Bahan Bakar Fosil dan Sumber Energi Baru Dalam Kehidupan Manusia

 

1. BAHAN BAKAR FOSIL

Sampai saat ini, sumber energi primer yang digunakan oleh sebagian besar negara di dunia adalah bahan bakar fosil. Bahan bakar fosil merupakan bahan bakar yang mengandung atom karbon (C) dan hidrogen dan terbentuk dari organisme yang hidup pada jutaan tahun silam.

Yang termasuk bahan bakar fosil adalah batu bara, minyak bumi, dan gas alam (alkana, alkena dan alkuna). Minyak tanah dan gas LPG biasa digunakan untuk memasak di rumah-rumah. Gasolin (terutama bensin) digunakan sebagai bahan bakar kendaraan bermotor. Bahan bakar untuk industri selain solar, juga digunakan batubara.

Gas alam merupakan campuran dari alkana dengan komposisi bergantung pada sumbernya. Umumnya, mengandung 80% metana (CH₄), 7% etana (C₂H₆), 6% propana (C₃H₈), 4% butana dan isobutana (C₄H₁₀), dan 3% pentana (C₅H₁₂). Gas alam yang dipasarkan sudah diolah dalam bentuk cair, disebut LNG (liquid natural gas).

Minyak bumi hasil pertambangan yang belum diolah dinamakan minyak mentah (crude oil). Minyak mentah merupakan campuran yang sangat kompleks, yaitu sekitar 50–95% adalah hidrokarbon, terutama golongan alkana dengan berat molekul di atas 100–an; sikloalkana; senyawa aromatik; senyawa mikro, seperti asam-asam organik; dan unsur-unsur anorganik seperti belerang.

Hidrokarbon dalam minyak mentah terdiri atas hidrokarbon jenuh, alifatik, dan alisiklik. Sebagian besar komponen minyak mentah adalah hidrokarbon jenuh, yakni alkana dan sikloalkana. Di Indonesia, minyak bumi terdapat di bagian utara pulau Jawa, bagian timur Kalimantan dan Sumatra; daerah Papua; dan bagian timur pulau Seram. Minyak bumi juga diperoleh di lepas pantai utara Jawa dan pantai timur Kalimantan.

Minyak bumi yang ditambang di Indonesia umumnya banyak mengandung senyawa hidrokarbon siklik, baik sikloalkana maupun aromatik. Berbeda dengan minyak dari Indonesia, minyak bumi dari negara-negara Arab lebih banyak mengandung alkana dan minyak bumi Rusia lebih banyak mengandung sikloalkana.

Dengan pengetahuan termokimia, kita dapat membandingkan bahan bakar yang paling efektif dan efisien untuk digunakan sebagai alternatif sumber energi. Untuk mengetahui jenis bahan bakar yang efektif sesuai kebutuhan, dapat dilakukan pengujian dengan cara membakar bahan bakar tersebut. Kalor yang dilepaskan dipakai untuk memanaskan air dan kalor yang diserap air dihitung.

Selain manfaatnya yang besar dalam kehidupan, bahan bakar fosil memiliki dampak yang merugikan, terutama bila terjadi pembakaran yang kurang sempurna antara atom karbon dengan udara, sehingga bereaksi sebagai berikut.

C(s) + ½ O₂(g) → CO(g)       (pembakaran tidak sempurna)

C(s) + O₂(g)  → CO₂(g)         (pembakaran sempurna)

Baik karbon monoksida maupun karbon dioksida, keduanya memiliki efek samping merugikan bagi manusia dan lingkungan. Gas CO, bila terhirup manusia dan masuk ke paru-paru, akan tersebar ke seluruh tubuh mengikuti aliran darah bersama-sama dengan oksigen. Di dalam darah gas CO akan bereaksi dengan hemoglobin (Hb) darah. Reaksi antara Hb darah dengan gas CO dan O₂ sebagai berikut.

Hb + CO → HbCO  (karboksihemoglobin)

Hb + O₂ → HbO₂     (oksihemoglobin)

Daya gabung (afinitas) gas CO terhadap hemoglobin darah kurang lebih 200 kali lebih kuat dibanding afinitas O₂. Hal ini menyebabkan, di dalam tubuh HbCO lebih banyak daripada HbO₂ sehingga tubuh akan kekurangan oksigen. Hal ini akan mengakibatkan kantuk, lemas, pusing, sesak nafas, bahkan kematian jika melebihi ambang batas. Perlu diketahui bahwa kadar CO udara di atas 250 ppm dapat menyebabkan pingsan dan 1600 ppm dalam waktu kurang dari dua jam dapat menyebabkan kematian. Di lampu merah kadar CO dapat melebihi 100 ppm. Keracunan gas karbon monoksida dapat dicegah menggunakan detektor karbon monoksida.

Kelebihan gas CO₂ yang jauh melebihi nilai ambang batas akan mengakibatkan “Efek Rumah Kaca” atau Green House Effect, yaitu meningkatnya suhu bumi menjadi lebih tinggi dan bumi semakin panas. Panas matahari yang turun ke bumi sebagian diserap oleh bumi dan sebagian lagi dipantulkan ke atas permukaan bumi. Karena di atas permukaan bumi terakumulasi/terkumpul gas CO₂, maka penyebaran panas ke berbagai penjuru terhalang. Hal ini mengakibatkan panas terkumpul di sekitar permukaan bumi, hingga menyebabkan suhu bumi meningkat.

 

2. SUMBER ENERGI BARU

Bahan bakar minyak bumi, dan gas alam, masih merupakan sumber energi utama dalam kehidupan sekarang. Akan tetapi, hasil pembakarannya menjadi masalah besar bagi lingkungan. Di samping itu, sumber energi tersebut tidak terbarukan dan dalam beberapa puluh tahun ke depan akan habis.

Berdasarkan permasalahan lingkungan dan tidak dapat diperbaharuinya sumber energi, para ilmuwan berupaya memperoleh sumber energi masa depan dengan pertimbangan aspek lingkungan, ekonomi, dan bahan dasar.

Terdapat beberapa sumber energi potensial yang dapat dimanfaatkan diantaranya sinar matahari, reaksi nuklir (fusi dan fisi), biomassa tanaman, biodiesel, dan bahan bakar sintetis.

 

a. Energi Matahari

Pemanfaatan langsung sinar matahari sebagai sumber energi bagi rumah tangga, industri, dan transportasi tampaknya menjadi pilihan utama untuk jangka waktu panjang, dan sampai saat ini masih terus dikembangkan.

Dengan menggunakan teknologi sel surya, energi matahari diubah menjadi energi listrik. Selanjutnya, energi listrik ini dapat dimanfaatkan untuk berbagai aplikasi, baik kendaraan bertenaga surya maupun untuk peralatan rumah tangga. Dewasa ini penggunaan energi surya yang komersial adalah untuk pemanas air rumah tangga (solar water heater).

 

b. Pemanfaatan Batubara

Deposit batubara di Indonesia masih cukup melimpah. Deposit terbesar berada di Pulau Kalimantan. Pada dasarnya, kandungan utama batubara adalah karbon dalam bentuk karbon bebas maupun hidrokarbon. Batubara banyak dimanfaatkan sebagai sumber bahan bakar, baik di rumah tangga maupun industri. PLTU menggunakan batubara sebagai sumber energi arus listrik untuk menggerakkan turbin.

Kelemahan dari pembakaran batubara adalah dihasilkannya gas SO₂. Gas SO₂ merupakan hasil reaksi antara kandungan belerang yang terdapat di dalam batu bara dengan O₂ di udara pada saat pengolahan batu bara menjadi bahan bakar. Efek negatif keberadaan gas SO₂ adalah merangsang saluran pernafasan, menyebabkan iritasi atau peradangan pada saluran pernafasan, yang dikenal sebagai ISPA (Infeksi Saluran Pernafasan Atas).

Gas SO₂ dapat dihilangkan melalui diterapkan proses desulfurisasi. Proses ini menggunakan serbuk kapur (CaCO₃) atau spray air kapur (Ca(OH)₂) dalam alat scrubers. Reaksi yang terjadi:

CaCO₃(s) + SO₂(g) → CaSO₃(s) + CO₂(g)

Ca(OH)₂(aq) + SO₂(g) → CaSO₃(s) + H₂O(l)

Namun, biaya operasional desulfurisasi dan pembuangan deposit padatan kembali menjadi masalah baru. Untuk meningkatkan nilai dari batubara dan menghilangkan pencemar SO₂, dilakukan rekayasa batubara, seperti gasifikasi dan reaksi karbon-uap. Pada gasifikasi, molekul-molekul besar dalam batubara dipecah melalui pemanasan pada suhu tinggi (600-800 °C) sehingga dihasilkan bahan bakar berupa gas. Reaksinya adalah sebagai berikut.

Batubara (s) → Batubara Cair (mudah menguap) → CH₄(g) + C(s)

Arang yang terbentuk direaksikan dengan uap air menghasilkan campuran gas CO dan H₂, yang disebut gas sintetik. Reaksinya:

C(s) + H₂O(l) → CO(g) + H₂(g)       ΔH = 175 kJ mol^-1

Untuk meningkatkan nilai gas sintetik, gas CO diubah menjadi bahan bakar lain. Misalnya, gas CO direaksikan dengan uap air menjadi CO₂ dan H₂. Reaksinya:

CO(g) + H₂O(g) → CO₂(g) + H₂(g)            ΔH = -41 kJ mol^-1

Gas CO₂ yang dihasilkan selanjutnya dipisahkan. Campuran gas CO dan H₂ yang telah diperkaya akan bereaksi membentuk metana dan uap air. Reaksinya:

CO(g) + 3H₂(g) → CH₄(g) + H₂O(g)           ΔH = -206 kJ mol^-1

Setelah H₂O diuapkan, akan diperoleh CH₄ yang disebut gas alam sintetik. Dengan demikian, batubara dapat diubah menjadi metana melalui proses pemisahan batubara cair.

 

c. Bahan Bakar Hidrogen

Salah satu sumber energi baru adalah hasil reaksi dari gas H₂ dan O₂. Di laboratorium, reaksi ini dapat dilakukan dalam tabung eudiometer, yang dipicu oleh bunga api listrik menggunakan piezoelectric. Ketika tombol piezoelectric ditekan akan terjadi loncatan bunga api listrik dan memicu terjadinya reaksi H₂ dan O₂. Persamaan termokimianya :

H₂(g) + ½ O₂(g) → H₂O(l)      ΔH° = -286 kJ

Untuk jumlah mol yang sama, kalor pembakaran gas H₂ sekitar 2,5 kali lebih besar dari kalor pembakaran gas alam. Di samping itu, pembakaran gas H₂ menghasilkan air sebagai produk yang lebih ramah lingkungan dibanding bahan bakar fosil.

Masalah yang mengemuka dari sumber energi ini adalah aspek ekonomi, terutama dalam biaya produksi dan penyimpanan gas H₂ serta transportasi gas H₂. Walaupun gas hidrogen melimpah di alam, tetapi jarang terdapat sebagai gas H₂ bebas, melainkan bersenyawa dengan berbagai unsur. Untuk memperoleh sumber utama gas hidrogen, salah satunya adalah pengolahan gas metana dengan uap air :

CH₄(g) + H₂O(g) → 3H₂(g) + CO(g)            ΔH° = +206 kJ mol^-1

Reaksi tersebut sangat endotermik sehingga pengolahan metana dengan uap air tidak efisien untuk memperoleh gas H₂ sebagai bahan bakar. Dengan kata lain, lebih ekonomis menggunakan metana langsung sebagai bahan bakar.

 

3. Sumber Energi Terbaharui

Sumber energi terbaharui yang berasal dari tanaman atau makhluk hidup dinamakan bioenergi. Biodiesel adalah bahan bakar diesel (fraksi diesel) yang diproduksi dari tumbuh-tumbuhan. Salah satu sumber energi terbaharui adalah alkohol, yakni etanol (C₂H₅OH) dan metanol (CH₃OH). Etanol dapat diproduksi melalui fermentasi pati, yaitu pengubahan karbohidrat menjadi alkohol dengan bantuan ragi (enzim). Sumber karbohidrat dapat diperoleh dari buah-buahan, biji-bijian, dan tebu.

(C₆H₁₀O₅)_x + xH₂O → xC₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂

Metanol diproduksi langsung dari gas alam dengan proses dua langkah.

Pertama, metana direaksikan dengan uap air (steam) dengan katalis nikel pada ada tekanan sekitar 10-20 atm dan temperatur 850 °C. Reaksi yang terjadi sebagai berikut.

CH₄(g) + H₂O(l) → CO(g) + 3H₂(g)

Kedua, reaksi antara gas CO dan H₂ pada tekanan sekitar 50-100 atm dan temperatur 250 °C. Reaksi ini terjadi di ruang yang berbeda dengan tahap pertama dan biasanya menggunakan katalis campuran tembaga, seng oksida, dan alumina. Berikut reaksi yang terjadi.

CO(g) + 2H₂(g) → CH₃OH(l)

Berdasarkan hasil penelitian, diketahui bahwa mesin mobil yang menggunakan bahan bakar gasohol (campuran bensin dan etanol 10%) sangat baik, apalagi jika alkohol yang digunakan kemurniannya tinggi.

Salah satu kelemahan metanol adalah sifat korosif terhadap beberapa logam, termasuk aluminium, jika digunakan dalam konsentrasi tinggi. Metanol, walaupun asam lemah tetapi dapat menyerang lapisan oksida yang biasanya melindungi aluminium dari korosi.

6CH₃OH(l) + Al₂O₃(s) → 2Al(OCH₃)₃(aq) + 3H₂O(l)