Teknik Fisika

#RenewableEnergyuntukNegeri

Tak Tau tentang Cahaya

Gambar: Senja di Pantai Depok 

Aku tau tentang cahaya. Baik itu Bulan maupun Matahari. Tapi pada kenyataanya aku pun paham bahwa aku telah terjerembab dalam angan-angan kesombongan manusia. Cahaya Bulan dan Matahari adalah rahasia Illahi. Tidak tahu kapankah akan menunjukkan cahayanya untuk menyinari malam bahkan siang hari. Dalam fase Purnama, Bulan tak selamanya bisa  menampakkan pantulan cahaya Matahari. Adakalanya lapisan-lapisan awan tebal menghalanginya. Begitu juga dengan cahaya hidup, cahaya hidup adalah rahasia bagi manusia, manusia tidak bisa menerka-nerka. Tidak tahu yang akan terjadi di kehidupan yang akan menjelang. Yang seharusnya ada adalah bagaimana manusia berusaha untuk menghidupkan cahaya hidupnya, agar bisa memberikan manfaat bagi orang lain. Atau paling tidak, tidak menjadi peredup cahaya orang lain. Apabila kita tidak bisa memberi manfaat bagi orang lain maupun lingkungan sekitar, setidaknya kita tidak menjadi benalu yang dapat merugikan orang lain. #absurd

Rumah Matahari: Inovasi Bangunan yang Memanfaatkan Radiasi Matahari untuk Suplai Energi

¹Zakariya Arif Fikriyadi, ²Cecep Setiawan

^1,2Jurusan Teknik Fisika, Universitas Gadjah Mada

Global warming merupakan salah satu dampak dari kerusakan lingkungan yang diakibatkan oleh aktivitas manusia. Saat ini, global warming telah meningkatkan suhu bumi. Hansen (2012), menjelaskan bahwa peningkatan suhu bumi sejak abad ke 20 mencapai 0,51^o C. Faktor utama terjadinya bencana besar ini adalah akibat emisi gas rumah kaca. Protokol Kyoto mengatur enam jenis gas-gas rumah kaca yaitu CO₂, Metana (CH₄), Nitrogen Oksida (N₂O) dan tiga jenis lagi yang mengandung flour seperti HFC, PFC dan SF₆ dan karbon dioksida memiliki persentase lebih dari 70 % dari volume total gas rumah kaca ini.

Diketahui bahwa sebagian besar kebutuhan energi Indonesia dipenuhi dengan menggunakan energi fosil seperti: minyak, gas maupun batubara. Penggunaan bahan bakar ini sudah tentu akan menyebabkan potensi emisi CO₂ semakin besar dan menambah resiko global warming. Penghematan energi di sektor rumah tangga merupakan langkah yang sangat strategis karena berdasarkan Data Renstra BPPT (2010-2015), hampir 30,1 % dari kebutuhan energi nasional dikonsumsi untuk kebutuhan rumah tangga.

“Rumah Matahari” merupakan satu inisiasi atau gagasan yang dapat memberikan jalan keluar berupa desain rumah yang ramah lingkungan dan mandiri secara energi dengan pemenuhan energinya berasal dari matahari. Teknologi pemanfaatan energi surya yang semakin berkembang saat ini telah mencukupi pembuatan suatu desain rumah yang mampu menyediakan energinya sendiri dengan memanfaatkan energi matahari. Selain itu, berdasarkan data dari Kementrian ESDM pada tahun 2011, Indonesia memiliki potensi energi matahari rata-rata 4,8 kWh/m².day dengan waktu insolasi optimis 5 jam per hari dan tersinari matahari sepanjang tahun. Diharapkan gagasan ini dapat diaplikasikan di Indoneisa dalam rangka memenuhi target 17 % energy mix Indonesia 2025 dengan menggunakan energi terbarukan.

“Rumah Matahari” merupakan bangunan yang memanfaatkan energi matahari untuk pemenuhan kebutuhan listrik, penyediaan air panas dan pencahayaan. Dalam pemenuhan kebutuhan listrik di “Rumah Matahari” digunakan teknologi Solar Home System (SHS). Untuk pemenuhan kebutuhan air panas digunakan teknologi Pemanas Air Tenaga Surya (PATS). Sementara, untuk memenuhi kebutuhan pencahayaan alami digunakan teknologi solar tube.

     1.   Solar Home System

Solar Home System (SHS) merupakan salah satu teknologi pembangkit tenaga surya skala kecil dan cocok untuk memenuhi kebutuhan energi listrik skala rumah tangga. Komponen-komponen pada SHS antara lain: panel surya sebagai pembangkit listrik tenaga matahari, baterai sebagai penyimpan energi listrik sementara, kontroler yang berfungsi sebagai terminal listrik dan beban yang penggunaannya sesuai dengan kebutuhan.

      2.   Pemanas Air Tenaga Surya (PATS)

Salah satu komponen yang paling utama dalam pemanas air tenaga surya adalah kolektor yang berfungsi untuk menangkap panas matahari. Kolektor surya dapat didefinisikan sebagai sistem perpindahan panas yang menghasilkan energi panas dengan memanfaatkan radiasi sinar matahari sebagai sumber energi utama. Ketika cahaya matahari menimpa absorber pada kolektor surya, sebagian cahaya akan dipantulkan kembali ke lingkungan, sedangkan sebagian besarnya akan diserap dan dikonversi menjadi energi panas, lalu panas tersebut dipindahkan kepada fluida yang bersirkulasi di dalam kolektor surya untuk kemudian dimanfaatkan guna berbagai aplikasi.

Sidopekso (2011) merancang sistem pemanas air tenaga surya dengan kolektor yang terisolasi dengan baik agar tidak terjadi kehilangan panas di dalam kolektor agar dihasilkan air dengan suhu melebihi 60^o Celcius serta keadaan cuaca yang cerah agar pemanas air tenaga surya dapat bekerja dengan baik. Kedudukan kolektor dibuat dengan kemiringan tertentu agar sirkulasi air dapat berlangsung dengan baik, sehingga penyerapan panas oleh air terjadi secara optimal. Hasil dari eksperimen kurang optimal karena terdapat masih terdapat kebocoran pada ruang kolektor yang dibuat, kebocoran terdapat pada lubang tempat masuk atau keluarnya pipa tembaga yang belum terisolasi dengan sempurna. Suhu air dalam tabung tembaga diharapkan akan mencapai 60^o Celcius dilihat dari hasil pengukuran suhu dalam kolektor serta pipa tembaga.

      3.   Pencahayaan Alami

Pencahayaan alami mempunyai dua komponen, yaitu cahaya matahari (sunlight) dan cahaya langit (skylight). Sebagian besar dari desain pencahayaan alami berusaha untuk mendapatkan cahaya matahari. Pada siang hari yang cerah besar cahaya sebesar 100000 lumen dapat mengenai luasan sebesar 1 m² yang berarti besarnya illuminasi sebesar 100000 lux. Jika efisiensi pencahayaan alami sebesar 100% maka dengan itu akan sangat cukup untuk menerangi ruangan sebesar 100m² dengan illuminasi sebesar 1000 lux.

Albanna, Suyatno dan Yudoyono (2011) telah melakukan penelitian tentang perancangan pencahayaan alami dalam ruang tertutup dengan menggunakan solar illumination. Dalam solar illumination terdapat dua sistem, yaitu sistem optika geometri untuk pemanduan cahaya dan sistem solar tracker untuk optimalisasi pelacakan arah sumber cahaya. Mekanisme pemanduan cahaya adalah dengan mengumpulkan cahaya menjadi berkas titik oleh panel solar concentrator yang kemudian dipandu menggunakan fiber optik untuk didistribusikan ke ruangan. Berdasarkan hasil penelitian, diperoleh data bahwa efisiensi sistem solar illumination adalah 12.00 %, sehingga dapat memberikan wacana tentang pemanfaatan energi matahari tidak terbatas hanya pada tinjauan termal dan listrik (solar cell). Energi matahari dapat dimanfaatkan dalam bidang pencahayaan yang sehat dan hemat energi pada ruang tertutup.

Desain rumah yang digunakan untuk “Rumah Matahari” ini adalah rumah tipe 70 yang merupakan rumah minimalis yang banyak digunakan di Indonesia. Berikut merupakan salah satu contoh denah rumah tipe 70.

Gambar 1. Denah Rumah Tipe 70

(Sumber: http://rumahminimalish.com/contoh-desain-rumah-mewah-minimalis-type-70-beserta-denah/)

Pemanas Air Tenaga Matahari yang dipakai dalam desain “Rumah Matahari” adalah yang menggunakan kolektor plat sejajar. Penggunaan jenis tersebut menyesuaikan dengan kebutuhan penyediaan air panas untuk keperluan mandi. Kolektor yang digunakan pada pemanas air tenaga panas matahari ini adalah kolektor surya plat datar yang bagian atasnya terbuat dari kaca yang berwarna hitam redup sedangkan bagian bawahnya terbuat dari bahan isolator yang baik sehingga panas yang terserap kolektor tidak terlepas ke lingkungan. Air panas di dalam kolektor bisa mencapai 82^oC, sedangkan air panas yang dihasilkan tergantung keinginan karena sistem dilengkapi pengontrol suhu. Kolektor surya tipe plat datar adalah tipe kolektor surya yang dapat menyerap energi matahari dari sudut kemiringan tertentu sehingga pada proses penggunaannya dapat lebih mudah dan lebih sederhana. Dengan bentuk persegi panjang seperti gambar di bawah ini.

Sistem pencahayaan langsung yang digunakan adalah teknologi solar tube. Solar tube memungkinkan tempat di sebuah bangunan yang tidak terjangkau oleh cahaya matahari yang berasal dari jendela atau jenis bukaan yang lainnya dapat mendapatkan cahaya matahari. Solar tube adalah pipa cahaya yang membuat sinar matahari masuk ke dalam interior rumah melalui atap sehingga ketika siang hari, tidak lagi memerlukan adanya lampu yang menyala untuk menerangi suatu sudut ruangan.

Penggunaan SHS memiliki keunggulan dalam aspek lingkungan karena tidak memiliki residu atau limbah. Sedangkan jika dibandingkan dengan listrik PLN yang mayoritas menggunakan pembangkit listrik tenaga Uap yang menghasilkan residu berbahaya tergadap lingkungan terutama CO₂. Suhedi (2012) menyebutkan bahwa untuk membangkitkan listrik dengan menggunkan PLTU menghasilkan residu CO₂ sebesar 0,719 kg CO₂/kWh. Sedangkan dalam buku panduuan penerapan MPB di Indonesia (2006)  menyebutkan bahwa resiko kerugian lingkungan yang harus digantikan per Ton Emisi CO₂ adalah U$ 1,83.

Pada kasus perancangan “Rumah Matahari” di atas, penggunaan SHS akan mengurangi emisi CO₂. Dengan asumsi listrik PLN menggunakan PLTU maka untuk pemakaian listrik rumah Matahari memiliki potensi pencemaran CO₂ sebesar 0,719 x 3089,88 kWh/Tahun = 2.221,62 kg CO₂/tahun. Sedangkan SHS tidak memiliki potensi emisi CO₂ yang berarti selama pemakaiannya tidak menghasilkan emisi. Waktu hidup SHS dapat mencapai 25 tahun, dengan asumsi ini maka pemanfaatan SHS dapat menghemat emisi CO₂ sebesar 55.540,59 kg CO_2.

Pada penyediaan air panas memerlukan biaya yang besar karena harus tersedia sewaktu-waktu dan biasanya untuk memanaskan digunakan energi fosil ataupun energi listrik. Namun dengan menggunakan PATS maka hal ini bukan merupakan masalah karena pemanasan air dilakukan dengan menyerap panas matahari dengan menggunakan kolektor sehingga tidak memerlukan biaya bahan bakar. Sementara pada pemakaian Solar Tube, berdasarkan pada US Green Building Council, bisa menghemat penggunaan listrik (lampu) hingga 80%.

Analisis kebutuhan dalam pembangunan SHS adalah sebagai berikut.

Tabel 1. Biaya Investasi

No.	Jenis Investasi	Banyak satuan	Harga satuan	Jumlah
1	Panel Surya 100 Wp	16	Rp   2.500.000	Rp 40.000.000
2	Baterai 65 Ah	6	Rp   1.200.000	Rp   7.200.000
3	Kontroller (10 A-12 V)	1	Rp      550.000	Rp      550.000
4	Inverter 900 W	1	Rp   1.800.000	Rp   1.800.000
7	Biaya Instalasi (10%)	1	Rp   4.705.000	Rp   4.995.000
JUMLAH INVESTASI				Rp 54.505.000

Investasi yang diperlukan untuk membangun sebuah instalasi SHS pada desain “Rumah Matahari” adalah sebesar Rp 54.505.000,00. Sedangkan jika menggunakan PLN maka diperoleh jumlah biaya yang diperlukan rata-rata perbulan adalah sebagai berikut.

Tabel 2. Perhitungan Pay Back Period

No.	Parameter	Jumlah
1.	kWh/hari	7,953 kWh
2.	Harga per kWh	Rp 1.050,00
3.	Abodemen	Rp. 30.200.00
4.	Jumlah Kwh Per Bulan	238,59 kWh
5.	Jumlah Biaya per Bulan	Rp. 250.520,00
6.	Ditambah Abodemen	Rp. 316.960,00
7.	Jumlah Biaya per tahun	Rp. 3.803.514,00
8.	Tahun kembali	14,33 tahun

Dari tabel 2 dapat dilihat bahwa investasi pembangunan sistem pemenuh energi di Rumah Matahari akan mengalami keuntungan setelah 14,33 tahun setelah pembangunan sistem tersebut. Yang artinya setelah itu dapat  dinikmati energi secara gratis.

Sekarang banyak sekali perumahan di Indonesia yang memiliki tipe minimalis seperti tipe 70 sehingga jika konsep “Rumah Matahari” diterapkan di Indonesia maka dapat membantu memenuhi target Pemerintah dalam mewujudkan energy mix pada tahun 2025.

Daftar Pustaka

Albanna, Isa; Suyatno; Yudoyono, Gatut. 2011. Pencahayaan dalam Ruang Tertutup Menggunakan Solar Illumination. Jurnal Fisika dan Aplikasinya. Volume 7, Nomor 2.

Dokumen PP No. 5 Tahun 2006 Tentang Kebijakan Energi Nasional.

Hansen, J., Ruedy, R., & Sato, M. 2012. Global Temperature in 2011, Trends and Prospects. USA: NASA.

Kementerian ESDM. 2006. Blueprint Pengelolaan Energi Nasional 2006-2025. Jakarta: ESDM.

Kementerian ESDM. 2013. Potensi Penghematan Energi Hingga 25 Persen. Diakses dari: http://www.esdm.go.id/berita/323-energi-baru-dan-terbarukan/5989-potensi-penghematan-energi-hingga-25-persen.html pada tanggal 15 November 2013.

Kementrian Lingkungan Hidup Jepang. 2006. Panduan Kegiatan MPB di Indonesia. Indonesia: Avisindo Pratama.

NAHB. 2006. The Potential Impact of Zero Energy Homes. Marlboro: National Association of Home Builders Research Center.

Permana, Indra Zaka. 2013. Menikmati Cahaya Matahari di dalam Rumah. Diakses dari: http://www.ideaonline.co.id/iDEA2013/Eksterior/Renovasi-Eksterior/Menikmati-Cahaya-Matahari-di-Dalam-Rumah pada tanggal 29 Agustus 2013.

Ridwan, M. Kholid. 2010. Fisika Bangunan. Yogyakarta: Jurusan Teknik Fisika UGM.

Setiawan, C. 2013. Solar Water Pumping System. Yogyakarta: Gadjah Mada University.

Sidopekso, Satwiko. 2011. Studi Pemanfaatan Energi Matahari sebagai Pemanas Air. Berkala Fisika. 14: 23-26.

Suhedi, F. 2012. Emisi CO2 dari Konsumsi Energi Domestik. Jakarta: PU.

Sutrisna, Mardi. 2013. Contoh Rumah Tipe 36. Diakses dari: http://www.rumah4minimalis.com/2012/12/contoh-rumah-type-36-rumah-minimalis.html pada tanggal 18 November 2013.

Wisnutoro, Anton. 2013. Skripsi: Studi Potensi Energi Terbarukan di Desa Gulem Kulon dan Gulem Wetan, Kabupaten Banjarnegara, Jawa Tengah. Yogyakarta: Jurusan Teknik Fisika, Universitas Gadjah Mada.