BAB IV

PEMBAHASAN

4.1 Pengertian Termoelektrik

Prinsip kerja dari Termoelektrik adalah dengan berdasarkan Efek Seebeck

yaitu “jika 2 buah logam yang berbeda disambungkan salah satu ujunganya,

kemudian diberikan suhu yang berbeda pada sambungan, maka terjadi perbedaan

tegangan pada ujung yang satu dengan ujung yang lain”.( Muhaimin, 1993).

Fenomena termoelektrik pertama kali ditemukan tahun 1821 oleh ilmuwan

Jerman, Thomas Johann Seebeck. Ia menghubungkan tembaga dan besi dalam sebuah

rangkaian. Di antara kedua logam tersebut lalu diletakkan jarum kompas. Ketika sisi

logam tersebut dipanaskan, jarum kompas ternyata bergerak. Belakangan diketahui,

hal ini terjadi karena aliran listrik yang terjadi pada logam menimbulkan medan

magnet. Medan magnet inilah yang menggerakkan jarum kompas. Fenomena tersebut

kemudian dikenal dengan efek Seebeck.

Penemuan Seebeck ini memberikan inspirasi pada Jean Charles Peltier untuk

melihat kebalikan dari fenomena tersebut. Dia mengalirkan listrik pada dua buah

logam yang direkatkan dalam sebuah rangkaian. Ketika arus listrik dialirkan, terjadi

penyerapan panas pada sambungan kedua logam tersebut dan pelepasan panas pada

sambungan yang lainnya. Pelepasan dan penyerapan panas ini saling berbalik begitu

arah arus dibalik. Penemuan yang terjadi pada tahun 1934 ini kemudian dikenal

dengan efek Peltier. Efek Seebeck dan Peltier inilah yang kemudian menjadi dasar

pengembangan teknologi termoelektrik.

Banyak aplikasi lain penggunaan energi termoelektrik yang sedang

dikembangkan saat ini, seperti pemanfaatan perbedaan panas di dasar laut dan darat,

atau pemanfaatan panas bumi. Kesulitan terbesar dalam pengembangan energi ini

adalah mencari material termoelektrik yang memiliki efisiensi konversi energi yang

tinggi. Parameter material termoelektrik dilihat dari besar figure of merit suatu

material. Idealnya, material termoelektrik memiliki konduktivitas listrik tinggi dan

konduktivitas panas yang rendah. Namun kenyataannya sangat sulit mendapatkan

material seperti ini, karena umumnya jika konduktivitas listrik suatu material tinggi,

konduktivitas panasnya pun akan tinggi.

Material yang banyak digunakan saat ini adalah Bi 2 Te 3, PbTe, dan SiGe.

Saat ini Bi2 Te3 memiliki figure of merit tertinggi. Namun, karena terurai dan

teroksidasi pada suhu di atas 500 oC, pemakaiannya masih terbatas. Rendahnya

figure of merit ini menyebabkan rendahnya efisiensi konversi yang dihasilkan, di

mana saat ini efisiensinya masih berkisar di bawah 10 persen. Nilai ini masih

berkurang sampai 5 persen setelah menjadi sebuah sistem pembangkit listrik. Masih

cukup jauh dibandingkan dengan solar cell yang sudah mencapai 15 persen. Namun,

penelitian ini masih terus berkembang, apalagi setelah Yamaha Co Ltd berhasil

menaikkan figure of merit sebesar 40 persen dari yang ada selama ini. Setelah itu,

perkembangan termoelektrik tidak diketahui dengan jelas sampai kemudian

dilanjutkan oleh WW Coblenz pada tahun 1913 yang menggunakan tembaga dan

constantan (campuran nikel dan tembaga). Dengan efisiensi konversi sebesar 0,008

persen, sistem yang dibuatnya itu berhasil membangkitkan listrik sebesar 0,6 mW.

AF Ioffe melanjutkan lagi dengan bahan-bahan semikonduktor dari golongan

II-V, IV-VI, V-VI yang saat itu mulai berkembang. Hasilnya cukup mengejutkan, di

mana efisiensinya meningkat menjadi 4 persen. Ioffe melakukan satu lompatan besar

di mana ia berhasil menyempurnakan teori yang berhubungan dengan material

termoelektrik. Teori itu dibukukan tahun 1956 yang kemudian menjadi rujukan para

peneliti hingga saat ini.

Penelitian termoelektrik muncul kembali tahun 1990-an setelah sempat

menghilang hampir lima dasawarsa karena efisiensi konversi yang tidak bertambah.

Setidaknya ada tiga alasan yang mendukung kemunculan tersebut. Pertama, ada

harapan besar ditemukannya material termoelektrik dengan efisiensi yang tinggi,

11

yaitu sejak ditemukannya material superkonduktor High-Tc pada awal tahun 1986

dari bahan yang selama ini tidak diduga (ceramic material).

Kedua, sejak awal 1980-an, teknologi material berkembang pesat dengan

kemampuan menyusun material tersebut dalam level nano. Teknologi analisis dengan

XPS, UPS, STM juga memudahkan analisis struktur material.

Ketiga, pada awal tahun 1990, tuntutan dunia tentang teknologi yang ramah

lingkungan sangat besar. Ini memberikan imbas kepada teknologi termoelektrik

sebagai sumber energi alternatif.(Asyafe,2008).

Teknologi termoelektrik bekerja dengan mengonversi energi panas menjadi

listrik secara langsung (generator termoelektrik), atau sebaliknya, dari listrik

menghasilkan dingin (pendingin termoelektrik). Untuk menghasilkan listrik, material

termoelektrik cukup diletakkan sedemikian rupa dalam rangkaian yang

menghubungkan sumber panas dan dingin. Dari rangkaian itu akan dihasilkan

sejumlah listrik sesuai dengan jenis bahan yang dipakai. Kerja pendingin

termoelektrik pun tidak jauh berbeda. Jika material termoelektrik dialiri listrik, panas

yang ada di sekitarnya akan terserap. Dengan demikian, untuk mendinginkan udara,

tidak diperlukan kompresor pendingin seperti halnya di mesin-mesin pendingin

konvensional.

Untuk keperluan pembangkitan lisrik tersebut umumnya bahan yang

digunakan adalah bahan semikonduktor. Semikonduktor adalah bahan yang mampu

menghantarkan arus listrik namun tidak sempurna. Semikonduktor yang digunakan

adalah semikomduktor tipe n dan tipe p. Bahan semikonduktor yang digunakan

adalah bahan semikonduktor ekstrinsik. Persoalan untuk Termoelektrik adalah untuk

mendapatkan bahan yang mampu bekerja pada suhu tinggi.

Terdapat tiga sifat bahan Termoelektrik yang penting, yaitu :

1. Koefisien Seebeck(s)

2. Konduktifitas panas(k)

3. Resistivitas( )

12

Gambar 3.1 skema dasar Termoelektrik

Tabel 3.1 Daerah tegangan bahan Termoelektrik

Logam Tegangan (mV)

Bismuth -7,7

Konstantan -3,47 hingga -3,4

Kobalt -1,99 hingga -1,52

Nikel -1,94 hingga -1,2

Air raksa -0,07 hingga -0,04

Platina 0

Grafit +0.22

Tentalum +0,34 hingga +0,51

Timah putih +0,4 hingga +0,44

Timah hitam +0,41 hingga +0,44

Magnesium +0,4 hingga +0,43

Aluminium +0,37 hingga +0,41

Wolfram +0,65 hingga +0,9

Rodium +0,65

Perak +0,67 hingga +0,79

13

Tembaga +0,72 hingga +0,77

Baja V 2A +0,77

Seng +0,6 hingga +0,79

Manganin +0,57 hingga +0,82

Iridium +0,65 hingga +0,68

Emas +0,56 hingga +0,8

Kadmium +0,85 hingga +0,92

Molibdenum +1,16 hingga +1,31

Besi +1,87 hingga +1,89

Chrom nikel +2,2

Antimonium +4,7 hingga +4,86

Silikon +44,8

Telirium +50

4.2 Pemanfaatan Termo Elektrik

Pemanfaatan teknologi Termoelektrik antara lain:

1. Pembangkit daya (Power generation)

Sampai saat ini pembangkitan listrik dari sumber panas harus melalui

beberapa tahap proses. Bahan bakar fosil akan menghasilkan putaran turbin apabila

dibakar dengan tekanan yang sangat tinggi. Hasil putaran turbin tersebut akan dipakai

untuk memproduksi tenaga listrik. Kira-kira 90 persen energi listrik dunia yang

berasal dari sumber panas masih memakai cara ini. Sehingga efisiensi energi masih

sangat rendah akibat beberapa kali proses konversi. Panas yang dihasilkan banyak

yang dilepas atau terbuang percuma. Apabila proses konversi ini dapat diubah,

efisiensi energi akan menjadi lebih besar karena listrik bisa didapatkan langsung dari

sumber panas tanpa melalui beberapa kali tahap konversi.

14

Namun, beberapa pembangkit tenaga listrik sudah menggunakan metode yang

dikenal sebagai cogeneration di mana di samping tenaga listrik yang dihasilkan,

panas yang dihasilkan selama proses ini digunakan untuk tujuan alternatif. Dengan

menggunakan Termoelekrik, panas yang dihasilkan selama proses yang alami

pembangkit akan diubah menjadi listrik, sehingga panas yang dihasilkan tidak

terbuang secara percuma dan energi yang dihasilkan oleh pembangkit menjadi lebih

besar, serta efisiensi energi menjadi lebih tinggi. Termoelektrik juga mengkin dapat

digunakan pada sistem solar thermal energy.(Wikipedia, 2009)

2. Kendaraaan bermotor

Saat ini untuk meningkatkan efisiensi dari kendaraan bermotor, dilakukan

berbagai macam usaha atau teknologi yang dikembangkan, saat ini sedang popular

adalah system hybrid. Pada system hybrid pada kendaraan bermotor adalah gabungan

system kendaran bermotor dengan mesin pembakaran dalam dan dengan motor

listrik. Energi listrik untuk menggerakn motor listrik diperoleh dari altenantor dan

juga dynamic brake, dimana energy gerak (putaran) diubah menjadi energy listrik.

Keuntungan dari kendaraan hybrid adalah bahwa kendaraan hybrid dapat mengurangi

konsumsi bahan bakar melalui 3 mekanisme yakni

a) Pengurangan energi terbuang selama kondisi ‘idle” atau keluaran rendah,

dan biasanya mesin motor bakardalam keadaan mati.

b) Pengurangan ukuran dan tenaga mesin motor bakar, dalam hal kekurangan

tenaga akan dipenuhi oleh motor listrik,

c) Menyerap energi yang terbuang.

Sementara energy panas yang dibuang belum dimanfaatkan untuk system

Hybrid ini. Muncullah suatu konsep memanfaatan energy panas yang terbuang pada

kendaraan bermotor yang akan dijadikan energy listrik. Konsep yang digunakan

adalah konsep Seebeck. Apabila terdapat dua sumber temperatur yang berbeda pada

dua material semi konduktor makan akan mengalir arus listrik pada material tersebut.

Konsep ini lebih dikenal dengan pembangkit termoelektrik.

15

Dengan menggunakan Teknologi Termoelektrik ini apabila diterapkan pada

kendaraan bermotor dimana gas buang pada mesin motor bakar berkisar antara 200-

300oC sementara temperatur lingkungan bekisar antara 30-35 oC maka dengan

adanya beda temperatur ini akan diperoleh gaya gerak listrik yang kemudian dapat

digunakan untuk menggerakan motor listrik atau disimpan di dalam batere. Apabila

dapat diterapkan di kendaraan hybrid maka konsumsi bahan bakar pada kendaraan

bermotor akan semakin hemat.

Kombinasi ketiga keuntungan hybrid bisa diterapkan pada kendaraan

sehingga mesin menjadi lebih kecil, ringan, dan lebih efisien dibanding kendaraan

konvensional. Dengan demikian diharapkan dapat mengurangi konsumsi bahan bakar

pada kendaraan bermotor lebih banyak lagi karena batere pada kendaraan dimana

berfungsi sebagai sumber utama energy motor listrik akan selalu penuh karena

mendapat suplai dari pembangkit thermoelektrik. Dengan berkurangnya konsumsi

bahan bakar maka dapat pula mengurangi emisi gas buang ke lingkungan.( Koestoer,

2008).

3. Mesin Pendingin

Termoelektrik sebagai pendingin dibuat menjadi sebuah modul

semikonduktor yang jika dialiri arus listrik DC maka kedua sisi modul termoelektrik

ini akan mengalami panas dan dingin. Sisi dingin inilah yang dimanfaatkan sebagai

pendingin produk. Dalam bidang kedokteran dan kesehatan, ketersediaan darah

sangat dibutuhkan oleh pasien untuk proses penyembuhannya. Seperti pasien yang

mengalami kecelakaan, melahirkan, dioperasi atau yang memiliki penyakit berat

lainnya setidaknya membutuhkan darah minimal 1000 – 1500 mL. Darah yang

tersedia hasil donor dari orang sehat sekitar 250 – 300 mL disimpan dalam labu

plastik dan harus dijaga agar tidak rusak. Darah harus disimpan pada kondisi

temperatur tertentu agar sel darah mengalami proses metabolisme yang minimal

sehingga tidak mengalami kerusakan dan dapat digunakan untuk jangka waktu yang

cukup lama. Untuk menjawab permasalahan di atas maka diperlukan suatu tempat

16

penyimpan darah (carrier) hasil donor yang kondisinya dijaga pada suhu 1 - 6 ºC

sehingga bisa digunakan sampai 28 hari ke depan. Adapun solusi yang ditawarkan

adalah membuat suatu kotak penyimpan darah portabel yang temperaturnya dijaga

konstan. Teknologi termoelektrik memungkinkan untuk mendinginkan darah dalam

kapasitas kecil. Sisi dingin pada modul termoelektrik digunakan untuk mendinginkan

darah pada suhu yang diinginkan. Untuk menjaga agar suhunya konstan maka

biasanya digunakan alat kontrol termostat. Dalam merancang sistem ini, langkah

awalnya adalah merencanakan disain konstruksi kotak penyimpan darah beserta

sistem kontrol dan kelistrikan. Langkah selanjutnya melakukan perhitungan beban

pendinginan yang meliputi beban pendinginan darah, beban kalor konduksi dinding,

beban infiltrasi dan beban yang ditimbulkan oleh peralatan listrik. Semua beban

dijumlah total sebagai beban kalor yang harus didinginkan oleh modul termoelektrik.

Pemilihan spesifikasi modul termoelektrik didasarkan pada beban kalor, beda suhu

dan parameter listrik yang digunakan. Kelebihan sistem pendingin termoelektrik

adalah tidak berisik, mudah perawatan, ramah lingkungan dan tidak memerlukan

banyak komponen tambahan. Selain itu manfaat lain dari termoelektrik sebagai mesin

pendingin adalah dapa mengurangi polusi udara. Hydrochlorofluorocarbons (HCFCs)

dan chlorofluorocarbons (CFC) dikenal sebagai ozone depleting substances (ODSs),

yaitu substansi yang meyebabkan penipisan lapisan ozon merupakan zat yang sudah

lama dipakai dalam mesin pendingin. Namun, baru-baru ini telah diterbitkan regulasi

mengenai penggunaan zat-zat tersebut dalam mesin pendingin, sehingga mesin

pendingin berteknologi termoelektrik menjadi solusi cerdas dalam masalah ini.

Dengan teknologi ini dapat mengurangi penggunaan bahan kimia berbahaya seperti

itu dan mungkin akan berjalan lebih tenang (karena mereka tidak memerlukan bising

Kompresor). (Tellurex, 2008)

Keunggulan dari teknologi termoelektrik pada mesin pendingin dari teknologi

lainnya adalahi:

a) Pendingin Termoelektrik tidak memiliki bagian yang bergerak, dan karena itu

kebutuhan pemeliharaan tidak terlalu penting.

17

b) Pengujian ketahanan telah menunjukkan kemampuan perangkat untuk

thermoelectric melebihi 100.000 jam operasi yang stabil di berbagai negara.

c) Temperatur kontrol dari masing-masing bagian dapat dijaga menggunakan

perangkat thermoelectric dan dukungan yang sesuai dari circuit..

d) Fungsi dari Pendingin Termoelektrik dalam lingkungan yang terlalu parah,

terlalu sensitif, atau terlalu kecil untuk pendinginan konvensional.

e) Pendingin Termoelektrik tidak bergantung pada posisi.

f) Arah panas pemompaan dalam sistem thermoelectric sepenuhnya dapat

dibatalkan. dengan mengubah polaritas dari DC power supply menyebabkan

panas yang akan dipompa ke arah-yang dingin kemudian dapat menjadi panas

4.3 Konverter Termionik

Pembangkit listrik dengan termionik adalah mengubah energi panas menjadi

energi listrik dengan menggunakan emisi termionik. Emisi termionik adalah

terlepasnya electron dari permukaan logam yang lebih panas ke permukaan logam

lainnya yang dipanasi bersama sama. Emosi Termionik juga dikenal sebagai “Emisi

Thermal Elektron”. Proses ini sangat penting dalam pengoperasian berbagai

perangkat elektronik dan dapat digunakan untuk pembangkit daya atau pendinginan

Gambar 3.2 skema dasar converter termionik

18

anoda (kolektor)

kotoda (emiter)

beban

keluaran energi

masukan energi

cairan

Elektron electron bebas dari emitter mempunyai energy yang seimbang

dengan level ferminya. Elektron elektron ini dapat meninggalkan katoda, jumlah dari

energy panas yang disuplai padanya akan sama dengan fungsi kerja katoda Ø c.

Elektron-elekron yang diemisikan akan menuju ke arah kolektor (anoda), dengan

kerugian energy yang kecil. Pada anoda, elektron elektron yang diserap akan

membangkitkan energi Ø a dalam bentuk panas, hal ini menaikkan level Fermi dari

anoda, Karena Ø a < Ø c maka selisihnya (Ø c - Ø a) dapat ditranformasikan menjadi

energy listrik.

Bahan katoda hendaknya mempunyai kemampuan emisi yang cukup pada

suhu kerja, mempunyai konduktifitas listrik maupun konduktifitas panas yang tinggi

dan stabil terhadap pengaruh kimia. Bahan yang relative memenuhi syarat di atas

antara lain: W,Mo, dan Ta yang permukaannya dilapisi Ce untuk menghindari

penguapan dan mendapatkan emisi yang lebih baik pada suhu sekitar 2000° C. Bahan

bahan lainnya adalah Barium Oksida, Uranium Karbida yang dicampur dengan

Stontium dan Calsium Oksida.

Bahan bahan yang digunakan sebagai anoda harus memenuhi syarat:

kemampuan emisi ternyata rendah, restistivitas rendah, sifat kimia maupun

mekanismenya baik. Bahan bahan yang digunakan untuk anoda antara lain: Cu, Ni,

Ag yang dilapisi Ce. ( Muhaimin, 1993).

4.4 Pemanfaatan Konverter Termionik

Pemanfaatan dari teknologi Termionik dapat dilihat pada diode, pada

pembangkit listrik tenaga nuklir untuk keperluan kapal ruang angkasa, rektor

spektrum termionik, dan lain-lain. Pemanfaatan teknologi Termionik pada diode

dapat dilihat pada Diode Termionik, dimana diode ini dapat mengkonversi perbedaan

yang panas ke tenaga listrik secara langsung. Dan pada teknologi pembangkit listrik

tenaga nuklir untuk keperluan kapal ruang angkasa dapat dilihat pada pemanfaatan

19

dari panas yang terbuang dari pembangkit dengan mengkonversinya menjadi listrik.

(Wikipedia, 2009).

20