Aplikasi Termodinamika di Bidang Kelautan
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