Pemanfaatan Energi Nuklir

Masalah energi merupakan salah satu isu penting yang sedang hangat dibicarakan. Semakin berkurangnya sumber energi, penemuan sumber energi baru, pengembangan energi-energi alternatif, dan dampak penggunaan energi minyak bumi terhadap lingkungan hidup menjadi tema-tema yang menarik dan banyak didiskusikan. Pemanasan global yang diyakini sedang terjadi dan akan memasuki tahap yang mengkhawatirkan disebut-sebut juga merupakan dampak penggunaan energi minyak bumi yang merupakan sumber energi utama saat ini.

Dampak lingkungan dan semakin berkurangnya sumber energi minyak bumi memaksa kita untuk mencari dan mengembangkan sumber energi baru. Salah satu alternatif sumber energi baru yang potensial datang dari energi nuklir. Meski dampak dan bahaya yang ditimbulkan amat besar, tidak dapat dipungkiri bahwa energi nuklir adalah salah satu alternatif sumber energi yang layak diperhitungkan.

Isu energi nuklir yang berkembang saat ini memang berkisar tentang penggunaan energi nuklir dalam bentuk bom nuklir dan bayangan buruk tentang musibah hancurnya reaktor nuklir di Chernobyl. Isu-isu ini telah membentuk bayangan buruk dan menakutkan tentang nuklir dan pengembangannya. Padahal, pemanfaatan yang bijaksana, bertanggung jawab, dan terkendali atas energi nuklir dapat meningkatkan taraf hidup sekaligus memberikan solusi atas masalah kelangkaan energi.

Fisi Nuklir

Secara umum, energi nuklir dapat dihasilkan melalui dua macam mekanisme, yaitu pembelahan inti atau reaksi fisi dan penggabungan beberapa inti melalui reaksi fusi. Di sini akan dibahas salah satu mekanisme produksi energi nuklir, yaitu reaksi fisi nuklir.

Sebuah inti berat yang ditumbuk oleh partikel (misalnya neutron) dapat membelah menjadi dua inti yang lebih ringan dan beberapa partikel lain. Mekanisme semacam ini disebut pembelahan inti atau fisi nuklir. Contoh reaksi fisi adalah uranium yang ditumbuk (atau menyerap) neutron lambat.

Reaksi fisi uranium seperti di atas menghasilkan neutron selain dua buah inti atom yang lebih ringan. Neutron ini dapat menumbuk (diserap) kembali oleh inti uranium untuk membentuk reaksi fisi berikutnya. Mekanisme ini terus terjadi dalam waktu yang sangat cepat membentuk reaksi berantai tak terkendali. Akibatnya, terjadi pelepasan energi yang besar dalam waktu singkat. Mekanisme ini yang terjadi di dalam bom nuklir yang menghasilkan ledakan yang dahsyat. Jadi, reaksi fisi dapat membentuk reaksi berantai tak terkendali yang memiliki potensi daya ledak yang dahsyat dan dapat dibuat dalam bentuk bom nuklir.

reaksi fisi berantai (sumber: www.scienceclarified.com)

Dibandingkan dibentuk dalam bentuk bom nuklir, pelepasan energi yang dihasilkan melalui reaksi fisi dapat dimanfaatkan untuk hal-hal yang lebih berguna. Untuk itu, reaksi berantai yang terjadi dalam reaksi fisi harus dibuat lebih terkendali. Usaha ini bisa dilakukan di dalam sebuah reaktor nuklir. Reaksi berantai terkendali dapat diusahakan berlangsung di dalam reaktor yang terjamin keamanannya dan energi yang dihasilkan dapat dimanfaatkan untuk keperluan yang lebih berguna, misalnya untuk penelitian dan untuk membangkitkan listrik.

reaksi fisi berantai terkendali (sumber: www.atomicarchive.com)

Di dalam reaksi fisi yang terkendali, jumlah neutron dibatasi sehingga hanya satu neutron saja yang akan diserap untuk pembelahan inti berikutnya. Dengan mekanisme ini, diperoleh reaksi berantai terkendali yang energi yang dihasilkannya dapat dimanfaatkan untuk keperluan yang berguna.

Reaktor Nuklir

Energi yang dihasilkan dalam reaksi fisi nuklir dapat dimanfaatkan untuk keperluan yang berguna. Untuk itu, reaksi fisi harus berlangsung secara terkendali di dalam sebuah reaktor nuklir. Sebuah reaktor nuklir paling tidak memiliki empat komponen dasar, yaitu elemen bahan bakar, moderator neutron, batang kendali, dan perisai beton.

skema reaktor nuklir (sumber: http://personales.alc.upv.es)

Elemen bahan bakar menyediakan sumber inti atom yang akan mengalami fusi nuklir. Bahan yang biasa digunakan sebagai bahan bakar adalah uranium U. elemen bahan bakar dapat berbentuk batang yang ditempatkan di dalam teras reaktor.

Neutron-neutron yang dihasilkan dalam fisi uranium berada dalam kelajuan yang cukup tinggi. Adapun, neutron yang memungkinkan terjadinya fisi nuklir adalah neutron lambat sehingga diperlukan material yang dapat memperlambat kelajuan neutron ini. Fungsi ini dijalankan oleh moderator neutron yang umumnya berupa air. Jadi, di dalam teras reaktor terdapat air sebagai moderator yang berfungsi memperlambat kelajuan neutron karena neutron akan kehilangan sebagian energinya saat bertumbukan dengan molekul-molekul air.

Fungsi pengendalian jumlah neutron yang dapat menghasilkan fisi nuklir dalam reaksi berantai dilakukan oleh batang-batang kendali. Agar reaksi berantai yang terjadi terkendali dimana hanya satu neutron saja yang diserap untuk memicu fisi nuklir berikutnya, digunakan bahan yang dapat menyerap neutron-neutron di dalam teras reaktor. Bahan seperti boron atau kadmium sering digunakan sebagai batang kendali karena efektif dalam menyerap neutron.

Batang kendali didesain sedemikian rupa agar secara otomatis dapat keluar-masuk teras reaktor. Jika jumlah neutron di dalam teras reaktor melebihi jumlah yang diizinkan (kondisi kritis), maka batang kendali dimasukkan ke dalam teras reaktor untuk menyerap sebagian neutron agar tercapai kondisi kritis. Batang kendali akan dikeluarkan dari teras reaktor jika jumlah neutron di bawah kondisi kritis (kekurangan neutron), untuk mengembalikan kondisi ke kondisi kritis yang diizinkan.

Radiasi yang dihasilkan dalam proses pembelahan inti atom atau fisi nuklir dapat membahayakan lingkungan di sekitar reaktor. Diperlukan sebuah pelindung di sekeliling reaktor nuklir agar radiasi dari zat radioaktif di dalam reaktor tidak menyebar ke lingkungan di sekitar reaktor. Fungsi ini dilakukan oleh perisai beton yang dibuat mengelilingi teras reaktor. Beton diketahui sangat efektif menyerap sinar hasil radiasi zat radioaktif sehingga digunakan sebagai bahan perisai.

Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir

Energi yang dihasilkan dari reaksi fisi nuklir terkendali di dalam reaktor nuklir dapat dimanfaatkan untuk membangkitkan listrik. Instalasi pembangkitan energi listrik semacam ini dikenal sebagai pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN).

skema pembangkit listrik tenaga nuklir (sumber: http://reactor.engr.wisc.edu)

Salah satu bentuk reaktor nuklir adalah reaktor air bertekanan (pressurized water reactor/PWR) yang skemanya ditunjukkan dalam gambar. Energi yang dihasilkan di dalam reaktor nuklir berupa kalor atau panas yang dihasilkan oleh batang-batang bahan bakar. Kalor atau panas dialirkan keluar dari teras reaktor bersama air menuju alat penukar panas (heat exchanger). Di sini uap panas dipisahkan dari air dan dialirkan menuju turbin untuk menggerakkan turbin menghasilkan listrik, sedangkan air didinginkan dan dipompa kembali menuju reaktor. Uap air dingin yang mengalir keluar setelah melewati turbin dipompa kembali ke dalam reaktor.

Untuk menjaga agar air di dalam reaktor (yang berada pada suhu 300^oC) tidak mendidih (air mendidih pada suhu 100^oC dan tekanan 1 atm), air dijaga dalam tekanan tinggi sebesar 160 atm. Tidak heran jika reaktor ini dinamakan reaktor air bertekanan.

Pemanfaatan Tenaga Angin Untuk Energi Listrik

Dalam Majalah PII Engineer Monthly edisi Agustus 2008, antara lain dibahas alasan perlunya dibangun PLTN di Indonesia, selain daripada itu dibahas selintas mengenai Tenaga Listrik Tenaga Angin (PTLTA). Makalah ini membahas secara singkat mekanisme peralatan Tenaga Listrik Tenaga Angin (PTLTA), berukuran kecil yang mungkin dapat dikembangkan di daerah-daerah pedesaan atau pulau-pulau terpencil di Indonesia yang mempunyai potensi angin yang cukup (cukup kencang dan bertiup sepanjang tahun). 

Tenaga angin telah lama dimanfaatkan di tanah air kita sejak ratusan mungkin ribuan tahun yang lalu, khususnya untuk menggerakkan kapal layar sampai sekarang, dan yang banyak kita lihat sekarang digunakan dalam tambak-tambak ikan di tepi pantai untuk menggerakkan baling-baling (atau turbin angin) untuk menjalankan memompaan air. Namun baiklah kalau kita di Indonesia mulai mempopulerkan PTLTA, khususnya ukuran kecil. PTLTA ukuran kecil adalah istilah yang biasanya diberikan kepada unit 50 KW atau lebih kecil. Tempat-tempat terpencil yang biasanya menggunakan diesel-generator dapat menggantikannya atau menambahkannya dengan PTLTA ukuran kecil ini. Salah satu contoh PTLTA ukuran kecil terlihat di gambar #1 sbb: 

   Gambar #1  

Komponen PTLTA Komponen-komponen PTLTA dari ukuran besar, pada umumnya dapat terlihat dalam gambar #2, sbb; sedangkan untuk ukuran kecil biasanya tidak semua komponen ada seperti yang terklihat dalam gambar #2  

Anemometer:  Mengukur kecepatan angin, dan mengirim data angin ini ke Alat Pengontrol.

Blades (Bilah Kipas): Kebanyakan turbin angin mempunyai 2 atau 3 bilah kipas. Angin yang menghembus menyebabkan turbin tersebut berputar.

  

Gambar#2 

Brake (Rem): Suatu rem cakram yang dapat digerakkan secara mekanis, dengan tenaga listrik atau hidrolik untuk menghentikan rotor atau saat keadaan darurat. 

Controller (Alat Pengontrol): Alat Pengontrol ini menstart turbin pada kecepatan angin kira-kira 12-25 km/jam, dan mematikannya pada kecepatan 90 km/jam. Turbin tidak beroperasi di atas 90 km/jam, karena angina terlalu kencang dapat merusakkannya.

Gear box (Roda Gigi): Roda gigi menaikkan putaran dari 30-60 rpm menjadi kira-kira 1000-1800 rpm yaitu putaran yang biasanya disyaratkan untuk memutar generator listrik.

Generator: Generator pembangkit listrik, biasanya sekarang alternator arus bolak-balik.

High-speed shaft (Poros Putaran Tinggi): Menggerakkan generator.

Low-speed shaft (Poros Puutaran Rendah): Poros turbin yang berputar kira-kira 30-60 rpm.

Nacelle (Rumah Mesin): Rumah mesin ini terletak di atas menara . Di dalamnya berisi gear-box, poros putaran tinggi / rendah, generator, alat pengontrol, dan alat pengereman.

Pitch (Sudut Bilah Kipas): Bilah kipas bisa diatur sudutnya untuk mengatur kecepatan rotor yang dikehendaki, tergantung angin terlalu rendah atau terlalu kencang.

Rotor: Bilah kipas bersama porosnya dinamakan rotor.

Tower (Menera): Menara bisa dibuat dari pipa baja, beton, rangka besi. Karena kencangnya angin bertambah dengan ketinggian, maka makin tinggi menara makin besar tenaga yang didapat.

Wind direction (Arah Angin): Gambar #2 adalah turbin yang menghadap angin, desain turbin lain ada yang mendapat hembusan angin dari belakang.

Wind vane (Tebeng Angin): Mengukur arah angin, berhubungan dengan penggerak arah yang memutar arah turbin disesuaikan dengan arah angin.

Yaw drive (Penggerak Arah): Penggerak arah memutar turbin ke arah angin untuk desain turbin yang menghadap angina. Untuk desain turbin yang mendapat hembusan angina dari belakang tak memerlukan alat ini.

Yaw motor (Motor Penggerak Arah): Motor listrik yang menggerakkan penggerak arah.  

Data kekeuatan angin Untuk keperluan perencanaan pemasangan PTLTA skala besar atau menengah, sebaiknya data kekuatan angin di suatu daerah perlu diperoleh, agar dapat mendesain ukuran PTLTA yang tepat dan ekonomis. Salah satu contoh data yang diambil di suatu tempat  (Lee Ranch, Colorado) di Amerika Serikat pada tahun 2002 adalah sebagai berikut: 

Demikianlah secara sangat singkat tulisan mengenai Pembangkit Listrik Tenaga Angin. Tulisan ini dimaksudkan hanya untuk menggugah gagasan para pembaca untuk dapat mengembangkan pembuatan PTLTA skala kecil di Indonesia, baik dengan cara membuat sendiri atau mungkin membeli dari beberapa pembuat turbin angin yang ada di dunia, untuk dipasang di daerah-daerah, di mana potensi angin memang mencukupi. 

Pemanfaatan Limbah Kotoran Ternak Menjadi Bahan Bakar Minyak

Dipedesaan tingginya harga BBM sudah mulai memberi dampak yang mengkhawatirkan. Kebanyakan masyarakat kembali pada pemanfaatan kayu sebagai sumber bahan bakar. Jika hal ini berlangsung lama, akan menimbulkan masalah baru yaitu pembabatan hutan sehingga dikawatirkan dapat merusak lingkungan.

Dalam konteks itu pemanfaatan kotoran ternak sebagai sumber energi (bahan bakar) merupakan salah satu alternatif untuk mengurangi penggunaan minyak tanah dan kayu untuk keperluan rumah tangga. Dari kotoran ternak dapat dihasilkan 2 jenis bahan bakar yaitu (gas bio) dan biorang dalam bentuk arang.

Gas bio dapat dihasilkan dari fermentasi kotoran ternak pada keadaan aerobik (tanpa oksigen). Kotoran ternak yang sudah diencerkan dengan air dengan perbandingan 1 : 1½ bila ditempatkan pada ruang tertutup seperti dalam drum akan terjadi fermentasi. Proses ini terjadi pada 2 tahap yaitu tahap aerobik dan tahap an aerobik. Proses aerobik masih membutuhkan O2 dan hasil prosesnya berupa CO2. Proses ini berakhir bila O2 dalam ruangan habis. Dalam keadaan anaerobik akan terbentuk gas metan. Gas yang sudah terbentuk inilah nantinya akan dialirkan ketempat pembakaran (kompor).

Untuk pembuatan gas bio, kotoran ternak harus tersedia secara berkelanjutan. Pembuatan gas bio hanya bisa dilakukan oleh petani yang mempunyai ternak, minimal 2 ekor dan maksimal 15 ekor. Jadi pembuatan gas bio untuk bahan bakar sangat efektif dilakukan di derah-daerah yang banyak ternak.

Selain penghasil gas bio, kotoran ternak juga dapat menghasilkan biorang. Penggunaan kotoran ternak sebagai bahan pembuatan biorang tidak saja sebagai merupakan cara pemanfaatan energi yang lebih baik tetapi juga dapat mengurangi pencemaran lingkungan yang ditimbulkan oleh kotoran ternak. Pembuatan biorang berbeda dengan pembuatan biogas. Dimana pembuatan biorang dilakukan dengan merobah kotoran ternak dalam bentuk briket dengan menggunakan alat cetak. Briket yang sudah terbentuk dikeringkan dengan sinar matahari. Setelah kering, briket tersebut dimasukkan ke dalam alat pemanas. Alat pemanas diletakkan diatas kompor atau tungku. Setelah briket berubah jadi arang yang ditandai dengan habisnya asap yang keluar pada tempat pemanas. Lalu alat pemanas di buka dan
briket yang masih membara disemprot dengan air.

Briket yang sudah jadi arang ini dapat dipakai sebagai bahan bakar untuk memasak atau kebutuhan rumah tangga.

Kelebihan biorang dari arang kayu biasa adalah :
(1) Dapat menghasilkan panas pembakaran yang tinggi,
(2) Asap yang dihasilkan sedikit,
(3) Bentuknya lebih seragam karena pembuatannya dengan dicetakkan mempergunakan alat,
(4) Tampilan arangnya lebih menarik,
(5) Pembuatan bahan baku dari bahan yang tidak menimbulkan masalah dan dapat mengurangi pencemaran lingkungan,

Kedua jenis bahan bakar ini yaitu bio gas dan biorang pada kondisi tertentu dapat menggantikan fungsi minyak tanah dan kayu sebagai sumber energi bahan bakar untuk keperluan rumah tangga.

Pemanfaatan Energi Batubara Pengganti BBM

Di saat negeri kita lagi mengalami krisis bahan bakar, kita seakan tidak memiliki jalan lain untuk menaikkan harga BBM. Padahal negeri ini sangat kaya akan SDM yang hanya menunggu kekreatifan kita untuk memanfaatkannya. Salah satunya adalah sang mutiara hitam, batubara. Pada tahun 1985 pemanfaatan batubara masih terbatas pada beberapa industri, saat itu pemanfaatannya baru mencapai 2,38% dari total penggunaan energi komersial Indonesia, dibandingkan dengan BBM yang mencapai 63,07 persen terhadap total konsumsi energi. Sepuluh tahun kemudian penggunaan batubara telah menjadi 8,67%. Pada PELITA XI penggunaan batubara diperkirakan akan mencapai 42% (278 ton), sedangkan pangsa BBM terhadap total konsumsi energi menurun secara drastis menjadi 31% (BAPPEBTI-CIDES, 2002).
Konsumsi batu bara terbesar adalah pembangkit listrik (75%) karena semakin meningkatnya kebutuhan listrik terutama di bidang industri. Pemerintah menempuh kebijaksanaan dengan menggalakkan pemakaiaan batubara sebagai prioritas utama dalam pembangkit listrik oleh PLTU, dan juga sebagai bahan bakar utama dalam industri berat seperti baja dan semen. Himbauan tersebut dikeluarkan oleh presiden RI pada tahun 1976.
Total sumber daya batubara sampai tahun 1994 mencapai 36,5 milyar ton, yang tersebar di Sumatra sekitar 24,7 milyar ton (68%), di Kalimantan sekitar 11,6 milyar ton (31%) dan sisanya 0,2 milyar ton (15%) terdapat di Jawa Barat, Sulawesi dan Irian Jaya (BAPPEBTI-CIDES, 2002). Pada bulan Maret 2003, PT Tambang Batubara Bukit Asam dan New Energy and Industrial Technology Devolepment Organization (NEDO) Jepang, menemukan sumber cadangan batubara sebesar 230 juta ton di Kungkilan Timur, Sumatra Selatan. Maka, ketersediaan sumber daya batubara dibandingkan dengan kebutuhannya di masa mendatang tidak menjadi masalah yang mengkhawatirkan. Sayangnya pengelolaan baatubara tak dilakukan oleh generasi muslim negeri ini, namun diserahkan kepada pihak asing yang tak jelas arahnya.
Energi batubara merupakan jenis energi yang sarat dengan masalah lingkungan, terutama kandungan sulfur sebagai polutan utama. Hal ini disebabkan oleh oksida-oksida belerang yang timbul akibat pembakaran batubara tersebut sehingga mampu menimbulkan hujan asam. Sulfur batubara juga dapat menyebabkan kenaikan suhu global serta gangguan pernafasan. Oksida belerang merupakan hasil pembakaran batubara juga menyebabkan perubahan aroma masakan atau minuman yang dimasak atau dibakar dengan batubara (briket), sehingga menyebabkan menurunnya kualitas makanan atau minuman, serta berbahaya bagi kesehatan (pernafasan). Cara yang tepat untuk mengatasi hal tersebut adalah dengan mewujudkan gagasan clean coal combustion melalui desulfurisasi batubara.
Alternatif yang paling aman dan ramah terhadap lingkungan untuk desulfurisasi batubara adalah secara mikrobiologi menggunakan bakteri Thiobacillus ferrooxidans dan Thiobacillus thiooxidans. Penggunaan kombinasi kedua bakteri ini ditujukan untuk lebih mengoptimalkan desulfurisasi. Thiobacillus ferooxidans memiliki kemampuan untuk mengoksidasi besi dan sulfur, sedangkan Thiobacillus thiooxidans tidak mampu mengoksidasi sulfur dengan sendirinya, namun tumbuh pada sulfur yang dilepaskan setelah besi teroksidasi. Hanya saja, penelitian terbaru mengenai kedua mikroba ini tidak dilakukan di negeri kita yang kaya akan sumber batubara, namun dilakukan oleh orang-orang Israel, yang cepat atau lambat akan memanfaatkan ladang emas hitam ini.

Desulfurisasi batubara secara mikrobiologi dengan menggunakan kedua bakteri tersebut memiliki beberapa kelebihan, dibandingkan desulfurisasi secara kimiawi, yaitu lebih efisien, ekonomis dan ramah lingkungan. Selama ini, memang telah dilakukan beberapa penelitian mengenai desulfurisasi batubara, tetapi hasilnya masih kurang optimal. Diharapkan dengan adanya desulfurisasi batubara, dapat mengurangi kadar sulfur batubara, dengan tujuan setidaknya dapat mengurangi polutan sulfat di lingkungan, mengingat batubara sebagai energi alternatif pengganti minyak bumi dimasa mendatang.