Konversi energi termal lautan

Konversi energi termal lautan (bahasa Inggris: 'ocean thermal energy conversion') adalah metode untuk menghasilkan energi listrik menggunakan perbedaan temperatur yang berada di antara laut dalam dan perairan dekat permukaan untuk menjalankan mesin kalor. Seperti pada umumnya mesin kalor, efisiensi dan energi terbesar dihasilkan oleh perbedaan temperatur yang paling besar. Perbedaan temperatur antara laut dalam dan perairan permukaan umumnya semakin besar jika semakin dekat ke ekuator. Pada awalnya, tantangan perancangan OTEC adalah untuk menghasilkan energi yang sebesar-besarnya secara efisien dengan perbedaan temperatur yang sekecil-kecilnya.

Permukaan laut dipanaskan secara terus menerus dengan bantuan sinar matahari, dan lautan menutupi hampir 70% area permukaan bumi. Perbedaan temperatur ini menyimpan banyak energi matahari yang berpotensial bagi umat manusia untuk dipergunakan. 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.

Konsep mesin kalor adalah umum pada termodinamika, dan banyak energi yang berada di sekitar manusia dihasilkan oleh konsep ini. Mesin kalor adalah alat termodinamika yang diletakkan di antara reservoir temperatur tinggi dan reservoir temperatur rendah. Ketika kalor mengalir dari temperatur tinggi ke temperatur rendah, alat tersebut mengubah sebagian kalor menjadi kerja. Prinsip ini digunakan pada mesin uap dan mesin pembakaran dalam, sedangkan pada alat pendingin, konsep tersebut dibalik. Dibandingkan dengan menggunakan energi hasil pembakaran bahan bakar, energi yang dihasilkan OTEC didapat dengan memanfaatkan perbedaan temperatur lautan disebabkan oleh pemanasan oleh matahari.

Siklus kalor yang sesuai dengan OTEC adalah siklus Rankine, menggunakan turbin bertekanan rendah. Sistem dapat berupa siklus tertutup ataupun terbuka. Siklus tertutup menggunakan cairan khusus yang umumnya bekerja sebagai refrigeran, misalnya ammonia. Siklus terbuka menggunakan air yang dipanaskan sebagai cairan yang bekerja di dalam siklusnya.

Sejarah

Meski sistem OTEC adalah suatu teknologi terbaru, konsepnya memiliki jalan pengembangan yang panjang. Dimulai pada tahun 1881, yaitu ketika Jacques Arsene d'Arsonval, fisikawan Prancis yang mengajukan konsep konversi energi termal lautan. Dan murid d'Arsonval, George Claude yang membuat pembangkit listrik OTEC pertama kalinya di Kuba pada tahun 1930.^[1] Pembangkit listrik itu menghasilkan listrik 22 kilowatt dengan turbin bertekanan rendah.^[2]

Pada tahun 1931, Nikola Tesla meluncurkan buku "On Future Motive Power" yang mencakup konversi energi termal lautan. Meski ia tertarik dengan konsep tersebut, ia beranggapan bahwa hal ini tidak bisa dilakukan dalam skala besar.

Pada tahun 1935, Claude membangun pembangkit kedua di atas 10000 ton kargo yang mengapung di atas lepas pantai Brasil. Namun cuaca dan gelombang menghancurkan pembangkit listrik tersebut sebelum bisa menghasilkan energi.^[2]

Pada tahun 1956, para fisikawan Prancis mendesain 3 megawatt pembangkit listrik OTEC di Abidjan, Pantai Gading. Pembangkit listrik OTEC itu tak pernah selesai karena murahnya harga minyak pada tahun 1950an yang membuat pembangkit listrik tenaga minyak lebih ekonomis.^[2]

Pada tahun 1962, J. Hilbert Anderson dan James H. Anderson, Jr. mulai mendesain sebuah siklus untuk mencapai tujuan yang tidak dicapai Claude. Mereka fokus pada pengembangan desain baru dengan efisiensi yang lebih tinggi. Setelah menganalisis masalah yang ditemukan pada desain Claude, akhirnya mereka mematenkan desain siklus tertutup buatan mereka pada tahun 1967^[3]

Amerika serikat mulai terlibat pada penelitian OTEC pada tahun 1974, ketika otoritas Natural Energy Laboratory of Hawaii mendirikan Keahole Point di Pantai Kona, Hawaii.^[4] Laboratorium itu merupakan fasilitas penelitian dan percobaan OTEC terbesar di dunia. Hawaii merupakan lokasi yang cocok untuk penelitian OTEC karena permukaan lautnya yang hangat dan akses ke laut dalam yang dingin. Selain itu, Hawaii juga negara bagian yang biaya listriknya cukup mahal di Amerika Serikat.

Meski Jepang tidak memiliki tempat yang berpotensial untuk mendirikan OTEC, tetapi Jepang banyak berkontribusi dalam penelitian dan pengembangan OTEC, terutama untuk ekspor dan penerapannya di luar negeri. Salah satu proyek Jepang dalam pengembangan OTEC adalah fasilitas OTEC di Nauru yang menghasilkan 120 kW listrik. 90 kW dimanfaatkan untuk menggerakkan fasilitas OTEC tersebut dan 30 kW dialirkan ke sekolah-sekolah dan beberapa tempat di Nauru.^[2]

Prinsip Kerja

Beberapa pakar energi berpendapat bahwa OTEC akan menjadi teknologi penghasil listrik yang sangat kompetitif di masa depan. OTEC dapat memproduksi listrik hingga skala gigawatt, dan dengan penggabungan dengan sistem elektrolisis, akan menghasilkan hidrogen cukup untuk menggantikan konsumsi bahan bakar fosil dunia. Tetapi, mengatur biaya adalah yang tersulit. Seluruh fasilitas OTEC membutuhkan peralatan khusus dan pipa panjang berdiameter besar yang ditenggelamkan hingga beberapa kilometer jauhnya dari permukaan untuk mendapatkan air dingin. Dan itu membutuhkan banyak biaya.

Berdasarkan lokasi

Daratan
Mengapung
Perairan dangkal

Berdasarkan sistem siklus yang digunakan

Siklus terbuka
Siklus tertutup
Siklus hybrid

Air laut yang dingin merupakan bagian utama dari tiga tipe siklus tersebut. Untuk mengoperasikannya, air laut yang dingin harus dipompa ke permukaan. Cara lainnya adalah dengan melakukan desalinasi air laut dekat dasar laut yang akan menyebabkan air laut itu mengalir ke atas karena perbedaan densitas.^[5]

Siklus tertutup

Siklus tertutup menggunakan fluida dengan titik didih rendah, misalnya amonia, untuk memutar turbin dan menghasilkan listrik. Air hangat di permukaan dipompa ke penukar panas di mana fluida bertitik didih rendah dididihkan. Fluida yang mengalami perubahan wujud menjadi uap akan mengalami peningkatan tekanan. Uap bertekanan tinggi ini lalu dialirkan ke turbin untuk menghasilkan listrik. Uap tersebut lalu didinginkan kembali dengan air dingin dari laut dalam dan mengembun. Lalu fluida kembali melakukan siklusnya.

Siklus tertutup pada OTEC memanfaatkan siklus Rankine dasar dengan tiga macam metode^[6] :

Rankine Cycle
Double Stages Rankine Cycle
Kalina Cycle

Siklus terbuka

Siklus terbuka menggunakan air laut untuk menghasilkan listrik. Air laut yang hangat dimasukkan ke dalam tangki bertekanan rendah sehingga menguap. Uap ini dugunakan untuk menggerakkan turbin. Air laut yang menguap meninggalkan mineral laut seperti garam dan lain sebagainya sehingga bermanfaat untuk menghasilkan air tawar untuk diminum dan irigasi^[7]

Siklus hybrid

Siklus hybrid menggunakan keunggulan sistem siklus terbuka dan tertutup. Siklus hybrid menggunakan air laut yang diletakkan di tangki bertekanan rendah untuk dijadikan uap. Lalu uap tersebut digunakan untuk menguapkan fluida bertitik didih rendah (amonia atau yang lainnya). Uap air laut tersebut lalu dikondensasikan untuk menghasilkan air tawar desalinasi.

Fluida kerja

Berbagai jenis fluida digunakan untuk teknologi ini, umumnya yang merupakan bertitik didih rendah. Yang paling populer adalah amonia karena biaya pengadaan yang murah, kemudahan transportasi, dan cukup tersedia. Kekurangan amonia adalah fluida ini beracun mudah terbakar. Jenis fluida lain yaitu hidrokarbon berfluorin seperti CFC dan HCFC tidak beracun dan tidak mudah terbakar, tetapi fluida ini merusak ozon. Hidrokarbon seperti pentana juga kandidat yang baik, tetapi mudah sekali terbakar. Selain itu, penggunaan fluida hidrokarbon yang berasal dari minyak bumi mampu meningkatkan persaingan dengan penggunaannya sebagai bahan bakar.

Teknologi terkait

OTEC memiliki banyak manfaat selain hanya menghasilkan energi listrik.

Air Conditioning

Air laut yang dingin yang dipompa oleh fasilitas OTEC memberikan kemampuan untuk pendinginan mesin-mesin yang berkaitan dengan fasilitas OTEC. Menurut perhitungan Departemen Energi Amerika Serikat, pipa berdiameter 0,3 m dapat memompa sebanyak 0,08 meter kubik air per detik. Jika 6 ^oC air dingin mampu dipompa oleh fasilitas OTEC, dapat digunakan untuk mendinginkan bangunan besar. Jika sistem beroperasi selama 8000 jam dan listrik lokal dijual seharga 5-10 sen per kWh, maka itu akan menghemat tagihan listrik sebesar 200.000 hingga 400.000 dolar pertahun^{[butuh rujukan]}.

The InterContinental Resort dan Thalasso-Spa di pulau Bora Bora menggunakan OTEC untuk mengkondisikan udara di dalam bangunan^[8] dengan melewatkan air laut ke peukar panas, mendinginkan air tawar. Air tawar ini lalu dipompa ke dalam bangunan untuk mendinginkan udara.

Budidaya perairan

Sistem OTEC memiliki kemampuan untuk memompa air laut perairan dalam dalam jumlah besar. Air laut tersebut mengandung nutrisi yang diperlukan untuk budidaya perikanan. Budidaya salmon dan lobster sangat bergantung pada nutrisi dari laut dalam, sehingga hal ini sangat berpotensial untuk dikembangkan. Dinginnya air juga dapat dipergunakan untuk mengatur suhu air kolam budidaya dan mendinginkan hasil budidaya.

Budidaya tanaman

Air dingin yang dipompa dari laut dalam atau air dingin yang sudah melewati penukar panas dapat digunakan untuk tujuan lain, seperti mendinginkan lingkungan (media tanam dan udara) di dalam rumah tanaman yang digunakan untuk menanam tanaman iklim sedang. Air dingin yang telah melewati penukar panas masih memiliki temperatur 7 ^oC, baik pada siklus tertutup maupun siklus terbuka.

Desalinasi

Sistem siklus terbuka dan hybrid OTEC dapat dimanfatkan untuk desalinasi. Air hasil kondensasi adalah air tawar tanpa mineral laut yang dapat dijadikan air minum atau irigasi pertanian dekat pantai.

Ekstraksi mineral

Sejak dulu diketahui bahwa air laut mengandung banyak sekali mineral terlarut yang dapat dimanfaatkan,^[9] misalnya magnesium, tetapi mahalnya biaya pemompaan dibandingkan dengan hasilnya membuat kegiatan tersebut tidak berlangsung secara besar-besaran. Dengan adanya fasilitas OTEC, ekstraksi mineral air laut dalam dapat dilakukan sambil memproduksi listrik.

Produksi hidrogen

Hidrogen bisa diproduksi lewat elektrolisis menggunakan listrik yang dihasilkan OTEC. Air laut memiliki ion elektrolit yang mampu meningkatkan efisiensi elektrolisis air untuk menghasilkan gas hidrogen.

Hambatan

Degradasi kemampuan penukar panas akibat gas terlarut
Degradasi kemampuan penukar panas akibat mikrob
Penutupan yang tidak rapat - hal ini penting karena OTEC bekerja pada tekanan rendah. Meningkatnya tekanan dapat menyebabkan berkurangnya kinerja pembangkit listrik
Kompresor tua dapat mengambil energi berlebih - hal ini dapat mengakibatkan total energi bersih yang dihasilkan berkurang

Referensi

^ Chiles, James (Winter 2009). "The Other Renewable Energy". Invention and Technology 23 (4): 24–35.
^ ^a ^b ^c ^d Takahashi, Masayuki; diterjemahkan oleh: Kitazawa, Kazuhiro and Snowden, Paul (2000). Deep Ocean Water as Our Next Natural Resources. Tokyo, Japan: Terra Scientific Publishing Company.
^ J.H. Anderson, "Sea Water Power Plant".US Patent 4 April 1967
^ "Average Retail Price of Electricity to Ultimate Customers by End-Use Sector, by State". Energy Information Administration. September 2007
^ Warren T. Finley, "Method and apparatus for transferring cold seawater upward from the lower depths of the ocean to improve the efficiency of ocean thermal energy conversion systems". US Patent diterbitkan 19 Januari 1982
^ Ikegami, Yasuyuki (2018-03-01). "tethys-engineering.pnnl.gov" (PDF). Tethys Engineering. Diakses tanggal 2022-10-18.
^ Vega, L.A. 1999. Open Cycle OTEC Diarsipkan 2008-12-07 di Wayback Machine.. OTEC News. The GreenOcean Project. Diakses 4 Februari 2011.
^ YouTube video on the OTEC air-conditioning system used at the InterContinental Resort and Thalasso-Spa on the island of Bora Bora.
^ Handbook of methods for the analysis of the various parameters of the carbon dioxide system in sea water Diarsipkan 2011-05-25 di Wayback Machine.. Dickson A G, Coyet G.

Pranala luar

[Chiles-1] Chiles, James (Winter 2009). "The Other Renewable Energy". Invention and Technology 23 (4): 24–35.

[Takahashi-2] Takahashi, Masayuki; diterjemahkan oleh: Kitazawa, Kazuhiro and Snowden, Paul (2000). Deep Ocean Water as Our Next Natural Resources. Tokyo, Japan: Terra Scientific Publishing Company.

[Anderson-3] J.H. Anderson, "Sea Water Power Plant".US Patent 4 April 1967

[EIA-4] "Average Retail Price of Electricity to Ultimate Customers by End-Use Sector, by State". Energy Information Administration. September 2007

[5] Warren T. Finley, "Method and apparatus for transferring cold seawater upward from the lower depths of the ocean to improve the efficiency of ocean thermal energy conversion systems". US Patent diterbitkan 19 Januari 1982

[6] Ikegami, Yasuyuki (2018-03-01). "tethys-engineering.pnnl.gov" (PDF). Tethys Engineering. Diakses tanggal 2022-10-18.

[7] Vega, L.A. 1999. Open Cycle OTEC Diarsipkan 2008-12-07 di Wayback Machine.. OTEC News. The GreenOcean Project. Diakses 4 Februari 2011.

[8] YouTube video on the OTEC air-conditioning system used at the InterContinental Resort and Thalasso-Spa on the island of Bora Bora.

[9] Handbook of methods for the analysis of the various parameters of the carbon dioxide system in sea water Diarsipkan 2011-05-25 di Wayback Machine.. Dickson A G, Coyet G.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]