PERBANDINGAN DESAIN THERMAL STORAGE TIPE SENSIBEL DAN LATEN PADA SISTEM PEMBANGKIT LISTRIK MATAHARI. Ghalya Pikra, Agus Salim

Transkripsi

1 PERBANDINGAN DESAIN THERMAL STORAGE TIPE SENSIBEL DAN LATEN PADA SISTEM PEMBANGKIT LISTRIK MATAHARI Ghalya Pikra, Agus Salim Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik - LIPI Komplek LIPI, Jl. Sangkuriang, Gd. 20. Lt. 2, Bandung, Jawa Barat 40135, Indonesia Telp : (022) , Fax : (022) ghalyapikra@yahoo.com, agus.salim35@yahoo.com ABSTRAK Makalah ini membahas tentang perbandingan desain thermal storage tipe sensibel dan tipe laten untuk digunakan pada sistem pembangkit listrik tenaga matahari. Thermal storage merupakan tangki penyimpan yang berfungsi untuk menyimpan energi panas, sehingga sistem akan tetap dapat melayani beban pemakaian meskipun supply energi panas matahari tidak ada. Desain thermal storage tipe sensibel dan tipe laten dibandingkan untuk mengetahui nilai volume yang paling kecil, sehingga cocok digunakan untuk kapasitas panas besar. Thermal storage tipe sensibel didesain dengan jenis single medium dengan satu tangki, sedangkan desain thermal storage untuk tipe laten adalah dual medium dengan satu tangki. Analisis desain diawali dengan menentukan fluida serta data-data yang diperlukan dalam perhitungan, diantaranya daya output, waktu operasi dan temperatur awal dan akhir dari HTF (Heat Transfer Fluid) di dalam thermal storage. Perhitungan diawali dengan menghitung panas input dan massa HTF untuk masing-masing tipe thermal storage. Massa HTF dan densitas dari fluida digunakan untuk menghitung volume thermal storage. Hasil analisis menunjukkan bahwa desain thermal storage dengan kapasitas 10 kw tipe laten memiliki volume yang lebih kecil dibandingkan dengan tipe sensibel. Kata kunci: sistem pembangkit listrik tenaga matahari, thermal storage, laten, sensibel, heat transfer fluid. ABSTRACT This paper discusses comparison of design thermal storage sensible and latent type for use in solar power generation system. Thermal storage is a storage tank that serves to store heat energy, so that the system will continue to serve the load usage although there is no solar thermal energy supply. The design of thermal storage type of sensible and latent type compared to determine value of the smallest volume, thus suitable for large heat capacity. Sensible thermal storage type is designed with a single type of medium with one tank, while the design of thermal storage for latent type is a dual medium with a single tank. The analysis begins with determining the fluid design and data required in the calculation, including power output, operating time and temperature of the beginning and end of the HTF (Heat Transfer Fluid) in the thermal storage. The computation begins by calculating the heat input and mass HTF for each type of thermal storage. HTF mass and density of the fluid used to calculate the volume of thermal storage. The results show that the design of thermal storage with a capacity of 10 kw type latent has a smaller volume compared with the sensible type. Keywords: solar power generation systems, thermal storage, latent, sensible, heat transfer fluid. PENDAHULUAN Thermal storage merupakan tangki penyimpan yang berfungsi untuk menyimpan energi panas, sehingga sistem akan tetap dapat melayani beban pemakaian meskipun supply energi panas 981

2 matahari tidak ada. Thermal energy storage merupakan komponen kunci pada sistem energi panas matahari. Thermal storage harus memiliki rugi-rugi energi panas sekecil mungkin dan memiliki efisiensi yang tinggi pada proses ekstraksi energi panas yang dikandungnya. Thermal storage juga sangat penting dikarenakan dengan keberadaannya dapat menjembatani ketidaksesuaian antara supply energi panas matahari dengan sisi load demand. Thermal storage bila dilihat dari cara penyimpanannya terbagi ke dalam beberapa tipe, diantaranya tipe sensibel, dan tipe laten. Thermal storage tipe sensibel memiliki keuntungan pada operasi yang lebih sederhana karena hanya melibatkan satu fasa cair sebagai media penyimpan panas, sedangkan thermal storage tipe laten memanfaatkan panas melalui perubahan fasa dari padat ke cair [1]. Desain thermal storage dalam sistem pembangkit listrik matahari terbagi ke dalam beberapa jenis, diantaranya single medium dengan satu tangki atau dua tangki thermocline, dual medium dengan satu tangki thermocline, dan dual medium dengan satu tangki menggunakan tubular heat exchanger. Beberapa desain thermal storage secara umum ditunjukkan pada Gambar 1. Gambar 1. Desain-desain thermal energy storage: a. single medium, satu tangki, thermocline; b. single medium, dua tangki; c. dual medium, satu tangki, thermocline; d. dual medium, satu tangki, tubular heat exchanger [2]. Gambar 1 menunjukkan beberapa desain thermal storage, dimana Gambar 1.a dan 1.b adalah thermal storage tipe sensibel karena menggunakan satu media. Gambar 1.c adalah thermal 982

3 storage tipe laten yang menggunakan dua media, yaitu karena adanya perubahan fasa. Sementara Gambar 1.d adalah dua media, namun menggunakan thermal storage jenis heat exchanger. Heat transfer fluid (HTF) untuk thermal storage yang telah teruji penggunaannya di pasaran adalah thermal oil untuk tipe sensibel, sedangkan HTF untuk thermal storage tipe laten menggunakan molten salt atau senyawa maupun campuran dari beberapa senyawa murni, biasanya senyawa garam nitrat/ nitrit. Thermal oil dapat menjangkau temperatur hingga 400 o C, sedangkan molten salt dapat menjangkau hingga temperatur 600 o C [3]. Penelitian ini dilakukan untuk menganalisis perbandingan desain dua tipe umum thermal storage yang lazim diaplikasikan di lapangan, yaitu tipe sensibel dan laten thermal storage. Panas laten memiliki nilai kalor yang lebih tinggi dibandingkan dengan panas sensibel, oleh karena itu thermal storage tipe laten memiliki volume yang lebih kecil dibandingkan dengan tipe sensibel untuk kapasitas penyimpanan panas yang sama [4]. Thermal storage yang didesain untuk tipe sensibel adalah jenis single medium dengan satu tangki, sedangkan desain thermal storage untuk tipe laten adalah dual medium dengan satu tangki. METODA ANALISIS Desain thermal storage untuk tipe sensibel dipengaruhi oleh beda temperatur dan panas spesifik dari HTF thermal storagenya, sedangkan desain thermal storage untuk tipe laten dipengaruhi oleh nilai beda temperatur dan panas spesifik serta panas laten spesifik HTF thermal storagenya karena adanya perubahan fasa. Desain diawali dengan menentukan data, seperti daya output, waktu operasi dan temperatur awal dan akhir dari HTF. Data-data dukung lainnya adalah panas spesifik (C p ), panas jenis laten (L m ) dan densitas (ρ) dari HTF (Heat Transfer Fluid). HTF yang digunakan dalam desain kali ini untuk tipe sensibel adalah thermal oil, sementara untuk tipe laten digunakan senyawa KNO 3. Analisis diawali dengan melakukan perhitungan panas input, kemudian dilanjutkan dengan menghitung massa dari HTF. Dari hasil perhitungan tersebut, maka volume thermal storage dapat ditentukan. Persamaan yang digunakan untuk menghitung panas input adalah (1) dengan q input adalah panas input, Q output adalah panas output dan t operasi adalah waktu operasi. Untuk thermal storage tipe sensibel, massa HTF dihitung dengan menggunakan persamaan (2) berikut ini (2) 983

4 dengan m adalah massa HTF, C p,s adalah panas spesifik thermal oil, T 1 adalah temperatur awal HTF dan T 2 adalah temperatur akhir HTF. Sementara untuk thermal storage tipe laten, massa HTF dihitung dengan menggunakan persamaan (3) berikut ini dengan C p,l adalah panas spesifik KNO 3, dan L m adalah panas laten spesifik HTF. Volume thermal storage dihitung dengan menggunakan persamaan (4) berikut ini (3) dengan V adalah volume thermal storage dan ρ adalah densitas HTF. (4) DATA ANALISIS Data-data yang digunakan dalam melakukan analisis desain thermal storage tipe sensibel dan tipe laten ditunjukkan pada Tabel 1. Tabel 1. Data analisis. [5], [6] Keterangan Notasi Nilai Daya output Q output 10 kw Waktu operasi t operasi 8 jam Temperatur HTF awal T o C Temperatur HTF akhir T o C Panas spesifik thermal oil C p,s 2,3 kj/ kg o C Panas spesifik KNO 3 C p,l 1,26 kj/ kg K Panas laten spesifik KNO 3 L m 266 kj/ kg Densitas thermal oil ρ oil 865 kg/ m 3 Densitas KNO kg/ m 3 ρ KNO3 Tabel 1 menunjukkan temperatur awal sebesar 250 o C berdasarkan dari hasil pengujian sistem solar collector yang memberikan nilai temperatur HTF sebesar 250 o C. Temperatur akhir diasumsikan mencapai 200 o C untuk disalurkan ke heat exchanger yang digunakan untuk menghasilkan uap yang akan digunakan oleh turbin untuk membangkitkan listrik. Data-data fisik lainnya digunakan berdasarkan temperatur rata-rata dari HTF. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil analisis desain thermal storage tipe sensibel dan tipe laten ditunjukkan pada Tabel 2 berikut ini. Tabel 2 menunjukkan bahwa thermal storage tipe laten memiliki massa dan volume yang lebih kecil (1/7 kali) dibandingkan dengan tipe sensibel untuk kapasitas penyimpanan panas 984

5 yang sama. Hal ini terjadi karena panas laten memiliki nilai kalor yang lebih tinggi dibandingkan panas sensibel. Tabel 2. Hasil analisis. Keterangan Sensibel Laten (Thermal oil) (KNO 3 ) Panas input kj kj Massa HTF 2504 kg 875 kg Volume thermal storage 2895 liter 414 liter Selain itu, KNO 3 yang digunakan sebagai HTF pada tipe laten memiliki nilai densitas (rapat massa) yang lebih tinggi dibandingkan dengan thermal oil. Oleh karena tipe laten dari thermal storage memiliki nilai kalor dan densitas yang lebih tinggi, hal tersebut mengakibatkan thermal storage tipe laten memiliki nilai volume yang lebih kecil untuk kapasitas penyimpanan panas yang sama. Volume thermal storage yang lebih kecil akan lebih efisien digunakan untuk kapasitas yang lebih besar, sehingga thermal storage tipe laten sangat baik digunakan untuk sistem pembangkit dengan kapasitas yang besar. Namun demikian, thermal storage tipe sensibel memiliki keuntungan pada operasi yang lebih sederhana karena hanya melibatkan satu fasa cair sebagai medium penyimpan panas, sedangkan penyimpanan energi panas pada tipe laten memanfaatkan panas perubahan fasa padat ke cair. KESIMPULAN Hasil analisis desain thermal storage kapasitas 10 kw untuk tipe sensibel dan tipe laten memberikan beberapa kesimpulan, diantaranya perhitungan volume thermal storage tipe sensibel dipengaruhi oleh panas spesifik HTF (heat transfer fluid) dan drop temperature yang terjadi selama operasi, sedangkan tipe laten dipengaruhi oleh panas spesifik HTF dan panas jenis latennya karena perubahan fasa yang terjadi pada HTF, yaitu dari padat ke cair. Thermal storage tipe laten memiliki volume yang lebih kecil hingga 1/7 kali dari volume thermal storage tipe sensibel. Thermal storage tipe laten cocok digunakan untuk kapasitas besar, sedangkan thermal storage tipe sensibel cocok digunakan untuk kapasitas kecil. UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih disampaikan kepada Kepala Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik LIPI yang telah memfasilitasi penelitian ini dan kepada berbagai pihak yang telah membantu dalam penulisan makalah ini. 985

6 DAFTAR PUSTAKA 1. O. Ercan Ataer, Storage Of Thermal Energy, in Energy Storage Systems, [Ed. Yalcin Abdullah Gogus], in Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS), Developed under the Auspices of the UNESCO, Eolss Publishers, Oxford,UK, [ Gazi University, Mechanical Engineering Department, Maltepe, Ankara, Dincer, Ibrahim, M.A., Rosen, Thermal Energy Storage System and Applications, first edition, John Wiley & Sons Ltd, United Kingdom, D. Kearney, U. Hermann, P. Nava, R. Mahoney, J. Pacheco, D. Blake, H. Price, B. Kelly, R. Cable, N. Potrovitza, Overview on Use of a Molten Salt HTF in a Trough Solar Field, NREL Trough Thermal Storage Workshop, Golden, February 20-21, Demirbas, M.F., Thermal Energy Storage and Phase Change Materials: An Overview, Researcher of Energy Technology Trabzon, Turkey. Energy Sources, Part B, 1:85 95, Copyright Taylor & Francis Group, LLC ISSN: print/ online. DOI: / , , Therminol 66 High Performance Highly Stable Heat Transfer Fluid, Heat Transfer Fluids by Solutia, Applied Chemistry, Creative Solution, Y. Takahashi, R. Sakarnoto, M. Kamimoto, Heat Capacities and Latent Heats of LiNO 3, NaNO 3, and KNO 3, International Journal of Thermophysics, Vol. 9, No. 6 (1988): Incropera, De Witt, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, third edition, John Wiley and Sons, Inc., Singapore, Dracker, R., Rifflemann, K.J., Integrated Thermal Storage For Concentrating Solar Power, Integrated Energy Policy Report Workshop July , Solar Millennium LLC, Berkeley, CA, Duffie, J.A., Beckman, B.A., Solar Engineering of Thermal Processes, 2 nd edition, Singapore: John Wiley and Sons, Inc., TANYA JAWAB: T (Ashri Uswatun Nisa, ESDM-EBTKE): Apakah dalam perhitungan HTF Laten menggunakan/memperhatikan perubahan temperatur fluida sebelum berubah fasa? Apakah penelitian ini dilakukan dengan metode uji coba atau hanya analisis matematis (analitik)?. J: Tidak. Hanya perhitungan matematis dan baru akan dilakukan pengujian. 986

7 T (Sutisno, LAPAN): Untuk tipe laten, misalnya dari padat ke cair: energi kalor yang tersimpan: [(T2-T1) x Kalor jenis x Massa] + [(Kalor Lebur) x Massa]. Mohon penjelasan, mengapa tidak digunakan kalor lebur?. J: Tipe laten dipengaruhi oleh kalor lebur/kalor jenis latennya karena terjadinya perubahan fasa. Tipe sensibel tidak terlalu besar pengaruhnya sehingga perhitungan hanya dari kalor lebur saja. 987