Bahan bakar etanol

Sumber

Etanol merupakan salah satu sumber energi terbaharui karena energi ini didapatkan dari energi matahari. Pembuatan etanol diawali tanaman seperti tebu atau jagung yang melakukan fotosintesis sehingga tumbuh sampai besar. Nantinya tanaman ini yang diproses menjadi etanol.
Sekitar 5% dari etanol yang diproduksi di dunia pada tahun 2003 sebenarnya malah merupakan produk minyak bumi. Etanol dari minyak bumi ini dibuat dengan hidrasi katalis dari etilena dengan memakai asam sulfat sebagai katalisnya. Etanol juga bisa dihasilkan via etilena atau asetilena, kalsium karbida, gas bumi, dan sumber lainnya. 2 juta ton etanol yang berasal dari minyak mentah dihasilkan setiap tahunnya. Etanol yang berasal dari minyak bumi (etanol sintetik) secara kimia sama dengan bio etanol dan hanya bisa dibedakan melalui penanggalan radiokarbon.
Bio-etanol biasanya diperoleh dari tanaman pertanian. Tanaman pertanian ini dianggap bisa diperbaharui karena mereka mendapatkan energi dari matahari melalui fotosintesis. Etanol dapat diproduksi dari banyak macam tanaman seperti tebu, bagasse, miscanthus, bit gula, sorgum, grain sorghum, switchgrass, jelai, hemp, kenaf, kentang, ubi jalar, singkong, bunga matahari, buah, molasses, jagung, stover, serealia, gandum, straw, kapas, biomassa lainnya, termasuk berbagai macam sampah selulosa.
Sebuah proses alternatif untuk memproduksi bioetanol dari algae (rumput laut) saat ini sedang dikembangkan oleh perusahaan Algenol. Daripada algae hanya ditanam dan lalu dipanen jika sudah matang, algae dapat memproduksi etanol secara langsung tanpa membunuh tanaman itu sendiri. Diklaim bahwa proses dari algae ini dapat menghasilkan 6000 galon per acre per tahun, daripada tanaman jagung yang hanya 400 galon per acre per tahun.
Saat ini, pemrosesan etanol generasi pertama untuk memproduksi etanol dari jagung hanya menggunakan sebagian kecil dari tanaman jagung itu sendiri. Hanya bagian amilum dari kernel jagung saja yang diproses menjadi etanol. Amilum ini massanya hanya 50% dari massa kernel kering. 2 pemrosesan tingkat lanjut sedang dikembangakan saat ini. Proses tersebut adalah penggunaan enzim dan fermentasi ragi untuk mengubah selulosa tanaman menjadi etanol. Proses yang kedua adalah menggunakan pirolisis untuk mengubah seluruh bagian tanaman menjadi cairan minyak bio atau syngas. Pemrosesan generasi kedua ini juga bisa digunakan untuk tanaman lain misalnya rumput-rumputan atau kayu.

Proses produksi

Langkah dasar yang dibutuhkan untuk memproduksi etanol adalah fermentasi jamur khamir, distilasi, dehidrasi, dan denaturasi. Sebelum dilakukan fermentasi, beberapa tanaman membutuhkan hidrolisis karbohidrat seperti selulosa dan amilum menjadi gula. Hidrolisis selulosa disebut sebagai selulosis. Enzim digunakan untuk mengubah amilum menjadi gula.

Fermentasi

Etanol diproduksi dengan cara fermentasi mikroba pada gula. Fermentasi mikroba saat ini hanya bisa dilakukan langsung pada gula. 2 komponen utama dalam tanaman, amilum dan selulosa, dua-duanya terdiri dari gula dan bisa diubah menjadi gula melalui fermentasi. Sekarang ini, hanya gula (contohnya tebu) dan amilum (contohnya jagung) yang masih bernilai ekonomis jika dikonversi.

Distilasi

Jika etanol ingin digunakan sebagai bahan bakar, maka sebagian besar kandungan airnya harus dihilangkan dengan cara distilasi. Tingkat kemurnian etanol setelah didistilasi masih sekitar 95-96%. (masih ada kandungan airnya 3-4%). Campuran ini dinamakan etanol hidrat dan bisa digunakan sebagai bahan bakar, tetapi tidak bisa dicampur sama sekali dengan bensin. Jadi, biasanya kandungan air dalam etanol hidrat dibuang habis terlebih dahulu dengan pengolahan lainnya sehingga baru bisa dicampurkan dengan bensin.

Dehidrasi

Pada dasarnya ada 5 tahap proses dehidrasi untuk membuang kandungan air dalam campuran etanol azeotropik (etanol 95-96%). Proses yang pertama, yang sudah digunakan di banyak pabrik etanol sejak dulu, adalah proses yang disebut distilasi azeotropik. Distilasi azeotropik dilakukan dengan cara menambahkan benzena atau sikloheksana ke dalam campuran. Ketika zat ini ditambahkan, maka akan membentuk campuran azeotropik heterogen. Hasil akhirnya nanti adalah etanol anhidrat dan campuran uap dari air dan sikloheksana/benzena. Ketika dikondensasi, uap ini akan menjadi cairan. Metode lama lainnya yang digunakan adalah distilasi ekstraktif. Metode ini digunakan dengan cara menambahkan komponen terner dalam etanol hidrat sehingga akan meningkatkan ketidakstabilan relatif etanol tersebut. Ketika campuran terner ini nantinya didistilasi, maka akan menghasilkan etanol anhidrat.
Saat ini penelitian juga sedang mengembangkan metode pemurnian etanol dengan menghemat energi. Metode yang saat ini berkembang dan mulai banyak digunakan oleh pabrik-pabrik pembuatan etanol adalah penggunaan saringan molekul untuk membuang air dari etanol. Dalam proses ini, uap etanol bertekanan melewati semacam tatakan yang terdiri dari butiran saringan molekul. Pori-pori dari dari saringan ini dirancang untuk menyerap air. Setelah beberapa waktu, saringan ini pun divakum untuk menghilangkan kandungan air di dalamnya. 2 tatakan biasanya digunakan sekaligus sehingga ketika satu sedang dikeringkan, yang satunya bisa dipakai untuk menyaring etanol. Teknologi dehidrasi ini diperkirakan dapat menghemat energi sebesar 3.000 btus/gallon (840 kJ/L) jika dibandingkan dengan distilasi azeotropik.

Mesin berbahan bakar etanol

Etanol merupakan cairan yang sering digunakan pada mobil, meskipun juga mungkin digunakan pada kendaraan lainnya, seperti traktor, perahu, dan pesawat terbang. Konsumsi etanol dalam mesin lebih boros 51% dibandingkan bensin, karena energi per unit volume etanol 34% lebih rendah dibandingkan dengan bensin. Rasio kompresi pada mesin yang berbahan bakar etanol saja, dapat membuat mesin ini lebih bertenaga dan lebih irit bahan bakar. Pada umumnya, mesin yang hanya berbahan bakar etanol dikonfigurasi untuk menambahkan sedikit tambahan tenaga dan torsi yang lebih baik dibandingkan dengan mesin berbahan bakar bensin. Pada kendaraan bahan bakar fleksibel, rasio kompresi yang lebih rendah menyebabkan mesinnya perlu dikonfigurasi ulang, sehingga bisa mendapatkan keluaran tenaga yang sama saat memakai bahan bakar bensin atau etanol. Untuk mendapatkan keuntungan maksimal dari etanol, maka rasio kompresi harus dinaikkan. Rasio kompresi pada mobil bermesin berbahan bakar etanol murni saat ini didesain kira-kira lebih boros 20-30% dibandingkan dengan versi bahan bakar bensinnya.
Etanol mengandung bahan-bahan yang dapat larut dan tidak dapat larut. Bahan-bahan yang dapat larut, yaitu ion-ion klorida, mempunyai sifat korosif. Ion halida meningkatkan korosi dengan 2 cara: secara kimia, ion ini akan menyerang pasivator film oksida pada logam sehingga akan menimbulkan korosi, dan kedua, ion ini akan meningkatkan konduktivitas bahan bakar. Konduktivitas elektrik yang meningkat menyebabkan korosi pada elektrik dan galvanis pada sistem bahan bakar. Bahan-bahan yang dapat larut, seperti aluminium hidroksida yang merupakan produk dari ion halida tadi, akan menyumbat sistem bahan bakar sedikit demi sedikit.
Etanol bersifat higroskopis, yang artinya etanol akan menyerap uap air langsung dari atmosfer. Karena menyerap air akan mengencerkan nilai bahan bakar etanol (dan juga akan menimbulkan knocking pada mesin), maka dalam pengepakannya, bahan bakar etanol harus ditutup rapat. Karena etanol dengan amat mudah bercampur dengan air, maka etanol tidak dapat didistribusikan dengan pipa yang lebih efisien dan modern. Para teknisi sekarang juga melihat dampak yang ditimbulkan karena adanya kandungan air dalam etanol yang menyebabkan kerusakan pada mesin-mesin kecil, terutama pada karburatornya.
Sebuah studi yang dilakukan oleh MIT pada tahun 2004 dan sebuah paper yang dipublikasika oleh Society of Automotive Engineers mengidentifikasikan sebuah metode yang lebih baik untuk mengeksplorasi karakteristik bahan bakar etanol daripada jika hanya mencampurkannya dengan bensin. Metode ini akan memunculkan kemungkinan bahwa alkohol nantinya akan memperbaiki efektivitas pada mobil elektrik hibrida. Perubahan ini akan menggunakan mesin 2 bahan bakar (dual-fuel) yaitu alkohol murni (atau azeotrop atau E85) dengan injeksi langsung turbocharger, dengan rasio kompresi tinggi, volume silinder kecil, tetapi menghasilkan tenaga yang sama dengan mesin yang memiliki volume silinder 2 kalinya. Setiap bahan bakar akan ditempatkan terpisah, dengan tangki alkohol yang berukuran jauh lebih kecil. Mesin berkompresi tinggi ini (yang berarti juga efisiensinya tinggi), akan menggunakan bahan bakar bensin pada kondisi daya jelajah rendah. Alkohol hanya akan diinjeksikan ke silinder ketika dibutuhkan, yaitu misalnya saat ingin berakselerasi dengan cepat. Injeksi silinder langsung ini akan meningkatkan nilai oktan etanol yang sudah tinggi sampai 130. Dari sini, penggunaan bensin serta emisi gas buang akan berkurang sampai 30%.
Nilai oktan etanol yang lebih tinggi meningkatkan rasio kompresi mesin dan juga meningkatkan efisiensi termal. Dalam sebuah studi, kontrol mesin yang kompleks ditambah sirkulasi ulang pipa gas buang yang ditingkatkan bisa meningkatkan rasio kompresi sampai 19,5 dengan bahan bakarnya etanol murni sampai E50. Hal ini nantinya akan menghasilkan ekonomi bahan bakar mobil etanol sama dengan ekonomi bahan bakar mobil bensin.
Sejak tahun 1989 juga telah dioperasikan mesin etanol yang memakai basis dari mesin diesel di Swedia. Mesin-mesin ini dipakai di bus kota, juga digunakan di truk-truk distribusi dan pengangkut sampah. Mesin ini dibuat oleh perusahaan Scania, mempunyai rasio kompresi yang telah dimodifikasi dan bahan bakarnya adalah 93.6 % etanol dan 3.6 % peningkat pembakaran, dan 2.8% denaturan (bahan bakar ini disebut sebagai ED95). Adanya peningkat pembakaran memungkinkan mesin ini melakukan pembakaran seefisien dengan siklus pembakaran pada mesin diesel. Mesin-mesin ini telah digunakan di Britania Raya oleh Reading Transport tetapi penggunaan bahan bakar bioetanol saat ini akan ditutup.

Menyalakan mobil di musim dingin

Campuran etanol yang tinggi akan memunculkan masalah yaitu kurangnya tekanan uap bahan bakar tersebut sehingga susah untuk menguap dan memicu pembakaran di musim dingin selagi musim dingin (hal ini terjadi karena etanol cenderung menaikkan kalor penguapan bahan bakar).) Ketika tekanan uap kurang dari 45 kPa maka mesin akan suusah untuk dinyalakan. Maka, untuk menghindari masalah ini, terutama ketika suhu kurang dari 11 °C (52 °F), maka pemerintah Amerika Serikat dan Uni Eropa sepakat untuk menggunakan E85 sebagai campuran etanol maksimum yang digunakan di kendaraan bahan bakar fleksibel di negara mereka. Di tempat-tempat yang suhunya sangat dingin, pemerintah Amerika Serikat mengurangi campuran etanol pada bahan bakar menjadi E70, meskipun namanya tetap dijual sebagai E85. Selain itu, di tempat yang suhunya turun sampai dibawah −12 °C (10 °F), maka disarankan untuk menambahkan sistem pemanas mesin, berlaku untuk bensin dan kendaraan E85. Pemerintah Swedia juga mempunyai sistem pengurangan campuran etanol ini, mereka mengurangi campuran etanol menjadi E75 selagi musim dingin.
Kendaraan bahan bakar fleksibel di Brasil dapat dioperasikan menggunakan etanol sampai E100. Mesin kendaraan ini juga akan menimbulkan turunnya uap penguapan seperti pada kendaraan E85. Untuk mengatasinya, kendaraan bahan bakar fleksibel di Brasil juga dibuatkan tangki bensin kecil cadangan yang diletakkan dekat mesin. Ketika mesin akan dinyalakan, maka bensin akan diinjeksikan ke ruang bakar sehingga tidak menimbulkan masalah di suhu rendah. Bensin ini biasanya dibutuhkan bagi penduduk yang tinggal di Brasil bagian tengah atau selatan, dimana saat musim dingin suhunya akan turun sampai dibawah 15 °C (59 °F). Pada tahun 2009, akhirnya diluncurkan mesin berbahan bakar fleksibel generasi terbaru yang tidak membutuhkan tangki bensin tambahan lagi. Di bulan Maret 2009, Volkswagen do Brasil meluncurkan Polo E-Flex, mobil berbahan bakar fleksibel pertama di Brasil yang tidak lagi menggunakan tangki bensin tambahan untuk menyalakan mesin.

Campuran bahan bakar etanol

Banyak negara mewajibkan kendaraan-kendaraannya menggunakan bahan bakar bensin yang dicampur dengan etanol. Semua kendaraan ringan di Brasil bisa beroperasi dengan menggunakan etanol dengan campuran sampai 25% (E25). Sejak tahun 1993, pemerintahan federal sudah mewajibkan campuran etanol berkisar antara 22% sampai 25%, dan di bulan Juli 2011 adalah 25%. Di Amerika Serikat, semua kendaraan ringan bisa memakai campuran etanol dalam bahan bakar sampai 10% (E10). Di akhir tahun 2010, lebih dari 90 persen bensin yang dijual di AS dicampur dengan etanol. Di bulan Januari 2011, Badan Perlindungan Lingkungan Amerika Serikat mengeluarkan surat pernyataan untuk mencampurkan etanol dalam bensin sampai 15% (E15). Bahan bakar dengan etanol 15% ini hanya dijual untuk mobil kecil dan truk ringan dengan keluaran tahun 2001 atau lebih baru. Negara lainnya juga telah menerapkan peraturan serupa, dengan kebijakan masing-masing.

Ekonomi bahan bakar

Secara teori, semua kendaraan yang beroperasi dengan bahan bakar akan mempunyai nilai ekonomi bahan bakar yang satuannya adalah liter per 100 kilometer. Nilai ekonomi bahan bakar ini biasanya berbanding lurus dengan energi yang terkandung dalam bahan bakar. Tapi, pada faktanya ada banyak variabel yang dapat memengaruhi performa bahan bakar di dalam mesin. Etanol sendiri memiliki energi per unit volume 34% lebih rendah daripada bensin. Maka, teorinya adalah jika memakai bahan bakar etanol, maka jumlah bahan bakar yang dikonsumsi akan lebih boros 34% daripada bensin biasa. Tapi etanol memiliki kelebihan lain yaitu nilai oktan yang tinggi, maka mesin dapat dibuat lebih efisien dengan cara meningkatkan rasio kompresinya. Misalnya, dengan penambahan turbocharger variabel maka rasio kompresi dapat menjadi optimum, sehingga ekonomi bahan bakar nantinya bisa konstan dengan campuran etanol berapapun. Untuk campuran E10 (10% etanol dan 90% bensin), maka efeknya akan kecil jika dibandingkan dengan bensin biasa. Untuk bahan bakar etanol E85 (85% etanol), maka efeknya akan menjadi signifikan. E85 memang lebih boros daripada bensin sehingga pemilik mobil akan lebih sering mengisi bahan bakar. Performa kendaraan sendiri tergantung dari mobilnya apa. Sebuah tes yang dilakukan pada tahun 2006 oleh Badan Perlindungan Lingkungan AS (EPA) pada mobil-mobil E85 menyebutkan bahwa ekonomi bahan bakar mobil E85 lebih boros sekitar 25,56% daripada bensin. Rating ekonomi bahan bakar yang dikeluarkan oleh EPA ini berpengaruh ketika orang akan membeli mobil. Tapi, karena E85 ini adalah bahan bakar dengan performa tinggi (nilai oktannya 94-96), maka semestinya juga dibandingkan dengan bensin yang mahal. Harga ritel etanol E85 di Amerika Serikat adalah 2,62 dolar AS per galon AS, sedangkan harga bensin biasa adalah 3,03 dolar AS per galon AS. Harga etanol murni di Brasil (E100) adalah 3,88 dolar, sedangkan harga bensin campuran E25 adalah 4,91 dolar (pada bulan Juli 2007).

Polusi udara

Etanol adalah bahan bakar yang jika dibakar dengan oksigen maka akan menghasilkan karbon dioksida, air, dan aldehida. Bensin sendiri menghasilkan 2,44 kg CO₂ per liter dan etanol 1,94 kg/liter. Karena energi yang dihasilkan oleh etanol hanya 2/3 energi yang dihasilkan bensin, maka etanol menghasilkan CO₂ 19% lebih banyak daripada bensin dengan energi yang sama. Undang-undang Kebersihan Udara AS mengharuskan penambahan oksigenat untuk mengurangi emisi karbon dioksida di Amerika Serikat. Zat adiktif yang biasa digunakan pada bensin, MTBE, saat ini mulai dikurangi penggunaannya karena ternyata mencemari air tanah, sehingga etanol dianggap sebagai aditif alternatif yang menjanjikan.
Sebuah studi yang dilakukan oleh para peneliti atmosfer di Universitas Stanford mengemukakan bahwa bahan bakar E85 dapat meningkatkan risiko kematian akibat pencemaran udara sampai 9% di kota Los Angeles. Level ozon juga meningkat secara signifikan, kabut asap meningkat dan penyakit seperti asma juga meningkat.

Perubahan penggunaan lahan

Perkebunan skala besar dibutuhkan untuk memproduksi alkohol dan ini membutuhkan lahan yang luas juga. Universitas Minnesota melaporkan bahwa jika semua jagung yang ditanam di A.S. digunakan untuk memproduksi etanol maka akan menggantikan 12% konsumsi bensin A.S. sekarang ini. Mereka mengklaim bahwa lahan yang digunakan untuk memproduksi etanol diperoleh melalui deforestasi hutan, dan lainnya juga telah meneliti bahwa area yang sekarang ini dipakai untuk menanam tanaman ini biasanya tanahnya tidak cocok. Dalam beberapa hal, pertanian dapat saja membuat kesuburan tanah berkurang karena berkurangnya organisme organik, turunnya kualitas dan kuantitas air, penggunaan pestisida yang semakin besar, dan potensi penggusuran komunitas lokal. Teknologi yang semakin modern memungkinkan para petani untuk memperoleh hasil yang sama besar dengan pengorbanan yang lebih sedikit.
Produksi etanol selulosa merupakan salah satu pendekatan baru yang digunakan untuk menyelesaikan masalah penggunaan lahan ini. Etanol selulosa dapat diproduksi dari bagian mana saja dari sebuah tanaman, sehingga berpotensi akan melipatgandakan hasil, sehingga akhirnya konflik makanan vs. bahan bakar akan bisa diminimalkan. Daripada biasanya yang hanya menggunakan amilumnya saja, produksi etanol selulosa akan memaksimalkan penggunaan seluruh bagian tumbuhan. Dengan ini, maka pengeluaran karbon pun menjadi lebih sedikit karena mendapatkan hasil yang lebih banyak dengan menggunakan material yang masih bisa dipakai. Teknologi untuk memproduksi etanol selulosa ini sampai saat ini sudah sampai pada tahap komersialisasi.

Penggunaan etanol untuk listrik

Mengubah biomassa menjadi listrik untuk kemudian digunakan untuk mengisi baterai mobil elektrik mungkin akan lebih "ramah lingkungan" daripada menggunakan biomassa untuk memproduksi etanol, menurut salah satu publikasi ilmiah. "Anda akan menggunakan lahan lebih efisien dan penggunaan yang lebih efisien juga dengan mengubah biomassa menjadi listrik daripada menjadi etanol," kata Elliott Campbell, seorang peneliti lingkungan di Universitas California di Merced, yang memimpin penelitian ini. "Daripada untuk membuat bahan bakar bio cair, lebih baik kita menjadikannya sebagai sumber daya alam bio."
Karena bioenergi saat ini telah menjadi solusi dari masalah iklim globa;, maka pengembangan teknologi diperlukan, kata analis. Para peneliti terus mencari bagaimana cara mencari pengembangan yang paling efektif, baik di etanol selulosa maupun baterai kendaraan listrik.

Ongkos biaya akibat emisi etanol

Untuk setiap satu miliar galon bahan bakar etanol yang diproduksi dan dibakar di AS, maka diperkirakan ongkos produksi disertai dengan perubahan iklim adalah 469 juta dolar AS untuk bensin, 472–952 juta dolar AS untuk etanol jagung tergantung dari sumber panas pengilangannya beserta teknologinya, dan hanya 123–208 juta dolar AS untuk etanol selulosa tergantung dari tanamannya (biomassa prairie, Miscanthus, stover jagung, atau switchgrass).

Penggunaan lain

Bahan bakar etanol juga bisa digunakan sebagai bahan bakar roket. Sampai tahun 2010, ada etanol meskipun dalam jumlah sedikit yang digunakan di Pesawat ringan contohnya Mark-III X-racer.
Sampai saat ini masih banyak penggunaan kerosin untuk penerangan dan memasak di negara-negara yang masih kurang berkembang. Etanol bisa digunakan sebagai sumber untuk menggantikan minyak ini juga. Sebuah proyek non-profit yang bernama Proyek Gaia sedang mengusahakan agar kompor berbahan etanol bisa menggantikan kayu bakar, arang, atau kerosin.