Produksi Listrik Dari Pepohonan

Aktivitas mikroba tanah yang menguraikan berbagai bahan organik sehingga menjadi nutrisi bagi pepohonan dan photosintesisnya ternyata bisa dikonversi menjadi listrik. Proses yang terjadi adalah perubahan dari energi kimia menjadi energi listrik. Hal ini mirip seperti proses aki atau baterai yang merupakan sumber energi kimia menjadi energi listrik. Lalu bagaimana persisnya alat yang bisa mengubah aktivitas mikroba dan photo sintesis tersebut hingga menjadi listrik? Sebuah perusahaan Belanda, Plant-E telah membuktikan konsep tersebut dan mengaplikasikannya pada kehidupan nyata. Sejumlah gadget maupun penerangan jalan dilaporkan telah memanfaatkan listrik yang dikonversi dari aktivitas di pepohonan tersebut.

Adalah suatu alat konverter berupa elektrode positif (katode; menangkap elektron atau reduksi) dan negatif (anode; melepas elektron atau oksidasi) yang mengubah energi kimia tersebut menjadi listrik. Proses photosintesis yang terjadi di tumbuhan yang menghasilkan bahan organik menurut penelitian tersebut ternyata tidak sepenuhnya digunakan oleh tumbuhan tersebut bahkan yang dikeluarkan atau dibuang ke tanah jumlahnya cukup banyak lewat akar  Di sekitar akar tersebut terjadi perombakan bahan organik oleh mikroorganisme dalam rangka mendapatkan energy. Pada fase ini terjadi pelepasan elektron sebagai limbah. Dalam sel elektrokimia reaksi redoks spontan menghasilkan listrik, begitulah prinsipnya, sehingga bisa digunakan sebagai sumber listrik. 

Arus listrik adalah aliran elektron dan tiap elektron bermuatan 1,6E-19 coulomb. Semakin besar perbedaan potensial sel antara kedua elektrode tersebut maka semakin besar arus listrik yang dihasilkan. Logam-logam tertentu digunakan sebagai elektrode, semakin mulia golongan logam tersebut akan semakin sulit teroksidasi. Sehingga kelompok logam yang lebih mulia digunakan sebagai katode atau penangkap elektron. Mikroorganisme sebagai sebagai anode yang melepaskan elektron atau terjadi oksidasi sedangkan katode yang dibuat dari logam tertentu sebagai penangkap electron tersebut atau reaksi reduksi. Penelitian tersebut juga menunjukkan pertumbuhan tanaman tidak terganggu dengan pemasangan elektrode untuk produksi listrik tersebut.

Untuk mengoptimalkan proses produksi listrik tersebut, bisa dilakukan yakni dengan mengoptimalkan sumber energi kimia tersebut. Aktivitas mikroba dalam tanah bisa dioptimalkan dengan membuat kondisi yang optimum untuk pertumbuhan mikroba tersebut, diantaranya dengan pola pertanian organik dan penggunaan biochar. Pupuk kimia akan membunuh mikroba tanah, karena membuat tanah menjadi asam. Selain itu pupuk kimia juga merusak struktur atau kimia fisika tanah. Tanah menjadi keras dan berbagai nutrisi atau bahan organik menjadi mudah lepas. Tanah yang keras juga akan meminimalisir aktivitas mikroba tanah. Biochar dengan fungsinya antara lain sebagai rumah mikroba dan menahan nutrisi bagi tanaman akan mengoptimalkan proses konversi bahan organik, sehingga juga akan mengoptimalkan proses produksi listrik tersebut. Kebun energi dengan pepohonan jenis leguminoceae yang pada akarnya bisa mengikat nitrogen dari atmosfer karena simbiosis dengan mikroba acetobacter juga seharusnya semakin meningkatkan produksi listrik tersebut.

Faktor kedua untuk dioptimalisasi adalah  photosintesisnya. Faktor-faktor seperti ketersediaan nutrisi yang cukup, air dan sinar matahari membuat photosintesis berjalan optimal. Ketersediaan nutrisi yang cukup juga sangat terkait aktivitas mikroba dan ketersediaan bahan organik sebagai sumber pakannya. Indonesia dengan kondisi iklim tropis, matahari bersinar sepanjang tahun dengan rata-rata 12 jam/hari dan curah hujan yang tinggi menjadikannya sangat potensial untuk pertumbuhan pepohonan atau khususnya photosintesi itu sendiri. Kelebihan lain di Indonesia adalah bahwa unit tersebut tidak bisa beroperasi ketika tanah tertutup salju dan ini tidak kita temui di Indonesia. Pada musim dingin yang bersalju tumbuh-tumbuhan berhenti tumbuh atau fase dorman sehingga photosintesis tidak terjadi. Sejumlah pepohonan memiliki jenis photosintesis C4, yakni photosintesis yang tanaman lebih adaptif pada daerah kering dan panas.  Photosintesis C4 membuat produksi gula bertambah dan fotorespirasi minimum atau dikenal fotosintesis efektif. Sehingga faktor ketiga yang bisa dioptimalisasi adalah dengan pemilihan jenis pepohonan yang memiliki photosintesis jenis C4, misalnya pohon bambu.

Sedangkan untuk kapasitas listrik yang dihasilkan cukup kecil, untuk setiap m2 menghasilkan sekitar 28 kwh/tahun atau 0,1 kWh/hari. Apabila penggunaan rumah tangga menghabiskan 10 kwh/hari berarti dibutuhkan perkebunan seluas 100 hektar. Apabila suatu kelompok masyarakat berjumlah 100 rumah dengan masing-masing 10 kWh/hari berarti kebutuhan lahannya mencapai 10.000 hektar. Beberapa daerah pedalaman dengan kebutuhan listrik minimal dan memiliki perkebunan cukup luas bisa jadi cocok dengan teknologi ini. Perkebunan-perkebunan besar dengan populasi pohon yang padat seperti perkebunan teh, tebu, kebun energi dan sebagainya diprediksi lebih efektif implementasinya. Penerapan sensor-sensor dalam dunia pertanian dan IoT (Internet of thing) bisa menggunakan listrik dari sumber ini. Selain itu aktifitas mendaki gunung bisa lebih menyenangkan apabila jalan setapak yang dilalui diterangi lampu-lampu yang listriknya berasal dari pepohonan di hutan kanan kirinya. Plant e sejauh ini menggunakan listrik yang dihasilkan untuk charging handphone dan gadget lainnya serta penerangan jalan. Pada akhirnya sumber energi dari pepohonan semakin membuktikan firman Allah SWT yakni QS Yaasiin (36) : 80 & QS Waqi'ah: 71-72. Untuk lebih detail pengembangan energi berbasis Al Qur'an bisa dibaca disini. 

Heat Gasifier dan Stirling Engine Untuk Solusi Listrik Desa Terpencil

Desa-desa terpencil yang jauh dari jaringan listrik PLN akan sulit mendapatkan pasokan listrik, apalagi yang berada di pulau-pulau kecil dengan penduduk terbatas. Desa-desa terpencil tersebut juga pada umumnya merupakan desa-desa tertinggal sehingga masih perlu perhatian khusus. Saat ini desa-desa seperti itu masih sangat banyak ditemukan di Indonesia, yakni 60% atau sekitar 50.000 desa, sebagai gambaran lebih riil di Jawa dengan rasio rata-rata 3 dari 10  sedangkan di Sumatra rasionya rata-rata 7 dari 10 dan Irian 9 dari 10 desa masuk desa tertinggal. Salah satu upaya memberi perhatian dan mengembangkan desa-desa tersebut adalah dengan tersedianya aliran listrik untuk berbagai keperluan mereka termasuk akses informasi dengan dunia luar. Ketersediaan energi khususnya listrik juga mendorong mereka untuk bisa mandiri dengan berabagai macam produksi. 

Berdasarkan kondisi di atas sehingga dibutuhkan pembangkit-pembangkit kecil yang bisa dioperasikan di desa-desa terpencil tersebut. Konsep desentralisasi akan mampu menjangkau daerah-daerah tersebut. Untuk menjalankan pembangkit-pembangkit tersebut dengan mudah juga dibutuhkan sumber energi yang banyak terdapat di desa-desa tersebut dan biomasa khususnya kayu-kayuan pada umumnya banyak dan berlimpah di daerah-daerah pedesaan tersebut. Bahkan untuk mendapatkan pasokan sumber energi kayu-kayuan tersebut bisa juga dilakukan secara khusus misalnya dengan pembuatan kebun energi. Kebun energi dengan tanaman leguminoceae seperti kaliandra akan sangat efektif dan efisien untuk terus menjaga pasokan kayu pada pembangkit-pembangkit tersebut. Selain itu kebun energi juga sangat dimungkinkan untuk diintegrasikan dengan peternakan seperti domba dan sebagainya.

Gasifikasi adalah teknologi yang banyak digunakan untuk pembangkit listrik dari biomasa atau masuk kelompok power gasifier. Masalah operasional pada gasifikasi biasanya pada pembersihan gas. Tar adalah pengotor utama unit gasifikasi sehingga perlu sering perawatan untuk menjaga gasnya tetap bersih. Semakin baik unit pembersihan gas (syngas cleaning system) maka periode perawatan semakin jarang dan begitu juga sebaliknya. Semakin baik unit tersebut biasanya juga akan semakin rumit dan semakin mahal. Mesin motor bakar (internal combustion engine) selalu membutuhkan pasokan bahan bakar bersih untuk bisa beroperasi secara stabil. Bahan bakar kotor akan mengganggu operasional pembangkit tersebut, seperti kerak dan penyumbatan pada ruang bakar dan sebagainya. 

Alternatif lain pembangkit listrik biomasa tersebut adalah dengan stirling engine. Stirling engine memiliki kesamaan dengan internal combustion engine yakni alat atau konverter yang menghasilkan energi mekanik yang selanjutnya diubah menjadi listrik dengan generator. Perbedaannya stirling engine adalah heat engine yang mengubah panas menjadi energi mekanik. Sedangkan produksi panas dilakukan diluar alat tersebut, sehingga stirling engine bisa juga sebagai external combustion engine apabila sumber panas berasal dari pembakaran diluar unit tersebut. Dalam hal inilah sehingga gasifikasi juga bisa digunakan, tetapi diposisikan sebagai heat producer atau penghasil panas yang digunakan untuk oleh stirling engine. Gasifier yang menggunakan biomasa untuk menghasilkan panas masuk kelompok heat gasifier. Konfigurasi heat gasifier lebih sederhana dibandingkan dengan power gasifier, hal ini dikarenakan pada heat gasifier tidak dibutuhkan perangkat pembersihan dan pengkondisian gas yang rumit seperti pada power gasifier. Apalagi yang digunakan adalah jenis downdraft gasifier yang jumlah pengotor tarnya sudah minimal.

Skema dari power gasifier

Skema dari heat gasifier

Stirling engine sama seperti gasifikasi juga bukan hal baru. Kedua teknologi ini banyak digunakan ketika terjadi krisis energi beberapa dekade lalu. Saat itu kedua teknologi tersebut banyak digunakan untuk menggerakan berbagai sarana transportasi dan juga pembangkit listrik. Ketika kondisi saat ini kesadaran penggunaan bahan bakar fossil semakin harus dikurangi atau bahkan tidak boleh menggunakan bahan bakar fossil atau karena tekanan aspek lingkungan maka energi terbarukan menjadi pilihan dan teknologi seperti gasifikasi dan stirling engine muncul kembali. Faktor spesifik untuk kondisi Indonesia juga turut menjadi daya dorong adalah daerah yang luas dan masih banyak berada di daerah terpencil sedangkan pasokan khususnya bahan bakar minyak sulit didapat sementara biomasa kayu-kayuan melimpah dan sangat mudah didapat. Solusi pembangkit listrik biomasa skala kecil yang praktis, mudah operasional, efisien dan minim perawatan akan menjadi solusi kelistrikan Indonesia dan juga solusi lingkungan. 

InsyaAllah Tidak Lama Lagi, Pembangkit Listrik Kita Hanya Seukuran Kulkas

 Sekitar pertengahan tahun 1980an, listrik baru masuk ke tempat tinggal saya di Bantul, Yogyakarta. Sedangkan di tempat nenek saya di Kulon Progo, Yogyakarta malah lebih lama lagi, yakni akhir 1980an atau awal 1990an. Sudah hampir 30 tahun listrik telah menjadi bagian tak terpisahkan dalam kehidupan kita. Berbagai aktivitas manusia menjadi lebih mudah dengan adanya listrik tersebut. Bahkan sejumlah aktivitas dan profesi sangat tergantung dengan penggunaan listrik tersebut, sebagai contoh di industri manufaktur modern. Beberapa dari kita mungkin ada yang bertanya secara umum seperti,  bagaimana listrik tersebut dihasilkan, dimana pembangkit listrik tersebut, mengapa belum semua daerah di Indonesia mendapat aliran listrik, dengan apa listrik bisa dibangkitkan, mengapa tarif atau biaya listrik terus naik setiap waktu, dan sebagainya. Lebih sedikit lagi mungkin ada yang menanyakan seperti apakah mungkin membangkitkan dan mencukupi kebutuhan sendiri listriknya, apakah ada kaitannya produksi listrik yang selama ini kita gunakan dengan peningkatan karbon (CO2) di atmosfer, dan bisakah menjadi bagian dari solusi terhadap penurunan CO2 di atmosfer dengan membangkitkan sendiri listrik tersebut. Tentu saja sederet pertanyaan diatas membutuhkan jawaban yang panjang lebar sehingga menjelaskan salah satu masalah penting tentang di sektor energi, khususnya listrik.

Sekitar 20 tahun lalu, apabila memiliki minat besar pada go green atau energi terbarukan, efisiensi energi dan lingkungan berkelanjutan (sustainable environment) maka itu adalah sesuatu hal aneh dan membuat peminatnya "terisolir". Tetapi setelah 20 tahun berlalu ternyata minat tersebut sekarang malah menjadi bagian cara berpikir dan hidup dalam keseharian, dan bukan mustahil tidak lama lagi akan menjadi mainstream. Indikasinya pasar untuk energi dan teknologi ramah lingkungan semakin berkembang. Listrik juga merupakan bentuk energi yang sangat fleksibel dalam penggunaannya sehingga bisa bisa menjadi dikonversi ke bentuk lain, seperti mekanik, panas, cahaya dan sebagainya.

Sebagai muslim ketika kita membaca dan mengimplementasikan Al Qur'an maka biomasa khususnya kayu-kayuan adalah jawaban sumber energi tersebut. Petunjuk Al Qur'an tersebut dalam QS Yaasiin : 80, QS Al Waqi'ah : 71-72, dan QS An Nuur : 35 dan untuk penjelasan lebih rinci bisa dibaca disini. Faktor lainnya yakni kesadaran masyarakat global untuk menurunkan suhu bumi dengan tidak menambah CO2 di atmosfer, sehingga biomasa sebagai solusi jitu. Wood pellet sebagai produk biomasa kayu-kayuan untuk sektor energi sangat populer dan menjadi perhatian dunia saat ini. Termasuk juga untuk pembangkit listrik, bahkan penggunaan untuk pembangkit listrik ini sangat mendapat perhatian serius. Dengan menjadi produk wood pellet tersebut maka sisi transportasi, pengemasan hingga penggunaannya menjadi lebih mudah. Harga wood pellet pun sangat bersaing dan menjadi produk energi paling murah ditinjau dari kandungan kalorinya atau nilai panasnya.

Biomasa kayu-kayuan berasal dari pepohonan atau tanaman yang bisa tumbuh hampir di semua tempat di Indonesia. Berdasarkan hal tersebut seharusnya pembangkit listrik juga bisa disebarkan di seluruh lokasi yang berdekatan dengan sumber biomasa tersebut, bahkan pembangkit listrik kecil untuk rumah tangga juga bisa dibuat. Sebuah pembangkit listrik hanya seukuran kulkas seperti gambar dibawah ini telah digunakan di sejumlah negara di Eropa dengan bahan bakar wood pellet. Sedikit modifikasi bisa dilakukan di Indonesia, karena iklimnya tropis yang tidak pernah mengalami musim dingin hingga dibawah 0 C, sehingga selain untuk pembangkit listrik juga bisa untuk memasak, sedangkan di Eropa selain listrik juga menyediakan panas untuk pemanas ruangan atau biasa dengan sebutan CHP (Combine Heat and Power). Stirling engine banyak digunakan dalam CHP engine tersebut karena ukurannya kecil dan efektif hingga kapasitas 100 KW. Gasifikasi dan ORC (Organic Rankine Cycle) juga banyak digunakan untuk kapasitas menengah. Baik Stirling engine, maupun ORC mendapatkan panas dari pembakaran biomasa, sedangkan pada gasifikasi ada pembatasan udara/oksigen dimasukkan dan bertujuan untuk memaksimalkan produk gasnya. Selain pembakaran (combustion) dan gasifikasi, ada lagi route thermal biomasa yang juga banyak diaplikasikan yakni pirolisis. Bedanya pirolisis lebih banyak digunakan untuk produksi bahan bakar, baik bahan bakar padat berupa arang terutama dengan karbonisasi atau slow pyrolysis, maupun bahan bakar cair atau biooil terutama dengan fast pyrolysis. Ada lagi satu varian proses pirolisis yang terutama untuk menghasilkan bahan bakar biomasa yang memiliki karakter hidropobik seperti batubara, yakni torefaksi (torrefaction) atau mild pyrolysis. Bahkan juga sebelumnya pembangkit listrik dengan kapasitas yang lebih kecil hanya bisa untuk elektronik daya kecil seperti gadget telah dibuat dan dipasang pada kompor-kompor masak.

Lalu bagaimana untuk bisa terus memproduksi wood pellet secara berkesinambungan atau berkelanjutan (sustainable)? Jawabnya yakni dengan kebun energi. Kebun energi juga sudah menjadi solusi di Eropa ketika krisis minyak tahun 1970an, karena Eropa tidak memiliki sumber energi fossil yang memadai sehingga energi biomasa menjadi pilihan utama. Termasuk teknologi pemadatan biomasa (biomass densification) seperti pembriketan dan pemelletan juga berkembang pesat sewaktu krisis tersebut. Dan hingga saat inipun sejumlah negara Eropa dengan ribuan hektar kebun energi untuk menyuplai bahan bakar pembangkit listriknya. Beberapa negara di Eropa yang memiliki kebun energi yang luas yakni Swedia, Inggris, Jerman dan Spanyol. Lalu bagaimana dengan Indonesia? Konsep kebun energi terdengar masih asing di tellinga kita, walaupun potensinya juga luar biasa besar di Indonesia. Setelah sekian lama menjadi produsen minyak bumi sehingga menjadi anggota OPEC waktu itu, saat ini kondisinya berbeda yakni menjadi pengimport minyak bumi. Kondisi aktual terkini itu seharusnya mendorong energi biomasa khususnya dalam bentuk wood pellet dengan bahan baku dari kebun energi.

Jangan sampai kondisinya terlambat ketika krisis energi telah terjadi lalu secara panik mengambil apa saja yang bisa dijadikan energi dan berdampak buruk bagi lingkungan. Tetapi bukankah Indonesia masih memiliki sumber energi yang melimpah seperti gas dan batubara? Menurut estimasi gas baru habis dalam kurun waktu 30 tahun lagi dan batubara 80 tahun lagi. Ya tetapi bahan bakar diatas adalah carbon positif dan tidak sustainable. Padahal saat ini secara bertahap sedang diusahakan untuk dikurangi oleh banyak negara untuk menurunkan suhu bumi. Tentu akan lebih baik berpartisipasi sebagai bagian dari solusi untuk menurunkan suhu bumi dengan energi dari biomasa tersebut. Motivasi besar lainnya kita dapat dari hadist Nabi Muhammad SAW :

"Tidak akan terjadi hari kiamat, sebelum harta kekayaan telah tertumpuk dan melimpah  ruah,  hingga  seorang  laki-laki  pergi  ke  mana-mana  sambil membawa  harta  zakatnya  tetapi  dia  tidak  mendapatkan  seorangpun  yang bersedia  menerima  zakatnya  itu.  Dan  sehingga  tanah Arab  menjadi  subur makmur  kembali  dengan  padang-padang  rumput  dan  sungai-sungai "  (HR.Muslim).

Bumi sekali lagi akan menjadi makmur sebelum kiamat. Secara umum kebun-kebun dan hutan-hutan seperti itu juga menjadi penyebab munculnya mata-mata air (QS 36 : 34) yang pada waktunya akan mengalir ke sungai-sungai  (QS 19 : 24-25) dan juga menjadi kesenanganmu dan binatang ternakmu (QS 79 : 31). Solusi kebun energi dan peternakan domba/Kambing juga ibarat sekali dayung, 2-3 pulau terlampaui, yakni energi dan pangan. Indonesia saat ini baru menggenjot salah satu unsur pangan, yakni karbohidrat terutama beras karena juga sebagai makanan pokok dan disektor itupun saat ini belum swasembada dengan import beras mencapai jutaan ton. Padahal selain karbohidrat komposisi makananan kita meliputi protein, lemak, vitamin dan mineral. Logikanya ketika di sektor yang pokok saja masih kedodoran, apalagi unsur-unsur penunjang yang lain. Peternakan domba/kambing sebagai penyedia unsur penunjang tetapi sangat penting peranannya yakni protein. Pada kesempatan lain insyaAllah bisa kita bahas keterkaitan energi dan pangan lewat kebun energi dan peternakan domba/kambing ini secara lebih rinci.

Kapan pembangkit listrik kita hanya seukuran kulkas? Tidak lama lagi, ketika bumi kembali hijau, kebun energi dan produksi wood pellet bertebaran dimana-mana. InsyaAllah