1 BAB I PENDAHULUAN l.1 LATAR BELAKANG Konsumsi per kapita sumber energi non terbarukan di bumi yang meliputi gas, minyak bumi, batu bara, merupakan salah satu kekayaan ekonomi yang dimiliki suatu Negara dalam pengelolaannya. Ditengah semakin banyaknya penggunaan sumber energi saat ini, kelangkaan bahan bakar fosil menjadi isu terkini yang memaksa para ilmuwan memikirkan cara energi alternatif, tidak dapat dipungkiri bahwa dalam kurun jangka waktu 100 tahun kedepan dunia dalam krisis energi. Banyak inovasi dalam menciptakan sumber energi terbarukan baik itu bersumber pada energi matahari, energi panas bumi, gelombang laut, angin dan lain sebagainya. Mesin stirling adalah merupakan mesin panas (heat engine) yang dioperasikan oleh perputaran kompresi/tekanan dan ekspansi dari udara atau gas (fluida yang bergerak) pada temperatur yang berbeda, seperti konversi energi panas ke energi mekanik. Prinsif dasarnya menggunakan udara atau gas sebagai fluida kerjanya dan bekerja berdasarkan hukum thermodinamika secara spesifik mesin stirling yaitu salah satu mesin kalor dan didefinisikan sebagai mesin regenerasi udara panas siklus tertutup berarti bahwa fluida kerjanya secara permanen terkurung dalam sistem dimana mesin pada siklus terbuka seperti mesin pembakaran internal dan beberapa mesin uap menukarkan fluida kerjanya dengan lingkungan sekitar sebagai bagian dari siklus kerja. Regenerasi artinya bahwa adanya penggunaan penukaran panas internal yang dapat meningkatkan efesiensi mesin. Mesin stirling beroperasi melalui penggunaan sumber panas eksternal dan heat sink/penukar panas eksternal masing masing dijaga agar memiliki perbedaan temperature yang cukup besar. Mesin stirling ini sangat unik karena efisiensi teoritisnya mendekati efisiensi teoritis maximum yang lebih dikenal dengan efisiensi mesin carnot.
2 Terdapat tiga jenis utama dari mesin stirling yaitu : mesin alpha striling, beta stirling, dan gamma stirling. Penulis mencoba merancang suatu sumber energi yaitu pada mesin stirling (Low Temperature Displacer) sebagai sumber energi yang mana penggunaannya sebagai charger Secara umum, orang lebih mengenal pembangkit listrik energi skala kecil antara lain menggunakan mesin diesel. Mesin diesel menggunakan prinsif pembakaran dalam. Penggunaan bahan bakar fosil sebagai sumber nergi menimbulkan dampak negatif terhadap lingkungan dan manusia. Emisi yang ditimbulkan dari gas buang dari sisa pembakaran minyak bumi mengandung gas gas beracun yang dapat menyebabkan polutan dan juga pemanasan global efek rumah kaca. Diantaranya gas karbon mono oksida (CO), karbon dioksida (CO2), nitrogen oxide (NOx) dan hidokarbon yang tidak terbakar yang dihasilkan oleh mesin pembakaran dalam namun sebenarnya terdapat model teknologi lain untuk membangkitkan energi yaitu mesin stirling yang sebenarnya penemuan alat ini sudah lama ditemukan dan bukan merupakan teknologi baru, ditemukan tahun 1816 oleh Robert Stirling (1790-1878) pada saat itu disebut dengan mesin udara dengan model pembakaran luar siklus tertutup. Seiring masuknya era bahan bakar minyak fosil dan gas bumi maka mesin stirling ditinggalkan karena dianggap tidak efisien namun saat ini ketika terjadi krisis energi mesin itu mendapat perhatian kembali, hal ini yang menyebabkan mesin stirling sangat menarik khususnya dimana pada saat situasi keterbatasan bahan bakar konvensional dan sangat mahal. Gambar 1.1 Proyeksi kebutuhan energi final Indonesia di sektor transfortasi (BPPT, 2016)
3 Gambar 1.2 Penggunaan listrik dengan berbagai sumber (International Energi word energi statistic, 2007) Efisiensi mesin stirling secara teoritis mendekati efisiensi carnot dengan proses isothermal dan isokhorik. Saat ini dalam pengembangan mesin stirling untuk kebutuhan produksi masal baru mampu menghasilakan daya terbesar yaitu mencapai 3 (tiga) killo watt (kw) listrik mesin-mesin stirling yang berdaya besar umumnya menggunakan volume kompresi yang kecil namun, dengan tekanan puluhan bar (Minassian, 2007). Mesin seperti ini harus memiliki teknologi material dan manufaktur yang tinggi. Mesinmesin ini mulai dikembangkan di Eropa dan Amerika dikarenakan memiliki potensi yang cukup besar begitu pun di Indonesia tidak menutup kemungkinan karena mesin stirling power yang di hasilkan di dapat dari energi termal baik itu energi panas bumi atau pun energi panas matahari untuk menghasilkan energi listrik bagi kebutuhan rumah tangga. Untuk mewujudkan jika mesin stirling dikembangkan di Indonesia proses produksi akan dilakukan di level skala kecil dan menengah serta rumah tangga dengan mensubstitusi komponen mesin lain untuk menghasilkan perakitan yang mumpuni dengan kondisi tersebut belum diketahui apakah layak mesin stirling dapat dijadikan energi alternatif untuk pemenuhan energi listrik di Indonesia dimana mayoritas penggunaan listrik 900 hingga 2200 watt untuk skala kecil menengah. Berdasar pada kebutuhan akan energi listrik untuk skala mikro umumnya dimasyarakat, untuk itu
4 penulis mencoba mengaplikasikan mesin stirling ini hanya untuk skala kecil dengan menggunakan energi thermal yang ada disekitar. 1.2 PERUMUSAN MASALAH Berdasarkan latar belakang di atas, maka dapat disimpulkan perumusan masalah utama dari tugas akhir ini adalah : 1. Sejarah perkembangan mesin stirling 2. Prinsif kerja mesin stirling serta mengetahui kekurangan dan kelebihannya. 3. Perancangan mesin stirling dan biaya perancangan. 4. Menghitung kapasitas pembangkit energi mesin stirling. 5. Menghitung kalor yang dibutuhkan untuk membangkitkan mesin stirling. 6. Menghitung efektifitas energi. 1.3. TUJUAN PERANCANGAN Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Merancang mesin stirling sesuai dengan kapabilitas skala kecil sebagai pengisi daya perangkat elektronik dengan bertenagakan thermal dan magnet. 2. Membuat prototipe mesin stirling yang sesuai untuk skala kecil dalam hal ini pembangkit listrik untuk charger sesuai spesifikasi. 3. Pengujian mesin stirling sesuai dengan tipe yang ditentukan. 1.4 BATASAN MASALAH DAN RUANG LINGKUP PERANCANGAN Agar penulisan skripsi ini lebih terfokus maka pembatasan masalah meliputi : 1. Perancangan spesifikasi Mesin Stirling menyesuaikan kemampuan untuk skala mikro. 2. Pengujian Mesin Stirling penggunaan untuk charger menggunakan energi panas dari gelas kopi dibantu oleh tenaga magnet jika panas berkurang. 3. Ruang lingkup yang ingin dicapai yaitu membuat power energi skala mikro dari stirling engine digabungkan dengan magnet
5 1