Seiring dengan harga minyak bumi yang terus meningkat, terlepas dari apakah karena harganya dikontrol para kartel atau murni karena supply dan demand, sudah sewajarnya kita sebagai manusia yang haus energi untuk memikirkan solusi agar kehidupan kita tidak lebih susah lagi pada zaman di mana harga minyak bumi tinggi ini. Kadang beberapa orang memikirkan cara agar kita tidak terlalu bergantung dengan minyak bumi dengan mencari dan mengembangkan banyak jenis energi alternatif, seperti teknologi Panel Surya, Turbin Air, ataupun Turbin Angin. Ternyata, kita tidak selalu perlu untuk sibuk mencari alternatif baru untuk membangkitkan energi, karena sebetulnya ada cara yang sudah dikenal sejak dahulu yang bisa kita manfaatkan dan bisa kita sempurnakan untuk mengurangi ketergantungan kita dari minyak bumi. Jawabannya, adalah dengan memanfaatkan mesin kalor pembakaran luar (External Combustion Heat Engine/External Combustion Engine).

Apakah mesin kalor itu?

Mesin kalor adalah sebuah mesin yang bergerak dengan memanfaatkan panas sebagai penggeraknya. Mesin Kalor terbagi 2, yaitu Mesin Pembakaran Dalam (Internal Combustion Engine), dan Mesin Pembakaran Luar (External Combustion Engine). Mesin pembakaran dalam maksudnya adalah mesin yang bahan bakarnya bereaksi di dalam ruangan mesin, contohnya adalah mesin bensin dan mesin diesel. Mesin pembakaran dalam sudah sangat populer karena sudah pasti sering kita lihat sehari-hari baik itu pada mesin mobil, motor, ataupun genset yang biasa dipakai. Kekurangan dari mesin pembakaran dalam adalah, karena proses reaksi bahan bakar terjadi di dalam mesin, maka bahan bakar haruslah berbentuk cair ataupun gas yang bisa dengan mudah dimasukkan ke dalam ruangan reaksi. Dan juga, bahan bakar cair ataupun gas ini mayoritas adalah bahan turunan dari minyak bumi.

Apakah mesin pembakaran luar itu? Secara sederhana, mesin pembakaran luar adalah sebuah mesin kalor yang reaksi pembakarannya terletak di luar ruang mesin, sehingga bahan bakar tidak perlu dimasukkan ke ruang reaksi dan hanya energi panasnyalah yang diambil oleh mesin sebagai sumber tenaga. Dua contoh mesin pembakaran luar yang paling terkenal adalah mesin uap dan mesin stirling.

Mesin Uap

Mesin uap (Rankine Cycle Engine) adalah sebuah mesin yang bergerak karena tekanan uap dari sebuah fluida yang dipanaskan oleh pembakaran di luar mesin, jika fluida yang dipanaskan adalah air, maka nama mesinnya adalah mesin uap, tapi kalau fluida yang dipanaskan adalah benda organik lain (biasanya naptha, sejenis minyak bumi), maka dinamakan Organic Rankine Engine. Secara sederhana , kerja mesin uap adalah:

1. Bahan bakar yang dibakar di luar mesin memanaskan fluida di dalam mesin.
2. Fluida di dalam mesin berubah fase dari fase cair ke fase gas.
3. Gas yang terbentuk menciptakan tekanan yang menggerakkan turbin atau piston.
4. Gas yang terbentuk didinginkan kembali lewat heat exchanger untuk menunggu dipanaskan dalam siklus berikutnya.
5. Turbin/piston menggerakkan generator dan akhirnya menghasilkan listrik (atau jenis energi lain yang diinginkan).

Mesin Stirling

Mesin stirling, dinamakan berdasarkan penemunya Robert Stirling, adalah sebuah mesin yang bergerak karena perbedaan suhu antar ruangan dalam mesin. Ruangan di dalam mesin ini diisi dengan fluida bertipe gas (bisa udara biasa, bisa gas tipe tertentu seperti hidrogen, helium, atau lainnya), yang dipanaskan oleh bahan bakar yang dibakar di luar ruang mesin. Karena prinsip kerja mesin stirling. Prinsip kerjanya :

1. Mayoritas gas di dalam ruangan reaksi dipanaskan pada dinding silinder panas (merah), karena panas dan mengembang, gas mendorong piston ke bawah. Gas terus berkembang menuju silinder dingin (biru) yang tertinggal 90° secara siklus, dan secara lanjut memberi tenaga ke mesin.

2. Sekarang gas sudah mencapai volume maksimal. Piston pada silinder merah mulai menggerakkan gas ke dalam silinder biru, di mana gas didinginkan dan terjadilah penurunan tekanan.

3. Sekarang hampir dari semua gas sudah berada di silinder biru, dan proses pendinginan pun berlanjut. Piston dingin yang ditenagai oleh momentum flywheel (roda gila) menekan bagian lain dari gas yang tersisa.

4. Gas mencapai volume minimal, dan sekarang akan mengembang kembali ke silinder merah, di mana akan dipanaskan kembali dan mentenagai piston kembali.

(mesin stirling tipe alpha)

(mesin stirling tipe beta)

Persamaan kedua jenis mesin ini adalah jelas, mereka sama-sama merupakan jenis mesin pembakaran luar. Dan perbedaan utama meraka adalah, pada mesin uap tenaganya diambil dari tekanan perubahan fase fluida dari cair menjadi gas, sedangkan pada mesin stirling tenaganya diambil dari tekanan yang dihasilkan oleh perubahan suhu gas, tanpa ada perubahan fase fluida.

Kelebihan Mesin Pembakaran Luar

Apakah mesin pembakaran luar merupakan solusi energi masa depan? Faktor utama keunggulan dari jenis mesin ini adalah dalam bidang bahan bakar. Mesin pembakaran luar bisa memakai bahan bakar apa saja, yang penting bisa menghasilkan panas. Panas bisa dihasilkan dari pembakaran minyak bumi, minyak tumbuhan, biomassa, serbuk gergaji, sekam padi, bahkan sampah yang dibakar. Bahan bakar mesin pembakaran luar juga bisa berbentuk panas matahari yang dikonsentrasi, panas bumi, bahkan panas dari fisi ataupun fusi nuklir. Kita bisa memanfaatkan semua benda yang menghasilkan panas untuk menggerakkan mesin ini.

Kelebihan yang menonjol lainnya adalah, karena mesin pembakaran luar proses reaksi bahan bakar terjadi di luar ruangan mesin, maka ruangan mesin menjadi lebih stabil, sehingga mesin pembakaran luar menjadi relatif lebih bandel dan tahan lama dibandingkan mesin pembakaran dalam. Hal ini sangat menguntungkan karena dengan bandelnya mesin, maka biaya perawatanpun akan lebih murah.

Mesin pembakar luarpun relatif lebih sederhana dan lebih gampang dibuat, sehingga mesin ini bisa dibuat di mana-mana tanpa harus mempunyai kemampuan teknis tingkat dewa (ahli). Kita bisa membuat mesin uap sederhana ataupun mesin stirling sederhana dengan modal bahan-bahan di sekitar kita, bandingkan dengan membuat mesin bensin atau diesel yang membutuhkan alat dan bahan yang lebih rumit. Mesin stirling sederhana bisa dibuat bahkan hanya dengan modal kaleng minuman ringan dan benda-benda di sekitar kita.

Ini contoh mesin stirling sederhana oleh Kanal tegar31@Youtube.

Kelemahan Mesin Pembakaran Luar

Mesin pembakaran luar mempunyai kekurangan utama yaitu dalam masalah power to weight ratio, yaitu untuk memberikan daya yang sama, mesin pembakaran luar memerlukan ukuran dan berat yang lebih besar daripada mesin bensin ataupun diesel. Mesin pembakaran luar juga kurang fleksibel karena harus dipanaskan lebih dahulu agar bisa bekerja, sehingga lebih cocok untuk pembangkit listrik perumahan dibandingkan pembangkit tenaga otomotif.

Tapi, apakah mesin pembakaran luar hanya bisa digunakan sebagai pembangkit listrik rumahan saja karena berat dan besar? Ternyata tidak, pada tahun 1900-an misalnya, ada sebuah mobil bertenaga mesin uap yang bisa bersaing bahkan mengalahkan performa mobil-mobil lain bertenaga mesin pembakaran dalam (bensin).

Mobil Uap Doble

Perusahaan Uap Doble pun bahkan sempat membuat pesawat udara bertenaga uap yang pernah terbang beberapa kali pada tahun 1933.

Sayang, entah mengapa mobil dan pesawat keren ini akhirnya hilang ditelan zaman, dan perusahaan Abner Doble (sang penemu) pun bangkrut dan jejaknya mulai terlupakan dalam sejarah.

Sedangkan mesin stirling? Mesin bagus ini betul-betul tidak populer sehingga mencarinya pun sulit. Hanya satu merek terkenal yang ane tahu pernah membuat mesin stirling untuk menggerakkan kapal kecil ataupun pembangkit listrik kecil-kecilan, yaitu Philips MP1002CA Stirling Generator yang dibuat tahun 1951 dan hanya ada 150 buah. Setelah itu? Punah. Ada juga beberapa mesin stirling komersil yang dijual, tapi mayoritas dijual oleh perusahaan-perusahaan kecil yang tersebar di berbagai negara dan di Indonesiapun tak tahu di mana mencarinya.

Peluang Membuka Kebebasan Energi

Entah karena faktor “besar dan berat” ataukah ada faktor lain, mesin pembakaran luar seolah-olah ditinggalkan dalam perang pasar energi masa kini. Mungkin ini adalah kesalahan besar, kenapa mesin pembakaran luar mempunyai kekurangan seperti di atas? Ini juga dikarenakan kurangnya pengembangan di bidang mesin ini. Bandingkan dengan perkembangan mesin bensin dari zaman Ford Model T sampai Electronic Injection, sampai zaman i-VTEC dan lainnya. Atau pengembangan mesin diesel yang meskipun terlambat dari zaman Rudolph Diesel, sampai turbocharger, common rail, ataupun BlueMotion.

Ada juga yang mengatakan kelemahan mesin pembakaran luar adalah, mesinnya ketinggalan zaman. Apa mesin uap itu kuno? Mungkin beberapa orang akan mengatakan mesin uap adalah kuno, sampai beberapa kalangan menggunakan imajinasinya membayangkan zaman steampunk di mana semuanya digerakkan oleh tenaga uap.

Namun, sebetulnya mesin uap masih sangat populer di zaman sekarang ini. Dibuktikan dengan banyaknya PLTU di Indonesia, baik yang sudah beroperasi ataupun yang masih dalam perencanaan. Bahkan PLTN pun sebetulnya berprinsip pada mesin uap yang bahan bakarnya nuklir yang direaksikan.

Sebetulnya, memang mesin pembakaran luar kurang cocok dimasukkan ke dalam mobil atau pesawat karena power to weight ratio-nya kalah dengan mesin pembakaran dalam. Tapi, kita juga belum tahu sejauh apakah mesin pembakaran luar ini bisa dioptimalkan. Untungnya, dalam dekade terakhir sepertinya sudah mulai banyak yang ingin mengembalikan kejayaan mesin pembakaran luar. Penelitian tentang mesin uap, mesin organik rankine, mesin stirling dan sejenisnya (mesin ericsson, thermoacoustic stirling, mesin malone, dll) sedang giat-giatnya dilakukan. Semoga perkembangan mesin-mesin tipe ini terus berjalan dengan lancar.

Jadi, kenapa kita tidak mulai beralih ke mesin pembakaran luar?

Berikut ini video mesin stirling oleh Sony Wijaya@Youtube.

Dan mesin uap modern dari Channel How It’s Made@Youtube.

Sumber artikel : feniks.kelabu@Kaskus