Sifat yang harus dimiliki oleh sumber energi yang efisien dan ramah lingkungan antara lain

• Memiliki densitas energi yang tinggi → energi per volume yang tinggi akan membuat sumber energi tersebut tidak memakan banyak tempat ketika disimpan sehingga lebih efisien.
• Memiliki energi spesifik yang tinggi → energi per massa yang tinggi akan membuat sumber energi mudah ditransportasikan dan juga proses pemanfaatannya efisien karena tidak banyak byproduct yang akan dihasilkan.
• Memiliki tingkat emisi yang rendah → tingkat emisi yang rendah secara umum berarti tidak banyak byproduct yang dihasilkan, sehingga pemanfaatan energi lebih efisien. Namun, tingkat emisi zat-zat berbahaya seperti $\text{CO}_2$ dan bahan radioaktif yang rendah juga membuat sumber energi ramah lingkungan.

Sementara massa jenis (massa per volume) dari suatu sumber energi bukan menjadi kriteria yang dipertimbangkan.

Jadi, karakteristik penting yang harus dimiliki oleh sumber energi yang efisien dan ramah lingkungan adalah (1), (2), dan (3).

Gambar tersebut merupakan gambar baterai. Terdiri dari dua bahan kimia berbeda yang diletakkan di katoda dan anoda. Pada saat tidak digunakan, energi yang tersimpan dalam baterai merupakan potensial sel atau energi kimia. Pada saat baterai digunakan dan dihubungkan ke rangkaian listrik, terjadi reaksi spontan sehingga elektron mengalir dari anoda ke katoda menghasilkan energi listrik.

Jadi, konversi energi yang terjadi pada benda tersebut ketika digunakan adalah energi kimia → energi listrik.

Diketahui:

Daya dari nilai kalor batu bara $P_{\text{in}}$ = 8.000 kJ/s = 8.000 kW

Rugi daya pembakaran $P_{\text{b}}$ = 2.000 kW

Rugi daya turbin $P_{\text{t}}$ = 500 kW

Rugi daya generator $P_{\text{g}}$ = 1.000 kW

Ditanya:

Efisiensi PLTU $\eta$ = ?

Jawab:

Efisiensi merupakan banyaknya energi yang keluar dibanding energi yang masuk. Nilai energi ini berbeda karena adanya rugi-rugi dari setiap unit untuk mengonversi energi. Secara matematis, persamaan efisiensi adalah sebagai berikut.

$\frac{E_{\text{out}}}{E_{\text{in}}}=\eta$

atau

$\frac{P_{\text{out}}}{P_{\text{in}}}=\eta$ di mana $P$ adalah daya (energi per satuan waktu).

Hitung besarnya daya keluaran.

$P_{\text{out}}=P_{\text{in}}-P_{\text{b}}-P_{\text{t}}-P_{\text{g}}$

$P_{\text{out}}=8.000-2.000-500-1.000$

$P_{\text{out}}=4.500$ kW

Sehingga efisiensinya

$\eta=\frac{P_{\text{out}}}{P_{\text{in}}}$

$\eta=\frac{4.500}{8.000}$

$\eta=0,5625=56,25\text{}$%

Jadi, efisiensi dari PLTU tersebut adalah 56,25%.

Diketahui:

Efisiensi turbin $\eta_{\text{t}}$ = 0,5

Efisiensi generator $\eta_{\text{g}}$ = 0,8

Efisiensi konverter $\eta_{\text{k}}$ = 0,95

Energi masukan (angin) $E_{\text{in}}$ = 2.500 kJ

Ditanya:

Energi keluaran (listrik) $E_{\text{out}}$ = ?

Jawab:

Efisiensi merupakan banyaknya energi yang keluar dibanding energi yang masuk. Nilai energi ini berbeda karena adanya rugi-rugi dari setiap unit untuk mengonversi energi. Secara matematis, persamaan efisiensi adalah sebagai berikut.

$\frac{E_{\text{out}}}{E_{\text{in}}}=\eta$

Untuk sistem yang memiliki unit-unit pengonversi energi yang disusun secara seri (kasakade), besarnya efisiensi total adalah perkalian dari efisiensi masing-masing unit.

$\eta_{\text{tot}}=\eta_1\times\eta_2\times...\times\eta_{\text{n}}$

Pada soal ini, pembangkit listrik tenaga bayu memiliki unit turbin, generator, dan konverter.

$\frac{E_{\text{out}}}{E_{\text{in}}}=\eta_{\text{tot}}$

$E_{\text{out}}=\eta_{\text{tot}}E_{\text{in}}$

$E_{\text{out}}=\left(\eta_{\text{t}}\times\eta_{\text{g}}\times\eta_{\text{k}}\right)E_{\text{in}}$

$=\left(0,5\times0,8\times0,95\right)\left(2.500\right)$

$=950$ kJ

Jadi, besar energi listrik yang dihasilkan adalah 950 kJ.

Diketahui:

Daya potensial air $P_{\text{in}}$ = 100 MW

Rugi daya turbin $P_{\text{t}}$ = 5 MW

Rugi daya generator $P_{\text{g}}$ = 10 MW

Ditanya:

Efisiensi PLTA $\eta$ = ?

Jawab:

Efisiensi merupakan banyaknya energi yang keluar dibanding energi yang masuk. Nilai energi ini berbeda karena adanya rugi-rugi dari setiap unit untuk mengonversi energi. Secara matematis, persamaan efisiensi adalah sebagai berikut.

$\frac{E_{\text{out}}}{E_{\text{in}}}=\eta$

atau

$\frac{P_{\text{out}}}{P_{\text{in}}}=\eta$ di mana $P$ adalah daya (energi per satuan waktu).

Hitung besarnya daya keluaran.

$P_{\text{out}}=P_{\text{in}}-P_{\text{t}}-P_{\text{g}}$

$P_{\text{out}}=100-5-10$

$P_{\text{out}}=85$

Sehingga efisiensinya

$\eta=\frac{P_{\text{out}}}{P_{\text{in}}}$

$\eta=\frac{85}{100}$

$\eta=0,85=85\%$

Jadi, efisiensi dari PLTA tersebut adalah 85%.

Perkembangan PLTN di Indonesia ditunjukkan salah satunya dengan rencana pembangunan PLTN Gunung Muria sejak 1972. Pemerintah Indonesia melalui badan tenaga atom nasional (BATAN) membentuk komisi persiapan pembangunan PLTN untuk merancang regulasi PLTN. Indonesia juga memiliki dua tambang sebagai sumber cadangan uranium yaitu di Remaja-Hitam dan Rirang-Tanah Merah. Secara prospek, PLTN merupakan salah satu pembangkit yang membutuhkan modal awal paling besar namun setelah terbangun biaya pembangkitan listriknya sangat murah dan efisien. Modal awal yang besar ini bukan lagi menjadi masalah bagi negara Indonesia modern saat ini, tapi keberadaan Indonesia di cincin api pasifik rentan terkena bencana alam sehingga pembangunan PLTN dikhawatirkan akan membawa bencana radioaktif yang besar apabila tidak dipersiapkan dengan baik.

Jadi, kendala utama yang dihadapi Indonesia dalam membangun PLTN adalah Indonesia berada di daerah cincin api pasifik sehingga rentan terkena bencana alam, menjadikan PLTN sangat berisiko.

Diketahui:

Ketinggian $h$ = 20 m

Debit air $Q$ = 4.000 m³/s

Tegangan listrik $V$ = 100 kV

Efisiensi PLTA $\eta$ = 0,7

Percepatan gravitasi $g$ = 10 m/s²

Massa jenis air $\rho$ = 1.000 kg/m³

Ditanya:

Arus listrik yang mengalir $I$ = ?

Jawab:

Pembangkit listrik tenaga air (PLTA) merupakan pembangkit listrik yang memanfaatkan energi kinetik dari fluida yang mengalir. Fluida yang mengalir dari ketinggian tertentu menyimpan energi potensial yang nantinya dapat diubah menjadi energi kinetik menggunakan peralatan tertentu seperti turbin air. Besarnya daya yang disimpan oleh fluida dapat dituliskan dengan persamaan berikut.

$P=\rho gQh$

$\rho$ merupakan massa jenis fluida, $g$ merupakan percepatan gravitasi, $Q$ merupakan debit fluida, dan $h$ merupakan ketinggian fluida.

Cari daya maksimum yang mungkin dihasilkan oleh air terlebih dahulu.

$P=\rho gQh$

$P=\left(1.000\right)\left(10\right)\left(4.000\right)\left(20\right)$

$P=800.000.000$ W

$P=800$ MW

Kemudian, cari besarnya daya yang dikonversi menjadi daya listrik.

$P_{\text{L}}=\eta P$

$P_{\text{L}}=\left(0,7\right)\left(800\right)$

$P_{\text{L}}=560$ MW

Besarnya daya listrik adalah $P_{\text{L}}=VI$ di mana $V$ adalah tegangan listrik dan $I$ adalah arus listrik. Maka, cari besarnya arus listrik.

$P_{\text{L}}=VI$

$I=\frac{P_{\text{L}}}{V}$

$I=\frac{560}{100}$

$I=5,6$ kA

Jadi, arus listrik yang mengalir adalah 5,6 kA.

Diketahui:

Energi ambang silikon $W_{\text{o}}$ = 1,11 eV

Panjang gelombang $\lambda$ = 400 nm

Intensitas foton $I$ = 10²⁰ /s

Konstanta Planck $h$ = 6,63×10^-34 J s

Kecepatan cahaya $c$ = 3×10⁸ m/s

Muatan elektron $e$ = 1,6×10^-19 C

Ditanya:

Daya yang diterima $P$ = ?

Jawab:

Silikon merupakan sebuah semikonduktor sehingga memiliki elektron bebas yang bisa berpindah-pindah dari satu atom ke atom lainnya. Namun, sebagian besar elektron ada di dalam pengaruh ikatan inti atom atau di dalam pita valensi. Energi yang dibutuhkan untuk melepaskan ikatan tersebut dinamakan energi ambang. Energi kinetik elektron yang keluar yang mungkin dicapai ketika elektron terpental adalah energi kinetik maksimum. Einstein mengatakan bahwa energi kinetk maksimum ini merupakan selisih antara energi foton dengan energi ambang. Dengan demikian energi kinetik maksimum dapat dituliskan dengan persamaan berikut.

$EK_{\text{maks}}=E-W_{\text{o}}$

$E$ merupakan energi foton yang bisa didapatkan dari $E=hf=\frac{hc}{\lambda}$ dan $W_{\text{o}}$ adalah energi ambang.

Daya dari energi yang dihasilkan foto bisa didapatkan dengan mengalikan energi kinetik maksimal dengan intensitas fotonnya atau $P=EK_{\text{maks}}I$.

$EK_{\text{maks}}=E-W_{\text{o}}$

$EK_{\text{maks}}=\frac{hc}{\lambda}-W_{\text{o}}$

$EK_{\text{maks}}=\frac{\left(6,63\times10^{-34}\right)\left(3\times10^8\right)}{400\times10^{-9}}-1,11\left(1,6\times10^{-19}\right)$

$EK_{\text{maks}}=3,2\times10^{-19}$ J

Sehingga besar daya yang dihasilkan adalah sebesar

$P=EK_{\text{maks}}I$

$P=\left(3,2\times10^{-19}\right)\left(10^{20}\right)$

$P=32$ J/s $=32$ W

Jadi, daya yang diterima oleh lampu adalah 32 W.

Diketahui:

Ketinggian $h$ = 5 m

Debit air $Q$ = 1.000 m³/s

Tegangan listrik $V$ = 50 kV

Efisiensi PLTA $\eta$ = 75% = 0,75

Percepatan gravitasi $g$ = 10 m/s²

Massa jenis air $\rho$ = 1.000 kg/m³

Ditanya:

Arus listrik yang mengalir $I$ = ?

Jawab:

Pembangkit listrik tenaga air (PLTA) merupakan pembangkit listrik yang memanfaatkan energi kinetik dari fluida yang mengalir. Fluida yang mengalir dari ketinggian tertentu menyimpan energi potensial yang nantinya dapat diubah menjadi energi kinetik menggunakan peralatan tertentu seperti turbin air. Besarnya daya yang disimpan oleh fluida dapat dituliskan dengan persamaan berikut.

$P=\rho gQh$

$\rho$ merupakan massa jenis fluida, $g$ merupakan percepatan gravitasi, $Q$ merupakan debit fluida, dan $h$ merupakan ketinggian fluida.

Cari daya maksimum yang mungkin dihasilkan oleh air terlebih dahulu.

$P=\rho gQh$

$P=\left(1.000\right)\left(10\right)\left(1.000\right)\left(5\right)$

$P=50.000.000$ W

$P=50$ MW

Kemudian, cari besarnya daya yang dikonversi menjadi daya listrik.

$P_{\text{L}}=\eta P$

$P_{\text{L}}=\left(0,75\right)\left(50\right)$

$P_{\text{L}}=37,5$ MW

Besarnya daya listrik adalah $P_{\text{L}}=VI$ di mana $V$ adalah tegangan listrik dan $I$ adalah arus listrik. Maka, cari besarnya arus listrik.

$P_{\text{L}}=VI$

$I=\frac{P_{\text{L}}}{V}$

$I=\frac{37,5}{50}$

$I=0,75$ kA

$I=750$ A

Jadi, arus listrik yang mengalir adalah 750 A.

Diketahui:

Ketinggian $h$ = 10 m

Debit air $Q$ = 2.000 m³/s

Tegangan listrik $V$ = 75 kV

Efisiensi PLTA $\eta$ = 75% = 0,75

Percepatan gravitasi $g$ = 10 m/s²

Massa jenis air $\rho$ = 1.000 kg/m³

Ditanya:

Arus listrik yang mengalir $I$ = ?

Jawab:

Pembangkit listrik tenaga air (PLTA) merupakan pembangkit listrik yang memanfaatkan energi kinetik dari fluida yang mengalir. Fluida yang mengalir dari ketinggian tertentu menyimpan energi potensial yang nantinya dapat diubah menjadi energi kinetik menggunakan peralatan tertentu seperti turbin air. Besarnya daya yang disimpan oleh fluida dapat dituliskan dengan persamaan berikut.

$P=\rho gQh$

$\rho$ merupakan massa jenis fluida, $g$ merupakan percepatan gravitasi, $Q$ merupakan debit fluida, dan $h$ merupakan ketinggian fluida.

Cari daya maksimum yang mungkin dihasilkan oleh air terlebih dahulu.

$P=\rho gQh$

$P=\left(1.000\right)\left(10\right)\left(2.000\right)\left(10\right)$

$P=200.000.000$ W

$P=200$ MW

Kemudian, cari besarnya daya yang dikonversi menjadi daya listrik.

$P_{\text{L}}=\eta P$

$P_{\text{L}}=\left(0,75\right)\left(200\right)$

$P_{\text{L}}=150$ MW

Besarnya daya listrik adalah $P_{\text{L}}=VI$ di mana $V$ adalah tegangan listrik dan $I$ adalah arus listrik. Maka, cari besarnya arus listrik.

$P_{\text{L}}=VI$

$I=\frac{P_{\text{L}}}{V}$

$I=\frac{150}{75}$

$I=2$ kA

Jadi, arus listrik yang mengalir adalah 2 kA.