RANCANGAN CARA PENANGGULANGAN ENERGI TER
RANCANGAN CARA PENANGGULANGAN ENERGI TERBUANG
DENGAN PENGAPLIKASIAN ARTIFICIAL PHOTOSYNTHESIS
PADA EMISI KARBON DIOKSIDA DARI PABRIK
Makalah Fisika Dasar
Oleh:
NAMA: SITTI MENTARI AMALIA ANDARI
NIM: 201134173745210
BIOTECHNOLOGY AND NEUROSCIENCE STUDY PROGRAM
LIFE SCIENCES FACULTY
SURYA UNIVERSITY
TANGERANG
2014
1
Saya, yang bertanda tangan dibawah, telah menyusun sendiri makalah ini dengan jujur.
Jika saya terbukti melakukan kecurangan dan/atau plagiarisme, maka saya bersedia
menerima sanksi dari pihak Surya University.
Tangerang, 7 Maret 2014.
Sitti Mentari Amalia Andari
(201134173745210)
2
RANCANGAN CARA PENANGGULANGAN ENERGI TERBUANG
DENGAN PENGAPLIKASIAN ARTIFICIAL PHOTOSYNTHESIS
PADA EMISI KARBON DIOKSIDA DARI PABRIK
ABSTRACT
An object or a system can be said to contain energy when it has the ability to do work.
Work is basically the transfer of energy from a system to another as force acts on the
object and has a displacement. Power is the measure of work done in a period of time.
Energy can be produced from various sources, both renewable and non-renewable. The
excessive use of non-renewable sources of energy, or fossil fuels, in the world is the main
reason for the global warming phenomenon. The problem is that when people use nonrenewable energy in their daily life, a large amount of this energy is wasted in vain. This
paper discusses about the excess energy wasted and a way to help maintain and utilize
this energy.
Artificial photosynthesis is a replication process of plant photosynthesis. Its development
is a step further ahead of the usual photovoltaic cells in solar power harvests. The
application of artificial photosynthesis cells to help carbon dioxide gas emission from
factories is hoped to be a suitable innovation in managing excess energy waste.
1. Pendahuluan
1.1. Latar Belakang
Energi dalam fisika adalah kemampuan suatu benda untuk melakukan kerja, atau
usaha [1]. Kerja adalah hasil dari gaya yang dilakukan kepada suatu objek yang
menghasilkan perpindahan objek tersebut [2]. Secara garis besar, energi dibagi
menjadi dua bentuk dan sumber, yaitu energi tak terbarukan dan energi
terbarukan.
Energi tak terbarukan adalah energi yang sumbernya tidak dapat diperbaharui
atau akan membutuhkan waktu yang sangat lama untuk diperbaharui. Contoh
sumber energi tak terbarukan adalah bahan bakar fosil, atau bahan bakar mineral,
dan energi nuklir.
Energi terbarukan adalah energi dari sumber daya alam yang dapat diperbaharui
sejalan dengan waktu. Sumber-sumber dari energi terbarukan antara lain energi
panas bumi, energi angin, dan energi surya. Selain itu, energi dari bahan-bahan
organik juga termasuk dalam energi terbarukan. Penggunaan energi terbarukan
diharapkan dapat membantu membatasi efek rumah kaca [3].
Dalam kehidupan sehari-hari, banyak aktivitas manusia yang membutuhkan
energi dan banyak dari energi yang dipakai menjadi energi yang terbuang dengan
sia-sia. Mulai dari menangkap radiasi elektromagnetik yang tidak terpakai dan
mengubahnya menjadi energi listrik, hingga piezoelectricity yang mengambil
tenaga dan tekanan dari getaran (stress mekanik) pada jalan yang dilewati mobil
untuk menghasilkan muatan listrik, banyak cara-cara pemanfaatan energi
terbuang yang sudah ditemukan.
Salah satu aktivitas sehari-hari yang menghasilkan energi yang terbuang adalah
dari emisi karbon dioksida pabrik. Pabrik-pabrik menghasilkan gas polusi udara
yang mengandung gas-gas rumah kaca yaitu, uap air, gas karbon dioksida, gas
metana, gas N2O, dan ozon [4].
3
Pada proses fotosintesis, gas karbon dioksida dan air bereaksi secara kimiawi
untuk membentuk karbohidrat dan gas oksigen yang sangat bermanfaat bagi
bumi. Saat ini, para peneliti di Amerika Serikat sedang meneliti tentang
fotosintesis buatan, atau artificial photosynthesis. Peneliti-peneliti di JCAP, atau
Joint Center for Artificial Photosynthesis, sudah meneliti tentang artificial
photosynthesis sejak 2010 dibawah naungan U.S. Department of Energy (DOE)
untuk membuat bahan bakar dari cahaya matahari, air, dan karbon dioksida [5].
Dengan kandungan gas karbon dioksida pada emisi gas polusi dari pabrik-pabrik
yang sangat tinggi, pengaplikasian artificial photosynthesis terhadap gas karbon
dioksida dari limbah pabrik diharapkan dapat membantu mengurangnya polusi di
udara dan jumlah energi yang terbuang dengan sia-sia.
1.2. Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang diatas, maka rumusan masalah yang dibuat adalah
apakah pengaplikasian artificial phosynthesis pada emisi asap pabrik dapat
membantu dalam pemanfaatan energi yang terbuang.
1.3. Tujuan Penelitian
Tujuan penilitian ini adalah menganalisis apakah pengaplikasian artificial
photosynthesis pada emisi asap pabrik dapat membantu dalam pemanfaatan
energi yang terbuang.
2. Tinjauan Pustaka
2.1. Kerja, Energi, dan Daya
Dalam perspektif fisika, energi adalah kemampuan atau kapasitas suatu benda
untuk melakukan kerja, atau usaha. Kerja adalah kegiatan suatu benda saat
diberikan gaya dan bergerak atau mempunyai perpindahan (displacement) [6][7].
Persamaan dibawah menunjukkan korelasi antara gaya dan perpindahan benda
pada suatu kerja atau usaha. Contoh, jika seseorang mendorong kardus di atas
lantai dan kardusnya bergerak, maka ada kerja yang dihasilkan, tetapi jika
seseorang mendoro tembok dan temboknya tidak bergerak, tidak ada kerja yang
dihasilkan walaupun gaya sudah diberikan.
W = FΔs cos θ
Atau
Dengan kata lain, kerja adalah pengukuran dari transfer energi pada suatu sistem
ke sistem lain, atau transferensi, atau perubahan dari bentuk energi satu menjadi
yang lain, atau transduksi [8]. Semua benda yang dapat melakukan kerja
mempunyai dan menggunakan energi.
Energi ada dalam berbagai bentuk. Contoh-contohnya adalah energi cahaya,
energi gravitasi, energi listrik, energi bunyi atau suara, energi kimia, dan energi
nuklir atau atom [9]. Tetapi pada dasarnya dapat dibedakan menjadi dua, energi
kinetik dan energi potensial.
Energi kinetik adalah energi pada objek dalam keadaan bergerak, sedangkan
energi potensial adalah energi pada objek dalam keadaan diam. Energi panas,
energi bunyi, dan energy energi listrik termasuk dalam energi kinetik, sedangkan
energi energi kimia, energi nuklir, dan energi gravitasi termasuk dalam energi
4
potensial. Ada juga yang dinamakan energi mekanikal, dimana energi mekanikal
adalah gabungan antara energi potensial dan energi kinetik suatu benda.
Energi dapat diukur dan dihitung dengan satuan pengukuran SI Joule (J), sama
seperti kerja, atau kg m2 s-2, sedangkan unit pengukuran energi listrik adalah
kilowatt hour (kWH) yang setara dengan 3600 kJ.
2.1.1. Hukum Kekekalan Energi (Conservation law of energy)
Isi dari Hukum Kekekalan Energi adalah:
“Energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, tetapi hanya dapat
berubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain.”
Hukum Kekekalan Energi juga merupakan isi dari Hukum I Termodinamika.
Hubungan antara hukum konservasi atau kekekalan energi dengan kerja atau
usaha dapat dituliskan sebagai persamaan dibawah.
Dalam kehidupan sehari-hari, kita membutuhkan energi listrik. Energi listrik
didapatkan dari berbagai sumber. Sumber energi dapat dibagi menjadi dua,
energi tak terbarukan, atau non-renewable energy, dan energi terbarukan, atau
renewable energy.
2.1.2. Energi tak terbarukan (Non-renewable)
Energi tak terbarukan, atau non-renewable energy, merupakan energi yang
dihasilkan dari sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui atau sangat
sulit dan membutuhkan jangka waktu yang panjang untuk diperbaharui.
Sebagian besar energi yang kita konsumsi diproduksi oleh sumber energi tak
terbarukan yaitu bahan bakar fosil, atau fossil fuels, yaitu minyak (petroleum),
gas alam, dan batu bara [10].
Bahan bakar fosil, atau bahan bakar mineral dibentuk dari fosil-fosil tumbuhan
dan hewan [11] yang berlangsung selama jutaan tahun. Pembakaran bahan
bakar fosil adalah sumber paling besar dari jumlah emisi gas karbon dioksida
(CO2) yang merupakan salah satu gas rumah kaca (greenhouse gases) [12].
Gas-gas rumah kaca menyebabkan terjadinya efek rumah kaca, yaitu saat
gas-gas rumah kaca memerangkap panas dalam atmosfer yang akhirnya
dapat menaikkan suhu bumi [13].
Selain bahan bakar fosil, energi nuklir pun termasuk dalam energi tak
terbarukan. Energi nuklir menggunakan atom-atom Uranium-235 yang
keberadaannya akan menipis seiring waktu. Uranium-235 ditambang dari
batu-batuan mineral dan energi listrik didapatkan dari energi yang dikeluarkan
saat pembelahan nuklir (nuclear fission) dalam reaktor nuklir [14].
2.1.3. Energi terbarukan (Renewable)
Energi terbarukan, atau renewable energy, merupakan energi yang dihasilkan
oleh sumber daya alam yang diperbaharui secara konstan. Energi terbarukan
juga dikenal dengan nama energi berkelanjutan. Contoh-contoh dari sumber
energi terbarukan adalah tenaga surya dari sinar matahari (solar energy),
tenaga air (hydropower), tenaga dari panas bumi (geothermal heat), dan
tenaga angin (wind energy). Energi yang diproduksi dari limbah bahan-bahan
5
organik atau biomass, seperti pohon yang sudah mati, sisa-sisa potongan
kayu, hingga kotoran sapi [15] juga dapat dikategorikan sebagai sumber
energi terbarukan.
2.1.4. Pengumpulan energi (Energy harvesting)
Pengumpulan energi, atau energy harvesting (EH), merupakan proses
pengumpulan energi dari sumber-sumber eksternal, seperti energi surya,
energi panas, energi kinetik, yang lalu disimpan ke dalam perangkatperangkat kecil untuk dipakai [16]. EH dapat digunakan pada perangkat
elektronik kecil yang tidak membutuhkan banyak daya.
Beberapa contoh perangkat EH yang sudah dikenal adalah bahan-bahan
piezoelectric
dan
pyroelectric.
Bahan-bahan
piezoelectric
dapat
mengumpulkan energi dari getaran, gerakan, dan suara dan diubah menjadi
energi listrik, sedangkan bahan-bahan pyroelectric dan thermoelectric dapat
mengumpulkan energi dari panas dan diubah menjadi energi listrik [17].
Selain itu, ada juga perangkat yang bernama photovoltaic (PV) energy
harvesting techonology dimana alat yang dipakai mengumpulkan energi dari
panas matahari atau tenaga surya. Sel-sel PV dapat memberikan energi ke
perangkat elektronik seperti kalkulator hingga rumah dan penanda-penanda
jalan [18].
2.2. Polusi Udara dari Asap Pabrik (Air pollution)
Polusi udara merupakan salah satu penyebab tingginya tingkat gas rumah kaca.
Gas-gas rumah kaca termasuk uap air, karbon dioksida, gas metana, gas N2O,
dan ozon dapat memerangkap panas dari matahari dan merupakan ‘selimut’ yang
menghangatkan bumi. Tetapi tidak sepenuhnya peran gas rumah kaca buruk
karena jika gas-gas rumah kaca tidak ada sama sekali, suhu bumi akan menurut
drastis sehingga 30 derajat Celsius lebih dingin [13]. Gas rumah kaca lainnya
seperti CFCs, atau chlorofluorocarbons, merupakan gas rumah kaca buatan
manusia yang ada karena proses-proses industri [19].
2.3. Fotosintesis Buatan (Artificial Photosynthesis)
Gambar 1. Proses artificial photosynthesis. Sumber: Royal Society of Chemistry
Fotosintesis buatan, atau artificial photosynthesis, merupakan proses kimiawi
yang ‘meniru’ proses fotosintesis pada tanaman. Proses ini menggunakan prinsip
dasar fotosintesis yang mengubah gas karbon dioksida dan air dengan bantuan
energi cahaya (foton) untuk membuat energi. Energi hasil dari proses artificial
photosynthesis dipakai sebagai bahan bakar.
6
Artificial photosynthesis menggunakan prinsip PV cells, atau photovoltaic cells,
yang menangkap cahaya foton seperti layaknya pengambilan energi surya
biasanya dan mengubahnya menjadi energi listrik. Bedanya, pada proses artificial
photosynthesis, memanfaatkan sifat-sifat enzim sebagai katalis dan organismeorganisme fotoautotrof kepada teori photoelectrochemistry dan produksi tenaga
surya.
Peneliti di Nocera Lab di MIT, Massachusetts Institute of Technology, telah
menemukan daun buatan, atau artificial leaf dari bahan-bahan stabil seperti
silicone, elektronik, dan berbagai katalis agar daun buatan tersebut dapat bekerja
selayaknya daun asli saat ditaruh di gelas berisi air dan dibiarkan dibawah sinar
matahari. Selain itu, perusahaan elektronik Panasonic membuat proses artificial
photosynthesis dengan semikonduktor dari bahan nitrida yang dapat digunakan
untuk mengubah foton pada elektron-elektron untuk membelah air. Reaksi
selanjutnya adalah mengubah karbon dioksida dan air dengan bantuin katalis
metalik [20].
3. Analisis Inovasi
Salah satu aktivitas sehari-hari yang menghasilkan energi yang terbuang adalah
terbuangnya gas polusi udara dari pabrik-pabrik. Pengaplikasian fotosintesis buatan,
atau artificial photosynthesis kepada gas polusi udara yang mengandung CO2
merupakan salah satu inovasi yang dapat dipakai untuk membantu mengurangi
jumlah energi yang terbuang dengan sia-sia.
Gas polusi udara dari pabrik-pabrik mengandung CO2 yang dapat meningkatkan level
gas rumah kaca yang menyebabkan pemanasan global. Selain membantu
mengurangi jumlah energi yang terbuang, penggunaan artificial photosynthesis pada
gas polusi udara dari pabrik dapat mengurangi tingkat CO2 pada bumi.
Artificial photosynthesis menggunakan cahaya matahari untuk mengubah gas karbon
dioksida dan air menjadi karbohidrat yang dapat dipakai sebagai bahan bakar. Inovasi
yang disarankan adalah penggunaan gas karbon dioksida dalam gas polusi udara dari
emisi pabrik sebagai bahan untuk artificial photosynthesis.
Gas polusi udara dari emisi pabrik dapat diarahkan untuk proses artificial
photosynthesis dan gas karbon dioksida dapat dipisahkan dari gas-gas lainnya yang
terkandung dalam polusi melalui proses Carbon Capture and Sequestration
Technology (CCS) [21].
Ada tiga tahapan dalam proses ini, yaitu pemerangkapan gas karbon dioksida dari
gas-gas lain, pemindahan gas karbon dioksida ke tempat penyimpanan, dan
pembuangan gas karbon dioksida ke dalam tanah atau lautan. Karena proses artificial
photosynthesis memerlukan karbon dioksida, maka ujung dari pipa gas CO2 tidak
berakhir di tempat penyimpanan seperti ke dalam tanah atau lautan. Karena gas
karbon dioksida dibutuhkan untu proses artificial photosynthesis, maka gas CO2
dalam pipeline akan dipindahkan ke ruang tempat proses artificial photosynthesis ini
akan berlangsung.
Proses artificial photosynthesis merupakan proses gabungan dari pengetahuan kimia,
fisika, dan biologi yang kompleks. Dari sisi ilmu pengetahuan, proses artificial
photosynthesis memang sangat berguna, tetapi karena artificial photosynthesis masih
dalam tahap penelitian, penggunaan proses ini pada emisi pabrik sama sekali belum
bisa dicoba. Untungnya riset tentang artificial photosynthesis sangat didukung oleh
berbagai pihak, peneliti maupun donatur.
7
4. Simpulan
Berdasarkan analisis yang sudah dilakukan terhadap inovasi atau ide yang
dikemukakan, maka kesimpulan yang didapat adalah bahwa adanya sejumlah energi
yang terbuang dengan sia-sia pada kehidupan sehari-hari, salah satunya adalah gas
polusi udara dari pabrik-pabrik. Penggunaan fotosintesis buatan, atau artificial
photosynthesis, dalam penanggulangan gas polusi udara tersebut tidak hanya
membantu dalam aspek energi yang terbuang tetapi juga dalam penanggulangan
tingkat gas CO2 yang merupakan gas rumah kaca.
Sayangnya, artificial photosynthesis belum dapat dipergunakan secara besar-besaran
seperti pada gas polusi emisi karena metode ini masih dalam proses penelitian.
Diharapkan dengan dukungan berbagai pihak dari peneliti-peneliti dan pemerintahan
dapat mempercepat riset artificial photosynthesis yang akan membantu menaggulangi
energi terbuang sisa aktivitas manusia sehari-hari.
8
DAFTAR PUSTAKA
[1] “Energy (physics)” Internet:
http://global.britannica.com/EBchecked/topic/187171/energy, 27 Jan 2014 [5 Mar 2014].
[2] “SparkNotes: SAT Physics: Work” Internet:
http://www.sparknotes.com/testprep/books/sat2/physics/chapter7section1.rhtml, [5 Mar
2014].
[3] Researchomatic, “Individual Energy” Internet:
http://www.researchomatic.com/individual-energy-65802.html, 3 Mar 2011 [5 Mar 2014].
[4] National Geographic Education, “Air pollution” Internet:
http://education.nationalgeographic.com/education/encyclopedia/air-pollution/?ar_a=1, [6
Mar 2014].
[5] Joint Center for Artificial Photosynthesis, “Joint Center for Artificial Photosynthesis”
Internet: http://solarfuelshub.org/about/, [6 Mar 2014].
[6] The Physics Classroom, “Definition and Mathematics of Work” Internet:
http://www.physicsclassroom.com/class/energy/Lesson-1/Definition-and-Mathematics-ofWork, [6 Mar 2014].
[7] R. Nave. Hyper Physics, “Work” Internet: http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbase/wcon.html, [6 Mar 2014].
[8] Glenn Elert. The Physics Hypertextbook, “Work – summary” Internet:
http://physics.info/work/summary.shtml, [6 Mar 2014]
[9] Solarschools.net, “What is energy: different forms of energy” Internet:
http://www.solarschools.net/resources/stuff/different_forms_of_energy.aspx, [6 Mar 2014].
[10] U.S. Energy Information Department, “What is energy? – energy explained, your
guide to understanding energy” Internet:
http://www.eia.gov/energyexplained/index.cfm?page=about_home, 27 Sep 2013 [6 Mar
2014].
[11] Perpustakaan Kementerian Pekerjaan Umum, “Bahan bakar fosil” Internet:
http://pustaka.pu.go.id/new/istilah-bidang-detail.asp?id=1759, [6 Mar 2014].
[12] Science Daily, “Fossil fuel” Internet:
http://www.sciencedaily.com/articles/f/fossil_fuel.htm, 6 Mar 2014 [6 Mar 2014].
[13] Larry West. About.com Environmental Issues, “What is the greenhouse effect?”
Internet: http://environment.about.com/od/globalwarming/a/greenhouse.htm, [6 Mar 2014].
[14] BBC – GCSE Bitesize, “Renewable and non-renewable energy sources” Internet:
http://www.bbc.co.uk/schools/gcsebitesize/geography/energy_resources/energy_rev1.sht
ml, [6 Mar 2014].
[15] The Energy Story, “Chapter 10: biomass energy” Internet:
http://www.energyquest.ca.gov/story/chapter10.html, [6 Mar 2014].
[16] Energy Harvesting Forum, “What is energy harvesting?” Internet:
http://www.energyharvesting.net/, [6 Mar 2014].
[17] Institute of Physics, “Energy harvesting” Internet:
http://www.iop.org/resources/energy/#3, [6 Mar 2014].
[18] Solar Energy Industries Association, “Photovoltaic (solar electric)” Internet:
http://www.seia.org/policy/solar-technology/photovoltaic-solar-electric, [6 Mar 2014].
[19] US Environmental Protection Agency, “Greenhouse gas emissions: greenhouse
gases overview” Internet: http://www.epa.gov/climatechange/ghgemissions/gases.html, 9
Sep 2014 [6 Mar 2014].
[20] Popular Science, “Panasonic’s artificial photosynthesis turns water, sunlight, and CO2
into useful chemicals” Internet: http://www.popsci.com/science/article/201208/panasonics-artificial-photosynthesis-turns-water-sunlight-and-co2-usefulchemicals?dom=PSC&loc=recent&lnk=1&con=read-full-story, 8 Jan 2012 [6 Mar 2014].
[21] CCS Education Initiative, “Adressing climate-change through carbon capture &
sequestration” Internet: http://ccs-education.org/addressing-climate-change-throughcarbon-capture-sequestration/, [6 Mar 2014].
9
DENGAN PENGAPLIKASIAN ARTIFICIAL PHOTOSYNTHESIS
PADA EMISI KARBON DIOKSIDA DARI PABRIK
Makalah Fisika Dasar
Oleh:
NAMA: SITTI MENTARI AMALIA ANDARI
NIM: 201134173745210
BIOTECHNOLOGY AND NEUROSCIENCE STUDY PROGRAM
LIFE SCIENCES FACULTY
SURYA UNIVERSITY
TANGERANG
2014
1
Saya, yang bertanda tangan dibawah, telah menyusun sendiri makalah ini dengan jujur.
Jika saya terbukti melakukan kecurangan dan/atau plagiarisme, maka saya bersedia
menerima sanksi dari pihak Surya University.
Tangerang, 7 Maret 2014.
Sitti Mentari Amalia Andari
(201134173745210)
2
RANCANGAN CARA PENANGGULANGAN ENERGI TERBUANG
DENGAN PENGAPLIKASIAN ARTIFICIAL PHOTOSYNTHESIS
PADA EMISI KARBON DIOKSIDA DARI PABRIK
ABSTRACT
An object or a system can be said to contain energy when it has the ability to do work.
Work is basically the transfer of energy from a system to another as force acts on the
object and has a displacement. Power is the measure of work done in a period of time.
Energy can be produced from various sources, both renewable and non-renewable. The
excessive use of non-renewable sources of energy, or fossil fuels, in the world is the main
reason for the global warming phenomenon. The problem is that when people use nonrenewable energy in their daily life, a large amount of this energy is wasted in vain. This
paper discusses about the excess energy wasted and a way to help maintain and utilize
this energy.
Artificial photosynthesis is a replication process of plant photosynthesis. Its development
is a step further ahead of the usual photovoltaic cells in solar power harvests. The
application of artificial photosynthesis cells to help carbon dioxide gas emission from
factories is hoped to be a suitable innovation in managing excess energy waste.
1. Pendahuluan
1.1. Latar Belakang
Energi dalam fisika adalah kemampuan suatu benda untuk melakukan kerja, atau
usaha [1]. Kerja adalah hasil dari gaya yang dilakukan kepada suatu objek yang
menghasilkan perpindahan objek tersebut [2]. Secara garis besar, energi dibagi
menjadi dua bentuk dan sumber, yaitu energi tak terbarukan dan energi
terbarukan.
Energi tak terbarukan adalah energi yang sumbernya tidak dapat diperbaharui
atau akan membutuhkan waktu yang sangat lama untuk diperbaharui. Contoh
sumber energi tak terbarukan adalah bahan bakar fosil, atau bahan bakar mineral,
dan energi nuklir.
Energi terbarukan adalah energi dari sumber daya alam yang dapat diperbaharui
sejalan dengan waktu. Sumber-sumber dari energi terbarukan antara lain energi
panas bumi, energi angin, dan energi surya. Selain itu, energi dari bahan-bahan
organik juga termasuk dalam energi terbarukan. Penggunaan energi terbarukan
diharapkan dapat membantu membatasi efek rumah kaca [3].
Dalam kehidupan sehari-hari, banyak aktivitas manusia yang membutuhkan
energi dan banyak dari energi yang dipakai menjadi energi yang terbuang dengan
sia-sia. Mulai dari menangkap radiasi elektromagnetik yang tidak terpakai dan
mengubahnya menjadi energi listrik, hingga piezoelectricity yang mengambil
tenaga dan tekanan dari getaran (stress mekanik) pada jalan yang dilewati mobil
untuk menghasilkan muatan listrik, banyak cara-cara pemanfaatan energi
terbuang yang sudah ditemukan.
Salah satu aktivitas sehari-hari yang menghasilkan energi yang terbuang adalah
dari emisi karbon dioksida pabrik. Pabrik-pabrik menghasilkan gas polusi udara
yang mengandung gas-gas rumah kaca yaitu, uap air, gas karbon dioksida, gas
metana, gas N2O, dan ozon [4].
3
Pada proses fotosintesis, gas karbon dioksida dan air bereaksi secara kimiawi
untuk membentuk karbohidrat dan gas oksigen yang sangat bermanfaat bagi
bumi. Saat ini, para peneliti di Amerika Serikat sedang meneliti tentang
fotosintesis buatan, atau artificial photosynthesis. Peneliti-peneliti di JCAP, atau
Joint Center for Artificial Photosynthesis, sudah meneliti tentang artificial
photosynthesis sejak 2010 dibawah naungan U.S. Department of Energy (DOE)
untuk membuat bahan bakar dari cahaya matahari, air, dan karbon dioksida [5].
Dengan kandungan gas karbon dioksida pada emisi gas polusi dari pabrik-pabrik
yang sangat tinggi, pengaplikasian artificial photosynthesis terhadap gas karbon
dioksida dari limbah pabrik diharapkan dapat membantu mengurangnya polusi di
udara dan jumlah energi yang terbuang dengan sia-sia.
1.2. Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang diatas, maka rumusan masalah yang dibuat adalah
apakah pengaplikasian artificial phosynthesis pada emisi asap pabrik dapat
membantu dalam pemanfaatan energi yang terbuang.
1.3. Tujuan Penelitian
Tujuan penilitian ini adalah menganalisis apakah pengaplikasian artificial
photosynthesis pada emisi asap pabrik dapat membantu dalam pemanfaatan
energi yang terbuang.
2. Tinjauan Pustaka
2.1. Kerja, Energi, dan Daya
Dalam perspektif fisika, energi adalah kemampuan atau kapasitas suatu benda
untuk melakukan kerja, atau usaha. Kerja adalah kegiatan suatu benda saat
diberikan gaya dan bergerak atau mempunyai perpindahan (displacement) [6][7].
Persamaan dibawah menunjukkan korelasi antara gaya dan perpindahan benda
pada suatu kerja atau usaha. Contoh, jika seseorang mendorong kardus di atas
lantai dan kardusnya bergerak, maka ada kerja yang dihasilkan, tetapi jika
seseorang mendoro tembok dan temboknya tidak bergerak, tidak ada kerja yang
dihasilkan walaupun gaya sudah diberikan.
W = FΔs cos θ
Atau
Dengan kata lain, kerja adalah pengukuran dari transfer energi pada suatu sistem
ke sistem lain, atau transferensi, atau perubahan dari bentuk energi satu menjadi
yang lain, atau transduksi [8]. Semua benda yang dapat melakukan kerja
mempunyai dan menggunakan energi.
Energi ada dalam berbagai bentuk. Contoh-contohnya adalah energi cahaya,
energi gravitasi, energi listrik, energi bunyi atau suara, energi kimia, dan energi
nuklir atau atom [9]. Tetapi pada dasarnya dapat dibedakan menjadi dua, energi
kinetik dan energi potensial.
Energi kinetik adalah energi pada objek dalam keadaan bergerak, sedangkan
energi potensial adalah energi pada objek dalam keadaan diam. Energi panas,
energi bunyi, dan energy energi listrik termasuk dalam energi kinetik, sedangkan
energi energi kimia, energi nuklir, dan energi gravitasi termasuk dalam energi
4
potensial. Ada juga yang dinamakan energi mekanikal, dimana energi mekanikal
adalah gabungan antara energi potensial dan energi kinetik suatu benda.
Energi dapat diukur dan dihitung dengan satuan pengukuran SI Joule (J), sama
seperti kerja, atau kg m2 s-2, sedangkan unit pengukuran energi listrik adalah
kilowatt hour (kWH) yang setara dengan 3600 kJ.
2.1.1. Hukum Kekekalan Energi (Conservation law of energy)
Isi dari Hukum Kekekalan Energi adalah:
“Energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, tetapi hanya dapat
berubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain.”
Hukum Kekekalan Energi juga merupakan isi dari Hukum I Termodinamika.
Hubungan antara hukum konservasi atau kekekalan energi dengan kerja atau
usaha dapat dituliskan sebagai persamaan dibawah.
Dalam kehidupan sehari-hari, kita membutuhkan energi listrik. Energi listrik
didapatkan dari berbagai sumber. Sumber energi dapat dibagi menjadi dua,
energi tak terbarukan, atau non-renewable energy, dan energi terbarukan, atau
renewable energy.
2.1.2. Energi tak terbarukan (Non-renewable)
Energi tak terbarukan, atau non-renewable energy, merupakan energi yang
dihasilkan dari sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui atau sangat
sulit dan membutuhkan jangka waktu yang panjang untuk diperbaharui.
Sebagian besar energi yang kita konsumsi diproduksi oleh sumber energi tak
terbarukan yaitu bahan bakar fosil, atau fossil fuels, yaitu minyak (petroleum),
gas alam, dan batu bara [10].
Bahan bakar fosil, atau bahan bakar mineral dibentuk dari fosil-fosil tumbuhan
dan hewan [11] yang berlangsung selama jutaan tahun. Pembakaran bahan
bakar fosil adalah sumber paling besar dari jumlah emisi gas karbon dioksida
(CO2) yang merupakan salah satu gas rumah kaca (greenhouse gases) [12].
Gas-gas rumah kaca menyebabkan terjadinya efek rumah kaca, yaitu saat
gas-gas rumah kaca memerangkap panas dalam atmosfer yang akhirnya
dapat menaikkan suhu bumi [13].
Selain bahan bakar fosil, energi nuklir pun termasuk dalam energi tak
terbarukan. Energi nuklir menggunakan atom-atom Uranium-235 yang
keberadaannya akan menipis seiring waktu. Uranium-235 ditambang dari
batu-batuan mineral dan energi listrik didapatkan dari energi yang dikeluarkan
saat pembelahan nuklir (nuclear fission) dalam reaktor nuklir [14].
2.1.3. Energi terbarukan (Renewable)
Energi terbarukan, atau renewable energy, merupakan energi yang dihasilkan
oleh sumber daya alam yang diperbaharui secara konstan. Energi terbarukan
juga dikenal dengan nama energi berkelanjutan. Contoh-contoh dari sumber
energi terbarukan adalah tenaga surya dari sinar matahari (solar energy),
tenaga air (hydropower), tenaga dari panas bumi (geothermal heat), dan
tenaga angin (wind energy). Energi yang diproduksi dari limbah bahan-bahan
5
organik atau biomass, seperti pohon yang sudah mati, sisa-sisa potongan
kayu, hingga kotoran sapi [15] juga dapat dikategorikan sebagai sumber
energi terbarukan.
2.1.4. Pengumpulan energi (Energy harvesting)
Pengumpulan energi, atau energy harvesting (EH), merupakan proses
pengumpulan energi dari sumber-sumber eksternal, seperti energi surya,
energi panas, energi kinetik, yang lalu disimpan ke dalam perangkatperangkat kecil untuk dipakai [16]. EH dapat digunakan pada perangkat
elektronik kecil yang tidak membutuhkan banyak daya.
Beberapa contoh perangkat EH yang sudah dikenal adalah bahan-bahan
piezoelectric
dan
pyroelectric.
Bahan-bahan
piezoelectric
dapat
mengumpulkan energi dari getaran, gerakan, dan suara dan diubah menjadi
energi listrik, sedangkan bahan-bahan pyroelectric dan thermoelectric dapat
mengumpulkan energi dari panas dan diubah menjadi energi listrik [17].
Selain itu, ada juga perangkat yang bernama photovoltaic (PV) energy
harvesting techonology dimana alat yang dipakai mengumpulkan energi dari
panas matahari atau tenaga surya. Sel-sel PV dapat memberikan energi ke
perangkat elektronik seperti kalkulator hingga rumah dan penanda-penanda
jalan [18].
2.2. Polusi Udara dari Asap Pabrik (Air pollution)
Polusi udara merupakan salah satu penyebab tingginya tingkat gas rumah kaca.
Gas-gas rumah kaca termasuk uap air, karbon dioksida, gas metana, gas N2O,
dan ozon dapat memerangkap panas dari matahari dan merupakan ‘selimut’ yang
menghangatkan bumi. Tetapi tidak sepenuhnya peran gas rumah kaca buruk
karena jika gas-gas rumah kaca tidak ada sama sekali, suhu bumi akan menurut
drastis sehingga 30 derajat Celsius lebih dingin [13]. Gas rumah kaca lainnya
seperti CFCs, atau chlorofluorocarbons, merupakan gas rumah kaca buatan
manusia yang ada karena proses-proses industri [19].
2.3. Fotosintesis Buatan (Artificial Photosynthesis)
Gambar 1. Proses artificial photosynthesis. Sumber: Royal Society of Chemistry
Fotosintesis buatan, atau artificial photosynthesis, merupakan proses kimiawi
yang ‘meniru’ proses fotosintesis pada tanaman. Proses ini menggunakan prinsip
dasar fotosintesis yang mengubah gas karbon dioksida dan air dengan bantuan
energi cahaya (foton) untuk membuat energi. Energi hasil dari proses artificial
photosynthesis dipakai sebagai bahan bakar.
6
Artificial photosynthesis menggunakan prinsip PV cells, atau photovoltaic cells,
yang menangkap cahaya foton seperti layaknya pengambilan energi surya
biasanya dan mengubahnya menjadi energi listrik. Bedanya, pada proses artificial
photosynthesis, memanfaatkan sifat-sifat enzim sebagai katalis dan organismeorganisme fotoautotrof kepada teori photoelectrochemistry dan produksi tenaga
surya.
Peneliti di Nocera Lab di MIT, Massachusetts Institute of Technology, telah
menemukan daun buatan, atau artificial leaf dari bahan-bahan stabil seperti
silicone, elektronik, dan berbagai katalis agar daun buatan tersebut dapat bekerja
selayaknya daun asli saat ditaruh di gelas berisi air dan dibiarkan dibawah sinar
matahari. Selain itu, perusahaan elektronik Panasonic membuat proses artificial
photosynthesis dengan semikonduktor dari bahan nitrida yang dapat digunakan
untuk mengubah foton pada elektron-elektron untuk membelah air. Reaksi
selanjutnya adalah mengubah karbon dioksida dan air dengan bantuin katalis
metalik [20].
3. Analisis Inovasi
Salah satu aktivitas sehari-hari yang menghasilkan energi yang terbuang adalah
terbuangnya gas polusi udara dari pabrik-pabrik. Pengaplikasian fotosintesis buatan,
atau artificial photosynthesis kepada gas polusi udara yang mengandung CO2
merupakan salah satu inovasi yang dapat dipakai untuk membantu mengurangi
jumlah energi yang terbuang dengan sia-sia.
Gas polusi udara dari pabrik-pabrik mengandung CO2 yang dapat meningkatkan level
gas rumah kaca yang menyebabkan pemanasan global. Selain membantu
mengurangi jumlah energi yang terbuang, penggunaan artificial photosynthesis pada
gas polusi udara dari pabrik dapat mengurangi tingkat CO2 pada bumi.
Artificial photosynthesis menggunakan cahaya matahari untuk mengubah gas karbon
dioksida dan air menjadi karbohidrat yang dapat dipakai sebagai bahan bakar. Inovasi
yang disarankan adalah penggunaan gas karbon dioksida dalam gas polusi udara dari
emisi pabrik sebagai bahan untuk artificial photosynthesis.
Gas polusi udara dari emisi pabrik dapat diarahkan untuk proses artificial
photosynthesis dan gas karbon dioksida dapat dipisahkan dari gas-gas lainnya yang
terkandung dalam polusi melalui proses Carbon Capture and Sequestration
Technology (CCS) [21].
Ada tiga tahapan dalam proses ini, yaitu pemerangkapan gas karbon dioksida dari
gas-gas lain, pemindahan gas karbon dioksida ke tempat penyimpanan, dan
pembuangan gas karbon dioksida ke dalam tanah atau lautan. Karena proses artificial
photosynthesis memerlukan karbon dioksida, maka ujung dari pipa gas CO2 tidak
berakhir di tempat penyimpanan seperti ke dalam tanah atau lautan. Karena gas
karbon dioksida dibutuhkan untu proses artificial photosynthesis, maka gas CO2
dalam pipeline akan dipindahkan ke ruang tempat proses artificial photosynthesis ini
akan berlangsung.
Proses artificial photosynthesis merupakan proses gabungan dari pengetahuan kimia,
fisika, dan biologi yang kompleks. Dari sisi ilmu pengetahuan, proses artificial
photosynthesis memang sangat berguna, tetapi karena artificial photosynthesis masih
dalam tahap penelitian, penggunaan proses ini pada emisi pabrik sama sekali belum
bisa dicoba. Untungnya riset tentang artificial photosynthesis sangat didukung oleh
berbagai pihak, peneliti maupun donatur.
7
4. Simpulan
Berdasarkan analisis yang sudah dilakukan terhadap inovasi atau ide yang
dikemukakan, maka kesimpulan yang didapat adalah bahwa adanya sejumlah energi
yang terbuang dengan sia-sia pada kehidupan sehari-hari, salah satunya adalah gas
polusi udara dari pabrik-pabrik. Penggunaan fotosintesis buatan, atau artificial
photosynthesis, dalam penanggulangan gas polusi udara tersebut tidak hanya
membantu dalam aspek energi yang terbuang tetapi juga dalam penanggulangan
tingkat gas CO2 yang merupakan gas rumah kaca.
Sayangnya, artificial photosynthesis belum dapat dipergunakan secara besar-besaran
seperti pada gas polusi emisi karena metode ini masih dalam proses penelitian.
Diharapkan dengan dukungan berbagai pihak dari peneliti-peneliti dan pemerintahan
dapat mempercepat riset artificial photosynthesis yang akan membantu menaggulangi
energi terbuang sisa aktivitas manusia sehari-hari.
8
DAFTAR PUSTAKA
[1] “Energy (physics)” Internet:
http://global.britannica.com/EBchecked/topic/187171/energy, 27 Jan 2014 [5 Mar 2014].
[2] “SparkNotes: SAT Physics: Work” Internet:
http://www.sparknotes.com/testprep/books/sat2/physics/chapter7section1.rhtml, [5 Mar
2014].
[3] Researchomatic, “Individual Energy” Internet:
http://www.researchomatic.com/individual-energy-65802.html, 3 Mar 2011 [5 Mar 2014].
[4] National Geographic Education, “Air pollution” Internet:
http://education.nationalgeographic.com/education/encyclopedia/air-pollution/?ar_a=1, [6
Mar 2014].
[5] Joint Center for Artificial Photosynthesis, “Joint Center for Artificial Photosynthesis”
Internet: http://solarfuelshub.org/about/, [6 Mar 2014].
[6] The Physics Classroom, “Definition and Mathematics of Work” Internet:
http://www.physicsclassroom.com/class/energy/Lesson-1/Definition-and-Mathematics-ofWork, [6 Mar 2014].
[7] R. Nave. Hyper Physics, “Work” Internet: http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbase/wcon.html, [6 Mar 2014].
[8] Glenn Elert. The Physics Hypertextbook, “Work – summary” Internet:
http://physics.info/work/summary.shtml, [6 Mar 2014]
[9] Solarschools.net, “What is energy: different forms of energy” Internet:
http://www.solarschools.net/resources/stuff/different_forms_of_energy.aspx, [6 Mar 2014].
[10] U.S. Energy Information Department, “What is energy? – energy explained, your
guide to understanding energy” Internet:
http://www.eia.gov/energyexplained/index.cfm?page=about_home, 27 Sep 2013 [6 Mar
2014].
[11] Perpustakaan Kementerian Pekerjaan Umum, “Bahan bakar fosil” Internet:
http://pustaka.pu.go.id/new/istilah-bidang-detail.asp?id=1759, [6 Mar 2014].
[12] Science Daily, “Fossil fuel” Internet:
http://www.sciencedaily.com/articles/f/fossil_fuel.htm, 6 Mar 2014 [6 Mar 2014].
[13] Larry West. About.com Environmental Issues, “What is the greenhouse effect?”
Internet: http://environment.about.com/od/globalwarming/a/greenhouse.htm, [6 Mar 2014].
[14] BBC – GCSE Bitesize, “Renewable and non-renewable energy sources” Internet:
http://www.bbc.co.uk/schools/gcsebitesize/geography/energy_resources/energy_rev1.sht
ml, [6 Mar 2014].
[15] The Energy Story, “Chapter 10: biomass energy” Internet:
http://www.energyquest.ca.gov/story/chapter10.html, [6 Mar 2014].
[16] Energy Harvesting Forum, “What is energy harvesting?” Internet:
http://www.energyharvesting.net/, [6 Mar 2014].
[17] Institute of Physics, “Energy harvesting” Internet:
http://www.iop.org/resources/energy/#3, [6 Mar 2014].
[18] Solar Energy Industries Association, “Photovoltaic (solar electric)” Internet:
http://www.seia.org/policy/solar-technology/photovoltaic-solar-electric, [6 Mar 2014].
[19] US Environmental Protection Agency, “Greenhouse gas emissions: greenhouse
gases overview” Internet: http://www.epa.gov/climatechange/ghgemissions/gases.html, 9
Sep 2014 [6 Mar 2014].
[20] Popular Science, “Panasonic’s artificial photosynthesis turns water, sunlight, and CO2
into useful chemicals” Internet: http://www.popsci.com/science/article/201208/panasonics-artificial-photosynthesis-turns-water-sunlight-and-co2-usefulchemicals?dom=PSC&loc=recent&lnk=1&con=read-full-story, 8 Jan 2012 [6 Mar 2014].
[21] CCS Education Initiative, “Adressing climate-change through carbon capture &
sequestration” Internet: http://ccs-education.org/addressing-climate-change-throughcarbon-capture-sequestration/, [6 Mar 2014].
9