ASPEK ENDAPAN (SCALING) PADA RENCANA PLTP SIKLUS BINARI DI LAPANGAN PANAS BUMI DIENG, JAWA TENGAH

Transkripsi

1 Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan ISSN ASPEK ENDAPAN (SCALING) PADA RENCANA PLTP SIKLUS BINARI DI LAPANGAN PANAS BUMI DIENG, JAWA TENGAH ASPECTS OF DEPOSITION (SCALING) OF THE BINARY CYCLE GEOTHERMAL POWER PLANTS IN DIENG GEOTHERMAL FIELD, CENTRAL JAVA Didi Sukaryadi Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Ketenagalistrikan, Energi Baru, Terbarukan, dan Konservasi Energi Jln. Ciledug Raya Kav.109, Cipulir, Kebayoran Lama, Ciledug, Jakarta Selatan Abstrak Endapan (scaling) merupakan masalah yang sering ditemukan pada pembangkit listrik siklus binari, dikarenakan temperatur limbah air panas bumi (brine) yang digunakan sebagai sumber energi sudah pada titik kritis saturasinya, sehingga jika terjadi penurunan tekanan akan mudah sekali terbentuk endapan. Oleh karena itu sebelum digunakan untuk membangkitkan listrik perlu diketahui potensi dan kondisi-kondisi yang dapat mempercepat terjadinya endapan sebagai dasar untuk pengoperasian PLTP Siklus binari. Perhitungan potensi terjadinya endapan (silika, anhidrit dan kalsit) dari brine yang direncanakan akan digunakan sebagai sumber energi pada PLTP siklus binari dilakukan pada kondisi tekanan reservoir kemudian di flash ke tekanan 9,86 bar, 7 bar, 4 bar, dan 1,2 bar. Pengambilan sampel brine dilakukan di PAD sumur HCE-28 dan PAD sumur HCE-7. Hasil analisis dan perhitungan mengindikasikan bahwa potensi terjadinya endapan silika (SiO 2 ) sebesar 140 mg/kg air, anhidrit (CaSO 4 ) sebesar <50 mg/kg air dan tidak berpotensi terjadi endapan kalsit (CaCO 3 ). Penambahan asam sulfat menyebabkan meningkatnya potensi endapan anhidrit, sebaiknya sebelum diinjeksikan kembali ke dalam reservoir ph brine dinormalkan dengan menambahkan NaOH. kata kunci: endapan, brine, siklus binari Abstract Scaling is a problem that often found in binary cycles power plant, because the temperature of brine is used as an energy source already at saturation pressure, so if there is a pressure drop will aeasily precipitate. Therefore before using it to generate electricity, the potential and conditions that may accelerate the occurance of sediments as the basis for the operation of the binary cycles power plant is needed to know. Calculation of scaling potential (silica, anhidrite or calcite) from brine which will be used as energy source on binary cycle was done at reservoir pressure condition then were flashed to pressure of 9,86 bar, 7 bar, 4 bar, and 1,2 bar. Brine sampling was done on PAD well HCE-28 PAD well HCE-7.The result of analyzing and calculation indicate that scaling potential are 140 mg/kg water for silica, less than 50 mg/kg water for anhydrite (CaSO 4 ) and calcite (CaCO 3 ) will not deposited. Additional of sulfuric acid causes to increase potential of anhydrite, therefore before reinjection brine into reservoir ph brine should be normalized by additional of NaOH. Key words: scaling, brine, binary cycles PENDAHULUAN Lapangan panas bumi Dieng terletak di Dieng Plateau, yang berjarak kurang lebih 80 km Barat Laut atau dapat ditempuh dalam waktu 4 jam dengan kendaraan roda 4 dari kota Yogyakarta, DIY (lihat Gambar-1). Lapangan panas bumi ini dikelola oleh PT. Geo Dipa Energy yang merupakan Badan Usaha 1

2 Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Milik Negara (BUMN) sejak bulan Agustus Survey sumberdaya panas bumi di Dieng Plateau dimulai pada Tahun 1970 an. Dari tahun 1985 hingga 1991, program pembangunan pembangkit listrik tenaga panas bumi (PLTP) dengan kapasitas (55MW 2) telah dilakukan dengan pendanaan dari ADB. 8) Di Tahun 1994, California Energy International(CEI)di Amerika Serikat United State menandatangani kontrak untuk pembangunan konstruksi PLTP Dieng kapasitas 150 MW hingga Tahun 2001, dan Unit 1 (60MW) diselesaikan pada Tahun Gambaran kondisi PLTP Dieng dapat dilihat pada Gambar-2. Gambar-1. Peta Lokasi PLTP Dieng 8) Gambar-2. Kondisi PLTP Dieng 8) Sumur-sumur lapangan panas bumi Dieng memproduksi fluida 2 fasa dengan temperatur kepala sumur berkisar o C. Fluida panas bumi lapangan Dieng banyak mengandung komponen kimia seperti Ca, K, Sio 2, Mg dll yang pada kondisi tertentu dapat mengendap dan mengganggu kinerja pembangkit 8). Fasa uap dan air fluida panas bumi ini dipisahkan di separator pada tekanan dan temperatur tinggi untuk menghindari terjadi endapan. Fasa uap dialirkan ke turbin untuk menggerakkan turbin kapasitas 60 MW sedangkan fasa air dialirkan ke kolam penampungan dan dilakukan treatment sebelum diinjeksikan kembali ke dalam reservoir. Latar Belakang Fasa air (brine) di Dieng sampai saat ini belum dimanfaatkan, hanya ditampung di kolam agar terjadi endapan silika akibat turunnya temperatur untuk kemudian diinjeksikan kembali melalui sumur injeksi setelah dicampurkan dengan asam sulfat (H 2 SO 4 ). Berdasarkan data teknis, brine ini masih memiliki temperatur sekitar ,9 o C dan tekanan keluar separator berkisar 10,2 10,8 bara dengan asumsi dryness : 30-40% maka fluida yang keluar sekitar 11,25 ton/jam air dan tekanan Indeks Saturasi Silika, P ssi (silica saturation index pressure) berbeda-beda untuk masing-masing sumur, yaitu bara. P ssi adalah tekanan operasi minimal agar endapan silika tidak terbentuk. Ekstraksi panas dari air panas bumi bertemperatur tinggi biasanya terkendala dengan adanya endapan silika ketika temperatur air menurun. Menurunkan atau bahkan 2

3 Ketenagalistrikan Dan Energi Aspek Terbarukan Endapan (Scailing) Pada Rencana PLTP Siklus Binari Di Lapangan Panas Bumi Dieng, Jawa Tengah menghilangkan endapan silika dengan penanganan air yang tepat dapat meningkatkan efisiensi penggunaan sumber daya panas bumi temperatur tinggi. Temperatur fluida reservoar di kepala sumur biasanya antara 160 and 250 C tergantung pada tekanan kepala sumur. Pendinginan selanjutnya bisa terjadi karena konduksi di permukaan, terutama jika air dilewatkan melalui heat exchangers. Mineral silika mempunyai prograde solubility dan selama pendinginan, biasanya antara 100 dan 200 C, kondisi jenuh dicapai berkenaan dengan silika amorphous. Laju pengendapannya cepat dan berpotensi mengendap di fase ini jika air didinginkan di bawah titik jenuhnya. Untuk menghindari terjadinya endapan silika amorphous, biasanya air panas bumi dibuang pada temperatur di atas temperatur jenuh silika amorphous, misal di injeksi ke dalam sumur injeksi. Cara pembuangan air seperti ini merupakan pemanfaatan energi yang tidak efisien. Contoh pengalaman di Nesjavellir, Iceland, menunjukkan bahwa ekstraksi panas secara efisien dari air separasi sangat mungkin dilakukan tanpa menimbulkan endapan silika 4). Dengan menggunakan heat exchangers yang terdiri dari pipa-pipa berdiameter kecil dan dinding yang tipis, air separasi dapat didinginkan secara cepat, waktu tinggalnya sebentar, pengalaman menunjukkan sehingga tidak cukup waktu untuk terjadinya endapan silika. Cara ekstraksi air buangan ini tidak memecahkan masalah pembuangan dengan injeksi. Dua macam proses yang melibatkan aqueous silica cenderung terjadi di silika amorphous larutan lewat jenuh (over-saturated solution). Pertama, terdapat kecenderungan untuk air mengendapkan silika amorphous langsung di permukaan. Kedua, silika cenderung mengalami polimerisasi dan membentuk koloid yang dapat bertahan dalam larutan untuk waktu yang lama. Silika polymeric mempunyai kecenderungan kecil untuk mengendap dari larutan dibandingkan silika monomerik. Tujuan Tujuan kajian ini adalah untuk mengetahui seberapa besar potensi endapan (silika, kalsit dan anhidrit) yang terjadi jika brine dari sumursumur panas bumi Dieng dimanfaatkan untuk PLTP siklus binari. METODOLOGI Contoh brine (fluida air panas bumi) di ambil di silencer dan outlet separator pada Pad sumur HCE-28 dan HCE-7. Perhitungan potensi endapan silika, kalsit dan anhidrit dilakukan dengan metoda heat and mass balance yang di flash pada tekanan 9,86 bar, 7 bar, 4 bar, 1,2 bar dan 1 bar. Teori Dasar Kinetika Polimerisasi Silika Kinetika polimerisasi silika tergantung pada beberapa faktor seperti ph larutan, kekuatan ionik, dan temperatur (Chan, 1989; Weres et al., 1981; Rothbaum and Rohde, 1979; Iler, 1979) 2,14,16,8) dan merupakan faktor-faktor yang mengontrol laju pengendapan silika amorphous. 3

4 Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Menaikkan laju polimerisasi silika berdampak terhadap naiknya resiko terjadinya pengendapan. Konsentrasi silika di dalam sistem aquifer air panas bumi bertemperatur C adalah sekitar mg/kg SiO 2 dan dikontrol oleh solubilitas kuarsa/quartz solubility (Fournier and Rowe, 1966; Mahon, 1966). Dalam air panas bumi, faktor-faktor yang menentukan laju pengendapan silika dan polimerisasi dapat dikontrol dengan menambahkan larutan asam atau diencerkan dengan menambahkan air untuk mengatur nilai ph atau dengan menambahkan garam untuk mengurangi kekuatan ionik dan selanjutnya meningkatkan laju polimerisasi. Perlakuan seperti ini memerlukan biaya cukup tinggi. Jumlah air buangan dari PLTP Dieng adalah sekitar 8,7 ton/jam per MW listrik yang dihasilkan, dan oleh karena itu tidak ekonomis. Temperatur dan kondisi terlalu jenuh merupakan faktor yang sangat berpengaruh pada air panas bumi. Pengaruh Suhu Pada Proses Polimerisasi Silika Laju polimerisasi silika dalam larutan yang mengandung sekitar 700 mg/kg silika unionized monomeric (sebagai SiO 2 ) lebih cepat pada temperatur 60 C dari pada 83 C (gambar-3). Laju reaksi kimia umumnya meningkat dengan naiknya temperatur. Kondisi lewat jenuh (oversaturation) pada silika amorf lebih tinggi pada larutan bertemperatur 60 C, atau 440 mg/kg dibandingkan 403 mg/kg dalam larutan 83 C. Gambar-3. Pengaruh Temperatur pada Kinetika Polimerisasi Silika. Garis Titik-Titik menunjukkan Kelarutan Silika Amorf Pada 60 o C dan 83 o C [5] HASIL DAN PEMBAHASAN Komposisi Kimia Brine PLTP Dieng Berdasarkan pengamatan, pengukuran dan sampling brine baik di separator dan weirbox di Pad HCE-28 dan Pad HCE-7 PLTP Dieng diketahui bahwa masih terdapat energi panas yang dapat digunakan untuk menghasilkan listrik. Pada Pad HCE-28 dengan tekanan separator 9,86 bar, laju alir brine bertemperatur o C adalah 86 ton/jam dengan ph 6,2 (belum ditambahkan asam sulfat). Sedangkan dari Pad HCE-7 separator 7B pada tekanan 8,91 bar dialirkan brine sebesar 9,9 ton/jam dengan temperatur o C dan ph 3,3 (sudah ditambahkan asam sulfat) dan brine dengan ph 5,5 dari separator 7C bertekanan 8,91 bar dialirkan sebesar 34,7 ton/jam dengan temperatur o C. Rencana lokasi peletakan dan pengujian peralatan PLTP binari kapasitas 50 kw ini adalah di Pad sumur HCE-7 dengan memanfaatkan brine keluaran dari separator. Gambar 4 rencana titik inlet brine ke PLTP binari. 4

5 Ketenagalistrikan Dan Energi Aspek Terbarukan Endapan (Scailing) Pada Rencana PLTP Siklus Binari Di Lapangan Panas Bumi Dieng, Jawa Tengah Tabel-1. Hasil Analisis Brine di AFT-28 dan Keluaran Separator Sumur HCE- 7, Dieng. Gambar-4 Rencana Inlet Brine Untuk PLTP Siklus Binari Untuk menghindari terjadinya scaling/ endapan di sepanjang pipa injeksi atau turbin sebelum diinjeksikan kembali ke dalam reservoir, pihak pengembang menambahkan asam sulfat ke dalam brine dan menampungnya terlebih dahulu ke dalam pond (kolam). Lihat Gambar 5. Gambar 5 Kolam penampungan brine Hasil analisis kimia brine dari sumur HCE-28, dan sumur HCE-7 PLTP Dieng dapat dilihat pada Tabel -1. Semua unsur/senyawa kecuali ph dalam satuan mg/l. Potensi terjadinya endapan dihitung pada kondisi setelah separator yang diflash pada 7, 4 dan 1,2 bar, yaitu di sumur HCE- 28, HCE-7B dan HCE-7C. Sampel 7B dan 7C diambil di separator, tetapi sampel dari sumur HCE-28 diambil di weirbox. Untuk itu kondisi kimia fluida di reservoir dan setelah separator di sumur HCE-28 yang dihitung menggunakan heat dan mass balance. Temperatur reservoir sumur HCE-28 yang dihitung menggunakan geotermometer silika menunjukkan nilai 270 o C. Kondisi reservoir ini yang digunakan untuk menghitung kimia fluida reservoir, seperti terlihat pada Tabel-2.; Derajat keasaman (ph) dihitung berdasarkan kesetimbangan kalsit (CaCO 3 ) dan karbonat (H 2 CO 3 ), serta dikoreksi dengan pengukuran langsung di lapangan dan hasil analisis di laboratorium (25 0 C). 5

6 Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Tabel-2. Perhitungan hasil analisa kimia air dari kondisi weirbox ke reservoir (270 o C, 55,7 bar) dan separator (9,86 bar) di sumur HCE-28 (tanpa penambahan H 2 SO 4 ) maksimum 135 mg/kg air atau 12 kg/jam lihat tabel-6 dengan laju massa sebesar 28 ton/jam. Tabel-3. Hasil perhitungan kandungan SiO 2 dan ph di sumur HCE-28 (tanpa penambahan H 2 SO 4 ) Tabel-4. Hasil perhitungan kandungan SiO 2 dan ph di sumur HCE-7B Potensi Terjadinya Endapan Silika (SiO 2 ) Plotting kandungan SiO 2 sebagai fungsi kelarutan terhadap ph dan temperatur dapat dilihat Gambar-6 hingga Gambar-10. Kandungan SiO 2 dan ph pada kondisi separator dan kondisi di flash pada 7,4 dan 1,2 bar di sumur HCE- 28, HCE-7B dan HCE-7C dapat dilihat pada Tabel-3 s/d 5. Semua unsur/senyawa kecuali ph dalam satuan mg/l. Pemanfaatan fluida untuk sistem binari adalah fluida yang keluar dari separator di sumur HCE-28, HCE-7B dan HCE-7C yang ditreatment dengan asam sulfat dan dengan mempertahankan temperatur yang tetap, maka pemanfaatan fluida sumur HCE-28 mengakibatkan endapan silika sebesar Tabel-5. Hasil perhitungan kandungan SiO 2 dan ph di sumur HCE-7C Pada sumur HCE-7B, pemanfaatan fluida dari 8,91 bar hingga 1,2 bar akan berpotensi terbentuk endapan silika sebesar 134,06 mg/kg air atau 1,3 kg/jam lihat Tabel-6, 6

7 Ketenagalistrikan Dan Energi Aspek Terbarukan Endapan (Scailing) Pada Rencana PLTP Siklus Binari Di Lapangan Panas Bumi Dieng, Jawa Tengah saat laju massa 9,9 ton/jam, dan merubah derajat keasaman fluida hingga ph 4,5 (lihat Tabel-4). Sumur HCE-7C mempunyai laju alir massa sebesar 34,7 ton/jam. Pemanfaatan fluida dari sumur ini dari tekanan 8,91 bar menuju 1,2 bar mengakibatkan endapan silika sebanyak 138,92 mg/kg air atau 4,9 kg/ton air jika fluida ditambahkan asam sulfat (lihat Tabel-6), dengan ph fluida berkisar antara 4,28 dan 4,38 (lihat Tabel-5). Sedangkan perbedaan SiO 2 terhadap solubilitasnya lihat pada Tabel-6. Gambar-8. Plot kandungan SiO 2 pada sumur HCE-7B dengan penambahan H 2 SO 4 Gambar-9. Plot kandungan SiO 2 pada sumur HCE-7C tanpa penambahan H 2 SO 4. Gambar-6. Plot kandungan SiO 2 sumur HCE-28 tanpa penambahan H 2 SO 4 Gambar-10. Plot kandungan SiO 2 pada sumur HCE-7C dengan penambahan H 2 SO 4 Gambar-7. Plot kandungan SiO 2 sumur 7B tanpa penambahan H 2 SO 4. 7

8 Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Tabel-6. Kandungan SiO 2 di separator sumur HCE-28, HCE-7B dan HCE-7C, setelah treatment di 7, 4 dan 1,2 bar, serta kelebihan SiO 2 dibanding solubilitas SiO 2. (terutama sumur HCE-7B dan HCE-7C). Endapan Kalsium Karbonat (CaCO 3 ) Perhitungan jumlah kalsium karbonat (CaCO 3 ) pada brine dilakukan untuk mengetahui potensi terhadap terjadinya endapan karbonat (CaCO 3 ). Hasil perhitungan ini akan dibandingkan dengan kelarutan/solubilitas CaCO 3. Tabel-7 merupakan hasil perhitungan dan kesebandingan CaCO 3, menunjukkan bahwa kandungan CaCO 3 di brine dari sumur HCE-28, HCE-7B dan HCE-7C setelah separator jauh di bawah temperatur saturasi CaCO 3. Hal ini mengindikasikan, bahwa endapan kalsit (CaCO 3 ) tidak akan terbentuk selama pemanfaatan fluida panas bumi dari separator ke tekanan 1, 2 bar. Tabel-7. Hasil Perhitungan Potensi Karbonat CaCO 3. Endapan Endapan silika yang terjadi di pipa injeksi pada PLTP Dieng ditunjukkan pada Gambar-11 berikut; Gambar 11. Endapan Silika (Silica Scaling) di Pipa Injeksi Endapan Anhidrit (CaSO 4 ) Perhitungan potensi terjadinya endapan anhidrit (CaSO 4 ) dilihat dari hasil perbandingan Diterima 8 : 1 November 2012, disetujui terbit : 17 Mei 2013

9 Aspek Endapan (Scailing) Pada Rencana PLTP Siklus Binari Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Di Lapangan Panas Bumi Dieng, Jawa Tengah kandungan CaSO 4 pada fluida panas bumi di separator sumur HCE-28, HCE-7B dan HCE-7C dengan kelarutan CaSO 4 pada temperatur dan tekanan tertentu. Tabel-8 menunjukkan hasil perhitungan tersebut bahwa endapan anhidrit (CaSO 4 ) kemungkinan terbentuk di sumur HCE-7B dan HCE-7C. Penambahan asam sulfat akan mengakibatkan potensi terbentuknya endapan anhidrit semakin tinggi. Dengan mengembalikan ke ph netral dapat mengurangi terjadinya endapan anhidrit (CaSO 4 ), yaitu dengan menambahkan NaOH. Tabel-8. Hasil Perhitungan Potensi Endapan Anhidrit (CaSO 4 ) KESIMPULAN DAN SARAN Dengan penurunan tekanan hingga 1, 2 bar, brine dari separator sumur HCE- 28, HCE-7B dan HCE-7C berpotensi untuk: 1. Membentuk endapan silika (SiO 2 ) sebesar 140 mg/kg air dan endapan anhidrit (CaSO 4 ) sebesar <50 mg/kg air. 2. Tidak mengakibatkan endapan kalsit (CaCO 3 ). 3. Penambahan asam sulfat akan mengakibatkan potensi terbentuknya endapan anhidrit (CaSO 4 ) semakin tinggi. Dengan mengembalikan ke ph netral dapat mengurangi terjadinya endapan CaSO 4, yaitu dengan menambahkan NaOH. DAFTAR PUSTAKA [1]. Brown, K.L. and McDowell, G.D. (1983). ph control of silica scaling. Proc. Of 5 th New Zealand Geothermal Workshop, pp [2]. Chan, S. H. (1989). A review on solubility and polymerization of silica. Geothermics, Vol. 18. pp [3]. Fleming, B.A. (1986). Kinetics of reaction between silicic acid and amorphous silica surfaces in NaCl solutions. J.Colloid and Interface Science, 110, pp [4]. Geribaldi, F. (1980). The effect of some hydrodynamic parameters on silica deposition., Diploma Project 80.11, Geothermal Institute, University of Auckland. [5]. Ingvi Gunnarson, Stefan Arnorsson. Silica scaling: The main obstacle in efficient use of high-temperature geothermal fluids., Science Institute, University of Iceland, Dunhaga 3, 107 Reykjavik, Iceland. [6]. Kevin Brown. Thermodynamics and Kinetics of Silica Scaling (2011). GEOKEM, P.O. Box , St Martins, Christchurch, New 9

10 Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Zealand. Proceeding International Workshop on Mineral Scaling, Manila, Philippines., [7]. Kevin Brown, Michael Dunstall.Silica Scaling Under Controlled Hydrodymaic Conditions. Proceeding World Geothermal Congress 2000, Kyushu Tohoku, Japan, May 28 June 10, 2000, Geothermal Institute, The University of Auckland, NZ, Private Bag 92019, Auckland, New Zealand. [8]. ller, R.K. (1979).The Chemistry of Silica. John Wiley and Sons, New York, NY.. [9]. Tohoku Electric Power Co., Inc., (2006) Preventions and Solutions for the Scale Problem at the Geothermal Power Plant and CDM Study in Indonesia., Engineering and Consulting Firms Association, Japan, Study Report, pp S-1. [10]. US Geological Survey. Study and Interpretation of the Chemical Characteristics of Natural Water. Supply Paper 1473, US Government Printing Office, Washington, DC, [11]. Jenkins, D., Snoeyink, V.L (1988). Water Chemistry, John Wiley and Sons, New York, NY. [12]. Lerman, S.I., Scheerer, C.C (1988).The Chemical Behavior of Silica. ULTRAPURE WATER. [13]. Meyers, Peter (1999). Behavior of Silica in Ion Exchange and Other Systems. International Water Conference, Pittsburgh, PA. [14]. Rothbaum, H. P. and Rohde, A. G. (1979). Kinetics of silica polymerization and deposition from dilute solutions between 5 and 180 C. J. Colloid Interface Sci., Vol. 71, pp [15]. White, F.M. (1979). Fluid Mechanics, McGraw Hill Book Co, New York. [16]. Weres, O.,Yee, A., and Tsao, L. (1981). Kinetics of silica polymerization. J. Colloid Interface Sci., Vol. 84, pp Diterima 10 : 1 November 2012, disetujui terbit : 17 Mei 2013