STUDI PERANCANGAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA GAS DENGAN SISTEM PENDINGIN UDARA MASUK GAS TURBIN DENGAN ABSORPTION CHILLER UNTUK UNIVERSITAS INDONESIA

Transkripsi

1 STUDI PERANCANGAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA GAS DENGAN SISTEM PENDINGIN UDARA MASUK GAS TURBIN DENGAN ABSORPTION CHILLER UNTUK UNIVERSITAS INDONESIA Yusuf Satria Prihardana, Agung Subagio, Yulianto Sulistyo Nugroho Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia Kampus UI Depok, Jawa Barat, Abstrak Energi listrik merupakan kebutuhan yang sangat vital bagi kehidupan manusia. Tanpa adanya listrik berbagai aktivitas tidak dapat dilakukan. Kebutuhan akan energi listrik akan terus meningkat dari waktu ke waktu. Peningkatan akan kebutuhan energi listrik ini seiring dengan pembangunan yang terjadi. Tak terkecuali di Universitas Indonesia. Pembangunan besar-besaran yang terjadi sejak tahun 2010 hingga tahun 2025 membuat kebutuhan akan listrik di Universitas Indonesia meningkat drastis. Namun, jumlah daya yang ada di seluruh gardu listrik di Universitas Indonesia masih jauh dari cukup untuk memenuhi kebutuhan tersebut. Untuk itu, dalam skripsi ini, penulis mencoba memanfaatkan potensi yang ada di Universitas Indonesia untuk memenuhi kebutuhan listrik dalam kampus secara mandiri dan melakukan studi perancangan pembangkit listrik tenaga gas sebagai alternatif untuk memenuhi kebutuhan listrik untuk Universitas Indonesia. Alternatif untuk memenuhi kebutuhan listrik tambahan di Universitas Indonesia adalah dengan membangun PLTG yang menggunakan sistem pendinginan udara masuk kompresor Absorption chiller untuk meningkatkan efisiensi dari Pembangkit. Di dalam tulisan ini juga dipaparkan analisis finansial apabila menggunakan PLTG mandiri. Kata kunci : Absorption chiller, HRSG, Heat Balance, Heat rate, NPV, IRR 1. Pendahuluan 1.1. Latar Belakang Listrik merupakan kebutuhan yang sangat penting bagi kehidupan, mulai dari kebutuhan rumah tangga, komunikasi, industri, hingga pendidikan. Kebutuhan listrik di Indonesia kian hari akan terus meningkat dari waktu ke waktu. Hal ini dipengaruhi oleh perkembangan dan kemajuan teknologi dan pembangunan yang sedang terjadi di Indonesia. Kedua faktor ini akan selalu berbanding lurus dengan peningkatan kebutuhan listrik. Peningkatan kebutuhan listrik ini juga terjadi di Universitas Indonesia. Mengingat pentingnya tenaga listrik bagi kehidupan, khususnya di Universitas Indonesia, maka diperlukan upaya peningkatan kapasitas energi listrik. Peningkatan kapasitas ini bisa dilakukan dengan menambah daya dari listrik PLN vii atau membangun sistem tenaga listrik secara mandiri, karena pada dasarnya Universitas Indonesia telah memiliki beberapa sumber energi dalam pembangkit listrik. Berdasarkan Rencana Induk Sistem Kelistrikan Universitas Indonesia , saat ini Universitas Indonesia menggunakan sumber listrik dari Perusahaan Listrik Negara dengan daya terpasang sebesar kva dan daya terpakai sebesar kva. Tentunya dengan terus dibangunnya bangunan-bangunan baru, sambungan ini akan mengalami kelebihan beban. Dengan kebutuhan listrik yang terus bertambah ini, diperlukan pertambahan daya untuk menjamin kelangsungan seluruh kegiatan di kampus Universitas Indonesia. Peningkatan daya listrik ini dapat dilakukan dengan dua cara. Pertama dengan mengandalkan pasokan listrik dari PLN, dan yang kedua dengan membuat sendiri pembangkit listrik sebagai alternatif untuk memenuhi sebagian maupun keseluruhan kebutuhan energi listrik kampus Universitas Indonesia.

2 1.2. Tujuan Penelitian Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan, perancangan ini bertujuan untuk : 1. Menganalisis potensi dan studi kelayakan lingkungan, potensi gas, dan lokasi rencana pembangunan pembangkit listrik tenaga gas untuk Universitas Indonesia. 2. Merancang pembangkit listrik tenaga gas sebesar MW disesuaikan dengan kebutuhan energi listrik bangunan baru Universitas Indonesia hingga tahun Merancang pembangkit listrik tenaga gas dengan sistem pendingin udara masuk, absorption chiller untuk menurunkan temperatur udara masuk ke turbin gas agar daya output yang dihasilkan sesuai dengan original manufaktur turbin gasnya. Dalam melakukan perancangan PLTG di Universitas Indonesia, langkah pertama yang harus dilakukan adalah melihat potensi yang ada di lingkungan Kampus UI Depok. Berdasarkan hasil observasi lapangan, didapatkan bahwa di sepanjang UI, tepatnya di sepanjang rel KA terdapat pipa gas alam. Sehingga gas ini berpotensi digunakan sebagai bahan bakar untuk PLTG Kampus UI Depok. Ditambah lagi adanya lahan kosong di belakang Pusat Studi Jepang yang cukup luas untuk dibuat PLTG. Berikut adalah lokasi yang berpotensi untuk dibangun PLTG beserta Denah UI secara keseluruhan Batasan Masalah Pada penulisan skripsi ini, penulis memberikan batasan masalah sebagai berikut : 1. Bahan bakar yang digunakan adalah gas alam. 2. Pembangkit Listrik yang dirancang adalah pembangkit listrik skala kecil dengan daya antara MW. 3. Penerapan desain sistem pendingin udara masuk ke turbin gas dengan Absorption chiller. 4. Penggunaan turbin gas dengan sistem siklus terbuka (Open Cycle) dengan pemanfaatan gas buang maupun pendinginan udara masuk, sehingga memiliki efisiensi termal yang tinggi dan menghasilkan daya output yang tinggi. 5. Melakukan perhitungan heat balance secara general. 2. Metode Penelitian dan Perancangan Identifikasi Masalah Studi Literatur Menentukan Tujuan Penelitian Perancangan Gambar.1. Alur Penelitian 2.1. Observasi Lapangan Observasi Lapangan Analisis dan Kesimpulan Gambar 2. Potensi Lahan untuk dibangun PLTG Pembangunan PLTG untuk Kampus UI Depok ini penting mengingat besarnya kebutuhan listrik Kampus UI Depok hingga 10 tahun ke depan. Berikut adalah data kelistrikan di UI Depok sampai tahun 2010: Gardu UI 1 (Rektorat) Gardu UI 2 (FKM) Gardu UI 3 (Balairung) Gardu UI 4 (FMIPA) Gardu UI 5 Tabel 1. Data Kelistrikan UI sampai tahun 2010 (Teknik Belakang) Gardu UI 6 Gardu (Teknik Depan Gd. GK) Gardu UI 7 (Farmasi) Gardu UI 8 (PSJ) Daya Maksimal (kva) Trafo Trafo Trafo Trafo Trafo 1 43 Trafo 1 54 Trafo Trafo Trafo Trafo Trafo 1 70 Trafo Trafo Trafo Gardu UI 9 Trafo 1 377

3 (Psikologi) Trafo Gardu UI 10 (Psikologi) Gardu UI 11 (Perpus Lama) Trafo Trafo Trafo Trafo Gardu UI 12 (Pusgiwa UI) 65 Ekonomi Baru 342 Perpustakaan Baru 2000 Total Daya Maksimal 9201 Berdasarkan master plan pengembangan kampus UI pembangunan akan berlanjut hingga tahun 2025, sehingga kebutuhan akan daya listrik masih akan terus meningkat seiring dengan pembangunan di kampus UI hingga tahun Perkiraan kebutuhan daya total yang akan dibangun hingga tahun 2025 adalah sebagai berikut : Tabel 2. Kebutuhan Listrik Universitas Indonesia sampai Tahun 2025 No Nama Bangunan Luas Bangunan (m 2 ) Kebutuhan Listrik (KVA) 1 Extension MIPA 7, FASILKOM 20, Health Science Center 8, Kedokteran* 28, FKG* 20, Fasilitas Bersama FK FKG 7 Liberal Art College* 8 Univ Graduate & Research Center 8, , ,000 1,333 9 FIK 10, Lecture Teathre 10, Undergraduate Library 10, Extension FT 37,000 1, UI College* 120,000 4, Academic Community 15 UI International Program 22,130 1, ,000 5, Public Hospital 32,000 10, Rumah Sakit ( Kamar dan Services )* 36,000 12, Laboratorium 10, Medical Services 5,000 1, Asrama Perawat (320 unit) 5, Hotel (200 unit) 5, Convention Center 23 UI Student Housing (1950 unit)* 24 Town Houses (800 unit) 1, ,200 1,040 28, Total 653,650 44, Perancangan PLTG Desain PLTG Pada perancangan PLTG yang dilakukan digunakan sistem pendinginan udara masuk kompresor dengan absorption chiller. Proses perancangan dilakukan, dengan menggunakan software Cycle tempo. Berikut adalah hasil perancangan yang telah dilakukan:

4 Gambar 3. Desain PLTG dengan Absorption Chiller Perhitungan Daya PLTG Simple Cycle b. Evaporator Tabel 4. Properties pada Evaporator Temperatur ( 0 C) Tekanan (P) Enthalpy (h) Titik 3 5 0, ,8 (Saturated) Titik 4 (Uap Jenuh) 5 0, ,1 *nilai enthalpy didapatkan dari Tabel Saturated Water, h 3 = h 2 = 173,8 kw Gambar 4. Hasil Perhitungan PLTG Simple Cycle Tabel 3. Daya dan Efisiensi Hasil Perhitungan PLTG Simple Cycle Apparatus Efisiensi (%) Daya (kw) Kompresor ,16 Turbin ,15 Generator , Perhitungan Heat Balance pada Absorption chiller c. Condenser T 1 = 90 0 C T 2 = 41 0 C P 1 = 8 kpa P 2 = P 1 = 8 kpa h 1 = 2668,7 kj/kg h 2 = 173,8 kj/kg nilai enthalpy didapat dari Tabel Saturated Water m r = 0,44 kg/s Air Pendingin T cw3 = 37 0 C M cw = 15 kg/s Asumsi Gambar 5. Skema Absorption chiller a. Cooling Coil T a1 = 30 0 C T a2 = 15 0 C c pa = 1,007 kj/kg.k m a = 67,3 kj/kg d. Absorber T cw1 = 32 0 C T cw2 = 19,77 0 C T 4 = 5 0 C P 4 = 0,8725 kpa h 4 = 2510,1 kj/kg T 6 = 90 0 C X ss = 0,65 Asumsi m ss = 2 kg/s Asumsi Keseimbangan aliran massa total Keseimbangan konsentrasi LiBr Kalor pada Absorber

5 Tabel 6. Daya dan Efisiensi Hasil Perhitungan PLTG dengan Absorption Chiller e. Generator Apparatus Efisiensi (%) Daya (kw) Kompresor ,02 Turbin ,25 Generator ,41 Daya pemakaian sendiri pada sistem Absorption Chiller = kw Cooling Water = 19.9 kw Maka Daya netto yang dihasilkan f. COP Analisis Hasil Perancangan Tabel 5. Hasil Perhitungan Heat Balance pada Absorption Chiller Heat Exchanger Nilai Kalor (Q) (kw) Cooling Coil Evaporator Condenser Absorber ,59 PLTG Simple Cycle 24243,16 PLTG dengan Absorption Chiller Generator COP 1.21 Gambar 7. Grafik Perbandingan daya PLTG Simple Cycle dan PLTG dengan Absorption chiller Perhitungan Daya PLTG ,92 42, PLTG Simple Cycle PLTG dengan Absorption Chiller Gambar 8. Grafik Perbandingan Efisiensi PLTG Simple Cycle dan PLTG dengan Absorption chiller Gambar 6. Hasil Perhitungan PLTG dengan Absorption chiller

6 Analisis Kebutuhan Lahan Dimensi dari turbin gas sebesar: - Panjang : 10.3 m - Lebar : 3.7 m - Tinggi : 3.6 m Luas lahan yang dibutuhkan: m Dimensi dari HRSG: - Panjang : 1.5 kali panjang turbin gas = m - Lebar : 4 m - Tinggi : 7 m Luas lahan yang dibutuhkan: 61.8 m Dimensi dari Absorption chiller: - Panjang : 7 m - Lebar : 3 m - Tinggi : 3.5 m Luas lahan yang dibutuhkan: 21 m 2 Kebutuhan lahan untuk suatu pembangkit tidak hanya pada mesin utama yang menghasilkan daya. Namun, juga harus memperhitungkan kebutuhan lahan untuk lainnya, seperti Control Room, Kantor, Akses jalan menuju Unit, dan Lahan Parkir. Apabila dijabarkan, maka kebutuhan lahan tambahan pada lokasi PLTG antara lain : - Kantor dan Control Room (dua lantai) - Panjang = 13 m - Lebar = 5 m - Tinggi = 10 m - Lahan Parkir - Panjang = 15 m - Lebar = 7 m - Lebar Jalan Akses Kendaraan = 4 m Apabila digambarkan dalam bentuk skema, maka lahan yang dibutuhkan untuk dibangun PLTG dan kebutuhan lainnya adalah sebagai berikut : Analisis Heat rate Jenis Pembangkit Tabel 7. Nilai Heat rate Pembangkit Analisis Kebutuhan Bahan Bakar Perhitungan dan Analisis Finansial Setelah didapatkan hasil perancangan, kebutuhan bahan bakar, kebutuhan lahan, dan nilai heat rate dari pembangkit, bisa dilakukan analisis finansial dari pembangkit listrik yang dirancang. Untuk melakukan analisis finansial diperlukan data data mengenai overnight capital cost, operation & maintenance, dan harga gas alam. Tabel 8. Biaya Pembangunan dan Operasional Pembangkit Listrik Unit Pembangkit EPC Cost ($/kw) PLTG 676 Absorption chiller 800 Heat rate kj/kwh kcal/kwh BTU/kWh PLTG Simple Cycle ,35 PLTG dengan Absorption chiller Fixed O&M ($/kw) Variable O&M ($/MWh) (US Energy Information Administration, 2013) Dengan mengasumsikan bahwa pembangkit listrik beroperasi capacity factor 80% dan harga gas alam sebesar US$ 6/MMBTU, maka biaya pembangunan dan operasional pembangkit listrik adalah sebagai berikut : Tabel 9. Hasil Perhitungan Biaya Pembangkit Listrik Parameter Nilai Gambar 9. Skema Penggunaan Lahan untuk PLTG

7 Daya Pembangkit (kw) 24, Kapasitas Pendinginan (kw) 1, Heat rate (BTU/kWh) 8, EPC Cost (Rp) 189,903,924,760 Fixed O&M (Rp/tahun) 188,453,450 Variable O&M (Rp/tahun) 6,753,485,110 (Rp/kWh) Recovery Cost O&M Fixed Cost Fuel Cost O&M Variable Cost Total Tariff Biaya Bahan Bakar (Rp/tahun) 90,644,677,426 Total Biaya Operasional (Rp/tahun) 99,282,696,686 Tabel 10. Parameter-parameter Analisis Finansial Parameter Project Lifetime (Tahun) 20 Nilai Tarif Penjualan Listrik (Rp) 1170 Perbandingan Tabel 13. Perbandingan Biaya Listrik UI Harga (Rp/kWh) Biaya per Tahun (Rp) Listrik PLN ,216,915, Listrik PLTG ,418,484, Penghematan Dalam Rupiah (Rp) Dalam Persen (%) 38,798,430, Porsi Pinjaman (%) 65 Porsi Ekuitas (%) 35 Interest Rate (%) 13.5 Rate of Return (%) 18 Grace Period (Tahun) 2 Repayment Period (Tahun) 6 Dengan data data yang tercantum pada table di atas, dapat dilakukan analisis finansial dengan menggunakan software Microsoft Excel. Analisis tersebut mengasumsikan lifetime pembangkit selama 20 tahun, repayment period selama 6 tahun, dan tarif penjualan listrik sebesar Rp1100. Parameter Tabel 11. Hasil Analisi Finansial Weighted Average Cost of Capital (%) Nilai Net present value (Rp) 15,114,334,573 Internal Rate of Return (%) Payback Period (Tahun) ,5E+11 3E+11 2,5E+11 2E+11 1,5E+11 1E+11 5E+10 Perbandingan Biaya Listrik PLN dan PLTG ,20 Listrik PLN ,00 Listrik PLTG Gambar 10. Grafik Perbandingan Biaya Listrik PLN dan PLTG Berdasarkan tabel dan grafik di atas, maka apabila kita menggunakan listrik mandiri dengan PLTG dengan Absorption chiller, maka bisa dilakukan penghematan sebesar Rp 38,798,430, per tahun. Hal ini sudah jelas mengapa menggunakan listrik secara mandiri dengan PLTG dengan Absorption Chiller lebih baik daripada menggunakan listrik PLN. Tabel 12. Komponen Tarif Listrik Komponen Biaya Unit Energi

8 3. Kesimpulan dan Saran 3.1. Kesimpulan Berdasarkan studi yang telah dilakukan tentang kebutuhan listrik di Indonesia dan hasil perancangan yang telah dilakukan, maka dapat disim7.pulkan 1. Kebutuhan listrik di Universitas Indonesia akan selalu meningkat hingga tahun 2025 seiring dengan pembangunan yang sedang berlangsung, sehingga dibutuhkan tambahan daya listrik sebesar 45 MVA, dengan pasokan daya sebesar kva harus dipenuhi hingga tahun 2015, sehingga sudah direncanakan tambahan gardu untuk memenuhi kebutuhan listrik hingga tahun Dengan kata lain masih dibutuhkan daya tambahan sebesar kva hingga tahun Sebagai alternatif untuk memenuhi daya tambahan hingga tahun 2025 dapat dibangun pembangkit listrik tenaga gas. 3. Desain PLTG yang dirancang menggunakan sistem Absorption chiller sebagai sistem pendinginan udara masuk kompresor dengan memanfaatkan gas buang dari turbin gas, sehingga efisiensi dari sistem PLTG bisa meningkat. 4. Terjadi penghematan pengeluaran untuk biaya listrik sebesar 38,798,430, apabila menggunakan listrik dari PLTG. 5. Adanya peningkatan efisiensi pada PLTG sebesar x dan peningkatan daya sebesar 3, kw setelah menggunakan sistem pendingin udara masuk kompresor, absorption chiller. 6. Penggunaan sistem pendingin udara masuk kompresor dengan absorption chiller sangat ideal karena dapat menurunkan udara masuk kompresor tanpa harus menambah banyak daya pemakaian sendiri pada equipment tambahan PLTG. 7. Pembangunan pembangkit listrik mandiri di Universitas Indonesia layak dibangun dari segi finansial dan dapat menghemat pengeluaran untuk biaya listrik UI. 1. Diperlukan perancangan dan perhitungan setiap komponen pada PLTG dan Absorption chiller untuk hasil perancangan yang lebih. 2. Diperlukan analisa finansial yang lebih matang sebelum pembangunan dilakukan. 3. Diperlukan simulasi aliran fluida, baik udara, gas, gas buang, refirgerant, dan absorber yang melewati setiap komponen pada sistem PLTG yang dirancang untuk didapatkan data temperatur dan tekanan terhadap waktu. Daftar Pustaka Garniwa, Iwa, et. all. (2010). Recana Induk Sistem Kelistrikan Universitas Indonesia Universitas Indonesia Kulshrestha, S.K., et. all. (1999). Termodinamika Terpakai, Teknik Uap dan Panas. Jakarta: UI Press Dietzel F,. et all. (1980). Turbin Pompa dan Kompresor. Jakarta: Erlangga Ibrahim, T. K. et. all. (2010). Improvement of Gas Turbine Performance Based on Inlet Air Cooling System. University Malaysia Pahang Moran, Michael J., et.all. (2003). Termodinamika Teknik Jilid 2.Jakarta: Erlangga Stoecker, Wilbert F., et. all. (1989). Refrigerasi dan Pengkondisian Udara. Jakarta: Erlangga Arora, C.P. (2000). Refrigeration and Air Conditioning. New Delhi: McGraw Hill Wang, Shan K. (2000). Handbook of Air Conditioning and Refrigeration. New York: McGraw Hill Sutriyanti, H., Sarwono, Prawoto. (2002). Pengembangan Small Single Effect Absorption chiller dengan Daya Pendinginan 10 kw. Serpong: Puspitek Kavanaugh, Stephen P. (2005). HVAC Simplified. Atlanta: American Societry of Mechanical Engineering Giatman, M. (2011). Ekonomi Teknik. Jakarta : Rajawali Pers Saran Dalam perancangan tahap selanjutnya, ada beberapa saran yang menurut penulis penting untuk hasil yang lebih optimal.