APLIKASI TERMODINAMIKA DIBIDANG KELAUTAN
(OCEANOGRAFI)
Pemanfaatan Laut sebagai sumber Energi
Termodinamika
dianggap sebagai salah satu bagian terpenting dari kehidupan kita
sehari-hari. Apakah Anda bepergian dalam kendaraan apapun, duduk nyaman
di ruangan Anda ber-AC, menonton televisi dll, Anda akan melihat
aplikasi termodinamika hampir di mana-mana secara langsung atau tidak
langsung. Ketika Sadi Carnot, anak dianggap sebagai ayah dari
termodinamika, diusulkan teorema dan siklus, hampir tidak ada yang
membayangkan bahwa usulannya akan memainkan peran utama dalam penciptaan
mobil yang akan menjadi salah satu bagian terpenting dari kehidupan
manusia. Perkembangan hampir semua jenis mesin dapat ditelusuri ke
Teorema Carnot Carnot dan Siklus. Pada tahap ini kehidupan kita bisa
kita membayangkan hidup tanpa mobil. Tentu saja kita tidak bisa
melupakan pentingnya Stirling, Diesel, Otto dan Ericsson juga
menciptakan siklus independen mereka sendiri yang menghasilkan lebih
banyak inovasi dan perbaikan dari mobil.
Studi termodinamika
melibatkan berbagai hukum termodinamika yang mencakup: Hukum Pertama
Termodinamika, Hukum Kedua Termodinamika, Hukum Ketiga Termodinamika,
Zeroth Hukum Termodinamika, hukum Boyle, Hukum Charles, dll Landasan
hukum-hukum ini diletakkan oleh Sadi Carnot dengan penemuannya Siklus
Carnot dan Teorema Carnot. Studi tentang hukum-hukum termodinamika
membantu mengungkap berbagai misteri alam, bukan hanya untuk pencapaian
materialistis, tetapi juga untuk memperoleh kebijaksanaan spiritual,
untuk sejumlah undang-undang seperti hukum ketiga terkait dengan entropi
membantu memahami rahasia keberadaan manusia hidup.
Untuk
memahami berbagai konsep termodinamika beberapa istilah penting yang
berhubungan dengan termodinamika harus dipahami. Studi tentang
termodinamika melibatkan sistem dan lingkungannya di mana semua
eksperimen dilakukan untuk penemuan perangkat. Ada berbagai jenis proses
termodinamika yang membantu menerapkan hukum termodinamika
termodinamika untuk berbagai aplikasi.
Energi yang berasal dari laut (ocean energy) dapat dikategorikan menjadi tiga macam:
1. Energy pasang surut (tidal energy),
2. hasil konversi energi panas laut (ocean thermal energy conversion).
Prinsip
sederhana dari pemanfaatan ketiga bentuk energi itu adalah: memakai
energi kinetik untuk memutar turbin yang selanjutnya menggerakkan
generator untuk menghasilkan listrik. Artikel kali ini ialah bagian
kedua dari tiga artikel yang membahas tentang energi yang dapat
dimanfaatkan dari laut. Di bagian kedua trilogi artikel ini, energi
pasang surut (tidal energy) akan dibahas.
1.Energi Pasang Surut
Pasang
surut menggerakkan air dalam jumlah besar setiap harinya; dan
pemanfaatannya dapat menghasilkan energi dalam jumlah yang cukup besar.
Dalam sehari bisa terjadi hingga dua kali siklus pasang surut. Oleh
karena waktu siklus bisa diperkirakan (kurang lebih setiap 12,5 jam
sekali), suplai listriknya pun relatif lebih dapat diandalkan daripada
pembangkit listrik bertenaga ombak. Namun demikian, menurut situs
darvill.clara.net, hanya terdapat sekitar 20 tempat di dunia yang telah
diidentifikasi sebagai tempat yang cocok untuk pembangunan pembangkit
listrik bertenaga pasang surut ombak.
Pada dasarnya ada dua metodologi untuk memanfaatkan energi pasang surut:
A. Dam pasang surut (tidal barrages)
Cara
ini serupa seperti pembangkitan listrik secara hidro-elektrik yang
terdapat di dam/waduk penampungan air sungai. Hanya saja, dam yang
dibangun untuk memanfaatkan siklus pasang surut jauh lebih besar
daripada dam air sungai pada umumnya. Dam ini biasanya dibangun di muara
sungai dimana terjadi pertemuan antara air sungai dengan air laut.
Ketika ombak masuk atau keluar (terjadi pasang atau surut), air mengalir
melalui terowongan yang terdapat di dam. Aliran masuk atau keluarnya
ombak dapat dimanfaatkan untuk memutar turbin.
Pembangkit listrik
tenaga pasang surut (PLTPs) terbesar di dunia terdapat di muara sungai
Rance di sebelah utara Perancis. Pembangkit listrik ini dibangun pada
tahun 1966 dan berkapasitas 240 MW. PLTPs La Rance didesain dengan
teknologi canggih dan beroperasi secara otomatis, sehingga hanya
membutuhkan dua orang saja untuk pengoperasian pada akhir pekan dan
malam hari. PLTPs terbesar kedua di dunia terletak di Annapolis, Nova
Scotia, Kanada dengan kapasitas “hanya” 16 MW.
Kekurangan terbesar
dari pembangkit listrik tenaga pasang surut adalah mereka hanya dapat
menghasilkan listrik selama ombak mengalir masuk (pasang) ataupun
mengalir keluar (surut), yang terjadi hanya selama kurang lebih 10 jam
per harinya. Namun, karena waktu operasinya dapat diperkirakan, maka
ketika PLTPs tidak aktif, dapat digunakan pembangkit listrik lainnya
untuk sementara waktu hingga terjadi pasang surut lagi.
B. Turbin lepas pantai (offshore turbines)
Pilihan
lainnya ialah menggunakan turbin lepas pantai yang lebih menyerupai
pembangkit listrik tenaga angin versi bawah laut. Keunggulannya
dibandingkan metode pertama yaitu: lebih murah biaya instalasinya,
dampak lingkungan yang relatif lebih kecil daripada pembangunan dam, dan
persyaratan lokasinya pun lebih mudah sehingga dapat dipasang di lebih
banyak tempat.
Beberapa perusahaan yang mengembangkan teknologi
turbin lepas pantai adalah: Blue Energy dari Kanada, Swan Turbines (ST)
dari Inggris, dan Marine Current Turbines (MCT) dari Inggris. Gambar
hasil rekaan tiga dimensi dari ketiga jenis turbin tersebut ditampilkan
dalam Gambar 6.
Teknologi MCT bekerja seperti pembangkit listrik
tenaga angin yang dibenamkan di bawah laut. Dua buah baling dengan
diameter 15-20 meter memutar rotor yang menggerakkan generator yang
terhubung kepada sebuah kotak gir (gearbox). Kedua baling tersebut
dipasangkan pada sebuah sayap yang membentang horizontal dari sebuah
batang silinder yang diborkan ke dasar laut. Turbin tersebut akan mampu
menghasilkan 750-1500 kW per unitnya, dan dapat disusun dalam
barisan-barisan sehingga menjadi ladang pembangkit listrik. Demi menjaga
agar ikan dan makhluk lainnya tidak terluka oleh alat ini, kecepatan
rotor diatur antara 10-20 rpm (sebagai perbandingan saja, kecepatan
baling-baling kapal laut bisa berkisar hingga sepuluh kalinya).
Dibandingkan
dengan MCT dan jenis turbin lainnya, desain Swan Turbines memiliki
beberapa perbedaan, yaitu: baling-balingnya langsung terhubung dengan
generator listrik tanpa melalui kotak gir. Ini lebih efisien dan
mengurangi kemungkinan terjadinya kesalahan teknis pada alat. Perbedaan
kedua yaitu, daripada melakukan pemboran turbin ke dasar laut ST
menggunakan pemberat secara gravitasi (berupa balok beton) untuk menahan
turbin tetap di dasar laut.
Adapun satu-satunya perbedaan mencolok
dari Davis Hydro Turbines milik Blue Energy adalah poros
baling-balingnya yang vertikal (vertical-axis turbines). Turbin ini juga
dipasangkan di dasar laut menggunakan beton dan dapat disusun dalam
satu baris bertumpuk membentuk pagar pasang surut (tidal fence) untuk
mencukupi kebutuhan listrik dalam skala besar.
Berikut ini disajikan secara ringkas kelebihan dan kekurangan dari pembangkit listrik tenaga pasang surut:
Kelebihan:
• Setelah dibangun, energi pasang surut dapat diperoleh secara gratis.
• Tidak menghasilkan gas rumah kaca ataupun limbah lainnya.
• Tidak membutuhkan bahan bakar.
• Biaya operasi rendah.
• Produksi listrik stabil.
• Pasang surut air laut dapat diprediksi.
• Turbin lepas pantai memiliki biaya instalasi rendah dan tidak menimbulkan dampak lingkungan yang besar.
Kekurangan:
•
Sebuah dam yang menutupi muara sungai memiliki biaya pembangunan yang
sangat mahal, dan meliputi area yang sangat luas sehingga merubah
ekosistem lingkungan baik ke arah hulu maupun hilir hingga
berkilo-kilometer.
• Hanya dapat mensuplai energi kurang lebih 10 jam setiap harinya, ketika ombak bergerak masuk ataupun keluar.
2. Energi Panas Laut
Ide
pemanfaatan energi dari laut yang terakhir bersumber dari adanya
perbedaan temperatur di dalam laut. Jika anda pernah berenang di laut
dan menyelam ke bawah permukaannya, anda tentu menyadari bahwa semakin
dalam di bawah permukaan, airnya akan semakin dingin. Temperatur di
permukaan laut lebih hangat karena panas dari sinar matahari diserap
sebagian oleh permukaan laut. Tapi di bawah permukaan, temperatur akan
turun dengan cukup drastis. Inilah sebabnya mengapa penyelam menggunakan
pakaian khusus selam ketika menyelam jauh ke dasar laut. Pakaian khusus
tersebut dapat menangkap panas tubuh sehingga menjaga mereka tetap
hangat.
Pembangkit listrik dapat memanfaatkan perbedaan temperatur
tersebut untuk menghasilkan energi. Pemanfaatan sumber energi jenis ini
disebut dengan konversi energi panas laut (Ocean Themal Energy
Conversion atau OTEC). Perbedaan temperatur antara permukaan yang hangat
dengan air laut dalam yang dingin dibutuhkan minimal sebesar 77 derajat
Fahrenheit (25 °C) agar dapat dimanfaatkan untuk membangkitkan listrik
dengan baik. Adapun proyek-proyek demonstrasi dari OTEC sudah terdapat
di Jepang, India, dan Hawaii.
Gambar 7. Ocean Thermal Energy Conversion dengan Siklus Tertutup
Berdasarkan
siklus yang digunakan, OTEC dapat dibedakan menjadi tiga macam: siklus
tertutup, siklus terbuka, dan siklus gabungan (hybrid). Pada alat OTEC
dengan siklus tertutup, air laut permukaan yang hangat dimasukkan ke
dalam alat penukar panas untuk menguapkan fluida yang mudah menguap
seperti misalnya amonia. Uap amonia akan memutar turbin yang
menggerakkan generator. Uap amonia keluaran turbin selanjutnya
dikondensasi dengan air laut yang lebih dingin dan dikembalikan untuk
diuapkan kembali (Lihat gambar 7). Pada siklus terbuka, air laut
permukaan yang hangat langsung diuapkan pada ruang khusus bertekanan
rendah. Kukus yang dihasilkan digunakan sebagai fluida penggerak turbin
bertekanan rendah. Kukus keluaran turbin selanjutnya dikondensasi dengan
air laut yang lebih dingin dan sebagai hasilnya diperoleh air
desalinasi. Pada siklus gabungan, air laut yang hangat masuk ke dalam
ruang vakum untuk diuapkan dalam sekejap (flash-evaporated) menjadi
kukus (seperti siklus terbuka). Kukus tersebut kemudian menguapkan
fluida kerja yang memutar turbin (seperti siklus tertutup). Selanjutnya
kukus kembali dikondensasi menjadi air desalinasi.
Fluida kerja yang
populer digunakan adalah amonia karena tersedia dalam jumlah besar,
murah, dan mudah ditransportasikan. Namun, amonia beracun dan mudah
terbakar. Senyawa seperti CFC dan HCFC juga merupakan pilihan yang baik,
sayangnya menimbulkan efek penipisan lapisan ozon. Hidrokarbon juga
dapat digunakan, akan tetapi menjadi tidak ekonomis karena menjadikan
OTEC sulit bersaing dengan pemanfaatan hidrokarbon secara langsung.
Selain itu, yang juga perlu diperhatikan adalah ukuran pembangkit
listrik OTEC bergantung pada tekanan uap dari fluida kerja yang
digunakan. Semakin tinggi tekanan uapnya maka semakin kecil ukuran
turbin dan alat penukar panas yang dibutuhkan, sementara ukuran tebal
pipa dan alat penukar panas bertambah untuk menahan tingginya tekanan
terutama pada bagian evaporator.
Secara ringkas, kekurangan dan kelebihan dari OTEC yaitu:
Kelebihan:
• Tidak menghasilkan gas rumah kaca ataupun limbah lainnya.
• Tidak membutuhkan bahan bakar.
• Biaya operasi rendah.
• Produksi listrik stabil.
•
Dapat dikombinasikan dengan fungsi lainnya: menghasilkan air pendingin,
produksi air minum, suplai air untuk aquaculture, ekstraksi mineral,
dan produksi hidrogen secara elektrolisis.
Kekurangan:
• Belum ada analisa mengenai dampaknya terhadap lingkungan.
• Jika menggunakan amonia sebagai bahan yang diuapkan menimbulkan potensi bahaya kebocoran.
• Efisiensi total masih rendah sekitar 1%-3%.
• Biaya pembangunan tidak murah.
Sebagai
pengantar terakhir dari saya, “Dalamnya laut bisa ditebak, namun
dalamnya hati siapa yang tahu.” Begitu kata sebuah pepatah. Semoga
teknologi untuk memanfaatkan energi dari laut yang sangat menggiurkan
ini dapat dikelola dengan baik sehingga tidak menimbulkan dampak buruk
bagi ekosistem laut yang sudah lebih dulu ada.
Aplikasi ini
membuktikan bahwa pemanfaatan pergerakan dengan pemasangan turbin
didaerah pasang surut dan pemanfaatan ombak juga panas laut,menggunakan
peralatan yang tentunya memiliki manfaat untuk mengubah pasang
surut,ombak serta panas laut menjadi energi listrik menggunakan
konsep-konsep termodinamika yang ada.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar