Fluida kerja alami (natural working fluid) untuk mesin refrigerasi, seperti CO2 dan hidrokarbon, merupakan topik utama yang dibahas dalam konferensi IIR kali ini. Ammonia yang juga merupakan salah satu fluida kerja alami, karena keluasan bidang aplikasinya, akan dibahas pada konferensi berikutnya. Fluida kerja ini merupakan solusi alternatif masa depan dunia refrigerasi usai diterpa Protokol Montreal 1987 yang membatasi dan mengeliminasi penggunaan fluida kerja (refrigerant) perusak lapisan ozon dan Protokol Kyoto 1997 yang turut mengatur penggunaan refrigeran penyebab gas rumah kaca.

CFC (ChloroFluoroCarbon) yang menggantikan refrigeran alami di era 1930-an dituding sebagai zat utama yang menyebabkan penipisan lapisan ozon di lapisan stratosphere bumi. Chlorine (Cl) adalah komponen CFC yang bertanggungjawab atas rusaknya molekul ozon. R-11 dan R-12 (freon) merupakan dua refrigeran CFC yang dipergunakan secara luas di dunia pada era 1970 hingga 1980-an. Hal ini pertama kali dicuatkan oleh Molina dan Rowland dalam tulisan mereka di Jurnal Nature tahun 1974. Berkurangnya tebal lapisan ozon menimbulkan kekhawatiran akan besarnya intensitas sinar ultraviolet B (Calm, 2002) yang bisa mencapai permukaan bumi; hal yang tak terjadi semenjak sejarah kehidupan manusia. Tubuh manusia dan makhluk hidup lainnya tidak dilatih untuk beradaptasi dengan sinar yang berbahaya ini. Kanker kulit dan berbagai kelainan kesehatan lainnya diprediksi bakal terjadi manakala manusia terekspose oleh sinar ini.

HCFC (HydroChloroFluoroCarbon), yakni CFC yang sebagian atom chlorinnya digantikan oleh hidrogen, dipandang sebagai solusi antara sebelum refrigeran yang tidak merusak lapisan ozon siap digunakan dalam skala luas. R-22 adalah HCFC yang banyak dipergunakan di berbagai mesin refrigerasi saat ini. Kehadiran HFC (HydroFluoroCarbon), seperti R-134a, semula diharapkan oleh kalangan industri refrigerasi sebagai solusi final dalam menjawab tuntutan dunia akan refrigeran non-ODS (Ozon Depleting Substance). Harapan ini dipupuskan oleh Protokol Kyoto yang mengatur dan membatasi penggunaan zat-zat penyebab fenomena rumah kaca yang bertanggung jawab atas terjadinya peningkatan temperatur global. Gas fluorine (F) (seperti yang terdapat dalam HFC) dituding sebagai salah satu zat yang memiliki GWP (Global Warming Potential) cukup besar (yakni 1,300 kali gas CO2).

Maka pada dekade ini kita menyaksikan jarum sejarah berputar mundur: refrigeran (fluida kerja) alami kembali menjadi salah satu tumpuan dunia refrigerasi. Kelemahan fluida kerja alami, seperti tingkat tingginya derajat keterbakaran (flammability) pada hidrokarbon dan kandungan racun (toxicity) pada ammonia, yang menyebabkannya digantikan oleh refrigeran CFC pada era 1930-an; menjadi tantangan ilmuwan abad ini. Kelemahan tersebut menyebabkan hidrokarbon dan ammonia belum dipergunakan secara luas di berbagai ruang publik (public space) saat ini. Siklus transkritital CO2 yang dipatenkan oleh Gustav Lorentzen, seorang professor di Norwegian University of Science and Technology (NTNU), Trondheim, pada 1988 memunculkan harapan baru bagi penggiat fluida kerja alami. CO2 relatif tidak beracun dan tidak mudah terbakar dibandingkan kedua kerabatnya di kelompok fluida kerja alami. Namun demikian, karena tingginya tekanan kerja refrigerant CO2 yang bisa mencapai 100 bar, fluida kerja ini tidak bisa langsung digunakan pada sistem yang telah ada (drop-in substitute). Perlu desain dan konstruksi mesin refrigerasi yang sesuai untuk fluida kerja CO2.

Gambar 1. Professor Gustav Lorentzen dari NTNU Trondheim beserta siklus transkritikal CO2 yang dipatenkannya pada tahun 1988

Berbeda dengan siklus refrigerasi konvensional yang pada umumnya terletak pada daerah subkritikal (di bawah titik kritik refrigeran), siklus transkritikal CO2 bekerja melampaui titik kritik fluida kerja (refrigeran). Hal ini disebabkan karena temperatur kritik CO2 tidaklah tinggi, yakni 31oC, sehingga untuk membuang panas pada sisi kondensor diperlukan temperatur kerja di atas temperatur kritik. Karena sisi kondensor siklus transkritikal CO2 beroperasi pada temperatur yang cukup tinggi, maka selain menghasilkan pendinginan, siklus ini mampu memberikan efek panas yang relatif besar.

Penggunaan siklus refrigerasi untuk mesin pemanas juga memberikan keuntungan tambahan: panas yang dihasilkan oleh mesin ini bukan hanya berasal dari daya listrik yang diberikan ke dalam sistem, namun juga berasal dari energi yang diserap dari luar sistem. Sehingga dengan masukan daya listrik yang sama, secara teoritik, mesin pemanas udara berbasis siklus refrigerasi akan memberikan output panas yang lebih besar dibandingkan dengan mesin pemanas udara elektrik. Menilik sifatnya tersebut, Jepang telah menggunakan siklus ini secara besar-besaran, dengan dukungan subsidi pemerintah, pada mesin pemanas udara (heat pump). Pemerintah Jepang memberikan bantuan masing-masing sebesar 50,000 yen (sekitar Rp 4,000,000) dan 80,000 yen (sekitar Rp 6,400,000) untuk rumah baru dan lama yang bersedia menggunakan mesin pemanas udara dengan refrigeran CO2. Tindakan Pemerintah Jepang ini bisa dipandang sebagai usaha Jepang untuk turut mengurangi emisi gas rumah kaca sesuai dengan yang diamanatkan Protokol Kyoto. Dengan dukungan kuat dari pemerintah, saat ini volume mesin pemanas udara dengan refrigeran CO2 yang telah terjual di Jepang mencapai 480,000 unit (Kusakari, 2006). Hal ini menempatkan Jepang sebagai negara pengguna siklus transkritikal CO2 terbesar di dunia saat ini.

Penggunaan siklus transkritikal CO2 dalam mesin pendingin, baik statik (seperti dalam refrigerator, vending machine - mesin penjual minuman otomatis) ataupun mobile (seperti pada mesin pendingin mobil hingga kendaraan tempur), juga dibahas cukup detail pada konferensi ini. Keunggulan utama CO2, yakni tidak merusak ozon, memiliki efek pemanasan global yang sangat rendah (terutama karena kecilnya massa yang diperlukan dalam siklus refrigerasi), tidak mudah terbakar, dan tidak bersifat racun, telah menarik minat perusahaan minuman terbesar di dunia untuk menggunakannya pada seluruh mesin penjual minumannya di dunia. Beberapa hasil penelitian juga mengklaim bahwa efisiensi siklus ini cukup bersaing dibandingkan dengan sejawatnya, R-134a (refrigeran HFC). Divisi Riset Angkatan Bersenjata USA juga sudah melakukan ujicoba penggunaan siklus transkritikal CO2 ini untuk kendaraan militer (HMMWV).

Gambar 2. Mobil ini menggunakan siklus transkritikal CO2 sebagai mesin pengkondisian udaranya.

Yuli Setyo Indartono, Mahasiswa S3 di Graduate School of Science and Technology, Kobe University, Jepang. Peneliti Istecs dan Ketua Divisi Teknologi Energi Indeni (Indonesia Energy Institute) www.indeni.org