ENERGI DARI TRANSFER ELEKTRON

BAB 8 ENERGI DARI TRANSFER ELEKTRON

8.1. Elektron, Sel, dan Baterai: Dasar-Dasar Baterai adalah alat listrik-kimiawi yang menyimpan energi dan mengeluarkan

tenaganya dalam bentuk listrik. Sebuah baterai biasanya terdiri dari tiga komponen penting, yaitu: batang karbon sebagai anode (kutub positif baterai), seng (Zn) sebagai katode (kutub negatif baterai), dan pasta sebagai elektrolit (penghantar).

Baterai yang biasa dijual (disposable/sekali pakai) mempunyai tegangan listrik 1,5 volt. Baterai ada yang berbentuk tabung atau kotak. Ada juga yang dinamakan rechargeable battery, yaitu baterai yang dapat diisi ulang, seperti yang biasa terdapat pada telepon genggam. Baterai sekali pakai disebut juga dengan baterai primer, sedangkan baterai isi ulang disebut dengan baterai sekunder.

Baik baterai primer maupun baterai sekunder, kedua-duanya bersifat mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Baterai primer hanya bisa dipakai sekali, karena menggunakan reaksi kimia yang bersifat tidak bisa dibalik (irreversible reaction). Sedangkan baterai sekunder dapat diisi ulang karena reaksi kimianya bersifat bisa dibalik (reversible reaction).

Gambar 8.1. Baterai dengan bermacam ukuran dan Voltase

8.2. Beberapa Jenis Baterai Reaksi elektroda pada baterai sekunder dapat terjadi dari segala arah, sehingga baterai dapat diisi ulang. Selama pengisian, kerja listrik dilakukan pada sel untuk menyediakan energi bebas yang dibutuhkan untuk memacu reaksi pada arah non-spontannya. Sel primer, contohnya baterai biasa untuk senter, tidak dapat diisi ulang dengan berbagaif efisiensi, sehingga jumlah energi yang dapat diberikan terbatas pada yang diperoleh dari reaktan yang ditempatkan di dalamnya pada saat pembuatannya.

Baterai primer yang dikenal adalah sel kering yang digunakan secara luas untuk baterai senter dan sejenisnya. Sel kering modern ditemukan oleh George Lesclanche pada 1866. Reaksi elektrodanya:

Zn  Zn 2+ + 2e -

2MnO 2 + 2H + + 2e -  Mn 2 O 3 +H 2 O Sel ini, walaupun namanya sel kering, tetapi tidak benar-benar kering;

elektrolitnya berupa pasta basah mengandung NH 4 Cl untuk mensuplai ion hidrogen. Kimia sel ini lebih kompleks daripada sebelumnya dan terdapat beberapa reaksi samping. Versi modernnya diperkenalkan tahun 1949 adalah sel alkalin yang menggunakan elektrolit KOH dan anoda serbuk seng (Zn) yang memungkinkan sel mendistribusikan arus lebih tinggi.

Gambar 8.2. Sel Leclanche modern

Gambar 8.3. Diagram sebuah baterai alkaline

8.3. Baterai Asam-Timbal Akumulator (accu, aki) atau dikenal juga sebagai baterai asam-timbal adalah sebuah alat yang dapat menyimpan energi (umumnya energi listrik) dalam bentuk energi kimia. Dalam standar internasional setiap satu cell akumulator memiliki tegangan sebesar 2 volt. sehingga aki 12 volt, memiliki 6 cell sedangkan aki 24 volt memiliki 12 cell. Aki merupakan sel yang banyak kita jumpai karena banyak digunakan pada sepeda motor maupun mobil. Aki temasuk sel sekunder, karena selain menghasilkan arus listrik, aki juga dapat diisi arus listrik kembali. secara

sederhana aki merupakan sel yang terdiri dari elektrode Pb sebagai anode dan PbO 2

sebagai katode dengan elektrolit H 2 SO 4 .

Sel penyimpan yang dikenal adalah sel asam-timbal, ditemukan oleh Gaston Plante pada 1859 dan masih dipakai secara luas. Penggambaran sel:

Pb(s) | PbSO 4 (s) | H 2 SO 4 (aq) || PbSO 4 (s), PbO 2 (s) | PbS

Reaksi total sel:

Pb(s) + PbO 2 (s) + H 2 SO 4 (aq)  PbSO 4 (s) + 2 H 2 O

Reaksi terjadi ke kanan selama proses pelucutan (discharge) dan ke kiri selama pengisian (charging). Keadaan muatan dapat diestimasi dengan mengukur densitas elektrolit; asam sulfat sekitar dua kali kerapatan air, sehingga ketika sel dilucuti, densitas selektrolit berkurang.

Gambar 8.4. Diagram sebuah baterai asam-timbal.

8.4. Kendaraan Hibrid Sebuah kendaran hibrida adalah sebuah kendaraan yang menggunakan dua atau banyak sumber tenaga untuk menggerakkan kendaraan tersebut. Sebutan ini lebih umum merujuk pada kendaraan listrik hibrida (HEV) yang menggabungkan sebuah mesin pembakaran dalam dengan satu atau banyak motor listrik.

Gambar 8.5. (a) Toyota Prius yang merupakan mobil hibrid bensin-listrik (b) Mesin Toyota Prius. Baterai NiMH tidak terlihat karena posisinya dibawah jok

belakang

8.5. Fuel Cell Baterai konvensional mensuplai energi listrik dari reaktan kimia yang ada di dalamnya; jika reaktan ini digunakan, baterai akan mati. Alternatif pendekatan adalah konsumsi reaktan oleh sel hanya jika dibutuhkan saja, sehingga sel dapat dioperasikan terus-menerus. Dalam hal ini, reaktan dapat dianggap sebagai “fuel” untuk mennjalankan sel, sehingga disebut Fuel Cell. Pada fuel cell (1839 diperkenalkan oleh Sir William Grove) dikenal bahwa air dapat terdekomposisi menjadi hidrogen dan oksigen oleh elektrolisis; Grove mencoba rekombinasi dua gas dalam alat sederhana dan menemukan “elektrolisis bolak-balik”:

Anoda : H 2 (g)  2 H + + 2e - E 0 =0v

Katoda : ½ O 2 +2H + + 2e - H 2 O(l)

E 0 = 1,23 v

Total : ½ O 2 +2H + H 2 O(l)

E 0 = 1,23 v

Sampai 1959 sel hidrogen-oksigen inilah yang dikembangkan. Sel modern menggunakan elektrolit alkalin, sehingga reaksi elektroda berbeda dengan yang di atas. Caranya, dengan menambahkan OH - pada ke dua sisi persamaan, reaksinya:

Anoda : H 2 (g) +2 OH - 2H 2 O + 2e - Katoda : ½ O 2 (g) + 2 H 2 O + 2e -  2 OH - Total : H 2 (g) + ½ O 2 (g)  H 2 O

Hidrogen (anoda) dapat digunakan alkohol, hidrokarbon cair, atau cairan batu bara; metanol merupakan yang paling menjanjikan untuk fuel cell. Pada fuel cell, tahap oksidasi dan reduksi terjadi pada wadah terpisah, tidak seperti pembakaran konvensional. Fuel pada sel ini adalah hidrogen, tetapi metanol atau fuel lainnya dapat pula digunakan. Pengembangan permukaan elektroda katalitik yang aktif dan permanen merupakan masalah utama teknik fuel cell yang harus dipecahkan.

Satu alasan pentingnya fuel cell adalah sel ini adalah penggunaan energi kimia yang lebih efisien dibandingkan konversi panas konvensional. Kerja yang dipoeroleh pada poerasi limit reversibel fuel cell adalah 229 kJ/mol dari pembentukan

H 2 O. Jika hidrogen dibakar dengan iksigen, panas yang diperoleh adalah –ΔH 0 = 242 kJ/mol, tetapi tidak lebih dri setengah panas ini dapat diubah menjadi kerja sehingga H 2 O. Jika hidrogen dibakar dengan iksigen, panas yang diperoleh adalah –ΔH 0 = 242 kJ/mol, tetapi tidak lebih dri setengah panas ini dapat diubah menjadi kerja sehingga

Kelemahan fuel cell adalah laju reaksi elektroda, di mana oksigen tereduksi cenderung sangat kecil, sehingga menghasilkan arus yang kecil pula. Pelapisan elektroda dengan material katalitik yang sesuai selalu diperlukan untuk menghasilkan output yang tinggi, tetapi katalis yang baik seperti platina sangat mahal, sehingga sel ini sangat mahal untuk penggunaannya. Perlu dikembangkan elektroda katalitik yang murah seihingga dihasilakan fuel cell yang ekonomis.

Gambar 8.6. Sebuah PEM fuel cell: H 2 dan O 2 bergabung membentuk air tanpa pembakaran

Gambar 8.7. Sebuah Honda FCX yang menggunakan fuel cell hidrogen sebagai tenaganya.

8.6. Sel Surya

Sel surya atau sel photovoltaic, adalah sebuah alat semikonduktor yang terdiri dari sebuah wilayah-besar diode p-n junction, di mana, dalam hadirnya cahaya matahari mampu menciptakan energi listrik yang berguna. Pengubahan ini disebut efek photovoltaic. Bidang riset berhubungan dengan sel surya dikenal sebagai photovoltaics.

Sel surya memiliki banyak aplikasi. Mereka terutama cocok untuk digunakan bila tenaga listrik dari grid tidak tersedia, seperti di wilayah terpencil, satelit pengorbit bumi, kalkulator genggam, pompa air, dll. Sel surya (dalam bentuk modul atau panel surya) dapat dipasang di atap gedung di mana mereka berhubungan dengan inverter ke grid listrik dalam sebuah pengaturan net metering. Banyak bahan semikonduktor yang dapat dipakai untuk membuat sel surya diantaranya Silikon, Titanium Oksida, Germanium, dll.

Gambar 8.7. Diagram skematik sebuah sel surya.

Gambar 8.8. Taksi tenaga surya sedang dipamerkan pada KTT Perubahan Iklim di Nusa Dua Bali

Gambar 8.9. Sebuah sel surya, terbuat dari wafer silikon poly-crystalline.

Gambar 8.10. Pandangan dari udara yang meliputi kawasan Solar Park Gut Erlasee di Bavaria yang ada kapasitas maksimalnya mapu menghasilkan listrik seberar 12 MW.