Termoelektrisitas: bagaimana energi listrik dapat dipanen dari panas yang terbuang

Elektron-elektron bergerak dari ujung panas menuju ujung dingin, menciptakan perbedaan potensial diantara ujung-ujung batang tembaga

Berawal dari percobaan sederhana dengan dua buah logam berlainan jenis yang terhubung satu sama lain di kedua ujungnya, Thomas Johann Seebeck untuk pertama kalinya mengamati suatu fenomena unik yang baru dua tahun setelahnya dikenal dengan sebutan termoelektrisitas. Termoelektrisitas secara mudah dideskripsikan sebagai suatu fenomena fisis yang memungkinkan pengubahan secara langsung energi panas menjadi energi listrik.

Hari-hari ini, tak banyak yang mengetahui apa itu termoelektrisitas, lebih-lebih mengetahui fakta bahwa termoelektrisitas dapat menjadi satu solusi bagi permasalahan energi dan lingkungan. Di tengah menurunnya ketersediaan energi fosil, mesin-mesin di industri dan kendaraan bermotor menghamburkan begitu banyak energi panas yang tak terpakai secara efisien. Generator termoelektrik mampu menyelamatkan energi yang terbuang ini dengan cara mengubahnya menjadi energi listrik yang tentu lebih bermanfaat, meningkatkan harapan manusia akan terus tersedianya energi listrik yang mana manusia sangat bergantung padanya terlebih pada era modern seperti saat ini [1].

Seebeck, pada tahun 1821 mengamati bahwa rangkaian yang tersusun atas dua buah logam berlainan jenis yang saling terhubung di masing-masing ujungnya apabila diberikan perbedaan suhu diantara dua sambungannya (satu sambungan dipanasi, sambungan lainnya tidak dipanansi) dapat menggerakkan jarum kompas. Hal ini adalah bukti dibangkitkannya medan magnet di sekitar rangkaian tersebut dan Seebeck kemudian menyebut fenomena ini sebagai termomagnetisme, gabungan dari kata 'termo' yang berarti panas dan magnetisme.

Dua tahun kemudian, seorang fisikawan berkebangsaan Denmark Hans Cristian Oersted mendefinisikan ulang konsep di balik eksperimen yang dilakukan oleh Seebeck, Oersted mengungkapkan bahwa dalam eksperimen yang dilakukan oleh Seebeck arus listrik muncul dan mengalir dalam rangkaian jika kesetimbangan temperatur dari rangkaian terganggu akibat adanya perbedaan suhu diantara dua sambungan logam. Seebeck mengamati medan magnet tetapi dia tidak mengetahui bahwa itu adalah akibat dari arus listrik yang mengalir. Oersted yang mendefinisikan ulang fenomena ini menamai fenomena ini dengan termoelektrisitas, disebut juga dengan efek Seebeck, dan menetapkan nama Seebeck sebagai sebuah parameter yang merepresentasikan perbandingan antara beda potensial listrik (Voltase) yang dihasilkan dengan perbedaan suhu [2].

Untuk dapat mudah memahami fenomena ini bayangkan kita memilik sebatang logam, tembaga misalnya. Kita panaskan salah satu ujung tembaga dengan lilin dan membiarkan ujung lainnya pada suhu ruangan. Pada ujung tembaga yang dipanasi, elektron-elektron yang ada di sana mendapat energi tambahan dari api lilin sehingga memiliki energi yang tinggi dan dengan cepat bergerak ke arah ujung tembaga lainnya yang lebih dingin. Sebagai akibat dari banyaknya elektron yang berpindah menuju ujung dingin terjadilah penumpukan elektron di ujung tembanga yang dingin.

Penumpukan elektron di ujung tembaga yang dingin meninggalkan ion-ion positif logam di ujung tembaga yang panas, sehingga ujung tembaga yang panas menjadi memiliki energi potensial tinggi (kutub positif) dan ujung tembaga yang dingin memiliki potensial yang lebih rendah (kutub negatif). Perbedaan potensial antar ujung tembaga inilah yang menimbulkan tegangan listrik (Voltase). Perbedaan potensial yang dibangkitkan ini berbanding lurus dengan perbedaan suhu antar ujung tembaga, dan koefisien Seebeck (S) adalah representasi besarnya perbedaan potensial \Delta V terhadap besarnya perbedaan suhu \Delta T. Secara matematis diekspresikan sebagai S = \Delta V/ \Delta T .

Besar dan tanda dari koefisien Seebeck dapat berbeda antara satu material dengan material lain. Sesuai perjanjian yang berlaku, penandaan pada koefisien Seebeck merepresentasikan potensial pada ujung yang dingin terhadap ujung yang panas. Penandaan ini juga dapat merepresentasikan jenis pembawa muatan mayoritas yang ada dalam sebuah material, walaupun tidak selalu. Jika pembawa muatan mayoritas pada sebuah material adalah elektron (negatif), maka elektron ini yang akan melaju dari ujung panas menuju ujung dingin sehingga potensial di ujung dingin menjadi negatif dan koefisien Seebeck akan bertanda negatif. Sebaliknya jika pembawa muatan mayoritas adalah hole (positif), maka hole inilah yang akan melaju dari ujung panas ke ujung dingin sehingga potensial di ujung dingin menjadi positif dan tanda koefisien Seebeck akan positif. 

Fenomena termoelektrik tak sampai disini, tiga belas tahun setelah Oersted mendefinisikan ulang fenomena ini fisikawan Perancis Jean Athanese Peltier melakukan eksperimen terbalik terhadap eksperimen yang dilakukan Seebeck. Peltier mengalirkan arus listrik melalui rangkaian dua logam tak sejenis dan mendapati penurunan temperatur (penyerapan panas dari lingkungan) pada satu ujung sambungan sementara ujung yang lain mengalami peningkatan temperatur (pelepasan panas ke lingkungan). Fenomena yang kemudian dinamakan efek Peltier. Tidak selesai sampai disini, William Thomson sang fisikawan asal Inggris Raya menyelidiki lebih lanjut termoelektrisitas dan berhasil menemukan efek ketiga dari termoelektrisitas, efek Thomson. Sebuah konduktor yang dialiri arus listrik dan perbedaan temperatunya dijaga dapat melepaskan atau menyerap panas di sepanjang konduktor.

Secara umum, ada dua hal penting dalam termoelektrisitas yaitu; pertama, adanya dua logam dengan sifat yang berbeda, satu logam dengan pembawa muatan mayoritas muatan negatif dan logam lain dengan pembawa muatan positif, sehingga dapat terjadi aliran arus listrik. Kedua, adanya perbedaan suhu diantara kedua ujung sambungan logam tak sejenis.  Dua fenomena dalam termoelektrisitas, efek Seebeck dan efek Peltier, ini menjadi dasar bagi teknologi generator termoelektrik dan refrigerator/pendingin termoelektrik. Perkembangan sains dan rekayasa material memungkinkan revolusi pemanfaatan fenomena termoelektrik yang mulanya hanya digunakan sebagai sensor untuk mengukur suhu menjadi pemabangkit listrik dan pendingin tanpa penggerak dan fluida.

Referensi:

[1] G. J. Snyder and E. S. Toberer, "Complex Thermoelectric Materials", Nat. Mat.7, 105-114, 2008. [DOI: 10.1038/nmat2090]

[2] J. Martin, T. Tritt, and C. Uher, "High Temperature Seebeck Coefficient Metrology", J. Appl. Phys.108, 121101, 2010. [DOI: 10.1063/1.3503505]

[3] S. Kasap. (2001, November 6). Thermoelectric Effects in Metals: Thermocouple [online]. Available: http://kasap3.usask.ca/samples/Thermoelectric-Seebeck.pdf

 

Avatar

Dwi Prananto

Menyelesaikan Sarjana Teknik Fisika di ITS (2010), Master bidang Fisika Material Terkondensasi di Tohoku University (2013) dan PhD bidang Ilmu Material di JAIST (2019). Saat ini bekerja sebagai staf peneliti di Niigata University, Jepang.

You may also like...

5 Responses

  1. Avatar asek1 says:

    Menarik sekali pak postingannya...tapi saya masih meragukan tingkat efisiensinya. Misalkan untuk perbedaan suhu seberapa derajat bisa menghasilkan berapa ampere arus listrik. Apabila efisiensinya memang sangat kecil, bukan tidak mungkin konsep pembangkit listrik dengan perbedaan suhu ini hanya akan menjadi sekedar teori PHP. Salam super

    • Avatar dwi.prananto says:

      Sebenarnya ini bukan sekedar teori PHP, sudah banyak modul-modul termoelektrik yang dijual secara komersial walaupun efisiensinya tidak terlalu besar. Modul-modul ini banyak digunakan sebagai pendingin mini untuk miuman juga pemanen energi panas yang terbuang dari mikroprosesor dan mobil. Bahkan Badan antariksa Amerikan NASA menggunakan teknologi termoelektrik untuk pembangkit listrik di satelit dan penjelajah planet Mars, Curiosity http://en.wikipedia.org/wiki/Curiosity_(rover) .
      Saat ini dengan kemajuan sains material dan nanoteknologi beserta teknologi-teknologi penunjuangnya ilmuwan dan perekayasa dari berbagai negara sedang berusaha untuk mencari /membuat material termoelektrik dengan efisiensi yang tinggi.

  2. giganggu giganggu says:

    Kalau menurut saya, kalau konteksnya untuk memanfaatkan yang terbuang, konsep ini bisa menjadi pertimbangan meskipun efisiensinya kecil...

  3. berarti termoelektrisitas hanya bisa diaplikasikan pada benda logam yang berfungsi sebagai konduktor ya hehe

Leave a Reply to ruangguru.com Cancel reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

CAPTCHA Image

*