Sumber Energi Terbarukan

"The world will someday run out of coal, but the magnificent Sun will always be there for us."
~ Augustin Bernard Mouchot

Energi matahari disebut energi terbarukan atau berkelanjutan karena akan terus tersedia selama matahari masih bersinar. Matahari diperkirakan akan terus bersinar selama 4-5 miliar tahun lagi. Energi dari matahari adalah radiasi elektromagnet. Sumber energi lainnya adalah angin, biomassa, geotermal, tenaga air, gelombang pasang dan ombak. Selain geotermal sumber energi terbarukan adalah energi matahari yang sudah berubah wujud.

Sangat kontras dengan bahan bakar fosil, bahan bakar fosil adalah energi matahari yang tersimpan selama jutaan tahun, walaupun jumlah bahan bakar fosil sangat besar namun bahan bakar fosil itu terbatas, dalam jangka waktu ratusan tahun akan habis dan tidak dapat diperbarui.

Keunggulan menggunakan energi terbarukan adalah berkelanjutan, terdapat di mana-mana di seluruh dunia dan pada dasarnya tidak berpolusi. Walaupun sumber energi terbarukan dianggap tidak berpolusi namun dalam pengoperasiannya masih menghasilkan karbondioksida dalam jumlah yang kecil.

Sedangkan kelemahan dari energi terbarukan adalah berubah-ubah dan jumlahnya kecil serta secara umum masih relatif mahal. Sumber energi terbarukan berubah ubah karena sangat bergantung dengan siklus alam seperti energi matahari yang hanya dapat diambil saat siang hari, energi angin yang kecepatannya tidak pernah konstan. Mahalnya energi terbarukan lebih dikarenakan investasi teknologi yang relatif baru sehingga masih mahal.

Data kemajuan negara-negara untuk mengurangi karbon

Sumber: climateinstitute.org

 1.      Energi matahari

Matahari adalah bola plasma dengan komposisi utama hidrogen dan helium serta unsur atom lain dalam jumlah yang sangat kecil. Energi matahari berasal dari reaksi fusi. Reaksi fusi menggabungkan atom hidrogen yang menghasilkan helium dan energi.

Energi matahari sampai ke bumi melalui radiasi elektromagnetik. Pada dasarnya keseimbangan energi di bumi adalah nol. Radiasi yang dipancarkan oleh bumi setara dengan yang diserap oleh bumi. Jika keseimbangan energi tidak nol maka akan terjadi peningkatan suhu bumi.

Secara alami keseimbangan energi di bumi menciptakan iklim dan biosfer yang stabil. Iklim tersebut membentuk cuaca yang dapat mendukung kehidupan makhluk hidup. Keseimbangan itu dapat mencukupi kebutuhan energi bagi makhluk hidup dan menjaga suhu bumi.

Energi matahari dapat dimanfaatkan melalui beberapa cara. Cara tersebut dapat secara langsung seperti memanfaatkan panas untuk mengeringkan pakaian atau tidak langsung dengan melalui media penyimpanan terlebih dahulu seperti panas matahari disimpan dalam pemanas air atau disimpan dalam baterai.

a.      Solar sel

Sel photovoltaic, photovoltaic terdiri dari dua kata yaitu photo dan volt. Photovoltaic mampu mengkonversi secara langsung energi cahaya menjadi energi listrik. Sel photovotaic terbuat dari bahan semikonduktor.

Struktur dan proses dari solar sel

Sumber: Quaschning

Prinsip kerja solar sel

Sumber: Quaschning

Energi matahari ditangkap oleh solar sel kemudian diteruskan ke charge regulator. Energi listrik disimpan dalam baterai. Charge regulator berperan dalam pengaturan penggunaan energi listrik. Apabila baterai kosong maka listrik dialirkan ke baterai, saat baterai penuh langsung dialirkan ke beban. Apabila solar sel tidak menghasilkan listrik maka listrik diambil dari baterai.

Keuntungan menggunakan solar sel adalah ketersediaan energi matahari yang melimpah, tahan lama dan bebas emisi karbon. Sedangkan kelemahannya adalah biaya investasi mahal serta perawatannya tidak mudah.

b.      Sistem solar termal

Cahaya dan panas matahari dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi. Cahaya matahari dapat dikumpulkan dengan berbagai cara. Cara yang paling umum adalah dengan memfokuskan cahaya matahari dengan cermin atau lensa.

Prinsip kerja solar termal

Sumber: Holbert

Prinsip kerja dari solar termal adalah panas matahari dikumpulkan menggunakan cermin atau lensa, air dipompa kemudian dipanaskan oleh cahaya matahari. Uap air digunakan untuk menyegerakan turbin kemudian menyegerakan generator. Dari turbin air kemudian didinginkan kembali untuk digunakan kembali.

Keunggulan dari sistem ini adalah ramah lingkungan, biaya investasi lebih rendah daripada solar sel, dan pengoperasian yang lebih mudah. Sedangkan kelemahannya adalah sangat bergantung pada intensitas cahaya matahari serta membutuhkan lahan yang luas.

2.      Energi angin

Angin adalah pergerakan udara akibat adanya perbedaan tekanan di atmosfer. Perbedaan tekanan mendesak sebuah gaya yang menyebabkan massa udara bergerak dari daerah bertekanan tinggi ke daerah bertekanan rendah. Pergerakan itulah yang dinamakan angin. Perbedaan tekanan tersebut terutama disebabkan oleh perbedaan pemanasan matahari di permukaan bumi. Dengan demikian energi angin dapat dianggap sebagai bentuk dari energi matahari.

Energi angin secara global mempunyai potensial sebesar 53,000 TWh per tahun. Dengan potensi sebesar itu energi angin dapat dipertimbangkan sebagai alternatif pengganti bahan bakar fosil.

Wilayah	Sumber yang tersedia (TWh/tahun)
Eropa Barat	4.800
Amerika Utara	14.000
Australia	3.000
Afrika	10.600
Amerika Selatan	5.400
Eropa Timur dan Rusia	10.600
Asia	4.600
Total	53.000

Sumber: windforce

Sekitar akhir tahun 1970an dan awal 1980an kincir angin hanya mempunyai kapasitas antara 30-60 KW. Kemudian memasuki tahun 1990an kapasitasnya meningkat bahkan mencapai lebih dari 1 MW, pada saat itu ukuran standarnya antara 300-500 KW. Kapasitas kincir angin terus meningkat pada awal tahun 2004 kapasitas terbesar yang terpasang adalah 5 MW. Dengan ukuran diameter rotor mencapai 120 meter.

Desain pembangkit listrik tenaga angin

Keunggulan dari pembangkit listrik tenaga angin adalah emisi karbon yang rendah, biaya operasi rendah. Sedangkan kelemahannya adalah kecepatan angin tidak konstan sehingga energi yang diperoleh tidak stabil.

3.      Energi Hidro

Energi dari air adalah salah satu energi tertua yang dikenal oleh manusia. Energi air berasal dari energi potensial yang timbul karena adanya perbedaan ketinggian. Pemanfaatan energi hidro yang paling umum adalah PLTA. Walaupun begitu juga ada energi kinetik air yang berasal dari aliran air sungai dan juga arus laut.

Potensi, produksi energi hidro dan kapasitasnya:

Wilayah	Potensi (TWh/tahun)	Produksi (TWh/tahun)	Kapasitas (GW)
Asia	5.090
Asia dan Oceanic		789	257
Amerika Tengah dan Selatan	2.790	660	136
Eropa	2.710	536	166
Eurasia		245	68
Timur Tengah		22	9
Afrika	1.890	97	22
Amerika Utara	1.670	665	164
Oceania	230
Dunia	14.380	3.000	822

Sumber: Production Ana capacity for 2007 or 2008 from U.S Energy Information Administration

Sumber energi hidro dibedakan berdasarkan skala ukuran kapasitasnya menjadi Large Hidro, Small Hidro dan micro hidro. Pembangkit large hidro mempunyai kapasitas lebih dari 30 MW. Pembangkit small hidro mempunyai kapasitas 100 kW sampai 30 MW. Dan pembangkit micro hidro mempunyai kapasitas kurang dari 100 kW

4.      Energi panas bumi

Bumi tercipta miliaran tahun yang lalu, waktu bumi permukaan bumi masih berupa bebatuan cair yang sangat panas. Beberapa miliar tahun kemudian suhu permukaan bumi turun hingga di bawah 100 ^o C dan permukaan bumi menjadi keras. Namun beberapa lokasi di bumi masih mempunyai temperatur yang sangat tinggi.

Panas tersebut biasanya terdapat di daerah jalur gunung berapi. Jalur gunung berapi biasanya terletak di sekitar tumbukan lempeng. Indonesia sendiri juga dilewati oleh jalur gunung api.

Panas yang terdapat dibumi dapat berupa deposit uap panas, deposit air panas, dan batu panas kering. Uap panas dan air panas dapat digunakan secara langsung untuk membangkitkan tenaga listrik. Jika di dalam tanah hanya terdapat batuan panas maka panas digunakan untuk memanaskan air dingin yang di masukan ke dalam batuan panas.

Pembangkit listrik tenaga panas bumi terdiri dari berbagai macam seperti direct steam Ude, flash power plants, Organic rankine cycle (ORC) power plants, kalian power plants. 

Gambar cara kerja pembangkit geotermal

Pada dasarnya cara kerja pembangkit listrik tenaga panas bumi mirip dengan PLTU hanya sumber panas yang digunakan adalah panas dari batuan. Panas diambil dengan menggunakan media air yang dipompakan ke dalam batuan, kemudian uap dinaikkan ke permukaan melalui pipa. Uap tersebut dapat langsung digunakan untuk menyegerakan turbin atau melalui pemindahan panas terlebih dahulu. Kemudian turbin memutar generator untuk membangkitkan listrik. Uap panas kemudian didinginkan kembali untuk dialirkan ke dalam tanah kembali.

Pembangkit listrik tenaga panas bumi sangat cocok untuk di kembangkan di Indonesia. Banyaknya gunung berapi di Indonesia merupakan sumber daya energi yang luar biasa. Sayangnya pengembangan panas bumi masih terkendali banyak faktor seperti regulasi pemerintah dan teknologi yang belum dikuasai serta mempunyai apak kecil terhadap lingkungan karena membutuhkan air untuk proses pendinginan.

5.      Biomassa

Manusia telah memanfaatkan energi dari kayu bakar selama lebih dari 790 ribu tahun bahkan sejak jaman batu manusia telah menemukan cara membuat api. Hal ini menunjukkan bahwa biomassa adalah sumber energi terbarukan yang paling tua. Faktanya biomassa adalah bahan bakar yang sangat penting pada abad 18. Bahkan negara seperti Mozambik dan Etiopia mengiakan biomassa tradisional lebih dari 90% kebutuhan energi mereka.

Seiring dengan pertumbuhan minyak bumi, biomassa semakin ditinggalkan. Bahkan di negara-negara industri biomassa nyaris tidak digunakan. Pada tahun 2000 penggunaan biomassa sebagai sumber energi primer di Inggris, Jerman dan Amerika Serikat tak lebih dari 3%.

Biomassa adalah massa dari material organik. Biomassa terdiri dari makhluk hidup, jasad makhluk hidup dan hasil metabolisme organisme. Tumbuhan mampu menciptakan biomassa dari reaksi fotosintesis. Hanya tumbuhan yang bisa melakukan proses ini sedangkan hewan hanya bisa memproduksi biomassa dari biomassa lainnya.

Kemungkinan penggunaan sumber energi biomassa

Biomassa dapat dimanfaatkan sebagai pemanas, biofuel, dan biogas. Pemanas menggunakan bahan seperti kayu bakar atau biomassa yang dijadikan briket. Biofuel biasanya berbentuk bioethanol sebagai pengganti bensin dan biosolar sebagai pengganti solar. Sedangkan biogas dimanfaatkan sebagai pengganti LPG.

Selain pemanas untuk kebutuhan kecil seperti rumah tangga atau industri kecil, biomassa juga bisa digunakan sebagai bahan bakar untuk pembangkit listrik. Penggunaan biomassa bisa menghasilkan hingga 20 MW. Salah satu contoh Pembangkit Königs Wusterhausen di dekat Berlin, Jerman. Pembangkit mempunyai kapasitas 20 MW dan mampu menghasilkan listrik sampai 160 juta kWh setiap tahun. Pembangkit ini mampu memenuhi kebutuhan listrik untuk sekitar 50.000 rumah tangga. Untuk bahan bakarnya menggunakan 120.000 ton sampah dan sisa-sisa kayu. Untuk efisiensi pembangkit listrik biomassa hampir sama dengan batubara sekitar 35%.

Biofuel dianggap lebih serbaguna daripada kayu. Selain untuk menghasilkan panas dan listrik biofuel dapat digunakan langsung oleh sektor transportasi sebagai pengganti bensin dan solar. Produksi bahan baku biofuel biasanya menggunakan metode pertanian tradisional. Biofuel terdiri dari bio-oil, biodiesel, bioethanol dan BtL Fuels.

Biofuel yang paling mudah diproduksi adalah bio-oil. Bio-oli diproduksi dengan mengekstraksi minyak yang terkandung dalam tanaman. Lebih dari 1000 tanaman yang dikenal mengandung minyak seperti kelapa sawit. Kekurangan bio-oil adalah beberapa jenis mesin diesel tidak dapat menggunakannya secara langsung hanya beberapa yang memang dirancang untuk bio-oil.

Biodiesel mempunyai karakteristik yang menyerupai solar daripada bio-oil. Biodiesel dapat digunakan oleh semua jenis mesin diesel. Bahan yang digunakan untuk membuat biodiesel adalah minyak tumbuhan dan lemak hewan. Pada awal tahun 1937 G. Chavanne mematenkan metode untuk memproduksi biodiesel. Secara kimia biodiesel adalah fatty acid methyl ester (FAME).

Bioethanol diproduksi menggunakan bahan seperti gula atau glukosa, pati dan selulosa. Untuk gula dapat difermentasi secara langsung sedangkan pati dan selulosa harus dipecah terlebih dahulu sebelum difermentasi. Tumbuhan yang bisa digunakan untuk produksi bioethanol antara lain tebu, gandum, jagung, padi dan ketela.

BtL fuel adalah biomass to liquid fuel maksudnya adalah bahan bakar biomassa yang dicairkan. Ini adalah generasi kedua dari biofuel. Berbeda dengan bio-oil, biodiesel dan bioethanol yang hanya dapat diprosuksi dengan tanaman yang banyak mengandung gula dan minyak BtL del diproduksi secara sintetik. Dengan cara ini BtL del dapat meningkatkan potensi tanaman sebagai bahan bakar.

Prinsip kerja produksi BtL fuel

Biogas diproduksi dengan memanfaatkan bakteri untuk proses fermentasi. Bahan tanaman atau kotoran hewan diproses dalam sebuah ruang untuk menghasilkan gas metana. Gas inilah yang dimanfaatkan sebagai biogas.

6.      Hidrogen

Kita mengetahui kalau air terdiri dari hidrogen dan oksigen. Ketika hidrogen dioksidasi gas hidrogen akan meledak dan melepaskan energi dan menghasilkan air. Berbeda dengan pembakaran lainnya yang menghasilkan polusi seperti CO₂ pembakaran gas hidrogen dan oksigen hanya menghasilkan air murni.

Pada tahun 1874 Jules Verne melihat potensi dari hidrogen, dia mempunyai pertanyaan kenapa industri hidrogen belum dikembangkan. Jawabannya cukup sederhana karena hidrogen tidak tersedia di alam. Hidrogen membutuhkan energi dan cara yang rumit agar bisa digunakan untuk dibakar lagi. Inilah yang menyebabkan hidrogen mahal, proses produksi hidrogen juga berpotensi untuk menghasilkan gas rumah kaca. Walaupun industri hidrogen masih dalam gambaran semata di masa mendatang dapat berpotensi untuk memenuhi kebutuhan energi dan masih menjadi sumber energi alternatif yang menarik.

Hidrogen dapat diproduksi dengan menggunakan gas alam, minyak bumi, batubara dan air. Kebanyakan industri hidrogen menggunakan gas alam, minyak bumi dan batu bara untuk memproduksi hidrogen namun cara ini tidak ramah lingkungan. Metode yang lebih ramah lingkungan adalah menggunakan proses elektrolisis dengan bahan baku air.

Proses produksi hidrogen

Fuelcell adalah salah satu cara memanfaatkan sumber energi hidrogen. Fuelcell dianggap sebagai kunci penggunaan energi hidrogen di masa mendatang karena dapat merubah hidrogen langsung menjadi energi listrik. Cara ini secara teori lebih efisien daripada menggunakan mesin bakar.

Prinsip kerja fuel cell