8.1. Ketersediaan dan Sifat

Transkripsi

1 Topik Substansi Tujuan Pembelajaran Waktu : Pemanfaatan Energi Panas Bumi : Teori dasar pemanfaatan energi panas bumi (Ketersediaan sumber energi panas bumi, formula dasar pemanfaatan sumber energi panas bumi, peralatan/instalasi pemanfataan sumber energi panas bumi) : Dapat: (1) menjelaskan substansi topik (2) menemukan potensi peningkatan pemanfaatan energi panas bumi di lapangan : 2 x 50 menit 8.1. Ketersediaan dan Sifat Geotermal merupakan paduan dari dua kata geo yang berarti bumi dan termal yang berarti panas. Dari dua kata tersebut maka geotermal diartikan sebagai energi panas bumi. Panas bumi adalah sumber energi panas yang terkandung di dalam air panas, uap air dan batuan bersama mineral ikutan dan gas lainnya yang secara genetik semuanya tidak dapat dipisahkan dalam suatu sistem panas bumi. Sistem panas bumi (geothermal system) merupakan energi yang tersimpan dalam bentuk air panas atau uap panas pada kondisi geologi tertentu pada kedalaman beberapa kilometer di dalam kerak bumi. Sistem panas bumi meliputi panas dan fluida yang memindahkan panas mengarah ke permukaan (Broto dan Putranto, 2011). Perpindahan panas tersebut terjadi secara konduksi (melalui batuan) dan secara konveksi (melalui kontak antara air dengan suatu sumber panas). Sementara itu, Surana (2010) menuliskan bahwa pada dasarnya sistim panas bumi tersebut merupakan hasil perpindahan panas secara konduksi dan konveksi dari sumber panas ke sekelilingnya. Panas merambat dari dalam bumi (heat source) menuju permukaan bumi (heat sink). Sistem panas bumi tersebut dipengaruhi oleh tiga Modul halaman 1

2 komponen penting, yaitu sumber panas, reservoir yang biasa dilapisi oleh batuan penutup (caprock), serta fluida. Dalam suatu sistem panas bumi ideal air masuk melalui daerah resapan (recharge area), kemudian mengalir pada reservoir yang mengalami pemanasan dari sumber panas (magmatic intrusion). Air panas tersebut ada yang secara alami keluar ke permukaan melalui zona lemah, menjadi mata air panas, ada pula yang keluar melalui sumur panas bumi. Pemanasan oleh magma yang akan berlangsung lama membuat sistem panas bumi juga bisa berlangsung lama. Bila daerah resapan air tersebut hilang, maka tidak ada lagi fluida yang masuk ke reservoir. Ini akan mengakibatkan sistem panas bumi tersebut akan berhenti (Surana, 2010). Sebagai catatan, energi panas bumi masuk dalam kelompok energi terbarukan karena hujan akan terus memasok air sementara panas terus dipasok dari kedalaman bumi. Gambar 8.1. Skema sederhana sistem panas bumi Kinerja produksi sumberdaya panas bumi dapat berkurang akibat dua sebab. Sebab pertama adalah menurunnya tekanan fluida pada sumberdaya panas bumi (hidrotermal). Gejala ini dapat dimitigasi dengan cara reinjeksi fluida panas bumi Modul halaman 2

3 yang telah didinginkan atau fluida tambahan. Sebab kedua adalah turunnya suhu reservoir akibat pengambilan panas yang terlalu cepat/berlebih. Ini dapat dimitigasi dengan mengurangi laju pemompaan, meningkatkan daerah rekahan (fracture surface area) atau dengan pemboran sumur tambahan. Hal-hal ini menjadi catatan penting untuk merancang sistem yang bisa menjamin keberlanjutan kinerja sumberdaya panasbumi (NREL, 2012). Sumberdaya panasbumi jauh atau keberadaan potensi energi panas bumi di bawah permukaan bumi sering diindikasikaan oleh berbagai jenis manifestasi di permukaan bumi (geothermal surface manifestation). Berbagai jenis tersebut mencakup manifestasi seperti mata air panas, fumarol, lumpur panas (mud pools), geyser, tanah panas, solfatara, batuan teralterasi atau lainnya. Kemunculan manifestasi permukaan tersebut disebabkan karena mengalirnya fluida hidrotermal dari reservoir ke permukaan melalui bukaan-bukaan struktur atau satuan-satuan batuan berpermeabilitas Klasifikasi Wilayah Lapisan kulit bumi secara garis besar bisa dibagi menjadi tiga kelompok: 1. Hyperthermal Daerah yang biasanya terletak di lempeng tektonis ini memiliki gradien suhu > 80 Ckm -1. Hampir seluruh Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP) dibangun di daerah ini. 2. Semithermal Daerah ini memiliki gradien suhu dari sekitar 40 Ckm -1 sampai 80 Ckm Normal Di daerah ini gradien suhunya < 40 Ckm -1. Kelompok nomor tiga dapat disebut pula sebagai non-thermal areas, sedang nomor satu dan dua masuk dalam thermal areas. Modul halaman 3

4 Jenis Sumber Daya Panas Bumi In each class is, in principle, possible for heat to be obtained by hydrothermal, geopressurized reservoirs, batuan kering panas (hot dry rock), dan magma (Edwards dkk., 1982) Hidrothermal Sumber hidrotermal merupakan jenis yang banyak dimanfaatkan. Sumber energi panasbumi berasal dari magma di dalam bumi. Magma tersebut menghantarkan panas secara konduktif pada batuan di sekitarnya. Sementara itu dalam jenis hidrotermal ini air hujan masuk ke dalam bumi dengan meresap melalui berbagai sesar atau rekahan. Kemudian air terpanaskan oleh batuan panas, naik namun tidak sampai ke permukaan karena tertahan oleh lapisan batuan yang bersifat impermeabel. Air tersebut terperangkap dan terakumulasi dalam lokasi yang disebut reservoir panas bumi. Lapisan batuan impermeabel menyebabkan hidrothermal pada reservoir panasbumi terpisah dari air tanah (groundwater) yang berada di lokasi lebih dangkal (lihat, misalnya Suparno, 2009). Sumber hidrotermal dapat dibagi menjadi dua macam, yaitu liquid-dominated hydrothermal dan vapor-dominated (steam) hydrothermal. Liquid-dominated reservoirs terjadi jika air terperangkap dalam reservoir jauh di bawah tanah dan kemudian mendapat panas dari bebatuan sekitarnya. Reservoir hidrotermal menyimpan fluida cair (air atau brine) yang terus bersirkulasi. Dengan sirkulasi alami tersebut panas dari lapisan batuan di kedalaman (sub region) bisa menjalar ke lapisan dekat permukaan bumi. Walau suhu sistem bisa mencapai hingga 360 C, namun air tidak mendidih. Ini karena tekanan di dasar sangat tinggi, jauh di atas tekanan atmosfer. Pada tekanan tinggi seperti itu di lokasi suhu jarang melebihi titik didih air. Sementara itu, jenis kedua, yaitu vapor-dominated reservoirs ini terjadi di lokasi dengan suhu tinggi sementara tekanan tidak jauh melebihi tekanan Modul halaman 4

5 atmosfer. Dengan kombinasi kondisi seperti ini air bisa mendidih di bawah tanah dan menghasilkan uap dengan suhu mencapai 165 C dan tekanan sekitar 100 psi. Reservoir ini uap kering. Ini yang membuat reservoir ini juga disebut dry steam fields. Jenis ini termasuk yang sangat jarang dijumpai (Edwards dkk., 1982) Batuan Kering Panas Baik terdapat sistem konveksi panas bumi maupun tidak, suhu bumi akan meningkat seiring dengan peningkatan kedalaman. Pada kondisi porositas biasa panas yang tersimpan dalam formasi batuan jauh lebih banyak ketimbang yang tersimpan dalam air di sistem hidrotermal. Biasanya porositas akan terus berkurang seiring dengan peningkatan kedalaman. Itu sebabnya di zone inti terdapat batuan kering panas dalam volume sangat besar. Secara teoritik jauh lebih besar panas yang tersimpan dalam sistem panasbumi yang telah diidentifikasi dibanding yang terkandung hanya di fluida. Panas yang tersimpan dalam formasi batuan bisa jauh lebih lama bertahan dibanding yang tersimpan dalam fluida (Edwards dkk., 1982). Dalam sumber daya batuan kering panas (hot dry rocks) ini lapisan batuan diberi perlakuan khusus untuk mendapatkan retak batuan (artificially fractured). Setelah itu air diinjeksikan kedalamnya untuk membuat agar panas bisa dipanen dalam bentuk uap Geopressured Sistem geopressured ini dibentuk oleh formasi batuan yang menyimpan fluida pada kondisi tekanan jauh lebih besar dibanding tekanan normal hidrostatik. Modul halaman 5

6 Magma Magma adalah batuan cair dengan suhu berada dalam kisaran 700 hingga 1200 C. Sumber magma yang berada dalam daerah vulkanik ini menyimpan potensi energi yang sangat besar Garis Besar Cara Pemanfaatan Secara garis besar energi panas bumi energi panas bumi dapat dimanfaatkan secara langsung dan untuk membangkitkan listrik (PLTP). Biasanya, agar layak dimanfaatkan untuk membangkitkan listrik, sumber panas bumi yang dipilih adalah yang bersuhu 150 C. Namun demikian tidak berarti bahwa sumber dengan suhu yang lebih rendah tidak bisa dimanfaatkan untuk pembangkitan listrik. Dengan pembangkit listrik siklus biner, yang akan diterangkan pada sub bab di belakang, sumber dengan suhu sekitar 100 C dapat digunakan untuk membangkitkan listrik. Sebaliknya, tidak bisa dikatakan pula bahwa pemanfaatan panas bumi secara langsung selalu dikaitkan pada sumber panas bumi bersuhu rendah. Sumber panas bumi dengan suhu tinggi tentu saja dapat pula dimanfaatkan secara langsung. The Reyjavik District Heating yang melayani lebih dari 150 ribu jiwa, misalnya, mendapatkan 75% panasnya dari sumber bersuhu rendah ( C) dan 25% dari sumber bersuhu tinggi (300 C) (Fridleifsson, 1999). Pemanfaatan langsung panas bumi sangat beraneka ragam, utamanya pemandian (42%), pemanas ruangan (35%), rumah kaca (9%), perikanan (6%), dan sebagainya (Lund and Freeston, 2001). Diagram Lindal menggambarkan rentang lebar pemanfaatan panas bumi, yang utamanya ditentukan oleh suhu sumber panas bumi tersebut. Modul halaman 6

7 Gambar 8.2. Diagram Lindal ( Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) pada prinsipnya sama seperti Pembangkit Listrik Uap (PLTU), hanya pada PLTU uap dibuat di permukaan menggunakan boiler, sedangkan pada PLTP uap berasal dan reservoir panasbumi. Berbagai manfaat/keunggulan aplikasi teknologi ini antara lain adalah sebagai berikut. 1. Seperti teknologi energi terbarukan lainnya, teknologi ini mampu mengurangi konsumsi energi fosil; hal yang membuka berbagai manfaat luas jangka panjang lainnya. 2. Tidak membutuhkan lahan yang terlalu luas. Dengan luas yang kurang lebih sama, pembangkit berbasis panas bumi akan mampu memproduksi listrik lebih besar dibanding pembangkit listrik berbasis energi fosil. Modul halaman 7

8 3. Teknologi ini tidak membutuhkan pasok bahan baku dari luar sehingga secara teoritis dapat beroperasi 24 jam sepanjang tahun. Teknologi ini praktis tidak rentan terhadap cuaca (yang bisa mengganggu pasok bahan baku, seperti yang bisa terjadi pada pembangkit berbasis energi fosil), konflik politik, dan lainnya. Perbedaan besar dibandingkan dengan pembangkit panas dan listrik konvensional adalah potensi korosi hebat pada berbagai komponen yang terbuat dari logam yang diakibatkan oleh fluida panas bumi Penggolongan Macam teknologi yang diterapkan untuk membangkitkan listrik sangat bergantung pada sumber panas bumi, semisal suhu fluida, kandungan air, kadar garam dan kandungan gas-gas lain. Teknologi ini bekerja berdasar siklus Rankine dan melibatkan turbin gas. Secara garis besar teknologi yang memanfaatkan panas bumi untuk keperluan pembangkitan listrik tersebut dapat dibagi menjadi tiga kelompok, yaitu: 1. Pembangkit Listrik Uap Kering, 2. Pembangkit Listrik Uap Basah, dan 3. Pembangkit Listrik Siklus Biner. Namun demikian, pembagian yang lain hanya mengenal dua, yaitu Pembangkit Listrik Uap dan Pembangkit Listrik Biner. Sementara itu pembagian yang lain lagi memasukkan satu kelompok tambahan (sehingga menjadi empat kelompok), yaitu Pembangkit Listrik Batuan Panas. Modul halaman 8

9 Gambar 8.3. Diagram Penggolongan (Fukuda dll., 2008) Pembangkit Listrik Uap Kering Pembangkit listrik uap kering (Dry Steam Power Plant) diterapkan pada sumber yang mengeluarkan uap panas yang relatif kering (vapor-dominated system). Suhu uap yang diperoleh bisa mencapai C atau bahkan C dengan tekanan antara 4 8 Mpa atau lebih (ingat bahwa 1 bara = 1 bar absolute sedang 1 bar = 1 x 10 5 Pa). Ketika mencapai permukaan bumi melalui sumur bor, kecepatan uap panas ini bisa mencapai ratusan km/jam. Gambar 8.4. Skema Pembangkit Listrik Uap Kering (sumber: Boyle, 2004) Modul halaman 9

10 Uap panas yang akan dimanfaatkan didapat dari satu atau lebih sumur. Uap panas tersebut disalurkan secara langsung melalui sistem pipa langsung ke turbin untuk membangkitkan listrik. Namun bisa pula, sebelum masuk ke dalam turbin, uap tersebut dilewatkan pada semacam filter untuk membebaskannya dari kandungan pasir kecil atau partikel-partikel padat lainnya yang dibawanya. Setelah dipakai untuk memutar turbin, uap dialirkan menuju kondenser. Tepat sebelum masuk turbin, uap masih memiliki suhu dan tekanan yang tinggi. Namun, setelah keluar dari turbin suhu dan tekanan tersebut turun drastis. Uap yang menerima pendinginan di kondenser berubah wujud menjadi air yang kemudian dialirkan ke menara pendingin dan masuk dalam siklus pendinginan sebagai air pendingin. Itu sebabnya pasok air dari luar tidak diperlukan untuk keperluan pendinginan di kondenser. Tidak seluruh air hasil kondensasi diperlukan dalam siklus pendinginan. Sisa air tersebut dimasukkan kembali (reinjected) melalui sumur ke dalam bumi. Hal ini menjadi mekanisme untuk mempertahankan tekanan dalam sumber dan mempertahankan sifat terbarukan sumber. Jenis pembangkit dengan kondenser ini melakukan kondensasi terhadap uap buangnya sehingga akan meningkatkan penurunan tekanan dalam turbin secara signifikan. Penurunan drastis tekanan ini ditujukan untuk meningkatkan efisiensi. Sementara itu terdapat pula jenis pembangkit back-pressure, yang biasa digolongkan sebagai teknologi panas bumi yang paling sederhana. Teknologi ini melepas uap bertekanan rendah langsung ke atmosfer Pembangkit Listrik Uap Basah Pembangkit listrik uap basah (Flash Steam Powerplant) diaplikasikan pada sumber panas bumi yang utamanya mengandung air panas dengan suhu lebih tinggi dari 176 C C. PLTP jenis ini menjadi yang paling umum digunakan. Dari sumur produksi air yang sangat panas dialirkan ke atas dengan tekanan sendirinya yang tinggi. Sampai di permukaan tekanannya menurun yang mengakibatkan sebagian air panas tersebut berubah (flashed) menjadi uap. Dalam Modul halaman 10

11 separator uap ini kemudian dipisahkan dari air dan kemudian dialirkan untuk memutar turbin. Air yang tidak berubah menjadi uap diinjeksikan kembali ke reservoir panasbumi. Selain itu uap yang telah melewati turbin melalui kondenser untuk kemudian juga diinjeksikan kembali ke reservoir. Uap yang telah didinginkan ini bisa juga dipakai untuk menambah air di sistem pendingin yang berkurang. (sumber: Boyle, 2004) (sumber: Fukuda dll., 2008) Gambar 8.5. Skema Pembangkit Listrik Uap Basah Tunggal Modul halaman 11

12 (sumber: Boyle, 2004) (sumber: Fukuda dll., 2008) Gambar 8.6. Skema Pembangkit Listrik Uap Basah Ganda Pembangkit Listrik Siklus Biner Fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkitan listrik biasanya adalah f1uida yang mempunyai suhu sekitar 200 o C. Untuk memanfaatkan sumber panas bumi yang bersuhu relatif rendah (dari sekitar 85 hingga sekitar 200 C) dapat diterapkan teknologi pembangkit listrik siklus biner (Binary Cycle Power Plant). Dengan teknologi ini f1uida panas bumi temperatur sedang tersebut dapat dimanfaatkan secara tidak langsung untuk pembangkitan listrik dengan Modul halaman 12

13 menggunakannya untuk memanasi fluida organik (fluida kerja bantu) yang mempunyai titik didih rendah, semisal isobutana atau isopentana. Fluida dari sumur produksi (production well) tidak pernah menyentuh turbin. Panas fluida dari sumber panas bumi dipakai untuk menaikkan suhu fluida kerja bantu. Proses yang terjadi di penukar panas (heat exchanger) ini membuat fluida kerja bantu menjadi uap. Uap panas yang dihasilkan di penukar panas inilah yang disebut sebagai binary (= secondary) fluid. Uap ini kemudian dialirkan untuk memutar turbin. Kemudian, fluida panas buminya diinjeksikan kembali ke dalam reservoir untuk dipanaskan kembali. Gambar 8.7. Skema Pembangkit Listrik Siklus Biner (sumber: Boyle, 2004) 8.4. Komponen Dasar Gambar 8.8. menampilkan penyederhanaan berbagai komponen dasar yang menyusun PLTP. Diagram tersebut membagi PLTP menjadi lima bagian utama, yaitu: 1) Produksi dan transmisi fluida panas bumi, 2) turbin dan perlengkapan pendukungnya, 3) sistem pendingin, 4) sistem ekstraksi gas, serta 5) generator dan alat kelistrikan/perlengkapan elektronik lainnya. Modul halaman 13

14 Gambar 8.8. Diagram susunan komponen dasar PLTP (sumber: Feili dkk., 2013) Tugas Latihan 8 1. Susunlah tahap pengembangan pemanfaatan energi panas bumi di suatu kabupaten di Indonesia. 2. Sajikan gambar layout instalasi pemanfaatan energi panas bumi yang bisa dibangun di lokasi yang dipilih di nomor 1 di atas. Sebutkan nama dan fungsi bagian-bagian penting dalam instalasi tersebut. 3. Gambarkan skema sederhana pemanfaatan energi panas bumi untuk pembangkitan listrik dan sekaligus pemanas ruangan/bangunan di satu tempat yang sama. Modul halaman 14

15 Daftar Pustaka - Materi Pengayaan Boyle, G., ed., 2004, Renewable Energy, 2 nd ed., Oxford University Press, Oxford Broto, S. dan Putranto, T.T., 2011, Aplikasi Metode Geomagnet dalam Eksplorasi Panasbumi, Jurnal TEKNIK, Vol. 32 No. 1 Tahun 2011 Edwards, L. M., Chilingar, G. V., Rieke III, H. H. dan Ferti, W. H. (ed.), 1982, Handbook of Geothermal Energy, Gulf Publishing Co., Houston Feili, H.R., Akar, N., b, Lotfizadeh, H., Bairampour, M. dan Nasiri, S., 2013, Risk analysis of geothermal power plants using Failure Modes and Effects Analysis (FMEA) technique, Energy Conversion and Management, vol. 72 (2013), hlm Fridleifsson, I.B., 1999, Direct Use of Geothermal Use around the World, GHC Bulletin, vol. 19, no. 2 Fukuda, H., Ishiguro, J., dan Saito, S., 2008, How Geothermal Power Plants Help to Reduce CO 2 Emission, Technical Review Vol. 45 No. 1 (Mar. 2008), Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. NREL, 2012, Renewable Electricity Futures Study, vol. 2, US DoE, Oak Ridge Suparno, S., 2009, Energi Panasbumi, Edisi 1, Departemen Fisika-FMIPA, Univeristas Indonesia, Jakarta Surana, T., 2010, Rancang Bangun Sistem PLTP Tipe Turbin Kondensasi 5MW dalam Rangka Menunjang Kemandirian Industri Nasional di Sektor Kelistrikan, Laporan Akhir, Hibah Insentif Litbang Perekayasa Tahun 2010 Modul halaman 15