Sabtu, 05 Maret 2016

Teknologi pada energi konversi panas samudera

OTEC
Mini OTEC dari Hawaii
Energi konversi panas samudera (OTEC)
Energi konversi panas samudera atau dalam bahasa Inggrisnya Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC). OTEC itu apa? OTEC adalah suatu cara untuk mengkonversikan energi matahari yang disimpan di perairan/lautan tropis yang panas menjadi energi listrik. Hal ini dilakukan dengan memanfaatkan perbedaan temperatur antara air laut di permukaan yang panas dengan air laut di suatu kedalaman yang dingin.

Biasanya kedalaman itu adalah antara 700-900 meter. Air panas dan air dingin tersebut kemudian dimanfaatkan dalam suatu rangkaian saya (power cycle) yang mirip dengan pabrik refrigerasi es di tahun 1920. Sebagai contoh untuk menjelaskan kerjanya OTEC kita ambil Mini-OTEC, suatu stasion pembangkit OPEC yang terapung dengan rangkaian tertutup (closed cycle). Soal rangkaian tertutup akan dijelaskan. Mini OTEC ini merupakan percobaan di Hawaii yang berhasil dengan baik. Daya listrik yang dibangkitkan hanya 50 KW, tetapi dengan test tersebut telah ditunjukkan bahwa sesuatu yang ada dalam teori mengenai OTEC ternyata berhasil menjadi kenyataan praktek.

Mini OTEC menggunakan sebagai fluida kerjanya ammonia (rumus kimia NH3). Air laut yang panas digunakan sebagai sumber panas untuk mengubah ammonia dari bentuk cair menjadi bentuk uap. Kejadian ini dilakukan dalam alat pertukaran panas yang disebut "heat exchanger". Heat exchanger pada OTEC ini ada dua macam:
  1. Evaporator, yang mengubah ammonia dari bentuk cair ke bentuk uap.
  2. Condenser, yang mengubah ammonia dari bentuk uap ke bentuk cair.
Di dalam suatu heat exchanger seperti telah dijelaskan terjadi pertukaran panas misalnya dari fluida panas di bagian primer ke fluida yang lebih dingin di bagian sekunder. Akibatnya fluida sekunder menjadi tambah panas. Antara fluida primer dan sekunder sama sekali tidak ada kontak fisik, yang dipindahkan dan dengan demikian generator yang dikoppel secara mekanis dengan turbin tersebut, akan membangkitkan listrik.

Setelah itu uap ammonia tersebut diubah lagi bentuknya menjadi cair dalam heat exchanger kedua yang oleh karena fungsinya disebut "condenser". Dalam condenser ini air laut yang dingin merupakan fluida primer yang menyerap panas dari uap ammonia sebagai fluida sekunder. Uap ammonia tersebut karena diambil panasnya, turunlah temperaturnya dan menjadi cair kembali. Kemudian kejadian sebelumnya yaitu penguapan kembali dari ammonia cair akan berulang kembali di Evaporator dan seterusnya sehingga merupakan suatu rangkaian tertutup atau dikenal juga dalam bahasa asing sebagai sistim closed cycle.

Di dalam thermodinamika sistim semacam ini disebut Rankine cycle. Pemikiran untuk memanfaatkan perbedaan temperatur antara air laut permukaan yang panas dengan air dingin di dalam laut terutama di aderah tropis untuk menjalankan suatu mesin panas (heat engine) mula-mula diusulkan oleh seorang ahli fisika Perancis bernama d'Arsonval di tahun 1881. Kemudian seorang insinyur Amerika bernama Campbell sekitar tahun 1913 mengusulkan pemanfaatan energi thermal (panas) dari lautan/samudera untuk menghasilkan daya dengan menggunakan gas cair (misalnya ammonia, propane, karbon dioksida, methyl chlorida, atau refrigerant berbentuk freon) sebagai fluida kerja perantara. Kemudian seorang insinyur Perancis bernama Georges Claude pada tahun 1930 berusaha mendemonstrasikan OTEC dengan menggunakan sistim rangkaian terbuka (open cycle) sebesar 22 KW, tetapi sayang proyek tersebut dihancurkan angin badai yang dahsyat. Percobaan tersebut dilakukan di darat yaitu di pesisir Teluk Matanzas di Cuba. Percobaan ini diusul oleh percobaan lain di lautan yang dalam di Brazil. Dalam percobaan ini digunakan sebuah bekas kapal muatan yang diubah menjadi stasion pembangkit OTEC terapung. Tapi sayang proyek inipun gagal.

Yang diartikan dengan sistim "open cycle" atau rangkaian terbuka adalah di mana air permukaan laut yang panas diuapkan dalam suatu ruangan sebagai vakuum (partial vacuum). Uap yang dihasilkan dialirkan dan memutar turbin. Uap yang telah terpakai ini kemudian didinginkan dalam condenser dengan memanfaatkan air laut yang dingin yang dipompakan keatas dari kedalaman laut. Jadi berbeda dengan closed cycle dimana yang menggerakan turbin adalah suatu fluida perantara, misalnya ammonia pada Mini-OTEC, maka pada open cycle air laut panas itu sendiri yang setelah diuapkan digunakan untuk memutar turbin.

Suatu sistem open cycle yang membangkitkan daya yang cukup besar seperti 100 MW, akan memerlukan turbin-turbin dengan rotor-rotor yang berdiameter besar dan pipa-pipa (ducts) yang mengalirkan uap harus besar juga. Tetapi walaupun ini merupakan hambatan dari segi kelayakan ekonomi, dua orang ilmuwan Amerika bernama  Brown dan Wechsler (di Offshore Technology Conference di Houston, Texas, USA, tahun 1975) menyatakan bahwa gaya-gaya pada sudu-sudu turbin suatu stasion open cycle dapat diterima oleh struktur-struktur yang ringan dan tidak mahal.

Hal ini memberikan harapan sangat baik bagi system open-cycle. Namun demikian sebagian besar peneliti masa kini lebih condong kepada sistim closed cycle yang kelihatannya lebih konvensional dan mempunyai kepastian akan bisa bekerja. Pada suatu sistim OTEC efisiensinya tergantung terutama pada beda temperatur antara air permukaan laut yang panas dengan dengan air dingin pada suatu kedalaman laut tertentu. Yang dimaksud dengan efisiensi adalah perbandingan antara besarnya daya output (daya yang keluar) terhadap daya input (daya yang masuk). Selisih antara daya input dan daya output disebut rugi-rugi.

Di Hawaii pada percobaan Mini OTEC beda temperatur tersebut adalah 21 derajat celcius dan air laut di kedalaman antara 700-900 meter adalah 6 derajat celcius. Efisiensi teoritis dari OTEC adalah rendah, yaitu 7%. Ini disebabkan rugi-rugi daya yang besar, misalnya rugi-rugi panas, rugi-rugi yang disebabkan pemompaan fluida kerja (yaitu ammonia pada Mini OTEC) maupun sejumlah besar air laut panas dan air laut dingin, rugi-rugi di turbin dan generator, efek kerosi (pengkaratan) pada heat exchanger yang disebabkan air laut, dan efek "biofouling" (pertumbuhan mikroorganisme) pada heat exchanger.

Akibat 'biofoling' perpindahan panas dalam heat exchanger dari satu permukaan ke permukaan lain menjadi sukar. Fluida kerja yang harus bekerja pada temperatur tertentu akibatnya akan bekerja pada temperatur yang agak berbeda, dan ini juga menyebabkan adanya rugi-rugi. Di Hawaii dilakukan penelitian-penelitian untuk menanggulangi masalah kerosi dan biofouling tersebut.

Mini-OTEC dan OTEG-1
Sebelumnya telah banyak disinggung mengenai Mini-OTEC, yaitu terutama mengenai sistim closed cyclenya yang sebenarnya diuraikan untuk menunjukan bahwa OTEC pada prinsipnya mengenai dua sistim yaitu open cycle dan closed cycle. Tetapi mengenai Mini-OTEC ini masih ada hal-hal lain yang menarik untuk diutarakan. Mengenai daya yang dibangkitkan sebesar 50 KW, sebenarnya sebagian besar digunakan oleh proyek itu sendiri untuk menjalankan pompa-pompa, penerangan lampu di atas tongkang dan sebagainya. Daya bersih (netto) yang dibangkitkan yang bisa disuplai keluar, seandainya ditinjau dari segi komersial atau penjualan listrik, hanya antara 10-15 KW. Jadi kita lihat di sini Mini-OTEC ini hanya bersifat dan bertujuan untuk demonstrasi saja.

Pada heat exchangernya dilakukan juga percobaan untuk mendemonstrasikan kelayakan sistim tersebut terutama terhadap biofouling (pertumbuhan mikroorganisme) dan korosi (pengkaratan). Terhadap korosi maka dicoba pada heat exchangers baik evaporator maupun condenser untuk menggunakan pelat-pelat titanium yang tahan terhadap proses pengkaratan yang disebabkan air laut. Dan terhadap biofouling dilakukan chlorinisasi.

Maka Mini-OTEC menggunakan suatu sistim dimana pipa air dingin dan alat penambatan menjadi satu kesatuan. Dengan demikian pipa air laut dingin tersebut ditambal dalam keadaan bertegangan pada suatu sistim penambatan satu titik. (single point mooring sytem). Pipa tersebut terbuat dari bagian-bagian sepanjang 12 m dengan diameter 60 cm. Panjang pipa secara keseluruhan menjadi 645 meter dan terbuat dari polyethylene dengan berat jenis yang besar. Bagian bawah dari pipa air dingin tersebut harus diimbangi terhadap gaya mengapung dengan 5000 pound timah. Sedangkan bagian atas dari pipa air dingin ini dihubungkan ke tongkang dengan suatu selang penghisap air terbuat dari karet/kawat berdiameter 45 cm yang khusus disiapkan untuk maksud itu. Bagian bawah dari sistim penambatan diusahakan jangan sampai berpindah tempat oleh suatu jangkar berbentuk segumpal  beton seberat 30.000 pound.

Jangkar beton itu sendiri harus dicegah agar jangan tergelincir dan berpindah tempat oleh suatu tali kawat yang dihubungkan ke suatu jangkar di pantai. Antara jangkar beton yang menahan sistim penambalan dan pipa air dingin dihubungkan suatu penghubung mengapung terbuat dari polypropylene sepanjang 450 meter. Mini-OTEC telah diselesaikan antara pembuat rancangan hingga selesai, hanya dalam waktu 14 bulan. Mini-OTEC merupakan suatu sumbangan terhadap kemungkinan penerapan energi panas samudera dalam skala komersial. Kementerian Urusan Energi Amerika Serikat kemudian mengajukan proyek OTEC-1, untuk mencoba beat exchangers 1MW. Berhubung Hawaii merupakan lokasi yang ideal maka proyek tersebut juga diadakan di Hawaii.

OTEC di Jepang
Jepang merupakan suatu negara di Samudera Pasifik yang miskin akan sumber-sumber energi. Mulai tahun 1970-an Jepang menaruh minat mengadakan penelitian dan pengembangan OTEC di kepulauan-kepulauan Pasifik, salah satu cara mengurangi ketergantungan akan energi minyak dan gas bumi. Mengapa Jepang tertarik akan pengembangan OTEC? Jepang tertarik karena dikaruniai lautan panas disekeliling negaranya. Perbedaan temperatur air laut panas di permukaan dengan air laut dingin di kedalaman 1000 meter di daerah Jepang ini adalah 18 derajar celcius ke atas. Pada tahun 1974 penelitian OTEC eksperimental dimulai oleh Universitas Saga di Saga, Jepang dan pada tahun 1980 Perdana Menteri Jepang memberi wewenang kepada Badan Pembangunan Samudera dan Dewan Ilmu Pengetahuan Teknologi Industri Jepang untuk mengembangkan OTEC sebagai salah satu energi pengganti.

Dalam program tersebut termasuk pengembangan suatu stasiun pembangkit OTEC eksperimental  berkapasitas 1 MW di atas laut dan diharapkan selesai bulan Maret 1984. Juga diharapkan akan dibangun suatu stasiun pembangkit OTEC berkapasitas 10 MW antara tahun 1985 hingga 1990. Tetapi percobaan pertama OTEC di atas kapal di Jepang dilakukan tahun 1979 di lautan Jepang oleh Universitas Saga dengan kerjasama dengan perusahaan-perusahaan Toshiba dan Tobishima. Dua buah perusahaan listrik besar di Jepang, Tokyo dan Kyushu Power Company telah mulai dengan proyek membangun stasiun pembangkit OTEC eksperimental di darat dengan kapasitas daya masing-masing 100 KW dan 50 KW.

Setelah stasiun-stasiun pembangkit eksperimental ini berjalan dengan hasil yang memuaskan, maka akan dibangun stasiun-stasiun pembangkit dalam skala komersial. Suatu pemikiran untuk membangun stasiun pembangkit OTEC yang lebih besar, yaitu berkapasitas daya 100 MW telah dibuat oleh Panitia OTEC di Jepang bernama "Sunshine Project" antara 1975 dan 1978. Dua lokasi telah diteliti untuk maksud tersebut sejak tahun 1978 yaitu Osumi dan Toyama. Ternyata harga memproduksi listrik di kedua tempat akan jatuh kira-kira sama, yaitu 13 Yen/KWH. Tetapi unit sebesar 100 MW belum ada, disain-disain tersebut dibuat terutama untuk memperkirakan kelayakan ekonomi maupun teknik OTEC di Jepang.

Sumber energi OTEC
Samudera dan lautan mencakup 71% dari luas permukaan bumi kita ini. Samudera/lautan tersebut dapat merupakan suatu sistim pengumpulan dan penyimpanan energi matahari secara alamiah. Jelas yang menarik dalam hal ini adalah samudera/lautan tropis. Di daerah-daerah di atas bumi kita ini antara 10 derajat Lintang Utara dan 10 derajat Lintang Selatan sangat cocok bagi pengembangan OTEC. Luas samudera di daerah antara 10 derajat Lintang Utara dan 10 derajat Lintang Selatan adalah kira-kira 80 juta kilometer persegi dan dapat menerima rata-rata 24 jam energi matahari sebesar 215 Watt per meter persegi atau jumlah keseluruhan sebesar 1,7 x 1010 Megawatt. Bila dibandingkan dengan kebutuhan listrik USA pada tahun 2000 yaitu 6,7 x 1010 Megawatt maka ini sama dengan hanya 0,004% dari energi matahari yang terkumpul dalam air laut di daerah-daerah sekitar khatulistiwa tersebut.

Pengembangan OTEC oleh Amerika Serikat juga diperkirakan akan dilakukan di aderah Teluk Meksiko, dan sekitar Puerto Rico di samping daerah Hawaii. Tetapi perbedaan temperatur air laut panas di permukaan dengan air laut dingin di suatu kedalaman adalah 20 hingga 30% lebih kecil daripada di daerah tropis sekitar khatulistiwa. Di samping itu konstruksi stasiun OTEC di daerah Teluk Meksiko dan Puerto Rico haruslah lebih kuat untuk mengatasi arus-arus gelombang laut yang besar dan sering adanya angin taufan (hurricane). Biaya pengiriman energi listrik yang dibangkitkan di atas kapal/tongkang ke daratan pun merupakan faktor ekonomis yang penting, sehingga juga dipikirkan untuk memanfaatkan OTEC untuk produksi ammonia atau hydrogen cair. Hidrogen cair dapat digunakan untuk berbagai macam maksud sedangkan ammonia dipakai sebagai pupuk.

Tidak ada komentar:

Posting Komentar