ENERGI, KIMIA DAN MASYARAKAT
BAB 4 ENERGI, KIMIA DAN MASYARAKAT
"Amerika Serikat tidak mampu untuk menunggu krisis energi berikutnya untuk mengumpulkan sumber daya intelektual dan industri. . . . Ketergantungan kita tumbuh semakin langka pada minyak Timur Tengah adalah bodoh game-tidak ada cara untuk sisa dunia untuk menang. Kerugian kami mungkin datang tiba-tiba melalui perang, terus melalui kenaikan harga, agonizingly karena kemiskinan berkembang-bangsa, tanpa henti melalui perubahan iklim atau melalui semua hal di atas." James Woolsey, Direktur AS Intelijen Pusat (1993-1995)
Dalam hal energi, Amerika Serikat adalah nomor satu : produsen terbesar, konsumen terkemuka, dan importir terbesar di dunia. Warga negara ini menghasilkan kebutuhan yang luar biasa untuk energi dan melakukannya dengan sikap hampir santai tentang ketersediaan dan biaya. Kebutuhan itu terpenuhi terutama oleh bahan bakar
alam fosil. Secara kolektif, mereka menyumbang sekitar 70% dari listrik AS dan hampir 85% dari semua kebutuhan energi bangsa.
Gambaran awal ini mengingatkan kita berbagai aspek produksi dan penggunaan energi, tetapi mungkin tidak membawa ke beberapa pikiran penting yang menantang berkaitan dengan ketergantungan kita pada bahan bakar fosil. Salah satu tantangan tersebut adalah mengamankan pasokan yang terus meningkat. Dipicu oleh politik gejolak di Timur Tengah selama pertengahan 1970-an, Amerika Serikat mengalami kekurangan bahan bakar minyak dan lonjakan harga yang menyertainya. Pemerintah AS merespon dengan kebijakan yang difokuskan pada penurunan ketergantungan AS pada minyak dari bagian dunia. Perubahan yang dihasilkan dari kebijakan baru itu menghasilkan permintaan yang lebih rendah secara keseluruhan. Namun, dalam dua dekade terakhir impor AS telah meningkat dari sekitar 35% menjadi lebih dari 50%. Seperti kutipan pembukaan menunjukkan, memastikan terus ketersediaan energi lebih dan lebih di tahun-tahun mendatang adalah masalah keamanan nasional.
Jika menggunakan bahan bakar fosil saja, akan menciptakan tantangan kedua. Pembakaran, tentu saja, merupakan cara melepaskan kandungan energi besar dari molekul. Namun, pembakaran bahan bakar berbasis karbon juga melepaskan karbon dioksida, air, dan sering pula diikuti jelaga, karbon monoksida, dan oksida belerang dan oksida nitrogen. Hubungan antara produk-produk pembakaran dan lingkungan menjadi masalah yang serius seperti pemanasan global, hujan asam, dan penurunan kualitas udara yang tak terbantahkan.
Tantangan ketiga muncul dari kenyataan bahwa bahan bakar fosil terdapat dalam persediaan yang terbatas. Baru perkiraan menunjukkan bahwa pada tingkat konsumsi saat ini, cadangan minyak akan habis dalam kurang dari 50 tahun dan batubara di atas setengah abad. Sumber energi terbarukan terus menarik perhatian para pembuat kebijakan dan industri energi. Sebagai contoh, pemasok tradisional bahan bakar fosil merupakan investor terbesar tenaga angin, listrik dihasilkan oleh "pertanian " dari kincir angin. Jumlah Selanjutnya, peningkatan pertanian produk yang menemukan cara mereka ke bahan bakar alternatif. Sebagai aditif bensin, etanol Tantangan ketiga muncul dari kenyataan bahwa bahan bakar fosil terdapat dalam persediaan yang terbatas. Baru perkiraan menunjukkan bahwa pada tingkat konsumsi saat ini, cadangan minyak akan habis dalam kurang dari 50 tahun dan batubara di atas setengah abad. Sumber energi terbarukan terus menarik perhatian para pembuat kebijakan dan industri energi. Sebagai contoh, pemasok tradisional bahan bakar fosil merupakan investor terbesar tenaga angin, listrik dihasilkan oleh "pertanian " dari kincir angin. Jumlah Selanjutnya, peningkatan pertanian produk yang menemukan cara mereka ke bahan bakar alternatif. Sebagai aditif bensin, etanol
Mengingat tantangan ini, program aksi apa yang kita perlu mempertimbangkan?. Meningkatkan ketergantungan kita pada sumber energi terbarukan pasti akan memiliki hasil positif. Namun, transisi besar dalam cara kita menggunakan bahan bakar dan cara-cara di mana mereka disediakan menimbulkan pertanyaan tentang siapa yang bersedia dan mampu menanggung biaya.
Untuk lebih menjawab pertanyaan ini, kita perlu memahami kimia dasar yang mendasari bahan bakar dan energi yang menyertainya. Kita mulai dengan definisi beberapa istilah penting (energi, panas, dan kerja) dan hukum yang menyatakan bahwa energi tidak pernah diciptakan atau dihancurkan, tetapi hanya mengalami perubahan bentuk. Ketidak efisiensi menjadi masalah dalam kemampuan kita untuk memanfaatkan energi atau menghasilkan sepenuhnya dalam bentuk yang kita inginkan. Kita akan mengeksplorasi sifat bahan bakar, komposisi kimia, dan struktur molekul yang dikandungnya. Kita akan belajar bagaimana molekul ini menyimpan energi dan bagaimana menulis reaksi kimia yang menggambarkan pelepasan energi ini. Setelah kita memahami prinsip-prinsip kimia, kita akan mengubah perhatian kita pada konsumsi energi untuk dua bahan bakar fosil utama yaitu batu bara dan minyak bumi - dan metode untuk memanipulasi mereka ke dalam bentuk yang berguna. Bab ini diakhiri dengan diskusi tentang kebijakan energi dan kemungkinan untuk konservasi.
4.1 Energi, Kerja, dan Panas Energi adalah kata yang kita dengar setiap hari, tapi yang makna kimianya yang tepat tidak baik dipahami oleh masyarakat. Definisi ilmiah energi, kapasitas untuk melakukan pekerjaan. bagi ilmuwan, Kerja dilakukan ketika gerakan terjadi melawan suatu gaya menahan. Secara matematis, kerja sama dengan gaya dikalikan dengan jarak dimana gerakan terjadi. Jadi, ketika Anda mengangkat sebuah buku melawan gaya gravitasi, berarti Anda melakukan kerja.
Banyak kerja yang dilakukan di planet kita berasal dari bentuk paling umum dari kerja bahan kimia, gas mengembang seperti yang dihasilkan dalam sebuah mesin pembakaran internal, atau dari bentuk lain energi panas. Definisi formal yang terakhir terdengar sedikit aneh : panas/bahang (heat) adalah energi yang mengalir dari panas ke objek dingin. Ketika kita ambil wajan panas di atas kompor, kita langsung merasakan panas.
Suhu adalah properti panas, ia mendefinisikan derajat kepanasan (atau dingin) pada skala spesifik. Definisi lain dari suhu terdengar canggung dan membingungkan : Suhu adalah properti dari materi yang menentukan arah aliran panas. Namun, kita tahu bahwa suhu dan panas bukan hal yang sama. Ketika dua objek di kontakkan, panas selalu mengalir dari objek dengan suhu yang lebih tinggi ke objek yang lebih rendah suhunya. Sebotol air dan Samudra Pasifik mungkin berada pada suhu yang sama, tapi laut mengandung dan dapat mentransfer panas jauh lebih banyak daripada sebotol air. memang, badan air dapat mempengaruhi iklim seluruh wilayah sebagai konsekuensi dari kemampuan mereka untuk menyerap dan mentransfer panas.
Dalam rangka untuk melanjutkan diskusi kita energi, kita perlu unit untuk mengungkapkannya. Satu kalori didefinisikan sebagai jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu dari satu gram air tepat dengan satu derajat Celcius. Satu kalori didefinisikan sebagai tepat 4,184 J. Untuk menempatkan unit ini dalam konteks, satu joule (1 J) kira-kira sama dengan energi dibutuhkan untuk menaikkan setinggi 4 in sebuah buku seberat 2 lb melawan gaya gravitasi. Secara sederhana, setiap denyut jantung manusia membutuhkan sekitar 1 J energi. Dalam beberapa bagian berikutnya, kita akan menggunakan satuan energi yang berkisar dari kilojoule (1 kJ =
1000 J) dalam diskusi tentang ikatan kimia untuk exajoules (1 EJ = 10 18 J) ketika kita mempertimbangkan produksi energi tahunan di seluruh dunia. Kalori diperkenalkan sebagai ukuran panas dengan sistem metrik pada akhir Abad ke-18. Kalori yang mungkin paling akrab bila digunakan untuk mengekspresikan energi yang dilepaskan ketika makanan dimetabolisme. Nilai-nilai tabulasi pada label kemasan dan dalam buku resep masakan, umumnya, dalam kilokalori (1 kkal = 1000 kal = 1 Kalori), ketika Kalori berawalan huruf kapital, secara umum berarti kilokalori (Gambar
energi dari donat 425 Cal (425 kkal, 425.000 kalori). Untuk sebagian besar tujuan kita akan menggunakan joule dan kilojoule dalam bab ini, tapi ketika tampaknya lebih tepat atau lebih mudah dimengerti, kita akan mengekspresikan energi kalori atau kilokalori.
Gambar 4.1 Kandungan energi dari makanan adalah biasanya tercantum dalam Kalori.
4.2 Transformasi Energi Kita memperkenalkan hukum kekekalan massa ketika menyeimbangkan reaksi kimia dalam Bab 1. Di sini, kita memasukkan energi ke lain dari " hukum kekekalan”. Hukum pertama termodinamika, juga disebut hukum kekekalan energi, menyatakan bahwa energi tidak diciptakan atau dihancurkan. Tapi bagaimana bisa kita pernah mengalami krisis energi jika energi alam semesta adalah konstan? Jawabannya terletak pada pemahaman energi yang dapat dikonversi menjadi berbagai jenis. Ketika kita menggunakan energi, baik pembakaran kayu di perapian, mengemudi mobil, atau menyalakan lampu, kita tidak membuat atau menghancurkannya. Namun, kita mengubahnya dari satu jenis ke jenis yang lain, terjadi kehilangan sedikit sepanjang jalan dengan masing-masing transformasi tersebut.
Ada dua jenis energi yang utama. Energi potensial, seperti namanya yaitu energi yang tersimpan atau energi yang muncul karena posisinya. Misalnya, energi Ada dua jenis energi yang utama. Energi potensial, seperti namanya yaitu energi yang tersimpan atau energi yang muncul karena posisinya. Misalnya, energi
90 mph? Bisbol memiliki energi kinetik yang jauh lebih besar karena memiliki massa relatif yang lebih besar. Untuk lebih memahami bagaimana energi berubah dari satu jenis yang lain, pertimbangkan mainan meja yang dikenal sebagai Newton’s cradle yang ditunjukkan pada Gambar 4.2. Untuk memulai, Anda harus melakukan kerja pada sistem dengan mengangkat salah satu bola melawan gaya gravitasi. Karena posisinya relatif terhadap bidang-bidang lain, Anda telah memberikan energi potensial untuk bola itu. Ketika Anda melepaskan bola, jatuh kembali ke tempat awal. Energi potensial posisi diubah menjadi energi kinetik gerak. Ketika bola bergerak bertumbukan, energi kinetik ditransfer dari satu bola ke depan, dan satu di ujung lain mulai bergerak ke atas. Energi kinetik yang secara bertahap diubah menjadi energi potensial seperti naik dan memperlambat. Ketika konversi yang lengkap, bola kedua mulai turun, dan proses berulang. Namun, dengan setiap siklus berturut-turut bola tidak naik cukup tinggi. Pada akhirnya, semua bola akan diam kembali di posisi semula.
Figure 4.2 Suatu Newton’s cradle.
Mengapa mereka berhenti? Apakah ini tidak melanggar hukum kekekalan energi? Darimana energi pergi? Dalam setiap tabrakan, sebagian energi yang ada, digunakan untuk membuat suara, dan beberapa digunakan untuk menghasilkan panas. Jika kita bisa mengukur cukup tepat, kita akan mengamati bola memanas sedikit, panas ini kemudian ditransfer ke atom sekitarnya dan molekul di udara. Karena itu, ketika semua bola akhirnya diam kembali, energi alam semesta telah dilestarikan, tetapi semua pekerjaan yang Anda awalnya dimasukkan ke dalam sistem telah hilang sebagai gerakan acak dari atom dan molekul di udara sekitarnya.
Intinya, perangkat tersebut adalah cara yang menyenangkan untuk menghamburkan sedikit kerja menjadi panas.
Sebaliknya, industrialisasi ekonomi dunia dimulai dengan penemuan perangkat untuk mengubah panas menjadi kerja. Pada dasarnya semua energi dari semua bahan bakar yang kita akan bahas dalam bab ini – yaitu batubara, minyak, alkohol, dan sampah - dikeluarkan melalui pembakaran. Setiap bahan bakar dibakar untuk menghasilkan panas dan pada saat yang sama menghasilkan produk seperti karbon dioksida dan air. Perangkat awal proses ini adalah mesin uap, yang dikembangkan pada paruh kedua abad ke-18. Panas dari pembakaran kayu atau batu bara digunakan untuk menguapkan air, yang pada gilirannya digunakan untuk menggerakkan piston dan turbin. Kemudian dihasilkan energi mekanik yang dapat digunakan untuk pompa listrik, pabrik, alat tenun, perahu, dan kereta api. Monster mekanik berasap ini di Inggris segera menggantikan tanaga manusia dan kuda sebagai sumber utama kekuatan gerak di dunia Barat.
Sebuah revolusi energi kedua terjadi di awal 1900-an dengan komersialisasi daya listrik. Saat ini, sebagian besar energi listrik yang dihasilkan di Amerika Serikat adalah dihasilkan oleh keturunan mereka dari mesin uap awal. Gambar 4.3 mengilustrasikan pembangkit listrik modern. Panas dari pembakaran bahan bakar yang digunakan untuk merebus air, biasanya di bawah tekanan tinggi. Tekanan tinggi melayani dua tujuan : itu menimbulkan titik didih air dan kompres uap air. Panas, uap tekanan tinggi diarahkan pada sirip turbin. Sebagai gas mengembang dan mendingin, ia memberikan beberapa energi untuk turbin, menyebabkan turbin berputar seperti kincir angin. Poros turbin dihubungkan ke kumparan kawat besar yang berputar dalam medan magnet. Perputaran dari dinamo ini menghasilkan arus listrik, bentuk energi yang sangat nyaman. Sementara itu, uap air daun turbin dan terus dalam siklus tertutup. Ini melewati penukar panas di mana aliran air pendingin membawa pergi sisa energi panas awalnya diperoleh dari bahan bakar. Air mengembun menjadi wujud cair kembali dan kembali mendidih, siap untuk melanjutkan siklus transfer energi.
Proses transformasi energi yang menakjubkan ini diringkas dalam Gambar
4.4. molekul yang membuat suatu bahan bakar yang baik akan memiliki energi potensial yang tinggi, sedangkan bahan bakar yang jelek akan memiliki energi potensial yang lebih rendah. Proses pembakaran mengkonversi sebagian energi potensial bahan bakar molekul menjadi panas, yang pada gilirannya diserap oleh air dalam boiler. Ketika air molekul menyerap panas, mereka bergerak lebih cepat dan lebih cepat ke segala arah ; energi kinetiknya telah meningkat. Kekacauan ini, gerakan pada tingkat molekuler ini merupakan apa yang kita sebut panas, sedangkan suhu adalah ukuran statistik dari kecepatan rata-rata gerakan tersebut. Oleh karena itu, suhu meningkat sebagai jumlah energi kinetik dari molekul meningkat. Ketika air menguap menjadi uap, molekul-molekul air memperoleh sejumlah besar energi kinetik. Energi yang diubah menjadi energi mekanik dalam turbin berputar yang mengubah generator yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.
Gambar 4.3 Diagram pembangkit listrik untuk konversi bahan bakar kimia ke listrik.
Gambar 4.4 Transformasi energi dalam pembangkit tenaga listrik bahan bakar fosil.
Sesuai dengan hukum pertama termodinamika, energi dilestarikan sepanjang transformasi ini. Yang pasti, tidak ada energi baru dibuat, tetapi tidak juga ada yang hilang. Kita mungkin tidak bisa menang, tapi setidaknya kita bisa impas... atau bisakah kita? Pertanyaannya adalah tidak semudah kedengarannya. Pada kenyataannya, kita tidak bisa impas. Tidak ada pembangkit listrik, tidak peduli seberapa baik rancangannya, benar-benar dapat mengubah semua panas menjadi kerja. Inefisiensi tidak bisa dihindari, terlepas dari insinyur terbaik dan lingkungan yang paling baik. Selalu ada inefisiensi, tentu saja, kerugian energi akibat gesekan dan kebocoran panas yang dapat diperbaiki, tetapi ini bukanlah masalah utama. Kesulitan utama adalah sifat alamiah, lebih khusus, sifat panas dan kerja.
Tabel 4.1 daftar efisiensi sejumlah langkah dalam produksi listrik. Efisiensi secara keseluruhan adalah produk dari efisiensi langkah-langkah individu. Hasil akhirnya adalah bahwa pembangkit listrik paling canggih saat ini beroperasi pada efisiensi keseluruhan hanya sekitar 42%. Perhatikan, misalnya, kasus pemanas listrik rumah, kadang-kadang diiklankan sebagai energi bersih dan berdayaguna. Kami akan menganggap bahwa listrik yang dihasilkan oleh pembangkit listrik pembakaran metana dengan efisiensi teoritis maksimum 60%. Efisiensi dari boiler, turbin, pembangkit listrik, dan jaringan transmisi listrik diberikan dalam Tabel 4.1, mengubah energi listrik menjadi panas kembali di rumah adalah 98% efisien.
Tabel 4.1 Efisiensi Khas dalam Produksi Listrik Efisiensi teoritis maksimum
55-60%
Efisiensi boiler
Efisiensi mekanik turbin
Efisiensi generator listrik
Efisiensi transmisi daya
Untuk menemukan efisiensi keseluruhan pembangkit listrik untuk urutan pemanas-rumah, kita kalikan efisiensi langkah-langkah individu, dinyatakan sebagai setara desimal mereka. Perhatikan bahwa untuk pembangkit listrik pembakaran- metana, kita menggunakan efisiensi teoritis maksimum, bukan efisiensi operasional yang sebenarnya.
Efisiensi keseluruhan = efisiensi (pembangkit listrik) x (Boiler) x (Turbin) x (Pembangkit listrik) x (Transmisi daya) x (pemanas listrik Rumah)
= 0.60 x 0.90 x 0.75 x 0.95 x 0.90 x 0.98 = 0.34
Efisiensi keseluruhan sama dengan 0,34 menunjukkan bahwa hanya 34% dari energi panas total yang diperoleh dari pembakaran metana di pembangkit listrik yang tersedia untuk memanaskan rumah. Jika rumah dipanaskan dengan listrik
membutuhkan 3,5 x 10 7 kJ (nilai khas untuk kota di bagian utara bumi di Januari), berapa banyak metana (dalam gram) yang harus dibakar di pembangkit listrik? Pembakaran 1 gram metana melepaskan 50,1 kJ. Ingatlah bahwa hanya 34% dari energi dari metana terbakar tersedia untuk memanaskan rumah. Jadi, karena inefisiensi, jauh lebih banyak jumlah metana harus dibakar untuk melepaskan 3,5 x
10 7 kJ. Kita sekarang menghitung jumlah total panas yang harus digunakan. panas yang digunakan x efisiensi = panas yang dibutuhkan
panas yang digunakan x 0.34 = 3.5 x 10 7 kJ
3,5 10 7 kJ
panas yang digunakan
1,0 10 8 kJ
Karena setiap gram metana dibakar menghasilkan 50,1 kJ, 2.0 x 10 6 g metana
harus dibakar untuk memberikan 1.0 x 10 8 kJ.
8 1 g CH
4 1,0 10 6 kJ 2,0 10 g CH
50,1 kJ Anda dapat membandingkan efisiensi pemanasan rumah dengan listrik
dibandingkan gas alam oleh menyelesaikan kegiatan berikut.
Pertimbangkan lagi Newton’s cradle. Anda tidak akan pernah berharap bola yang mula-mula dalam keadaan diam mulai mengetuk ke satu sama lain sesama mereka sendiri, kan? Untuk itu terjadi, semua panas energi yang hilang ketika bola yang mengetuk ke satu sama lain harus berkumpul lagi. Ketidakmampuan pembangkit listrik untuk mengubah panas menjadi kerja dengan 100% efisiensi, dan ketidakmampuan Newton’s cradle untuk memulai dari keadaan diam merupakan hasil dari pengaruh entropi. Kita mendefinisikan entropi sebagai keacakan dalam posisi Pertimbangkan lagi Newton’s cradle. Anda tidak akan pernah berharap bola yang mula-mula dalam keadaan diam mulai mengetuk ke satu sama lain sesama mereka sendiri, kan? Untuk itu terjadi, semua panas energi yang hilang ketika bola yang mengetuk ke satu sama lain harus berkumpul lagi. Ketidakmampuan pembangkit listrik untuk mengubah panas menjadi kerja dengan 100% efisiensi, dan ketidakmampuan Newton’s cradle untuk memulai dari keadaan diam merupakan hasil dari pengaruh entropi. Kita mendefinisikan entropi sebagai keacakan dalam posisi
Sebuah cara yang membantu untuk melihat peningkatan entropi universal yang menjadi ciri khas semua perubahan adalah dalam hal probabilitas. Keadaan yang tidak teratur adalah lebih mungkin daripada yang teratur, dan perubahan alam selalu berproses dari kurang memungkinkan kepada yang lebih mungkin. Mari kita misalkan Anda menentukan keteraturan yang sempurna sebagai kaus kaki dalam laci yang indah terorganisir, semua kaus kaki yang cocok, dilipat, dan ditempatkan dalam baris. Hal ini akan mewakili kondisi entropi rendah (sedikit keacakan). Jika Anda seperti kebanyakan orang, ini mungkin pengaturan agak tidak mungkin. Itu pasti tidak terjadi dengan sendirinya, butuh kerja (masukan energi) untuk mengatur kaus kaki. Tanpa melanjutkan pekerjaan penataan ini, sangat mungkin bahwa, selama seminggu, sebulan, atau satu semester, entropi dan gangguan itu laci kaus kaki akan meningkat. Intinya adalah bahwa ada cara yang lebih banyak kaus kaki yang dapat bercampur daripada ada cara untuk kaus kaki untuk dipasangkan, gangguan lebih mungkin dibandingkan dengan urutan. Sebaliknya, sangat tidak mungkin bahwa Anda akan membuka laci Anda pada suatu pagi dan menemukan bahwa kaus kaki yang dicampur aduk sebelumnya berada dalam susunan yang rapi sempurna dan entropi dalam bagian tertentu dari alam semesta tiba-tiba dan spontan menurun tanpa intervensi eksternal.
Perubahan yang mustahil terjadi dari kekacauan menuju keteraturan dengan sendirinya pada dasarnya juga berlaku dalam konversi panas menjadi kerja. Henry Bent, seorang ahli kimia terkenal, memperkirakan bahwa kemungkinan konversi lengkap satu kalori panas untuk pekerjaan adalah hampir sama dengan kemungkinan sekelompok monyet mengetik lengkap karya Shakespeare 15 kali kuadriliun (15 x
10 15 ) tanpa kesalahan. Jelas, kita tidak perlu menunggu untuk mengamati cradle Newton berjalan dengan sendirinya ; sama, kita tidak bisa mengharapkan konversi energi antara satu bentuk ke bentuk lain harus benar-benar efisien.
4.3 Mengukur Perubahan Energi Apa yang membuat zat seperti batu bara, gas, minyak, atau kayu dapat digunakan sebagai bahan bakar, sedangkan yang lain tidak? Untuk menjawab pertanyaan ini mari kita perhatikan proses pembakaran, proses pembangkitan energi yang paling umum. Pembakaran adalah proses kimia di mana bahan bakar bergabung cepat dengan oksigen untuk melepaskan energi dan membentuk produk, biasanya karbon dioksida dan air. Dalam sebuah transformasi kimia, energi potensial reaktan lebih besar daripada produk. Karena energi bersifat kekal, maka perbedaan energi antara produk dan reaktan akan dilepaskan, terutama sebagai panas.
Misalnya proses pembakaran metana, CH 4 , komponen utama gas alam, bahan bakar utama pemanasan-rumah. Produk utamanya adalah karbon dioksida dan uap air. Dalam Bab 1, Kita telah menuliskan persamaan pembakaran.
CH g 4 2 Og 2 CO g 2 2 HOg 2 energi [4,1]
Meskipun reaksi kimia sering ditulis tanpa termasuk "energi" di kedua sisi, di sini kita melakukannya untuk menekankan perubahan energi yang terkait dengannya. Reaksi ini eksotermis, istilah yang diterapkan pada setiap perubahan kimia atau fisik disertai dengan pelepasan panas. Tidak mengherankan, jumlah panas yang dihasilkan tergantung pada jumlah bahan bakar yang dibakar.
Jumlah energi panas dilepaskan dalam reaksi pembakaran dapat ditentukan secara eksperimental dengan alat yang disebut kalorimeter (Gambar 4.5). Sejumlah massa tertentu bahan bakar dan kelebihan oksigen dimasukkan ke dalam berdinding berat stainless steel "bom." Bom tersebut kemudian disegel dan tenggelam dalam seember air. Reaksi dimulai dengan arus listrik yang membakar melalui kawat sekering. Panas berevolusi dengan reaksi eksotermis mengalir dari bom ke air dan seluruh aparatus. Akibatnya, suhu sistem kalorimeter keseluruhan meningkat. Jumlah panas yang dilepaskan oleh reaksi dapat dihitung dari suhu naik ini dan dikenal menyerap panas properti dari kalorimeter dan air yang dikandungnya. Semakin besar kenaikan suhu, semakin besar jumlah energi yang dilepaskan oleh reaksi.
Gambar 4.5 Gambar skematik dari kalorimeter bom.
Eksperimen pengukuran semacam ini merupakan sumber nilai yang sering disebut dengan kalor pembakaran. Seperti namanya, panas pembakaran adalah jumlah energi panas yang dilepaskan ketika jumlah tertentu zat terbakar dalam oksigen. Kalor pembakaran biasanya dilaporkan sebagai nilai-nilai positif dalam kilojoule per mol (kJ/mol), kilojoule per gram (kJ/g), kilokalori per mol (kkal/mol), atau kilokalori per gram (kkal/g). Kesetaraan energi dari berbagai makanan juga biasanya ditentukan dengan kalorimetri. Panas ditentukan secara eksperimental pembakaran
metana adalah 802,3 kJ. Ini berarti 802,3 kJ panas dilepaskan ketika 1 mol CH 4 (g) bereaksi dengan 2 mol O 2 (g) untuk membentuk 1 mol CO 2 (g) dan 2 mol H 2 O (g) (lihat Persamaan 4.1). Kita juga dapat menghitung jumlah kilojoule dilepaskan ketika metana adalah 802,3 kJ. Ini berarti 802,3 kJ panas dilepaskan ketika 1 mol CH 4 (g) bereaksi dengan 2 mol O 2 (g) untuk membentuk 1 mol CO 2 (g) dan 2 mol H 2 O (g) (lihat Persamaan 4.1). Kita juga dapat menghitung jumlah kilojoule dilepaskan ketika
802,3 kJ 1molCH 4
50,1 kJ g CH 4
1 molCH 4 16,0 gCH 4 Panas yang dilepaskan menunjukkan penurunan energi dari sistem kimia selama
reaksi. Dengan kata lain, reaktan (metana dan oksigen) berada pada energi potensial lebih tinggi dari produk (karbon dioksida dan uap air). Oleh karena itu, pembakaran metana analog dengan air yang terjadi selama jatuh atau benda jatuh. Dalam semua perubahan ini, energi potensial berkurang dan diubah menjadi bentuk energi lain (panas, suara, cahaya, dll). Tanda negatif tradisional melekat pada perubahan energi untuk semua reaksi eksotermis menandakan penurunan ini. Misalnya, perubahan energi
-802,3 kJ/mol. Gambar 4.6 adalah representasi skematis dari proses ini. Panah bawah menunjukkan bahwa energi yang berkaitan dengan 1 mol CO 2 (g) dan 2 mol H 2 O (g) kurang dari energi yang berkaitan dengan 1 mol CH 4 (g) dan 2 mol O 2 (g). Perbedaan energi antara produk dan reaktan yang demikian memiliki kuantitas negatif, seperti halnya untuk semua reaksi eksotermis. Dalam pembakaran metana, perbedaan energi adalah -802,3 kJ.
Gambar 4.6 Perbedaan energi dalam pembakaran metana, reaksi eksotermis.
Meskipun semua reaksi kimia digunakan untuk menghasilkan energi adalah eksotermik, banyak reaksi alami, seperti fotosintesis, justru menyerap energi saat reaksi ini terjadi. Anda telah menemui dua contoh penting dalam kimia atmosfer.
Salah satunya adalah dekomposisi O 3 untuk menghasilkan O 2 dan O, dan yang lainnya adalah kombinasi dari N 2 dan O 2 untuk menghasilkan dua molekul NO. Kedua reaksi membutuhkan energi yang bisa dalam bentuk pelepasan listrik, sebuah foton energi tinggi, atau suhu tinggi. Reaksi-reaksi ini endotermik, istilah yang diterapkan Salah satunya adalah dekomposisi O 3 untuk menghasilkan O 2 dan O, dan yang lainnya adalah kombinasi dari N 2 dan O 2 untuk menghasilkan dua molekul NO. Kedua reaksi membutuhkan energi yang bisa dalam bentuk pelepasan listrik, sebuah foton energi tinggi, atau suhu tinggi. Reaksi-reaksi ini endotermik, istilah yang diterapkan
Energi potensial dari setiap spesies kimia tertentu berhubungan dengan ikatan kimia yang terlibat dalam molekulnya. Pada bagian berikut, kita menggambarkan bagaimana pengetahuan struktur molekul dapat digunakan untuk menghitung kalor pembakaran dan memungkinkan kita untuk memahami beberapa perbedaan antara bahan bakar.
4.4 Perubahan Energi Pada Tingkat Molekul
Pada bagian sebelumnya, kita belajar kita bisa mengukur perubahan eksperimental energi terkait dengan banyak reaksi, baik eksotermik atau endotermik. Sekarang kita mengalihkan perhatian kita untuk menjelaskan asal-usul perubahan energi. Reaksi kimia melibatkan penataan ulang atom, ikatan kimia yang putus dan terbentuk. Energi yang dibutuhkan untuk memutuskan ikatan, seperti energi yang dibutuhkan untuk memutus rantai atau merobek kertas. Sebaliknya, pembentukan ikatan kimia adalah proses eksotermis di mana energi dilepaskan. Perubahan energi keseluruhan yang terkait dengan reaksi kimia tergantung pada efek bersih dari pemutusan dan pembentukan ikatan ini. Jika energi yang dibutuhkan untuk melepaskan ikatan pada reaktan (endotermik) lebih besar dari energi yang dilepaskan (eksotermik) ketika membentuk produk, reaksi keseluruhan endotermik, energi akan diserap. Sebaliknya, Jika, eksotermik energi ikatan-pembuatan produk lebih besar dari pemecahan ikatan endotermik dalam reaktan, maka perubahan energi bersih adalah eksotermis, energi dilepaskan oleh reaksi.
Sebagai contoh, perhatikan pembakaran hidrogen. Saat ini banyak diteliti mengenai hidrogen sebagai bahan bakar karena besarnya jumlah energi per gram yang dilepaskan bila terbakar. Kita bisa menghitung perubahan energi total yang berkaitan dengan pembakaran hidrogen untuk membentuk uap air, yang diwakili oleh persamaan 4.2.
2 Hg 2 Og 2 2 HOg 2 energi [4,2]
Pendekatan yang akan kami mengambil adalah untuk menganggap bahwa semua energi pada molekul reaktan yang rusak dan kemudian atom individu dipasang kembali ke dalam molekul produk. Bahkan, reaksi tidak terjadi seperti itu. Tapi kita tertarik hanya keseluruhan (netto) perubahan, bukan rinciannya. Oleh karena itu, kita akan melanjutkan dengan rencana nyaman kita dan melihat seberapa baik hasil yang kita dihitung sesuai dengan nilai eksperimental.
Angka-angka yang kita butuhkan untuk perhitungan diberikan dalam Tabel
4.2, daftar dari energi ikatan yang terkait dengan berbagai ikatan kovalen. Energi ikatan adalah jumlah energi yang harus diserap untuk memecah ikatan kimia yang spesifik. Dengan demikian, karena energi harus diserap, memecah ikatan merupakan proses endoterm, dan semua energi ikatan dalam Tabel 4.2 positif. Jelas, jumlah energi yang dibutuhkan tergantung pada jumlah ikatan yang dipurus: lebih banyak pemutusan maka akan mengambil lebih banyak energi. Biasanya, energi ikatan dinyatakan dalam kilojoule per mol. Perhatikan bahwa atom muncul baik di bagian atas dan bawah sisi kiri Tabel 4.2. Jumlah di persimpangan setiap baris dan kolom adalah energi (dalam kilojoule) diperlukan untuk memecah mol yang menghubungkan
dua atom. Sebagai contoh, energi ikatan H--H, seperti pada molekul H 2 , adalah 436 kJ/mol. Demikian pula, energi yang dibutuhkan untuk memecah 1 mol O--O ikatan ganda adalah 498 kJ, seperti dicatat dari bagian bawah tabel. Energi ikatan untuk ikatan rangkap lainnya, serta untuk beberapa ikatan rangkap tiga, juga diberikan dalam tabel.
Sumber: Data dari Darrell D. surut, Kimia Umum, Edisi Keempat, 1993 Houghton Mifflin Co. Data berasal dari Kimia Anorganik: Prinsip Struktur dan Reaktivitas, Edisi Ketiga, oleh James E. Huheey, 1983, Addison Wesley Longman.
Kita perlu untuk melacak perubahan energi yang terlibat dalam setiap pemutusan-ikatan atau proses pembuatan ikatan dan apakah energi yang diambil atau dilepaskan. Untuk melakukan ini, kami mengasumsikan bahwa energi yang diserap membawa tanda positif, seperti deposito untuk buku cek Anda. Di sisi lain, energi yang dilepaskan adalah seperti uang yang dihabiskan, melainkan bertanda negatif. Energi ikatan positif karena mereka mewakili energi yang diserap ketika Kita perlu untuk melacak perubahan energi yang terlibat dalam setiap pemutusan-ikatan atau proses pembuatan ikatan dan apakah energi yang diambil atau dilepaskan. Untuk melakukan ini, kami mengasumsikan bahwa energi yang diserap membawa tanda positif, seperti deposito untuk buku cek Anda. Di sisi lain, energi yang dilepaskan adalah seperti uang yang dihabiskan, melainkan bertanda negatif. Energi ikatan positif karena mereka mewakili energi yang diserap ketika
Sekarang kita akhirnya siap untuk menerapkan konsep-konsep dan konvensi untuk pembakaran gas hidrogen, H 2 . Pertama, kita perlu menentukan berapa banyak mol ikatan yang rusak dan berapa banyak mol ikatan terbentuk. Kita dapat melakukannya dengan menggambar struktur Lewis dari spesies seperti yang ditunjukkan pada persamaan 4.3.
Ingat bahwa persamaan kimia dapat dibaca dalam hal mol. Kedua persamaan
4.2 dan 4.3 menunjukkan "2 mol H 2 (g) ditambah 1 mol O 2 (g) menghasilkan 2 mol air gas (uap air)." Tapi untuk menggunakan energi ikatan, kita perlu menghitung jumlah mol ikatan terlibat. Karena setiap molekul H 2 berisi satu H--H ikatan, 1 mol H 2 harus berisi 1 mol ikatan H--H. Demikian pula, persamaan 4.3 menunjukkan bahwa 1 mol O 2 berisi 1 mol O--O ikatan ganda. Setiap mol air mengandung 2 mol ikatan H--O, dengan demikian, 2 mol air mengandung 4 mol H--O ikatan. Oleh karena itu, kita sekarang memiliki jumlah mol ikatan untuk putus (2 mol H--H dan 1 mol O--O rangkap) dan mereka yang akan dibentuk (4 mol H--O). Jumlah ini ikatan ini kemudian dikalikan dengan energi ikatan perwakilan, menggunakan konvensi tanda yang cocok (+ untuk ikatan yang putus; - Untuk ikatan yang terbentuk). Akibatnya, perubahan energi secara keseluruhan dalam pemutusan ikatan (872 kJ + 498 kJ = 1370 kJ) dan membentuk yang baru (- 1868 kJ) adalah - 498 kJ.
Sebuah representasi skematis dari perhitungan ini disajikan pada Gambar
4.7. Energi dari reaktan, 2 H 2 dan O 2 , ditetapkan sebesar nol. Panah hijau menunjuk ke atas menandakan energi yang diserap untuk memutuskan ikatan dan mengubah molekul reaktan menjadi atom individu : 4 H dan 2 O. panah merah di sebelah kanan menunjuk ke bawah mewakili energi yang dilepaskan sebagai atom-atom ini
tersambung kembali dengan ikatan baru untuk membentuk molekul produk : 2 H 2 O. Panah pendek merah sesuai dengan perubahan energi bersih -498 kJ menandakan bahwa reaksi pembakaran secara keseluruhan sangat eksotermis. Pelepasan panas sesuai dengan penurunan energi dari sistem kimia, yang menjelaskan mengapa perubahan energi negatif. Hasil akhirnya adalah pelepasan energi, sebagian besar dalam bentuk panas. Cara lain untuk melihat reaksi eksotermis tersebut sebagai tersambung kembali dengan ikatan baru untuk membentuk molekul produk : 2 H 2 O. Panah pendek merah sesuai dengan perubahan energi bersih -498 kJ menandakan bahwa reaksi pembakaran secara keseluruhan sangat eksotermis. Pelepasan panas sesuai dengan penurunan energi dari sistem kimia, yang menjelaskan mengapa perubahan energi negatif. Hasil akhirnya adalah pelepasan energi, sebagian besar dalam bentuk panas. Cara lain untuk melihat reaksi eksotermis tersebut sebagai
Kita juga bisa menggunakan energi ikatan dari Tabel 4.2 untuk menghitung perubahan energi untuk pembakaran metana. Sekali lagi, hal ini berguna untuk menulis struktur Lewis untuk setiap spesies dalam reaksi seperti pada persamaan
Gambar 4.7 Perubahan energi selama pembakaran hidrogen untuk membentuk air.
Satu mol metana berisi 4 mol ikatan C--H, masing-masing dengan energi ikatan 416 kJ. Pemutusan 2 mol ikatan ganda O--O membutuhkan 996 kJ (2 x 498 kJ). untuk membentuk produk, 2 mol ikatan ganda C--O dalam 1 mol CO 2 (2 x 803 kJ), dan 4 mol ikatan H--O dalam 2 mol air (4 x 467 kJ) adalah diperlukan. Perhatikan lagi bahwa pembentukan ikatan adalah eksotermik, dan energi ikatan terkait memiliki tanda minus.
Perubahan total energi dalam memecah ikatan= (+1664 kJ) + ( +996 kJ) = +2660 kJ Perubahan total energi dalam membuat ikatan= ( -1606 kJ) + ( -1868 kJ) = -3474 kJ
Perubahan energi bersih = ( +2660 kJ) + ( -3474 kJ) = -814 kJ
Kalor pembakaran, dengan konvensi, terdaftar sebagai nilai-nilai positif. Dengan demikian, panas pembakaran metana dihitung dengan menggunakan energi ikatan adalah +814 kJ.
Perubahan energi yang kita hitung hanya dari energi ikatan, -498 kJ untuk pembakaran 1 mol hidrogen dan -814 kJ untuk pembakaran 1 mol metana, lebih menguntungkan dibandingkan dengan ditentukan nilai eksperimental. Ini bukan apa yang sebenarnya terjadi. Tapi perubahan energi yang menyertai reaksi kimia tergantung pada perbedaan energi antara produk dan reaktan, bukan pada proses tertentu, mekanisme, atau langkah-langkah individu yang menghubungkan dua. Ini adalah ide yang sangat kuat ketika melakukan perhitungan terkait dengan perubahan energi dalam reaksi.
Tidak semua perhitungan seperti yang telah kita lakukan. Untuk satu hal, energi ikatan Tabel 4.2 hanya berlaku untuk gas, sehingga perhitungan dengan menggunakan nilai-nilai ini akan sesuai dengan eksperimen hanya jika semua reaktan dan produk berada dalam keadaan gas. Selain itu, energi ikatan ditabulasikan adalah nilai rata-rata. Kekuatan ikatan tergantung pada struktur keseluruhan dari molekul yang ditemukan, dalam kata lain, pada bagaimana atom terikat. Dengan
demikian, kekuatan ikatan OH sedikit berbeda di HOH, HOOH, dan CH 3 OH. Namun demikian, prosedur digambarkan di sini adalah cara yang berguna untuk memperkirakan perubahan energi dalam berbagai reaksi. Pendekatan ini juga membantu menggambarkan hubungan antara kekuatan ikatan dan energi kimia.
Analisis ini juga membantu menjelaskan mengapa H 2 O atau CO 2 yang terbentuk dalam reaksi pembakaran tidak dapat digunakan sebagai bahan bakar. Tidak ada zat di mana senyawa ini dapat dikonversi yang memiliki ikatan kuat dan lebih rendah dalam energi, kita tidak bisa menjalankan mobil pada knalpotnya.
4.5 Kebutuhan Kita akan BBM Hampir mustahil untuk memahami luasnya jumlah bahan bakar fosil yang
telah kita bakar di seluruh dunia untuk menghasilkan energi. Apa mungkin jelas, bagaimanapun, adalah bahwa energi tidak dikonsumsi sama di seluruh dunia. Sebagai contoh, 5% dari populasi dunia hidup di Amerika Utara mengkonsumsi sekitar 30% dari pasokan energi dunia. Gambar 4.8 menunjukkan tren dalam telah kita bakar di seluruh dunia untuk menghasilkan energi. Apa mungkin jelas, bagaimanapun, adalah bahwa energi tidak dikonsumsi sama di seluruh dunia. Sebagai contoh, 5% dari populasi dunia hidup di Amerika Utara mengkonsumsi sekitar 30% dari pasokan energi dunia. Gambar 4.8 menunjukkan tren dalam
Ledakan besar dalam konsumsi energi sebenarnya relatif baru. Dua juta tahun yang lalu, sebelum nenek moyang kita belajar untuk menggunakan api, sumber- sumber energi yang tersedia bagi seorang individu adalah dari tubuhnya sendiri atau dari Matahari. Hominid awal mungkin mengkonsumsi setara dari 2000 kkal per hari dan dikeluarkan sebagian besar untuk mencari makanan. Ini menggunakan energi harian sesuai dengan yang digunakan oleh 100-W (watt) lampu bohlam yang dipakai selama 24 jam. Penemuan api dan pemeliharan binatang telah meningkatkan energi yang tersedia untuk individu dengan sekitar enam kali. Oleh karena itu, kami memperkirakan bahwa sekitar 2000 tahun yang lalu, seorang petani dengan seekor lembu atau keledai memiliki sekitar 12.000 kkal tersedia setiap hari.
Revolusi Industri membawa lima atau enam kali lipat - peningkatan pasokan energi, sebagian besar dari batubara melalui mesin uap. Namun lompatan energi lain terjadi selama abad 20. Pada tahun 2000, total energi yang digunakan di Amerika Serikat (dari semua sumber dan untuk semua tujuan) berhubungan dengan sekitar 650.000 kkal per orang per hari. Ini berarti untuk tahunan kesetaraan 65 barel minyak atau 16 ton batu bara untuk setiap orang Amerika. Dalam istilah manusia, energi yang tersedia untuk setiap penduduk Amerika Serikat akan membutuhkan kerja fisik dari 130 pekerja. Namun, masih ada orang di planet yang energinya digunakan dan gaya hidup sangat mendekati orang-orang dari 2.000 tahun yang lalu.
Sejarah meningkatkan konsumsi energi terkait erat dengan perubahan energi sumber dan pengembangan perangkat untuk mengekstraksi dan mengubah energi itu. Gambar 4.9 menampilkan rata-rata konsumsi energi Amerika dari berbagai sumber sejak 1800. Grafik menunjukkan bahwa kayu awalnya merupakan sumber energi utama di Amerika Serikat, dan terus begitu sampai akhir 1880-an ketika kayu dikalahkan oleh batubara. Batubara menyediakan lebih dari 50% dari energi bangsa sejak saat itu sampai sekitar tahun 1940. Pada tahun 1950, minyak dan gas adalah sumber energi yang lebih dari setengah dari yang digunakan di negara ini. Fisi nuklir, sangat dipuji sebagai sumber energi hampir tak terbatas, belum mencapai potensi penuh untuk berbagai alasan. Air yang jatuh telah lama digunakan untuk daya pabrik dan, baru-baru ini, untuk menghasilkan listrik, tetapi memberikan hanya sebagian kecil dari total energi kita. Sampah, alkohol, panas bumi, angin, matahari dan sumber- sumber lainnya "energi terbarukan" yang dikombinasikan hampir tidak akan terlihat pada grafik ini, dan baru muncul hanya dalam 10 tahun terakhir.
Gambar 4.8 Sejarah (titik data) dan proyeksi (garis solid) masa depan konsumsi energi di seluruh dunia. EE = Eropa Timur, FSU = bekas Uni Soviet. Sumber: Tinjauan Energi Tahunan 2005, Departemen Energi/EIA.
Bagaimana kita memilih bahan bakar? Bahan seperti batu bara, minyak, dan gas alam memiliki banyak sifat yang diperlukan dalam bahan bakar. Mereka berisi konten energi yang besar, nilai untuk beberapa bahan bakar muncul dalam Tabel 4.3. Jumlah besar tampaknya tersedia sebagai sumber daya "alami", yang akan habis dipanen. Dari mana cadangan ini datang? Sesungguhnya, bahan bakar fosil ini adalah sinar matahari yang berada dalam keadaan padat, cair, dan gas. Sebagian besar energi yang mendorong mesin ekonomi kita berasal dari sisa-sisa masa lalu. Sinar matahari ditangkap jutaan tahun yang lalu oleh tanaman hijau yang berfotosintesis di planet prasejarah. Reaksi yang sama juga dilakukan oleh tanaman saat ini.
Gambar 4.9 Sejarah konsumsi energi AS menurut sumber, 1800-2005 (1 EJ = 10 18 J). Sumber: Tinjauan Energi Tahunan 2005, Departemen Energi/EIA.
Konversi karbon dioksida dan air menjadi glukosa dan oksigen ini adalah endotermik. Hal ini membutuhkan penyerapan 2800 kJ sinar matahari per mol
C 6 H 12 O 6 atau 15,5 kJ/g glukosa terbentuk. Reaksi tidak bisa terjadi tanpa penyerapan energi dan partisipasi molekul pigmen hijau yang disebut klorofil. Klorofil berinteraksi dengan foton sinar matahari terlihat dan menggunakan energi mereka untuk mendorong proses fotosintesis, suatu reaksi yang sangat cepat dan penuh energi.
Anda sudah menyadari peran penting dari fotosintesis pada generasi awal oksigen di atmosfer bumi, dalam menjaga keseimbangan karbon dioksida planet, dan menyediakan makanan dan bahan bakar untuk makhluk seperti kita. Selama respirasi, proses dimana manusia dan hewan mempertukarkan oksigen yang diperlukan untuk metabolisme dengan karbon dioksida yang dihasilkan oleh reaksi itu, kita pada dasarnya menjalankan kebalikan fotosintesis.
Kita mengekstrak 2800 kJ yang dilepas per mol glukosa " terbakar " dan menggunakan energi itu untuk daya otot dan saraf kita, meskipun kita tidak melakukannya dengan efisensi yang sempurna (lihat skeptis Chymist 4.3). Reaksi keseluruhan yang sama terjadi ketika kita membakar kayu, yang terutama selulosa, polimer yang terdiri dari pengulangan unit glukosa.
Ketika tanaman mati dan membusuk, mereka juga sebagian besar berubah menjadi CO 2 dan H 2 O. Namun, dalam kondisi tertentu, glukosa dan senyawa organik lain yang membentuk tanaman hanya sebagian membusuk dan residunya masih mengandung sejumlah besar karbon dan hidrogen. Kondisi tersebut muncul di berbagai sungai di masa lalu prasejarah planet kita, ketika sejumlah besar tanaman hidup yang terkubur di bawah lapisan sedimen di rawa-rawa atau di dasar laut. Pada kondisi ini, sisa-sisa materi sayuran dilindungi dari oksigen atmosfer, dan proses dekomposisi dihentikan. Namun, transformasi kimia lainnya terjadi pada suhu tinggi dan tekanan tinggi reaktor bumi. Selama jutaan tahun, tanaman yang menangkap sinar dari matahari muda diubah menjadi fosil yang kita sebut batu bara dan minyak bumi. Jacob Bronowski, dalam bukunya Biografi tentang Atom - Dan Semesta, tepat menggambarkan siklus dengan mengatakan, "Kamu akan mati tapi karbon tidak akan, karirnya tidak berakhir dengan Anda... itu akan kembali ke tanah, dan ada tanaman mungkin mengambilnya kembali dalam waktu, mengirim sekali lagi pada siklus tanaman dan kehidupan binatang". Jadi, dalam arti, bahan bakar fosil yang terbarukan, tapi tidak berada dalam kerangka waktu yang membantu manusia.
4.6 Batubara Eksploitasi besar bahan bakar fosil dimulai dengan Revolusi Industri, sekitar dua abad yang lalu. Mesin uap yang baru dibangun dikonsumsi dalam jumlah besar bahan bakar, tapi di Inggris, di mana revolusi dimulai, sebagian besar hutan sudah telah ditebang. Batubara ternyata menjadi sumber energi yang lebih baik daripada kayu karena menghasilkan lebih banyak panas per gram (lihat Tabel 4.3). Pada tahun 1960, sebagian besar batubara digunakan untuk menghasilkan listrik dan pada 2004, sektor listrik menyumbang 92% dari seluruh konsumsi batubara.
Batubara merupakan campuran kompleks dari zat. Meski bukan satu senyawa tunggal, batubara dapat didekati dengan rumus kimia C 135 H 96 O 9 NS. Formula ini sesuai dengan kandungan karbon dari 85% massa. Karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, dan atom belerang berasal dari bahan tanaman prasejarah asli. Selain itu, beberapa sampel batubara biasanya mengandung sejumlah kecil silikon, natrium, kalsium, aluminium, nikel, tembaga, seng, arsenik, timbal, dan merkuri.
Batubara terjadi dalam berbagai tingkatan kualitas, tapi tingkat apa pun, batubara merupakan bahan bakar yang lebih baik daripada kayu karena mengandung Batubara terjadi dalam berbagai tingkatan kualitas, tapi tingkat apa pun, batubara merupakan bahan bakar yang lebih baik daripada kayu karena mengandung
Gambar
4.10 Sampel antrasit (kiri) dan batubara lignit (kanan).
Secara umum, semakin sedikit oksigen senyawa yang ada, maka semakin banyak energi per gram senyawa itu yang akan dilepaskan pada proses pembakaran. Sebagai contoh spesifik, pembakaran 1 mol karbon untuk membentuk karbon dioksida dihasil sekitar 40% lebih banyak energi daripada yang diperoleh dari pembakaran 1 mol karbon monoksida. Yang pasti, batubara merupakan campuran, bukan senyawa, tetapi prinsip yang sama berlaku. Batubara antrasit dan bituminus Secara umum, semakin sedikit oksigen senyawa yang ada, maka semakin banyak energi per gram senyawa itu yang akan dilepaskan pada proses pembakaran. Sebagai contoh spesifik, pembakaran 1 mol karbon untuk membentuk karbon dioksida dihasil sekitar 40% lebih banyak energi daripada yang diperoleh dari pembakaran 1 mol karbon monoksida. Yang pasti, batubara merupakan campuran, bukan senyawa, tetapi prinsip yang sama berlaku. Batubara antrasit dan bituminus
Meskipun pasokan batubara global besar dan tetap menjadi bahan bakar yang banyak digunakan, batubara memiliki beberapa kelemahan serius. Masih terjadi kesulitan untuk memperoleh, dan penambangan bawah tanah adalah sangat berbahaya dan mahal. Sejak 1900, lebih dari 100.000 pekerja tewas di tambang batu bara Amerika oleh kecelakaan, di dalam gua, kebakaran, ledakan, dan gas beracun. Banyak lagi telah terluka atau lumpuh oleh penyakit pernapasan. Keselamatan tambang telah secara dramatis meningkat di Amerika Serikat dalam beberapa tahun terakhir, tetapi industri ini tetap masih berbahaya di negara-negara seperti China, di mana lebih dari 4.700 kematian pertambangan dilaporkan di tahun 2006 saja.
Teknik pertambangan aman dapat digunakan jika deposit batubara berada dekat dengan permukaan. Vegetasi yang ada di atas, tanah dan batuan akan dihapus untuk mengambil lapisan batubara, yang kemudian dihapus oleh mesin-mesin berat. "Strip pertambangan" ini harus dilakukan dengan hati-hati untuk mencegah kerusakan lingkungan yang serius. Peraturan yang berlaku di Amerika Serikat memerlukan penggantian bumi dan tanah dan penanaman pohon dan vegetasi di bekas lokasi tambang. Di masa lalu, namun, peraturan ini tidak di tempat untuk mencegah lubang besar di bumi dan tumpukan mengikis tanah yang masih ada daerah strip tambang ditinggalkan. Setelah batubara yang keluar dari tanah, transportasi adalah kesulitan kedua dan mahal karena batubara itu berwujud padat. Tidak seperti minyak dan gas, batu bara tidak dapat dipompa kecuali halus dibagi dan tergantung di sebuah bubur air.
Kerugian lain adalah bahwa batubara adalah bahan bakar kotor. Hal ini, tentu saja, secara fisik kotor, tapi pembakaran produknya yang kotor adalah lebih serius. Jelaga sisa pembakaran dari api batubara yang tak terhitung jumlahnya di abad ke-
20 ke-19 dan awal menghitam kedua bangunan dan paru-paru di banyak kota-kota industri. Kurang terlihat tetapi sama-sama merusak adalah oksida nitrogen (konsekuensi dari suhu tinggi yang terlibat) dan oksida sulfur (yang timbul dari setiap hadir sulfur dalam batu bara). Di Amerika Serikat, pembangkit listrik pembakaran batu bara bertanggung jawab untuk dua pertiga emisi sulfur dioksida dan seperlima dari emisi nitrogen oksida. Gas-gas ini adalah penyebab utama hujan asam. Meskipun batubara mengandung hanya sejumlah kecil merkuri (50-200 ppb), merkuri terkonsentrasi pada fly ash yang lolos sebagai materi partikulat ke atmosfer atau abu "bawah" yang tersisa. Di Amerika Serikat, pembangkit listrik tenaga batu bara memancarkan lebih dari 48 ton merkuri ke lingkungan setiap tahun. Batubara juga memiliki kelemahan yang sama dari semua bahan bakar fosil, karbon dioksida gas rumah kaca merupakan produk tak terhindarkan pembakarannya. Karena kandungan energi yang lebih rendah per gram batubara dibandingkan dengan bahan bakar fosil lainnya (lihat Tabel 4.3), lebih banyak karbon dioksida harus dibebaskan untuk menghasilkan jumlah energi yang sama dengan pembakaran batu bara.
Karena sifat yang kurang diinginkan dan fakta bahwa cadangan batubara relatif banyak di Amerika Serikat, upaya penelitian yang signifikan berlangsung bertujuan untuk mengembangkan teknologi batubara baru. Walaupun mungkin terdengar seperti sebuah ungkapan, "batu bara bersih" yang dipromosikan oleh para pendukungnya sebagai salah satu langkah penting menuju penurunan Karena sifat yang kurang diinginkan dan fakta bahwa cadangan batubara relatif banyak di Amerika Serikat, upaya penelitian yang signifikan berlangsung bertujuan untuk mengembangkan teknologi batubara baru. Walaupun mungkin terdengar seperti sebuah ungkapan, "batu bara bersih" yang dipromosikan oleh para pendukungnya sebagai salah satu langkah penting menuju penurunan
polusi berkurang sedangkan efisiensi pembakaran batu bara ditingkatkan. Dengan cadangan batubara di Amerika Serikat jauh lebih tinggi daripada semua bahan bakar fosil lainnya, penggunaan batubara hanya akan meningkat di masa depan. Hal ini, bagaimanapun, mungkin bahwa batu bara tidak akan dibakar dalam bentuk akrab, melainkan diubah menjadi lebih bersih dan lebih nyaman cair dan bahan bakar gas. Setelah kita membahas minyak bumi, kita akan mengalihkan perhatian kita beberapa alternatif pemanfaatan batubara.
gas buangan.
4.7 Petroleum Kebanyakan orang di kota-kota di Amerika akan sulit untuk menemukan bongkahan batubara dalam kehidupan sehari-hari. Memang, beberapa dari Anda mungkin pernah melihat batubara, tapi pasti Anda semua pernah melihat bensin. Sekitar tahun 1950, minyak bumi melampaui batubara sebagai sumber energi utama di Amerika Serikat. Alasannya relatif mudah dipahami. Minyak, seperti batu bara, berasal dari pembusukan bahan organik. Namun, ia memiliki keuntungan yang berbeda karena berbentuk cairan, sehingga mudah dipompa ke permukaan dari alam, kolam minyak yang di bawah tanah, diangkut melalui pipa, dan secara otomatis ke titik penggunaan. Selain itu, minyak bumi merupakan sumber energi yang lebih terkonsentrasi daripada batu bara, menghasilkan sekitar 40-60% lebih banyak energi per gram. Energi yang khas adalah 48 kJ/g untuk minyak dan 30 kJ/g untuk batubara.
Komponen utama diekstrak dari minyak bumi (crude oil) adalah bensin. Meskipun telah diekstrak sejak pertengahan 1800-an, bensin masih menjadi material yang berharga dan penting hanya dengan munculnya mobil dan mesin pembakaran internal pada awal abad ke-20. Pada tahun 2005, 117 miliar galon bensin dibakar di lebih dari 220 juta mobil Amerika, SUV, dan truk ringan yang bepergian menempuh sekitar 2,6 triliun kilometer. Di negara Amerika, kemampuan negara ini untuk mengkonsumsi bensin telah jauh melampaui kemampuannya untuk memproduksinya dari minyak mentah. Dengan 5% dari populasi dunia, penduduk Amerika mengkonsumsi 25% dari minyak yang diproduksi di seluruh dunia. Sebelum tahun 1950, Amerika hampir tidak mengimpor minyak. Pada pertengahan 1970-an, Amerika Serikat telah memproduksi hanya sekitar dua pertiga dari minyak mentah yang dibutuhkan untuk daya mobil dan pabrik-pabrik, menghangatkan rumah, serta melumasi mesin nya (Gambar 4.11).
Ketergantungan Amerika pada minyak yang kuat dari luar negeri berlanjut hari ini, meningkat dari 4,3 juta barel per hari pada 1985- menjadi 13000000 barel per hari Ketergantungan Amerika pada minyak yang kuat dari luar negeri berlanjut hari ini, meningkat dari 4,3 juta barel per hari pada 1985- menjadi 13000000 barel per hari
Gambar 4.11 US petroleum penggunaan produk, produksi dalam negeri dan impor. Saat ini, lebih dari 60% dari total minyak yang digunakan di Amerika Serikat diimpor, dan proyeksi menunjukkan impor minyak akan terus meningkat. Sumber: Departemen Energi, Administrasi Informasi Energi, Energi Ulasan Tahunan 2005.
Gambar 4.12 Sumber minyak mentah dan produk minyak bumi yang diimpor oleh Amerika Serikat pada tahun 2004. Sumber: EIA/DOE.
Sebagai bangsa, nafsu rakus Amerika untuk minyak tercermin dari konsumsi rata-rata hampir 22 juta barel minyak setiap hari di tahun 2005, minyak cukup untuk menutupi lapangan sepak bola dengan tinggi kolom minyak lebih dari 2500 ft. Dua pertiga dari ini adalah untuk transportasi. Tidak seperti batubara, bagaimanapun, minyak mentah belum siap untuk segera digunakan ketika diekstrak dari tanah. Minyak mentah pertama harus dimurnikan (disuling), sebuah proses yang telah memberikan pekerjaan yang menguntungkan bagi banyak ahli kimia dan insinyur kimia (dan beberapa orang lain). Hal ini juga telah menyediakan berbagai produk yang menakjubkan.
Petroleum merupakan campuran kompleks ribuan senyawa yang berbeda. Mayoritas adalah hidrokarbon, molekul yang terdiri dari hanya hidrogen dan atom karbon. Hidrokarbon dalam minyak bumi dapat mengandung dari 1 sampai sebanyak
60 atom karbon per molekul. Satu set alkana, hidrokarbon dengan hanya ikatan tunggal antara atom karbon, dapat dilihat pada Tabel 4.5. Konsentrasi sulfur dan unsur pengotor lain umumnya cukup rendah, meminimalkan emisi gas yang merusak lingkungan.
Kilang minyak telah menjadi ikon dari industri perminyakan (Gambar 4.13). Selama satu langkah dalam proses penyulingan, minyak mentah dipisahkan menjadi fraksi yang terdiri dari senyawa dengan sifat yang mirip. Sebuah proses fisik yang disebut distilasi fraksinasi menyelesaikan ini. Distilasi adalah proses pemisahan dimana suatu larutan dipanaskan sampai titik didih dan uap dikondensasikan dan dikumpulkan. Untuk menyaring (fraksinasi) minyak mentah, itu dipompa ke dalam wadah berukuran industri (besar) dan dipanaskan. Dengan meningkatnya suhu, komponen dengan titik didih terendah adalah yang pertama untuk menguapkan. Molekul-molekul dari komponen titik didih rendah melepaskan diri dari cairan dan menguap pada menara distilasi tinggi. Dengan peningkatan suhu lebih lanjut, fraksi didih lebih tinggi dari campuran menguap, tetapi molekul mereka tidak melakukan perjalanan sebagai tinggi menara. Pada tingkat yang berbeda dalam menara, masing-masing fraksi terkondensasi kembali ke keadaan cair.
Gambar 4.14 mengilustrasikan menara distilasi dan daftar beberapa fraksi yang diperoleh. Ini termasuk gas seperti metana, cairan seperti bensin dan minyak tanah, dan padatan berlilin seperti parafin. Perhatikan bahwa titik didih meningkat dengan meningkatnya jumlah atom karbon dalam molekul dan karenanya dengan meningkatnya massa molekul dan ukuran.
Molekul yang lebih berat dan yang lebih besar tertarik satu sama lain lebih kuat dibanding molekul yang lebih ringan, molekul yang lebih kecil. Pada gilirannya, suhu yang lebih tinggi diperlukan untuk menguapkan senyawa dengan massa molekul yang lebih tinggi dan ukuran yang lebih besar.
Berbagai fraksi disuling dari minyak mentah memiliki sifat yang berbeda dan penggunaan yang berbeda. Memang, keragaman yang besar dari produk yang diperoleh telah membuat minyak bumi merupakan sumber yang sangat berharga sebagai materi dan energi. Komponen yang paling volatile minyak bumi, gas kilang, mendidih jauh di bawah suhu kamar. Gas kilang yang sering digunakan sebagai bahan bakar untuk mengoperasikan menara distilasi. Mereka juga dapat dicairkan menjari gas kilang cair (LRG) dan dijual untuk digunakan di rumah atau digunakan untuk mensintesis molekul lain oleh produsen kimia. Fraksi bensin, mengandung hidrokarbon dengan 5-12 atom karbon per molekul, sangat penting untuk peradaban otomotif kita. Upaya merancang dan memproduksi mobil massal sebagian besar tidak berhasil sampai minyak disediakan bahan bakar cair yang mudah dan relatif aman. Fraksi didih yang lebih tinggi digunakan untuk bahan bakar mesin diesel dan pesawat jet. Masih fraksi didih lebih tinggi digunakan sebagai minyak pemanas industri dan minyak pelumas.
Refining per barel minyak mentah memberikan jajaran produk, dengan bensin merupakan fraksi terbesar (Gambar 4.15). Suatu hal yang mengejutkan bahwa sebanyak 37 galon dari hampir 45 galon dalam satu barel minyak mentah khas olahan hanya dibakar untuk pemanasan dan transportasi. Sisanya 7,6 galon digunakan untuk tujuan non bahan bakar, termasuk hanya 1,25 galon disisihkan untuk melayani sebagai bahan awal tidak terbarukan (reaktan, komersial disebut bahan baku) untuk membuat berbagai plastik, farmasi, kain, dan produk industri lainnya berbasis karbon begitu umum dalam masyarakat kita.
Sebuah diskusi tentang minyak bumi juga harus mencakup gas alam. Bahan bakar ini (biasanya mengandung 87-96% metana, 2-6% etana, dan jumlah yang lebih kecil dari hidrokarbon yang lebih besar, nitrogen, karbon dioksida, dan oksigen) saat ini menyediakan panas untuk dua pertiga dari rumah keluarga tunggal dan bangunan apartemen di Amerika Serikat. Akhir-akhir ini, telah meningkat dalam menggunakan gas alam sebagai sumber energi untuk menghasilkan listrik dan untuk menyalakan mobil dan truk. Sebuah keuntungan yang berbeda dari gas alam adalah bahwa pembakarannya jauh lebih sempurna dan bersih daripada bahan bakar fosil lainnya. Karena kemurniannya, gas sisa pembakarannya tidak mengandung sulfur dioksida ketika dibakar. Gas alam menghasilkan hidrokarbon volatile tidak terbakar dengan tingkat yang sangat rendah, karbon monoksida, dan nitrogen oksida, dan tidak meninggalkan residu abu atau logam beracun seperti merkuri. Selain itu, per joule energi yang dihasilkan, pembakaran gas alam menghasilkan karbon dioksida 30% kurang dari minyak dan karbon dioksida 43% kurang dari batubara.
Gambar 4.14 Diagram dari menara distilasi minyak mentah menunjukkan berbagai fraksi dan beberapa penggunaan yang khas. LRG=liquefied refinery gas = gas kilang cair.
Gambar 4.15 Produk (dalam gallon) dari pemurnian 1 barel minyak mentah. Catatan: Satu barel minyak mentah mengandung 42 galon. Namun, proses penyulingan menambahkan sedikit volume sehingga produk total lebih dari 42 galon.
4.8 Memanipulasi Molekul Membuat Bensin Distribusi senyawa diperoleh dengan penyulingan minyak mentah tidak sesuai dengan pola penggunaan komersial yang berlaku. Misalnya, permintaan untuk bensin jauh lebih besar dari itu untuk fraksi didih yang lebih tinggi. Beberapa proses kimia dapat digunakan setelah fraksinasi untuk mengubah distribusi alam dan untuk mendapatkan lebih banyak bensin dengan kualitas yang lebih tinggi. Ini termasuk
cracking, combining, dan re-forming (lihat Gambar 4.14). Cracking adalah proses kimia dimana molekul besar yang rusak menjadi lebih kecil yang cocok untuk digunakan dalam bensin. Misalnya, hidrokarbon dengan
16 karbon dapat di ckracking menjadi dua fragmen yang hampir sama,
C 16 H 34 C 8 H 18 +C 8 H 16 [4,7] atau ke yang berukuran berbeda.
C 16 H 34 C 11 H 22 + C5H 12 [4,8] Perhatikan bahwa jumlah karbon dan hidrogen atom tidak berubah dari pereaksi untuk produk. Semakin besar molekul reaktan hanya telah terpecah menjadi lebih kecil, molekul lebih ekonomis dan penting. Mewakili Persamaan 4.8 dengan model
ruang-mengisi menunjukkan perbedaan ukuran yang lebih jelas. Model C 11 H 22 juga menunjukkan "tikungan" di mana ikatan rangkap C--C berada.
Secara historis, thermal cracking dicapai dengan memanaskan bahan mulai suhu tinggi. Contoh ekstrim dari thermal cracking disebut kokas. Dalam proses ini, fraksi yang sangat terberat yang dipanaskan sampai antara 400 dan 450 ° C. Pemanasan mengubah minyak mentah fraksi terberat "dasar" menjadi bensin dan solar yang berguna dan meninggalkan residu karbon hampir murni.
Energi yang berharga disimpan ketika katalis digunakan untuk mempromosikan pemutusan molekul pada suhu yang lebih rendah dalam operasi yang disebut catalytic cracking. Catalytic cracking yang berguna telah dikembangkan oleh ahli kimia di semua perusahaan minyak besar, dan peneliti terus menemukan proses yang lebih selektif dan murah. Kita akan membahas bagaimana katalis mempengaruhi tingkat reaksi kimia dalam Bagian 4.10.
Jika distilasi sederhana menghasilkan molekul yang lebih kecil dari yang diperlukan tetapi tidak cukup yang berukuran menengah penting untuk bensin, kombinasi katalitik dapat digunakan. Dalam proses ini, molekul yang lebih kecil bergabung untuk membentuk molekul yang berukuran sedang yang berguna.
Di bagian lain dari proses pemurnian yang disebut re - forming maka atom dalam molekul dapat diatur kembali. Ternyata bahwa tidak semua molekul dengan rumus kimia yang sama yang selalu identik. Sebagai contoh, n - oktan, komponen
penting dari bensin, memiliki rumus C 8 H 18 . Analisis yang cermat mengungkapkan 18 senyawa yang berbeda dengan formula ini. Senyawa yang berbeda dengan rumus kimia yang sama disebut isomer. Isomer berbeda dalam struktur molekulnya - cara penting dari bensin, memiliki rumus C 8 H 18 . Analisis yang cermat mengungkapkan 18 senyawa yang berbeda dengan formula ini. Senyawa yang berbeda dengan rumus kimia yang sama disebut isomer. Isomer berbeda dalam struktur molekulnya - cara
Memanas pembakaran untuk n - oktan dan isooctane juga hampir identik, tetapi bentuk lebih kompak dari senyawa yang terakhir mengindikasikan pembakaran lebih terkendali. Dalam mesin mobil dengan tuned-baik, uap bensin dan udara ditarik ke dalam silinder, dikompresi oleh piston, dan dinyalakan oleh percikan api. Pembakaran normal terjadi saat busi membakar campuran bahan bakar udara dan api depan perjalanan di seluruh ruang pembakaran cepat dan lancar sampai bahan bakar yang dikonsumsi. Namun, kompresi saja mungkin cukup sering untuk menyalakan bahan bakar sebelum percikan terjadi. Istilah untuk pembakaran prematur ini adalah preignition. Ini menghasilkan efisiensi mesin yang lebih rendah dan konsumsi bahan bakar yang lebih tinggi karena piston tidak di lokasi yang optimal ketika gas terbakar. Ketukan (knocking), tekanan kekerasan dan tidak terkendali yang mungkin beberapa kali nilai biasa untuk mesin, terjadi setelah percikan membakar bahan bakar, yang menyebabkan campuran terbakar untuk membakar dengan kecepatan supersonik dengan kenaikan abnormal pada tekanan. Ketukan menghasilkan suara gemeretak logam, kehilangan kekuatan, terlalu panas, dan kerusakan mesin saat parah.
Gambar 4.16 Gambar garis dan ruang-mengisi representasi dari (a) n-oktan dan (b) isooctane.
Pada tahun 1920, ketukan terbukti tergantung pada komposisi kimia dari bensin. "Nilai oktan" dikembangkan untuk menunjuk resistensi bensin tertentu untuk ketukan. Isooctane melakukan sangat baik dalam mesin mobil dan telah ditetapkan memiliki nilai oktan 100. Seperti n-oktan, n-heptana adalah hidrokarbon rantai lurus,
tetapi dengan lebih sedikit gugus -CH 2 . Ini juga memiliki kecenderungan tinggi untuk menyebabkan ketukan dan telah ditetapkan nilai oktan 0 (Tabel 4.6). Ketika Anda pergi ke pompa bensin dan mengisi dengan oktan 87, Anda membeli bensin yang memiliki karakteristik yang sama ketukan sebagai campuran 87% isooktana (bilangan oktan 100) dan 13% heptana (bilangan oktan 0). Bensin kelas yang lebih tinggi juga tersedia: 89 oktan (ditambah biasa) dan oktan 92 (premium), ini mengandung persentase yang lebih besar dari senyawa dengan nilai oktan lebih tinggi (Gambar 4.17).
Meskipun n-oktan memiliki rating yang buruk, adalah mungkin untuk mengatur ulang atau "re-form" n-oktan untuk isooctane, sehingga sangat meningkatkan kinerjanya. Penataan ulang ini dilakukan dengan melewatkan n-oktan pada katalis yang terdiri dari unsur langka dan mahal seperti platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), atau iridium (Ir). Reformasi isomer untuk meningkatkan nilai oktan menjadi penting dimulai pada akhir tahun 1970 karena upaya nasional untuk melarang penggunaan tetraethyllead (TEL) sebagai aditif antiknock. Bahan bakar seperti metanol, etanol, dan MTBE mengandung oksigen dan memiliki peringkat oktan yang lebih tinggi dari isooctane. Aditif ini topik bagian berikutnya.
Gambar 4.17 Bensin tersedia dalam bermacam-macam peringkat oktan.
4.9 Bensin beroksigen Keberadaan mobil dalam budaya AS dan kebutuhan konsekuensial untuk bensin telah menimbulkan beberapa masalah tambahan. Penghapusan TEL sebagai aditif penambah oktan mengharuskan penemuan aditif pengganti yang murah, mudah untuk diproduksi, dan ramah lingkungan. Beberapa yang digunakan, termasuk etanol dan MTBE (metil tersier butil eter), masing-masing dengan nilai oktan lebih besar dari 100 (lihat Tabel 4.6).
Bahan bakar dengan aditif ini disebut sebagai bensin beroksigen, campuran turunan hidrokarbon petroleum dengan tambahan oksigen yang mengandung senyawa seperti MTBE, etanol, atau metanol (CH 3 OH). Karena mereka telah berisi oksigen, bensin oksigen membakar lebih bersih dengan menghasilkan karbon monoksida lebih sedikit dari rekan-rekan nonoxygenated mereka, sehingga mengurangi emisi CO. The Winter Oxyfuel Program, awalnya dilaksanakan pada tahun 1992 sebagai bagian dari Clean Air Act Amendments, kota ditargetkan dengan emisi CO musim dingin yang berlebihan untuk menggunakan bensin yang mengandung oksigen 2,7% oksigen berat. Etanol adalah oksigenat utama yang digunakan dalam program ini. Sekitar 40 kota yang ikut berpartisipasi, namun pada 2005 lebih dari dua pertiga tidak lagi melaksanakan The Winter Oxyfuel Program.
Sejak tahun 1995, sekitar 90 kota dan wilayah metropolitan dengan tingkat permukaan ozon yang terburuk telah mengadopsi the Year-Round Reformulated Gasoline Program yang diamanatkan oleh Clean Air Act Amendments Tahun 1990. Program ini membutuhkan penggunaan bensin reformulasi (RFGs), yaitu bensin beroksigen yang juga mengandung persentase yang lebih rendah dari hidrokarbon lebih tidak stabil tertentu seperti benzena ditemukan dalam bensin konvensional
nonoxygenated. RFGs tidak boleh memiliki lebih dari 1% benzena (C 6 H 6 ) dan harus mengandung minimal 2% oksigenat. Karena komposisi mereka, bensin ini menguap kurang mudah daripada bensin konvensional, dan menghasilkan emisi karbon monoksida yang lebih sedikit. Hidrokarbon lebih tidak stabil dalam bensin konvensional telah terlibat dalam ozon troposfer formasi, terutama di lalu lintas padat di daerah metropolitan. Saat ini, sekitar 35% dari bensin AS dirumuskan (yaitu, RFG) yang hampir 45% mengandung MTBE.
Penggunaan RFGs dan bensin beroksigen mencontohkan situasi risiko- manfaat. Potensi manfaat cukup besar. Mengganti bensin konvensional dengan RFGs telah menghasilkan keuntungan substansial. Dimulai dengan tahap kedua dari program RFG pada bulan Januari 2000, EPA memperkirakan penurunan tahunan minimal 100 ribu ton asap pembentuk polusi dan lebih dari 20 ribu ton bahan beracun melalui penggunaan RFGs. Namun, bahan bakar ramah lingkungan ini mungkin tidak bebas risiko, mereka belum digunakan cukup lama untuk kemungkinan efek merugikan jangka panjang, jika ada. Keprihatinan kesehatan mengenai pusat MTBE pada kelarutan yang cukup dalam air. Sayangnya, MTBE telah bocor dari tangki penyimpanan bawah tanah di pompa bensin, dilarutkan ke dalam air tanah dan telah menemukan jalan ke pasokan air di seluruh negeri. Penasehat air minum EPA menyatakan bahwa ada sedikit kemungkinan bahwa MTBE akan menimbulkan efek buruk kesehatan pada konsentrasi sekitar 40 ppb atau lebih kecil, di atas tingkat ini kebanyakan orang dapat mendeteksi keberadaannya dengan rasa atau bau. Pada Januari 2004, Institut Nasional Ilmu Kesehatan Lingkungan melaporkan tidak kelihatan efek kesehatan manusia dari paparan jangka pendek dalam jumlah besar Penggunaan RFGs dan bensin beroksigen mencontohkan situasi risiko- manfaat. Potensi manfaat cukup besar. Mengganti bensin konvensional dengan RFGs telah menghasilkan keuntungan substansial. Dimulai dengan tahap kedua dari program RFG pada bulan Januari 2000, EPA memperkirakan penurunan tahunan minimal 100 ribu ton asap pembentuk polusi dan lebih dari 20 ribu ton bahan beracun melalui penggunaan RFGs. Namun, bahan bakar ramah lingkungan ini mungkin tidak bebas risiko, mereka belum digunakan cukup lama untuk kemungkinan efek merugikan jangka panjang, jika ada. Keprihatinan kesehatan mengenai pusat MTBE pada kelarutan yang cukup dalam air. Sayangnya, MTBE telah bocor dari tangki penyimpanan bawah tanah di pompa bensin, dilarutkan ke dalam air tanah dan telah menemukan jalan ke pasokan air di seluruh negeri. Penasehat air minum EPA menyatakan bahwa ada sedikit kemungkinan bahwa MTBE akan menimbulkan efek buruk kesehatan pada konsentrasi sekitar 40 ppb atau lebih kecil, di atas tingkat ini kebanyakan orang dapat mendeteksi keberadaannya dengan rasa atau bau. Pada Januari 2004, Institut Nasional Ilmu Kesehatan Lingkungan melaporkan tidak kelihatan efek kesehatan manusia dari paparan jangka pendek dalam jumlah besar
Mengingat taruhan keuangannya yang terlibat dan kemungkinan resiko terhadap kesehatan manusia, maka tidak terlalu mengejutkan bahwa penggunaan bensin beroksigen senantiasa dilengkapi dengan konsekuensi politik dan hukum yang signifikan. Pada tahun 2005, 140 tuntutan hukum yang tertunda terhadap industri minyak untuk kerusakan lingkungan dan efek kesehatan yang merugikan yang disebabkan oleh tumpahan dan rembesan MTBE. Undang-Undang Kebijakan Energi, yang ditandatangani oleh Presiden George W. Bush pada tahun 2005, melarang MTBE dalam bahan bakar dimulai pada tahun 2014. RUU ini juga menetapkan "bantuan transisi" Program memberikan produsen MTBE $ 1750000000 dolar bantuan federal untuk pindah ke bisnis lain. Pada tahun 2005, bagaimanapun, 25 negara telah melangkah masuk dan melewati larangan MBTE mereka sendiri atau pembatasan yang ketat pada penggunaannya (Gambar 4.18). Karena litigasi yang sedang berjalan dan tekanan publik, banyak perusahaan minyak menghentikan penggunaan MTBE pada tahun 2006, delapan tahun sebelum larangan federal diberlakukan.
4.10 Bahan Bakar Baru, Sumber Baru Pasokan batu bara dunia diperkirakan akan berlangsung selama setidaknya 150 tahun ke depan, lebih lama dari perkiraan saat ini dari sisa cadangan minyak yang tersedia. Sayangnya, fakta bahwa batubara padat yang tidak nyaman untuk banyak aplikasi, terutama transportasi, bahan bakar cair atau gas yang diperlukan untuk mesin pembakaran internal. Oleh karena itu, proyek penelitian dan pengembangan yang dilakukan bertujuan untuk mengubah batubara padat menjadi bahan bakar dengan karakteristik yang mirip dengan produk minyak bumi.
Sebelum pasokan besar gas alam ditemukan dan dieksploitasi, kota yang dinyalakan dengan gas air. Ini adalah campuran karbon monoksida dan hidrogen, dibentuk oleh meniup uap atas kokas panas (karbon murni yang tersisa setelah komponen volatil disuling dari batubara):
Reaksi yang sama adalah titik awal untuk proses Fischer-Tropsch untuk memproduksi bensin sintetik. Kimiawan Jerman, Emil Fischer dan Hans Tropsch, mengembangkan teknologi ini selama tahun 1920. Hal ini layak secara ekonomis hanya apabila batubara berlimpah dan murah, dan minyak langka dan mahal. Ini adalah kasus di Afrika Selatan saat ini, dimana 40% bensin diperoleh dari batubara. Faktor ekonomi tersebut dapat menjadi kenyataan di Amerika Serikat dalam waktu dekat.
Proses Fischer-Tropsch dapat dijelaskan oleh reaksi umum ini. [4.12]
Produk hidrokarbon dapat berkisar dari molekul gas kecil seperti metana, CH 4 (n
Gambar 4.19 Energi reaksi diagram jalur untuk reaksi tanpa katalis (jalur hijau) dan dengan katalis (garis biru). Panah hijau dan biru mewakili energi aktivasi untuk reaksi tanpa katalis dan dengan katali. Panah merah merupakan perubahan energi secara keseluruhan untuk kedua jalur.
Untuk memahami proses ini, mempertimbangkan reaksi eksotermis yang khas seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.19. Perhatikan bahwa energi potensial reaktan (sisi kiri) lebih tinggi dari energi potensial dari produk (sisi kanan) karena itu adalah reaksi eksotermis. Sekarang periksa jalur yang menghubungkan reaktan dan produk. Garis hijau menunjukkan perubahan energi selama reaksi dengan tidak adanya katalis. Secara keseluruhan, reaksi ini mengeluarkan energi, tetapi energi awalnya naik karena beberapa ikatan istirahat (atau mulai rusak) lebih dulu. Energi yang diperlukan untuk memulai reaksi kimia disebut energi aktivasi dan ditunjukkan oleh panah hijau. Meskipun energi harus dikeluarkan untuk dimulainya reaksi, energi dilepaskan sebagai hasil proses ke keadaan energi potensial yang lebih rendah. Umumnya, reaksi yang terjadi dengan cepat memiliki energi aktivasi rendah, reaksi lambat memiliki energi aktivasi yang lebih tinggi. Namun, tidak ada hubungan langsung antara ketinggian penghalang aktivasi dan perubahan energi bersih dalam reaksi. Dengan kata lain, reaksi yang sangat eksotermis dapat memiliki energi aktivasi yang kecil atau dapat pula besar.
Peningkatan suhu sering menyebabkan peningkatan laju reaksi, ketika molekul memiliki energi ekstra, lebih banyak tabrakan dapat mengatasi energi aktivasi yang diperlukan. Kadang-kadang, bagaimanapun, meningkatkan suhu bukan merupakan solusi praktis. Garis biru menunjukkan bagaimana katalis dapat menyediakan jalur reaksi alternatif dan dengan demikian energi aktivasi yang lebih rendah (diwakili oleh panah biru) tanpa meningkatkan suhu.
Untuk memahami bagaimana katalis dapat berfungsi, mempertimbangkan reaksi diwakili oleh persamaan 4.12 pada tingkat molekuler. Molekul karbon Untuk memahami bagaimana katalis dapat berfungsi, mempertimbangkan reaksi diwakili oleh persamaan 4.12 pada tingkat molekuler. Molekul karbon
Lonjakan harga gas baru-baru ini dapat memicu peningkatan penggunaan proses Fischer -Tropsch di Amerika Serikat. Pada tahun 2005, gubernur dari dua negara yang kaya batu bara, Pennsylvania dan Montana, secara independen mengumumkan usaha untuk membangun pembangkit batubara-untuk-cairan yang akan mengkonversi disebut limbah batubara (sisa dari proses penambangan) menjadi bahan bakar diesel rendah sulfur. Karya terbaru oleh National Renewable Energy Laboratory, bagaimanapun, menunjukkan bahwa emisi gas rumah kaca selama siklus bahan bakar keseluruhan untuk memproduksi bahan bakar berbasis batubara hampir dua kali lebih tinggi dibanding berbasis minyak bumi.
Batubara, seperti minyak bumi, adalah sumber daya yang takterbarukan, dan karena bahan bakar berbasis batubara hanyalah solusi sementara, sumber energi berkelanjutan harus ditemukan. Sebuah solusi yang mungkin terletak pada konversi biomassa, istilah umum untuk materi tanaman seperti pohon, rumput, tanaman pertanian, atau bahan biologis lainnya, menjadi berbagai bahan bakar yang dapat digunakan. Jenis yang paling umum dari biomassa, kayu, adalah belum memadai untuk memenuhi kebutuhan energi masyarakat modern kita. Menebang pohon untuk bahan bakar juga menghancurkan penyerap efektif terhadap karbon dioksida dan gas rumah kaca dan polutan lainnya ke atmosfer. Di Afrika dan di tempat lain, seluruh ekosistem yang hilang akibat deforestasi besar-besaran karena orang harus terus- menerus membakar kayu untuk memasak dan sumber panas. Daripada mengandalkan pembakaran langsung dari produk alami, penelitian saat ini berfokus pada menciptakan bahan bakar dari proses alam, termasuk etanol dibuat melalui fermentasi dan biodiesel yang terbuat dari minyak tumbuhan yang berbeda.
Fermentasi pati dan gula dalam biji-bijian seperti jagung telah dikenal sejak zaman kuno. Pembuatan etanol dengan cara ini menciptakan bahan bakar yang, seperti bensin, yang terbarukan karena tanaman dapat terus ditanam. Enzim dilepaskan oleh sel ragi mengkatalisis reaksi jenis ini dengan persamaan.
Etanol dapat juga dibuat secara komersial dalam jumlah besar oleh reaksi air (uap
air) dengan etilena, C 2 H 4 (H 2 C=CH 2 ).
CH 2 CH 2 (g) + H 2 O(g) CH 3 CH 2 OH(l)
Ketika metode kedua digunakan untuk menghasilkan ethanol untuk bahan bakar beroksigen, air sisa harus secara berhati-hati dihilangkan sehingga tidak akan menimbulkan masalah di dalam mesin mobil.
Pembakaran etanol melepaskan 1367 kJ/mol C 2 H 5 OH, atau 29,7 kJ/g.
[ 4,15 ] Nilai ini kurang dari 47,8 kJ/g dihasilkan oleh pembakaran C 8 H 18 , karena etanol sudah berisi beberapa oksigen. Namun demikian, etanol dicampur dengan bensin untuk membentuk "gasohol". Pada konsentrasi biasa etanol 10%, gasohol dapat digunakan tanpa memodifikasi mesin mobil standar. Baik di Amerika Serikat dan di tempat lain, ada keuntungan yang signifikan dan investasi dalam memproduksi mobil dan truk yang menggunakan persentase yang lebih tinggi dari etanol. Dari 13 juta kendaraan di Brazil, lebih dari 4 juta penggunaan ethanol murni (dibuat dari fermentasi tebu), dan sisanya dari mobil beroperasi pada campuran etanol dan bensin. Lebih dari 3 juta kendaraan berbahan bakar fleksibel (flexible fuel vehicles = FFVs) sudah dijual di Amerika Serikat dapat menggunakan E-85 (etanol 85% dan 15% bensin), bensin atau campuran keduanya. Sangat mungkin bahwa pembeli banyak dari mereka 3 juta FFVs, yang meliputi sedan, minivan, SUV, dan truk pickup, tetap tidak menyadari bahwa mereka dapat bahan bakar dengan E-85. Sebuah catatan 3,9 miliar galon etanol yang diproduksi di Amerika Serikat pada tahun 2005. Industri ini jelas mengantisipasi pergeseran yang lebih besar penggunaan etanol sebagai bahan bakar, konstruksi pabrik tambahan akan membawa kapasitas produksi tahunan lebih dari 6 juta galon pada tahun 2008.
C 2 H 5 OH(l) + 3 O 2 (g) 2 CO 2 (g) + 3 H 2 O(l) + 1.367 kJ
Namun, sumber bahan bakar terbarukan ini bukan tanpa kritik. Masalah utama adalah bahwa matahari bukanlah satu-satunya sumber energi yang terlibat dalam etanol manufaktur. Energi yang dibutuhkan untuk menanam, menumbuhkan, dan memanen jagung, untuk memproduksi dan menerapkan pupuk; untuk menyaring alkohol dari mash fermentasi, dan untuk memproduksi traktor dan peralatan pertanian lainnya yang diperlukan. Karena banyak asumsi yang terlibat, saldo energi akurat sulit untuk dihitung. Beberapa penelitian memperkirakan bahwa untuk setiap joule dimasukkan ke dalam etanol produksi 1.2 J dipulihkan, tetapi yang lain menyimpulkan bahwa input energi gabungan lebih besar daripada energi yang terkandung dalam etanol yang dihasilkan.
Dalam hal apapun, semua input energi membuat galon etanol lebih murah untuk menghasilkan daripada satu galon bensin. Setiap tahun, pemerintah federal menyediakan lebih dari $ 2B subsidi kepada produsen etanol, yang sebagian besar diperoleh oleh perusahaan pertanian besar bukannya kepada petani kecil. Selain itu, satu gram etanol tidak menghasilkan energi sebanyak satu gram bensin, sehingga sementara nilai oktan gasohol lebih tinggi dari bensin bebas timbel biasa, jarak tempuh sedikit lebih rendah dengan alkohol campuran.
Selain itu, mereka yang menentang etanol sebagai bahan bakar mempertanyakan apakah lahan pertanian yang berharga, yang biasanya digunakan untuk menanam tanaman seperti jagung bahwauntuk makanan manusia dan hewan, harus digunakan untuk memproduksi gandum untuk etanol. Saat ini, Amerika Serikat Selain itu, mereka yang menentang etanol sebagai bahan bakar mempertanyakan apakah lahan pertanian yang berharga, yang biasanya digunakan untuk menanam tanaman seperti jagung bahwauntuk makanan manusia dan hewan, harus digunakan untuk memproduksi gandum untuk etanol. Saat ini, Amerika Serikat
Batasan persaingan mengenai penggunaan etanol sebagai bahan bakar, sebagian besar didasarkan pada kepentingan pribadi. Pendukung terbesar penggunaan etanol adalah EPA, Archer Daniels Midland (ADM, agribisnis), dan lebih dari 20 kelompok tani, termasuk Petani Jagung Nasional Asosiasi (Gambar 4.20). Pada sisi yang berseberangan adalah American Petroleum Institute, penyuling minyak dan perusahaan bensin, dan Sierra Club. Tergantung pada apakah mereka berasal dari negara-negara pertanian atau yang berkaitan erat dengan minyak, senator dan perwakilan AS berperan dalam masalah ini. Ada banyak hal lain yang dipertaruhkan-antara, 100-200 juta gantang jagung per tahun.
Produksi biodiesel sebagai bahan bakar alternatif telah tumbuh secara dramatis selama beberapa tahun terakhir (Gambar 4.21). Biodiesel dibuat dari alam, sumber daya terbarukan seperti minyak nabati baru dan bekas dan lemak hewani. Hal ini dapat dibakar sebagai bahan bakar murni atau dicampur dengan produk minyak bumi dan digunakan dalam mesin diesel yang tidak memerlukan modifikasi utama. Penggunaan bahan bakar ini secara signifikan akan mengurangi emisi dan tidak beracun serta biodegradable.
Khususnya, biodiesel melepaskan lebih banyak energi ketika dibakar daripada biaya untuk memproduksi. Pada tahun 1998, Departemen Energi AS dan Departemen Pertanian AS melakukan studi siklus hidup yang berlaku keseimbangan energi (energi yang diperlukan dibandingkan energi keluar) dari biodiesel. Studi ini menyimpulkan bahwa untuk setiap satu unit energi fosil yang digunakan di seluruh siklus produksi biodiesel, 3,2 unit energi yang diperoleh ketika bahan bakar dibakar, keseimbangan energi positif dari 320%. Kebijakan Energi Act of 2005 (EPACT) berisi ketentuan yang mengharuskan proses pemurnian untuk menghasilkan 4 miliar galon bahan bakar terbarukan per tahun pada tahun 2006 dan dua kali lipat jumlah itu pada tahun 2012, yang akan dibuat oleh kombinasi etanol dan biodiesel.
Namun sumber energi lain yang potensial adalah komoditas yang murah, selalu hadir dalam pasokan berlimpah, dan selalu dibaharui adalah sampah. Selain dalam film, kemungkinan tidak ada keinginan untuk merancang mobil yang akan berjalan pada kulit jeruk dan bubuk kopi, tapi sekitar 140 pembangkit listrik di Amerika Serikat melakukan hal itu. Salah satunya, terlihat pada Gambar 4.22, adalah Hennepin Sumber Daya Perusahaan Energi (Herc) di Minneapolis, Minnesota. Hennepin County memproduksi sekitar 1 juta ton sampah setiap tahun. Salah satu truk sampah (sekitar 27.000 lb) menghasilkan jumlah energi yang sama dengan 21 barel minyak. Herc mengkonversi 365.000 ton sampah per tahun menjadi cukup untuk memberikan tenaga setara dengan 25.000 rumah. Selain itu, lebih dari 11.000 ton logam yang mengandung besi dapat diambil dari sampah dan di daur ulang. Elk River Sumber Daya Pemulihan Fasilitas, yang kedua di Hennepin County, mengubah lain 235.000 ton sampah menjadi listrik. Emisi pada kedua situs secara signifikan di bawah standar negara bagian dan federal.
Pendekatan pemulihan sumber daya ini, seperti yang kadang-kadang disebut, secara bersamaan membahas dua masalah utama: meningkatnya kebutuhan energi dan gunung yang tumbuh dari limbah. Sebagian besar sampah diubah menjadi karbon dioksida dan air, dan tidak ada bahan bakar tambahan yang dibutuhkan. Residu terbakar dibuang di tempat pembuangan sampah, tetapi hanya mewakili sekitar 10% dari volume sampah yang asli. Meskipun beberapa warga telah menyatakan keprihatinan tentang emisi gas dari insinerator sampah, tumpukan insinerator limbah yang dimonitor secara seksama dan harus dipertahankan dalam batas yang ditetapkan. Jepang dan Jerman telah memanfaatkan jauh lebih besar dalam hal teknologi limbah - ke-energi dibanding Amerika Serikat.
Generator Metana memberikan contoh yang baik menggunakan limbah sebagai sumber energi. Pedesaan Cina dan India memiliki lebih dari satu juta reaktor di mana limbah hewani dan nabati difermentasi untuk membentuk biogas. Gas ini,
yaitu sekitar 60% CH 4 , dapat digunakan untuk memasak, pemanas, lampu, pendingin, dan pembangkit listrik. Teknologi ini sendiri sangat baik untuk diaplikasikan pada skala kecil. Kotoran setiap hari dari satu atau dua ekor sapi dapat menghasilkan cukup metana untuk memenuhi sebagian besar kebutuhan memasak dan penerangan dari sebuah keluarga petani. Dua pertiga dari keluarga pedesaan China menggunakan biogas sebagai bahan bakar utama mereka.
4.11 Kasus untuk Konservasi Sebuah fitur mendasar dari alam semesta adalah bahwa energi dan materi dilestarikan. Sebagaimana telah kita lihat, bagaimanapun, proses pembakaran mengubah materi dan energi ke dalam bentuk yang kurang berguna. Sebagai contoh, ketika kita membakar molekul hidrokarbon, kita akhirnya menghilangkan energi mereka sebagai panas. Produk-produk dari pembakaran karbon dioksida dan air
yang tidak dapat digunakan sebagai bahan bakar, dan peningkatan konsentrasi CO 2 di atmosfer yang terkait dengan perubahan iklim global berpotensi semakin parah. Selain itu, pasokan bahan bakar fosil sendiri terbatas dan tidak terbarukan. Mengingat kendala yang mendasarinya, akan terlihat bahwa perubahan dalam kebijakan energi kita yang tak terelakkan. Kapan dan bagaimana perubahan ini terjadi terserah kita. Dalam State of the Union address-nya pada tahun 2006, Presiden George W. Bush mengamati bahwa Amerika Serikat adalah "kecanduan minyak". Bahkan, faktanya hal ini adalah juga ketergantungan global. The U.S. Energy Information Administration memproyeksikan kenaikan 60% dalam permintaan global untuk
minyak yaitu 4.0 x 10 10 barel per tahun pada tahun 2020. Tidak mengherankan, peningkatan terbesar akan terjadi di negara-negara berkembang di mana pertumbuhan populasi, migrasi ke kota, dan industrialisasi akan menaikkan permintaan energi ke tertinggi belum pernah terjadi sebelumnya. Pada tahun 2010, negara-negara berkembang akan mencapai lebih dari setengah dari energi yang dikonsumsi.
Tuntutan pembangkit listrik konvensional untuk batu bara, minyak, dan gas alam yang luar biasa, tetapi bahan bakar fosil juga bahan baku penting untuk sintesis kimia. Di akhir abad ke-19, Dmitri Mendeleev, kimiawan besar Rusia yang mengusulkan tabel periodik unsur, mengunjungi ladang minyak of Pennsylvania dan Azerbaijan. Dia dikatakan telah mengatakan bahwa minyak terbakar sebagai bahan Tuntutan pembangkit listrik konvensional untuk batu bara, minyak, dan gas alam yang luar biasa, tetapi bahan bakar fosil juga bahan baku penting untuk sintesis kimia. Di akhir abad ke-19, Dmitri Mendeleev, kimiawan besar Rusia yang mengusulkan tabel periodik unsur, mengunjungi ladang minyak of Pennsylvania dan Azerbaijan. Dia dikatakan telah mengatakan bahwa minyak terbakar sebagai bahan
Meskipun kita tidak tahu dengan pasti seberapa besar jumlah minyak yang tersisa di Bumi, tetapi kita tahu bahwa jumlah itu terbatas. Pada pertengahan 1950- an, konsumsi minyak global tahunan mencapai 4 miliar barel, dan lebih dari 30 miliar barel deposito baru yang ditemukan setiap tahunnya. Hari ini, angka-angka itu hampir terbalik. Para ahli memprediksi bahwa karena dalam waktu dekat, produksi minyak akan mencapai puncaknya dan kemudian menurun seperti kita menguras deposito paling mudah diperoleh. Bahkan, ini sudah terjadi di Amerika Serikat di mana produksi minyak telah perlahan tapi pasti menurun sejak tahun 1970. Dengan asumsi konsumsi meningkat 2% per tahun, Badan Informasi Energi (EIA) mengembangkan tiga kemungkinan skenario "puncak minyak". Gambar 4.23 menampilkan meramalkan tingkat masa depan dengan asumsi produksi minyak rendah, rata-rata, dan nilai tinggi untuk cadangan dipulihkan di seluruh dunia. Bahkan perkiraan yang paling optimis memprediksi produksi minyak maksimum sebelum 2050. Organisasi lain mengadopsi nilai-nilai lebih pesimis dari cadangan yang tersedia mengklaim bahwa "puncak minyak" akan terjadi dalam beberapa tahun mendatang. Perhatikan bahwa kita tidak akan tiba-tiba "kehabisan" minyak, namun harga lebih tinggi secara dramatis dan meningkatkan kelangkaan akan mencirikan era sebelum puncak.
Jalan ke depan jelas. Sebagai komunitas global, kita harus menemukan cara untuk menggunakan sedikit minyak. Negara-negara di seluruh dunia sedang menghadapi tantangan yang tak terelakkan dalam berbagai cara. Pembangunan besar dan kontroversial Three Gorges Dam dan pembangkit listrik tenaga air di Cina merupakan salah satu upaya negara itu untuk memenuhi ledakan kebutuhan energi listrik mereka. Denmark sangat maju dalam tenaga angin (Gambar 4.24). Banyak negara mengeksplorasi, sumber energi bersih lain terbarukan termasuk energi panas bumi, pasang surut, dan solar. Tentu saja membuat teknologi ini kompetitif akan memerlukan investasi yang cukup signifikan. Sebuah keprihatinan besar di negeri ini adalah penurunan sumber daya yang dialokasikan untuk penelitian energi. Dari tahun 1980 sampai 2005, pengeluaran penelitian pada topik yang berhubungan dengan energi di Amerika Serikat turun lima kali lipat, dari 10% menjadi hanya 2% dari total.
Gambar 4.23 Produksi minyak di seluruh dunia sejak tahun 1900 (hitam) dan tiga skenario minyak mungkin puncak. Biru, garis merah, dan hijau sesuai dengan perkiraan rendah, rata-rata, dan tinggi minyak dipulihkan, masing-masing. Sumber: EIA/DOE.
Selain mengeksplorasi sumber energi baru, penting untuk meningkatkan efisiensi energi yang kita miliki. Penghematan telah menyadari baik di sisi produksi dan di sisi konsumsi dengan meningkatkan efisiensi dari transformasi energi. Produksi listrik oleh pembangkit listrik adalah penggunaan utama energi di Amerika Serikat, yang membentuk 38% dari total. Hukum kedua termodinamika membatasi konversi panas untuk bekerja, tetapi pembangkit listrik saat ini beroperasi jauh di bawah efisiensi maksimum termodinamika.
Pada tahun 1999, Departemen Energi AS mengumumkan penelitian baru yang agresif dan program pembangunan, Visi 21, yang tujuan mulia termasuk secara dramatis meningkatkan efisiensi pembangkit listrik dengan dasarnya nol emisi. Visi
21 kegiatan yang berorientasi pencapaian revolusioner daripada evolusioner perbaikan yang akan siap untuk penyebaran pada tahun 2015, melalui upaya kerja sama antara industri, universitas dan laboratorium nasional. Salah satu dorongan utama dari Vision 21 adalah penciptaan FutureGen, prototipe untuk generasi berikutnya dari batu bara pembangkit tenaga listrik. Ketika operasional, tanaman akan menggunakan batu bara yang dibentuk gas (lihat persamaan 4.10) untuk
menghasilkan listrik dan hidrogen. Selain NO x -dan SO 2 -mengurangi prosedur yang tercantum dalam Bagian 4.6, FutureGen berusaha untuk menghilangkan (atau setidaknya meminimalkan) emisi CO 2 . Rencana saat ini memfokuskan untuk mencairkan karbon dioksida dan memompa di bawah tekanan tinggi ke dalam formasi geologi bawah tanah, pada dasarnya menghilangkan emisi ke atmosfer. Teknologi transisi seperti yang menggunakan batubara mungkin adalah solusi terbaik jangka pendek untuk mengurangi ketergantungan kita pada minyak asing, serta melindungi lingkungan kita.
Gambar 4.24 Sebuah tampilan satelit Three Gorges Dam (kiri) yang mulai memasok Cina dengan pembangkit listrik tenaga air yang signifikan pada tahun 2003, dan sebuah peternakan angin lepas pantai Denmark (kanan).
Meningkatkan efisiensi penggunaan akhir mungkin adalah cara terbaik untuk menghemat energi dan energi sumber daya. Perkiraan penghematan teknis layak dalam rentang listrik 10-75%. Dalam sebuah artikel yang diterbitkan Scientific American pada bulan September 2005, Amory Lovins B. menegaskan, "Dengan bantuan peningkatan efisiensi dan sumber energi terbarukan yang kompetitif, AS dapat secara bertahap mengurangi penggunaan minyak pada tahun 2050". Dorongan untuk efisiensi merupakan ekonomi sederhana, seperti individu dan perusahaan menyadari bahwa Mendeleev benar, itu jauh lebih murah untuk menghemat bahan bakar fosil daripada untuk membakar mereka. Kemajuan terbaru dalam desain bangunan, teknologi informasi, dan pengolahan data membuat penghematan energi yang cukup besar menjadi mungkin. "Smart" gedung kantor atau rumah memiliki sistem yang rumit dari sensor, komputer, dan kontrol yang menjaga temperatur, aliran udara, dan pencahayaan pada tingkat optimal untuk kenyamanan dan konservasi energi. Demikian pula, optimasi komputerisasi aliran energi dan otomatisasi proses manufaktur telah membawa transformasi besar dalam industri. Selama 20 tahun terakhir, produksi industri di Amerika Serikat telah meningkat secara substansial, tetapi konsumsi energi yang berkaitan telah benar-benar turun. Dalam satu contoh yang luar biasa, produsen karpet telah mengembangkan prosedur pencelupan berbasis enzim yang memungkinkan mereka untuk serat warna pada suhu kamar bukan normalnya 100-140 °C, menghemat sekitar 90% biaya listrik.
Konservasi juga berlaku pad hasil dari bahan daur ulang, terutama aluminium. Karena penggalian logam aluminium dari bijih sangat memerluan energi yang besar, daur ulang logam menghasilkan penghematan energi sekitar 70%. Untuk menempatkan hal dalam perspektif, Anda bisa menonton televisi selama 3 jam pada energi disimpan dengan daur ulang hanya satu kaleng aluminium.
Sekarang konservasi dan peningkatan efisiensi memiliki pengaruh yang lebih besar dalam transportasi. Lebih dari 70% produksi minyak AS pergi ke kendaraan bermotor listrik, dan menyumbang sekitar sepertiga dari emisi karbon dioksida kita. Dalam menanggapi krisis energi pada awal tahun 1970, mobil, di bawah tekanan dari pemerintah federal dan masyarakat mengkonsumsi, secara signifikan meningkatkan Sekarang konservasi dan peningkatan efisiensi memiliki pengaruh yang lebih besar dalam transportasi. Lebih dari 70% produksi minyak AS pergi ke kendaraan bermotor listrik, dan menyumbang sekitar sepertiga dari emisi karbon dioksida kita. Dalam menanggapi krisis energi pada awal tahun 1970, mobil, di bawah tekanan dari pemerintah federal dan masyarakat mengkonsumsi, secara signifikan meningkatkan
Faktor utama untuk penurunan ekonomi bahan bakar di Amerika Serikat telah menjadi peningkatan proporsi kendaraan diklasifikasikan sebagai kendaraan ringan truk - sport utility (SUV), van, dan truk pickup - yang sekarang hampir setengah dari tradisional pasar mobil. Meskipun produsen mobil harus memenuhi federal diamanatkan 27,5 mpg rata konsumsi bahan bakar untuk mobil, kebutuhan hanya 20,7 mpg untuk truk ringan. SUV diklasifikasikan sebagai truk ringan, tidak seperti mobil, dan karena itu tidak perlu memenuhi persyaratan mpg tinggi untuk mobil. Meskipun Amerika Serikat adalah pemimpin dalam banyak aspek energi, ekonomi bahan bakar bukanlah salah satu dari mereka. Rata-rata mobil Eropa mendapat sekitar 40 mpg, dan orang-orang di Jepang mendapatkan sekitar 45 mpg.
Gambar 4.25 Tren ekonomi bahan bakar untuk mobil AS dan truk ringan sejak tahun 1975. Sumber: US EPA. Diambil dari www.epa.gov/otag/cert/mpg/retrends.
Pertempuran politik dan hukum atas standar gas baru mulai. Baik Senat maupun versi Rumah RUU yang akan menjadi UU Kebijakan Energi disahkan pada bulan Juli 2005 terdapat setiap kenaikan bisa signifikan dalam standar efisiensi bensin untuk mobil Amerika. Namun, masing-masing negara melangkah masuk Pada tahun 2003, California mengeluarkan peraturan pembatasan tidak boleh menempatkan secara signifikan pada emisi gas rumah kaca dari mobil. Efek praktis adalah untuk meminta perbaikan bisa signifikan dalam gas selama dekade berikutnya. Perlu dicatat bahwa jika peraturan ketat baru di California sepenuhnya dilaksanakan (tahun 2016), mereka masih akan berada di bawah rata-rata jarak tempuh mobil dan truk di Cina. Bahkan langkah-langkah yang relatif moderat memicu gugatan yang dibawa oleh industri otomotif terhadap Negara Bagian California. Para penggugat berpendapat bahwa hanya pemerintah federal, negara bukan individual, memiliki kewenangan untuk mengatur ekonomi bahan bakar.
Pada tahun 2006, National Highway Traffic Safety Administration Nasional (NHTSA) untuk pertama kalinya mengumumkan standar ekonomi bahan bakar yang berlaku untuk semua truk. Standar tersebut diharapkan mulai berlaku pada tahun 2008 (22,5 mpg) dan meningkat menjadi sekitar 24 mpg di 2011. Meskipun ini menandai tahun pertama bahwa SUV berat seperti Hummer H2 akan dimasukkan dalam standar jarak tempuh, beberapa negara percaya peraturan baru tidak cukup tangguh. Massachusetts, bergabung oleh pengacara umum dari 11 negara lain dan beberapa kelompok lingkungan, mengajukan gugatan terhadap pemerintah federal. Negara-negara mengklaim bahwa NHTSA gagal untuk mengatasi dampak bahwa emisi mobil terhadap pemanasan global dan lingkungan. Pusat-pusat kontroversi
pada sikap pemerintahan Bush bahwa CO 2 tidak polutan, dan karena itu tidak dapat diatur oleh Badan Perlindungan Lingkungan di bawah Clean Air Act. Posisi itu mendapat hantaman pada bulan April 2007 ketika Mahkamah Agung memutuskan 5-
4 bahwa EPA harus mempertimbangkan kembali posisinya dan bahwa dalam kenyataannya EPA memiliki kewenangan untuk mengatur emisi CO 2 . Konsekuensi dari putusan akan tersebar luas, standar ekonomi bahan bakar dan emisi pembangkit listrik kemungkinan target pertama.
Faktanya bahwa mobil akan tetap menjadi sarana transportasi energi-intensif. Sebuah sistem transportasi massal jauh lebih ekonomis, asalkan itu sering digunakan. Di Jepang, 47% perjalanan adalah dengan transportasi umum, dibandingkan dengan hanya 6% di Amerika Serikat. Tentu saja, Jepang adalah negara kompak dengan kepadatan penduduk yang tinggi. Hamparan besar Amerika Utara tidak cocok untuk angkutan massal, meskipun beberapa daerah, seperti Timur Laut populasi padat berada. Kita juga harus memperhitungkan hubungan cinta antara Amerika dan mobil mereka.
Kesimpulan Baik tubuh kita maupun kehidupan soial kita memerlukan pasokan terus- menerus energi untuk bertahan hidup. Sebagian besar makanan yang kita makan adalah sumber daya terbarukan, tapi cara industri hidup kita, bahkan eksistensi kita, saat ini bergantung pada konsumsi bahan bakar fosil yang tak terbarukan. Selama 1970-an, serangkaian krisis energi terjadi karena peningkatan yang dramatis dalam biaya impor minyak mentah, terutama dari Timur Tengah. Krisis energi berikutnya, ketika datang, akan fundamental berbeda dari masa lalu. Ada sedikit keraguan bahwa mengatasi tantangan itu akan membawa dan memerlukan langkah-langkah lebih drastis.
Pada tingkat yang paling dasar, kita tidak punya pilihan. Sumber alternatif seperti etanol, biodiesel, angin, dan tenaga air harus menjadi lebih umum. Kita akan membahas energi nuklir dalam Bab 7 dan energi surya dalam Bab 8 sebagai cara lain yang mungkin untuk memuaskan selera yang selalu meningkat untuk energi. Sebagai individu dan sebagai masyarakat, kita harus memutuskan pengorbanan apa yang mau kita lakukan untuk menurangi dalam kecepatan, kenyamanan, dan kemudahan bagi kepentingan kita, karena pasokan bahan bakar semakin menipis dan demi kebaikan planet. Satu hal yang jelas: semakin cepat kita jujur memeriksa pilihan, prioritas, dan keinginan kita, semakin baik. Energi, kimia, dan masyarakat Pada tingkat yang paling dasar, kita tidak punya pilihan. Sumber alternatif seperti etanol, biodiesel, angin, dan tenaga air harus menjadi lebih umum. Kita akan membahas energi nuklir dalam Bab 7 dan energi surya dalam Bab 8 sebagai cara lain yang mungkin untuk memuaskan selera yang selalu meningkat untuk energi. Sebagai individu dan sebagai masyarakat, kita harus memutuskan pengorbanan apa yang mau kita lakukan untuk menurangi dalam kecepatan, kenyamanan, dan kemudahan bagi kepentingan kita, karena pasokan bahan bakar semakin menipis dan demi kebaikan planet. Satu hal yang jelas: semakin cepat kita jujur memeriksa pilihan, prioritas, dan keinginan kita, semakin baik. Energi, kimia, dan masyarakat