BAHAN AJAR ENERGI DAN PERUBAHANNYA A. Energi Energi dalam fisika didefinisikan sebagai kemampuan untuk melakukan bentuk usaha. Pada hakikatnya, energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, akan tetapi energi dapat diubah dari suatu bentuk energi ke bentuk energi yang lain Sehingga, untuk berlari kita memerlukan energi. Jika ditinjau dari kegiatannya energi dibagi menjadi dua jenis yaitu energi potensial,energi kinetik dan energi mekanik. 1. Energi Potensial Energi potensial adalah energi yang tersimpan dalam suatu benda akibat kedudukan atau posisi benda tersebut. Energi potensial terbagi menjadi 2, yaitu energi potensial gravitasi dan energi potensial elastis. Energi potensial disebut juga energi diam karena benda yang berada dalam keadaan diam dapat memiliki energi potensial. Energi potensial dirumuskan EP = m.g.h Keterangan: EP = energy potensial (J) m = massa benda (Kg) g = percepatan gravitasi (m/s2 ) h = ketinggian benda jatuh (m) 2. Energi Kinetik Energi kinetik adalah energi yang dimiliki suatu benda karena benda tersebut bergerak. Jadi, setiap benda yang bergerak memiliki energi kinetik. Energi kinetik suatu benda besarnya berbanding lurus dengan massa benda dan kuadrat kecepatannya. Contohnya, energi kinetik dimiliki oleh sepeda yang dikayuh, pesawat yang sedang terbang, dan singa yang sedang berlari. Energi Kinetik dapa dirumuskan EK = ½.m.v2 Keterangan: EK = energy kinetik (J) m = massa benda (Kg) v = kecepatan benda (m/s)
3. Energi Mekanik Energi mekanik merupakan jumlah energi potensial dan energi kinetik yang dumiliki oleh suau benda, atau bisa disebut dengan energi total. Besarnya energi mekanik suatu benda selalu tetap. Sedangkan energi kinetik dan energi potensialnya bisa berubah-ubah. Energi mekanik dapat dirumuskan EM = EP+EK B. Perubahan Energi Perubahan energi yang ditunjukkan dari fenomena sehari – hari dimanfaatkan oleh manusia untuk membantu aktivitas mereka. Hal tersebut sejalan dengan hakikat sains, yakni manusia berusaha menjelaskan fenomena yang terjadi untuk membangun pengetahuan, fakta, atau konsep; lalu mencoba fakta tersebut, kemudian memodifikasinya untuk keperluan umat manusia. Beberapa contoh perubahan energi dalam kehidupan sehari – hari adalah 1. Perubahan bentuk energi listrik menjadi panas. Contohnya setrika listrik, rice cooker, kompor listrik dan lain sebagainya. 2. Perubahan energi listrik menjadi energi cahaya. Contohnya lampu. 3. Perubahan energi listrik menjadi energi kimia. Contohnya pada pengisian aki, baterai smartphone, dan lain sebagainya. 4. Perubahan energi listrik menjadi energi gerak. Contohnya pada mesin cuci, kipas angin, turbin dan lain sebagainya. 5. Perubahan energi cahaya menjadi listrik. Contohnya pada sel surya. 6. Perubahan energi gerak menjadi listrik. Contohnhya pada dinamo, PLTA. 7. Perubahan energi kimia menjadi listrik. Contohnya pada baterai, aki. Begitu banyak perubahan energi yang dapat kita manfaatkan sehari – hari, salah satunya untuk mengatasi penggunaan bahan bakar fosil yang berlebihan untuk penunjang kebutuhan energi C. Sumber Energi Sumber energi adalah segala sesuatu yang dapat menghasilkan energi, baik secara langsung maupun melalui proses konversi atau transformasi. Selain itu, sumber energi bisa dibilang sebagai segala sesuatu di sekitar kita yang mampu menghasilkan suatu energi baik yang kecil maupun besar. Contohnya yaitu matahari, air, dan minyak bumi Sumber energi itu sendiri dibagi menjadi dua, yaitu sumber energi yang dapat diperbaharui dan sumber energi yang tidak dapat diperbaharui. Sumber energi yang dapat diperbaharui, seperti matahari, ombak, angin, dan air. Sumber energi yang tidak dapat diperbaharui antara lain minyak bumi, gas alam, batu bara, dan nuklir. Dalam hal pembagiannya, sumber terbesar di bumi adalah matahari. Energi matahari berupa cahaya dan panas yang bermanfaat untuk kehidupan di
bumi. Tanpa matahari, kehidupan di bumi tidak akan ada. Matahari juga berperan sebagai pusat tata surya yang dikelilingi oleh delapan planet, termasuk bumi. D. Macam-macam Sumber energi 1. Sumber Energi yang Dapat Diperbaharui Sumber yang dapat diper baharui adalah sumber yang tidak akan habis bila digunakan terus-menerus. Contohnya, panas bumi, angin, bioenergi, sinar matahari, aliran dan terjun dan air, serta gerakan dan perbedaan suhu lapisan laut. Sumber yang dapat diperbaharui bisa digunakan sebagai energi alternatif. Adapun arti dari energi alternatif adalah semua sumber yang dapat digunakan dan bertujuan untuk menggantikan bahan bakar konvensional tanpa akibat yang tidak diharapkan dari hal tersebut. Berikut contoh sumber energi yang dapat diperbaharui antara lain: ➢ Energi Surya Energi surya atau energi matahari merupakan sumber energi utama di muka bumi. Segala kehidupan yang berlangsung sebagian besar sumber energinya berasal dari matahari. Mulai dari proses produksi makanan oleh tumbuhan melalui fotosintesis dengan menggunakan ultraviolet dari sinar matahari, sampai penggunaan sinar matahari sebagai sumber energi listrik. Teknologi yang dapat mengubah energi surya menjadi energy listrik yaitu Sel surya atau juga sering disebut fotovoltaik. Sel surya dapat dianalogikan sebagai komponen dengan dua terminal atau sambungan. Sel surya berfungsi seperti dioda, saat diberi cahaya matahari dapat menghasilkan tegangan searah. Pada umumnya satu sel surya komersial menghasilkan tegangan searah sebesar 0,5 sampai 1 volt, dan arus shortcircuit dalam skala milliampere per cm2 . Tegangan ini sangat kecil sehingga sejumlah sel surya disusun secara seri membentuk panel surya. Satu panel surya komersial menghasilkan tegangan searah bervariasi bergantung pada dimensinya. Pada umumnya tegangan yang dihasilkan antara 3 - 12 V dalam kondisi penyinaran standar Energi matahari sangat melimpah jumlahnya khususnya bagi wilayah yang beriklim tropis. Energi matahari merupakan sumber energi
yang paling utama bagi kehidupan manusia. Pemanfaatan sinar matahari adalah dengan menggunakan sel surya yang berfungsi mengubah energi surya menjadi energi listrik. Ada juga yang memanfaatkan sinar matahari untuk memasak dengan menggunakan produk kompor bertenaga sinar matahari contohnya di negara India. Energi matahari dapat dikonversi ke bentuk energi lain, seperti panas dan listrik dengan menggunakan Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS). Menurut World Meteorological Organization (WMO), energi matahari dihasilkan dalam dua cara utama, yaitu: • Sel surya (solar cells) atau dikenal juga dengan sel fotovoltaik adalah alat yang dapat mengubah energi dalam cahaya menjadi energi listrik melalui efek fotovoltaik. Teknologi ini dikenalkan oleh fisikawan Prancis AntoineCesar pada tahun 1839. • Tenaga surya terkonsentrasi (concentrated solar power/CSP) menggunakan cermin untuk memusatkan sinar matahari. Energi matahari digunakan untuk memanaskan fluida pada suhu tinggi dengan menggunakan sistem konsentrator. Semakin besar faktor konsentrasi, semakin tinggi suhu cairan yang dipanaskan. Adapun manfaat energi matahari adalah sebagai berikut: ✓ Menghangatkan bumi dan makhluk hidup di bumi. ✓ Energi panas matahari membuat udara dan air di bumi bersirkulasi. ✓ Sebagai penerangan pada siang hari sehingga dapat menghemat energi listrik. ✓ Panas matahari digunakan untuk mengeringkan pakaian dan barang cucian lainnya. ✓ Berjemur di bawah sinar matahari secara teratur membantu tubuh mendapatkan vitamin D yang cukup. Sumber gambar : https://ekonomi.bisnis.com/read/20200313/44/1212897/ini-lokasi-ladangpanel-surya-terbesar-di-indonesia Salah satu Pembangkit listrik tenaga surya yang dikembangkan di Indonesia yaitu PLTS Likupang yang berlokasi di Desa Wineru, Kecamatan Likupang Timur, Kabupaten Minahasa Utara, Provinsi Sulawesi Utara. Terdapat 64.620 hamparan panel surya membentang di atas ladang seluas
29 hektare dan menghasilkan energi mencapai 15 Megawatt per harinya. ➢ Energi Angin Energi angin adalah energi yang dihasilkan udara dan berhembus di permukaan bumi. Energi angin bisa diubah jadi mekanik dengan tujuan menghasilkan usaha. Usaha ini tentu saja yang berhubungan dengan kelangsungan kehidupan manusia di muka bumi. Penggunaan energi angin dimulai sejak abad ke-7 SM oleh bangsa Persia yang menggunakan kincir angin untuk menggiling padi, memotong kayu, dan menghasilkan bentuk energi mekanik lainnya. Pemanfaatan energi angin sedang gencar-gencarnya dilakukan oleh banyak negara di seluruh dunia, karena sumber energi ini tidak terbatas jumlahnya. Biasanya, pemanfaatan energi ini menggunakan kincir angin yang dihubungkan dengan generator atau turbin untuk menghasilkan tenaga listrik. Adapun manfaat dari energi angin, di antaranya: ✓ Menggerakkan kincir angin dan turbin angin, sehingga dapat menghasilkan listrik. ✓ Mendorong perahu layar agar dapat berjalan. ✓ Membantu proses pengeringan pakaian. Energi terbarukan yang berasal dari energi angin di Indonesia mulai dikembangkan. Pembangkit Listrik Tenaga Bayu ( PLTB) atau angin yang menggunakan kincir angin raksasa dikembangkan di Desa Mattirotasi, Kecamatan Watang Pulu, Kabupaten Sidrap, Sulawesi Selatan (Sulsel). PLTB ini memiliki 30 Wind Turbin Generator (WTG) atau kincir angin dan menghasilkan listrik sebesar 75 Mega Watt (MW). PLTB Sidrap merupakan pembangkit tenaga angin pertama dan terbesar di Indonesia yang memanfaatkan lahan kurang lebih 100 hektar
➢ Energi Air Energi air adalah energi yang menghasilkan tenaga air atau hydropower dengan cara memanfaatkan gerakan air dari bendungan atau memanfaatkan aliran air yang mengalir. Pemanfaatan energi air dapat terlihat pada penggunaan Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) untuk kehidupan yang lebih baik. Energi yang bersumber dari tenaga air, sebenarnya sudah lama dimanfaatkan oleh manusia karena lebih ramah lingkungan dan jumlahnya yang berlimpah. Pada bagian bawah bendungan terdapat turbin pada lubang-lubang saluran air. Fungsinya untuk mengubah energi kinetik dari gerakan air menjadi energi mekanik untuk generator listrik. Energi listrik yang berasal dari air disebut hidroelektrik. Adapun beberapa manfaat dari sumber energi matahari, antara lain: ✓ Sebagai pembangkit tenaga listrik menggunakan turbin yang menggerakkan generator untuk menghasilkan listrik. ✓ Keperluan transportasi, wisata dan irigasi atau pengairan pada pertanian. Energi air yang dimaksud dalam hal ini merupakan energi yang diperoleh dari air yang mengalir. Air pada ketinggian tertentu seperti air terjun menyimpan energi potensial dan energi kinetik. Energi ini dapat dimanfaatkan untuk diubah menjadi energi listrik maupun. Di Indonesia Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) sudah banyak dikembangkan di berbagai daerah diantaranya Waduk Cirata Jawa Barat, Waduk Saguling Jawa Barat, PLTA Sulewana, Poso, Sulawesi Tengah, PLTA Sigura-Sigura Samosir, Sumatera Utara, dan masih banyak lagi. PLTA merupakan salah satu pembangkit yang memanfaatkan aliran air untuk diubah menjadi energi listrik. Pembangkit listrik ini bekerja dengan cara merubah energi air yang mengalir (dari bendungan atau air terjun) menjadi energi mekanik (dengan bantuan turbin air) dan dari energi mekanik menjadi energi listrik (dengan bantuan generator)
➢ Energi Geotermal Energi geothermal merupakan energi yang berasal dari sumber panas bumi. Jika diibaratkan air dingin dimasukan ke dalam poros atau lubang batuan di bawah permukaan bumi, maka akan keluar uap air pada poros atau lubang lainnya. Uap air ini yang kemudian dapat digunakan untuk menggerakan turbin dan menghasilkan energi listrik. Pembangkit listrik tenaga geothermal (panas bumi) di Indonesia salah satunya yaitu PLTP Kamojang Jawa Barat. PLTP Kamojang mulai beroperasi pada tahun 1982 dengan 1 unit pembangkit dan terus berkembang sampai hari ini mengoperasikan 7 pembangkit dengan daya listrik yang dihasilkan sebesar 375 MW. https://rm.id/baca-berita/ekonomi-bisnis/30180/pltp-kamojang-unit-1-cikal-bakal-pembangkitgeothermal-di-tanah-air 2. Sumber Energi yang Tidak Dapat Diperbaharui Sumber energi yang tidak dapat diperbaharui (non renewable) adalah sumber energi yang tidak dapat diisi atau dibuat kembali oleh alam dalam waktu yang singkat, bukan proses berkelanjutan. Definisi ini tercantum dalam buku Energi dan Perubahannya. Selain itu, sumber energi jenis ini jumlahnya sangat terbatas atau bisa habis dalam kapan pun. Sumber energi tidak dapat terbaharui berasal dari perut bumi dalam bentuk cair, gas, dan padat. Adapun contoh sumber energi tak terbaharui, seperti minyak bumi, gas alam, propane, batu bara,dan uranium.
Minyak Bumi Batu Bara Sumber Energi Fosil Sumber energi mineral alam Pada tahun 2018, total produksi energi primer yang terdiri dari minyak bumi, gas bumi, batubara, dan energi terbarukan mencapai 411,6 MTOE. Sebesar 64% atau 261,4 MTOE dari total produksi tersebut diekspor terutama batubara dan LNG. Selain itu, Indonesia juga melakukan impor energi terutama minyak mentah dan produk BBM sebesar 43,2 MTOE serta sejumlah kecil batubara kalori tinggi yang diperlukan untuk memenuhi kebutuhan sektor industri. Total konsumsi energi final (tanpa biomasa tradisional) tahun 2018 sekitar 114 MTOE terdiri dari sektor transportasi 40%, kemudian industri 36%, rumah tangga 16%, komersial dan sektor lainnya masing-masing 6% dan 2%. a. Minyak Bumi Produksi minyak bumi selama 10 tahun terakhir menunjukkan kecenderungan menurun, dari 346 juta barel (949 ribu bph) pada tahun 2009 menjadi sekitar 283 juta barel (778 ribu bph) di tahun 2018. Penurunan produksi tersebut disebabkan oleh sumur-sumur produksi utama minyak bumi yang umumnya sudah tua, sementara produksi sumur baru relatif masih terbatas. Untuk memenuhi kebutuhan kilang, Indonesia mengimpor minyak bumi terutama dari Timur Tengah sehingga ketergantungan terhadap impor mencapai sekitar 35%
b. Gas Bumi Pada tahun 2018 produksi gas bumi 2,9 juta MMSCF yang digunakan terutama untuk memenuhi konsumsi dalam negeri di sektor industri feed stock dan atau energi, pembangkit listrik, gas kota (rumah tangga dan komersial) serta gas lift sebesar 1,7 juta MMSCF. Selain itu, gas bumi juga dijadikan sebagai komoditas ekspor dalam bentuk LNG dan gas pipa sebesar 1,2 juta MMSCF. Persentase ekspor (melalui pipa maupun LNG) terhadap total produksi gas bumi menurun dari 50% pada tahun 2009 menjadi 40% pada tahun 2018. Energi primer gas bumi juga mencakup kebutuhan LPG yang dipenuhi dari produksi kilang LPG dan impor LPG. Pada tahun 2018, konsumsi LPG mencapai 7,5 juta ton yang dipenuhi dari produksi LPG dalam negeri sebesar 2 juta ton (26%) dan impor 5,5 juta ton (74%). Suksesnya program konversi minyak tanah ke LPG menyebabkan konsumsi LPG terus meningkat, sementara penyediaan LPG dari kilang LPG dan kilang minyak di dalam negeri terbatas. Naiknya konsumsi LPG khususnya LPG 3 kg yang masih disubsidi perlu diantisipasi Pemerintah mengingat banyaknya penggunaan LPG 3 kg yang tidak tepat sasaran. Untuk mengurangi volume impor LPG yang terus meningkat, saat ini Pemerintah sedang merencanakan program substitusi LPG dengan DME (Dimethyl Ether) yang berasal dari batubara dan substitusi LPG dengan kompor listrik induksi.
c. Batubara Produksi batubara Indonesia diperkirakan akan terus meningkat, terutama untuk memenuhi kebutuhan dalam negeri (pembangkit listrik dan industri) dan permintaan luar negeri (ekspor). Perkembangan produksi batubara periode tahun 2009-2018 mengalami peningkatan yang cukup besar, dengan capaian produksi pada tahun 2018 sebesar 557 juta ton. Dari total produksi tersebut, porsi ekspor batubara mencapai 357 juta ton (63%) dan sebagian besar digunakan untuk memenuhi permintaan China dan India. Tingginya angka ekspor batubara Indonesia menjadikan Indonesia sebagai salah satu eksportir batubara terbesar di dunia selain Australia. Sementara itu konsumsi batubara dalam negeri mencapai 115 juta ton atau lebih kecil dari target konsumsi batubara domestik sebesar 121 juta ton. Salah satu faktor yang menyebabkan lebih rendahnya realisasi konsumsi batubara adalah pengoperasian beberapa Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) program 35.000 MW tidak sesuai dengan rencana dan terdapat beberapa kegiatan industri yang mengalami penurunan. Gambaran produksi, konsumsi dan ekspor batubara dalam 10 tahun terakhir dapat dilihat pa E. Manfaat Energi Terbarukan 1. Pengurangan Emisi, energi terbarukan membantu mengurangi emisi gas rumah kaca 2. Pentingnya menjaga sumber daya alam untuk berkelanjutan 3.Energi erbarukan berdampak positif pada pekerjaan dan pertumbuhan ekonomi
RANGKUMAN Jika kalian sudah selesai membaca materi dalam bahan ajar ini, cobalah membuat rangkuman dalam bentuk peta konsep secara mandiri di rumah. Pokok bahasan yang dapat kalian petakan mencakup bentuk-bentuk energi, perpindahan energi, dan perubahan energi. Selaamt berkreasi Catatan: silahkan dikumpulkan pada pertemuan berikutnya supaya mendapatkan nilai tambahan dari guru
Latihan soal 4. Energi terbarukan adalah energi yang ketersediannya bisa dipulihkan setelah sumbernya digunakan atau habis. Contoh energi terbarukan adalah biomassa. 1. Diketahui data fisik wilayah: 1) Sinar matahari sepanjang tahun stabil 2) Kecepatan angin 12m/detik 3) Suhu harian tinggi 4) Pantai terjal 5) Suhu dibawah 0 derajat C Energi terbarukan cocok dikembangkan pada wilayah dengan kondisi fisik pada angka .... a. 1), 4), 5) b. 1), 2), 3) c. 2), 3), 5) d. 3), 4), 5) e. 1), 3), 5) 5. Energi terbarukan seperti energi surya cocok dikembangkan di wilayah Nusa Tenggara dikarenakan faktor .... a. Amplitudo suhu harian tinggi b. Arus permukaan sangat tinggi dalam setahun. c. Cuaca panas berlangsung cukup panjang dalam setahun d. Angin bertipu kencang hingga 20 m/detik e. Merupakan pertemuan angin muson barat dan timur 6. Energi geotermal merupakan salah satu energi alternatif yang potensial dikembangkan di Indonesia. Hal tersebut dipengaruhi oleh faktor .... a. Curah hujan tinggi sepanjang tahun b. Banyak terdapat bahan galian c. Merupakan wilayah pertemuan angin pasat d. Berada di zona ring of fire e. Ketersediaan melimpah di permukaan bumi 7. Sungai banyak terdapat di Indonesia dan berpotensi menjadi energi terbarukan. Salah satu syarat kondisi sungai dikembangkan menjadi pembangkit listrik adalah .... a. Banyak terdapat meander b. Debit air rendah dan banyak endapan c. Debit air stabil dan arus deras d. Banyak oxbow lake e. Kecepatan arus lambat dan sangat lebar
8. Energi nuklir adalah salah satu energi yang efisien dan ramah lingkungan. Negara maju seperti Jepang, Perancis, Jerman sudah menggunakan energi ini dalam pembangunan. Penyebab energi nuklir masih dipertimbangkan digunakan di Indonesia adalah karena ada faktor resiko yang tinggi yaitu .... a. Banyak terjadi gempa b. Pemeliharaan mahal c. Membutuhkan sumber daya dengan skill khusus d. Intensitas pemanasan matahari tinggi e. Rawan fenomena tornado 9. Apa peran energi dalam pembangunan berkelanjutan? Jelaskan bagaimana pemanfaatan energi yang berkelanjutan dapat membantu mengatasi perubahan iklim. 10. Jelaskan konsep efisiensi energi dalam konteks penggunaan energi. Bagaimana kita dapat meningkatkan efisiensi energi dalam berbagai aspek kehidupan? 11. Jelaskan prinsip kerja panel surya dalam mengubah energi matahari menjadi listrik. Apa keunggulan dan keterbatasannya?