Kuliah-01 Pengantar- FI6002-Pengantar Sains Energi-rev.pptx

8/10/2019 Kuliah-01 Pengantar- FI6002-Pengantar Sains Energi-rev.pptx

1/32

Physics Study Program

Faculty of Mathematics and Natural Sciences

Institut Teknologi Bandung

FI-6002 : PENGANTAR SAINS ENERGI

Kuliah-01

Sains Energi : Pengantar


2/32

Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI S

Pengantar Sains Energi

Selama jutaan tahun kehidupan di Bumi

berlangsung dengan energi-netral (reversibel):

Tumbuhan dan hewan mengalami siklus

kehidupan yang seimbang dan berkelanjutan. Setelah manusia menemukan api, keseimbangan

alam menjadi tidak reversibel lagi.

Api memungkinkan makanan dapat dimasak,

mengusir predator dan membuat senjata


3/32



Dalam 2 abad yang lalu manusia berhasil menemukan

cara untuk mengubah panas menjadi listrik

Listrik merupakan bentuk energi yang paling bermanfaat

dan memudahkan

Listrik telah memfasilitasi kemajuan yang luar biasa

dalam sains dan rekayasa, mentransformasi peradaban

dan membuat hidup manusia sekarang jauh lebih nyaman

dari pendahulunya.

Akan tetapi, listrik telah membuat masyarakat menjadi

konsumtif, yang memperlakukan listrik dan sumber

energi lain sebagai suatu komuditas yang harus ada.


4/32



Dalam waktu singkat setelah revolusi industri,

bahan bakar fosil yang dihasilkan oleh proses

yang sangat panjang (ratusan juta tahun),

berkurang secara drastisdalam 1 tahun kitamengkonsumsi sesuatu yang proses

pembentukannya memerlukan waktu sekitar 1

juta tahun

Emisi CO2 dan hasil pembakaran lainnyamemberikan dampak yang besar pada perubahan

iklim global dan merupakan tantangan sendiri

bagi kehidupan manusia sekarang.


5/32



Konversi energi merupakan masalah lain lagi,

tetapi dengan penerapan prinsip dasar fisika

memungkinkan untuk memahami esensi masalah

ini dengan baik Isu energi merupakan isu yang terbuka dan

kontroversial perlu dihadapi dengan pikiran

terbuka

Penting sekali untuk bersikap obyektif, lebih

mengutamakan fakta dari pada opini, menantang

asumsi dan selalu mencari solusi yang konstruktif


6/32


A Brief History of Energy Technology

Sejarah pemanfaatan energi dalam berbagai bentuk, telah

memberikan tantangan intelektual yang besar dan menstimulasi

penemuan ilmiah

Teknologi energi saat ini merupakan hasil dari kemajuan dalam

pemahaman sains, inspirasi, dan perbaikan secara gradual dalam

rancangan rekayasa selama berabad-abad

Sejak zaman kekaisaran Romawi, rekayasa air sudah menjadi

teknologi yang sangat mapan.

Ribuan tahun yang lalu, sistem irigasi memperluas lahan pertanian di

sekitar sungai Nil dan meningkatkan kemakmuran pada Zaman Mesir

Kuno.

Salah satu hasil rekayasa penting di era itu adalahArchimedes screw.

Archimedes screw digunakan untuk mengambil air dari sungai,

mengosongkan biji-bijian dari kapal pengangkut, mengambil air bersih

dari

banjir (contoh: Rio Tinto di Spanyol).


7/32



Archimedes screw (digunakan sejak ribuan tahun lalu:

zaman Kekaisaran Romawi Kuno, Mesir Kuno, Hanging

Gardens of Babylon)

Waterwheels(turbin air): Dari zaman kuno dan mulai

ramai dipakai di Eropa Barat sekitar tahun 1000 Masehi.

Rancangan turbin air yang sangat terkenal dan masih

dipakai saat ini adalah Fourneyron Turbine (1834)


8/32


Waterwheels: Fourneyron Turbine

(1834)

http://www.machine-history.com/node/581

http://www.waterwheelfactory.com/fourney.htm

http://de.wikipedia.org/wiki/Fourneyron-Turbine


9/32



Steam engine (mesin uap) pertama adalah mainan yang

dibuat oleh Hero dari Alexanderia pada abad 1 Masehi.

Alat ini terdiri daari bola logam berongga yang diisi uap

dan di tahan oleh 2 pivot

Uap dialirkan keluar melalui dua

lubang dan momentum dari jet

uap menghasilkan reaksi dalam

arah kebalikan sehinggamenyebabkan bola berputar


10/32


Steam Engine

Revolusi Industri hanya bisa terjadi dengan penemuan mesin uap (steam

engine).

Tetapi diperlukan waktu yang cukup lama sebelum mesin uap komersial

pertama muncul, mengingat ada kesalah-pahaman yang sangat serius tentang

sifat vakum dan tekanan udara sampai akhirnya Torricelli (murid Galileo)

menemukan barometer air raksa. Paten mesin uap komersial pertama diusulkan oleh Papin (1690)

Selanjutnya mesin uap komersial pertama yang sukses diciptakan oleh

Thomas Newcomen (1712)

Mesin uap yg lebih efisien dipatenkan oleh James Watt tahun 1769

Antara 1776 -1824, Mesin uap James Watt telah diproduksi sebanyak1164mesin


11/32


Steam Engine

Tahun 1824, Ilmuwan muda Prancis, Nicholas Carnot,

menunjukkan bahwa efisiensi maksimum dari suatu

mesin kalor ideal hanya bergantung pada perbedaan nilai

temperatur panas dan dingin selama beroperasi.

Mesin uap terus berkembang sampai abad ke-19 denganpengembangan kereta uap dan kapal uap.

Tahun 1884, Charles Parsons menemukan rotary steam

turbine. Inovasi besar ini merealisasikan bahwa daya

pada semburan uap bertekanan tinggi dapat digunakandengan lebih efisien jika tekanan dilewatkan beberapa

kali pada propeler turbin, sehingga menghasilkan suatu

mesin yang kuat dan sangat kompak.


12/32



Selama tahun1820an, Faradaytergugah oleh dua penemuan baru: pertama oleh

Oersted, bahwa jarum kompas dibelokkan ke kanan oleh suatu kawat berarus, dan

Ampere yang menemukan bahwa dua kawat berarus saling memberikan gaya satu

sama lain.

Tahun 1831, Faraday mempublikasikan hukum induksi magnetik.

Faraday juga menunjukkan bahwa arus dapat dihasilkan dari piringan tembaga yang

berputar diantara dua kutub magnet yang kuat.

Penemuan ini menjadi awal penemuan dinamo, yang selanjutnya membuka jalan bagipenemuan LAMPU LISTRIK

The early dynamos produced very spiky outputs; the first device to produce a smooth

current was the Gramme dynamo, using a continuous loop of wire wrapped around a

rotating iron ring. Electric telegraphy and electroplating were two of the first useful

applications of electricity, followed by arc-lighting for public service.


13/32



Lampu pijar pertama dipatenkan oleh Thomas Alfa Edison, tahun 1879.

Awal tahun 1860, Joseph Swan dari England mempatenkan bola lampu

pertama di dunia, tetapi umurnya pendek dan tidak efisien.

Untuk kapitalisasi penemuannya, Edison mempatenkan sistem distribusi

listriktahun 1880.

Tahun 1881, Edison membangun stasion pembangkit listrik pertama di duniadi Holborn Viaduct, London, yang menghasilkan 160 kW daya untuk lampu

dan motor listrik.

Tahun berikutnya Edison membangun pembangkit serupa di New York City,

yang menyuplai listrik bagi Wall Street dan komunitas perbankan.

Terjadi rivalitas yang kuat antara sistemarus DC Thomas Edison dan sistemarus AC yang dipromosikan oleh George Westinghouse.

Edison staged public events to highlight the dangers of alternating current,

with live electrocutions of dogs, cats, and even an elephant! However, the

alternating current system became the one generally adopted worldwide.


14/32



The first large-scale hydroelectric power station was

built in 1895 on the US side of Niagara Falls, using

Fourneyron turbines.

The first half of the twentieth century witnessed a

massive construction program of coal-fired powerstations and hydroelectric plants.

The most significant new development in the second half

of the twentieth century was nuclear power.

The early fission reactors were used for producingmaterials for nuclear weapons.

Reactors solely for electricity generation did not appear

until the latter half of the 1950s.


15/32


16/32



As a result there was a general improvement in nuclear safety

standards worldwide and greater international support for the

effective regulation of civil nuclear installations.

However, the impact of these accidents considerably slowed the

building of new reactors.

The recent accident in 2011 in Fukushima, Japan, which was the

result of a series of tsunamis following a massive undersea

earthquake that measured 9.0 on the Moment scale, has further set

back the deployment of nuclear power, though it still has the

potential to play a significant role in combating global warming.


17/32



Alternative energy was a neglected area until the oil price shocks of

the 1970s.

Western governments then began to sponsor research programs into

various alternative energy technologies with the aim of reducing

their dependence on oil

Nonetheless, alternative energy is establishing a foothold and is

likely to gain more support as the effects of global warming are

realized and become more pronounced, and the remaining fossil fuel

reserves of the planet become uneconomic to extract.


18/32


Power scale comparison

To complete this brief historical overview, Table 1.1

compares the power scales involved in a small selection

of energy-related devices, from antiquity to the present

day.


19/32


Global Energy Trends

A measure of the standard of living in a country is the Human

Development Index (HDI), which combines indicators of educational

attainment, life expectancy, educational attainment, and income.


20/32



It is natural that less-developed countries will seek to

increase their GDP (gross domestic product) and thereby

increase their energy consumption per capita.

The global population is predicted to be 9.2 billion by

2050, compared with 7.0 billion in 2011 and 2.5 billion in1950, and the demand for energy is projected to

increase by 40% (BP2030) by 2030, based on present

trends.


21/32



Figure 1.6 shows the global energy consumption in 2010. The

primary energy demand (excluding biomass) is predicted to remain

approximately constant in OECD countries over the period up to

2030 at ~5500 megatonnes of oil equivalent (Mtoe) while growing

significantly in non-OECD countries from ~6500 Mtoe to ~11 000

Mtoe.


22/32


Global Energy Trends During these next 20 years the GDP of OECD and non-OECD countries

is predicted to rise by ~1.5 and ~2.5 times, respectively, while the

population is expected to increase by 1.4 billion compared with 1.6

billion in the previous 20 years, with nearly all the increase

occurring in non-OECD countries. The breakdown by source is shown

in Fig. 1.7 (note that hydropower is plotted separately fromrenewables).


23/32



Electricity generation is expected to increase by

65% from ~21 000 TWh in 2010 to ~35 000 TWh in

2030, with renewables generating ~10% globally

compared with ~3% in 2008 (see Fig. 1.8).


24/32


Global Energy Trends The present (2010) distribution of fuel demand by region is shown in

Fig. 1.9. Chinas economy is expected to continue to grow rapidly

and to be the largest in the world by 2030.


25/32


Global Energy Trends Chinas economy is expected to continue to grow rapidly and to be

the largest in the world by 2030.

In China, and globally, fuel switching to sources with lower carbon

dioxide emissions per unit of energy (gas is about half that of coal,

see Table 1.2) is expected to result in a percentage increase in Gt of

CO2 per annum of 27% in 2030 compared with that in 2010, when~31 Gt of CO2 was emitted, lower than the estimated 40% increase

in energy demand.

However, continuing such CO2 emissions would put the world at risk

of significant climate change owing to the associated global

warming.


26/32

Gl b l i d th


27/32


Global warming and the

greenhouse effect

E g U it d C i


28/32


Energy Units and Conversion

Rate


29/32


Summaries

Global energy production is expected to increase by

around 40% between 2010 and 2030, with the increase

virtually all in the developing countries.

The greenhouse effect is a natural phenomenon due to

absorption of solar radiation by the Earths atmosphere,raising the temperature on the surface of Earth by about

35 C.

The main greenhouse gas is water vapour. Carbon

dioxide, methane, CFCs, and other greenhouse gasesenhance the effect of water vapour.


30/32


Summaries

The characteristic timescale for an excess of water

vapour in the atmosphere to disap- pear is a few days

but, for other greenhouse gases and for the response of

the interactions between the oceans and atmosphere,

the characteristic timescales are typically 101000 years. Carbon dioxide concentrations have risen from about 280

parts per million by volume in 1750 to about 390 parts

per million by volume today.

Carbon dioxide emissions need to fall to zero by ~2100 inorder to limit the atmospheric concentration to ~450

ppmv and to restrict the temperature rise (compared to

pre- industrial times) to 2 C.


31/32


Summaries

Continuing to rely predominantly on fossil fuels for our

energythe business-as-usual scenariocould cause a

temperature rise of ~4 C and put the world at risk of

significant climate change.

Decarbonizing our electricity and energy supply, coupledwith energy savings, is essential in order to combat

climate change.


32/32


PR

Documents

Kuliah-01 Pengantar- FI6002-Pengantar Sains Energi-rev.pptx