INSTITUT SAINS & TEKNOLOGI AKPRIND YOGYAKARTA FTI-IST AKPRIND-TKT 1701 MATERI HAND OUT

(1)

FTI-IST AKPRIND-TKT 1701

E H ND

Fakultas

: TEKNOLOGI INDUSTRI

Jurusan/Prodi

: Teknik Kimia

Kode Mata Kuliah

: TKT 1701

Nama Mata Kuliah

: Penyediaan Energi

MATERI HAND OUT

y

g

Pertemuan ke

: 1-14

Hand out ke

: 1 dari 1

Jumlah halaman

: 82

Mulai berlaku

: Gasal 2017/2018

Fakultas : Teknologi Industri Pertemuan ke : 1-14 Jurusan/Prodi : Teknik Kimia/ Teknik Kimia Handout ke : 1 Kode Matakuliah : TKT-1701 Jumlah Halaman : 42 Nama Matakuliah : Penyediaan Energi Mulai Berlaku : 2017

PENYEDIAAN ENERGI

(2)

1. PERKULIAHAN DIMULAI Awal semester berlaku

2. JUMLAH TATAP MUKA 13-14 KALI

3. UTS (pertemuan ke-8)

4. UAS (pertemuan ke-16)

5. SYARAT MENGIKUTI UJIAN AKHIR : 75% KEHADIRAN

6. SISTEM PENILAIAN:

KEHADIRAN

: 10 % (BAA)

TUGAS 4 KALI

: 40 %

UTS

: 20 %

UAS

: 30 %

7 KRITERIA PENILAIAN

: E (1 39 99) D (40 49 99) C (50 54 99)

7. KRITERIA PENILAIAN

: E (1-39,99), D (40-49,99), C (50-54,99)

C+ (55-59,99), B- (60-64,99), B (65-69,99),

B+ (70-74,99), A- (75-79,99), A (80-100)

8. Skala A= 4, A- = 3,67, B+ = 3,33, B = 3, B-= 2,67, C+ = 2,33, C=2, D=1,

E=0

• Persyaratan Pengambilan SKS tiap semester

• Semester gasal yang akan berjalan menggunakan IP

Pengambilan SKS

• Semester gasal yang akan berjalan menggunakan IP

semester gasal sebelumnya (misal: semester 3

menggunakan IP semester 1) dan sebaliknya

• Persyaratan:

IPS < 1,5

maks 16 SKS

1,5 <= IPS < 2,0 maks 18 SKS

(3)

Jumlah SKS tiap semester

y Semester 1 : 21 SKS

y Semester 2 : 20 SKS

y Semester 3 : 20 SKS

y Semester 4 : 21 SKS

y Semester 5 : 20 SKS

y Semester 6 : 20 SKS

y Semester 7 : 21 SKS

y Semester 8 : 20 SKS

(4)

1. Pengertian Umum Energi

2. Permasalahan di Bidang Energi

3. Sumber-sumber energi

4 Energi Baru dan Terbarukan (EBT) :

Silabi

4. Energi Baru dan Terbarukan (EBT) :

• Energi Biofuel

• Energi Biomassa

• Energi Panas Bumi

• Energi Air

• Energi Surya

• Energi Pasang Surut

5. Sifat fisik dan kimiawi bahan

bakar, nilai kalor (heating value)

6. Pemilihan bahan bakar untuk

industri dan penanganannya

7. Perhitungan ekonomi pemakaian

bahan bakar

• Energi Ombak

• Energi Angin

• Energi Osmosis

• Energi Magnet

• Energi Gravitasi

• Energi Radiasi/Nuklir

bahan bakar

8. Pusat-pusat pembangkit listrik

dan peralatannya

• Brown GC, E Sakpesey, 1986, Energy Resources

Geology, Supply, and Demand, Open University

Press USA

Press, USA

• Smil, V., 2000, Energy in the twentieth century:

Resources, conversion, cost, uses, and

consequences, Annual Review of energy and the

environmnet

(5)

• Kementerian Riset dan Teknologi, “Buku Putih Energi Indonesia

2005-2025”, Jakarta, 2006.

• Penick T and Louk B., “Photovoltaic Power Generation. Gale

Greenleaf”,1998.

f ,

• Djiteng Marsudi, “Pembangkitan Energi Listrik”, Penerbit Erlangga, 2005.

• Marek Walisewicz, ”Energi Alternatif”, Penerbit Erlangga, 2002.

• Arismunandar, W. ”Penggerak Mula : Motor Bakar Torak”, ITB Bandung.

2005.

• Ganesan, V. “Internal Combustion Engines”, Second Edition. New Delhi,

The MC Graw Hill, 2006.

• Victor L Streeter, E.B.W. ”Mekanika Fluida”, Jakarta,Erlangga, 1995.

• Daryanto, ”Teknik Konversi Energy” Satu Nusa. Bandung, 2010.

• Fritz DietZel, Dakso Sriyono, ”Turbin, Pompa Dan Kompresor”, Gelora

Aksara Pratama, 2008.

• ”Menggali Potensi Energi Terbarukan dari Laut”, Maritim Indonesia, Edisi

26/Th VII/April-Juni/2012. Jakarta, 2012.

Definisi energi : kapasitas untuk

melakukan usaha/kerja.

Hukum-I Termodinamika (hukum

Energi

Hukum I Termodinamika (hukum

kekekalan energi) : energi tidak

bisa diciptakan atau dimusnahkan

tapi hanya bisa dikonversi dari

suatu bentuk ke bentuk lain Î

berbagai bentuk energi bisa saling

dikonversikan dan jumlah total

j

energinya tidak berubah.

Bentuk-bentuk energi : energi

mekanik, termal, bunyi, kimia,

elektromagnetik dlsb.

(6)

Hukum-II Termodinamika : total entropi dari suatu

sistem dan lingkungannya cenderung meningkat seiring

dengan meningkatnya waktu Î Energi yang bisa

dimanfaatkan (energi berguna) akan menurun ketika

proses berlangsung Î Setiap transformasi energi akan

menyebabkan penurunan energi berguna.

Secara teoritis, ketersediaan energi berguna pasti akan

menurun, namun laju penurunannya akan menjadi sangat

cepat apabila pemanfaatan energi tidak dikelola secara

cerdas Î energi perlu dihemat.

cerdas

energ perlu d hemat.

Entropi : besaran

termodinamika yang mengukur

energi dalam sistem per satuan

temperatur yang tak dapat

digunakan untuk melakukan usaha.

Energi secara umum dibagi dalam 2 bagian :

• Transitional energy

: energi yang bergerak dan bisa

berpindah melintasi suatu batas sistem.

• Stored Energy

, Energi tersimpan yang berwujud

sebagai massa, posisi dalam medan gaya dll.

Kategori Energi :

• Energi Mekanik

• Energi Listrik

(7)

• Energi mekanik : energi yang dimiliki suatu benda

karena sifat geraknya.

• Energi mekanik terdiri dari energi potensial dan

energi kinetik.

• Energi potensial : energi yang dimiliki benda karena

posisinya (kedudukan) terhadap suatu acuan.

• Energi potensial bumi (E

p

) tergantung pada massa

benda (m) gravitasi bumi (g) dan ketinggian benda

Energi Mekanik

benda (m), gravitasi bumi (g) dan ketinggian benda

(h).

E

_p

= m.g.h

(8)

• Energi kinetik : energi yang dimiliki benda karena

geraknya.

• Makin besar kecepatan benda bergerak makin

besar energi kinetiknya dan semakin besar massa

benda yang bergerak makin besar pula energi

kinetik yang dimilikinya.

• Secara matematis bisa dirumuskan:

E = ½ mv

2 Energi Kinetik

E

_k

= ½ mv

2 • Energi Listrik : kemampuan yang diperlukan untuk

memindahkan muatan dari satu titik ke titik yang

lain. Î usaha listrik

• Besarnya energi listrik :

W = Q.V

di mana W = Energi listrik (Joule), Q = Muatan

listrik (Coulomb), V = Beda potensial (Volt)

(9)

• Bentuk energi yang berkaitan dengan radiasi E.M Î

biasanya dinyatakan dalam satuan energi yang sangat

k il s p ti ( V) t u (M V)

kecil seperti (eV) atau (MeV).

• Radiasi E.M merupakan bentuk energi murni dan tidak

berkaiatan dengan massa Î Radiasi ini hanya sebagai

energi transisional yg bergerak dgn kecepatan cahaya

(c)

• Energi E M merambat dalam bentuk gelombang

Energi Elektromagnetik (E.M)

Energi E.M merambat dalam bentuk gelombang

dengan beberapa parameter yang bisa diukur, yaitu:

panjang gelombang, frekuensi, amplitudo, kecepatan.

• Energi E.M diradiasikan oleh semua massa di alam

dengan level yang berbeda-beda. Semakin tinggi level

energi dalam suatu sumber, semakin pendek panjang

g

p

p j g

gelombangnya dan semakin tinggi frekuensinya.

• Energi E.M :

E = hf

di mana : E = energi (Joule)

h = kontanta Planck (6 626 x 10-32J s)

Energi Elektromagnetik (E.M)

h kontanta Planck (6,626 x 10 32J.s)

f = frekuensi (Hz)

(10)

• Energi kimia : energi yang keluar sebagai hasil

interaksi elektron dimana dua atau lebih atom dan

molekul

2 _{berkombinasi menghasilkan senyawa kimia}

_g

_y

yang stabil.

• Energi kimia hanya bisa terjadi dalam bentuk energi

tersimpan (

stored energy

) yang jika dilepaskan dalam

suatu reaksi kimia, reaksi tsb dinamakan reaksi

eksotermis.

E

i

dil

k

di

k dl

Energi Kimia

• Energi yang dilepaskan umumnya dinyatakan dlm

satuan kalori atau British thermal unit (BTU).

• Energi nuklir : energi yang dihasilkan

melalui dua macam mekanisme, yaitu

pembelahan inti atau reaksi fisi dan

b

b b

i ti l l i

penggabungan beberapa inti melalui

reaksi fusi.

• Reaksi fisi uranium menghasilkan

neutron selain dua buah inti atom

yang lebih ringan. Neutron ini bisa

menumbuk (diserap) kembali oleh inti

(11)

• Sumber Daya Energi

– Penggunaan energi di dunia:

Minyak; 30

Tenaga Nuklir; 6 Biomassa; 12

Matahari, Angin, Geothermal, Hydropower; 7

Batu Bara; 22 Gas alamk; 23

(12)

• Minyak mentah (crude oil atau petroleum) adalah minyak

yang berasal dari perut bumi, berupa cairan yang kental

mengandung ratusan hidrokarbon dan juga mengandung

sedikit sulfur, oksigen, dan nitrogen.

Bahan bakar fosil ini

diproduksi melalui proses

dekomposisi bahan organik

mati yang berasal dari

tumbuhan dan hewan yang

terpendam dalam sedimen

danau dan laut ratusan juta

Minyak

danau dan laut ratusan juta

tahun yang lalu dan menjadi

subjek tekanan dan suhu

yang tinggi selama jutaan

tahun sebagai bagian dari

siklus karbon

• Deposit crude oil dan gas alam (natural gas)

Deposit crude oil dan gas alam (natural gas)

sering terperangkap bersama-sama dalam

sebuah kubah di dalam perut bumi baik yang

berada di darat maupun di laut.

(13)

• Crude oil jarang ditemukan dalam sebuah reservoir yang

besar dan luas. Sebaliknya ia terdispersi dalam pori-pori

atau celah-celah formasi batuan di dalam perut bumi

atau celah-celah formasi batuan di dalam perut bumi,

seperti sponge yang tersaturasi oleh air.

Destilasi

minyak

mentah

menjadi

beberapa

komponen

berdasarkan

titik didihnya

Heated crude oil

Fur

(14)

Emisi CO

2

per unit energi yang dihasilkan oleh berbagai

jenis bahan bakar, dinyatakan dalam persentase yang dihasilkan oleh

batu bara

17 Tenaga nuklir 86 58 17 Minyak Gas alam Tenaga nuklir Jenis bah an bak ar

(15)

Batu bara (Coal)

• Batu bara adalah bahan bakar

fosil yang sebagian besar berupa

karbon yang mudah menyala (20–

98% tergantung jenisnya),

mengandung sedikit air, sulfur,

merkuri, dan bahan radioaktif dari

bumi.

• Sebagian besar deposit batu bara

terbentuk selama periode

Carboniferous (360 dan 285 juta

tahun yang lalu).

(16)

Tahapan pembentukan batu bara selama jutaan tahun

Kandungan karbon dan panas meningkat

Peat (gambut, bukan batu bara) Anthracite (batu bara keras) Bituminous Coal

(batu bara lunak) Lignite

(batu bara coklat)

Kelembaban kandungan air meningkat

Panas dan

(17)

Batu bara sangat melimpah, tetapi ia mempunyai

dampak negatif terbesar terhadap lingkungan

dibandingkan dengan bahan bakar fosil lainnya.

g

y

Dampak tersebut di antaranya

– 1) merusak lahan,

– 2) pencemaran udara,

– 3) emisi CO2 (43% emisi CO2

dunia berasal dari pembakaran

b t b

) d

batu bara), dan

– 4) pencemaran air.

Di USA, pencemaran udara yang disebabkan oleh pembakaran batu bara

1)

membunuh antara 650000 sampai

200000 manusia,

2)

menyebabkan lebih dari 50000

kasus penyakit pernapasan,

3)

menyebabkan kerugian bermilyar

dolar karena kerusakan bangunan

dan benda lain.

Saat ini, telah dikembangkan

teknologi yang dapat mengurangi

emisi SO2, NOx dan dapat

membakar batu bara lebih murah

dan efisien yang disebut

(18)

Pembakaran batu bara fluidized-bed

Clean

Coal

(19)

• Gas alam (natural gas) adalah campuran gas yang terdiri atas

– 1) 50–90% methane (CH4),

– 2) sejumlah ethane (C2H6), propane (C3H8) dan butane (C4H10) dan

– 3) sedikit hidrogen sulfida (H2S) yang sangat beracun.

D

it

l

(di

b t j

l

k

i

l)

b

i

Deposit gas alam (disebut juga gas alam konvensional) sebagian

besar terdapat di atas reservoir minyak mentah.

Deposit gas alam unconventional biasanya ditemukan di tempat lain

di dalam tanah, misalnya methane hydrate, yang tersusun oleh

gelembung kecil gas alam yang terperangkap dalam kristal es jauh

di dalam arctic permafrost dan di dalam sedimen dasar laut. Saat

ini masih sangat mahal untuk mengekstrak gas alam

unconventional ini, walaupun demikian teknologi

pengekstrasiannya terus dikembangkan.

• Propane dan butane dicairkan dan diangkat sebagai

liquefied petroleum gas (LPG). LPG biasanya disimpan

dalam tabung bertekanan.

• Sisa gas yang sebagian besar berupa methane

Sisa gas, yang sebagian besar berupa methane

dikeringkan untuk menghilangkan kadar airnya,

dibersihkan dari gas H2S dan pengotor lainnya dan

dipompa ke dalam pipa bertekanan untuk

didistribusikan.

• Pada suhu sangat rendah (-184o C), gas alam dapat

(20)

Produksi Gas Alam Dunia

(21)

I. ASAL

• Merupakan hasil proses alam seperti

p

minyak bumi

• Keberadaan di bumi :

– Bersama-sama dengan minyak bumi

– Tanpa minyak bumi

• Gas Alam di Indonesia :

– Jumlah cekungan ada 60 (darat dan laut)

– Yang sudah dibor 36

– Yang telah berproduksi 14

II. KOMPOSISI

Campuran hidrokarbon C C C C C

• Campuran hidrokarbon C

₁

,C

₂

,C

₃

,C

₄

,C

₅

dengan CO

₂

,N

₂

, He (kadang-kadang)

• Pengotor : Hg, Sulfur dan air

• Komposisi gas alam yang bisa digunakan :

– Fraksi C

₁

maksimum 85,2 % mol

– Fraksi C

₄

+

_{maksimum 1,9 % mol}

– Fraksi C

₅

+

_{maksimum 0,09 % mol}

– Fraksi H

₂

S maksimum 6,0 μg/m

3

(22)

III. PRODUK UTAMA

• Bahan bakar LNG (Liquified Natural Gas)

Bahan bakar, LNG (Liquified Natural Gas),

natural gasoline, carbon black, helium,

hidrogen, gas sintetis dan beberapa

petrokimia

• Karena bentuknya gas, sehingga sulit

transportasi

gas dicairkan sebagai

transportasi

gas dicairkan sebagai

LNG

• Dengan pencairan terjadi pengurangan

volume 1/600 kali volume asal

IV. PROSES PENCAIRAN

M l l i 2

• Melalui 2 proses :

1. pemurnian:

penghilangan CO2,

air,mercuri, fraksi berat

2. pencairan

(23)

Pencairan

• Dengan proses refrijerasi

0 • Suhu operasi -160

0 _C

• Refrijeran : ammoniak (-14

0 _C),

freon (-50

0 _C)

C

₃

, MCR (multi componen

refrigerant)

g

)

• Kriteria pemilihan refrijeran :

– Entalpi penguapan tinggi

– Suhu (titik) gelembung rendah

– Ekonomis

Likuifikasi (Liquefaction)

• Yaitu proses pemurnian

natural gas

atau

gas hidrokarbon lainnya menjadi rantai

hidrokarbon yang lebih panjang, seperti

bensin atau solar

(24)

Metode

• Menekan gas pada suhu yang lebih rendah dari pada tekanan

kritisnya

• Membuat gas bekerja melawan tekanan external, ini menyebabkan

gas kehilangan energi dan berubah menjadi fase cair

• Membuat gas melawan tekanan internal nya sendiri, hal ini

menyebabkan gas kehilangan energi dan mencair

• Cascade process – menggunakan satu likuifikasi gas untuk

mencairkan gas lainnya

• Joule-Thomson effect – menekan gas dan mengekspansi dengan

cepat

(25)

Liquid Natural Gas (LNG)

• Didinginkan sampai mencair, pada suhu -

g

p

, p

160°C

• Mengurangi volume hingga 600 kali

• Tidak berwarna, tidak berbau, non-Toxic

• Aman untuk disimpan dan ditransportasikan

• Pengapalan dan penyimpanan pada

tekanan atmosferis

Rantai LNG

Sumur gas

Field

Transmisi

Dengan pipeline

Liquifikasi

Pengapalan

Terminal

Market

Processing

Liquifikasi

_penerima

Terminal

(26)

Proses Likuifikasi Gas Alam

GAS

-161º

siklus Refrigerant Penyimpan an Treatment dan Pemurnian

161 C

•penghilangan kondensat, CO2, Mercury, dan H2S •Menyebabkan dehidrasi Compression Refrigerant

LNG

Natural Gas Purifying Process

1. Penghilangan CO2,

(27)

Penghilangan CO

₂

• Kadar CO

₂

dalam gas alam cukup tinggi

• Dapat membeku pada suhu -155

0 _C

akan menyumbat pipa

• Cara : dengan absorbsi

• Absorben yang dapat digunakan :

1. Larutan K

₂

CO

₃

2. Larutan MEA,DEA,TEA

Penghilangan Air

• Air dapat menyebabkan :

– Terbentuknya es

– Membentuk hidrat dengan hidrokarbon dapat

menyebabkan penyumbatan pipa

• Cara :

– Absorbsi

Absorbsi

: ethylen glikol

– Adsorbsi

: silika gel, silika per alumin,

molecular sieve

(28)

Penghilangan mercuri (Hg)

• Dapat merusak pipa yang terbuat dari

aluminium

• Cara : reaksikan dengan sulfur

HgS

Penghilangan fraksi berat

• Dapat menyebabkan pembakaran tidak

sempurna

• Pada pembakaran menghasilkan asap

hitam (C)

(29)

V. PENYIMPANAN &

PENGANGKUTAN

• PENYIMPANAN

–

Bentuk cair, suhu maksimum – 160

o

_C

–

Bahan penyimpan harus tahan terhadap

tekanan tinggi

(misalnya Al, 8% Nikel & beton tertentu)

–

Tangki diberi isolasi (perlite, busa

poliuretan)

• Jenis-jenis tangki penyimpan :

1. Tangki berupa gua dalam tanah

2. Tangki berupa lubang dalam tanah dilengkapi

g

p

g

p

dengan penutup khusus

3. Tangki beton pratekan dengan isolasi

4. Tangki dinding baja dua lapis dengan isolasi antara

dua dinding

• Variabel untuk perancangan tangki:

1. Kapasitas tangki

2. Tekanan operasi maksimal

3. Temperatur operasi

4. Densitas cairan

(30)

• PENGANGKUTAN

1. Pipa (piping)

2. Angkutan laut dengan tanker khusus, antara

lain :

1) Sistem membran, tangki berbentuk kotak dengan

dinding membran dilengkapi insulasi panas

2) Sistem bulatan, dengan tangki berbentuk bola

yang self supporting

Keuntungan terhadap

Lingkungan

• Tidak menimbulkan abu pembakaran, lumpur, atau

limbah berbahaya

• Emisi partikulat mendekati 95% lebih rendah dari pada

pembakaran batu bara

(31)

• Dalam reaksi rantai pembelahan

Bagaimana instalasi tenaga nuklir

bekerja?

Dalam reaksi rantai pembelahan

nuklir, neutron memecah inti atom

uranium-235 dan plutonium-239 dan

melepaskan energi dalam bentuk

panas dengan temperatur yang tinggi.

• Dalam reaktor instalasi tenaga nuklir,

laju pemecahan inti atom

dikendalikan dan panas yang

dikendalikan, dan panas yang

dihasilkan digunakan untuk

memproduksi uap bertekanan tinggi,

yang selanjutnya digunakan untuk

menggerakkan turbin untuk

menghasilkan listrik.

Diagram Light-

g

Water Reactor

plutonium-239 (fissionable) untuk senjata nuklir.

(32)

Siklus bahan

bakar nuklir

• Limbah radioaktif tingkat rendah yang dihasilkan oleh USA dan

sebagian besar negara lain disimpan dalam drum baja dan

dibuang ke dalam laut dalam.

• Limbah radioaktif tingkat tinggi adalah limbah yang

Limbah radioaktif tingkat tinggi adalah limbah yang

mengeluarkan sejumlah besar radiasi untuk waktu yang pendek

dan sejumlah kecil radiasi untuk waktu yang lama. Limbah ini

harus disimpan secara aman untuk sedikitnya 10000 tahun,

dan sekitar 240000 tahun jika plutonium-239 tidak dihilangkan

melalui pemrosesan kembali. Sebagian besar limbah radioaktif

tingkat tinggi dikeluarkan oleh fuel rod instalasi nuklir.

(33)

Metode yang aman untuk

menyimpan limbah nuklir

• Menanam ke dalam tanah yang dalam. Metode

ini terus diteliti oleh negara-negara yang

menghasilkan limbah nuklir.

• Mengubahnya menjadi lebih tidak berbahaya

atau sedikit tidak berbahaya, tetapi metode ini

belum pernah dilakukan.

p

• Menanam ke dalam lapisan bawah sedimen laut

dalam yang memiliki kestabilan geologi untuk 65

juta tahun. Tetapi metode ini melanggar hukum

internasional.

(34)

Decommissioning instalasi

nuklir

u

• membongkarnya dan menyimpan sejumlah

besar bahan radioaktif tingkat tinggi ke fasilitas

peyimpanan limbah nuklir,

• membuat pagar dan mengawasi secara penuh

t k

kt 30 100 t h

b l

i

t l

i

untuk waktu 30-100 tahun sebelum instalasi

dibongkar,

• menutup keseluruhan instalasi dalam sebuah

kuburan untuk beberapa ribu tahun.

• Bank Dunia mengatakan bahwa reaktor

nuklir sangat mahal dan sangat berisiko.

• Banyak ahli menganjurkan untuk

menggunakan gas alam angin sel surya

menggunakan gas alam, angin, sel surya,

geothermal, dan bahan bakar rendah

polutan sebagai pembangkit tenaga

listrik.

• Nuklir akan digunakan kembali bila gas

alam, angin, sel surya, geothermal, bahan

bakar rendah polutan sudah tidak

(35)

Energi baru terbarukan : energi yang sumbernya bisa

dengan cepat dipulihkan kembali secara alami, dan

prosesnya berkelanjutan.

ÎEnergi nuklir dan bahan bakar fosil (minyak dan

batubara) tidak termasuk !

Energi berkelanjutan : semua energi terbarukan

sudah pasti merupakan energi berkelanjutan, karena

senantiasa tersedia di alam dalam waktu yang relatif

sangat panjang

sangat panjang.

Energi panas bumi

Energi surya

Energi angin

Tenaga air

Biomassa

Bahan bakar bio cair

Biomassa padat

Biogas

(36)

Panas bumi : suatu bentuk energi panas atau energi termal yang

dihasilkan dan disimpan di dalam bumi.

Energi panas bumi terutama berasal dari peluruhan radioaktif di

pusat Bumi, yang membuat Bumi panas dari dalam.

p

, y g

p

Secara total energi panas bumi berasal dari energi hasil

pem-bentukan planet (20%) dan peluruhan radioaktif dari mineral

(80%).

Temperatur inti bumi mencapai > 4300

0

_{C. Panas mengalir secara}

konduksi menuju bebatuan sekitar inti bumi.

Panas ini menyebabkan bebatuan meleleh, membentuk magma.

y

,

g

Magma mengalirkan panas secara konveksi dan bergerak naik

karena magma yang berupa bebatuan cair memiliki massa

jenis yang lebih rendah dari bebatuan padat.

Magma memanaskan kerak bumi dan air yang mengalir di dalam

kerak bumi, memanaskannya hingga 300

o

_{C. Air yang panas ini}

menimbulkan tekanan tinggi sehingga air keluar dari kerak bumi.

Bumi

(37)

(38)

Panas bumi disebabkan oleh :

1. Tekanan yang amat besar dari gravitasi bumi.

2. Proses nuklir Î Bumi banyak mengandung bahan

radioaktif seperti Uranium-238, Uranium-235,

Thorium-232.

Î

Energi panas yang mencapai permukaan bumi

rata-rata 400 kCal/m

2 _{per tahun.}

Î

E

i t

t t t h i

i

titik

Î

Energi rata-rata saat matahari mencapai titik

kulminasi bisa mencapai lebih dari 1.000 W/m

2 _.

Î

Uap panas bisa dibor dan digunakan untuk memutar

turbin dan menghasilkan energi listrik.

Metode Perry :

Di mana : E = energi (kCal/det), D = debit (L/det), Dt =

perbedaan suhu permukaan antara air panas dan air

dingin (

o

_{C), P = panas jenis (kCal/kg).}

(39)

Energi yang terkandung pada cahaya

surya :

• Matahari adalah pabrik tenaga nuklir

dengan proses fusi yg mengubah

4ton massa hidrogen menjadi helium

tiap detiknya dan menghasilkan

energi 1020 kWJoule/detik.

• Potensi energi surya sangat

b

t

d i i k d d k

bergantung pada posisi kedudukan

matahari dengan koordinat wilayah

tersebut dipermukaan bumi Î

berubah tiap waktu, sudut datang,

tergantung kondisi atmosfer.

• Pada waktu cahaya melintasi atmosfer, sebagian energi

terserap.

• Besarnya penurunan energi sepanjang garis lintang ini

Besarnya penurunan energi sepanjang garis lintang ini

ditentukan oleh konstanta penurunan energi (

extinction

coefficient

) B.

dengan

Dimana: I

_DN

= radiasi langsung (W/m2), A, B= tetapan, H =

ketinggian suatu tempat di atas permukaan laut (m),

P/Po = nisbah tekanan di suatu tempat terhadap tekanan

atmosfer baku, θ

_z

= sudut datang terhadap normal,

zenith (derajat)

(40)

• Konstanta B sangat bergantung pada kejernihan

atmosfer sedangkan besarnya konstanta A dan B dapat

dilihat pada Tabel 1.

P hit

i

l b l

d

k d

h

• Perhitungan energi global pada keadaan cerah harus

ditambahkan sebesar 5-10% karena adanya radiasi baur.

1. Konversi cahaya menjadi energi panas.

Konversi Energi Surya

(41)

• Konversi cahaya matahari menjadi kalor tergantung pada

metodenya : langsung atau dikonsentrasikan/

dipumpunkan (difokuskan).

1.1 kWh/m

2 1.1 kWh/m

2 3,754 BTU

>

37,540 BTU

(42)

Prinsip Semikonduktor

Konversi Cahaya ke Energi Listrik

(43)

• Di daerah deplesi hole akan

ditarik ke bahan N dan

elektron ditarik ke bahan P

shg muncul medan listrik E.

g

• Elektron dan hole yang ada

di daerah deplesi disebut

pembawa muatan minoritas

(minority charge carriers).

• Medan E mengakibatkan sambungan P-N berada pada titik

s timb n k

n j ml h

h l n b pind h d i b h n P k N

setimbang karena jumlah hole yang berpindah dari bahan P ke N

dikompensasi dengan jumlah hole yang tertarik kembali kearah P.

• Begitu pula dengan jumlah elektron yang berpindah dari bahan N

ke P dikompensasi dengan mengalirnya kembali elektron ke bahan

N. Î medan E mencegah seluruh elektron dan hole berpindah dari

daerah yang satu ke daerah yang lain.

• Untuk keperluan sel surya, bahan

N diletakkan pada bagian atas

sambungan

P yang menghadap ke

arah datangnya cahaya matahari,

g y

y

,

dan dibuat jauh lebih tipis dari

bahan P sehingga cahaya yang jatuh

bisa terus terserap dan masuk ke

daerah deplesi dan bahan P

• Elektron mendapat energi dari

caha-ya matahari untuk melepaskan

diri-nya dari bahan N, daerah deplesi

y

,

p

maupun bahan P. Terlepasnya

elek-tron meninggalkan hole dan disebut

dengan fotogenerasi elektron-hole

Î

terbentuknya pasangan elektron

dan hole akibat cahaya matahari.

(44)

• Cahaya dengan panjang gelombang

yang berbeda, membuat

fotogene-rasi pada sambungan

P-N yang

berbeda pula.

p

• Spektrum warna merah yg memiliki

λ lebih panjang, mampu menembus

daerah deplesi hingga terserap di

bahan

P yang juga menghasilkan

fotogenerasi di sana.

• Spektrum biru dengan λ yang jauh

l bih p nd k h n t s

p di

lebih pendek hanya terserap di

daerah N.

• Elektron hasil fotogenerasi tertarik

ke arah bahan N, hole tertarik ke

arah bahan P.

• Cahaya yang masuk menghasilkan

potensial listrik.

• Arus listrik akan mengalir jika

nt

k d k t b dib i b b n

antara kedua kutub diberi beban,

yang sebenarnya adalah proses

“bersatunya” elektron dengan hole.

• Proses fotogenerasi terus

berlang-sung selama cahaya matahari masuk

ke dalam bahan semikonduktor.

(45)

1. Polikristal (Polycrystalline) :

sel surya yang memiliki

susunan kristal acak.

Memerlukan luas permukaan

p

yang lebih besar dibanding

jenis monokristal untuk

menghasilkan daya listrik yang

sama, tetapi masih bisa

menghasilkan listrik pada saat

cahaya lemah (cuaca mendung).

2. Monokristal (Monocrystalline)

(

y

)

: sel surya yang paling efisien,

menghasilkan daya listrik

persatuan luas yang paling

tinggi. Efisiensi < 15%.

Efisiensi turun drastis dalam

cuaca berawan.

3. Amorphous atau film tipis :

bahan bakunya silikon amorphous

(a-Si), sering digunakan sebagai

sumber daya perangkat berdaya

y p

g

y

rendah. Efisiensinya hanya + 9%,

tetapi biaya pembuatannya murah

krn hanya menggunakan + 1% jml

silikon pada sel crystallinei.

4. Organik : terbuat dari bahan

polimer foto-reaktif. Bahan ini

bisa dicetak atau dilapiskan

p

dengan murah ke substrat yang

fleksibel menggunakan roll-to roll

manufaktur, mirip dengan cara

surat kabar dicetak pada

gulungan kertas besar.

(46)

1. Pantulan dari permukaan sel.

2. Cahaya yg tdk cukup energi utk memisahkan elektron

dari ikatan atomiknya Besarnya energi yang diperlukan:

dari ikatan atomiknya. Besarnya energi yang diperlukan:

3. Cahaya yg memiliki energi ekstra di atas yg diperlukan

4. Elektron dan lubang yg dibangkitkan bisa secara acak

akan bergabung sebelum menyumbang energi listrik.

5. Elektron dan lubang yg dibangkitkan bisa bergabung

g yg

g

(47)

• Secara normal, silikon yg tdk diproses akan memantulkan

36% lebih cahaya yang mengenainya Î sangat merugikan

• Ada cara pelapisan permukaan secara kimia dan membuat

Ada cara pelapisan permukaan secara kimia dan membuat

tekstur khusus shg pantulan 5% saja.

Cahaya dengan Energi yang Terlalu Kecil atau

Terlalu Besar

• Rerugi efisiensi berkaitan dengan cahaya yg energinya

l l k

l

l l b

C h

b f k

terlalu kecil atau terlalu besar. Cahaya berfrekuensi

rendah (aras kemerahan) energinya lebih kecil dibanding

cahaya berfrekuensi lebih tinggi.

• Cahaya yg memasuki sel surya bisa :

a. Menembus sel

b. Diserap, menimbulkan panas dlm bentuk getaran

b. D serap, men mbulkan panas dlm bentuk getaran

atomik.

c. Memisahkan elektron dari ikatannya, menghasilkan

pasangan elektron-lubang Î ini yg dicari

d. Menghasilkan pasangan elektron-lubang, tetapi

kelebihan energi sehingga menjadi panas.

(48)

Resistansi

• Rerugi resistansi pada sel surya paling banyak terjadi di

3 tempat : di sebagian besar bahan dasar, di lapisan

s mpit p m k n t s d n p d nt m k nt

s l

sempit permukaan atas, dan pada antarmuka antara sel

dan kontak listrik yg mengarah ke sirkuit eksternal.

• Resistansi mengakibatkan menurunnya tegangan dan

meningkatkan rekombinasi muatan shg menurunkan arus.

• Solusi dilakukan dengan memberi doping silikon dengan

(49)

Energi Angin

• Angin Î udara yang bergerak.

• Udara mempunyai massa Î energi yang ditimbulkan

bisa dihitung berdasarkan energi kinetik.

• Energi yang terkandung pada angin :

E

k

= 0.5

mV

2 (kg m

2 /s)

di mana :

m

= massa (kg)

(50)

• Pada penerapan kincir angin, persamaan energi kinetik

bisa diubah menjadi persamaan aliran.

• Tenaga pada permukaan kincir (merupakan tenaga dari

aliran udara secara bebas) :

P =

0.5 q A V

3 di mana:

P

= tenaga (W, 746 W = 1 hp)

P

tenaga (W, 746 W 1 hp)

q

= kerapatan udara (1.225 kg/m³pd permukaan laut)

A

= luas permukaan kincir (m²)

V

= kecepatan angin (m/s)

• Tenaga Kincir Angin :

P =

0.5 qACpV

3 _{Ng Nb}

di mana:

P

= tenaga (W)

q

= kerapatan udara (1.225 kg/m³pd permukaan laut)

A

= luas permukaan kincir (m²)

Cp

= Koefisien kinerja (teoritis = 0,59 [Betz limit],

Desain = 0,35)

(51)

• Prinsip dasar : angin memutar sudut turbin, lalu memutar

poros yang dihubungkan dengan generator.

• Turbin untuk PLTB biasanya berkapasitas 50-750 kW,

Turbin untuk PLTB biasanya berkapasitas 50 750 kW,

turbin kecil kapasitas 50 kW biasa digunakan untuk

perumahan sederhana.

• Kebanyakan turbin memakai

blade

berbentuk penampang

sayap pesawat (

aerofoil

), karena efisiensinya tinggi dan

menghasilkan beda tekanan yg besar diantara kedua sisi

blade

shg berputar dgn momen gaya yg cukup besar.

• Kebanyakan desain turbin dilengkapi dgn pengontrol sudut

blade

(

pitch

). Saat kecepatan angin turun,

blade

bergerak

memutar menghadap arah angin, tetapi saat kecepatan

angin sangat besar

blade

memutar menjauhi arah angin.

Î

daya optimal dan konstan.

(52)

(53)

1. Horizontal Axis Wind Turbine :

sumbu putar turbin sejajar

dengan bumi. Paling banyak dikembangkan di berbagai

negara. Terdiri dari dua tipe :

negara. Terdiri dari dua tipe

a. Mesin

upwind

: rotor berhadapan dengan angin. Rotor

didesain tidak fleksibel, dan diperlukan mekanisme

yaw

utk menjaga rotor agar tetap berhadapan dengan

angin.

b. Mesin

downwind

: rotor ditempatkan di belakang

tower dapat dibuat lebih fleksibel tanpa

tower, dapat dibuat lebih fleksibel, tanpa

menggunakan mekanisne yaw, sehingga mengurangi

berat. Kelemahannya angin harus melewati tower

terlebih dulu sebelum sampai pada rotor, shg

menambah beban (

fatigue load

) pd turbin.

2. Vertical Axis Wind Turbine: sumbu putar vertikal terhadap bumi.

Jarang dipakai untuk turbin komersial. Rotornya berputar relatif

pelan (di bawah 100 rpm), tetapi memiliki momen gaya yang kuat,

sehingga bisa dipakai utk menggiling biji-bijian, pompa air, tetapi

t k

k nt k m n h silk n list ik (h

s di t s 1000 pm)

tak cocok untuk menghasilkan listrik (harus di atas 1000 rpm).

Sebenarnya bisa diatasi dg gearbox utk menaikkan rpm, tetapi

efisiensinya turun dan mesin sulit utk start. VAWT terdiri dari

dua tipe, yaitu:

a. Tipe dorong : lebih banyak bagian blade yg mengalami gaya

dorong spt pd mangkuk anemometer. Bentuknya bervariasi,

seperti ember, dayung, layar, tangki. Kecepatan maks. blade

h mpi s m d n k

p t n n in Efisi nsi d

n nd h

hampir sama dgn kecepatan angin. Efisiensi dayanya rendah.

b. Tipe angkat : lebih banyak bagian blade yang mengalami gaya

angkat. Ukuran blade relatif besar dan tinggi, shg

menimbulkan getaran. Biasanya memakai dua atau tiga blade.

Turbin jenis ini menghasilkan lebih banyak daya output

sumbu putar turbin sejajar, efisiensinya tinggi.

(54)

a. Konsep satu blade, sulit setimbang, membutuhkan angin yang sangat

kencang utk menghasilkan gaya putar, dan menghasilkan noise di

ujungnya. Konsep ini dikembangkan sukses di Jerman.

b. Konsep dua blade, mudah untuk setimbang, tetapi masih mudah

bergeser. Desain blade harus memiliki kelengkungan yang tajam utk

bisa menangkap energi angin secara efektif. Pd kecepatan angin

rendah (sekitar 3 m/s) putarannya sulit dimulai.

c. Konsep tiga blade, lebih setimbang dan kelengkungan blade lebih

halus untuk dapat menangkap energi angin secara efektif. Konsep

ini paling sering dipakai pada turbin komersial.

d. Konsep multi blade (misalnya 12 blade), justru memiliki efisiensi

rendah, tetapi dapat menghasilkan momen gaya awal yang cukup

besar untuk mulai berputar, cocok utk kecepatan angin rendah.

Banyak dijumpai utk pompa air, menggiling biji-bijian, karena murah

dan mampu bekerja pada kecepatan angin rendah sehingga tower

tidak perlu terlalu tinggi dan air dapat dipompa secara kontinu.

(55)

(56)

BIOETANOL DARI

LIGNOSELULOSA

Latar Belakang

• Kenaikan konsumsi energi

Kenaikan konsumsi energi

Konsumsi energi terus meningkat

sejalan dengan laju pertumbuhan

ekonomi dan pertambahan penduduk

(57)

tahun Kebutuhan

premium, kL

p

,

2000

2001

2002

2003

2004

12429

13067

13630

14647

16418

2005

2006

17459

17067

•

Keterbatasan bahan bakar fosil

BBM impor

besarnya subsidi BBM

BBM impor besarnya subsidi BBM

Data impor (Martono & Sasongko, 2007)

2002 : 106,9 juta barrel

2004 : 154,4 juta barrel

(58)

•

Enviroment problem :

• Kendaraan bermotor pengguna terbesar

(49%) b h

b k

f

il

(49%) bahan bakar fosil

• Komposisi kerusakan lingkungan akibat

pembakaran bahan bakar fosil :

68% berdampak pada kesehatan

21% berdampak pada perubahan iklim

(pemanasan global)

• Limbah pertanian (bahan lignoselulosa):

• Jumlah produksi sangat besar (limbah)

• Kandungan hemiselulosa 40-50% dan

(59)

Keuntungan produksi bioetanol

dari nonfood biomass

• Sumber bahan energi yang murah dan

dapat diperbaharui

• Mengurangi emisi netto gas CO

₂

• Mengurangi masalah limbah

• Pengganti bensin

• Pengembangan teknologi

Biofuel: secara signifikan mengurangi emisi

Biofuel generasi kedua

biomassa

Energi

atau panas

Biofuel generasi kedua

(60)

Langkah proses :

1. Konversi lignoselulosa menjadi gula

(hidrolisis)

2. Konversi gula menjadi etanol

(fermentasi)

3. Pemurnian etanol kasar menjadi etanol

grade fuel (distilasi)

(61)

Perlu pemisahan lignin

• Physical pre-treatment

:

Milli

Milling

Extrusion

streaming

• Physico-chemical pre-treatment

:

Explosion

hydrothermilysis

(wet oxidation

)

Peralatan,

Konsumsi energi

konsumsi energi, bahan kimia,

safety (ledakan)

(wet oxidation

)

• Chemical pre-treatment

:

Alkali

reaksi oksidasi

organosolvent

y (

)

bahan kimia

Hidrolisis dapat dilakukan

setelah pemisahan lignin

(62)

Contoh

Langkah proses hidrolisis bonggol pisang

air

Katalis asam sulfat

(Pemanasan T> P>)

gula

Bonggol pisang kering

(43,49 hemi;15,4%selulosa)

(Pemanasan T>, P>)

(C

₆₆

H

₁₀

O

₅₅

))

_nn

n H

2 O

n C

66 H

H

12

12 O

O

66 glukosa

Langkah proses fermentasi

gula

_yeast

_etanol

2n C

H

OH

2n C

(63)

Review Proses Pembuatan Bioetanol

•• Reaksi Hi

Reaksi Hidrol

droliisis

sis

bahan lignoselulosa untuk

h

ilk

l d

t dil k k

d

menghasilkan gula dapat dilakukan dengan

reaksi hidrolisis menggunakan katalis asam atau

basa

•• Fermenta

Fermentasi

si

larutan gula yang diperoleh dari

langkah hidrolisis menggunakan local mikroba

Saccharomyces Cereviceae sehingga

125 y

gg

menghasilkan cairan yang mengandung etanol.

•• P

Pemurnian

emurnian

etanol dapat dilakukan dengan cara

kimiawi maupun fisika. Tujuan pemurnian agar

diperoleh etanol fuel grade (bioetanol)

PROSES

FERMENT

ASI

PROSES

DISTILASI

AZEOTROP

Pengurangan

lignin

HIDROLISIS

(64)

Heating Value dan

Pemilihan Bahan Bakar untuk

Industri

Type of Fuels

Liquid Fuels

9 Penggunaan

• Secara ekstensif digunakan dalam aplikasi

industri

9 Contoh

• Furnace oil

• Light diesel oil