POTENSI PEMANFAATAN SUMBER PANAS PADA COMBUSTION CHAMBER TURBIN GAS DENGAN MENGGUNAKAN TERMOELEKTRIK GENERATOR

Transkripsi

1 Seminar Nasional Cendekiawan ke 3 Tahun 2017 ISSN (P) : Buku 2 ISSN (E) : POTENSI PEMANFAATAN SUMBER PANAS PADA COMBUSTION CHAMBER TURBIN GAS DENGAN MENGGUNAKAN TERMOELEKTRIK GENERATOR Agus Trisasmita 1), Chalilullah Rangkuti 2) 1),2). Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Universitas Trisakti agus_trisasmita@yahoo.co.id chalil@trisakti.ac.id Abstrak Pembangkit Listrik Tenaga Gas Uap (PLTGU) Tanjung Priok merupakan pembangkit tenaga listrik termal menggunakan bahan bakar gas dengan total produksi 1920 MW untuk 3 blok. Blok 1 dan 2 buatan ABB tipe 13E1. Tipe ini adalah turbin gas jenis single combustor dengan single burner. Pada tipe ini tidak semua bagian combustion chamber tertutup isolasi, sehingga panas yang keluar tersebut berpotensi dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik pengganti daya pemakaian sendiri untuk menghidupkan lampu di area tersebut dengan mengunakan modul termoelektrik generator. Pengujian dilakukan dengan menggunakan 6 buah modul termoelektrik generator yang di rangkai secara seri dan mensimulasikan panas pada top combustion chamber menggunakan cardridge heater dengan diberikan variasi tegangan input sebesar 140Volt, 180Volt dan 220Volt. Dari hasil pengujian, output maksimal yang dapat dihasilkan termoelektrik generator adalah 5,08Volt dengan selisih temperatur sisi panas dan dingin sebesar 65,9 C. Hasil ini menunjukan bahwa penggunaan modul termoelektrik pada top combustion chamber sebagai pembangkit listrik mandiri memiliki potensi yang besar. Kata kunci: PLTGU, Combustion Chamber, Termoelektrik Generator Pendahuluan Pembangkit Listrik Tenaga Gas Uap (PLTGU) Tanjung Priok yang berlokasi di Jakarta Utara merupakan pembangkit listrik tenaga termal yang menggunakan bahan bakar berasal dari fosil yaitu gas alam. Pasokan gas alam untuk PLTGU Tanjung Priok ini dipasok oleh Perusahaan Gas Negara (PGN), Natural Gas (NR) dan Pertamina Hulu Energy (PHE). Jika pasokan minim, pembangkit ini juga dapat beroperasi menggunakan High speed diesel (HSD). PLTGU Tanjung Priok memiliki 3 blok dengan spesifikasi mesin dan tahun penginstalan yang berbeda. Blok 1 dibangun pada tahun 1993 dengan jenis combine cycle power plant buatan ABB dengan pola operasi 3-3-1, yaitu 3 gas turbine (GT), 3 heat steam generator (HRSG) dan 1 steam turbin (ST). Turbin gas buatan ABB type GT 13E1 ini adalah jenis turbin gas yang memiliki ruang bakar tunggal (single combustor) dan pembakar tunggal (single burner), seperti terlihat pada gambar 1.1. Efisiensi termal turbin gas type ini hanya 33% pada operasi sendiri (simple cycle operation) dan selebihnya merupakan panas buang yang mengalir ke lingkungan. Bila kalor ini tidak dimanfaatkan maka akan terbuang ke atmosfir dan menjadi polusi termal. Bagian combustion chamber tidak semua tertutup isolasi, terutama pada bagian top combustion chamber. Menyadari besarnya energi termal yang terbuang percuma ke atmosfer inilah yang berpotensi untuk dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik pengganti daya pemakaian sendiri yang digunakan untuk penerangan di area ruangan top combustion chamber turbin gas. Yang dirasa tepat untuk mengkonversi energi panas menjadi energi listrik adalah modul termoelektrik generator, karena peralatan tersebut memiliki usia pakai yang cukup panjang, perawatan yang mudah dan ramah lingkungan atau tidak menimbulkan polusi. 7

2 Gambar 1. Combustion chamber turbin gas ABB tipe 13E Studi Pustaka Modul Termoelektrik Generator adalah sebuah alat yang mampu mengkonversikan energi panas menjadi energi listrik secara langgsung dengan menggunakan prinsip Seebeck. Efek Seebeck merupakan fenomena terjadinya tegangan listrik yang ditimbulkan oleh perbedaan suhu pada ujung dua jenis logam. Elektron pada sisi panas logam akan bergerak aktif dan memiliki kecepatan aliran yang lebih tingi, maka elektron dari sisi panas akan mengalami difusi ke sisi dingin dan menyebabkan timbulnya medan elektrik pada sisi logam tersebut. Tegangan tersebut diukur dalam kondisi open-loop dan besarannya sebanding dengan selisih suhu pada kedua logam. Efek Seebeck ditemukan pertama kali oleh Thomas Johann Seebeck pada tahun Efek Seebeck dapat didemonstrasikan dengan membuat sambungan anatara dua kawat dari jenis logam yang berbeda dan ujung kawat lainnya dihubungkan ke voltmeter, jika sambungan antara kawat dipanaskan maka alat ukur akan membaca adanya sejumlah tegangan.t.j. Seebeck menunjukan bahwa gaya gerak listrik (ggl) dapat dihasilkan dengan memanaskan titik sambungan anatara dua penghantar listrik yang berbeda (R. Umboh). Modul termoelektrik generator telah diteliti dan diujicoba oleh banyak peneliti dalam berbagai macam kegunaan. Karri et.al membandingkan pemanfaatan thermoelektrik pada sistem gas buang suatu kendaraan bermotor dengan sistem gas buang dari stationary compressed natural gas engine generator set (D.M.Rowe b, 2003). Dalam penelitian tersebut diperoleh kesimpulan bahwa efek penggunaan thermoelektrik pada sistem gas buang kendaraan bermotor dapat menghemat penggunaan bahan bakar sebanyak 1.25%. Xiaolong et.al menyimpulkan dalam penelitiannya bahwa kinerja modul termoelektrik dalam mengkonservasi energi panas buang ditentukan oleh besarnya temperatur panas buang, rangkaian seri dari thermoelektrik, memperbesar luas area heat sink, serta meningkatkan kapasitas perpindahan kalor pada sisi dingin dari modul thermoelektrik yang digunakan (E.F Thacher, 2010). Ryanuargo et.al memanfaatkan uap panas dari kondensor pada sistem pendingin sebagai pembangkit listrik dengan menggnakan thermoelektrik generator. 8

3 Seminar Nasional Cendekiawan ke 3 Tahun 2017 ISSN (P) : Buku 2 ISSN (E) : Berdasarkan hasil percobaan, dengan suhu rata-rata 34ºC thermoelektrik dapat mengghasilkan tegangan sebesar 3,24 Volt dan daya sebesar 0,16 Watt (Ryanugroho, 2013). Metodologi Penelitian Pada Penelitian ini dibuat sebuah prototipe peralatan yang mensimulasikan temperatur bervariasi dari top combustion chamber turbin gas dengan sebuah pemanas (heater) yang input listriknya dibuat bervariasi dari 140Volt, 180Volt dan 220Volt yang mengakibatkan terjadinya perbedaan temperatur pada alat termoelektrik yang selanjutnya mengahasilkan listrik dengan voltase dan arus tertentu. Output listrik dari termoelektrik inilah yang nanti digunakan untuk penerangan pada area top combistion chamber. Modul termoelektrik yang digunakan pada penelitian ini adalah tipe SP SA. Modul disususn secara seri sebanyak 6 buah untuk mendapatkan tegangan yang besar. Sumber panas yang digunakan untuk mensimulasikan kondisi pada top combustion chamber turbin gas adalah dengan menggunakan cardridge heater yang di tempelkan pada plat alumunium dengan dimensi 10mm x 100mm x 140mm. Sedangkan untuk sisi dingin menggunakan heatsink alumunnium berdimensi 81mm x 84mm x 200mm dengan masing-masing sisinya diberikan fan DC 12Volt dan 0.14Amper dengan dimensi 90mm x 90mm untuk mensimulasikan aliran udara yang terjadi pada ruang top combustion chamber. Alat ukur yang digunakan antara lain volt dan amper meter digital untuk mengetahui daya yang dihasilkan oleh modul termoelektrik, termokopel digital LCD tipe-k digunakan untuk mengetahui temperatur di sisi dingin dan panas yang diserap oleh modul termoelektrik generator dan temperatur ambient. Selain peralatan utama dan alat ukur juga digunakan alat bantu agar semua rangkaian peralatan dapat difungsikan. Alat bantu tersebut antara lain power supply 12Volt dan 20Amper untuk menggerakan 2 buah fan yang digunakan untuk pendingin di heatsink, volt control/regulator yang mampu mengajust voltase dengan range Volt AC dan power maksimum 4000Watt. Volt control ini digunakan untuk memvariasikan voltase yang masuk ke cardridge heater sehingga panas yang dihasilkan juga bervariasi. Gambar 2. Pengujian prototipe termoelektrik generator 9

4 Hasil dan Pembahasan Penelitian yang dilakukan terhadap rangkaian prototipe modul termoelektrik generator ini bertujuan untuk mengetahui apakah peralatan tersebut aplikatif digunakan pada top combustion chamber turbin gas ABB tipe 13E. Oleh karena itu penelitian ini menguji kinerja modul termoelektrik dengan mensimulasikan sumber panas dari top combustion chamber turbin gas yang temperaturnya bervariasi sesuai beban. Variasi yang dilakukan dalam penelitian ini adalah dengan memberikan input tegangan sebesar 140 Volt, 180Volt dan 220Volt kepada cardridge heater agar temperatur yang dihasilkan juga bervariasi. Pegujian dilakukan masing-masing selama 50 menit. Hal ini dikarenakan dalam rentang waktu tersebut data yang diperoleh cenderung stabil, karena temperatur pada cardridge heater akan mencapai titik puncak tertentu sesuai dengan input tegangan yang diberikan. Pegujian ini menghasilkan data berupa tegangan, temperatur ambient, temperatur sisi panas, temperatur sisi dingin dan beda emperatur yang dihasilkan oleh modul termoelektrik generator tersebut. Gambar 3. Data perbedaan temperatur dengan input tegangan ke heater sebesar 140Volt, 180Volt dan 220Volt Pada gambar 3 dapat dilihat perolehan data perubahan temperatur terhadap waktu dengan input tegangan pada heater sebesar 140Volt, 180Volt dan 220Volt. Data ini menunjukan kenaikan temperatur di sisi panas modul termoelektrik generator terjadi secara cepat pada menit pertama hingga menit ke 15. Lalu pada menit ke 15 hingga 30 terjadi kenaikan temperatur tetapi tidak signifikan, berkisar ±1-2 C dan cenderung stabil dari menit ke 30 hingga 50. Temperatur dengan rata-rata tertinggi terjadi pada saat heater di input dengan tegangan sebesar 220Volt. Temperatur pada menit pertama sebesar 43 C, lalu meningkat dengan cepat hingga 100 C pada menit ke 15. Menit berikutnya temperatur naik sekitar 0,5 C per menit hingga mencapai temperatur yang stabil pada menit ke 36. Temperatur maksimum yang dapat dicapai oleh heater dengan input 220Volt adalah 112,9 C. 10

5 Seminar Nasional Cendekiawan ke 3 Tahun 2017 ISSN (P) : Buku 2 ISSN (E) : Intensitas waktu kenaikan temperatur pada heater yang diberikan input tegangan 180Volt tidak beda jauh dengan heater yang diberikan input tegangan 220Volt, hanya saja temperatur yang dihasilkan berbeda, lebih rendah dihasilkan oleh heater dengan input tegangan 180Volt. Temperatur pada menit pertama yaitu 40,2 C, lalu meningkat drastis hingga menit ke 21 temperatur mencapai 89,2 C. Setelah itu temperatur naik rata-rata 0,2 C per menit hingga terjadi kestabilan temperatur pada menit ke 41. Temperatur maksimal yang mampu dihasilkan oleh heater dengan input teganggan 180Volt yaitu 83.9 C. Pada percobaan ini nilai temperatur terendah pada heater dengan input tegangan 140Volt. Pada menit pertama temperatur 37,3 C dan naik drastis sampai pada menit ke 14 dengan temperatur yang dicapai sebesar 59,2 C. Menit selanjutnya hingga menit ke 50 temperatur naik dengan rata-rata 0,28 C per menit. temperatur maksimum yang mampu dicapai oleh heater dengan input tegangan 140Volt adalah 69,4 C. Pada sisi dingin heater yang diberi input tegangan 220Volt terjadi kenaikan temperatur dari 33,5 C menjadi 47,6 C pada menit ke 50. Rata-rata kenaikan 0,28 C per menit. Saat dilakukan pengujian dengan input 220Volt temperatur ambient rata-rata berkisar 30,5 C. Sedangkan sisi dingin heater yang diberikan input tegangan 180Volt temperatur pada menit pertama 32,6 C. Lalu mencapai temperatur stabil pada 38,8 C. Rata-rata kenaikan temperatur 0,12 C per menit. temperatur ambient saat dilakukan pengujian dengan input teggangan 180Volt tersebut rata-rata 29,6 C. Pengujian selanjutnya yaitu dengan memberikan input tegangan sebesar 140Volt pada heater. Temperatur pada sisi dingin di menit pertama adalah 33,1 C. Lalu mencapai temperatur stabil pada 42,2 C. Rata-rata kenaikan temperatur 0,18 C per menit. saat dilakukan pengujian, temperatur ambient rata-rata 30,5 C. Jika dibandingkan temperatur sisi dingin modul termoelektrik yang diberikan input tegangan pada heater 180Volt dan 140Volt, lebih rendah temperatur pada input tegangan 180Volt. Temperatur di sisi dingin seharusnya lebih besar pada input heater 180Volt, karena panas yang dihasilkan oleh heater juga lebih besar. Akan tetapi, saat pengujian input heater 180Volt temperatur ambient lebih rendah daripada saat pengujian input heater 140Volt, selisihnya mencapai 0,9 C. Hal ini menunjukan bahwa temperatur ambient juga berpengaruh besar terhadap pendinginan dan output tegangan yang dihasilkan oleh termoelektrik generator. Karena pada prinsipnya, semakin besar delta temperatur maka semakin besar pula output tegangan yang dihasilkan oleh termoelektrik generator. Pendinginan dengan menggunakan heatsink dirasa cukup baik, karena dari ketiga percobaan tersebut temperatur di sisi dingin modul termoelektrik tidak mengalami kenaikan yang signifikan, sehingga rentang perbedaan temperatur sisi panas dan dinggin cukup jauh. Semakin besar perbedaan temperatur tersebut maka semakin besar pula tegangan output yang dihasilkan. Heatsink yang digunakan pada percobaan ini berbahan dasar alumunium yang memiliki konduktifitas tinggi, sehingga perpindahan panas terjadi secara baik. Selain itu desain heatsink yang bersirip mengakibatkan bidang singgung yang lebih luas dengan udara sehingga pelepasan panas menjadi lebih efektif. Gambar 4 merupakan output tegangan yang dihasilkan dari selisih temperatur sisi panas dan sisi dingin modul termoelektrik generator. Tegangan yang dihasilkan oleh modul termoelektrik generator meningkat seiring dengan meningkatnya perbedaan temperatur. Pada 3 kali percobaan dengan memberikan input voltase yang berbeda tersebut menunjukan bahwa tegangan output terbesar dihasilkan oleh heater dengan input 220Volt, yaitu sebesar 5,08 Volt dengan selisih temperatur 65,7 C. Sedangkan pada heater dengan 11

6 input 180Volt mampu menghasilkan tegangan maksimal sebesar 3,54 Volt dengan selisish temperatur 55 C. Output tegangan terkecil adalah pada input heater 140Volt, yaitu sebesar 2,32Volt dengan selisih temperatur 27,2 C. Semakin besar beda temperatur antara sisi panas dan sisi dingin modul termoelektrik generator maka semakin besar pula output tegangan yang dihasilkan. Hal ini dikarenakan beda potensial antara dua lapisan semi konduktor yang menyebabkan adanya aliran elektron. Semakin optimal perpindahan panas dari heater ke modul termoelektrik generator sisi panas dan pelepasan panas yang baik pada sisi dingin modul termoelektrik generator maka perpindahan aliran elektron semakin cepat dan menghasilkan tegangan yang semakin besar pula. Gambar 4. Data output tegangan terhadap delta temperatur Gambar 5 merupakan distribusi panas dari top combustion chamber yang nantinya akan dipasang rangkaian modul termoelektrik generator. Gambar tersebut diambil dengan menggunakan thermal imager merk Avio Nec G100EX dengan tingkat sensibilitas 0,04 C. Gambar sebelah kanan merupakan kondisi top combustion chamber asli di lapangan. Sedangkan gambar sebelah kiri merupakan gambar yang diambil mengunakan thermal imager sehingga tampak distribusi panas di area tersebut. Pada area tersebut temperatur maksimal hingga mencapai 112,4 C dan rata-rata sekitar 86 C dengan temperatur ambient saat dilakukan penggambilan data sebesar 29,83 C. 12

7 Seminar Nasional Cendekiawan ke 3 Tahun 2017 ISSN (P) : Buku 2 ISSN (E) : Gambar 5. Distribusi panas pada top combustion chamber turbin gas Pada 3 kali percobaan menggunakan cardridge heater yang diberikan variasi input tegangan, didapat bahwa modul termoelektrik mampu menghasilkan tegangan dari selisih temperatur 4,2 C hingga 65,3 C. Jadi jika dikaitkan dengan pengambilan data distribusi panas di area top combustion chamber menggunakan thermal imager maka, termoelektrik generator dapat diaplikasikan pada area tersebut. Hal ini dikarenakan temperatur terendah yang dihasilkan oleh top combustion chamber mencapai hingga 66,8 C. Ini artinya modul termoelektrik generator sudah dapat menghasilkan output tegangan pada temperatur tersebut dan membuktikan adanya potensi listrik yang dapat dibangkitkan dengan potensi volatase listrik yang dihasilkan dengan terdapatnya temperature yang tinggi pada combustor head tersebut Kesimpulan Berdasarkan hasil pengambilan data menggunakan thermal imager pada area top combustion chamber dan pengujian prototipe menggunakan 6 buah modul termoelektrik yang dirangkai seri dengan menggunakan sumber panas dari cardridge heater yang divariasikan input tegangan nya maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut: a) Tegangan output minimal pada input heater 140Volt adalah 0,05Volt dengan selisih temperatur 4,2 C dan tegangan output maksimal sebesar 2,32Volt dengan selisih temperatur 27,2 C. b) Tegangan output minimal pada input heater 180Volt adalah 0,98Volt dengan selisih temperatur 7,6 C dan tegangan output maksimal sebesar 3,54Volt dengan selisih temperatur 55,1 C. c) Tegangan output minimal pada input heater 220Volt adalah 1,06Volt dengan selisih temperatur 9,5 C dan tegangan output maksimal sebesar 5,06Volt dengan selisih temperatur 65,3 C. d) Temperatur rata-rata pada area top combustion chamber 86,1 C dan temperatur maksimal dapat mencapai 112,4 C. Sehingga termoelektrik generator berpotensi untuk diaplikasikan di area tersebut sebagai pembangkit listrik mandiri. 13

8 Daftar pustaka D.M. Rowe b, G. Min b R.Y. Nuwayhid a Low Cost Stove-Top Termoelektrik Generator For Regions With Unreliable Electricity Supply. Renewable Energy Elsevier. E.F Thacher, B.T. Helenbrook M.A. Karri Termoelektrik Generator: Two Case Studies. Exhaust Energy Conversion by Nandy Putra, Raldi Artono Koestoer, M. Adhitya Roekettino, dan Bayu Trianto, Potensi Pembangkit Daya Termoelektrik untuk Kendaraan Hibrid, Makara, Teknologi, Vol. 13, No. 2, November 2009: R. Umboh, dkk. Perancangan Alat Pendinginan Portable Menggunakan Elemen Peltier. Manado: UNSRAT. Rio Wirawan, 2012, Analisa Penggunaan Heat Pipe pada Thermoelectric Generator, Universitas Indonesia, Jakarta. Ryanugroho, Syaiful Anwar dan Poernomo Sari Generator Mini dengan Prinsip Termoelektrik dari Uap Panas Kondensor pada Sistem Pendingin. Jakarta: Universitas Gunadarma. Singal R.K. 2005, Non-Conventional Energy Resources S.K Kataria & Sons, Delhi. 14