bab i - energi masa depan weblog | just another … · web view2010-02-04 · prinsip yang sama...

http://www.fao.org/docrep/u2246e/u2246e02.htm

BAB I

KONSEP DASAR ENERGI

Setiap ilmu pengetahuan memiliki konsep yang unik, tak terkecuali energi dan elektrifikasi. Definisi yang tepat terhadap konsep-konsep dasar sangat penting untuk membentuk suatu fondasi bagi perkembangan ilmu dan mencegah kesalahpahaman. Dalam bab ini sistem satuan yang akan digunakan akan diulas secara singkat, dan konsep-konsep dasar energi akan dijelaskan. Mempelajari dengan baik konsep-konsep ini sangat penting bagi pemahaman yang baik terhadap topik-topik di dalam bab-bab berikutnya.

1. Definisi

Dalam mekanika energi didefinisikan sebagai kapasitas atau kemampuan untuk melakukan kerja atau usaha. Dapat pula didefinisikan sebagai kemampuan untuk menyebabkan perubahan. Meskipun berkaitan, energi dan daya merupakan konsep yang sangat berbeda. Sebuah tangki minyak mengandung sejumlah energi, dan kita dapat membakar minyak ini dalam waktu tertentu, artinya, kita mengkonversi energi minyak menjadi energi mekanik, misalnya untuk menggerakkan sebuah mobil. Daya adalah energi yang dihasilkan per satuan waktu. Proses pembakaran dapat berjalan cepat atau lambat. Pada pembakaran yang lebih cepat, dihasilkan daya yang lebih besar. Jelaslah, bahwa tangki akan menjadi kosong lebih cepat untuk memproduksi daya tinggi dibandingkan memproduksi daya rendah. Jika daya adalah energi per satuan waktu, maka energi adalah daya dikalikan waktu. Misalnya, jika seekor sapi menghasilkan sejumlah daya, maka setelah sejumlah waktu tertentu sapi itu akan menghasilkan sejumlah energi, yaitu daya dikalikan dengan waktu.

Prinsip yang sama berlaku pada semua sistem konversi energi lainnya, baik untuk pembangkitan energi atau penggunaan energi. Hal ini berarti bahwa kita mesti mencirikan sumberdaya energi dengan satuan energi (jumlah energi yang dikandung), sedangkan peralatan-peralatan konversi energi dicirikan dengan satuan daya (jumlah daya yang dapat dihasilkan atau dipakai).

Jika kita perhatikan lebih teliti, terlihat bahwa beberapa bentuk energi sesungguhnya berkaitan dengan istilah daya (radiasi, energi kinetik, energi mekanik dan energi listrik). Bentuk-bentuk energi itu menjadi kuantitas energi manakala kita mencirikan lama waktu daya dialirkan, dan mengalikan daya itu dengan waktu. Sebaliknya, kuantitas energi kimia, energi potensial, dan energi termal menjadi kuantitas daya jika kita membaginya dengan lamanya waktu kuantitas energi itu dikonversi.

Energi diperlukan dalam semua siklus kehidupan. Hal ini dapat dilihat dari rantai makanan elementer yang menunjukkan betapa pentingnya energi. Radiasi surya diperlukan untuk



menumbuhkan tanaman, energi manusia (dalam bentuk kerja) diperlukan untuk pemanenan, dan energi (panas) dari biomasa diperlukan untuk memasak. Pada gilirannya, bahan makanan menyediakan energi untuk manusia.

Energi sangat penting di bidang pertanian dibandingkan aktivitas produktif lain. Intensifikasi untuk memperoleh hasil per hektar yang lebih tinggi, dan semua kemajuan lain dalam proses produksi pertanian, mengindikasikan adanya penambahan operasi yang semuanya memerlukan energi. Sebagai contoh penyiapan dan pengolahan tanah, pemupukan, irigasi, transportasi, dan pengolahan hasil tanaman. Untuk mendukung semua ini, mesin dan peralatan pertanian digunakan, yang untuk memproduksinya juga memerlukan energi.

Perubahan-perubahan utama dalam pertanian, seperti mekanisasi dan apa yang dinamakan dengan "revolusi hijau" (green revolution), menunjukkan perubahan-perubahan utama yang berkaitan dengan energi. Mekanisasi pertanian mengandung arti perubahan sumber-sumber energi, dan seringkali merupakan peningkatan penggunaan energi. Revolusi hijau telah memberikan kepada kita berbagai varietas yang menghasilkan produksi tinggi, tetapi juga dapat disebut varietas rendah residue (per satuan tanaman). Padahal residu merupakan sumber energi penting bagi sebagian besar masyarakat di perdesaan.

Sektor-sektor lain dalam kehidupan perdesaan juga memerlukan energi. Penyiapan rumah, pemanasan ruangan, pengangkatan air, dan konstruksi jalan, sekolahan dan rumah sakit, merupakan contoh-contoh yang jelas. Lebih lagi, kehidupan sosial memerlukan energi untuk penerangan, hiburan, komunikasi, dan sebagainya. Kita mengamati bahwa pembangunan sering berarti penambahan penggunaan energi.

Saat ini energi merupakan sumberdaya langka, setidaknya bagi sementara kelompok orang di beberapa tempat dan, mungkin, bagi dunia secara keseluruhan. Oleh karena itu, penggunaan energi yang rasional adalah penting baik dari sudut pandang ekonomi maupun lingkungan. Hal ini berlaku bagi bidang pertanian dan sektor ekonomi lainnya. Kunci penggunaan energi yang rasional adalah memahami peranan energi. Bagian-bagian berikut ini bertujuan untuk membantu memahami peranan energi dalam pembangunan pertanian dan perdesaan.

2. Dimensi dan Satuan

Di dalam setiap percobaan atau eksperimen, selalu melibatkan pengamatan dan pengukuran yang menghasilkan nilai penciri kualitatif maupun kuantitatif. Pengamatan dan pengukuran yang menghasilkan nilai penciri kualitatif disebut sebagai pengamatan atau pengukuran kualitatif, sedangkan pengamatan dan pengukuran yang menghasilkan nilai penciri kuantitatif disebut sebagai pengamatan atau pengukuran kuantitatif. Sejauh ini, kita telah membahas energi secara kualitatif. Watak kualitatif yang mencirikan kuantitas fisik dari hasil pengukuran atau pengamatan dikenal sebagai dimensi (dimension). Dimensi merupakan cara pengukuran atau pengamatan yang dibakukan. Sebagai contoh, panjang merupakan suatu dimensi, dengan pengertian bahwa panjang



suatu benda diperoleh dengan jalan membakukan cara mengukur menggunakan suatu alat (mistar atau meteran misalnya) yang diletakkan pada obyek yang akan diukur.

Seacara umum dikenal adanya dimensi primer atau dimensi pokok dan dimensi sekunder atau dimensi turunan. Dimensi primer yang umum terlihat pada Tabel 1-1. Dari keenam dimensi primer itu dapat diturunkan dimensi-dimensi lainnya yang disebut dimensi sekunder sebagaimana terlihat pada Tabel 1-2.

Tabel 1-1. Dimensi primer yang umum

No Kuantitas Fisik Dimensi No Kuantitas Fisik Dimensi

1. Panjang L 4. Suhu

2. Massa M 5. Kuat arus I

3. Waktu T 6. Intensitas cahaya

Tabel 1-2. Dimensi sekunder yang berkaitan dengan energi dan satuan-satuan SI

Dimensi Simbol Satuan Simbol

Area, A L2 meter persegi m²Volume, V L3 meter kubik m³Kecepatan, v LT-1 meter per sekon m/sPercepatan, a LT-2 meter per sekon kuadrat m/s²Tekanan, P MT-2 pascal Pa (=N/m)Aliran volume, q L3T-1 meter kubik per sekon m ³/sAliran massa, m MT-1 kilogram per sekon kg/sDensitas, ML-3 kilogram per meter kibik kg/m³Gaya MLT-2 newton (*) N(=kg.m/s²)Energi ML2T-2 joule (**) J(=N.m)Daya ML2T-3 watt W (=J/s)Fluks energi MT-3 watt per meter persegi W/m²Nilai kalori L2T-2 joule per kilogram J/kgPanas spesifik L2T-2-1 joule per kilogram kelvin J/kg.KVoltase ML2T-3I-1 volt V (=W/A)

(*) Gaya yang diberikan oleh massa 1 kg kira-kira sama dengan 10 N.

(**) Energi yang diperlukan untuk menaikkan massa 1 kg setinggi 1 meter. Ingat bahwa J = W.s.



Watak penciri kuantitatif yang dihasilkan dari pengukuran atau pengamatan terdiri dari numeral dan satauan (unit). Satuan adalah besaran sembarang yang menentukan dimensi. Dalam pengertian ini satuan adalah suatu baku atau ukuran tertentu dari suatu dimensi. Hingga kini digunakan dua set satuan, yaitu sistem metrik SI (dari Le Système International d’Unités) yang juga dikenal dengan Sistem Internasional, dan sistem British (Ingris) yang juga dikenal dengan United State Customary System (USCS). Dimensi dan satuan yang dipakai untuk besaran yang berkaitan dengan energi terlihat pada Tabel 1-2. Satuan energi pada sistem satuan SI adalah joule (J), dan dalam sistem British adalah Btu (British thermal unit). Satuan ini dan banyak lagi satuan-satuan lain dapat diturunkan dari satuan-satuan dasar SI. Hubungan antara beberapa satuan turunan dan satuan-satuan dasar SI disajikan dalam Tabel 1-3.

Tabel 1-3. Konversi satuan-satuan non-SI

Satuan Non-SI untuk Energi Simbol Faktor Konversi ke satuan SI

Erg Erg 10-7 Jfoot pound gaya ft.lbf 1.356 JKalori kal 4.187 Jkilogramgaya meter kgf.m 9.8 JBritish thermal unit Btu 1.055 x 103 Jhorsepower hour (metric) Hp.jam 2.646 x 106 Jhorsepower hour (GB) Hp.jam 2.686 x 106 Jkilowatt jam kWh 3.60 x 106 Jsetara barrel minyak (sbm) b.o.e. 6.119 x 109 Jsetara ton kayu - 9.83 x 109 Jsetara ton batubara (stb) Tce 29.31 x 109 Jsetara ton minyak (stm) Toe 41.87 x 109 Jquad (PBtu) - 1.055 x 1018 Jtera watt year TWy 31.5 x 1018 J

Satuan Non-SI untuk Daya Simbol Faktor Konversi ke satuan SI

foot pound per jam ft.lb/jam 0.377 x 10-3 Wcalorie per minute cal/min 69.8 x 10-3 WBritish thermal unit per jam Btu/jam 0.293 WBritish thermal unit per sekon Btu/s 1.06 x 103 Wkilokalori per jam kcal/jam 1.163 Wfoot poundgaya per sekon ft.lbf/s 1.356 Wcalorie per sekon cal/s 4.19 Wkilogramgaya meter per sekon kgf.m/s 9.8 Whorsepower (metric) hp 735.49 Whorsepower (Internasional) hp 746 W



Di beberapa negara, atau dalam konteks tertentu, digunakan satuan-satuan lain selain satuan SI. Satuan-satuan ini dapat dikonversi ke satuan SI, yang lebih sesuai untuk kepentingan kalkulasi. Faktor konversi beberapa satuan non-SI menjadi satuan SI diberikan Tabel 1-3 untuk energi dan daya.

Prefiks-prefiks berikut ini sering dipakai sebelum (di depan) satuan yang merupakan perpangkatan dari bilangan 10. Misalnya, simbol G (giga, yang berarti milyard atau 10 pangkat 9). Satu milyard W ditulis 1 GW (satu giga watt).

Tabel 4. Prefiks yang digunakan dalam satuan SI

Prefiks exa Peta tera giga mega kilo milli micro Nano pico femto atto

Simbol E P T G M k m N p f a

Angka 1018 1015 1012 109 106 103 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18

Seksi 13 akan membicarakan penggunaan satuan-satuan energi dalam perhitungan-perhitungan konversi energi.

3. Kesetaraan besaran energi

Kita telah memberikan satuan-satuan untuk mengukur energi, sehingga kita dapat membuat perbandingan quantitatif dan perhitungan-perhitungan. Persoalannya adalah bagaimana kita dapat memahami besaran-besaran dari bentuk energi yang berbeda-beda secara mudah. Hasil-hasil berikut ini memberikan kepada kita makna dari besaran-besaran energi yang disajikan dalam bentuk yang berbeda-beda. Contoh-contoh berikut ini adalah setara dengan 100 kJ;

radiasi matahari di atap rumah seluas 40 m² selama 2.5 detik.

energi yang dilepaskan dalam pembakaran 3.5 g batubara atau 2.9 g minyak tanah; atau energi yang tersimpan dalam ¼ potong roti.

benda besar seberat 1 ton (1,000 kg) pada ketinggian 10 m

energi yang dihasilkan oleh kincir angin dengan diameter 3 m pada kecepatan angin 5 m/s (sepoi) selama 20 menit;

energi yang tersimpan pada mobil bermassa 1 ton (1,000 kg) dan berkecepatan 50 km/jam.

panas yang dilepaskan tiga cangkir kopi masing-masing 0.4 kg yang mendingin dari 80°C to 20° C; atau energi yang diperlukan 0.3 kg es untuk mencair.

roda gila (flywheel) dari besi dengan diameter 0.6 m dan tebal 70 mm, yang berputar pada 1,500 putaran per sekon (rps)

energi yang diperlukan oleh bola lampu listrik 100 W selama 17 menit.



4. Bentuk-bentuk energi

Energi dapat eksis dalam berbagai bentuk. Contohnya:

Energi Radiasi: radiasi dari matahari dan lampu atau api mengandung energi. Energi surya akan makin banyak tersedia ketika intensitas radiasi lebih tinggi dan jika dikumpulkan dari luas tangkapan yang lebih besar. Cahaya adalah bagian dari radiasi yang tampak (visibel);

Energi Kimia: kayu, minyak, dan semua bahan lain yang dapat dibakar mengandung energi dalam bentuk kimia. Makin besar kandungan energi kimia suatu material makin tinggi nilai panasnya (nilai kalori) dan, tentu saja, makin banyak energi yang dapat kita miliki. Pada galibnya, energi animasi yang dilakukan oleh manusia dan hewan adalah energi kimia. Lebih lanjut, baterai juga mengandung energi kimia;

Energi Potensial: hal ini, misalnya, adalah energi air dalam bendungan yang berada pada suatu ketinggian. Air memiliki energi (potensial) untuk jatuh, dan oleh karena itu mengandung sejumlah energi. Energi potensial makin banyak tersedia jika air makin banyak dan jika berada pada tempat yang makin tinggi;

Energi Kinetik: adalah energi yang berasal dari gerakan, seperti angin atau arus air. Makin cepat arus dan makin banyak air mengalir, makin besar energi yang dapat dialirkan. Demikian juga, energi angin makin banyak pada kecepatan angin yang lebih tinggi, dan dengan rotor kincir angin yang makin besar makin banyak energi yang dapat ditangkap;

Energi Thermal atau energi panas: dicirikan oleh temperaturnya. Makin tinggi temperatur, makin besar energi hadir dalam bentuk panas. Juga, benda yang lebih besar mengandung lebih banyak energinya;

Energi Mekanik, atau energi rotasional, juga dinamakan daya poros: adalah energi dari poros yang berputar. Jumlah energi yang tersedia bergantung pada roda gila, yaitu pada daya mengakibatkan poros itu berputar;

Energi Listrik: dinamo atau generator dan baterai dapat menghasilkan energi listrik. Makin besar voltase dan arus listrik, makin banyak energi listrik tersedia.

Perhatikan bahwa dengan istilah "bentuk energi" kadang-kadang yang dimaksudkan adalah sumber energi (lihat seksi 5), atau bahkan bahan bakar tertentu (seperti minyak atau batubara).

5. Sumber-sumber Energi

Sumber-sumber energi sebagian berkaitan dengan bentuk-bentuk energi (seksi 4), tetapi tidak seluruhnya. Sumber-sumber energi berikut ini relevan bagi daerah perdesaan dan pertanian.

Biomasa. Kita dapat membedakan sumber energi ini menjadi biomasa berkayu (pohon, cabang, ranting, akar pohon), biomasa tak berkayu (tangkai, dedaunan, semak, dan sebagainya), dan residu



tanaman (bagas, sekam, tangkai, kulit, tongkol, dan sebagainya). Sumber energi ini dikonversi melalui pembakaran, gasifikasi (transformasi menjadi gas) atau transformasi anaerobik (produksi biogas). Pembakaran dan gasifikasi idealnya memerlukan biomasa kering, sedangkan transformasi anaerobik dapat menggunakan biomasa basah. Penyiapan bahan bakar meliputi pencacahan (chopping), pencampuran (mixing), pengeringan, dan karbonasi (yaitu pembuatan arang) dan briketisasi (yaitu densifikasi residue tanaman dan biomasa lainnya).

Kotoran ternak dan manusia. Energi dikonversi melalui pembakaran langsung atau melalui digesi anaerobik.

Energi Animat, adalah energi yang dapat dilakukan oleh manusia dan ternak yang sedang bekerja.

Radiasi Surya, yaitu energi dari matahari. Kita membedakan antara radiasi langsung (direct) dan radiasi baur (diffuse, reflected). Radiasi langsung hanya dapat dikumpulkan jika kolektor tepat mengahadap ke matahari. Radiasi baur intensitasnya lebih rendah, tetapi datang dari segala arah, dan juga ada meskipun langit berawan. Energi surya dapat dikonversi melalui kolektor termal tenaga surya (membangkitkan panas) atau melalui sel-sel fotovoltaik (membangkitkan listrik). Kolektor tenaga surya tipe konsentrasi (termal maupun fotovoltaik) memerlukan suatu mekanisme penjejakan agar kolektor tepat menghadap ke matahari secara kontinyu.

Sumberdaya Hidro, yaitu energi dari waduk dan arus air. Kita membedakan antara: danau dengan dam, head alami (air terjun), ambang, dan sistem-sistem run-of-river. Energi hidro dapat dikonversi dengan kincir air atau turbin air.

Energi Angin, yaitu energi dari angin. Kincir-kincir angin dapat dirancang untuk membangkitkan listrik atau untuk menaikkan air (untuk irigasi dan air minum).

Bahan bakar fosil, seperti batubara, minyak dan gas alam. Tidak seperti sumber-sumber energi sebelumnya, sumber energi fosil adalah non-renewable.

Energi Geotermal, yaitu energi yang terkandung dalam bentuk panas bumi. Terdapat perbedaan antara lempeng-lempeng tektonik (di daerah vulkanik) dan reservoir-reservoir tertekan (berada di mana saja). Energi geotermal sebenarnya non-renewabel, tetapi jumlah panas di dalam bumi sangatlah besar sehingga praktis energi geotermal umumnya termasuk renewabel. Energi geotermal hanya dapat ditangkap di tempat-tempat di mana suhu bumi yang tinggi berada dekat dengan permukaan bumi. [Indonesia merupakan salah satu di antara 3 negara dengan sumber energi geothermal terbesar di dunia. Dua lainnya adalah Amerika dan Philippines]

Daftar itu hanya meliputi sumber-sumber energi primer. Sumber-sumber energi ini ada pada lingkungan alami kita. Sumber-sumber energi sekunder, seperti baterai, tidak termasuk di sini.

Kita melihat bahwa sumber-sumber energi primer bukanlah sumber-sumber energi akhir. Misalnya, energi animat berasal dari biomasa, sedangkan energi biomasa pada akhirnya berasal dari matahari. Sebagian dari energi geothermal dan nuklir, semua yang kita namakan sumber-sumber



energi primer pada akhirnya memperoleh energi dari matahari! Seksi 10 akan membahas metode untuk membandingkan kandungan energi sumber-sumber energi.

5. Beberapa Terminologi Energi

Sumber-sumber energi kadang-kadang diklasifikasikan menurut karakteristiknya seperti: renewable, tradisional, komersial, dsb. Terminologi ini agak rancu, karena makna kata tersebut sering bergantung pada konteks. Beberapa konotasi diberikan di bawah ini.

Renewable umumnya dipertentangkan dengan energi fosil. Sumber energi renewable adalah biomasa, animat, surya, air, energi angin, dan energi geotermal. Energi fosil terdapat pada batubara, minyak, dan gas alam.

Energi traditional sering dipertentangkan dengan energi non-tradisional, dan juga dengan energi baru. Tetapi, apa yang dianggap sebagai energi tradisional bergantung pada apakah energi itu sudah digunakan sejak dahulu. Dalam masyarakat industrial yang dahulu menggunakan bahan bakar fosil, sumber-sumber energi renewable seperti biomasa dan energi animat sering disebut tradisional. Pada saat yang sama, engineer yang bekerja dengan sumber-sumber energi "baru" seperti energi angin atau surya sering menganggap bahan bakar fosil adalah tradisional. Jelaslah, apa yang disebut orang tradisional adalah bentuk-bentuk energi yang sesungguhnya tidak mereka gunakan.

Energi komersial dipertentangkan dengan energi non-komersial, dan kadang-kadang dengan energi tradisional. Energi komersial meliputi energi dari bahan bakar fosil yang telah menjadi sumber keuangan, tetapi juga beberapa bentuk energi baru dan terbarukan. Biomasa dan beberapa sumber energi renewable (energi termal surya) kadang-kadang dianggap non-komersial, karena tersedia bebas. Tetapi, di beberapa kawasan, biomasa harus dibeli!

6. Aliran Energi

Sebagaimana telah kita lihat, pembangkitan dan penggunaan energi berarti konversi energi dari satu bentuk ke bentuk lain. Kadang-kadang, konversi ini melibatkan tahap-tahap intermediet. Aliran energi melalui sejumlah bentuk dan sejumlah tahapan konversi, dari sumber energi hingga penggunaan akhir. Biayanya meningkat sesui dengan banyaknya tahapan yang harus dilalui. Dalam aliran energi ini, kita membedakan energi primer, energi sekunder, energi akhir, dan energi berguna.

Terminologi yang digunakan dalam aliran energi seperti disajikan dalam Diagram 1 adalah sebagai berikut: Energi Primer adalah energi yang tersedia dalam lingkungan alami, yaitu sumber energi primer. Energi Sekunder adalah energi yang siap untuk diangkut atau ditransmisikan. Energi Akhir adalah energi yang dibeli atau diterima konsumen. Energi Berguna adalah energi yang merupakan input dalam aplikasi penggunaan akhir.



Level Proses ContohPrimer Kayu, hidro, matahari, kotoran ternak

Konversi Pembangkit daya, kiln, refineri, digesterSekunder BBM, listrik, biogas

Transport / transmission Truk, pipa, kabelAkhir Minyak diesel, charcoal, listrik, biogas

Konversi Motor, heater, kompor/tungkuBerguna Daya poros, panas

Diagram 1. Aliran energi

Contohnya adalah aliran energi yang berkaitan dengan arang kayu (charcoal). Di sini bentuk energi primer adalah kayu. Kayu dikonversi menjadi arang (charcoal) dalam kiln. Charcoal adalah bentuk energi sekunder, dan diangkut ke konsumen. Yang dibeli oleh konsumen di pasar adalah charcoal, dan charcoal ini disebut energi akhir. Konsumen akhirnya mengkonversi charcoal menjadi panas untuk memasak. Jadi panas adalah energi yang berguna.

Contoh lain dari aliran energi adalah: energi primer dalam bentuk sumberdaya hidro, energi sekunder dalam bentuk listrik pada stasiun PLTA, energi akhir dalam bentuk energi listrik di pabrik, dan energi berguna dalam bentuk daya poros untuk penggergajian, panas untuk memasak, atau cahaya lampu.

Perhatikan bahwa energi berguna biasanya berbentuk panas atau daya poros. Untuk beberapa kasus pengguaan akhir, (misalnya peralatan komunikasi), listrik merupakan bentuk energi berguna. Perhatikan juga bahwa dalam beberapa kasus energi primer pada saat yang sama adalah energi sekunder, dan bahkan energi akhir (misalnya kayu untuk masak, atau daya animat untuk penarikan).

Dalam perubahan energi primer menjadi energi berguna yang relevan, sebagian energi akan hilang dalam tiap tahap konversi. Untuk mengurangi ongkos dan menghindari kehilangan yang tidak perlu, kita harus selalu mengeliminasi tahap yang tidak perlu dari aliran energi.

Lebih lagi, perincian aliran energi adalah penting untuk survai dan statistik. Kita tidak bisa menyederhanakan penambahan energi primer dengan, katakanlah, energi akhir.

7. Energi Hilang dan Efisiensi

Konversi energi selalu melibatkan kehilangan energi. Hal ini mengharuskan kita membahas konsep efisiensi. Kuantitas energi dalam suatu bentuk tertentu dimasukkan ke dalam mesin atau peralatan, untuk dikonversi menjadi bentuk energi lain. Energi keluaran dalam bentuk yang dikehendaki hanyalah sebagian dari energi masukan. Sisanya adalah energi hilang (biasanya dalam bentuk difusi panas). Hal ini berarti efisiensi konverter selalu kurang dari 100%.



Efisiensi konverter energi didefinisikan sebagai kuantitas energi dalam bentuk yang diinginkan (energi output, Eout) dibagi dengan kuantitas energi yang dikonversi (energi input, E in). Efisiensi biasanya disajikan dalam huruf Romawi .

Jadi,

Tabel 5 memberikan nilai tipikal efisiensi beberapa sistem konversi energi.

Tabel 5. Efisiensi beberapa konverter tipikal

KonverterBentuk energi

masukanBentuk energi

keluaranEfisiensi %

Motor bensin kimia mekanis 20 – 25Motor diesel kimia mekanis 30 – 45Motor listrik listrik mekanis 80 – 95Boiler & turbin termal mekanis 7 – 40 Pumpa hidrolik mekanis potensial 40 – 80Turbin air potensial mekanis 70 – 99Turbin air kinetik mekanis 30 – 70Generator mekanis listrik 80 – 95Baterai kimia listrik 80 – 90Solar cell radiasi listrik 8-15Solar collector radiasi termal 25 – 65Lampu listrik listrik cahaya ca. 5Pumpa air mekanis potensial ca. 60Pemanas air listrik termal 90 – 92Kompor gas kimia termal 24 – 30

Dalam beberapa kasus konversi, bentuk-bentuk energi intermediet terjadi di antara bentuk energi masukan dan bentuk energi keluaran. Misalnya, pada motor diesel, bentuk energi intermediet adalah energi termal. Jika energi termal terlibat baik sebagai input ataupun bentuk energi intermediet, efisiensi pada umumnya rendah.

Konverter energi dapat berupa peralatan, atau proses, atau keseluruhan sistem. Contoh efisiensi dari sistem konversi energi diberikan dalam Tabel 6 di mana efisiensi keseluruhan sistem adalah 30% x 80% x 80%x 60% = 12%. Efisiensi menyeluruh sama dengan produk efisiensi-efisiensi berbagai komponen sistem. Kita lihat bahwa efisiensi menyeluruh sesungguhnya bisa sangat rendah.

Jika energi merupakan sumberdaya langka, kita ingin efisiensi konversi yang tinggi, untuk menghemat energi. Tetapi efisiensi yang tinggi kadang-kadang berarti ongkos yang lebih tinggi untuk



peralatan yang lebih baik. Optimalisasi terhadap, di satu sisi, ongkos energi dan, di sisi lain, ongkos peralatan, merupakan tugas utama dalam perencanaan energi. Problem optimalisasi akan berbeda jika sumber-sumber energi adalah bebas (seperti angin, surya dan beberapa sumber energi hidro). Efisiensi energi oleh karena itu memiliki makna terbatas, dan pemilihan technology akan dipengaruhi oleh efektivitas ongkos peralatan.

Tabel 6. Contoh efisiensi konversi energibentuk energi konverter energi efisiensi

energi kimiamesin diesel 30%

energi mekanis generator 80%

listrik motor listrik 80%

energi mekanis pompa air 60%

energi potensial efisiensi sistem = 30% x 80% x 80%x 60% = 12%

Efisiensi sistem yang sangat tinggi dapat diperoleh jika kehilangan panas dari satu konverter digunakan sebagai energi input dalam konverter lain. Kita menamakannya sebagai pemanfaatan panas buangan. Cara ini dapat diterapkan, misalnya, dalam agro-processing di mana panas dari konverter industri digunakan untuk pengeringan produk. Kogenerasi merupakan contoh lain, yaitu pemanfaatan panas “buangan” dari produksi listrik, untuk digunakan sebagai panas dalam proses industri.

8. Ekivalensi Bentuk-bentuk Energi

Pada dasarnya, kandungan energi suatu bahan bakar diketahui jika jenis bahan tersebut ditentukan. Untuk energi kimia, kandungan energi biasanya diberikan sebagai nilai kalorinya, atau nilai panas, dari bahan bakar itu. Satuannya bisa MJ/kg (atau Kal/kg). Oleh karena itu kita dapat membandingkan kandungan energi berbagai jenis bahan bakar. Kita dapat menghitung kesetaraan energi satu jenis bahan bakar terhadap jenis bahan bakar lain. Untuk kuantifikasi sumberdaya energi, kita kadang-kadang menggunakan batubara sebagai acuan, dan satuan untuk perbandingan adalah STB (setara-ton-batubara) atau TCE (ton-of-coal-equivalent). Sejumlah tertentu sumberdaya energi lalu dapat dinyatakan dengan nilai STB-nya. Artinya, sumberdaya itu memiliki kandungan energi setara dengan sekian ton batubara. Acuan yang lain bisa minyak dengan satuan SBM (setara-barrel-minyak) atau BOE (barrels-of-oil-equivalent) dan STM (setara-ton-minyak) atau TOE (ton-of-oil-equivalent). Tabel 7 menyajikan nilai-nilai ekivalen beberapa bahan bakar.



Tabel 7. Nilai-nilai energi setara dari beberapa bahan bakar

Bahan Bakar Satuan TSB TSM SBM GJ (*)

Batubara ton 1.00 0.70 5.05 29.3Kayubakar (**) ton 0.46 0.32 2.34 13.6Kerosine (jet fuel) ton 1.47 1.03 7.43 43.1Natural gas 1000 m3 1.19 0.83 6.00 34.8Gasoline barel 0.18 0.12 0.90 5.2Gasoil/diesel barel 0.20 0.14 1.00 5.7

(*)GJ/ton sama dengan MJ/kg.

(**) Note that the energi equivalent of kayu dapat vary a factor 3 depending on the moisture content of the kayu .

Tetapi, yang dapat kita peroleh dengan sejumlah energi sangat bergantung pada bagaimana energi itu digunakan, artinya, pada efisiensi dari converter energi yang digunakan. Efisiensi bisa sangat bervariasi untuk converter yang berbeda, sebagaimana telah ditunjukkan sebelumnya. Oleh karena itu, energi ekivalen menjadi terbatas penggunaannya bagi kita. Secara praktis, ketika membandingkan sumber-sumber energi, kita lebih tertarik pada nilai penggantian bentuk energi. Lebih jelasnya berapa banyak suatu bentuk energi diperlukan untuk melakukan hal yang sama seperti yang dapat dilakukan oleh bentuk energi atau bahan bakar lain. Lagi, sebagai acuan, batubara atau minyak sering digunakan. Nilai penggantian bentuk energi dinyatakan dengan STB atau SBM.

Salah satu cara mudah untuk membandingkan nilai penggantian berbagai bentuk energi adalah dengan menyatakan berapa banyak suatu bentuk energi (atau bahan bakar) dapat mengganti satu kg batubara. Kita menyebut hal ini sebagai rasio penggantian bahan bakar. Rasio penggantian beberapa bentuk energi rumah tangga terhadap batubara diberikan dalam Tabel 8.

Tabel 8. Ratio penggantian batubara dari beberapa bentuk energi

Bentuk energi atau bahan bakar

satuanRasio penggantian batubara* (kg

batubara per unit)

Kotoran hewan kg 0.30Limbah sayuran kg 0.60Kayu bakar kg 0.70 - 0.95Cokes remah kg 1.50Charcoal kg 1.80Kerosire (lampu) 1 2.10Kerosine (kompor) 1 5.20 - 7.00Listrik kWh 0.70

* Rasio penggantian batubara adalah banyaknya batubara (kg) yang secara efektif diperlukan untuk mengganti 1 satuan bentuk energi atau bahan bakar, menurut asumsi tertentu.



Contoh-contoh yang baik dari penggantian batubara adalah lampu kerosin dan kompor kerosin. Nilai kesetaraan batubara dengan kerosin adalah 1.47, yang berarti bahwa nilai pemanasan 1 kg kerosin sama dengan 1.47 kg batubara. Tetapi, rasio penggantian batubara untuk lampu kerosin adalah 2.10, yang berarti bahwa diperlukan 2.10 kg batubara untuk mendapatkan cahaya yang setara dengan 1 kg kerosin (lampu). Rasio penggantian batubara dari kompor kerosin adalah sekitar 6, yang berarti bahwa diperlukan 6 kg batubara untuk mendapatkan panas yang setara dari 1 kg kerosin.

Dalam Seksi 7, dinyatakan bahwa perincian aliran energi adalah penting untuk survai dan statistik. Hal ini dilustrasikan dalam pembahasan sebelumnya tentang ekivalensi dan penggantian energi. Kita dapat menambahkan sumberdaya energi primer dengan menambahkan ekivalensi energi dari semua sumberdaya energi primer yang tersedia. Hal ini akan memberikan kita gambaran yang agak teoritis, karena tidak menyatakan apa yang dapat dilakukan dengan jumlah energi ini. Kita dapat juga menambahkan, katakanlah, konsumsi energi-akhir untuk sektor tertentu, dan menyelesaikannya dengan nilai penggantian batubara. Atau kita dapat menganggap, katakanlah, jumlah energi yang berguna untuk penggunaan-akhir tertentu, dan menyatakannya dengan nilai penggantian minyak (atau batubara). Untuk menyelesaikan nilai-nilai penggantian, kita harus mengetahui metode konversi dan efisiensinya dalam aliran energi.

11. Keseimbangan Energi

Keseimbangan energi suatu daerah (atau negara) merupakan suatu hubungan yang menjelaskan seluruh energi yang dihasilkan, ditransformasi dan dipakai dalam periode tertentu. Persamaan dasar keseimbangan energi adalah:

sumber + import = eksport + variasi stok + pemakaian + losses

di mana:

Sumber merupakan sumber-sumber energi primer lokal (atau nasional), seperti batubara, hidro, biomasa, animate, dan sebagainya.

Import adalah sumber-sumber energi dari luar daerah (atau luar negeri).

Eksport adalah sumber-sumber energi yang keluar daerah (atau luar negeri).

Variasi stok adalah pengurangan stok (seperti hutan, batubara, dsb.), dan penyimpanan.

Pemakaian dapat dicirkan secara sektoral, atau oleh bentuk energi, atau oleh penggunaan-akhir, dan sebagainya

Losses meliputi kehilangan teknikal dan kehilangan administratif:

kehilangan teknikal diakibatkan oleh konversi dan transportasi atau transmisi

kehilangan administratif diakibatkan konsumsi tak terdaftar (ilegal).



Keseimbangan energi biasanya dinyatakan per tahun, dan dapat dibuat untuk tahun-tahun yang berurutan untuk menunjukkan variasi waktu.

Keseimbangan energi dapat merupakan agregat, atau sangat detil, bergantung pada fungsinya. Keseimbangan energi juga dapat dielaborasi, untuk menunjukkan semua kaitan struktural antara produksi dan consumsi energi, dan mencirikan beragam bentuk energi intermediet.

Keseimbangan energi juga dapat disusun berdasarkan unit desa, unit rumah tangga, atau unit pertanian. Keseimbangan energi akan menunjukkan input-input energi dalam berbagai bentuk, penggunaan-akhir energi, dan kehilangan energi. Khusus untuk keseimbangan energi sistem-sistem pertanian merupakan fakta bahwa bagian-bagian dari output sistem, pada waktu yang sama, adalah input energi ke dalam sistem (residu, kotoran hewan).

Keseimbangan energi harus dibangun berdasarkan survai tentang apa yang sesungguhnya terjadi. Hal ini memerlukan survai sumberdaya energi, dan survai konsumsi energi, serta audit energi yang lebih teknis. Seksi 12 akan membahas beberapa aspek dalam audit energi.

Keseimbangan energi memberikan pandangan umum, yang berguna sebagai alat untuk menganalsis posisi energi saat ini dan proyeksinya di masa mendatang. Hal ini bermanfaat untuk kepentingan manajemen sumberdaya, atau untuk menunjukkan pilihan-pilihan dalam penghematan energi, atau untuk kebijakan redistribusi energi, dan sebagainya. Hal ini berarti bahwa keseimbangan energi dipakai jangan sebagai petunjuk terakhir. Data energi harus diterjemahkan dalam term-term ekonomi, untuk analisis lebih lanjut dalam pemilihan opsi. Dan, tentu saja, aspek sosio-kultural dan lingkungan juga sama pentingnya.

12. Kebutuhan Energi Proses dan Kebutuhan Energi Kotor

Energi yang digunakan dalam pertanian, atau sembarang sistem produktif lainnya, dapat be analisa pada berbagai level.

1. Input energi langsung dalam proses produksi dan kebutuhan energi untuk transport dimasukkan.

2. Sama dengan 1, tetapi, sebagai tambahan, embodied energy dari material (misalnya pupuk) untuk proses produksi dan transportasinya dimasukkan.

3. Sama dengan 2, tetapi, sebagai tambahan, energi yang diperlukan oleh mesin-mesin untuk memproduksi bahan-bahan ini dimasukkan.

4. Sama dengan 2, tetapi, sebagai tambahan, energi yang diperlukan oleh mesin untuk mendingin dimasukkan. Dan sebagainya ….

Level analisis mana yang relevan? Untuk siapa?

Pertama-tama kita perlu membedakan antara GER dan PER:



GER = Gross Energi Requirement (Kebutuhan Energi Kotor), adalah jumlah energi total yang diperlukan oleh suatu produk. Sebagai contoh GER untuk milk di U.K (Inggris) adalah 5.2 MJ/pint. Jumlah ini termasuk energi yang diperlukan untuk memproduksi pupuk, membudidayakan rumput, pakan sapi, pemrosesan milk, dan energi untuk transportasi milk tersebut.

PER = Process Energi Requirement (Kebutuhan Energi Proses), adalah energi yang diperlukan untuk memproses produk. Sebagai contoh PER untuk milk di U.K adalah 0.38 MJ/pint. Ini adalah energi yang diperlukan untuk memproses milk di perusahaan saja.

Pada umumnya, jika PER dapat diperkecil, maka GER juga dapat diperkecil. Tetapi, tidak selalu, bahkan dapat juga terjadi sebaliknya. Misalnya, energi yang ekonomis kadang-kadang dapat dicapai di level pertanian, pada tingkat pengeluaran energi yang memerlukan investasi dalam infrastruktur atau fasilitas transportasi.

Jawaban terhadap pertanyaan level analisis mana yang relevan, jelas bergantung pada kebijakan atau level manajemen yang terlibat. Misalnya, untuk manajemen di level pertanian, maka PER-lah yang menjadi masalah, dan oleh karena itu level analisis pertama adalah yang relevan. Tetapi, bagi para pembuat kebijakan regional, level 2 adalah relevan jika bahan-bahan dan sumberdaya regional dipertimbangkan. Lebih lagi, kaitan antara sektor pertanian dan sektor-sektor lainnya akan menjadi perhatian. Misalnya, digester biogas skala besar dapat menjadi pilihan energi yang efisien untuk perusahaan-perusahaan agro-processing, tetapi digester itu akan bersaing dengan pemanfaatan input-input alternatif (misalnya kotoran hewan sebagai bahan bakar bagi rumah tangga rakyat miskin).

Bagi para pembuat kebijakan nasional, level 2 atau 3 mungkin relevan. Misalnya, penentuan pabrik-pabrik barang yang padat energi bisa menarik jika tersedia energi yang murah (misalnya produksi pupuk).

Analisis PER dan GER memberikan data bagi keseimbangan energi. Tetapi, data ini tidak memberikan informasi tentang bentuk-bentuk energi, atau variasi waktu (musim) dalam aliran energi, dan sebagainya. Informasi harus ditambahkan, jika diperlukan.

PER dan GER adalah bagian dari apa yang dinamakan audit energi. Audit energi merupakan pemantauan penggunaan energi dalam sistem-sistem produktif. Sistem-sistem konsumsi dapat menjadi analogi dalam analisis energi pada penggunaan akhir. Dalam pertanian subsistens, sistem-sistem produksi dan konsumsi merupakan dua hal yang jalin berkelindan, dan dua pendekatan harus dikombinasikan dalam melakukan survai energi.

13. Contoh-contoh Kalkulasi Konversi Energi

Contoh-contoh berikut ini bukan untuk memperoleh bilangan-bilangan akurat, tetapi lebih bertujuan untuk mengilustrasikan metode-metode kalkulasi. Kalkulasi dilakukan dengan pembulatan-pembulatan. Bilangan yang lebih tepat, bergantung pada akurasi data masukan.



13.1. Berapa panas yang dihasilkan oleh tubuh manusia?

Seorang yang sedang istirahat atau bekerja fisik sangat ringan memerlukan energi sekitar 2,000 kkal (atau kurang) bahan makanan seharinya. Tubuh mengkonversi hampir seluruh energi iuni menjadi panas.

1 hari = 24 x 60 x 60 s = 86,400 s dan 1 kal = 4.2 J

Oleh karena itu: 2.000 kkal/hari = 2.000 * 4,2 kJ/hari = 8,4 MJ/86,400 s = 100 W.

Terlihat bahwa tubuh manusia yang tidak bekerja adalah ekivalen dengan sumber panas sekitar 100 W –setara dengan bola lampu 100 W yang baik.

13.2. Daya Minyak

Telah dinyatakan bahwa dua sendok teh minyak diesel adalah ekivalen dengan kerja yang dilakukan oleh seorang pria dalam sehari. Benarkah?

Anggaplah bahwa daya yang dapat diberikan oleh seorang pria dalam sehari adalah 60 W (bandingkan dengan contoh 13.3), dan ia dapat bekerja selama 4 jam per hari. Jadi, per hari, ia memberikan:

60 W x 4 jam = 240 W-jam = 240 x 3,600 Ws = 860 kWs = 860 kJ (1)

Catatan: daya 60 W yang diberikan seorang pria dengan bekerja adalah paling banyak dari 100 W yang dihasilkan badan sebagai panas (bandingkan dengan contoh 13.1). Penambahan daya memerlukan tambahan kkal yang terdapat pada bahan makanan!

Kita memperkirakan bahwa dua sendok teh minyak sama dengan 1/50 liter. Minyak diesel memiliki kandungan energi 42 MJ/kg. Untuk penyederhanaan, kita menganggap bahwa 1 liter minyak beratnya 1 kg. Maka, 1 liter minyak mengandung 42 MJ, dan 2 sendok teh minyak mengandung:

1/50 x 42 MJ =840 kJ (2)

Kita perhatikan bahwa (1) dan (2) adalah mendekati sama. Jadi, perbandingan itu betul!

Catatan: daya yang diberikan seorang pria dapat dibandingkan dengan daya yang diberikan seekor sapi jantan, yaitu: 0.3 hingga 1.3 hp atau 220 hingga 960 W.

13.3. Bagaimana kita mengecek bahwa tubuh manusia dapat memberikan 60 W beberapa jam per hari?

Daya manusia dapat diukur, dan nilai aktualnya akan sangat beragam, bergantung pada banyak faktor. Salah satu cara mengecek besarnya daya manusia adalah sebagai berikut:



Para pendaki gunung tahu bahwa seorang pria dapat memanjat sekitar 300 meter per jam. Anggaplah bahwa beratnya 75 kg. Gaya gravitasi yang melawannya adalah: 75 x 9.8 newton = 750 N. Energi yang diberikan manusia tiap jam adalah:

300 m x 750 N = 225 kNm = 225 kJ = 225 000 J.

Dan daya yang diberikan adalah: 225 000 J / 3 600 s = 62.5 J/s = 62.5 W.

13.4. Bagaimana kita dapat membandingkan daya banteng dengan energi dari kayu?

Kita tidak dapat membandingkan daya dan energi. Kita dapat membuat perbandingan hanya jika kita mencirikan waktu, untuk menghubungkan daya menjadi energi. Misalnya, periode waktu sapi bekerja.

Seekor sapi jantan secara typikal dapat memberikan daya 0.8 hp. Dalam Tabel 1-3 tentang konversi satuan-satuan non-SI, kita melihat bahwa nilai ini sama dengan 740 x 0.8 = 600 W. Jumlah energi yang diberikan oleh sapi ini dalam satu tahun dapat dihitung jika kita mengetahui berapa jam sapi itu bekerja dalam satu tahun. Anggaplah bahwa sapi bekerja 4 jam sehari selama 300 hari, atau 1,200 jam setahun. Satu jam sama dengan 3,600 s. Oleh karena itu, energi dari seekor sapi jantan dalam setahun:

600 x 1,200 x 3,600 Ws = 2,600,000,000 = 2.6 GJ

Jadi, 4 sapi jantan akan memberikan energi sekitar 10 GJ dalam setahun. Dari Tabel 3 terlihat bahwa angka ini kira-kira setara dengan jumlah energi satu ton kayu (basah).

13.5. Benarkah lebih banyak energi di bawah panci daripada di dalam panci?

Kita telah melihat bahwa seorang manusia memerlukan energi 2,000 kkal dalam bahan makanannya (lihat contoh 13.1). Hal ini berarti sama dengan 8.4 MJ/hari untuk satu orang. Kita anggap bahwa bahan makanan terutama terdiri dari hasil-hasil tanaman, yaitu biomasa. Biomasa kering, baik edibel (dapat dimakan) atau non-edibel, umumnya memiliki kandungan energi 18 MJ/kg. Energi 8.4 MJ/hari dapat diberikan dengan:

= 0,5 kg biomassa kering per hari.

Dalam satu tahun, biomasa untuk bahan makanan per orang adalah: 365 hari x 0.5 kg/hari = 180 kg/tahun.

Kita dapat membandingkan jumlah ini dengan jumlah biomasa yang diperlukan sebagai bahan bakar oleh satu rumah tangga. Berdasarkan survai, diketahui bahwa satu rumah tangga umumnya memerlukan bahan bakar untuk memasak sekitar 500 kg biomasa kering per orang per tahun. Hal ini berarti bahwa di bawah pot (panci) diperlukan energi kira-kira 3 kali dari energi di dalam panci!



13.6 Mengenai harga Listrik Perdesaan

Konsumen di pusat perkotaan (India) membayar Rs.0.75 per kWh listrik dari jaringan nasional. Di daerah perdesaan, konsumen memiliki lampu yang dioperasikan oleh unit micro-hydro lokal dengan biaya Rs 1 per hari. Konsumen mana yang membayar listrik lebih mahal?

Anggaplah bahwa lampu milik konsumen di perdesaan mengkonsumsi daya 40 W dan menyala rata-rata 4 jam per hari. Hal ini berarti konsumsi energi sebesar:

4 jam x 40 W = 160 Wh = 0.16 kWh untuk 1 Rs.

Sedangkan konsumen di kota membayar untuk sejumlah energi yang sama sebesar:

0.16 x Rs 0.75 = Rs 0.12

Kita lihat bahwa masyarakat perdesaan membayar listrik sekitar 8 kali daripada orang kota.

References

Contoh-contoh dan data dari The International Courses on Rural Energi Planning di Twente University.

Tugas: Eksperimen1.

Untuk setiap mahasiswa: naiklah ke lantai 5 gedung rektorat melalui TANGGA sebanyak 3 kali berturut-turut tanpa istirahat. Jangan menggunakan LIFT ketika turun. Catatlah waktu yang diperlukan untuk naik saja. Hitunglah berapa energi yang Anda keluarkan untuk naik.

Tugas: Nilai Kalori Diet Pemain Bola PSSI

Dari markas PELATNAS TIMNAS PSSI U-18 diperoleh informasi bahwa diet (menu) para pemain sepak bola kita terdiri dari sepiring nasi, 2 potong daging sapi, 1 mangkuk sayur sop, sebutir telur ayam, segelas susu, 2 buah apel (atau jeruk, atau pisang), dan makanan ringan setara dengan 200 Kal. Bagaimana pendapatmu tentang diet mereka?

Kini hitunglah energi yang mereka peroleh dari diet itu dan bandingkan dengan diet para pemain korea yang mencapai 5000 – 6000 Kal. Kini, bagaimana pendapatmu tentang diet mereka?


bab i - energi masa depan weblog | just another … · web view2010-02-04 · prinsip yang sama...

Documents