PEMANFAATAN ENERGIBab I

Pendahuluan

Energi sangat dibutuhkan dalam kehidupan kita sehari hari. Bayangkan seandainya tidak ada matahari, tidak mungkin ada kehidupan di bumi, karena matahari merupakan sumber energi utama bagi kehidupan. Perkebunan, hutan, pertanian dan lain lain memerlukan energi matahari.

Energi adalah suatu hal yang tak dapat lepas dari kehidupan sehari-hari. Bentuk bentuk energy bermacam macam, misalnya: energi kinetik, energi potensial, energi pegas, energi gravitasi, energy kimia, energi massa, energi listrik dan masih banyak lagi. Dari hari ke hari kebutuhan akan energi semakin meningkat, peningkatan ini dipengaruhi oleh banyak faktor yaitu, gaya hidup, kepuasan manusia yang tak ada hentinya, semakin majunya peradaban manusia dan lain-lain. Energi berdasarkan sumbernya dibedakan atas 2 yaitu energi yang terbarukan dan yang tidak terbarukan. Energi yang sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari adalah energi yang tidak terbarukan, misalnya: minyak bumi, gas bumi, dan batubara. Dengan demikian energi tersebut semakin lama akan semakin berkurang. Selain itu, peningkatan harga minyak dunia hingga mencapai 100 U$ per barel juga menjadi alasan yang serius yang menimpa banyak negara di dunia terutama Indonesia.

Lonjakan harga minyak dunia akan memberikan dampak yang besar bagi pengembangan sumber daya tenaga listrik di Indonesia. Meihat hal tersebut, maka kita harus pandai pandai dalam memanfaatkan energi energi yang ada di bumi kita ini, misalnya dengan kita memanfaatkan energi air sebagai pembangkit listrik tenaga air (penggerak turbin air) maka kita bisa lebih menghemat penggunaan minyak.

Bab II

Kajian Pustaka

A. Bentuk Bentuk Energi

Berikut ini merupakan bentuk bentuk energi :

1. Pengertian Energi potensial gravitasi adalah energi yang dimiliki oleh benda diam. Energi ini juga disebut dengan energi diam. Misalnya suatu benda yang mempunyai ketinggian tertentu dan pegas yang ditekan atau direnggangkan. Jika semua itu dilepas akan melakukan usaha (gerakan). Contohnya, buah yang jatuh dari pohonnya.

2. Pengertian energi kinetik adalah energi yang dimiliki suatu benda pada saat bergerak. Misalnya jika seorang sedang berlari, mobil pada saat melaju, benda yang berputar dan kereta yang sedang bergerak. Pada saat itu benda-benda tersebut mempunyai energi yang disebut energi kinetik atau energi gerak.

3. Pengertian energi kimia yaituenergi yang timbul akibat terjadinya reaksi kimia. Makanan dari pada bahan bakar pada umumnya tersusun atas senyawakimia yang di dalamnya tersimpan energi kimia.

4. Pengertian energi kalor, yaitu bentuk energi yang banyak kita jumpai seperi matahari, api atau bentu energi yang lain yang harus dibentuk dalam bentuk kalor misalnya setrika, solder dan kompor.

5. Pengertian energi listrik, yaitu energi yang tersimpan dalam arus listik (muatan yang bergerak). Energi ini banyak dimanfaatnya. Contoh radio, solder, televisi dan lain sebagainya

6. Pengertian energi bunyi, terdapat di dalam segala jenis bunyi. Misalnya orang berbicara, seruling, ledakan bom dan petir. Bukti bahwa bunyi memilliki energi yaitu ledakan petir yang dahsyat dapat mengakibatkan pecahnya kaca jendela.

7. Energi potensial pegas adalah energi yang dihasilkan oleh benda benda lentur yang memiliki sifat pegas. Contohnya, penjepit jemuran pakaian yang ditekan, busur panah yang direntangtkan.

8. Energi magnet adalah energy yang dihasilkan oleh magnet.

B. Sumber Sumber Energi dan Konversi Dasarnya

Berikut ini merupakan sumber sumber energi beserta konversi dasarnya:

1. Kayu dengan konversi dasar yaitu, kimia panas, listrik

2. Angin dengan konversi dasar yaitu, kinetik mekanika, listrik

3. Air dengan konversi dasar yaitu, potensial kinetik mekanikal, listrik

4. Batubara dengan konversi dasar yaitu, kimia panas, listrik

5. Minyak Bum dengan konversi dasar yaitu, kimia panas, listrik

6. Gas Alam dengan konversi dasar yaitu, kimia panas, listrik

7. Panas bumi dengan konversi dasar yaitu, panas panas, listrik

8. Nuklir dengan konversi dasar yaitu, kimia- panas, listrik

9. Hidrogen dengan konversi dasar yaitu, kimia panas, listrik

10. Pasang surut dengan konversi dasar yaitu, kinetik listrik

11. Ombak Laut dengan konversi dasar yaitu, kinetik listrik

12. Arus Pancar dengan konversi dasar yaitu, kinetik listrik

C. Perubahan Energi

Ketika sebuah batu jatuh dari suatu ketinggian, batu tersebut memiliki energy. Jika batu tersebut jatuh ke tanah, energy ini akan diubah menjadi energy panas (dapat teramati pada tanah yang menjadi hangat ketika terkena batu) dan energy bunyi. Jadi, energy tidak pernah hilang, tetapi diubah kedalam bentuk energy lain.

Dengan konsep di atas, maka energy dapat dimanfaatkan dalam kehidupan sehari hari. Contoh perubahan energy antara lain sebagai berikut :

a. Energi listrik menjadi energi cahaya, misalnya pada lampu

b. Energi listrik menjadi energi kimia, misalnya pada pengisian aki, pengisian baterai isi ulang.

c. Energi cahaya menjadi energi kimia, misalnya fotosintesis

d. Energi listrik menjadi energi bunyi, misalnya bel listrik, radio, tape recorder, dan televise.

e. Energi listrik menjadi energi gerak, misalnya kipas angin, blender, mikser dll.

f. Energi listrik menjadi energi panas, misalnya setrika listrik, solder listrik, kompor listrik, magic jar, pemanggang listrik

g. Energi listrik menjadi energi magnet, misaknya alat pengangkat besi yang menggunakan magnet listrik

h. Energi kimia menjadi energi listrik, misalnya baterai dan aki pada saat digunakan

i. Energy kimia menjadi energi gerak, misalnya makanan yang kita makan dapat menghasilkan energy sehingga kita dapat bergerak dan melakukan aktivitas

j. Energi kimia menjadi panas, misalnya minyak tanah yang digunakan untuk menyalakan kompor menghasilkan panas

k. Energi kinetic menjadi energi bunyi, misalnya benda yang jatuh dari ketinggian tertentu akan menghasilkan bunyi

l. Energi gerak menjadi energi panas, misalnya roda roda mesin yang saling bergesekan dapat menghsilkan panas

m. Energi kinetic menjadi energi listrik, misalnya dinamo yang diputar atau digerakkan oleh ban sepeda

D. Pemanfaatan Energi

Berikut ini adalah contoh contoh pemanfaatan energi dalam kehidupan sehari hari:

1. Pesawat memanfaatkan tenaga dari putaran baling baling

2. Sel surya memanfaatkan energi cahaya matahari

3. Perahu layar memanfaatkan energi angin

4. Terompet memanfaatkan energi dari tiupan

5. Kincir angin memanfaatkan energi angin

6. Kincir air memanfaatkan energi air7. Dinamo sepeda memanfaatkan energi gerak

8. PLTN memanfaatkan energi nuklir

9. PLTU memanfaatkan energi uap

Bab IV

Pemanfaatan Energi Angin dan Energi Air A. Energi Angin

DalamMajalah PII Engineer Monthly edisi Agustus 2008, antara lain dibahas alasan perlunya dibangun PLTN di Indonesia, selain daripada itu dibahas selintas mengenai Tenaga Listrik Tenaga Angin (PTLTA). Makalah ini membahas secara singkat mekanisme peralatan Tenaga Listrik Tenaga Angin (PTLTA), berukuran kecil yang mungkin dapat dikembangkan di daerah-daerah pedesaan atau pulau-pulau terpencil di Indonesia yang mempunyai potensi angin yang cukup (cukup kencang dan bertiup sepanjang tahun).Tenaga angin telah lama dimanfaatkan di tanah air kita sejak ratusan mungkin ribuan tahun yang lalu, khususnya untuk menggerakkan kapal layar sampai sekarang, dan yang banyak kita lihat sekarang digunakan dalam tambak-tambak ikan di tepi pantai untuk menggerakkan baling-baling (atau turbin angin) untuk menjalankan memompaan air. Namun baiklah kalau kita di Indonesia mulai mempopulerkan PTLTA, khususnya ukuran kecil.PTLTA ukuran kecil adalah istilah yang biasanya diberikan kepada unit 50 KW atau lebih kecil. Tempat-tempat terpencil yang biasanya menggunakan diesel-generator dapat menggantikannya atau menambahkannya dengan PTLTA ukuran kecil ini.

1. Turbin angin

Turbin Angin adalah kincir angin yang digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik. Turbin angin ini pada awalnya dibuat untuk mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, dll. Turbin angin terdahulu banyak dibangun di Denmark, Belanda, dan negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan Windmill.

Perhitungan daya yang dapat dihasilkan oleh sebuah turbin angin dengan diameter kipas adalah:

dimana adalah kerapatan angin pada waktu tertentu dan v adalah kecepatan angin pada waktu tertentu.

Umumnya daya efektif yang dapat dipanen oleh sebuah turbin angin hanya sebesar 20%-30%. Jadi rumus diatas dapat dikalikan dengan 0,2 atau 0,3 untuk mendapatkan hasil yang cukup eksak. Prinsip dasar kerja dari turbin angin adalah mengubah energi mekanis dari angin menjadi energi putar pada kincir, lalu putaran kincir digunakan untuk memutar generator, yang akhirnya akan menghasilkan listrik.

Sebenarnya prosesnya tidak semudah itu, karena terdapat berbagai macam sub-sistem yang dapat meningkatkan safety dan efisiensi dari turbin angin, yaitu:

Gearbox

Alat ini berfungsi untuk mengubah putaran rendah pada kincir menjadi putaran tinggi. Biasanya Gearbox yang digunakan sekitar 1:60. Brake System

Digunakan untuk menjaga putaran pada poros setelah gearbox agar bekerja pada titik aman saat terdapat angin yang besar. Alat ini perlu dipasang karena generator memiliki titik kerja aman dalam pengoperasiannya. Generator ini akan menghasilkan energi listrik maksimal pada saat bekerja pada titik kerja yang telah ditentukan. Kehadiran angin diluar diguaan akan menyebabkan putaran yang cukup cepat pada poros generator, sehingga jika tidak diatasi maka putaran ini dapat merusak generator.Rem cepat: biasanya berada di poros cepat dekat generator, dapat difungsikan untuk membatasi laju putar yang kelewat tinggi yang dapat merusak sistem generator.Rem lambat: biasanya berada di depan gearbox dan dioperasikan secara manual, untuk menghentikan baling-baling pada saat dilakukan maintenace.

Rotor turbin

Berupa baling-baling yang lazimnya terdiri atas 3 sirip, berfungsi untuk menangkap energi angin menjadi energi mekanik putarannya. Permasalahan di bagian ini adalah disain aerodinamis yang seefisien mungkin, serta ketahanan dan berat bahan sirip baling-balingnya

Generator

Generator dapat mengubah energi gerak menjadi energi listrik. Prinsip kerjanya dapat dipelajari dengan menggunakan teori medan elektromagnetik. Singkatnya, (mengacu pada salah satu cara kerja generator) poros pada generator dipasang dengan material ferromagnetik permanen. Setelah itu disekeliling poros terdapat stator yang bentuk fisisnya adalah kumparan-kumparan kawat yang membentuk loop. Ketika poros generator mulai berputar maka akan terjadi perubahan fluks pada stator yang akhirnya karena terjadi perubahan fluks ini akan dihasilkan tegangan dan arus listrik tertentu. Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan ini disalurkan melalui kabel jaringan listrik untuk akhirnya digunakan oleh masyarakat. Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan oleh generator ini berupa AC(alternating current) yang memiliki bentuk gelombang kurang lebih sinusoidal.

Penyimpan energi

Karena keterbatasan ketersediaan akan energi angin (tidak sepanjang hari angin akan selalu tersedia) maka ketersediaan listrik pun tidak menentu. Oleh karena itu digunakan alat penyimpan energi yang berfungsi sebagai back-up energi listrik. Ketika beban penggunaan daya listrik masyarakat meningkat atau ketika kecepatan angin suatu daerah sedang menurun, maka kebutuhan permintaan akan daya listrik tidak dapat terpenuhi.

Rectifier-Inverter

Rectifier berarti penyearah. Rectifier dapat menyearahkan gelombang sinusodal(AC) yang dihasilkan oleh generator menjadi gelombang DC. Inverter berarti pembalik.

Yawsystem

Sistem yang mengatur posisi baling-baling agar tetap menghadap angin secara frontal, sehingga baling-baling dapat menangkap energi angina seefisien mungkin.

Towerpenyangga

Menumpu seluruh berat komponen inti dan penunjang cukup jauh di atas permukaan tanah.

2. Ilmu-ilmu yang diperlukan adalah :

Aerodinamika: untuk memahami perilaku udara bergerak, dan disain baling-baling yang efisien, serta sistem yaw yang diperlukan.

Bahan engineering: untuk membuat bahan sirip baling-baling yang kuat dan ringan.

Power electronics: untuk mendisain generator yang sesuai, serta teknik penyimpanan energi listrik sebagai output sistem. Atau penyesuaian output terhadap jaringan listrik PLN jika harus dilakukan transmisi keluar lokasi.

Teknik kontrol: untuk mendisain sistem kontrol terhadap kecepatan turbin, atau kontrol terhadap daya generator.

Teknik manufaktur: untuk mencetak baling-baling, membuat rumah (nacelle) seluruh komponen peralatannya.

Ilmu-ilmu MIPA :Fisika(aerodinamika, mekanika),Statistika(sifat random angin),Matematika.

Komputer: untuk kontrol saat operasi, dan simulasi eksperimen disain baru.

Meteorologi: untuk mempelajari watak angin.

Teknik sipil: untuk membangun tower yang tangguh dan mampu menyangga sistem secara fisik.

Elektrokimia: untuk teknologi penyimpanan energi listrik dalam baterei.B. Energi Air

Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat, karena pada air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik (pada air mengalir). Tenaga air (Hydropower) adalah energi yang diperoleh dari air yang mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran air di sungai. Sejak awal abad 18 kincir air banyak dimanfaatkan sebagai penggerak penggilingan gandum, penggergajian kayu dan mesin tekstil. Memasuki abad 19 turbin air mulai dikembangkan.

Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka head adalah beda ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka air keluar dari kincir air/turbin air. Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan energi potensial air yaitu :1.2 Kincir Air (Water Wheel)

Kincir air merupakan sarana untuk merubah energi air menjadi energi mekanik berupa torsi pada poros kincir. Ada beberapa tipe kincir air yaitu :

1. Kincir Air Overshot

2. Kincir Air Undershot

3. Kincir Air Breastshot

4. Kincir Air Tub

1.2.1 Kincir Air Overshot

Gambar 1.1 Kincir air Overshot

Kincir air overshot bekerja bila air yang mengalir jatuh ke dalam bagian sudu-sudu sisi bagian atas, dan karena gaya berat air roda kincir berputar. Kincir air overshot adalah kincir air yang paling banyak digunakan dibandingkan dengan jenis kincir air yang lain.

Keuntungan

Tingkat efisiensi yang tinggi dapat mencapai 85%.

Tidak membutuhkan aliran yang deras.

Konstruksi yang sederhana.

Mudah dalam perawatan.

Teknologi yang sederhana mudah diterapkan di daerah yang terisolir.

Kerugian

Karena aliran air berasal dari atas maka biasanya reservoir air atau bendungan air, sehingga memerlukan investasi yang lebih banyak.

Tidak dapat diterapkan untuk mesin putaran tinggi.

Membutuhkan ruang yang lebih luas untuk penempatan.

Daya yang dihasilkan relatif kecil.

1.2.2 Kincir Air Undershot

Gambar 1.2 Kincir air Undershot

Kincir air undershot bekerja bila air yang mengalir, menghantam dinding sudu yang terletak pada bagian bawah dari kincir air. Kincir air tipe undershot tidak mempunyai tambahan keuntungan dari head.Tipe ini cocok dipasang pada perairan dangkal pada daerah yang rata. Tipe ini disebut juga dengan Vitruvian. Disini aliran air berlawanan dengan arah sudu yang memutar kincir.

Keuntungan

Konstruksi lebih sederhana

Lebih ekonomis

Mudah untuk dipindahkan

Kerugian

Efisiensi kecil

Daya yang dihasilkan relatif kecil

1.2.3 Kincir Air Breastshot

Gambar 1.3 Kincir air Breastshot

Kincir air Breastshot merupakan perpaduan antara tipe overshot dan undershot dilihat dari energi yang diterimanya. Jarak tinggi jatuhnya tidak melebihi diameter kincir, arah aliran air yang menggerakkan kincir air disekitar sumbu poros dari kincir air. Kincir air jenis ini menperbaiki kinerja dari kincir air tipe under shot

Keuntungan

Tipe ini lebih efisien dari tipe under shot

Dibandingkan tipe overshot tinggi jatuhnya lebih pendek

Dapat diaplikasikan pada sumber air aliran datar

Kerugian

Sudu-sudu dari tipe ini tidak rata seperti tipe undershot (lebih rumit)

Diperlukan dam pada arus aliran datar

Efisiensi lebih kecil dari pada tipe overshot

1.2.4 Kincir Air Tub

Gambar 1.4 Kincir air Breastshot

Kincir air Tub merupakan kincir air yang kincirnya diletakkan secara horisontal dan sudu-sudunya miring terhadap garis vertikal, dan tipe ini dapat dibuat lebih kecil dari pada tipe overshot maupun tipe undershot. Karena arah gaya dari pancuran air menyamping maka, energi yang diterima oleh kincir yaitu energi potensial dan kinetik.

Keuntungan

Memiliki konstruksi yang lebih ringkas

Kecepatan putarnya lebih cepat

Kerugian

Tidak menghasilkan daya yang besar

Karena komponennya lebih kecil membutuhkan tingkat ketelitian yang lebih teliti

1.2.5 Penggunaan Kincir Air

1. Mesin penggiling gandum

Mesin penggiling gandum dengan penggerak kincir air sudah digunakan sejak abad pertama sebelum masehi, pada jaman kerajaan Romawi dan walaupun terkesan kuno tapi mesin penggiling ini masih tetap dipakai sampai sekarang.

2. Mesin pemintal benang

Mesin pemintal benang yang digerakan oleh kincir air ini pertama kali diperkenalkan oleh dua insinyur Inggris, adalah Richards Arkwright dan James Hargreaves yang pada tahun 1773. dan mulai dibuat di USA pada tahun 1780-an. Pada abad ke-19 penggunaan mesin ini sudah digunakan untuk pembuatan secara massal, jadi orang tidak lagi membuat pakaiannya sendiri.

3. Mesin gergaji kayu

Mesin gergaji kayu dengan penggerak kincir air banyak ditemukan di New England,USA, pada tahun 1840-an

4. Mesin tekstil

Mesin tekstil dengan penggerak kincir air ini digunakan oleh industri tekstil pada abad ke-19. karena sumber energinya berupa air, maka pengeluaran untuk produksi dapat diminimalisir. Tetapi seiring dengan perkembangan teknologi, lambat laun mesin ini mulai ditinggalkan

1.3 Turbin airTurbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk pembangkit tenaga listrik.. Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Energi mekanis diubah dengan generator listrik menjadi tenaga listrik. Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi.

Tabel 1.1 Pengelompokan Turbin

high headmedium headlow head

impulse turbinesPelton

Turgocross-flow

multi-jet Pelton

Turgocross-flow

reaction turbinesFrancispropeller

Kaplan

1.3.1. Turbin Impuls

Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pda nozle. Air keluar nozle yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan.