ENERGI AIR, POTENSI AIR UNTUK ENERGI

air energi biru, macam-macam energi air

Energi air merupakan energi yang sangat berlimpah di dunia, namun energi air ini belum dimanfaatkan secara maksimal. Potensi energi air dapat kita ketahui dari keberadaan Air di bumi ciptaan Allah SWT. Air adalah sumber kehidupan utama bagi mahkluk hidup. Air yang merupakan 70 persen dari permukaan bumi. Dari total air di bumi, 97 persen merupakan air asin di lautan dan 3 persen sisanya air tawar yang ada didaratan. Air ini memiliki potensi energi yang bisa dimanfaatkan oleh manusia. Air di daratan misalnya, tersimpan potensi energi dari proses siklus air. Air di laut juga memiliki potensi energi yang dapat diubah menjadi listrik.

Energi air merupakan energi terbarukan yang murni, Pemanfaatannya tidak mengakibatkan air mengalami perubahan bentuk, rasa, maupun bau. Inilah salah satu energi terbarukan yang benar-benar terbarukan.

Jadi, setelah dimanfaatkan air yang dimanfaatkan tetap berupa air. Energi air juga tidak mengakibatkan polusi, walaupun perlu diakui juga proses pembangunannya tetap menghasilkan polusi. Namun, manfaat yang dihasilkan oleh energi air bagi lingkungan jauh lebih banyak daripada hal negatif yang menyertainya. Oleh karena itu, pemanfaatan energi air yang maksimal diharapkan bisa memberikan dampak yang positif terhadap lingkungan.

Energi air dibedakan dalam dua golongan besar, yaitu air tawar dan air laut. Energi air tawar ada dua, yaitu energi gravitasi akibat perbedaan elevasi dan arus. Sementara, energi air laut meliputi energi gelombang (tidal), perbedaan suhu permukaan air laut dengan air dalam (OTEC), Pasang Surut, dan perbedaan salinitas.

Karena lokasi turbin air berada di perairan dan umumnya jauh dari pemukiman, pemanfaatan langsung dari energi air ini sangat terbatas. Sektor pertanian merupakan salah satu sektor yang memanfaatkan energi air ini secara langsung. Pemanfaatan energi air yang paling cocok adalah mengubahnya menjadi energi listrik, karena listrik bisa dialirkan ke pemukiman dan tempat-tempat yang membutuhkannya. Besar kecilnya energi air sangat bergantung pada volume air yang bergerak. Semakin besar maka potensi energinya semakin besar pula. Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) Cirata merupakan salah satu yang terbesar di Indonesia. PLTA Cirata berada di Desa Cadas Sari, Kecamatan Tegal Waru, Kabupaten Purwakarta, Jawa Barat, memiliki kapasitas terpasang 1.008 Megawatt (MW).

1. Energi Gravitasi Air
Energi gravitasi air merupakan energi yang timbul dari proses siklus air. Uap air yang berasal dari daratan dan lautan (porsi terbesar) akan turun menjadi hujan. Air hujan di dataran tinggi akan mengalir ke laut lagi. Karena dataran tinggi dan lautan memiliki perbedaan ketinggian maka muncullah energi gravitasi yang akan membuat air mengalir melalui daratan menuju ke laut. Energi gravitasi air inilah yang dapat dimanfaatkan oleh manusia baik secara langsung maupun diubah menjadi energi listrik.

Secara umum siklus air tawar terjadi karena dipicu oleh energi dari matahari. Panas sinar matahari yang diterima di daratan dan lautan mengakibatkan proses penguapan. Uap air dari air laut dan air di darat akan membentuk awan atau yang dikenal sebagai proses evaporasi. Gumpalan-gumpalan awan ini bergerak karena tiupan angin (energi angin). Kita juga sudah mengetahui, salah satu pemicu terbesar terjadinya angin juga oleh energi matahari. Energi mataharimengakibatkan adanya perbedaan panas sehingga udara mengalir.

Pada keadaan jenuh awan akan berubah menjadi titik-titik air yang selanjutnya turun ke dataran dalam bentuk hujan. Di daerah empat musim, titik air turun dalam bentuk hujan, es, dan salju. Di Indonesia titik-titik air ini turun dalam bentuk hujan air atau dalam beberapa kasus kecil hujan es.

Air hujan di daratan, terutama dataran tinggi masuk ke bumi melalui pori-pori tanah dan batuan menuju muka air tanah. Air dapat bergerak akibat aksi kapiler atau air bergerak secara vertikal atau horisontal di bawah permukaan tanah hingga air tersebut kembali ke sistem air permukaan. Secara umum, air-air ini akan keluar dan mengalir menuju laut melalui sungai atau sistem drainase buatan manusia.|

Keberadaan air dari dataran tinggi hingga ke laut inilah yang menyimpan energi, yaitu energi gravitasi yang terjadi karena berbedaan elevasi. Menggunakan turbin, energi grafitasi air bisa diumbah menjadi listrik sehingga bisa digunakan oleh manusia.

Pembangkit listrik gravitasi sering disebut sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA). Agar menghasilkan listrik yang layak secara komersial, air ditampung dahulu di sebuah bendungan atau memanfaatkan danau. Dengan adanya bendungan, gaya grafitasi air bisa sangat besar. Air dari dam kemudian dialirkan melalui saluran khusus menuju turbin. Aliran air yang sangat kuat ini akan menggerakkan turbin listrik sehingga menghasilkan listrik. Air dari turbin kemudian dialirkan keluar melalui saluran.

2. Energi Gelombang
Energi gelombang laut adalah energi yang dihasilkan dari per­gerakan gelombang laut menuju daratan dan sebaliknya. Gelombang di laut terjadi akibat tiupan angin di permukaan laut. Gelombang ini terjadi secara terus menerus dan memiliki energi yang dasyat. Kita seringkali melihat dampak merusak dari energi gelombang di pantai-pantai. Positifnya, energi ini ternyata bisa dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik. Beberapa negara, diantaranya Australia telah memiliki pembangkit listrik tenaga gelombang (ombak).
Ombak (gelombang laut) merupakan sumber energi yang cukup besar, namun memanfaatkan energi yang terkandungnya tidaklah mudah. Terbukti, jumlah pembangkit listrik tenaga ombak yang ada di dunia sangat sedikit. Salah satu metode yang efektif untuk memanfaatkan energi ombak adalah dengan membalik cara kerja alat pembuat ombak yang biasa terdapat di kolam renang. Pada kolam renang udara ditiupkan keluar masuk sebuah ruang di tepi kolam yang mendorong air sehingga bergoyang naik turun menjadi ombak.

Pada sebuah Pembangkit Listrik Tenaga Ombak (PLTO), aliran masuk dan keluarnya ombak ke dalam ruangan khusus menyebabkan terdorongnya udara keluar dan masuk melalui sebuah saluran di atas ruang tersebut (Lihat gambar diatas). Jika di ujung saluran diletakkan sebuah turbin, maka aliran udara yang keluar masuk tersebut akan memutar turbin sehingga menggerakkan generator dan menghasilkan listrik.
Tenaga gelombang dapat diubah menjadi energi listrik dengan memanfaatkan energi dari gerak turun-naik. Gerakan ini kemudian digunakan untuk menggerakkan piston. Gerakan piston dapat dikonversi menjadi gerak putar untuk memutar turbin yang dihubungkan dengan generator listrik. Jadi, peralatan Pembangkit Listrik Tenaga Ombak (PLTO) akan selalu berada di permukaan air laut. Karena ombak yang besar umumnya berada di tengah laut, maka PLTO akan berada di tengah laut yang jauh dari daratan (pantai).

Konversi daya listrik yang dihasilkan oleh gelombang adalah sebagai berikut : gelombang laut dengan ketinggian rata-rata 1 meter dan periode 9 detik mempunyai daya 4,5 kW per meter panjang gelombang dan ketinggian 2-3 meter 39 kW per meter panjang gelombang. Berdasarkan konversi ini, potensi energi gelombang di Indonesia terdapat di pantai selatan Jawa dan Sumatera. Kementerian ESDM menyebutkan pantai selatan Sumatera pontensi konversinya 20 kW per meter panjang gelombang sementara pntai selatan Jawa 15 kW per meter panjang gelombang.

3 Energi Pasang Surut Air Laut
Bagi orang yang bertempat tinggal di wilayah pantai pasti sering melihat kejadian alam pasang surut air laut. Sebab, setiap hari air laut mengalami pasang dan surut. Pada saat pasang, permukaan air laut menjadi lebih tinggi dari biasanya. Sebaliknya, pada saat surut permukaan air laut turun hingga posisi terendah.

Pasang surut air laut disebabkan oleh pengaruh gaya gravitasi bulan dan matahari. Ada tiga sumber gaya yang saling berinteraksi: laut, Matahari, dan bulan. Periode pasang laut adalah waktu antara puncak atau lembah gelombang ke puncak atau lembah gelombang berikutnya. Panjang periode pasang surut bervariasi antara 12 jam 25 menit hingga 24 jam 50 menit.

Menurut Pariwono (1989), pasang surut didefinisikan sebagai naik dan turunnya muka laut secara berkala akibat adanya gaya tarik benda-benda angkasa terutama matahari dan bulan terhadap massa air di bumi. Dronkers (1964) berpendapat, pasang surut laut adalah suatu fenomena pergerakan naik turunnya permukaan air laut secara berkala akibat kombinasi gaya gravitasi dan gaya tarik menarik dari benda-benda astronomi terutama oleh matahari, bumi dan bulan. Sementara, pengaruh benda angkasa lainnya dapat diabaikan karena jaraknya lebih jauh atau ukuran gayanya lebih kecil.

Pasang surut laut merupakan hasil dari gaya tarik gravitasi dan efek sentrifugal. Efek sentrifugal adalah dorongan ke arah luar pusat rotasi. Gravitasi bervariasi secara langsung dengan massa tetapi berbanding terbalik terhadap jarak. Meskipun ukuran bulan lebih kecil dari matahari, gaya tarik gravitasi bulan dua kali lebih besar daripada gaya tarik matahari dalam membangkitkan pasang surut laut karena jarak bulan lebih dekat daripada jarak matahari ke bumi. Gaya tarik gravitasi menarik air laut ke arah bulan dan matahari dan menghasilkan dua tonjolan (bulge) pasang surut gravitasional di laut. Lintang dari tonjolan pasang surut ditentukan oleh deklinasi, sudut antara sumbu rotasi bumi dan bidang orbital bulan dan matahari.

3.1 Tipe Pasang Surut Air Laut
A. Pasang surut harian ganda (semi diurnal tide)
Tipe ini terjadi jika dalam satu hari terjadi dua kali pasang dan dua kali air surut dengan tinggi yang hampir sama dan pasang surut terjadi secara berurutan secara teratur. Periode pasang surut yang terjadi adalah 24 jam 50 menit. Pada jenis harian ganda misalnya terdapat di perairan Selat Malaka.

B. Pasang surut harian tunggal (diurnal tide)
Terjadi pada luat yang dalam satu hari terjadi satu kali air pasang dan satu kali air surut. Periode pasang surut rata-rata adalah 12 jam 24 menit. Jenis harian tunggal misalnya terdapat di perairan sekitar selat Karimata, antara Sumatra dan Kalimantan.

C. Pasang surut campuran condong ke harian ganda (mixed tide prevailing semidiurnal)
Dalam satu hari terjadi dua kali air pasang dan dua kali air surut, tetapi tinggi dan periodenya berbeda. Pada pasang-surut campuran condong ke harian ganda (mixed tide, prevailing semidiurnal) misalnya terjadi di sebagian besar perairan Indonesia bagian timur.

D. Pasang surut campuran condong ke harian tunggal (mixed tide prevailing diurnal)
Pada tipe ini dalam satu hari terjadi satu kali air pasang dan satu kali air surut, tetapi kadang-kadang untuk sementara waktu terjadi dua kali pasang dan dua kali surut dengan tinggi dan periode yang sangat berbeda. Sedangkan jenis campuran condong ke harian tunggal (mixed tide, prevailing diurnal) contohnya terdapat di pantai selatan Kalimantan dan pantai utara Jawa Barat.

3.2 Sistem Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Pasang Surut Air Laut
Energi yang dapat diambil dari terjadinya pasang surutnya air laut memiliki prinsip yang sama dengan PLTA, yaitu turbin air diputar karena adanya perbedaan tinggi permukaan air. Pada saat air pasang, permukaan air laut akan naik yang artinya akan ada pergerakan air dari laut ke daratan. Pergerakan ini kemudian dihambat oleh dam yang dibangun, sehingga permukaan air laut yang berada di sebelah laut akan naik, sedangkan permukaan air dam yang di sebelah daratan terhambat naiknya karena adanya dam. Akibat adanya dam ini, terjadi perbedaan tinggi air antara kedua permukaan yang dibatasi oleh dam. Air lalu mengalir dari permukaan yang lebih tinggi ke permukaan yang lebih rendah melalui turbin air yang dipasang di dalam dam tersebut, hingga perbedaan air di kedua permukaan sama.

Sebaliknya, di saat air surut, air laut akan mengalir dari bagian daratan ke bagian laut. Aliran air laut akan dihambat oleh dam, sehingga terjadi perbedaan permukaan air yang akan menimbulkan energi potensial seperti di waktu pasang, perbedaannya adalah arah aliran airnya berlawanan. Energi pasang surut yang paling baik terdapat di daerah teluk, yaitu lokasi dimana pembangunan dam akan lebih mudah. Tantangan dari penggunaan energi pasang-surut merupakan gabungan antara permasalahan pada turbin air, yang harus kuat karena diputar oleh arus pasang dan surut, dan bangunan, yang juga harus kuat karena mendapat tekanan ombak.

Kementerian ESDM mengidentifikasikan potensi energi pasang surut Indonesia tersebar di beberapa tempat, yaitu Sumatera Bagian Utara, pantai selatan Jawa, Kalimantan Barta, Nusa Tenggara Timur, Sulawesi Utara, dan beberapa tempat di Papua. Elevasi antara pasang dan surut di wilayah tersebut mencapai 4-5 meter sehingga berpotensi untuk dikebangkan pembangkit listrik.
4 Energi Thermal Laut (OTEC)
Suhu air laut tidak semuanya sama. Suhu air di permukaan laut lebih tinggi karena pemanasan dari sinar matahari. Semakin dalam, suhu air laut semakin lebih dingin. Perbedaan suhu inilah yang bisa dimanfaatkan untuk membangkitkan listrik. Perbedaan temperatur semakin besar jika wilayah laut semakin dekat ke garis katulistiwa. Perbedaan temperatur ini menyimpan banyak energi yang potensial bagi umat manusia.

Konversi energi termal lautan (Ocean Thermal Energy Conversion/OTEC) adalah metode untuk menghasilkan energi listrik menggunakan perbedaan temperatur air yang berada di laut dalam dengan air permukaan laut untuk menjalankan mesin kalor. Seperti pada umumnya mesin kalor, efisiensi terbesar bisa dihasilkan jika ada perbedaan temperatur yang paling besar. Jika hal ini bisa dilakukan dengan cost effective dan dalam skala yang besar, OTEC mampu menyediakan sumber energi terbaharukan yang diperlukan untuk menutupi berbagai masalah energi. Potensi OTEC di Indonesia berada di sepanjang pantai yang dekat dengan laut dalam, yaitu Samudera Hindia.

Prinsip kerja OTEC mirip dengan PLTU, tetapi uap pada OTEC dihasilkan dari amoniak bukan air. Amoniak diuapkan dengan memanaskannya menggunakan air laut permukaan, yaitu pada suhu 25°C. Diperlukan suhu yang lebih dingin untuk mencairkan uap amoniak kembali agar terjadi siklus tertutup uap dan cairan, yaitu suhu laut bagian dalam sebesar 5°C. Semakin dalam laut, akan semakin besar perbedaan suhu antara permukaan dengan dalam laut, dan akan semakin besar energi yang dapat dihasilkan. Peralatan OTEC harus berdekatan dengan daerah laut dalam tersebut.

Jika laut dalam tersebut berada dekat dengan daratan (biasanya bukan di daerah pantai yang landai), maka peralatan utama OTEC dapat dibangun di daratan. Apabila laut dalam tersebut berada di tengah laut, maka peralatan OTEC harus berada di tengah laut. Peralatan utama OTEC (turbin uap) selalu akan berada di atas permukaan (baik di darat ataupun mengapungdi laut), sedangkan peralatan yang berada di dalam laut adalah saluran (pipa) yang akan mengalirkan uap sebelum dan sesudah melalui turbin, agar uap itu didinginkan menjadi cairan (Gambar OTEC). Penelitian masih terus dilakukan untuk meningkatkan efisiensi turbin uap amoniak.

5 Energi Arus Air

5.1 Arus Air Laut
Arus air laut adalah pergerakan massa air secara vertikal dan horisontal sehingga menuju keseimbangannya, atau gerakan air yang sangat luas yang terjadi di seluruh lautan dunia[1]. Arus juga merupakan gerakan mengalir suatu massa air yang dikarenakan tiupan angin atau perbedaan densitas atau pergerakan gelombang panjang[2]. Pergerakan arus dipengaruhi oleh beberapa hal antara lain arah angin, perbedaan tekanan air, perbedaan densitas air, gaya Coriolis dan arus ekman, topografi dasar laut, arus permukaan, upwellng , downwelling.

Selain angin, arus dipengaruhi oleh paling tidak tiga faktor, yaitu :
  • Bentuk Topografi dasar lautan dan pulau – pulau yang ada di sekitarnya : Beberapa sistem lautan utama di dunia dibatasi oleh massa daratan dari tiga sisi dan pula oleh arus equatorial counter di sisi yang keempat. Batas – batas ini menghasilkan sistem aliran yang hampir tertutup dan cenderung membuat aliran mengarah dalam suatu bentuk bulatan. 
  • Gaya Coriollis dan arus ekman : Gaya Corriolis memengaruhi aliran massa air, di mana gaya ini akan membelokkan arah mereka dari arah yang lurus. Gaya corriolis juga yangmenyebabkan timbulnya perubahan – perubahan arah arus yang kompleks susunannya yang terjadi sesuai dengan semakin dalamnya kedalaman suatu perairan. 
  • Perbedaan Densitas serta upwelling dan sinking : Perbedaan densitas menyebabkan timbulnya aliran massa air dari laut yang dalam di daerah kutub selatan dan kutub utara ke arah daerah tropik. 
Adapun jenis – jenis arus dibedakan menjadi 2 bagian, yaitu :

1 Berdasarkan penyebab terjadinya
Arus ekman : Arus yang dipengaruhi oleh angin.
Arus termohaline : Arus yang dipengaruhi oleh densitas dan gravitasi.
Arus pasut : Arus yang dipengaruhi oleh pasut.
Arus geostropik : Arus yang dipengaruhi oleh gradien tekanan mendatar dan gaya coriolis.
Wind driven current : Arus yang dipengaruhi oleh pola pergerakan angin dan terjadi pada lapisan permukaan.

2 Berdasarkan Kedalaman
Arus permukaan : Terjadi pada beberapa ratus meter dari permukaan, bergerak dengan arah horizontal dan dipengaruhi oleh pola sebaran angin.
Arus dalam : Terjadi jauh di dasar kolom perairan, arah pergerakannya tidak dipengaruhi oleh pola sebaran angin dan mambawa massa air dari daerah kutub ke daerah ekuator.

5.2 Pemanfaatan Arus Air Laut menjadi Energi Listrik

Keberadaan arus air laut ini bisa dimanfaatkan energinya untuk diubah menjadi energi listrik. Kita dapat menempatkan turbin air di tengah-tengah arus air laut. Turbin dihubungkan dengan generator listrik. Turbin yang digunakan adalah turbin air yang digunakan di PLTA, tentunya dengan beberapa modifikasi. Secara prinsip kerja, kedua turbin ini sama.

Arus air laut yang deras atau yang memiliki nilai komersial untuk dikembangkan umumnya berada ditengah laut. Sehingga diperlukan turbin yang dipasang kokoh dan pemasangannya disesuaikan dengan karakteristik laut tempat pembangunan turbin. Karena sifat air laut yang korosif, dibutuhkan bahan turbin yang kuat dan tahan karat. Akibatnya, turbin arus air laut jauh lebih mahal dibandingkan dengan turbin PLTA.

5.3 Arus Sungai
Seperti laut, sungai juga memiliki arus. Arus yang terjadi karena adanya perbedaan elevasi sehingga air mengalir ke yang lebih rendah. Namun, pemanfaatan arus air sungai untuk pembangkit listrik masih sangat rendah karena nilai keekonomiannya yang belum baik. Secara umum, prinsip kerja pembangkit listrik tenaga arus sungai sama dengan arus air laut.

6 Energi Perbedaan Salinitas
Perbedaan kadar garam antara air laut(asin/mengandung garam) dan air sungai (tawar) memiliki energi potensial. Saat ini, pemanfaatan energi ini masih dalam tahap riset di laboratrium. Ada dua metode pemanfaatan energi salinitas, yaitu energi arus air yang terjadi karena pergerakan adanya perbedaan salinitas dan elektrodialisis terbalik (Reverse Electrodialysis/RED).

Untuk konsep pertama (arus air karena perbedaan salinitas) dinyatakan sulit untuk diaplikasikan secara komersial karena fakta di lapangan unsur kimia dari laut dan sungai berubah-ubah. Salah satu faktornya adalah adanya polusi yang dilakukan oleh manusia. Dunia saat ini lebih tertarik dengan metode RED, seperti yang sedang diujicoba oleh Wetsus, lembaga riset di Belanda. Proyek percontohan dilakukan Wetsus di Afsluitdijk.

Prinsip kerja RED adalah, mengalirkan air laut dan tawar pada membran Anion-Exchange (AEM) dan kation-exchange. Aliran yang terus menerus akan menghasilkan anion dan kation berkelanjutan sehingga sangat potensial untuk pembentukan elektrokimia. Teknologi ini bergantung pada penggunaan membran pertukaran ion. Ketika beberapa dari membran ditumpuk bersama-sama (lihat gambar), yaitu membran anion- dan kation dengan aliran air tawar dan laut memungkinkan pembentukan listrik yang cukup besar yang dapat digunakan sebagai motor penggerak untuk menghasilkan listrik. Potensial listrik ini diubah menjadi aliran elektron melalui reaksi redoks reversibel (misalnya, Fe2 + / Fe3 + atau ferricyanide / ferrocyanide [4]) atau ireversibel (misalnya, pengurangan H2O menjadi H2 dan oksidasi Cl- menjadi Cl2 [4] ), atau melalui adsorpsi ion di elektroda kapasitif.

Oleh : ahmad senoadi
Dari berbagai sumber.
Load disqus comments

1 komentar: