TEKNOLOGI RAMAH LINGKUNGAN FUEL CELL Makalah ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat mengikuti matakuliah Bahasa Indonesia Dosen Pengampu: Drs. Purwito Atmojo, M.Pd.
Disusun oleh: Nama: Dedy Prasetiyo NIM: 20140120173/kelas D
PROGRAM STUDI S-1 TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH YOGYAKARTA Tahun Akademik 2014/2015
KATA PENGANTAR
Pertama-tama penulis mengucapkan terimakasih kepada Allah SWT atas berkat dan rahmat-Nya penulis dapat menyelesaikan makalah ini. Makalah ini disusun oleh penulis dengan harapan dapat membantu menambah pengetahuan pembaca tentang energi listrik, khususnya tentang bagaimana listrik dapat dihasilkan melalui teknologi Fuel Cell. Penulis yakin bahwa makalah ini masih memiliki kekurangan. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran untuk menjadi koreksi bagi makalah ini. Akhir kata, penulis mengucapkan terimakasih kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan makalah ini.
Yogyakarta, 15 Desember 2014 Penulis
1
DAFTAR ISI
Kata Pengantar.................................................................................. i
DAFTAR ISI.......................................................................................... ii BAB I PENDAHULUAN.........................................................................1 1.1
Latar Belakang Masalah................................................................1
1.2
Rumusan Masalah.........................................................................2
1.3
Tujuan........................................................................................ 2
1.4
Manfaat...................................................................................... 2
BAB II LANDASAN TEORI........................................................................3 2.1
Pengertian Listrik........................................................................3
2.2
Pengertian Fuel Cell.....................................................................3
2.3
Hidrogen.................................................................................... 4
2.4
Reaksi Reduksi-Oksidasi (redoks) dan Elektrolisis..............................5
BAB III PEMBAHASAN............................................................................ 6 3.1
Proses Pembuatan Hidrogen............................................................6
3.2
Proses Fuel Cell............................................................................. 6
3.2
Analisis........................................................................................ 9
3.3
Keunggulan dan kelemahan Fuel Cell................................................9
BAB IV PENUTUP.................................................................................. 11 4.1
Kesimpulan................................................................................ 11
4.2
Saran........................................................................................ 11
DAFTAR PUSTAKA................................................................................ 12
2
BAB I PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang Masalah Dewasa ini energi listrik listrik telah menjadi bagian yang tidak
terpisahkan bagi kehidupan manusia. Energi listrik digunakan untuk berbagai macam kebutuhan manusia seperti kebutuhan telekomunikasi, transportasi, industri, dll. Energi listrik merupakan energi yang ramah lingkungan dan dapat dihasilkan dengan jumlah yang banyak. Energi listrik juga berperan penting dalam perkembangan teknologi. Berbagai macam teknologi saat ini hampir semuanya menggunakan energi listrik sebagai sumber tenaga atau bahan bakarnya. Misalnya saja alat transportasi saat ini yang telah diupayakan agar menggunakan energi listrik agar tidak menimbulkan pencemaran udara dan mengurangi masalah akan penggunaan bahan bakar minyak. Salah satu contohnya yaitu motor atau mobil listrik yang bahan bakarnya menggunakan energi listrik. Walaupun saat ini alat transportasi umumnya masih menggunakan bahan bakar minyak seperti bensin, solar, biosolar, dll. Hal ini dikarenakan penggunaan bahan bakar minyak yang lebih cepat dalam pengisian ulang pada sumber energinya dan jarak tempuh yang lebih jauh. Dibandingkan dengan motor atau mobil listrik saat ini yang masih memiliki kendala dalam pengisian ulang pada sumber energinya serta jaraknya yang tidak terlalu jauh pada penggunaannya. Namun, tidak menutup kemungkinan akan adanya penyempurnaan pada teknologi ini agar energi listrik tersebut lebih maksimal dalam penggunaannya. Bayangkan jika suatu saat motor atau mobil anda dapat menggunakan energi listrik dengan jarak yang sama dengan menggunakan bahan bakar minyak. Atau bahkan kendaraan anda dapat menggunakan energi listrik melalui bahan bakar dari air. Hal ini dapat dilakukan melalui teknologi Fuel Cell (sel bahan bakar) dan akan dijelaskan pada makalah ini.
1
1.2
Rumusan Masalah Berdasarkan latar
belakang
diatas
maka
penulis
merumuskan
permasalahannya sebagai berikut: 1.2.1
Apa keunggulan dari Fuel Cell sebagai teknologi penghasil energi listrik?
1.2.2
1.3
Bagaimana proses Fuel Cell mengubah air menjadi energi listrik?
Tujuan Berdasarkan latar belakang yang diangkat maka makalah ini bertujuan: 1.3.1 Diharapkan para pelajar akan mengetahui bahwa listrik juga dapat dihasilkan menggunakan bahan dasar air. 1.3.2 Mengurangi dampak krisis akan energi listrik di Indonesia dengan inovasi teknologi Fuel Cell.
1.4
Manfaat Berdasarkan latar belakang yang diambil maka makalah ini memiliki
manfaat sebagai berikut: 1.4.1 Pembaca akan lebih mengetahui bagaimana teknologi Fuel Cell dapat menghasilkan listrik. 1.4.2 Krisis energi listrik di Indonesia akan berkurang jika inovasi teknologi Fuel Cell dapat dikembangkan.
2
BAB II LANDASAN TEORI 2.1
Pengertian Listrik Listrik merupakan sebuah energi yang tercipta karena adanya pergerakan
atau aliran muatan-muatan negatif atau elektron. Muatan-muatan elektron ini bergerak menuju muatan positif melalui medium seperti bahan konduktor. Namun, listrik itu sendiri mengalir dari kutub positif menuju kutub negatif. Hal ini dikarenakan perbedaan potensial yang disebabkan pergerakan muatan-muatan tersebut. Energi potensial mengalir dari potensial tinggi menuju ke potensial rendah. “Dengan listrik arus bolak-balik, listrik juga bias mengalir ke bumi (lantai rumah). Hai ini disebabkan oleh sistem perlistrikan yang menggunakan bumi sebagai acuan tegangan netral (ground). Acuan ini yang biasanya dipasang di dua tempat, satu di ground tiang listrik dan satu lagi di ground rumah. Oleh karena itu jika kita memegang sumber listrik dan kaki kita menginjak bumi atau tangan kita menyentuh dinding, perbedaan tegangan antara kabel listrik ditangan dengan tegangan dikaki (ground), membuat listik mengalir dari tangan ke kaki, sehingga tubuh akan mengalami kejutan listrik” (anonim, www.pengertianx.blogspot.com, diakses tanggal 20 Nopember 2014, pukul 08.24 WIB). 2.2
Pengertian Fuel Cell Fuel cell adalah alat atau teknologi seperti baterai yang mampu
menghasilkan listrik dengan menggunakan bahan bakar kimia seperti hidrogen. “Seperti pabrik, fuel cell akan terus mengeluarkan produk (listrik) selama bahan yang rendah (BBM) diberikan. Persamaan antara sel bahan bakar dengan baterai yaitu keduanya mengandalkan elektrokimia untuk proses pembakaran, tetapi Fuel Cell tidak dikonsumsi ketika menghasilkan listrik. Ini benar-benar pabrik, yang mengubah energi kimia yang tersimpan dalam bahan bakar menjadi energi listrik” (Hirschenhofer, 2009: 4).
3
Alat ini terdiri dari dua buah elektroda, yaitu anoda dan katoda yang dipisahkan oleh sebuah membran polimer yang berfungsi sebagai elektrolit. Membran ini sangat tipis, ketebalannya hanya beberapa mikrometer saja. “sel membentuk inti dari sebuah sel bahan bakar. Fuel cell mengubah energi kimia yang terkandung dalam bahan bakar elektrokimia menjadi energi listrik” (Barbir, 2012: 17). Hidrogen dialirkan ke dalam fuel cell yaitu ke bagian anoda, sedang oksigen atau udara dialirkan ke bagian katoda, dengan adanya membran, maka gas hidrogen tidak akan bercampur dengan oksigen. Membran dilapisi oleh platina tipis yang berfungsi sebagai katalisator yang mampu memecah atom hidrogen menjadi elektron dan proton. “Proton mengalir melalui membran, sedang elektron tidak dapat menembus membran, sehingga elektron akan menumpuk pada anoda, sedang pada katoda terjadi penumpukan ion bermuatan positif. Apabila anoda dan katoda dihubungkan dengan sebuah penghantar listrik, maka akan terjadi pengaliran elektron dari anoda ke katoda, sehingga terdapat arus listrik” (Larmine, 2003: 5). 2.3
Hidrogen “Hidrogen (bahasa Latin: hydrogenium, dari bahasa Yunani: hydro: air,
genes: membentuk) adalah unsur kimia pada tabel periodik yang memiliki simbol H dan nomor atom 1. Pada suhu dan tekanan standar, hidrogen tidak berwarna, tidak berbau, bersifat non-logam, bervalensi tunggal, dan merupakan gas diatomik yang sangat mudah terbakar. Dengan massa atom 1,00794 amu, hidrogen adalah unsur teringan di dunia. Hidrogen juga adalah unsur paling melimpah dengan persentase kira-kira 75% dari total massa unsur alam semesta. Hidrogen juga dapat dihasilkan dari air melalui proses elektrolisis, namun proses ini secara komersial lebih mahal daripada produksi hidrogen dari gas alam” (Desmifianti http://gitadesmafianti.blogspot.com/2013/03/pengertian-hidrogen_4023.html, diakses tanggal 18 Desember 2014, pukul 10.45 WIB)
2.4
Reaksi Reduksi-Oksidasi (redoks) dan Elektrolisis
4
Reaksi redoks merupakan reaksi kimia dimana terjadi perubahan bilangan oksidasi dan terjadi transfer elektron, serta terjadi pengikatan dan pelepasan oksigen. “Bilangan oksidasi berhubungan erat dengan muatan listrik yang dimiliki atom-atom dalam suatu senyawa. Hal itu sangat jelas dalam senyawa ion. Misalnya dalam NaCl, di mana natrium bermuatan positif (Na +) dan klorin bermuatan negatif (Cl-)” (prasetyo, 2009: 29). Elektrolisis adalah dalam sel, reaksi redoks yang berlangsung secara spontan, dan energi kimia yang menyertai reaksi kimia diubah menjadi energi listrik. Apabila potensial diberikan pada sel dalam arah kebalikan dengan arah potensial sel, maka reaksi sel yang berkaitan dengan potensial negatif akan diinduksi. “Reaksi elektrolisis merupakan proses kimia yang mengubah energi listrik menjadi energi kimia. Komponen yang terpenting dari elektrolisis adalah elektroda dan elektrolit” (wibowo, 2011: 1).
BAB III PEMBAHASAN 3.1
Proses Pembuatan Hidrogen. Hidrogen Hidrogen dapat dibuat melalui proses elektrolisis, dengan
menggunakan bahan dasar dari air. Sebuah tangki diisi dengan air yang dicampur dengan suatu asam, sehingga air tersebut dapat bertindak sebagai konduktor untuk menghantarkan aliran listrik, campuran ini dinamakan elektrolit. Dalam elektrolit dipasang dua elektroda, anoda dihubungkan dengan sisi positif listrik dan katoda 5
pada sisi negatif. Inti dari proses elektrolisis yaitu memisahkan unsur H dengan unsur O. Jika arus searah mengalir maka terjadilah elektrolisis, sehingga atom hidrogen kehilangan elektron dan menjadi ion H+, sementara atom oksigen menjadi ion O-. “Ion hidrogen akan tertarik pada katoda serta menerima elektron dan menjadi sebuah atom H, sedangkan ion oksigen akan tertarik pada anoda serta melepas elektron dan menjadi atom O. Atom-atom hidrogen akan bergabung menjadi gas H2 dalam bentuk gelembung dan mengembang ke atas melalui katoda untuk dikumpulkan melalui sebuah pipa. Hal ini juga terjadi pada atom O” (Haraldson, 2005: 8). 3.2 Proses Fuel Cell Fuel Cell itu sendiri pada prinsipnya bekerja sebagai kebalikan dari proses elektrolisis. Sel tersebut terdiri dari sebuah tangki yang di dalamnya terdapat dua dinding berupa elektroda, dimana salah satu dinding sebagai elektroda bahan bakar dan yang lain sebagai elektroda udara. “Di tengah kedua dinding itu terdapat elektrolit, yaitu air yang dicampur asam. Bahan bakar berupa H 2 memasuki sel bahan bakar, dan ditampung dalam dalam ruangan sebelah kiri. Sedangkan O2 dalam bentuk udara memasuki sel bahan bakar dari sebelah kanan dan ditampung dalam ruang sebelah kanan elektroda udara. Kedua elektroda dihubungkan pada jaringan listrik melalui inverter. Diatur bahwa elektroda bahan bakar disambung pada sisi negatif, sedangkan elektroda udara pada sisi positif jaringan. Perlu dikemukakan bahwa elektroda udara adalah katoda, sedangkan elektroda bahan bakar adalah anoda. Bilamana oksigen memasuki sel bahan bakar, terdapat reaksi dan atom oksigen itu menerima dua elektron dari elektroda. Kemudian oksigen ini memasuki elektrolit dan mencapai tempat yang berdekatan dengan elektroda bahan bakar. Pertama oksigen tersebut tergabung dengan hidrogen dan menjadi air (H2O)” (Larmine, 2003: 10). Oksigen melepaskan muatan negatifnya berupa dua elektron pada elektroda bahan bakar. Bilamana elektron udara pada tiap atom oksigen melepaskan dua elektron, elektron bahan bakar menerima dua elektron. Dengan demikian elektron ini berpindah dari elektroda udara ke elektroda bahan bakar, 6
dan terjadi arus elektron yang merupakan energi listrik arus searah. Listrik arus searah ini dibawa ke sebuah inverter untuk diubah menjadi arus bolak-balik dan dihubungkan pada jaringan. “Suatu kekhususan pada sel bahan bakar adalah bahwa tidak terdapat bagian-bagian mekanis yang bergerak. Dengan demikian pada perubahan energi ini terdapat potensial untuk mempunyai efisiensi tinggi. Keuntungan lainnya adalah bahwa polusi terhadap lingkungan sangat rendah. Selain itu bahwa ukuran sebuah sel bahan bakar dibanding dengan pusat-pusat
listrik lainnya relatif sangat kecil” (Apriyani, 2013: 14). Ramadoni Syahputra, S.T.,M.T.
Pada contoh di atas dipergunakan elektrolit asam, dimana ion pengantar merupakan H+. Dalam hal ini reaksi-reaksi elektroda adalah:
7
Namun, jika yang dipergunakan adalah elektrolit alkalin, misalnya hidroksida potasium, ion penghantar merupakan OH– maka reaksi-reaksi elektroda adalah:
3.2 Analisis “Beberapa jenis Fuel Cell mempergunakan elektrolit berupa bahan padat yang pada dasarnya merupakan suatu membran penukar ion. Membran demikian harus fleksibel, memiliki kekuatan mekanikal yang besar, stabil secara kimiawi, serta tahan terhadap berbagai jenis gas yang agresif. Sekalipun membran itu tembus ion, ia memiliki tahanan listrik yang tinggi, walaupun tebalnya hanya kirakira 3 mm .Pada saat diberi beban, tegangan akan jatuh karena terjadi polarisasi kimiawi, sehingga tegangan tanpa beban yang sebenarnya adalah di bawah nilai V0. Jika ditingkatkan maka terjadi jatuh tegangan disebabkan kerugian tahanan intern. Pada beban yang agak tinggi terjadi tambahan tegangan jatuh karena terjadi
proses
polarisasi
konsentrasi
pada
elektrolit”
(Liphman,
www.eere.energy.com, diakses tanggal 8 December 2014, pukul 06.37 WIB). 3.3 Keunggulan dan kelemahan Fuel Cell Keunggulan sebuah sistem Fuel cell yaitu hanya akan mengeluarkan uap air apabila memakai hidrogen murni. Tetapi ketika memakai hidrogen hasil dari reforming hidrokarbon/fosil maka harus dilakukan uji emisi untuk menentukan apakah sistem tersebut masih dapat dikategorikan zero emission. “fuel cell tidak menggunakan proses pembakaran dalam konversi energi, maka efisiensinya tidak dibatasi oleh batas maksimum temperatur operasional (tidak dibatasi oleh efisiensi siklus Carnot). Hasilnya, efisiensi konversi energi pada fuel cell melalui reaksi elektrokimia lebih tinggi dibandingkan efisiensi konversi energi pada mesin kalor (konvensional)
yang
melalui
reaksi
pembakaran”
(Priyanto,
www.alpensteel.com/article/120-109-energi-fuel-cell--sel-bahan-bakar/2623--
8
pengenalan-tentang-fuel-cell, diakses tanggal 10 Desember 2014, pukul 13.24 WIB).
“Namun, Hidrogen sulit untuk diproduksi dan disimpan. Saat ini proses produksi hidrogen masih sangat mahal dan membutuhkan input energi yang besar (artinya: efisiensi produksi hidrogen masih rendah). Fuel cell juga membutuhkan hidrogen murni, bebas dari kontaminasi zat-asing. Zat-asing yang meliputi sulfur, campuran senyawa karbon, dll dapat menonaktifkan katalisator dalam fuel cell dan secara efektif akan menghancurkannya. katalisator Fuel Cell yang berupa Platinum untuk membantu reaksi pembangkitan listrik merupakan logam yang jarang ditemui dan sangat mahal. Selama beroperasi, sistem fuel cell menghasilkan panas yang dapat berguna untuk mencegah pembekuan pada temperatur normal lingkungan. Tetapi jika temperatur lingkungan terlampau sangat dingin (-10 s/d -20 C) maka air murni yang dihasilkan akan membeku di dalam fuel cell dan kondisi ini akan dapat merusak membranfuel cell” (Keenan, 2004: 36)
BAB IV PENUTUP
9
4.1 Kesimpulan Fuel Cell merupakan teknologi yang ramah lingkungan karena tidak menimbulkan pencemaran udara, sedangkan bahan bakar hidrogen cukup aman dalam penggunaannya. Dapat disimpulkan bahwa kombinasi bahan bakar hidrogen dan Fuel Cell merupakan harapan yang besar untuk penyediaan energi listrik di waktu yang akan datang. Dimana kebutuhan akan energi listrik yang pastinya akan terus bertambah seiring bertambahnya populasi manusia serta kemajuan dibidang teknologi. 4.2 Saran Sudah seharusnya teknologi-teknologi yang dapat menghasilkan sumber energi terbarukan bagi manusia dapat terus dikembangkan. Hal ini untuk membantu mengurangi krisis akan energi bagi manusia, perlunya penelitianpenelitian serta dukungan dari semua pihak agar teknologi seperti ini dapat dimanfaatkan dengan baik.
DAFTAR PUSTAKA Anonim, http://pengertianx.blogspot.com,
diakses tanggal 20 Nopember
2014, pukul 08.24 WIB. Barbir Richard, (2012). Fuel Cells: Theory and Practice, San Diego: Academic Press. Dwiliani Apriyani, (2010). Biolistrik dari Limbah Cair dengan Metode Fuel Cell Satu Bejana, Bogor: Program Studi Teknologi Hasil Perairan dan Ilmu Kelautan Institut Pertanian.
10
Haraldson Christina, (2005). On Direct Hydrogen Fuel Cell Vehicles Modelling and Demonstration,
Swedia: KTH Department of
Chemical Engineering and Technology Energy Processes, Royal Institute of Technology. http://gitadesmafianti.blogspot.com/2013/03/pengertian-hidrogen_4023.html, diakses pada tanggal 18 Desember 2014, pukul 10.45 WIB. http://pengertianx.blogspot.com, diakses tanggal 20 Nopember 2014, pukul 08.24 WIB). James Larmine, (2003). Fuel Cell System Explained, New York: Universal Publishers. J.H. Hirschenhofer, (2009). Fuel Cell Handbook, USA: United State Dept. of Energy.
Keenan, G., (2006). Validation of an Integrated Hydrogen Energy Station, Arlington: Published by The Association of Official Analytical of Chemical, Inc. Liphman, www.eere.energy.com, diakses tanggal 8 December 2014, pukul 06.37 WIB. Prasetyo Hernawan T, (2009). Efektivitas metode pembelajaran direct instruction yang disertai dengan media computer terhadap prestasi belajar siswa pada meteri reaksi redoks, Surakarta: Program Studi Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas
Sebelas
Maret
Surakarta. Priyanto,
http://alpensteel.com/article/120-109-energi-fuel-cell--sel-bahan-
bakar/.html, diakses tanggal 10 Desember 2014, pukul 13.24 WIB
11
12
