DESAIN KONSEPTUAL UNIT KONVERSI DAYA BERBASIS KOGENERASI UNTUK REAKTOR TIPE RGTT200K

Transkripsi

1 rosidg Semar Nasional ke-7 Teknologi dan Keselamatan LTN Serta Fasilitas Nuklir Yogyakarta, 0 Oktober 20 ISSN: DESAIN KONSETUAL UNIT KONVERSI DAYA BERBASIS KOGENERASI UNTUK REAKTOR TIE RGTT200K usat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir (TRKN) - BATAN Kawasan USITEK Gd. No. 80 Serpong, Tangerang Selatan igndjoko@batan.go.id ABSTRAK DESAIN KONSETUAL UNIT KONVERSI DAYA BERBASIS KOGENERASI UNTUK REAKTOR TIE RGTT200K. RGTT200K adalah jenis reaktor gas temperatur tggi (RGTT) yang dirancang secara konseptual menerapkan konfigurasi kogenerasi untuk pembangkit listrik, produksi hidrogen dan proses desalasi air laut. Reaktor i berpendg helium dengan temperatur outlet kurang lebih 950 o C dan bertekanan 5,0 Ma. Dalam rangka penyiapan desa konseptual RGTT200K secara lengkap, diperlukan desa konseptual unit reaktor sebagai pembangkit energi termal dan unit konversi dayanya. Unit konversi daya terdiri atas beberapa komponen yang membentuk sebuah sistem. Beberapa komponen utama unit konversi daya RGTT200K yang menerapkan siklus langsung adalah Intermediate Heat Exchanger (IHX), turb, kompresor, rekuperator, tercooler, dan unit pemurnian gas helium. IHX digunakan untuk memdahkan energi termal dari sistem pendg primer ke stalasi produksi gas hidrogen, sedangkan tercooler untuk memasok energi termal ke unit desalasi air laut. Dalam penelitian i telah dilakukan perhitungan termodamik sistem yang meliputi semua komponen utama unit konversi daya RGTT200K. Efektivitas dan perpdahan panas aktual penukar panas dihitung menggunakan metode ε-ntu (Number of Transfer Unit) dan pendekatan LMTD (log mean temperature difference). Hasil perhitungan distribusi daya pada konsep kogenerasi unit konversi daya RGTT200K adalah 62,3 MWt untuk produksi gas hidrogen, 73,5 MWt untuk pembangkit listrik, dan 56,0 MWt untuk unit desalasi air laut. Hasil i cukup memadai untuk dapat ditdak-lanjuti pada tahapan desa selanjutnya yaitu desa dasar (basic design). Kata kunci: RGTT200K, desa konseptual, unit konversi daya, kogenerasi, distribusi daya ABSTRACT CONCETUAL DESIGN OF OWER CONVERSION UNIT BASED ON COGENERATION FOR RGTT200K REACTOR TYE. RGTT200K is a high temperature gas-cooled reactor (HTGR) which be conceptually designed usg cogeneration configuration for electric generation, hydrogen production and for desalation process. This reactor employs a helium-coolant with operatg pressure 5,0 Ma and 950 o C outlet temperature. In the frame of preparation RGTT200K conceptual design, it is need a conceptual design of reactor unit and their power conversion unit. ower conversion unit comprises many component. Some component power conversion unit of RGTT200K is termediate heat exchanger (IHX), turbe, compressor, recuperator, tercooler and helium purification system. IHX is used to transfer thermal energy from the primary reactor coolg system to the hydrogen production system, and the tercooler is used to supply thermal energy to the sea water desalation unit. In this research, the system thermodynamic of power conversion unit of RGTT200K have been calculated. The effectiveness and the total heat transfer of heat exchanger have been calculated usg ε-ntu (Number of Transfer Unit) method and LMTD (log mean temperature difference) approach. Calculation result of power distribution the cogeneration concept of RGTT200K power conversion unit are 62.3 MWt used to hydrogen production unit, 73.5 MWt used for electric generation, and 56.0 MWt used to sea water desalation unit. This result shows that the conceptually designed of power conversion unit of RGTT200K could be followed to the next step of designed namely basic design. Keywords: RGTT200K, conceptually designed, power conversion unit, cogeneration, power distribution 265

2 Desa Konseptual Unit Konversi Daya Berbasis Kogenerasi... ISSN: ENDAHULUAN engkatan kebutuhan energi untuk sektor dustri, transportasi dan rumah tangga yang dipasok dari myak bumi menyebabkan kelangkaan myak bumi dan bahan bakar fosil lanya dalam beberapa dekade mendatang. Kondisi i mendorong berkembang-pesatnya penelitian dan pengembangan untuk mengeksplorasi sumber-sumber energi baru dan terbarukan, terutama paket teknologi energi yang efisien serta ramah lgkungan. Untuk mengurangi ketergantungan dan sekaligus memperpanjang umur cadangan energi bahan bakar fosil yang ada, pemertah menggalakkan penelitian dan pengembangan yang bertujuan menggali berbagai sumber daya energi terbarukan serta mengkatkan efisiensi pemanfaatan sumber energi yang ada, termasuk opsi pemanfaatan energi nuklir. Dalam rangka mendukung opsi pemanfaatan energi nuklir di Indonesia, berbagai kegiatan yang mendukung penguasaan teknologi nuklir khususnya teknologi reaktor terus ditensifkan. enetapkan URD (User Requirement Document) dan penetapan jenis reaktor menjadi prioritas. Kegagalan reaktor air didih (Boilg Water Reactor = BWR) di Fukushima Jepang mengatasi gelombang tsunami, semak menambah wawasan dalam memilih jenis reaktor yang lebih handal dan memiliki faktor keselamatan reaktor yang tggi. Sela faktor keselamatan reaktor, penetapan jenis reaktor juga diarahkan pada jenis reaktor yang mampu menerapkan konsep kogenerasi yaitu untuk pembangkit listrik dan untuk memasok energi pada aplikasi proses dustri lanya. Dengan demikian, reaktor nuklir tidak semata sebagai pembangkit listrik, tetapi juga digunakan sebagai pemasok energi termal untuk keperluan dustri. Konsep sistem i kemudian dikenal sebagai sistem energi nuklir (SEN). enelitian dan pengembangan SEN perlu memperhatikan faktor keselamatan, keamanan, keandalan dan keekonomian, serta kebutuhan mendasar masyarakat setempat. Salah satu jenis reaktor yang dipertimbangkan untuk dikembangkan dalam rangka pemenuhan energi di Indonesia adalah jenis reaktor gas temperatur tggi (RGTT). Tahapan pengembangan suatu stalasi SEN dari awal hgga operasi komersial adalah desa konseptual (conceptual design), desa dasar (basic design), desa detail (detail design), demontrasi stalasi (plant demonstration) atau prototipe, dan operasi komersial (comercial operation) []. ada tahap awal pengembangan i dilakukan penyiapan desa konseptual RGTT dengan konsep kogenerasi berdaya termal 200 MW yang dikenal dengan nama RGTT200K. Konsep kogenerasi RGTT200K ditujukan untuk pembangkit listrik, produksi hidrogen dan proses desalasi air laut. RGTT200K didesa berpendg gas helium dengan temperatur outlet reaktor 950 o C dan bertekanan 5 Ma. Keberhasilan desa sistem energi nuklir i sangat ditentukan oleh keberhasilan desa sistem reaktor dan desa unit konversi dayanya termasuk di dalamnya desa kerja komponen-komponennya. Komponen utama unit konversi daya dalam RGTT200K adalah termediate heat exchanger (IHX), turb, kompresor, rekuperator dan tercooler. Ada beberapa konsep konfigurasi kogenerasi yang dapat dipertimbangkan untuk unit konversi daya RGTT baik siklus langsung maupun siklus tak langsung. Dalam konfigurasi siklus tak langsung, melalui IHX energi termal dipdahkan dari reaktor ke sistem kogenerasi untuk pembangkit listrik dan untuk proses produksi gas hidrogen ataupun untuk aplikasi lanya. Dalam 266

3 rosidg Semar Nasional ke-7 Teknologi dan Keselamatan LTN Serta Fasilitas Nuklir Yogyakarta, 0 Oktober 20 ISSN: hal i IHX sebagai perantara antara sistem primer dan sistem sekunder. Sedangkan dalam konfigurasi siklus langsung, turb dipasang dalam satu ltasan sistem primer. IHX sebagai media pemdah panas dari sistem primer ke stalasi produksi gas hidrogen dapat dipasang secara serial maupun paralel terhadap turb. Untuk menunjang desa konseptual unit konversi daya RGTT200K, telah dilakukan kajian dan analisis untuk menentukan konfigurasi kogenerasi yang optimal. Konfigurasi kogenerasi dengan siklus langsung memiliki efisiensi yang lebih tggi dibandgkan dengan konfigurasi kogenerasi siklus tak langsung. [2]. Dalam desa konseptual RGTT200K i digunakan unit konversi daya dengan konfigurasi siklus langsung dimana IHX dan turb dipasang secara serial. Dengan mengacu pada konsep desa reaktor GTHTR300C [3], telah dilakukan analisis kerja IHX yang meliputi nilai efektivitas IHX. Nilai efektivitas IHX untuk desa konseptual i telah diperoleh sebesar 0,9947 [4]. Dalam makalah i dibahas tentang hasil analisis perancangan untuk mendapatkan desa konseptual unit konversi daya RGTT200K. Analisis perancangan dilakukan dengan pemodelan proses termodamika pada siklus unit konversi daya RGTT200K dengan perhitungan neraca massa dan neraca energya, termasuk perhitungan parameter karakteristik komponen-komponen utamanya. Komponen utama unit konversi daya dalam RGTT200K adalah turb, kompresor dan 3 buah penukar panas yang terdiri dari IHX, rekuperator dan tercooler. arameter karakteristik penukar panas meliputi nilai efektivitas, efisiensi dan laju perpdahan panas aktualnya. Efektivitas penukar panas dihitung menggunakan metode ε-ntu (Number of Transfer Units) dan metode pendekatan LMTD (Logarithmic Mean Temperature Difference). Efektivitas penukar panas menggambarkan beban panas aktual dibagi dengan beban panas maksimum yang mungk pada penukar panas. Berdasarkan metode ε-ntu, nilai efektivitas penukar panas sangat dipengaruhi oleh laju alir fluida pendg, temperatur let dan outlet pada sisi panas dan sisi dg penukar panas. erhitungan termodamika untuk turb dan kompresor diterapkan pada turb dengan aliran aksial. Untuk keperluan desa konseptual i, pemodelan aliran pendg dalam sistem perpipaan dapat diabaikan. Dengan demikian nilai kehilangan tekanan (pressure loss) dalam perpipaan juga diabaikan. 2. KONFIGURASI UNIT KONVERSI DAYA KOGENERASI RGTT200K Ada tiga konfigurasi unit konversi daya yang dapat dipertimbangkan dalam desa konseptual unit konversi daya RGTT200K [4]. Ketiga konfigurasi unit konversi daya i secara umum dibedakan atas penempatan turb sebagai komponen pembangkit listrik. Jika turb ditempatkan pada siklus pendg primer, konfigurasi i disebut sebagai siklus langsung sedangkan apabila turb ditempatkan pada sistem pendg sekunder disebut sebagai siklus tak langsung. Berdasarkan berbagai hasil kajian dan analisis, konfigurasi siklus langsung memiliki beberapa keuntungan, salah satu di antaranya adalah bahwa siklus langsung memiliki efisiensi yang lebih tggi dibandgkan dengan siklus tak langsung [2]. 267

4 Desa Konseptual Unit Konversi Daya Berbasis Kogenerasi... ISSN: Gambar. Konfigurasi Unit Konversi Daya RGTT200K [4] Dalam desa konseptual i dipilih konfigurasi siklus langsung seperti yang ditunjukkan pada Gambar. Sumber energi termal adalah reaktor gas temperatur tggi (RGTT) berdaya 200 MWt dengan temperatur outlet 950 o C dan tekanan outlet 5 Ma. Gas helium sebagai pendg primer mengalir dari reaktor membawa energi termal melalui termediate heat exchanger (IHX), turb, rekuperator, precooler, kompresor dan kembali ke reaktor. Instalasi produksi gas hidrogen menerima energi termal dari unit konversi daya kogenerasi melalui IHX, sedangkan stalasi desalasi air laut menerima energi termal dari unit konversi daya melalui precooler. Salah satu hal yang perlu dipertimbangkan dalam siklus langsung adalah kemungkan masuknya gas pengotor ke dalam pendg reaktor. Masuknya gas pengotor ke dalam pendg primer melalui mekanisme gres baik water gres maupun air gres dapat berpengaruh pada perpdahan panas, tegritas material struktur serta keandalan operasi sistem reaktor. Dengan demikian, dalam konfigurasi kogenerasi siklus langsung juga harus dipasang sistem pemurnian gas helium dalam siklus unit konversi daya. Sistem pemurnian gas helium dipasang pada outlet kompresor dan output sistem pemurnian gas helium pada let kompresor. 3. METODE ERHITUNGAN 3.. erhitungan enukar anas Untuk keperluan desa konseptual unit konversi daya RGTT200K, parameter karakteristik penukar panas yang meliputi IHX, rekuperator dan tercooler harus dihitung. arameter karakteristik penukar panas yang dihitung meliputi efektivitas, efisiensi, dan laju perpdahan panas aktual. Nilai kehilangan tekanan (pressure loss) pada setiap unit penukar panas ditetapkan berdasarkan acuan sebesar 0,002 Ma [5]. Besaran laju alir pendg ditetapkan dari hasil desa sistem reaktor yaitu sebesar 20 kg/s. Untuk desa konseptual IHX mengacu pada desa IHX yang digunakan pada reaktor GTHTR300C [3]. 268

5 rosidg Semar Nasional ke-7 Teknologi dan Keselamatan LTN Serta Fasilitas Nuklir Yogyakarta, 0 Oktober 20 ISSN: arameter efektivitas penukar panas (IHX, rekuperator, tercooler) menggambarkan besarnya laju perpdahan panas aktual dibagi dengan laju perpdahan panas maksimum yang mungk terjadi pada penukar panas tersebut. Laju perpdahan panas aktual pada penukar panas adalah besarnya panas yang dipdahkan dari sisi panas ke sisi dg penukar panas. Dengan mempertimbangkan konsep konservasi massa dan konservasi energi, besarnya laju perpdahan panas aktual pada penukar panas dapat dihitung dengan rumusan [6,7] sbb.: dengan: q U A = laju perpdahan panas aktual ΔTout ΔT q = U A ΔTout ln () ΔT = U A ΔT LMTD = koefisien perpdahan panas keseluruhan (overall heat transfer coefficient) = luas permukaan perpdahan panas ΔT LMTD = LMTD Nilai LMTD (Logarithmic Mean Temperature Difference) adalah nilai yang berkaitan dengan perbedaan temperatur antara sisi panas dan sisi dg penukar panas. Dengan asumsi bahwa aliran pendg mengalir dalam kondisi tunak (steady state), tidak ada kehilangan panas secara keseluruhan, tidak ada perubahan fase pendg, maka nilai LMTD dapat dihitung menggunakan persamaan [6,7] sbb.: dengan: LMTD = T h, = temperatur let pada sisi panas T h, out = temperatur outlet pada sisi panas T c, = temperatur let pada sisi dg T c, = temperatur outlet pada sisi dg ( T T ) ( T T ) h, c, out T ln T h, h, out Tc, T Secara umum nilai efektivitas (ε) penukar panas dapat didefisikan sebagai perbandgan laju perpdahan panas aktual dengan laju perpdahan panas maksimum yang mungk terjadi pada penukar panas. Sehgga nilai efektivitas penukar panas dapat dihitung menggunakan persamaan [5,6,7]. berikut: dengan: q = laju perpdahan panas aktual q max q max = laju perpdahan panas maksimum yang mungk h, out out c, c, (2) q ε = (3) 269

6 Desa Konseptual Unit Konversi Daya Berbasis Kogenerasi... ISSN: Untuk menghitung efektivitas penukar panas, perlu dihitung terlebih dahulu besaran laju perpdahan panas aktual (q) dan besaran laju perpdahan panas maksimum yang mungk secara hipotetis ( q max ) pada penukar panas. Nilai besaran q max menunjukkan besarnya panas maksimum yang dapat ditransfer atau dipdahkan di antara kedua fluida pendg. Nilai q max pada penukar panas dapat dicapai apabila panjang penukar panas tak hgga. ada penukar panas yang panjangnya tak hgga, akan dicapai beda temperatur fluida pendg maksimum sebesar T h,i T c,i (erbedaan antara temperatur let pada sisi panas dan temperatur let pada sisi dg). Sela itu, nilai q max juga dipengaruhi oleh nilai laju alir massa pendg dikalikan dengan panas spesifik yang mimum. Nilai perkalian laju alir massa pendg dengan panas spesifik serg disebut sebagai laju kapasitasitansi panas (C h dan C c ) [4,5,6]. Nilai C h dan C c masg-masg menunjukkan nilai laju kapasitansi panas untuk fluida panas dan fluida dg. Nilai terkecil diantara nilai C h dan nilai C c disebut sebagai laju kapasitansi panas mimum (C m ). Alasan pemilihan laju kapasitansi panas mimum adalah untuk mencakup perpdahan panas maksimum yang mungk di antara kedua fluida kerja. Dengan demikian nilai laju perpdahan panas maksimum ( q max ) dapat dihitung dengan persamaan [5,6,7] berikut.: ( T h T ) q max Cm, c, = (4) Sementara itu nilai laju perpdahan panas aktual pada penukar panas dapat dihitung dengan persamaan [5,6,7] berikut.: q = C h = C c ( Th, Th, out ) ( T T ) Dengan mensubstitusi persamaan (4) dan (5) ke dalam persamaan (3), maka dapat diperoleh persamaan untuk menghitung nilai efektivitas penukar panas [5,6,7,8] sebagai berikut: dengan: ε = C C C h m C = C c c, out c, ( Th, Th, out ) ( Th, Tc, ) ( Tc, out Tc, ) ( T T ) m h, c, = ( m& ) h dan C c ( m& c p ) c h c p (5) (6) = (7) Secara keseluruhan, nilai efektivitas penukar panas sangat dipengaruhi oleh laju alir fluida pendg, temperatur let dan temperatur outlet pada sisi panas dan sisi dg sistem penukar panas. Efektivitas penukar panas adalah besaran tak berdimensi yang nilaya antara 0 dan. Jika diketahui nilai efektivitas untuk penukar panas tertentu dengan kondisi aliran let, maka dapat dihitung jumlah panas yang dapat ditransfer atau dipdahkan di antara kedua fluida pendg pada penukar panas. Nilai efektivitas penukar panas juga dapat dihitung menggunakan nilai perbandgan laju kapasitansi panas ( C ) dan nilai NTU. Nilai NTU bergantung pada parameter rancangan penukar r panas yang meliputi perkalian antara koefisien perpdahan panas keseluruhan (U) dan luas 270

7 rosidg Semar Nasional ke-7 Teknologi dan Keselamatan LTN Serta Fasilitas Nuklir Yogyakarta, 0 Oktober 20 ISSN: permukaan perpdahan panas (A) dibagi dengan parameter kondisi operasi ( C m ). Nilai U dan A sangat dipengaruhi oleh geometri sistem penukar panas. arameter C r dan NTU dapat dyatakan sebagai berikut: dan dengan: Cm C r = ( C r < ) (8) C max U A NTU = (9) C m U : koefisien perpdahan panas keseluruhan, dan A : luas perpdahan panas. Koefisien perpdahan panas keseluruhan (U) dapat dihitung menggunakan persamaan sbb. [4,5,6] : Δx = + + (0) U h k hot h cold dengan h = koefisien perpdahan panas konveksi masg-masg fluida pendg pada sisi panas dan sisi dg. Δx = ketebalan ddg pipa k = konduktivitas termal pada material Kombasi persamaan (6), (7), dan (8) maka dapat diperoleh persamaan untuk memperoleh nilai efektivitas penukar panas yang serg disebut sebagai metode ε-ntu. Untuk penukar panas dengan aliran berlawanan (counter flow), maka efektivitas penukar panas dapat dihitung dengan persamaan sbb.: [ NTU ( C )] exp r ε = () C exp[ NTU ( C )] r Metode ε-ntu juga serg digunakan untuk menghitung laju perpdahan panas dalam penukar panas bila tidak cukup formasi untuk menghitung LMTD. Dalam analisis sistem penukar panas, temperatur let dan outlet dapat ditentukan menggunakan metode LMTD, tetapi bila formasi i tidak cukup metode ε-ntu dapat digunakan. r 3.2. erhitungan Turb dan Kompresor 3.2.a. erhitungan Turb Aliran Aksial Dalam desa konseptual unit konversi daya pada RGTT200K i dipilih turb dengan aliran aksial. Dengan menerapkan persamaan energi aliran mantap berkembang penuh di sepanjang rotor atau sudu jalan, maka kerja yang diberikan oleh turb dapat dihitung menggunakan persamaan [9] sebagai berikut: W turb = m& c ( T 2 ) T (2) p 27

8 Desa Konseptual Unit Konversi Daya Berbasis Kogenerasi ISSN: Sedangkan rasio tgkat tekanan antara tekanan let dan tekanan outlet pada turb dapat dihitung menggunakan persamaan [9] sebagai berikut: 2 2 = T T (3) Temperatur outlet dari turb dapat dihitung menggunakan persamaan [9] sebagai berikut: + = η 2 2 T T s (4) v p c c = ada persamaan (2) sampai dengan persamaan (4) di atas, subskrip untuk titik masuk (let) turb dan subskrip 2 untuk titik keluar (outlet) turb. dan T masg-masg untuk tekanan dan temperatur absolut. Besaran s c p c v m w η,,,, & secara berurutan menyatakan kerja turb spesifik, laju aliran massa, kapasitas panas spesifik tekanan konstan, kapasitas panas spesifik volume konstan, dan efisiensi isentropis turb. 3.2.b. erhitungan kompresor Dengan menggunakan persamaan energi untuk aliran mantap dan berkembang penuh pada rotor kompresor, maka kerja besarnya kompresor dapat dihitung menggunakan persamaan [9] sebagai berikut: ( ) T 2 T m c W p kompresor = & (5) Sedangkan rasio tgkat tekanan antara tekanan outlet dan tekanan let pada kompresor dapat dihitung menggunakan persamaan [9] sebagai berikut: 2 2 = T T (6) Temperatur outlet dari kompresor dapat dihitung menggunakan persamaan [9] sebagai berikut: + = 2 2 η T T s (7) Nomenklatur besaran pada persamaan-persamaan untuk kompresor yaitu persamaan (5) sampai dengan persamaan (7) yang meliputi besaran s c p c v m w η,,,, & sama dengan nomenklatur pada persamaan-persaman untuk turb yaitu persamaan (2) sampai dengan persamaan (4). 4. HASIL DAN EMBAHASAN RGTT200K secara konseptual didesa dengan menerapkan siklus kogenerasi untuk pembangkit listrik, produksi gas hidrogen dan proses desalasi air laut. Dalam desa konseptual

9 rosidg Semar Nasional ke-7 Teknologi dan Keselamatan LTN Serta Fasilitas Nuklir Yogyakarta, 0 Oktober 20 ISSN: RGTT200K i, sebagai sumber energi termal adalah sistem reaktor gas temperatur tggi berdaya termal 200 MWt. Untuk keperluan produksi gas hidrogen ditetapkan daya termal kurang lebih 60 MWt. Karena itu, untuk keperluan desa konseptual unit konversi daya kogenerasi dengan konfigurasi siklus langsung seperti pada Gambar i, maka IHX harus didesa mampu mentransfer energi termal dari sisi primer (sisi panas) ke sisi sekunder (sisi dg) kurang lebih sebesar 60 MWt. Sistem reaktor dalam desa konseptual unit konversi daya i mengacu pada konsep sistem Very High Temperature Reactor (VHTR) [3,5]. IHX digunakan untuk menyediakan energi termal pada stalasi produksi hidrogen. Desa konseptual IHX yang digunakan mengacu pada geometri desa IHX untuk reaktor GTHTR300C [3], sedangkan parameter termodamiknya dihitung sesuai dengan persyaratan desa yang ditetapkan bagi reaktor RGTT200K. arameter reaktor yang digunakan sebagai dasar desa konseptual unit konversi daya RGTT200K tersebut meliputi : daya termal reaktor temperatur outlet, tekanan outlet dan laju aliran pendg. Nilai besaran tersebut adalah daya termal reaktor 200 MWt, temperatur outlet reaktor 950 o C, tekanan outlet reaktor 5,0 Ma, dan laju alir gas helium sebagai pendg primer adalah 20 kg/s. arameter-parameter reaktor RGTT200K tersebut ditunjukkan pada Tabel. Tabel. arameter reaktor untuk desa unit konversi daya RGTT200K [4] arameter Daya reaktor Temperatur outlet reaktor Temperatur let reaktor Tekanan outlet reaktor Laju alir massa helium Nilai 200 MWt 950 o C 650 o C 5,0 Ma 20 kg/s ada desa unit konversi daya RGTT200K dengan konfigurasi siklus langsung seperti pada Gambar, gas helium sebagai fluida pendg primer keluar dari sistem reaktor dengan temperatur 950 o C. Gas helium tersebut mengalir masuk ke bagian shell pada IHX dan keluar dari IHX dengan temperatur 850 o C. Gas helium dengan temperatur 850 o C kemudian digunakan untuk menggerakkan turb gas yang dipasang langsung pada outlet IHX dan diteruskan ke rekuperator, precooler kemudian ke kompresor. Tabel 2. arameter geometri pada desa konseptual IHX berdasar pada GTHTR300C [3] arameter Diameter luar pipa / tube Tebal pipa / tube Nilai 45 mm 5 mm 273

10 Desa Konseptual Unit Konversi Daya Berbasis Kogenerasi... ISSN: Jumlah pipa (tube) dalam shell 724 Jumlah kolom kumparan pipa / tube 22 Diameter dalam shell 4,57 m Luasan perpdahan panas 448 m 2 Untuk perhitungan parameter karakteristik desa konseptual IHX pada unit konversi daya RGTT200K, nilai kehilangan tekanan (pressure loss) pada setiap unit penukar panas ditetapkan berdasarkan acuan sebesar 0,002 Ma [5] Berdasarkan geometri pada desa IHX untuk reaktor GTHTR300C [3], telah ditetapkan semua parameter geometri pada desa konseptual IHX pada RGTT200K. arameter geometri tersebut meliputi diameter shell maupun tube (pipa), ketebalan pipa, jumlah pipa dalam shell dan luasan perpdahan panas antara sisi panas dan sisi dg. arameter geometri pada desa konseptual IHX ditunjukkan pada Tabel 2. Fluida pendg (helium) pada sisi panas maupun sisi dg pada desa konseptual IHX adalah helium. Kapasitas panas spesifik untuk helium pada tekanan tetap (c p ) adalah J/(g K) [0]. Dengan menggunakan persamaan (7), maka nilai laju kapasitansi panas C h dan C c masg-masg dapat dihitung sebesar 623,8 J/(K s) dan 467,39 J/(K s). Karena nilai C m dan C max masg-masg dipilih dari nilai C h dan C c yang terendah dan yang tertggi maka nilai C m, C max, masg-masg dapat diperoleh sebesar 623,8 J/(K s), 467,39 J/(K s). Sedangkan laju kapasitansi panas rata-rata (C r ) dihitung menggunakan persamaan (8) dan diperoleh sebesar 0,75. Koefisien perpdahan panas keseluruhan (U) dipengaruhi oleh material pendg (koefisien perpdahan panas konveksi helium), material pipa (konduktivitas panas pipa) dan geometri pipa pada IHX. Nilai koefisien perpdahan panas konveksi helium (h) dan nilai konduktivitas panas pipa hastelloy (k) masg-masg berdasarkan acuan sebesar [0] 0 W/m 2 K dan 8,655 W/mK. Dengan menggunakan persamaan (0) maka dapat diperoleh nilai U sebesar 4,99 W/m 2 K. Sedangkan luas perpdahan panas (A) sangat dipengaruhi oleh geometri IHX. Mengacu pada geometri rancangan IHX pada reaktor tipe GTHTR300C [3], nilai A adalah 448 m 2. Dari kedua parameter tersebut, dengan menggunakan persamaan (9), nilai NTU pada IHX dapat dihitung sebesar 5,4457. Didasarkan nilai NTU i dan desa konseptual IHX yang alirannya dirancang berlawanan antara fluida panas dan fluida dg, maka nilai efektivitas IHX dapat dihitung dengan menggunakan metode ε-ntu seperti pada persamaan (). Berdasarkan nilai efektivitas IHX yang dihitung menggunakan persamaan () yang disubstitusi ke dalam persamaan (6) maka dapat diperoleh besaran temperatur outlet IHX dan parameter termodamika lanya. Dengan demikian laju perpdahan panas aktual pada IHX dapat dihitung menggunakan persamaan (5), dan hasilnya adalah 62,38 MWt. Hasil perhitungan termodamika untuk desa konseptual IHX ditunjukkan pada Tabel

11 rosidg Semar Nasional ke-7 Teknologi dan Keselamatan LTN Serta Fasilitas Nuklir Yogyakarta, 0 Oktober 20 ISSN: Tabel 3. arameter termodamika pada IHX untuk unit konversi daya RGTT200K arameter Nilai Beban daya IHX (q aktual ) LMTD 62,38 MWt 68,34 o C NTU 5,4457 Luasan perpdahan panas 448 m 2 Temperature let pada tube Temperature outlet pada tube Laju alir massa helium pada tube Tekanan pada sisi shell Temperature let pada shell Temperature outlet pada shell ressure loss Laju alir massa helium pada tube Tekanan pada sisi shell Diameter luar pipa/tube Tebal pipa/tube 450 o C 900 o C 90,0 kg/s 5, Ma 950 o C 850 o C 0,002 Ma 20,0 kg/s 5,0 Ma 45 mm 5 mm Jumlah pipa (tube) dalam shell 724 Efektivitas IHX 0,9947 Daya termal reaktor pada desa konseptual RGTT200K adalah 200 MWt, beban kerja desa konseptual IHX berdasarkan perhitungan menggunakan persamaan (5) adalah 62,38 MWt, sehgga daya termal yang diperlukan untuk menggerakkan turb gas dan untuk desalasi air laut adalah selisih antara daya termal reaktor dengan beban kerja IHX. Jadi daya termal untuk pembangkit listrik dan desalasi air laut adalah sebesar 37,68 MW. Dengan demikian dari total daya termal reaktor, sekitar 62,38 MWt digunakan untuk keperluan produksi gas hidrogen yang dipasang pada sisi sekunder dari IHX. ada proses i, panas reaktor ditransfer melalui IHX ke loop sekunder untuk diteruskan ke stalasi produksi gas hidrogen yang menggunakan metode proses termokimia. Dengan menetapkan besaran efisiensi isentropis turb dalam desa i sebesar 0,92 [9], menggunakan persamaan (3) dan (4) maka besaran temperatur dan tekanan outlet turb dapat diperoleh. Untuk perhitungan tekanan dan temperatur kompresor menggunakan persamaan (6) dan (7) dan besaran efisiensi isentropis berdasarkan acuan sebesar 0,9 [9]. erhitungan besaran termodamika untuk rekuperator dan tercooler menggunakan metode yang sama seperti pada 275

12 Desa Konseptual Unit Konversi Daya Berbasis Kogenerasi... ISSN: perhitungan untuk IHX. Hasil perhitungan termodamika pada komponen utama unit konversi daya RGTT200K yang meliputi tekanan dan temperatur tertuang pada Tabel 4. Tabel 4. Distribusi temperatur dan tekanan pada komponen utama unit konversi daya RGTT200K IHX Turb Kompresor Recuperator Intercooler arameter Nilai Temperatur let 950 o C Temperatur outlet 850 o C ressure loss 0,002 Ma Temperatur let 850 o C Temperatur outlet 674 o C ressure ratio,9 Efisiensi isentropis 0,92 Temperatur let 38 o C Temperatur outlet 60 o C ressure ratio 2,9 Efisiensi isentropis 0,90 Temperatur let sisi panas 674 o C Temperatur outlet sisi panas 48 o C ressure loss 0,002 Ma Temperatur let sisi dg 60 o C Temperatur outlet sisi dg 629 o C ressure loss 0,002 Ma Temperatur let sisi panas 48 o C Temperatur outlet sisi panas 38 o C ressure loss 0,002 Ma Dari hasil perhitungan menggunakan persamaan (5), diperoleh beban daya IHX sebesar 62,38 MWt. Sedangkan beban kerja turb dan kompresor dapat dihitung menggunakan persamaan (2) dan (5), dan hasil perhitungan masg-masg adalah 09,65 MWt dan 36,7 MWt. erhitungan beban daya pada rekuperator dan tercooler menggunakan persamaan (5), masg-masg diperoleh sebesar 309,9 MWt dan 56,0 MWt. Hasil perhitungan keseluruhan distribusi daya termal pada semua komponen utama unit konversi daya RGTT200K ditunjukkan pada Tabel 5. Tabel 5. Distribusi daya termal pada komponen utama unit konversi daya RGTT200K Komponen utama unit konversi daya RGTT200K Daya termal (MW) Reaktor 200 Intermediate Heat Exchanger 62,3 Turb gas 09,7 Kompresor 36,7 Rekuperator 309,9 Instalasi produksi gas hidrogen 62,3 Instalasi desalasi 56,0 276

13 rosidg Semar Nasional ke-7 Teknologi dan Keselamatan LTN Serta Fasilitas Nuklir Yogyakarta, 0 Oktober 20 ISSN: Hasil perhitungan yang ditunjukkan pada Tabel 5 diperoleh dengan mengambil dasar laju alir pendg helium sebesar 20 kg/s, kehilangan tekanan (pressure loss) pada setiap komponen utama diasumsikan sama yaitu sebesar 0,002 Ma. Hasil perhitungan beban daya pada IHX diperoleh sebesar 62,3 MWt, daya sebesar i digunakan untuk stalasi produksi gas hidrogen. Daya mekanik yang dihasilkan dari turb untuk menghasilkan listrik adalah selisih antara beban kerja turb dan beban kerja kompresor, yaitu 09,7 MWt 36,7 MWt = 73,5 MWt. Hasil perhitungan beban daya yang pada tercooler diperoleh sebesar 56,0 MWt. Beban daya digunakan untuk stalasi desalasi air laut. Semua hasil perhitungan diatas diperoleh dengan asumsi bahwa parameter reaktor seperti yang ditunjukkan pada Tabel. Jarak antara reaktor dan stalasi produksi gas hidrogen juga akan mempengaruhi unjuk kerja sistem IHX pada sistem kogenerasi. Ukuran pipa-pipa pada unit konversi daya juga mempengaruhi penurunan tekanan (pressure drop) yang tentu saja berpengaruh pada perhitungan distribusi tekanan dan temperatur pada setiap komponen utama unit konversi daya RGTT200K. Namun begitu, hasil perhitungan untuk desa konseptual unit konversi daya kogenerasi RGTT200K i cukup memadai sebagai dasar untuk mengambil langkah desa berikutnya. 5. KESIMULAN Telah diperoleh desa konseptual unit konversi daya kogenerasi untuk RGTT200K dengan konfigurasi siklus langsung. IHX dipasang diantara outlet reaktor dengan turb untuk menyediakan energi termal pada stalasi produksi gas hidrogen. Untuk proses desalasi air laut diambil dari sisi sekunder tercooler yang dipasang pada let kompresor. Geometri penukar panas mengacu pada desa IHX GTHTR300C yang bertipe helical tube and shell He-He dengan luasan perpdahan panas sebesar 448 m 2. Sumber energi termal adalah reaktor gas temperatur tggi (RGTT) berdaya termal 200 MWt. Temperatur, tekanan dan laju alir pendg pada outlet reaktor masg-masg ditetapkan sebesar 950 o C, 5 Ma dan 20 kg/s. Hasil perhitungan distribusi daya untuk masgmasg komponen utama pada konsep kogenerasi unit konversi daya adalah 62,3 MWt untuk produksi gas hidrogen, 73,5 MWt untuk pembangkit listrik, dan 56,0 MWt untuk stalasi desalasi air laut. Hasil i cukup memadai untuk dapat ditdak-lanjuti pada tahapan desa selanjutnya yaitu desa dasar (basic design). 6. DAFTAR USTAKA []. DIMIAN A.C., Integrated Design And Simulation of Chemical rocesses, Elsevier, Amsterdam, (2003). [2]. IGN. DJOKO IRIANTO, emodelan Sistem Konversi Energi Berbasis Kogenerasi Reaktor Tipe RGTT Untuk embangkit Listrik dan roduksi Hidrogen, rosidg Semar Nasional engembangan Energi Nuklir III, Banten, 24 Juni (200). [3]. KAZUHIKO KUNITOMI, et al., JAEA S VHTR For Hydrogen And Electricity Cogeneration : GTHTR300C, Nuclear Engeerg and Technology, Vol.39 No.., February (2007). 277

14 Desa Konseptual Unit Konversi Daya Berbasis Kogenerasi... ISSN: [4]. IGN. DJOKO IRIANTO, Analisis Kerja IHX Untuk Desa Konseptual Unit Konversi Daya RGTT200K, dipresentasikan pada ertemuan dan resentasi Ilmiah enelitian Dasar Ilmu engetahuan dan Teknologi Nuklir, Yogyakarta, 9 Juli (20). [5]. E. A. HARVEGO, Evaluation Of Next Generation Nuclear ower lant (NGN) Intermediate Heat Exchanger (IHX) Operatg Conditions, Idaho National Laboratory, Idaho Falls, April (2006). [6]. DANIEL R. LEWIN, Lecture Seven: Heat Exchanger Design, Department of Chemical Engeerg Technion, Haifa, Israel, (2004). [7]. AKIRA SHIMIZU, et al., Recent Research and Development of Intermediate Heat Exchanger for VHTR lant, Nagasaki Shipyard & Enge Works, Mitsubishi Heavy Industries, LTD. [8]. CHANG H. OH, et. al., ower Conversion Study For High Temperature Gas-Cooled Reactors, roceedgs of ICA 05, Seoul, Korea, May 5-9, (2005). [9]. WIRANTO ARISMUNANDAR, engantar Turb Gas dan Motor ropulsi, enerbit ITB, (2002) [0]. DISKUSI/TANYA JAWAB:. ERTANYAAN: (Suratman, Guru SMAN, Sedayu, Bantul) Kebutuhan energi di masa mendatang semak mengkat. Bagaimana agar kebutuhan energi tersebut bisa terpenuhi? Rancangan apa yang mampu menghasilkan energi sesuai dengan yang diharapkan?. JAWABAN: (, TRKN-BATAN) Untuk memenuhi pengkatan kebutuhan energi, perlu diantisipasi dengan penyediaan sumbersumber energi baru dan terbarukan, termasuk sumber energi nuklir. Dalam desa konseptual i dipertimbangkan juga pembangkitan energi hidrogen. Dalam desa konseptual, unit konversi daya berbasis kogenerasi i juga diarahkan untuk proses desalasi air laut untuk penyediaan air bersih. roses desalasi memanfaatkan panas buangan dari rekuperator yang kemudian di transfer melalui tercooler. 2. ERTANYAAN: (Rokhmadi, TRKN-BATAN) Bagaimana cara memperoleh distribusi daya termal?. JAWABAN: (, TRKN-BATAN) Distrubis daya dihitung berdasarkan hukum-hukum termodamika dan hukum kekekalan massa dan kekekalan energi. Dalam desa konseptual i daya termal ditransfer melalui IHX untuk produksi hidrogen ditetapkan sebesar 60MWt. Dengan asumsi tidak ada panas yang terbuang ke lgkungan, dengan menggunakan persamaan kekekalan energi dapat dihitung daya pada seluruh komponen utama unit konversi daya RGTT200K. 278