PADA KONVERSI ENERGI MATAHARI

Dian Nita Citra Dewi*, Susilowati*, Bambang Poerwadi, dan Diah Agustina P

Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Brawijaya

Jl. MT. Haryono No. 167, Malang, 6541, Telp : (0341) 587710 ext : 1333, Fax: (0341)574140 *)dianitacitra@gmail.com ; susi.tekkim2011@gmail.com

Abstrak

Berdasarkan Outlook Energi Indonesia tahun 2013, konsumsi energi listrik di Indonesia terus meningkat sejalan dengan pertumbuhan ekonomi penduduk yaitu dengan peningkatan kebutuhan mencapai 8,4% per tahun. Hingga tahun 2012, energi ini dihasilkan dari bahan bakar fosil yang tidak bisa diperbarui sedangkan, pemanfaatan EBT (Energi baru terbarukan) terutama energi panas matahari masih mencapai kurang dari 1%. Dalam proses peningkatan pemanfaatan energi matahari di Indonesia yang memiliki intensitas satisfy sekitar 4,8 KWh/m2/hari diperlukan material yang dapat menyimpan panas secara optimal. Material penyimpan panas (TES) yang digunakan adalah salah satu jenis Phase Change Material (PCM) yang menyimpan panas matahari dalam bentuk panas laten (panas untuk merubah fasanya dari padat menjadi cair). PCM yang digunakan adalah PCM eutectic (campuran) yaitu Na2SO4.3H2O/ NaNO3 dengan kombinasi nitrat 2 wt%, 3 wt% dan 4 wt% dalam massa sampel

total sebesar 1 Kg. Panas yang disimpan oleh PCM dikonversi menjadi listrik menggunakan termoelektrik single stageyang dirangkai secara seri untuk mendapatkan nilai tegangan yang besar.

Penelitian ini bertujuan untuk menentukan komposisi optimal nitrat dalam garam kombinasi berdasarkan kemampuannya untuk menyimpan panas dan menentukan konversi panas menjadi listrik menggunakan termoelektrik TEC 12706.

Berdasarkan hasil pengujian dan analisa data diperoleh data bahwa PCM 4wt% NaNO3 +

96wt% Na2SO4.3H2O mampu mencapai suhu pemanasan paling tinggi dibanding variabel

lainnya, yaitu 120°C dan menyimpan panas sebesar 424,752 kJ /kg. Pada proses konversi energi, komposisi tersebut mampu menghasilkan daya listrik akumulatif optimum sebesar 218,852 mW dalam kurun waktu 180 menit dan panas terkonversi sebesar 0,56%.

Kata Kunci :Konversi energimatahari, PCM (Phase change Material), eutectic Na2SO4.3H2O/ NaNO3,

termoelektrik, listrik

PENDAHULUAN

Berdasarkan Outlook Energi Indonesia tahun 2013, konsumsi energi terus meningkat sejalan dengan pertumbuhan ekonomi penduduk yaitu pertumbuhan rata – rata kebutuhan energi diperkirakan sebesar 4,7% pertahun selama tahun 2011 – 2030. Kebutuhan energi khususnya energi listrik meningkat pesat dan dominan digunakan hampir di setiap sektor, terutama di sektor rumah tangga dan komersial sehingga laju peningkatan kebutuhan mencapai 8,4% per tahun [2].

Indonesia memiliki banyak potensi energi baru terbarukan, diantaranya tenaga minihidro, panas bumi, biomassa, angin dan energi surya (matahari) yang bersih dan ramah lingkungan,tetapi pemanfaatannya belum optimal [1].

Energi matahari secara efisien dan ekonomis disimpan sebagai energi termal sehingga dengan peluang dan keuntungan tersebut maka konversi energi termal matahari menjadi energi listrik merupakan salah satu langkah tepat untuk pencapaian pemanfaatan energi baru tebarukan yang ramah lingkungan [8].

Pada beberapa tahun terakhir pemanfaatan TES (Thermal Energi Storage) menggunakan material yang dapat berubah fasa menarik berbagai kalangan seperti komunitas peneliti, arsitek maupun engineer.Hal ini dikarenakan material TES mudah dan murah dalam aplikasinya. TES (Thermal Energi Storage ) merupakan material yang mampu menyimpan energi panas. Pada dasarnya penyimpanan energi termal ini dapat diklasifikasikan sebagai penyimpan energi dalam bentuk panas laten, panas sensible dan gabungan dari panas sensible dan panas laten. Diantaranya jenis penyimpan energi tersebut, yang paling menarik adalah penyimpanan energi dalam bentuk panas laten menggunakan material berubah fasa (PCM) yang memiliki banyak keuntungan diantaranya mampu menyimpan energi panas dalam kapasitas besar dengan volume material yang kecil [11].

Salah satu garam hidrat yang sering digunakan untuk mencapai penyimpanan panas yang optimal adalah garam sistem campuran eutectic.Sistem campuran eutectic merupakan campuran garam major dengan 96% - 98% berat total campuran garam sedangkan sisanya merupakan komponen minor dari campuran garam tersebut. Komponen minor menempati berat 2% hingga 4% dari total massa campuran garam [5]. Penggunaam campuran eutectic ini dapat mencegah terjadinya pemisahan fasa (fenomena yang dapat terjadi pada penggunaan PCM non-organik) [6].

Berdasarkan hasil studi literatur, salah satu contoh media penyimpan panas yang dapat dimanfaatkan dalam upaya konversi panas matahari yaitu kombinasi garam nitrat Na2SO4.3H2O/ NaNO3 yang umumnya

disebut sebagai garam PCM (Phase Change Material) non-organik. Prinsip penyimpanan panas pada sistem kombinasi garam nitrat ini berdasarkan panas laten yang dimilikinya. Jika dibandingkan dengan penyimpan panas berdasarkan panas sensible (seperti air, glikol) maka penyimpanan dengan memanfaatkan panas laten lebih unggul karena memiliki densitas penyimpanan yang tinggi yaitu 93 kWh/m3, dapat mengurangi ukuran tangki penyimpan hingga 6 – 10 kali lebih kecil dan kehilangan panas lebih rendah [3].

METODE PENELITIAN Bahan Penelitian

Pada penelitian ini menggunakan garam Na2SO4.3H2O teknis, garam NaNO3 teknis, Aquades, termopasta,

isolator (peredam panas mesin) dan aluminium foil.

Alat Penelitian

Penelitian ini menggunakan box salt storage berdimensi 18cm x 12cm x 6 cm, 4 buah termoelektrik tipe TEC12706 (dimensi 40 mm x 40 mm x 4 mm), 1 buah heatsink sirip 10 dimensi 180 mm x 92 mm x 25 mm, 1 buah termokopel, 2 buah termometer, 1 unit neraca analitik, 2 buah multimeter digital tipe DT-830B, 1 buah

resistor 10Ω /4 watt, 1 buah gunting dan kolektor surya tipe konsentrator. Prosedur Penelitian

Secara umum tahapan penelitian terdiri dari (a) persiapan penelitian yang meliputi persiapan bahan, alat dan rangkaian alat, (b) karakterisasi bahan baku yang terdiri dari uji titik leleh dan uji kandungan hidrat dari garam pada variabel bebas, (c) uji coba laboratorium terdiri dari proses pemanasan garam (PCM) dan proses pendingingan (discharging) PCM sekaligus proses konversi panas menjadi listrik saat proses pendinginan, (d) analisis data uji coba laboratorium untuk mendapatkan komposisi nitrat yang optimal dalam menyimpan panas, dan (e) Uji prototype dengan menggunakan komposisi nitrat yang paling optimal saat uji laboratorium dan menggunakan kolektor surya tipe konsentrator sebagai pemantul sinar matahari yang digunakan sebagai sumber panas pada uji ini.

Variabel Penelitian

Pada penelitian ini menggunakan variabel bebas yang terdiri dari komposisi garam NaNO3 yaitu

bervariasi dari 2 wt%, 3 wt%, 4 wt% total.

Pengambilan Data

Sebelum penelitian dimulai, tahap awal yaitu proses pembuatan box salt storage (gambar 1)dan kolektor sinar matahari (gambar 2) dengan desain sebagai berikut :

Keterangan gambar sebagai berikut : 1. Solar Collector

2. Lengan Penyangga

3. Box storage

4. Tiang penyangga 5. Kaki penyangga

Gambar 2. Rancangan desain kolektor matahari

Pada box salt storage (gambar 1) menggunakan bahan kontruksi utama berupa lempengan stainless steel 430 yang tahan terhadap korosi sedangkan, bahan kontruksi utama untuk kolektor matahari berupa kaca karena kaca dapat memantulkan sinar matahari dengan baik menuju permukaan dasar box untuk memanaskan PCM dan menyimpan panas yang diserap oleh PCM tersebut.

Tahap penelitian penyimpan panas menggunakan PCM eutecnic Na2SO4.3H2O/ NaNO3 diawali

dengan penelitian laboratorium yang menggunakan kompor listrik sebagai pengganti dari panas matahari dan selanjutnya dilakukan uji prototype lapang menggunakan komposisi garaam yang paling optimum saat uji laboratorium.

Pengolahan Data Hasil Penelitian

Penelitian dilakukan sesuai metode pengambilan data yaitu dengan memanaskan 1 Kg campuran PCM Na2SO4.3H2O/ NaNO3 (dengan variasi komposisi nitrat) selama 135 menit pada skala daya

pemanasan kompor listrik 300 Watt.Kemudian dilakukan pengambilan data temperatur yang dicapai oleh PCM tersebut. Setelah itu, dilakukan proses konversi panas yang disimpan oleh PCM menggunkan 4 buah termoelektrik tipe TEC 12706 yang telah disusun seri. Daari proses konversi ini diperoleh data ∆T, tegangan dan arus yang dihasilkan termoelektrik. Proses pengambilan data ini dilakukan sebanyak 3 kali trial untuk semua variabel komposisi.

Data ∆T diperoleh dari selisih temperatur pada sisi panas termoelektrik (permukaan dasar box

salt storage) dan pada sisi dingin termoelektrik (permukaan dari heatsink.Selain itu pengambilan data arus listrik yang dihasilkan oleh termoelektrik dilakukan pembebanan dengan menggunakan resistor sebesar 10 ohm ¼ watt. Pengambilan data ini dilakukan sebanyak tiga kali kemudian data yang didapatkan dirata – rata untuk mendapatkan hasil yang valid.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Berdasarkan hasil penelitian didapatkan pembahasan data sebagai berikut :

1. Pengaruh nitrat terhadap temperatur akhir garam kombinasi saat proses pemanasan

(charging)

Phase Change Material (PCM) merupakan materi yang mengalami perubahan fasa ketika menyerap dan melepaskan panas (kalor laten) dimana struktur atau susunan kimianya tidak mengalami perubahan [9]. Salah satu contoh PCM yang umum digunakan yaitu jenis garam hidrat anorganik yang memiliki kelebihan yaitu memiliki titik leleh yang rendah, panas laten per satuan volume yang bagus, tidak mudah terbakar dan harganya relatif murah [12].

Dalam penelitian ini menggunakan PCM (phase change material) campuran garam Na2SO4.3H2O dan NaNO3 . Kemampuan campuran ini sebagai penyimpan panas disimulasikan dengan

proses pemanasan (charging) dan proses pendinginan (discharging). Proses pemanasan (charging) dibatasi hingga temperatur garam mencapai 120oC karena estimasi pemanasan yang dapat dicapai dengan menggunakan kolektor surya tipe parabolic concentrator berada dalam rentang tersebut [10]. Namun, berdasarkan hasil data penelitian laboratorium menggunakan pemanas kompor listrik selama 135 menit (t pemanasan) dapat disajikan data sesuai tabel 1 dibawah ini.

Berdasarkan tabel 1 diatas diperoleh bahwa jumlah persentase garam nitrat dapat mempengaruhi jumlah panas yang diserap oleh garam kombinasi saat proses charging. Jumlah panas yang diserap oleh PCM ini salah satunya ditandai dengan besarnya temperatur yang dicapai setelah pemanasan. Hal ini terlihat pada proses pemanasan yang sama, maka makin besar kuantitas NaNO3 (variabel D) pada sampel

berdampak pada peningkatan nilai temperatur yang dapat dicapai. Fenomena ini terjadi karena adanya pengaruh perbedaan besar panas sensibel yang dicapai oleh masing-masing variabel. Panas sensibel merupakan panas yang disimpan PCM dengan cara menaikkan temperaturnya. Estimasi besarnya panas sensibel dapat diketahui dengan menggunakan persamaan :

Q= m Cp ∆T (1)

Perhitungan nilai dari panas sensibel menggunakan persamaan diatas didapatkan data sebagai berikut :

Tabel 2. Panas Sensibel yang dapat Dicapai

Pada tabel 2 menyatakan bahwa makin besar komposisi nitrat maka nilai panas sensibel yang dicapai makin besar. Besarnya nilai panas sensibel ini dapat mempengaruhi besarnya temperatur garam saat proses pemanasan (charging). Pada proses charging, garam kombinasi dalam box storage menerima panas dari sumber panas yang sama (besarnya sama) dan dalam selang waktu yang sama pula, sehingga dapat diasumsikan besarnya panas yang diberikan oleh sumber panas besarnya sama. Namun, karena terdapat perbedaan pada nilai kalor jenis, perbedaan temperatur awal dan temperatur leleh dari tiap variabel sehingga besarnya panas sensibel yang dapat dicapai juga berbeda. Pada supply kalor yang besarnya sama, variabel A mampu menyimpan panas dalam bentuk panas sensibel (panas untuk menaikkan temperatur) sebesar 9,540 kJ/kg sampel dan setelah itu sisa kalor eksternal digunakan untuk merubah fasa PCM, sedangkan berbeda dengan variabel D yang menggunakan kalor supply lebih banyak yaitu sebesar 17,855 kJ untuk menaikkan temperaturnya (panas disimpan dalam bentuk panas sensibel), sehingga pada variabel D dapat mencapai temperatur garam yang lebih tinggi daripada variabel A,B maupun C.

2. Proses charging pada garam kombinasi

Pada proses charging terjadi kenaikan temperatur garam kombinasi yang dapat dilihat pada gambar 3.

Gambar 3. Grafik Hubungan Suhu terhadap Waktu Saat Proses Pemanasan

dari 28oC - 38oC.Setelah mencapai kondisi melting maka panas diserap disimpan dalam bentuk panas sensible saat garam kondisi sudah meleleh (melt).

3. Kapasitas Penyimpan Panas

Kemampuan dari garam kombinasi dalaam menyimpan panas ditentukan dengan besarnya kalor yang dapat disimpan (kapasitas penyimpan panas). Kalor yang disimpan oleh garam kombinasi (PCM) dapat dihitung dari persamaan berikut ini :

(2)

Berdasarkan tabel 3 dapat dilihat bahwa dari variabel A, B, C, dan variabel D mampu menyimpan kalor paling banyak yaitu variabel D sebesar 424,752 kJ/Kg sampel, sehingga kalor yang dapat diserap dan disimpan dalam garam kombinasi dapat digunakan untuk mendukung konversi energi matahari menjadi energi listrik. Pada sistem ini jumlah kalor yang disimpan dipengaruhi oleh beda temperatur (∆T), dimana pada variabel D memiliki T2 yang paling tinggi dibanding variabel lainnya, yaitu

120°C, sehingga mililiki beda suhu yang paling besar. Hal tersebut menyebabkan variabel 3 memiliki kapasitas penyimpan kalor yang paling besar.

Tabel 3. Hasil Perhitungan Panas simpan (Q)

4. Hasil konversi energi panas menjadi listrik

Pembahasan ini dibuat untuk mengetahui konversi energi panas menjadi energi listrik menggunakan 4 buahtermoelektrik dengan susunan seri. Berdasarkan hasil penelitian terdapat pengaruh temperatur komposisi garam kombinasi Na2SO4.3H2O/ NaNO3 terhadapdaya listrik akumulatif yang

dapat diperoleh dalam waktu 180 menit.Berikut grafik yang dihasilkan :

Gambar 4. Grafik Hasil Daya yang dapat dicapai oleh tiap Variabel Penelitian

Hasil data menunjukkan bahwa daya yang mampu dihasilkan oleh variabel D yaitu dengan 4wt% NaNO3 nilainya lebih tinggi dibandingkan variabel yang lain. Besar nilai daya ini dipengaruhi oleh

besarnya arus dan tegangan listrik yang dihasilkan oleh sel termoelektrik. Besar daya dapat dihitung menggunakan persamaan berikut ini :

P = V . I (3)

Dimana :

P = Daya (mW) V = Tegangan listrik (V) I = Kuat Arus (mA)

berbanding dengan perbedaan temperatur pada sisi dingin dan sisi panas termoelektrik.Suhu maksimum pemanasan yang tinggi akan menyebabkan transfer panas menuju heatsink yang tinggi pulang, sehingga tegangan yang dihasilkan pun juga lebih tinggi.

5. Panas yang Terkonversi oleh Termoelektrik

Panas yang terkonversi menjadi listrik oleh termoelektrik dapat dilihat dari daya komulatif yang dihasilkan selama proses discharging yaitu selama 180 menit. Perhitungan besar kalor yang terkonversi menjadi listrik dapat dihitung menggunakan persamaan berikut :

W = P .t (4) Dimana :

W = panas yang terkonversi (J) P = Daya (Watt)

t = waktu (s)

berdasarkan hasil perhitungan diperoleh data pada tabel 5 sebagai berikut :

Tabel 4. Perbandingan Qsimpan dan Qterkonversi

Tabel 4 menyatakan bahwa jumlah panas yang terkonversi jumlahnya lebih kecil dibandingkan dengan panas yang dapat disimpan oleh PCM.Jumlah panas yang terkonversi dipengaruhi oleh perpindahan panas dari PCM menuju ke sisi panas termoelektrik dan dipengaruhi pula oleh efisiensi kerja konverter termoelektrik. Pada saat proses discharging panas yang disimpan oleh PCM mengalami pengurangan (heat lost) karena panas berpindah (merambat) dari PCM menuju permukaan plat dasar box salt storage secara konduksi, dari permukaan box salt storage ke permukaan sisi panas termoelekrik serta pelepasan panas secara radiasi menuju lingkungan. Sehingga karena salah satu hal tersebut jumlah panas yang terkonversi oleh termoelektrik lebih kecil dibandingkan dengan panas telah disimpan oleh PCM yaitu nilai % panas terkonversi hanya berkisar dari 0,56% – 0,35% .

6. Hasil Uji Prototype

Data hasil uji prototype menunjukkan bahwa temperatur yag dapat dicapai oleh PCM bergantung pada intensitas cahaya matahari, karena sumber panas berasal dari panas matahari yang telah dipantulkan oleh kolektor surya menuju sisi dasar box salt storage.

Pada konversi energi panas menjadi listrik dalam uji prototype menunjukkan bahwa listrik yang

dihasilkan sama seperti pada uji laboratorium dimana dengan ∆T yang sama akan menghasilkan tegangan

dan arus yang secara umum juga sama.

Berbeda dengan hasil uji laboratorium, % panas yang terkonversi oleh termoelektrik didapatkan data sebagai berikut :

Tabel 5. Perbandingan Qsimpan dan Qterkonversi Pada Uji Prototype

KESIMPULAN

Berdasarkan pengujian dan analisa data uji laboratorium yang telah dilakukan maka dapat diperoleh kesimpulan bahwa garam kombinasi komposisi 4 wt% NaNO3 + 96 wt% Na2SO4.3H2O mampu

mencapai suhu pemanasan paling tinggi dibanding variabel lainnya, yaitu 120°C, sehingga komposisi tersebut merupakan komposisi terbaik dengan hasil sebagai berikut:

a) Mampu menyimpan panas sebesar 424.752,43 J/kg sampel dan panas yang terkonversi sebesar 2363,602 J/kg.

b) Daya kumulatif yang dihasilkan selama 180 menit mencapai 218.852 mW. c) Nilai % panas terkonversi sebesar 0.56 %.

DAFTAR NOTASI

T = Temperatur operasi, K m = massa bahan, Kg Cp = kalor jenis, kJ/Kg.K Q = banyaknya kalor, J P = waktu, s

V = tegangan, V I = arus listrik, A

∆hm = Panas laten, kJ/Kg

DAFTAR PUSTAKA

[1] Aprianus. 2012. Pemanfaatan Panas Aspal Jalan Raya Sebagai Sumber energi Listrik Alternatif Berbasis Termoelektrik. Skripsi tidak dipublikasikan. Salatiga: Universitas Kristen Satya Wacana. [2] BPPT. 2013. Outlook Energi Indonesia 2013 : Pengembangan Energi dalam Mendukung Sektor

Transportasi dan Industri Pengolahan Mineral. Jakarta: Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi. [3] Cristopia. 2011. Thermal Energy Sorage (TES) for Air Conditioning & Industrial Refrigeration.

French Riviera :Cristopia Energy Systems.

[4] Manan, Saiful. 2009. Energi Matahari, Sumber Energi Alternatif yang Efisien, Handal dan Ramah Lingkungan di Indonesia. Semarang : Universitas Diponegoro.

[5] Mathur, A. 2012.Heat Transfer and Latent Heat Storage in Inorganic Molten Salt for Concentrating Solar Power Plants. United States: U.S. Department of Energy.

[6] Mehling,H.,Cabeza, L. 2008. Heat and Cold Storage with PCM: An Up tp Date Introduction into Basics and Applications. Verlag Berlin Heidelberg: Springer.

[7] Mmindustri. 2014. Olah Potensi 112.000 GWP dengan Fotovoltaik. http://www.mmindustri.co.id/olah-potensi-112-000-gwp-dengan-fotovoltaik/. (diakses 18 Agustus 2014).

[8] Pikra, Ghalya. 2010. Analisis Rugi – Rugi Panas Pada Tangki Penyimpan Panas Dalam Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Matahari. Journal of Mechantronics, Electrical Power and Venicular Technology.1 (01). 13 – 18.

[9] Sumiati, Ruzita. Pengaruh Penggunaan Parafin dan Gemuk pada Plafon Mobil dalam Mengelola Temperatur kabin Mobil Saat Parkir.Journal Poli Rekayasa.8 (2).55-63.

[10] Tan, Teong. 2008. Fun-Panel Cooker Construction plan. Montreal: Brace Research Institute. http://www.solarcooking.org/newsletters/scrmar02.html. (Diakses pada 29 Agustus 2014).

[11] Zaini., Zulfan dan Hamdani. 2013. Kajian Eksperimental Karakteristik Perpindahan Panas Bees Wax Sebagai Material Penyimpan Panas.Prosiding SNYuBe (Seminar Nasional Yusuf Benseh 2013).Lhokseumawe : Politeknik Negeri Lhokseumawe.