UNIVERSITY OF INDONESIA

TUGAS 2: HW 1 HW 46 Oktober 2015

Prof. Dr. Ing. Ir. Misri Gozan, M. Tech.Prof. Dr. Ir. Widodo W. Purwanto, DEA

ENERGI BERKELANJUTAN

HW 1 Fossil Energy

HW 2 Global Climate Changer

HW 3 Conversion, Distribution, and Storage

HW 4 Energy Sustainability

Disusun Oleh:Kameliya Hani MillatiTeknik Kimia1206202034

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIAFAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS INDONESIADEPOK

20151. FOSSIL ENERGY1.1. Geopolitical Aspect of Fossil Energy Condition (Oil and Gas)Geopolitik merupakan hubungan antara politik dan wilayah baik skala nasional ataupun skala internasional. Geopolitik mencakup praktik analisis, prasayarat, perkiraan, dan pemakaian kekuatan politik pada suatu wilayah. Setiap wilayah memiliki cadangan energi fosil yang berbeda, ada negara yang memiliki cadangan energi fosil dalam jumlah besar dan ada negara yang hampir tidak memiliki cadangan energi fosil sama sekali. Berdasarkan IEA, 10 negara dengan cadangan energi fosil terbesar adalah Arab Saudi, Venezuela, Kanada, Iran, Iraq, Kuwait, United Arab Emirates, Rusia, Libia, dan Nigeria. Negara dengan cadangan energi fosil berlebih disebut sending end. Negara sending end yang bergantung pada penjualan bahan bakar fosil ke negara lain untuk menunjang ekonomi negara disebut eksportir minyak. Sedangkan negara industri yang sangat bergantung pada bahan bakar fosil impor untuk menunjang ekonomi negara disebut receiving end. Setiap negara akan melakukan berbagai cara untuk mengamankan pasokan energi dan ekonominya, mulai dari melakukan kesepakaan, kerjasam ekonomi, bahkan sampai invasi secara langsung. Dari sinilah terjadi simbiosis kegiatan politik antar negara dalam sektor energi fosil.(Sumber: Tester, J. W. et al. 2012. Sustainable Energy Choosing Among Options 2nd Edition. London: The MIT Press)

1.2. The Trends of Indonesias Fossil Production Related to Current Fossil Demand Gambar 1.1 Produksi dan Konsumsi di Indonesia: Minyak (kiri) dan Batubara (kanan) (Sumber: EIA, 2014)

Gambar 1.1 Produksi dan Konsumsi di Indonesia: Gas Alam (Sumber: EIA, 2014)Berdasarkan Gambar 1.1 dapat diketahui beberapa hal sebagai berikut.a) Minyak. Indonesia mulai mengalami penurunan produksi minyak mentah sejak tahun 2000. Hal ini disebabkan karena peningkatan permintaan yang tidak diimbangi dengan pengembangan lapangan baru. Sejak tahun 2004, konsumsi minyak sudah melebihi produksi domestik dan jika selisih antara permintaan dan produsi terus bertambah maka harus dipenuhi dengan impor.b) Batubara. Indonesia merupakan penyuplai utama batu bara di pasar Asia, dimana 75% produksi batu bara diekspor dan sisanya dikonsumsi negara. Diperkirakan hal ini akan berlangsung hingga 2030. c) Gas. Indonesia masih menjadi negara pengekspor gas dan merupakan negara pemilik cadangan gas alam urutan ke-13 di dunia. Gas alam yang diekspor adalah LNG dan gas pipa. Sejak tahun 2005, permintaan domestik meningkat dua kali lipat tetapi hal ini masih sanggup dipenuhi oleh produksi domestik.(Sumber: EIA, 2014. Indonesia International Energy Data and Analysis)1.3. The Most Significant Environmental Impact Associated with The Most Widely Used Fossil Energy in IndonesiaDampak lingkungan paling signifikan dari penggunaan bahan bakar fosil adalah terjadinya pemanasan global (global warming). Pemanasan global ini terjadi sebagai akibat dari peristiwa efek rumah kaca (greenhouse effect). Peristiwa efek rumah kaca terjadi sebagai akibat dari produksi gas rumah kaca hasil pembakaran bahan bakar fosil. Pemanasan global mengakibatkan terjadinya perubahan iklim. Perubahan iklim secara ekstrim mengakibatkan terjadinya ketidakseimbangan alam seperti terjadinya perubahan pola hujan dan salju, peningkatan permukaan air laut, bahkan sampai pencairan lempengan es di kutub.(Sumber: IPCC, 2014. Impaacts, Adaptation, and Vulnerability)

1.4. The Main Causes and Consequences of Low Oil Prices1.4.1. Causes of Low Oil PricesBeberapa faktor penyebab dari turunnya harga minyak dijelaskan sebagai berikut:a) Supply dan DemandDalam skala global, demand minyak dunia menurun karena melambatnya pertumbuhan pada pasar berkembang. Di sisi lain, supply minyak dunia meningkat karena pesatnya berkembangan eksplorasi dan produksi minyak seperti shale oil dan oil sands.b) Perubahan Kebijakan OPECPada November 2014, OPEC menyatakan bahwa negara-negara OPEC akan menstabilkan produksi pada 30 juta barel/hari. Hal ini mengakibatkan negara yang memproduksi minyak nonkonvensional dapat berperan menjadi swing producer. Padahal selama ini OPEC berperan sebagai swing producer untuk mencapai target harga 100-110 USD/bbl sesuai dengan kebijakan price targeting.c) Perkembangan GeopolitikProduksi minyak di negara Timur Tengah dan Eropa Timur yang sedang mengalami konflik malah meningkat.d) Apresiasi Nilai Dolar ASPada juni 2014 sampai Januari 2015 terjadi apresiasi nilai tukar Dolar AS sebesar 10%. Hal ini mengakibatkan penurunan permintaan di negara yang memiliki mata uang lokal dan kenaikan penawaran dari negara produsen non-Dolar AS.e) Inventori Minyak Mentah Negara OECDPada Januari 2014 sampai September 2014, inventori minyak mentah negara OECD (Organization for Economic Cooperation and Development) meningkat sebesar 6%. Hal ini diakibatkan oleh kondisi pasar yang surplus. Kondisi pasat yang surplus dapat mengakibatkan penurunan harga minyak.(Sumber: Baffes, J. et al. 2015. The Great Plunge in Oil Prices: Causes, Consequences, and Policy Responses. World Bank Group)

1.4.2. Consequences of Low Oil PricesBeberapa dampak dari turunnya harga minyak dijelaskan sebagai berikut:a) Pertumbuhan Ekonomi dan InflasiDampak dari turunnnya harga minyak pada pertumbuhan ekonomi dan inflasi dapat terjadi secara langsung (harga dan kegiatan ekspor-impor) dan tidak langsung (perdangangan dan pasar komoditas, kebijakan fiskal dan moneter, dan ketidakpastian investasi). Pada kegiatan ekspor-impor, turunnya harga minyak menyebabkan penurunan inflasi janga menengah bagi negara pengimpor minyak dan menyebabkan penyesuaian nilai mata uang, harga kredir, dan kebijakan fiscal bagi negara pengekspor minyak. b) Investasi dan Konsumsi BarangTurunnya harga minyak juga dapat menyebabkan turunnya investasi dan konsumsi durable goods. Untuk industri yang energy-intensive, hal ini menyebabkan margin keuntungan lebih besar.(Sumber: Baffes, J. et al. 2015. The Great Plunge in Oil Prices: Causes, Consequences, and Policy Responses. World Bank Group)11

Universitas Indonesia2. GLOBAL CLIMATE CHANGE2.1. GWP and Kaya Equation2.1.1. GWPGreenhouse Gas (GHG) memanaskan bumi dengan cara menyerap energi dan memperlambat laju pelepasan energi tersebut ke ruang angasa. Setiap GHG memiliki dampak yang berbeda terhadap pemanasan global. Cara membedakan suatu GHG dengan GHG lainnya adalah dari kemampuannya menyerap energi (efisiensi radiatif) dan dari lama GHG tersebut berada di atmosfer (lifetime). Oleh karena itu, dikembangkan Greenhouse Potential (GWP) untuk membandingkan dampak global warming dari suatu GHG. GWP menghitung berapa jumlah energi emisi dari 1 ton gas yang akan diserap oleh suatu GHG untuk suatu periode waktu tertentu relatif terhadap emisi 1 ton karbon dioksida (CO2). Semakin besar nilai GWP, maka semakin besar dampak panas yang diberikan oleh GHG tersebut dibandingkan dengan CO2 untuk suatu periode waktu tertentu. Periode waktu perhitungan yang digunakan biasanya 100 tahun. GWP dari GHG utama (CO2, CH4, N2O, dan gas terfluorinasi) dijelaskan sebagai berikut.a) CO2Sesuai dengan definisi GWP, CO2 memiliki nilai GWP 1 terlepas dari periode waktu yang digunakan karena CO2 merupakan gas yang digunakan sebagai referensi. CO2 berada dalam sistem iklim dalam waktu yang sangat lama. Emisi CO2 menyebabkan peningkatan konsentrasi CO2 di atmosfer yang akan berlangsung selama ribuan tahun.b) Metana (CH4)Metana (CH4) diperkirakan memiliki GWP 28-36 untuk periode waktu 100 tahun, artinya CH4 yang dipancarkan hari ini akan berada di atmosfer selama 100 tahun (rata-rata). Nilai ini lebih kecil dibandingkan CO2, tetapi CH4 menyerap energi lebih banyak daripada CO2. Nilai GWP CO2 sudah memperhitungkan penyerapan energi oleh CH4 dan efek tidak langsung dari CH4 seperti metana sebagai precursor ozon (ozon merupakan GHG).c) Nitrogen dioksida (N2O)Nitrogen dioksida (N2O) diperkirakan memiliki GWP 265-298 untuk periode waktu 100 tahun, artinya N2O artinya yang dipancarkan hari ini akan berada di atmosfer selama 100 tahun (rata-rata).d) Gas Terfluorinasi (CFC, HFCs, HCFCs, PFCs, dan SF6)Gas terfluorinasi diperkirakan memiliki GWP 1.000-10.000 dan memerangkap panas lebih besar dibandingkan CO2 sehingga gas terfluorinasi disebut juga high-GWP gas.Nilai GWP dari suatu GHG dapat berubah-ubah seiring waktu. EPA dan organisasi lainnya terus memperbarui nilai GWP berdasarkan estimasi scientific dari penyerapan energi, lifetime GHG, atau perubahan konsentrasi GHG di atmosfer. Selain periode waktu 100 tahun, GWP juga dapat dihitung untuk periode waktu lainnya seperti 20 tahun dengan konsep perhitungan yang sama yaitu berdasarkan jumlah energi yang diserap oleh GHG selama 20 tahun.(Sumber: EPA, 2015. Understanding Global Warming Potentials) 2.1.2. Kaya EquationBeberapa faktor pendorong dari masa lalu dan masa depan dari antropologi emisi GHG adalah demografi, ekonomi, sumber daya, teknologi, dan peraturan non-iklim. Pendekatan yang paling sering digunakan untuk menentukan hubungan antara demografi dan ekonomi terhadap sumber daya dan emisi dikenal sebagai identitas IPAT atau persamaan IPAT (Persamaan 2.1) 2.1

Persamaan 2.1 menyatakan bahwaa dampak lingkungan (misalnya emisi) merupakan hasil dari tingkat populasi dikalikan dengan kemakmuran (pendapatan per kapita, misalnya Gross Domestic Product atau GDP dibagi dengan populasi) dikalikan dengan tingkat teknologi (emisi per unit pendapatan). Persamaan IPAT sudah sering digunakan dalam diskusi analisis energi terhadap emisi CO2 (Ogawa, 1991; Parikh et al, 1991; Nakicenovic et al, 1993; Parikh, 1994; Alcamo et al, 1995; Gaffin and ONell, 1997; Grer and Ban, 1997; ONell et al, 2000) dan sering disebut sebagai persamaan Kaya (Persamaan 2.2).2.2

Persamaan Kaya dikembangkan oleh ekonom asal Jepang bernama Yoichi Kaya dalam bukunya yang berjudul Environment, Energy, and Economy: Strategies for Sustainability dikarang bersama Keiichi Yokobori sebagai hasil dari Conference on Global Environment, Energy, and Economic Development pada tahun 1993 di Tokyo. Persamaan ini menghubungkan faktor-faktor penentu besarnya dampak yang diberikan oleh manusia terhadap perubahan iklim dalam bentuk emisi GHG berupa CO2. Persamaan ini memegang peran penting dalam perkembangan skenario emisi masa depan pada IPCC Special Report on Emissions Scenarios. Persamaan Kaya dapat diuraikan menjadi subkomponen yang lebih detail. Sebagai contoh, komponen energi dapat diuraikan menjadi fossil and non-fossil, komponen emisis dapat diuraikan menjadi emisi karbon per unit energi fosil, dan lain sebagainya. Hasil dari penggunaan persamaan Kaya dapat dilihat pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Historical Trends in Energy-Related CO2 Emissions in The World(Sumber: Grer and Ban, 1997)(Sumber: IPCC, 2014. Emissions Scenarios)

2.2. Greenhouse Gas Concept and The Importance of GreenhouseIlustrasi dari konsep greenhouse gas dapat dilihat pada Gambar 2.2 dengan penjelasan sebagai berikut. Cahaya matahari (energi) menyinari bumi. Cahaya matahari yang sampai ke bumi, diserap oleh tanah dan air (sisanya yang tidak terserap, akan direfleksikan kembali ke atmosfer). Penyerapan cahaya matahari ini membuat permukaan bumi menjadi hangat dan mengeluarkan energi dalam bentuk yang berbeda yaitu radiasi inframerah. Energi ini kemudian dilepaskan kembali ke luar atmosfer bumi. Sebelum keluar dari atmosfer bumi, GHG akan memerangkap sejumlah energi ini di atmosfer sehingga membuat bumi menjadi lebih hangat. Dengan demikian, GHG penting keberadaannya untuk menghangatkan bumi. Tanpa GHG, bumi akan menjadi terlalu dingin untuk tumbuhan dan hewan.

Gambar 2.2 Greenhouse Gas Concept(Sumber: EPA, 2015. Greenhouse Gas Effect)Namun demikian, manusia menambah jumlah GHG di atmosfer. Setiap manusia mengendarai mobil, menggunakan listrik, atau membuat produk di pabrik, maka manusia membutuhkan energi. Sebagian besar energi ini berasal dari pembakaran bahan bakar fosil seperti minyak, gas, dan batubara yang menghasilkan CO2. GHG tambahan ini akan meningkatkan jumlah panas yang terperangkap dalam atmosfer bumi sehingga membuat seluruh planet bumi menjadi lebih hangat. Peningkatan suhu bumi dapat menyebabkan perubahan pola hujan dan salju, peningkatan permukaan air laut, pencairan glasier dan lempengan es, dan lain sebagainya. Hal ini dapat menyebabkan kekacauan keseimbangan alam di bumi. Peristiwa meningkatnya suhu bumi ini disebut global waming.(Sumber: EPA, 2015. Greenhouse Gas Effect)

2.3. Greenhouse Gas Come From and GoGHG berasal dari seluruh aktivitas manusia setiap hari seperti menggunakan listrik, memanaskan rumah, mengendarai mobil, dan lain sebagainya. GHG dari aktivitas manusia dilepaskan ke udara dan akan tetap berada di atmosfer bumi untuk waktu yang cukup lama. Setiap GHG memiliki lifetime yang berbeda-beda, dari beberapa tahun sampai ribuan tahun. GHG dalam atmosfer tidak hanya berdiam di suatu tempat, melainkan bergerak bersama udara ke seluruh dunia sehingga tercampur secara global. Maksudnya adalah konsentrasi GHG akan menunjukkan nilai yang sama walaupun diukur di negara yang berbeda, walaupun beberapa negara menghasilkan GHG lebih banyak dibandingkan negara lainnya. Sebagai contoh data sumber GHG di US dari aktivitas manusia berdasarkan sektor ekonomi dapat dilihat pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3 Source of U.S. Greenhouse Gas Emission(Sumber: EPA, 2014. EPAS Inventory of U.S. Greenhouse Gas Emission and Sinks)Berdasarkan Gambar 2.3, sumber utama GHG dari aktivitas manusia dapat dijelaskan sebagai berikut.a) Listrik. GHG pada sektor listrik berasal dari pembakaran bahan bakar fosil.b) Transportasi. GHG pada sektor transportasi berasal dari bahan bakar kendaraan seperti mobil, truk, kapal, kereta, dan pesawat. Lebih dari 90% bahan bakar untuk transportasi adalah gasoline dan diesel.c) Industri. GHG pada sektor industri berasal dari pembakaran bahan bakar fosil untuk energi, dari reaksi kimia tertentu untuk menghasilkan produk dari bahan mentah, dan lain sebagainya.d) Komersial dan Perumahan. GHG pada sektor komersial (bisnis) dan perumahan berasal dari pemabakaran bahan bakar fosil untuk proses pemanasan, dari penggunaan produk tertentu yang mengandung GHG seperti penggunaan Freon pada pendingin ruangan, dan dari penanganan limbah. e) Pertanian. GHG dari sektor pertanian berasal dari peternakan seperti sapi, dari lahan pertanian, dan dari kegiatan produksi seperti produksi padi. f) Penggunaan Lahan dan Hutan. Lahan atau tanah dapat bertindak sebagai sink (menyerap CO2 dari atmosfer) atau sebagai sumber emisi GHG.(Sumber: EPA, 2015. Sources of Greenhouse Gas Emissions)

3. CONVERSION, DISTRIBUTION, AND STORAGE3.1. Type of Electricity Storage and Thermal Storage

3.1.1. Electricity StorageTerdapat tiga mekanisme penyimpanan energi listrik yaitu elektrokimia, elektrostatik dan elektromagnetik. Penjelasan dari salah satu contoh teknologi dari ketiga mekanisme tersebut adalah sebagai berikut.a. Elektrokimia: Baterai

Gambar 3.1 Skema Sel Elektrokimia Pada Baterai(Sumber: ncsu.edu, 2014)Pada baterai, energi listrik disimpan dalam sel elektrokimia (elektroda: anoda dan katoda) sebagai tempat terjadinya aliran elektron ke elektroda sehingga terjadi reaksi reduksi-oksidasi (redoks). Elektroda merupakan zat kimia (dapat berupa plat) yang memiliki perbedaan potensial antara anoda dan katoda. Anoda dan katoda dihubungkan oleh larutan elektrolit sebagai media konduktif secara ionik. Pada larutan elektrolit terjadi reaksi kimia melalui transfer elektron pada permukaan elektroda dengan larutan elektrolit. Reaksi yang terjadi adalah reaksi oksidasi pada anoda (menghasilkan elektron) dan reaksi reduksi pada katoda (membutuhkan elektron). Intensitas dari driving force reaksi dinyatakan dalam voltase dan laju dimana reaksi dapat berlangsung disebut dengan arus. Reaksi kimia yang terjadi menghasilkan arus DC, sehingga dibutuhkan suatu converter untuk mengkonversi arus DC menjadi arus AC. b. Elektrostatik: Superkapasitor

Gambar 3.2 Skema Aliran Listrik dengan Kapasitor(Sumber: HowStuffWorks, 2007)Kapasitor menyimpan energi listrik dalam bentuk muatan elektrostatik. Pada kapasitor, terminal terhubung ke dua plat konduktif yang dipisahkan oleh medium dielektrik (non-konduktor). Medium dielektrik menentukan jenis dan penggunaan suatu kapasitor. Recovery dari energi yang tersimpan diperoleh dengan menghubungkan plat ke sebuah beban (load). Suatu kapasitor dapat melakukan charge dan discharge dengan sangat cepat (hitungan detik) dan memiliki densitas daya yang sangat besar. Kelemahan dari kapasitor generasi awal adalah nilai densitas energi spesifik yang sangat rendah yaitu 95%. Untuk mencapai kondisi superkonduktif dibutuhkan beberapa tingkat pendinginan kriogenik. Energi yang dapat disimpan oleh SMES cukup besar yaitu 1500 MWeh dan dapat digunakan untuk laju yang sangat tinggi yaitu 10-1000 MWe. Salah satu kekurangan dari unit SMES adalah ukurannya yang cukup besar sehingga biaya modal yang dibutuhkan besar. Oleh karena itu, selanjtunya dikembangkan unit micro-SMES yang dapat digunakan untuk aplikasi energi sebesar 1 - 30 MWe.Beradasarkan Gambar 3.3, prinsip kerja SMES dijelaskan sebagai berikut. Medan magnet dihasilkan oleh aliran DC melalui koil superkonduktor, didinginkan secara kriogenik. Charged superconducting coil dicharge dan didischarge melalui sistem pengkondisian daya berupa padatan. Proses konversi tidak membutuhkan media penggerak, walaupun proses charging dan discharging dibatasi oleh sistem konversi daya.

3.1.2. Thermal StorageBerdasarkan prinsip penyimpanannya, penyimpanan panas dapat dibedakan menjadi:a) Penyimpanan energi panas sensibel. Prinsipnya adalah memberikan energi panas kepada media penyimpan sehingga suhunya naik dan suatu saat dapat diambil kembali energinya. Kapasitas panas yang dapat disimpan dari media penyimpan panas ini adalah 100 MJ/m2. Contohnya adalah tangki air atau penyimpanan bawah tanah.b) Penyimpanan energi panas laten. Prinsipnya adalah menggunakan material yang berubah fasa jika diberikan panas dan panas tersebut dapat diambil dengan merubah fasa material tersebut kembali seperti semula. Kapasitas panas yang dapat disimpan dari media penyimpan panas ini adalah 300-500 MJ/m2.c) Penyimpanan dengan reaksi termokimia. Prinispnya adalah reaksi adsorbsi, absorpsi dan reaksi kimia lainnya. Kapasitas panas yang dapat disimpan dari media penyimpan panas ini adalah 1000 MJ/m2.

3.2. Basic Principle of Storage Weight/Capacity CalculationPrinsip dasar untuk menghitung kapasitas penyimpanan adalah dengan mengetahui sifat kapasitas material (seperti kapasitas pans dan kapasitas listrik) sehingga dapat diketahui kapasitas penyimpanannya persatuan volume (J/m3). Selain itu, dengan mengetahui sifat termodinamika dan sifat kimia material sehingga dapat diketahui berapa jumlah panas atau listrik yang akan dihasilkan jika material tersebut dipanaskan atau direaksikan.

3.3. The High Value of Electricity Transmission LossesTerdapat 2 jenis sistem transmisi yaitu AC dan DC. Pada praktiknya sistem AC lebih sering digunakan untuk berbagai aplikasi. Untuk transmis listrik, banyaknya daya (power) yang dapat ditransportasikan berbanding lurus dengan tegangan (voltage) yang digunakansesuai dengan Hukum Ohm (V = IR) pada Persamaan 3.1.(3.1)

Persamaan 3.1 belum mempertimbangkan efek induktansi dan kapasitansi secara eksplisit, artinya tegangan yang ebih tinggi dan tahanan yang lebih rendah akan menghasilkan kapasitas daya yang lebih besar dengan loss yang lebih rendah. Rata-rata kehilangan (loss) energi listrik yang terjadi pada proses transmisi dan distribusi adalah 11% dari total energi listrik yang dikirim. Kehilangan energi listrik tersebut dapat disebabkan oleh hal-hal berikut : Corona discharge. Pemanasan resistif (Ohmic) dalam kabel. Kehilangan energi secara irreversibel dalam peralatan penyesuai daya.Kehilangan energi pada transmisi pada umumnya meningkat seiring dengan menurunnya besar tegangan listrik yang ditransmisikan. Sebagai contoh, sistem aliran AC tegangan tinggi >500 kV menyebabkan kehilangan energi listrik sebesar 3-5% untuk setiap jarak 1000 mil, sementara sistem aliran AC