BAB III APLIKASI TERMODINAMIKA PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA PANAS BUMI

Transkripsi

1 BAB III APLIKASI TERMODINAMIKA PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA PANAS BUMI Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP) pada prinsipnya sama seperti Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU), hanya pada PLTU uap dibuat di permukaan menggunakan boiler, sedangkan pada PLTP uap berasal dari reservoir panas bumi. Apbila fluida di kepala sumur berupa fasa uap, maka uap tersebut dapat dialirkan langsung ke turbin, dan kemudian turbin akan mengubah energi panas bumi menjadi energi gerak yang akan memutar generator sehingga dihasilkan energi listrik. Apabila fluida panas bumi keluar dari kepala sumur sebagai campuran fluida dua fasa (fasa uap dan fasa cair) maka terlebih dahulu dilakukan proses pemisahan pada fluida. Hal ini dimungkinkan dengan melewatkan fluida ke dalam separator, sehingga fasa uap akan terpisahkan dari fasa cairnya. Fraksi uap yang dihasilkan dari separator inilah yang kemudian dialirkan ke turbin. Banyak sistem pembangkitan listrik dari fluida panas bumi yang telah diterapkan di lapangan, diantaranya: 1. Direct Dry Steam 2. Separated Steam 3. Single Flash Steam 4. Double Flash Steam 5. Multi Flash Steam 6. Brine/Freon Binary Cycle 7. Combined Cycle 8. Well Head Generating Unit

2 4.1. Siklus Uap Kering (Direct Dry Steam Cycle) Fluida panas bumi dapat berupa fasa cair, fasa uap atau campuran dari keduanya, tergantung dari tekanan dan temperaturnya. Apabila fluida di kepala sumur berupa fasa uap, maka uap tersebut dapat dialirkan langsung ke turbin (Gambar 4.1). Turbin akan mengubah energi panas bumi menjadi energi gerak yang akan memutar generator sehingga dihasilkan energi listrik. Gambar 4.1 Skema Instalasi Pembangkit Listrik Uap Kering. Sistem konversi untuk fluida uap kering merupakan sistem konversi yang paling sederhana dan paling murah. Uap dari turbin dapat dibuang ke atmosfir (atmospheric exhaust turbine) atau di alirkan ke kondensor untuk dikondensasikan (condensing turbine). Dari kondensor, kondensat kemudian dialirkan ke menara pendingin atau cooling tower dan selanjutnya diinjeksikan kembali ke bawah permukaan. Sebagian dari air kondensat ini dialirkan ke kondensor. Pembangkit listrik yang menggunakan atmospheric exhaust turbine mengkonsumsi sekitar dua kali (dalam tekanan inlet yang sama) lebih banyak untuk setiap kilowatt keluaran sehingga

3 banyak energi dan biaya yang terbuang. Pembangkitan listrik di PLTP Kamojang pada prinsipnya sama seperti pada Gambar 4.1, karena sumur-sumur di lapangan Kamojang menghasilkan uap kering (temperatur di dalam reservoir C). Unit I dengan kapasitas 30 MW beroperasi pada tanggal 7 Februari Unit II dan III masing-masing sebesar 55 MW dioperasikan berturut-turut pada tanggal 29 Juli 1987 dan 13 September 1987, sehingga jumlah daya terpasang PLTP Kamojang seluruhnya menjadi 140 MW. Lapangan Kamojang terus dikembangkan. Untuk memenuhi kebutuhan uap PLTP Kamojang telah dimanfaatkan produksi uap dari 26 sumur. Pola pengusahaan panasbumi Kamojang unit 1 s.d unit 3, adalah sebagai berikut: 4.2. Siklus Uap Hasil Pemisahan (Separated Steam Cycle) Apabila fluida panas bumi keluar dari kepala sumur sebagai campuran fluida dua fasa (fasa uap dan fasa cair) maka terlebih dahulu dilakukan proses pemisahan pada fluida. Hal ini dimungkinkan dengan melewatkan fluida ke dalam separator, sehingga fasa uap akan terpisahkan dari fasa cairnya. Fraksi uap yang dihasilkan dari separator inilah yang kemudian dialirkan ke turbin. Oleh karena uap yang digunakan adalah hasil pemisahan maka, sistem konversi energi ini dinamakan Siklus uap hasil pemisahan. Gambar 4.2 memperlihatkan proses pembangkitan listrik dari lapangan panas bumi yang menghasilkan fluida dua fasa, yaitu campuran uap dan air. Fluida dari sumur dipisahkan menjadi fasa uap dan air di dalam separator dimana uapnya kemudian dialirkan ke turbin dan airya diinjeksikan kembali kebawah permukaan.

4 Gambar 4.2 Skema Diagram Pembangkit Listrik Untuk Fluida Dominasi Air Sedangkan untuk unit 4 sampai dengan 6 adalah sebagai berikut :

5 4.3. Siklus Uap Hasil Penguapan (Single Flash Steam) Sistem ini digunakan bilamana fluida dikepala sumur dalam kondisi air jenuh (saturated liquid). Fluida dialirkan ke sebuah flasher agar menguap. Banyaknya uap yang dihasilkan tergantung dari tekanan flasher. Fraksi uap yang dihasilkan kemudian dialirkan ke turbin. aas Gambar 4.3 Skema Diagram Pembangkit Listrik dengan Siklus Single Flash Steam 4.4. Siklus Uap Hasil Pemisahan dan Penguapan (Double Flash Steam) Pada sistem ini digunakan dua pemisahan fluida yaitu separator dan flasher dan digunakan komposisi 2 turbin, yaitu HP-turbine dan LP-turbine yang disusun tandem (ganda), seperti diperlihatkan pada Gambar 4.4. Contoh lapangan yang menggunakan sistem konversi seperti ini adalah Hatchobaru (Jepang), dan Krafla (Iceland).

6 Gambar 4.4 Skema Diagram Pembangkit Listrik dengan Siklus Double Flash Steam 4.5. Siklus Uap Hasil Pemisahan dan Penguapan dengan Dua Turbin Terpisah (Flashing Multi Flash Steam) Sistem siklus konversi energi ini mirip dengan sistem double flash, bedanya adalah kedua turbin yang berbeda tekanan disusun secara terpisah (Gambar 4.5), Uap dengan tekanan dan temperatur tinggi yang mengandung air dipisahkan di separator agar diperoleh uap kering yang digunakan untuk menggerakkan high pressure turbin. Turbin akan mengubah energi panas bumi menjadi energi gerak yang akan memutar generator sehingga dihasilkan energi listrik. Air hasil pemisahan dari separator temperatur dan tekanannya akan lebih rendah dari kondisi fluida di kepala sumur. Air ini dialirkan ke flasher agar menghasilkan uap. Uap yang dihasilkan dialirkan ke low pressure turbin sementara air sisanya dibawa ke condensor.

7 Gambar 4.5 Skema Diagram Pembangkit Listrik Untuk Sistem Multi Flash Steam 4.6. Binary Cycle Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik adalah fluida yang mempunyai temperatur C, tetapi secara tidak langsung fluida panas bumi temperatur sedang ( C) juga dapat digunakan untuk pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida organik yang mempunyai titik didih rendah (Gambar 4.6), uap dari fluida organik ini kemudian digunakan untuk menggerakan sudu-sudu turbin sehingga menghasilkan listrik. Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar kalor atau heat exchanger. Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi, sementara fluidanya sendiri diinjeksikan kembali kedalam reservoir. Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi energi seperti ini adalah Parantuka, Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake (Jepang). Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panasbumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 2,5 MW.

8 Gambar 4.6 Skema Diagram Pembangkit Listrik Untuk Sistem Binary Cycle 4.7. Combined Cycle Untuk meningkatkan efisiensi pemanfaatan energi panas bumi di beberapa industri mulai digunakan sistim pembangkit listrik dengan siklus kombinasi (combined cycle), seperti diperlihatkan pada Gambar 4.7. Fluida panas bumi dari sumur dipisahkan fasa-fasanya dalam separator. Uap dari separator dialirkan ke PLTP (Turbin ke I), dan setelah itu sebelum fluida diinjeksikan kembali ke dalam reservoir, fluida digunakan untuk memanaskan fluida organik yang mempunyai titik didih rendah. Uap dari fluida organik tersebut kemudian digunakan untuk menggerakan turbin (Turbin ke II).

9 Gambar 4.7 Skema Diagram Pembangkit Listrik Untuk Sistim Siklus Kombinasi 4.8. Well Head Generating Unit Beberapa tahun terakhir ini unit pembangkit kepala sumur yang dikenal dengan nama "Well Head Generating Units" mulai banyak digunakan di lapangan. Sesuai dengan namanya unit ini ditempatkan di dekat kepala sumur (well head). Ada dua jenis "Well Head Generating Units" yaitu: 1. Back pressure turbine atau turbin tanpa kondensor (atmospheric exhaust). Turbin ini tidak dilengkapi dengan kondensor. Uap dari sumur atau uap dari separator dialirkan langsung ke turbin dan setelah digunakan untuk membangkitkan listrik langsung dilepas ke atmosfir. Unit pembangkit jenis ini sering disebur "monoblock". 2. Turbin yang dilengkapi dengan kondensor (condensing unit). Turbin ini dilengkapi dengan kondensor. Uap keluaran dari turbin diubah menjadi kondensat di dalam kondensor.

10 Well Head Generating Units atau unit pembangkit kepala sumur banyak digunakan karena alasan-alasan berikut: 1. Unit pembangkit kepala sumur dapat lebih cepat dioperasikan, yaitu dalam waktu kurang dari 1-2 bulan. Sedangkan "central plant biasanya baru bisa dioperasikan 6-7 tahun setelah pemboran sumur pertama. 2. Dengan digunakannya unit-unit pembangkit kepala sumur berkapasitas kecil maka perusahaan swasta nasional dapat dilibatkan dalam perusahaan panas bumi. 3. Penggunaan unit-unit pembangkit listrik berkapasitas kecil memungkinkan para penanam modal untuk memperoleh kembali modalnya dalam waktu yang lebih cepat. Hal ini karena alasan pertama di atas, yaitu waktu yang dibutuhkan untuk pemasangan unit pembangkit berkapasitas kecil lebih singkat daripada untuk berkapasitas besar, sehingga dapat lebih cepat dioperasikan. 4. Well head generating units dapat digunakan di daerah-daerah dimana topografi cukup rumit, karena dengan digunakannya unit tersebut maka pipa alir uap jauh lebih pendek bila dibandingkan dengan pipa alir di central power plant. 5. Apabila tekanan reservoir turun lebih cepat dari yang diharapkan, maka turbin masih dapat di operasikan pada tekanan yang lebih rendah dan memproduksikan listrik dalam jumlah yang sama meskipun efisiensinya lebih rendah. 6. Unit pembangkit kepala sumur (Well head generating units) dapat dipindahkan ke lokasi sumur lain hanya dalam waktu 1-2 bulan Penentuan Daya Listrik Pada kesempatan ini akan membahas beberapa metoda yang digunakan untuk menentukan besarnya daya listrik yang dapat dibangkitkan oleh turbin uap. Metoda yang sama digunakan untuk menentukan konsumsi uap apabila kapasitas PLTP-nya telah diketahui/ditentukan Hukum I Termodinamika Pada penerapan Hukum I Termodinamika dalam suatu proses, dibedakan antara sistem dan lingkungan. Bagian dimana proses tersebut

11 berlangsung disebut sebagai sistem, sedangkan segala sesuatu di luar sistem disebut lingkungan. Hukum ini berlaku tidak hanya pada sistem saja tetapi juga pada lingkungan. Dalam bentuk dasar, dapat ditulis sebagai : Δ (energi sistem) + Δ (energi lingkungan) = 0 (4.1) Jika antara sistem dan lingkungan tidak terjadi perpindahan massa, maka system dikatakan tertutup dan massa konstan. Untuk sistem seperti ini, semua energi yang berpindah antara sistem dan lingkungan berbentuk panas dan kerja, sehingga persamaan (4.1) dapat dijabarkan menjadi : Δ (energi lingkungan) = ± Q ± W (4.2) Δ (energi sistem) = ΔU + ΔEk + ΔEp (4.3) Bila panas bernilai positif untuk panas yang masuk sistem dan kerja bernilai positif untuk kerja yang dilakukan sistem, maka : ΔU + ΔEk + ΔEp = Q - W (4.4) Berarti bahwa perubahan energi total sistem sama dengan panas yang ditambahkan pada sistem dikurangi oleh kerja yang dilakukan sistem. Persamaan di atas berlaku untuk perubahan yang terjadi pada sistem tertutup. Sistem tertutup juga seringkali menjalankan proses dimana tidak ada perubahan energy potensial dan kinetik sehingga persamaan (4.4) menjadi : ΔU = Q - W (4.5) Proses Aliran Steady State Persamaan (4.5) terbatas pemakaiannya pada proses dengan massa konstan dimana hanya terjadi perubahan energi dalam saja. Untuk prosesproses pada industri yang melibatkan aliran mantap melalui peralatan-

12 peralatan diperlukan penjabaran Hukum I Termodinamika yang lebih umum. Keadaan mantap berarti bahwa kondisi pada semua titik dalam peralatan konstan terhadap waktu. Sehingga persamaan (4.4) kemudian menjadi : H + V 2 + g z = Q W 2 (4.6) Pada penerapannya secara termodinamika, energi potensial dan energi kinetic sangatlah kecil dibandingkan dengan elemen yang lainnya dan dapat diabaikan. Selain itu, pada turbin semua perpindahan panas diabaikan sehingga persamaan (4.6) berubah menjadi : ΔH = -W (4.7) dimana kerja turbin (ditandakan dengan minus) masih dalam dasar unit massa yang mengalir. Dengan memasukkan variabel m (massa) maka persamaan (4.7) dapat ditulis menjadi : W = m (h1 - h2 ) (4.8) dimana: W = kerja/daya turbin (kw) m = massa (kg/s) h1 = entalpi uap yang masuk kedalam turbin (kj/kg) h2 = entalpi uap yang meninggalkan turbin (kj/kg) Persamaan inilah yang kemudian akan dipakai selanjutnya pada perhitungan daya turbin Peralatan pada Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi

13 Suatu PLTP memiliki peralatan-peralatan yang tidak banyak berbeda dengan suatu PLTU bahkan lebih sederhana karena tidak ada bagian pembangkitan uap. Peralatan suatu PLTP pada dasarnya dapat dibagi menjadi 2 bagian yang besar yaitu : Bagian Produksi uap dalam Disini untuk peralatan dibagian produksi uap alam terletak dilapangan panas bumi itu sendiri. Adapun peralatan pada bagian produksi uap dalam adalah : Peralatan lubang produksi (well head equpment) Adalah peralatan yang terdapat tepat diatas lubang produksi. a). Service Valve Digunakan untuk pengaturan aliran serta tekanan fluida yang keluar selama pengujian. b). Shunt off valve Dipergunakan untuk menutup lubang sumur, apabila diadakan perbaikan atau pemeliharaan. c). Bleed Valve Dipergunakan untuk mengeluarkan gas yang tidak dapat terkondensasi. d) Bypass Valve Dipergunakan untuk membuang uap yang tidak diperlukan.

14 Sevice valve Bypass valve Expension compensator Shut-off valve Concreate cellar Bleed valve Surface casing Anchor casing Production casing Gambar 4.23 Peralatan Lubang Produksi S.L. Uppal, Electrical Power, Khanna Publisher, New Delhi Peralatan transmisi cairan ( Uap dan air panas ) a. Pipa pipa transmisi Yaitu peralatan yang digunakan untuk mentransmisikan cairan ( uap dan air panas ) dari lubang produksi ke PLTP. b. Drum ( Steam Receives ) Tempat yang digunakan untuk mengumpulkan uap alam dari lubang lubang produksi sebelum uap dialirkan ke turbin PLTP ( uap dari sumur produksi dikumpulkan menjadi satu ) c. Pemisah Uap ( Steam Sparators ) Alat ini berfungsi sebagai pemisah antara kotoran dan air yang terkandung dalam uap sebelum uap tersebut digunakan untuk menggerakkan turbin.

15 d. Silensers Alat ini difungsikan untuk menahan kebisingan akibat pengaliran sat sat dengan kecepatan yang tinggi ( uap, gas dan sebagainya ) Bagian perubahan tenaga uap alam menjadi tenaga listrik Turbin Uap Turbin adalah suatu mesin penggerak dimana energi fluida kerja, dalam hal ini adalah uap, dipergunakan langsung untuk memutar roda turbin. Bagian turbin yang berputar dinamakan roda turbin. Roda turbin ini terletak didalam rumah turbin. Roda turbin memutar poros yang menggerakan atau memutar bebannya, yang dalam hal ini adalah generator listrik. Peralatan ini juga yang berfungsi untuk merubah tenaga uap menjadi tenaga mekanis. Ditinjau dari sistem kerjanya turbin uap dibagi menjadi dua bagian yaitu ; Condensing Turbin, turbin yang menggunakan condensor. Non Condensing Turbin, Turbin yang tidak menggunakan condensor Generator Dalam hal ini generator berfungsi untuk merubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik, seperti generator pada pembangkit listrik pada umumnya Condensor Merubah uap menjadi air kembali ( kondensasi ) dan juga untuk menyingkirkan gas yang tidak terkondensasi seperti Baromatric jet condenser. Dalam studi kelayakan, telah dipertimbangkan dua jenis condenser yang dapat dipakai pada PLTP yaitu ;

16 a. Barometric Condenser Condenser jenis ini umumnya terletak di luar power house dan pada elevasi yang lebih tinggi dari pada turbin. Kerugian : condenser jenis ini karena uap yang keluar dari turbin harus melalui pipa penghantar yang panjang untuk ke condenser di samping itu memerlukan fondasi tersendiri. Keuntungan : lantai turbin dapat dibuat lebih rendah sehingga rumah pembangkit ( power house ) juga tidak akan terlampau tinggi. b. Low Level Condenser Condenser terletak langsung dibawah turbin sehingga hambatan aliran praktis kecil sekali. Dalam hal ini perlu dipasang fleksibel guna meredam getaran yang terjadi. Kerugian : lantai turbin menjadi lebih tinggi, bangunan menjadi lebih berat sehingga fondasi power house harus lebih kuat. Keuntungan : pemanfaatan energi uap menjadi lebih baik sebab hambatan aliran uap keluar dari turbin lebih kecil dan kemungkinan kebocoran udara menjadi lebih kecil karena tidak banyaknya terdapat sambungan pipa. Biaya condensor jenis ini akan lebih murah. c. Perlengkapan Condenser Yang dimaksud perlengkapan condenser disini adalah fasilitas pembantu pada condenser, agar supaya condenser tersebut berfungsi sebagai mana mestinya. Perlengkapan condenser ini terdiri dari : Gas Extractor

17 Di dalam gas extractor ini udara dan non condensable gasses dikeluarkan dengan jalan tarikan uap tekanan tinggi pada enjectornya. Campuran gas yang harus dikeluarkan terdiri dari CO 2 kebanyakan dan sebagian kecil gas seperti H 2 S, CH 4, H 2, O 2, N 2, Ag, NH 3 dan H 2 O. Adanya H 2 S, NH 3, Sulfate dan Chlorida menyebabkan adanya larutan korosi. Pemilihan gas extractor untuk non condensable gesses tersebut tergantung dari : - Mass flow - Kevakuman condenser - Cooling water flow - Temperatur Hot Well Pump atau Condensate Pump. Hot pump ini berfungsi memindahkan secara kontinyu dan cepat air, yang jatuh pada hot well. Condensate tersebut dipompa ke dalam storage tank untuk selanjutnya dipompa ke cooling tower, biasanya condensate pump ini memakai pompa jenis contrifugal. Circulation Water Pump Circulating water pump ini dipakai untuk mensirkulasi air pendingin dengan jumlah yang besar. Pada PLTP pompa ini dipakai untuk menaikkan condensate ke cooling tower dan untuk mensirkulasikan air pendingin kebagian bagian yang memerlukan pendingin.

18 Menara Pendingin (Cooling Tower) Pada PLTP, sistem pendinginannya memenfaatkan udara pegunungan yang dingin dan bersih. Akan tetapi, karena udara bersifat sebagai gas, maka dibutuhkan volume yang besar, dan permukaan pertukaran panas yang luas, agar pendinginannya sempurna. Untuk itu dibutuhkan suatu menara yang tinggi. Pada menara pendingin ini, udara dihisap kedalam dan setelah mendinginkan kondensator, udara yang telah menjadi panas ini, dihembuskan keluar melalui cerobong menara disebelah atas.