PRD Tugas 1: Make Solar Energy Economical

Tugas PRD: Proses Engineering yang Bisa Menjawab Tantangan/Masalah Engineering

Make Solar Energy Economical

Matahari adalah sumber energy terbesar di alam semesta. Sudah dipastikan bahwa tidak ada sumber energy lain yang dapat menandinginya, termasuk sumber energy yang dihasilkan dari teknologi manusia. Hanya sebagian kecil dari daya keluaran matahari yang sampai ke Bumi dan bisa digunakan oleh makhluk hidup. Meskipun hanya sebagian kecil, tetapi ia telah menyediakan 10.000 kali energy lebih banyak dan lebih baik dibandingkan semua energi komersial yang digunakan manusia di bumi saat ini. Jika kita bisa mengoptimalkan penggunaan energy matahari, tentu bumi ini akan terasa lebih baik. Mengingat polusi akan berkurang dan kebutuhan energy terpenuhi.

Energi matahari sangatlah penting bagi bumi dan tentunya alam semesta. Kontribusi matahari untuk kebutuhan energi makhluk hidup, khususnya manusia, sangat substansial. Pembangkit listrik tenaga surya sudah berkembang layaknya industri bernilai miliaran dolar. Tetapi pengggunaan energi surya dari jumlah total energi dunia masih agak kecil, yakni di bawah 1 persen dari total konsumsi energi dunia. Sedangkan  pengggunaan energy dari minyak, gas alam, dan batu bara sudah mencapai lebih dari 85%. Padahal sumber energy tersebut didapat dari sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui, bahkan banyak di antaranya yang sering menimbulkan polusi. Contohnya adalah batu bara yang penggunaannya memperburuk masalah polusi udara dan air, serta memberikan kontribusi lebih substansial daripada bahan bakar fosil lainnya pada penumpukan karbon dioksida di atmosfer. Namun, selain kekurangannya tersebut, sel bahan bakar pun memiliki kelebihan lainnya, seperti bisa didistribusikan secara luas dan menghindari kerentanan pembangkit listrik terpusat

Untuk jangka panjang kita membutuhkan sumber energi yang “renewable, sustainable and economical”, dan tenaga surya merupakan alternatif menarik yang menjawab permasalahan kita saat ini. Ketersediaannya jauh melebihi kebutuhan energi masa depan yang dibayangkan. Tenaga surya bersih lingkungan, tidak menimbulkan polusi dan tentunya gratis. Gratis di sini dalam arti pengiriman energy dari sumbernya (matahari) ditransmisikan ke bumi secara cuma-cuma. Namun demikian, memanfaatkan kekuatan matahari bukanlah tanpa tantangan, tentunya memerlukan inovasi engineering di beberapa aspek. Tantangannya diantaranya adalah bagaimana cara untuk menangkap energi matahari secasra efisien , mengubahnya menjadi bentuk yang berguna, dan menyimpannya untuk digunakan ketika matahari sedang tidak tampak.

Beberapa hal yang membuat energy surya lebih ekonomis adalah tergantung pada faktor kemurnian bahan pembuat sel surya, serta ketahanan, kegunaan, efisiensi dan tentunya biaya dari bahan tersebut.

Sebenarnya sudah banyak teknologi untuk mengatasi masalah efisiensi energy matahari. Salah satu yang paling populer adalah produksi langsung arus listrik dari sinar matahari yang ditangkap dengan menggunakan “solar photovoltaic cells”. Tapi sel surya saat ini, paling sering dibuat dari silikon, dan biasanya bisa mengkonversi sinar matahari menjadi listrik dengan efisiensi hanya 10-20 persen, meskipun beberapa uji sel melakukan sedikit lebih baik. Mempertimbangkan biaya produksi yang ada, biaya untuk membuatnya kira-kira 3 sampai 6 kali lebih tinggi dari harga saat ini, atau 18-30 sen per kilowatt hour. Untuk membuat solar ekonomi kompetitif, insinyur harus mencari cara untuk meningkatkan efisiensi sel dan menurunkan biaya produksi.

Prospek untuk meningkatkan efisiensi sel surya sangat memungkinkan. Sel standar saat ini secara teoritis memiliki efisiensi maksimum sekitar 31 persen karena sifat elektronik dari bahan silikon. Tetapi dengan ”new material” yang diatur dengan cara baru dan ditambah beberapa sel multilayer, maka batas efisiensi tersebut dapat dilewati. Bahkan sel eksperimental telah melampaui efisiensi 40 persen .

Ide lain untuk meningkatkan efisiensi melibatkan perkembangan nanoteknologi, rekayasa struktur pada ukuran yang sebanding dengan atom dan molekul, diukur dalam nanometer. Percobaan terbaru telah melaporkan kemajuan menarik dalam penggunaan nanocrystals terbuat dari unsur-unsur utama dan selenium . Dalam sel standar, dampak dari partikel cahaya (foton) yang melepaskan elektron, selain membawa muatan listrik , juga menghasilkan beberapa kelebihan panas yang berguna. “Lead-selenium nanocrystals” meningkatkan kesempatan melepaskan elektron kedua daripada panas dan juga meningkatkan arus keluaran listrik . Percobaan lain menunjukkan fenomena ini dapat terjadi pada silikon juga. Secara teoritis pendekatan nanokristal bisa mencapai efisiensi 60 persen atau lebih tinggi, meskipun dalam praktiknya kemungkinan tercapainya kecil.

Cara lain yang dapat digunakan untuk meningkatkan efisiensi dari panel surya adalah dengan membuat tenaga surya “micro solar thermal”, yang secara teoritis bisa menghasilkan listrik dengan 8 kali efisiensi panel surya saat ini. Solar termal biasanya membutuhkan cermin array besar yang memanaskan elemen untuk menjalankan turbin uap. Karena ini adalah proses termal,  maka panel surya tetap dapat bekerja meskipun hari mendung atau ketika matahari tidak tampak. Panel ini dapat dibuat dari bahan yang sangat murah.

Untuk permasalahan biaya, sebuah penelitian baru-baru ini telah menemukan cara untuk mencetak sel surya pada apa saja dengan menggunakan suhu rendah dan uap. Salah satu contohnya adalah pada kertas. Hasil percobaan pada sel kertas menunjukkan bahwa sel kertas cetak sangat tahan lama dan dapat dilipat serta membuka lebih dari 1.000 kali tanpa kehilangan kinerja. Untuk membuatnya pun tidak membutuhkan biaya yang mahal.

Meskipun sel surya maju menjadi penghasil listrik yang murah dan efisien, penghalang utama meluasnya penggunaan energi matahari adalah kebutuhan untuk penyimpanan. Cuaca mendung dan gelap pada malam hari mengganggu ketersediaan “solar energy”. Pada waktu dan lokasi di mana sinar matahari berlimpah, energi harus ditangkap dan disimpan agar dapat digunakan di lain waktu dan tempat. Seperti yang kita tahu, tempat yang paling berlimpah cahaya matahari adalah daerah iklim tropis, khususnya gurun. Bila kita dapat menyimpan energy matahari dari daerah tersebut untuk keperluan di lain waktu dan tempat, tentunya kebutuhan energy dunia akan tercukupi dan tidak menimbulkan polusi. Walaupun banyak teknologi yang menawarkan kesempatan penyimpanan massal, namun dalam praktiknya hal ini masih agak sulit dilakukan, dikarenakan permasalahan biaya dan teknis. Teknologi tersebut diantaranya adalah pemompaan air (untuk pemulihan listrik tenaga air ) atau bank baterai besar. Tapi mereka menghadapi masalah serius ketika ditingkatkan untuk “power-grid proportions”. “New materials “ dapat meningkatkan efektivitas kapasitor, superkonduktor magnet, atau flyweels , yang semuanya dapat memberikan daya penyimpanan yang mudah dalam berbagai aplikasi.

Alternatif lain untuk permasalahan ini adalah dengan Molekul nano templated.
Sebuah penelitian baru-baru ini berhasil menciptakan sebuah molekul baru yang disebut azobenzene. Anzobenze menggunakan nanotube karbon untuk struktur molekulnya sehingga mereka dapat "mengunci" energi panas matahari tanpa batas. Molekul-molekul ini memiliki kemampuan luar biasa untuk mengubah energi matahari & menyimpannya pada kepadatan energi yang sebanding dengan baterai lithium ion .

Solusi lain yang mungkin untuk masalah penyimpanan ini adalah meniru penangkapan biologis sinar matahari oleh fotosintesis pada tumbuhan. Dimana energy matahari disimpan dalam molekul ikatan kimia yang dapat digunakan sebagai makanan. Cara tanaman menggunakan sinar matahari untuk menghasilkan makanan bisa diduplikasi oleh orang-orang untuk memproduksi bahan bakar. Misalnya, sinar matahari dapat membangkitkan daya listrik elektrolisis air, menghasilkan hidrogen sebagai bahan bakar. Hidrogen kemudian bisa dijadikan sel bahan bakar listrik , yang menghasilkan hampir tidak ada polusi, seperti kombinasi hidrogen dengan oksigen untuk menghasilkan air lagi. Tapi pemisahan air secara efisien akan memerlukan kemajuan dalam efisiensi reaksi kimia, mungkin melalui rekayasa katalis baru. Katalis alami dan enzim dapat menghasilkan hidrogen dari air, dengan efisiensi yang jauh lebih tinggi daripada katalis industri saat ini. Mengembangkan katalis yang cocok dengan yang ditemukan dalam sel-sel hidup secara dramatis akan meningkatkan kemampuan penyimpanan produksi sel bahan bakar solar sehingga energy matahari nantinya akan lebih ekonomis.

Referensi:

·      http://www.mnn.com/green-tech/research-innovations/blogs/5-breakthroughs-that-will-make-solar-power-cheaper-than-coal#

·         http://www.engineeringchallenges.org/cms/8996/9082.aspx