kapal LNG Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP) dan mesin diesel dual fuel. Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP) adalah gabungan antara siklus turb

Transkripsi

1 PERBANDINGAN COMBINED CYCLE PROPULSION PLANT DAN MESIN DIESEL DUAL FUEL SEBAGAI SISTEM PENGGERAK KAPAL TANKER LNG Adhitya Nugraha / Fakultas Teknologi Industri, Jurusan Teknik Mesin ABSTRAKSI Kapal tanker LNG merupakan sarana transportasi yang paling handal dalam pengiriman LNG di dunia. Perjalanan kapal tanker LNG menghasilkan uap akibat ekspansi dari ruang muat LNG. Uap yang terjadi disebut dengan Boil Off Gas (BOG). BOG yang terjadi terbuang percuma oleh sebab itu BOG ini dimanfaatkan sebagai bahan bakar pada kapal tanker LNG untuk penghematan bahan bakar. Salah satu penggerak kapal pengangkut LNG yang dapat menggunakan dan memanfaatkan BOG adalah Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP) yaitu gabungan dua siklus turbin gas dan turbin uap. BOG ini dapat juga digunakan pada mesin penggerak kapal tanker LNG yang menggunakan diesel dual fuel. Pada penelitian ini dibahas perbandingan antara CCPP dan diesel dual fuel yang menggunakan BOG dan minyak sebagai bahan bakarnya. Dengan menggunakan CCPP diperoleh tenaga (W) sekitar 1.53MJ/kg dan effisiensi thermal Sedangkan menggunakan diesel dual fuel diperoleh tenaga (W) sekitar 1.79 MJ/kg dan effisiensi thermal 0,75. Penggunaan Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP) akan menghemat pengeluaran untuk bahan bakar sekitar Rp 1.6 triliun/tahun. Kata Kunci : Gas Alam Cair, Boil Off Gas (BOG), Penggerak Kapal, Combined Cycle Propulasion Plant, Diesel Dual Fuel PENDAHULUAN Bahan bakar adalah salah satu dari komponen penggerak pada mesin mesin yang memakai bahan bakar sebagai sistem pengapiannya, tanpa bahan bakar mesin tidak akan berfungsi sebagaimana fungsi mesin tersebut seperti pada mesin kendaraan tidak akan bisa bekerja mesin tersebut tanpa ada bahan bakar, bahan bakar terbagi atas bahan bakar minyak dan bahan bakar gas. Bahan bakar minyak lebih banyak digunakan tetapi pada saat ini persediaan minyak bumi semakin berkurang maka para ahli ilmuan pun mencari solusinya dengan mengganti bahan bakar minyak dengan menggunakan bahan bakar gas yang berasal dari gas alam di karnakan gas alam lebih rendah untuk menghasilkan zat yang merusak lingkungan. Liquefied Natural Gas (LNG) adalah gas alam yang dicairkan dengan didinginkan hingga mencapai suhu -160 o C pada tekanan 1 atm. Setelah gas alam melewati proses pencairan menjadi LNG, kemudian disimpan dalam tangki penyimpanan setelah itu ditransfer ke kapal untuk dibawa ke pembeli atau yang membutuhkan LNG tersebut. LNG sudah ditransfer melalui laut menggunakan kapal yang berdesain khusus yang disebut kapal LNG carrier, atau juga sering disebut kapal tanker LNG. Pada saat diperjalanan LNG pun mengalami penguapan alami atau yang sering disebut Boil Off Gas (BOG), BOG ini terbuang percuma pada saat perjalanan maka dari itu di manfaatkanlah BOG ini sebagai bahan bakar tambahan pada kapal LNG carrier untuk menghemat bahan bakar. BOG ini digunakan pada mesin 1

2 kapal LNG Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP) dan mesin diesel dual fuel. Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP) adalah gabungan antara siklus turbin gas dengan siklus turbin uap, CCPP ini terjadi dikarnakan untuk menghasilkan tenaga yang lebih, dari pada terpisah penggunaan turbin gas dan turbin uap dan mesin diesel dual fuel adalah mesin diesel yang menggunakan dua bahan bakar yaitu menggunakan minyak (Solar) dan BOG dari hasil penguapan yang terjadi pada LNG. LANDASAN TEORI Liquefied Natural Gas (LNG) Liquefied Natural Gas (LNG) adalah gas alam yang dicairkan dengan didinginkan hingga mencapai suhu -160 o C pada tekanan 1 atm. LNG mempunya komposisi kimia terbanyaknya adalah Methana, lalu sedikit Ethana, Propana, Butana dan sedikit sekali Pentana dan Nitrogen, kompresi volume yang cukup besar ini memungkinkan transportasi gas dalam bentuk cair untuk jarak jauh dengan biaya yang lebih effisien dan dapat ditransportasi oleh kendaraan LNG. Sifat LNG tidak beracun (non toxic), tidak berbau (odorless), tidak menimbulkan karat (non corrosive), tidak mudah terbakar/meledak (non combustible), tidak menghasilkan banyak polutan berbahaya (hanya sedikit CO2, NOx, dan SOx) sehingga ramah lingkungan. LNG tidak mudah terbakar LNG baru akan mudah terbakar jika dalam fase gas atau uapnya (vapour), jika persentase uap LNG kurang dari 5%, maka tidak mudah terbakar (non flammable) dan begitu pula jika kurang dari 15% termasuk non flammable karena terlalu banyak gas di udara sehingga kurang oksigen untuk membuatnya terbakar. Penyimpanan (storage) LNG disimpan di dalam tangki khusus dengan lapisan luar dari logam (9% nikel) pada suhu yang sangat rendah (cryogenic temperature), penyekatan (insulation) yang baik, beton luar yang tebal, dan atap melengkung sehingga tangki mampu menampung 110% volume LNG didalamnya [8]. Teknologi Pencairan LNG Proses pencairan gas menjadi LNG berupa pencairan gas alam menggunakan media pendingin (refrigerant). Kilang pencairan bisa terdiri dari beberapa unit paralel (train). Gas alam dicairkan mencapai suhu sekitar -256 o F atau -160 o C dengan tekanan 1 atm. LNG adalah cairan kriogenik. Istilah kriogenik berarti temperatur rendah, umumnya di bawah o F. Teknologi pencairan merupakan elemen utama pada kilang LNG. Terdapat beberapa proses lisensi pencairan dengan berbagai tingkat penerapan dan pengalaman. Prinsip dasar untuk pendinginan dan pencairan gas menggunakan pendingin adalah termasuk menyesuaikan sedekat mungkin kurva pendinginan/pemanasan gas proses dan pendingin. Hasilnya berupa proses termodinamika yang lebih efisien yang membutuhkan daya yang lebih efisien perunit LNG yang diproduksi. Hal ini berlaku pada semua proses pencairan. Peralatan utama proses ini meliputi kompresor yang digunakan untuk mensirkulasikan pendingin, penggerak kompresor, dan alat penukar panas untuk mencairkan dan menukar panas antar pendingin. Gas alam, mencair pada kisaran temperatur tertentu. Kurva panas dapat disesuaikan dengan meminimalkan perbedaan temperatur antara proses pendinginan gas dan aliran pendingin. Hal ini dapat tercapai dengan menggunakan lebih dari satu pendingin pada tingkat tekanan yang berbeda untuk kemudian selanjutnya memecah kisaran temperatur untuk dapat mendekati kurva panas. 2

3 Boil Off Gas (BOG) Boil off gas (BOG) adalah emisi gas metan dari liquefied natural gas (LNG) akibat panas udara dan perubahan tekanan barometrik. Boil off gas terjadi karna pada saat proses pengiriman Liquefied Natural Gas (LNG), akibat udara yang panas membuat LNG pada kargo kapal LNG carrier mengalamin penguapan karna panas makah terciptalah Boil Off Gas (BOG). Pergeseran uap LNG di dalam tangki tersebut dapat dipndahkan ke LNG carrier tanpa menggunakan BOG compressor. Sehingga dalam perancangan ukuran BOG compressor, factor pergeseran uap LNG ini tidak diperhitungkan [9]. Transportasi Pada LNG Carrier Setelah gas alam melewati proses pencairan menjadi LNG, seperti yang dijelaskan pada proses sebelumnya, LNG kemudian disimpan dalam tangki penyimpanan untuk kemudian ditransfer ke kapal untuk dibawa ke pembeli. LNG telah ditransportasikan melalui laut, menggunakan kapal desain khusus sejak tahun Kapal pertama yang digunakan untuk mengangkut LNG adalah Methane Pioneer yang sebelumnya merupakan kapal tanker kecil yang dikonversikan menjadi kapal pengangkut LNG. Kapal ini mengangkut LNG dari teluk meksiko ke sungai thames Inggrs pada tahun 1959 dan menjadi pelopor untuk pembangunan kapal-kapal LNG masa kini. Pengembangan dan pembangunan kapalkapal LNG terus meningkat seiring dengan meningkatnya perdagangan LNG dalam dua dasawarsa ini. Penyebab utamanya adalah karena LNG membutuhkan biaya transportasi lebih kecil dibandingkan pendistribusiannya dalam bentuk gas. Proses keenam adalah pada unit fractionation train, proses ini adalah proses yang dapat dilakukan dalam satu tahap ataupun bertingkat, bergantung pada kandungan hidrokarbon berat apa saja yang terkandung dan akan dihilangkan dari gas alam. Kapal yang digunakan adalah tanker yang khusus dibuat untuk transportasi LNG. Tanker LNG dirancang secara canggih dan memiliki dua hal unik dalam perkapalan sebagai berikut: - Kondisi kriogenik kargo Hal ini berarti material yang bersentuhan langsung dengan LNG harus bisa bertahan pada suhu yang sedemikian rendah. Material yang biasa digunakan adalah stainless steel, aluminium, dan invar. Material ini, tentu saja, tidaklah murah dan membutuhkan teknik pengelasan khusus. - Boil off LNG Tidak seperti kapal pendinginan LPG yang memiliki kilang pencairan di atasnya, tanker LNG hanya bisa mengatur uap yang timbul (boil off) dari kargo, yang terjadi karena tidak ada insulasi yang 100% efisien, dengan mengeluarkan (venting) atau membakarnya pada boiler. Venting sangat jarang terjadi, yaitu biasanya hanya terjadi pada terbukanya safety valves. Jumlah maksimum untuk uap yang timbul pada umumnya sekitar 0,15% volume kargo per hari. Terdapat beberapa jenis penyimpanan kargo yang digunakan untuk tanker yaitu desain Moss (bulat), membran, serta prismatik. Sebagian besar tanker menggunakan kargo jenis Moss (bulat) akan dijelaskan mengenai kargo jenis Moss dan membran. 1. Desain Moss (bulat) Kapal dengan desain Moss memiliki kargo dangan bentuk bulat yang berdiri sendiri, umumnya terbuat dari aluminium, di mana tidak terdapat komponen struktur internal. Tangki tersebut ditopang dengan skirt silinder logam kontinu yang terhubung dengan garis tengah dengan ekstrusi khusus yang memungkinkan bentuk bulat tersebut mengembang dan berkontraksi secara bebas. Skirt nya sendiri dilas dengan struktur hull yang dirancang untuk menyerap defleksi kapal. Dapat 3

4 dilihat pada gambar 2.1 Desain Kargo Moss. Gambar 2.1 Desain Kargo Moss [10]. 2. Desain Membran Tangki dengan desain membran adalah sangat berbeda dengan bentuk Moss dalam hal penggunaan membran baja fleksibel untuk memuat kargo. Membran tersebut dikelilingi oleh material insulasi yang terhubung secara langsung dengan lambung (hull) ganda kapal. Berat kargo ditransfer melalui insulasi dan ditopang oleh struktur kapal. Desain membran biasanya terdiri dari membran utama dan kedua. Membran kedua mampu memuat kargo selama 15 hari, jika terdapat kegagalan membran pertama. Terdapat insulasi antara membran utama dan membran kedua serta antara membran kedua dengan lambung bagian dalam. Celah ini dibersihkan dengan Nitrogen dan terus menerus dimonitor keberadaaan gasnya maupun perubahan suhunya. Terdapat dua jenis desain tangki membran, sistem GazTransport, yang menggunakan membran utama invar dengan panel rata dan sistem Technigaz yang menggunakan membran stainless steel yang bergelombang. Desain baru yang berkembang saat ini, CS1, yang menggunakan kombinasi keduanya, sudah dikembangkan. Dapat dilihat pada gambar 2.2 sebuah gambar desain kargo membran. Gambar 2.2 Desain Kargo Membran [10] Kapal LNG yang biasanya digunakan memiliki kapasitas transportasi m 3. Tanker LNG umumnya relatif tidak menimbulkan polusi dibandingkan jenis kapal lainnya karena kemampuannya untuk membakar gas alam selain bahan bakar minyaknya yang digunakan untuk propulsi. Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP) Semakin majunya teknologi akan menuntut peningkatan dalam berbagai hal. Begitu pula dalam bidang power plant. Ketidakpuasan akan efisiensi dari satu cycle saja membuat para engineer berpikir untuk menggabungkan dua siklus dalam satu power plant, tetapi dengan media kerja yang berbeda. Dengan mengkombinasikan dua siklus menjadi satu, diharapkan keduanya akan saling melengkapi kelemahan dari masing-masing siklus. Salah satu bentuk penggabungan dua sistem menjadi satu adalah Combined cycle gas and steam turbine yang sering disebut dengan istilah Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP) Siklus ini umumnya dibagi menjadi dua yaitu Topping dan Bottoming Cycles. Topping cycle adalah siklus utama yang menghasilkan energi, sedangkan panas yang terbuang dari topping cycle akan digunakan untuk mengoperasikan Bottoming cycle pada tingkat suhu yang rendah. Ide ini dituangkan dalam sebuah design penggabungan gas turbine dan steam turbine (turbin uap) dalam satu sistem power plant [11]. Keuntungan utama dari sistem ini adalah penghematan energi sebesar 30% sampai 35% dibanding jika gas turbine ataupun steam turbine dipakai secara terpisah. Kondisi ini menjadi lebih menarik lagi seiring dengan perkembangan teknologi dari modern advanced gas turbine berbahan bakar gas alam yang mampu memberikan efisiensi thermal total pada suatu unit Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP) lebih dari 60%. Dengan efisiensi total sebesar ini memungkinkan bagi CCPP untuk kembali 4

5 bersaing dengan motor diesel. Terlebih lagi dengan adanya tuntutan akan emisi gas buang serendah mungkin, CCPP berbahan bakar gas alam akan lebih unggul. Teknologi saat ini sudah mampu untuk mengaplikasikan Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP) di kapal LNG carrier. Kombinasi dari tipe penggerak ini sangat tinggi, bahkan mampu mencapai 60%, lebih besar dari efisiensi diesel engine. Gas turbine juga mampu memanfaatkan Boil Off Gas (BOG) yang dikeluarkan akibat ekspansi muatan LNG carrier. Pemanfaatan Boil Off Gas (BOG) dan efisiensi yang tinggi dari CCPP (Combined Cycle Propulsion Plant) akan memberikan keuntungan tersendiri apabila diaplikasikan pada LNG carrier [11]. Gas Turbine (Turbin Gas) Turbin gas merupakan suatu mesin fluida penggerak mula yang mengubah energi termal menjadi energi kinetik, energi kinetik ini selanjutnya diubah menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros turbin. Putaran poros turbin dengan mekanisme beban yang akan digerakkan dapat dihubungkan secara langsung atau dengan bantuan roda gigi reduksi, tergantung pada jenis mekanisme beban yang digerakan. Komponen utama yang mendasari dari suatu sistem turbin gas dengan siklus terbuka adalah kompresor, ruang bakar (combustion chamber) dan turbin dengan susunan seperti Gambar 2.3. ini terdapat pada proses pemanasan fluida kerjanya. Jika pada siklus terbuka fluida dipanaskan melalui pembakaran bahan bakar, sedangkan pada siklus tertutup fluida dipanaskan melalui sebuah alat penukar kalor (heat exchanger). Selain itu, sisa fluida yang keluar dari turbin tidak langsung dilepas atau dibuang begitu saja, melainkan dimasukan kembali kedalam alat penukar kalor [2]. Namun, pada alat penukar kalor yang kedua ini fluida mengalami penurunan suhu bukan pemanasan seperti pada alat penukar kalor pertama. Penurunan suhu fluida ini dilakukan agar daya yang diperlukan untuk menggerakkan kompresor bisa diperkecil. Skema sistem turbin gas sederhana dengan siklus tertutup ditunjukkan pada Gambar 2.4. Gambar 2.4. Komponen utama sistem turbin gas dengan siklus tertutup [1] Klasifikasi Turbin Gas Turbin gas dapat diklasifikasikan ke dalam beberapa kategori berbeda yang diantaranya bergantung pada : arah aliran fluida yang dihasilkan, prinsip perubahan momentum fluidanya, aplikasinya dan lainlain [1]. Gambar 2.5 menunjukkan skema klasifikasi dari turbin gas tersebut Gambar 2.3. Komponen utama sistem turbin gas dengan siklus terbuka [1] Hal yang membedakan antara siklus turbin gas terbuka dan siklus turbin gas tertutup 5

6 TURBIN GAS ARAH ALIRAN FLUIDA PRINSIP PERUBAHAN MOMENTUM APLIKASI PENGGUNAAN AKSIAL RADIAL AKSIAL- RADIAL IMPULS REAKSI IMPULS- REAKSI PEMBAN GKIT LISTRIK TRANSPO RTASI INDUSTRI Gambar 2.5. Klasifikasi Turbin Gas Menurut arah aliran fluida yang memasuki turbin, maka turbin gas dapat dibagi atas: a. Turbin aksial, yaitu fluidanya mengalir dalam arah yang sejajar terhadap sumbu turbin. b. Turbin radial, yaitu fluidanya mengalir dalam arah yang tegak lurus terhadap sumbu turbin. c. Turbin radial-aksial, yaitu merupakan turbin dengan prinsip kerja kombinasi, di mana awalnya fluida mengalir dalam arah tegak lurus kemudian dilanjutkan dalam arah sejajar. Menurut prinsip perubahan momentum fluida kerjanya, maka turbin gas dibagi atas: a. Turbin impuls, yaitu turbin di mana proses ekspansi fluidanya (proses penurunan tekanan) hanya terjadi di dalam sudu-sudu tetapnya saja. Jadi, dalam hal ini tidak diharapkan terjadi penurunan tekanan di dalam sudu-sudu gerak. Meskipun demikian dalam kenyataannya penurunan tekanan (kecil) di dalam sudu gerak tak dapat dihindarkan karena adanya gesekan dan kerugian lainnya. b. Turbin reaksi, yaitu turbin di mana proses ekspansi fluidanya terjadi baik di dalam sudu tetap maupun sudu gerak. c. Turbin impuls-reaksi, yaitu turbin di mana proses ekspansi fluidanya kombinasi antara prinsip impuls dan reaksi. Berdasarkan aplikasi penggunaannya secara umum turbin gas dapat diaplikasikan pada: 1. Pembangkitan energi listrik 2. Pesawat terbang 3. Dunia industri 4. Kapal laut Siklus Brayton pertama kali diperkenalkan oleh George Brayton sekitar tahun 1870 dan sekarang siklus ini digunakan untuk turbin gas dimana proses kompresi dan ekspansi dilakukan oleh mesin yang berputar (rotating machinery). Turbin gas bisa beroperasi secara tunggal atau berdiri sendiri pada siklus terbuka (open cycle), dan dapat pula beroperasi bersama dengan turbin uap pada siklus gabungan (combined cycle). Gambar 2.6. (a)grafik T - s siklus turbin gas [1] (b) Grafik P - v siklus turbin gas [1] 6

7 Keterangan : 1-2 : Kompresi isentropis 2-3 : Pembakaran (pada tekanan konstan) 3-4 : Ekspansi isentropis (didalam turbin) 4-1 : Pengeluaran panas Udara masuk pada kondisi ambient (titik 1) melewati kompresor sehingga setelah melewati kompresor temperatur dan tekanan udara akan naik. Lalu udara bertekanan dan temperatur tinggi ini dicampur dengan bahan bakar di ruang bakar (titik 2) dan dibakar pada tekanan konstan. Gas panas hasil pembakaran masuk ke turbin dan diekspasikan sehingga menghasilkan tenaga putaran yang besar, dan gas yang telah melewati turbin akan mengalami penurunan suhu dan tekanan. Pada turbin gas dengan siklus terbuka gas yang telah mengalami penurunan suhu dan tekanan ini akan dibuang ke udara luar melalui cerobong, sedangkan pada siklus tertutup fluida kerja akan didinginkan melalui heat exchanger dan masuk kembali ke kompresor untuk mengulangi proses kembali dari titik 1. Steam turbine Turbin uap adalah suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial uap menjadi energi kinetik dan energi kinetik ini selanjutnya diubah menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros turbin. Poros turbin, langsung atau dengan bantuan roda gigi reduksi, dihubungkan dengan mekanisme yang digerakkan. Tergantung pada jenis mekanisme yang digerakkan, turbin uap dapat digunakan pada berbagai bidang industri, untuk pembangkit tenaga listrik, dan untuk transportasi. Pengubahan energi potensial uap menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros dilakukan dengan berbagai cara. Turbin uap dapat dioperasikan dengan memakai uap panas lanjut atau memakai uap basah. Untuk dapat menentukan penghematan proses tenaga uap, selain ukuran-ukuran utama turbin uap, seperti misalnya diameter roda turbin, jumlah tingkat, panjang sudu, dan penampang bagian-bagian yang mengantarkan uap, maka dipakai grafik/diagram perubahan keadaan uap air dalam T-s ataupun h-s. Secara umum, turbin uap diklasifikasikan ke dalam tiga jenis: impuls, reaksi, dan gabungan (impuls dan reaksi) [3], yang tergantung pada cara perolehan pengubahan energi potensial menjadi energi kinetik semburan uap. Klasifikasi Turbin Uap Turbin uap dapat diklasifikasikan ke dalam kategori yang berbeda-beda, yang misalnya dapat bergantung pada konstruksinya, proses penurunan kalor, kondisi-kondisi awal dan akhir uap dan pemakaiannya dibidang industri maupun transportasi. Gambar 2.5 menunjukkan skema klasifikasi dari turbin uap tersebut. TURBIN UAP TINGKAT TEKANAN ARAH ALIRAN UAP PRINSIP AKSI UAP PROSES PENURUNAN KALOR KONFIGURASI STANDAR Gambar 2.7 Klasifikasi Turbin Uap NEKATIN SATU AKSIAL RADIAL IMPULS REAKSI TEKANAN KONDENS EKSTRAKS HP single HP/LP tandem compoun HP/IP/2LP Cross Berdasarkan skema pada gambar 2.7 yang menjadi dasar pengklasifikasian turbin uap adalah tingkat tekanan, arah aliran uap, prinsip aksi uap, proses penurunan kalor, dan konfigurasi standar. Berikut adalah penjelasan berdasarkan dasar klasifikasi turbin uap. 7

8 Menurut jumlah tingkat tekanannya, maka turbin uap dibagi atas: a. Turbin satu tingkat dengan satu atau lebih tingkat kecepatan yang biasanya berkapasitas kecil. b. Turbin impuls dan reaksi nekatingkat, mempunyai banyak tingkat. Menurut perbedaan arah dari aliran uapnya, maka turbin uap dibagi atas: a. Turbin aksial, mengalir dalam arah yang sejajar terhadap sumbu turbin. b. Turbin radial, uapnya mengalir dalam arah yang tegak lurus terhadap sumbu turbin. Menurut prinsip aksi uapnya, maka turbin uap dibagi atas: a. Turbin impuls : energi potensial uapnya diubah menjadi energi kinetik di dalam nozel laluan yang dibentuk oleh sudu-sudu diam yang berdekatan, dan didalam sudu-sudu gerak energi kinetik uap diubah menjadi energi mekanis. b. Turbin reaksi : ekspansi uap diantara laluan sudu baik sudu pengarah maupun sudu gerak tiap-tiap tingkat berlangsung hampir pada derajat yang sama. Menurut proses penurunan kalornya, maka turbin uap dibagi atas: a. Turbin kondensasi (condensing turbin) : uap pada tekanan yang lebih rendah dari tekanan atmosfer dialirkan ke kondenser. b. Turbin tekanan lawan (back pressure turbin) : uap buang dipakai untuk keperluan industri dan pemanasan. c. Turbin ekstraksi (extraction turbine) : pada tingkat-tingkat tertentu pada turbin,uap diekstraksi untuk memenuhi kebutuhan sistem. Siklus Rankine adalah siklus ideal ada empat komponen utama dalam sebuah siklus turbin uap, yaitu : 1. Pompa 2. Boiler (Heat Exchanger) 3. Turbin uap 4. Kondensor Gambar 2.8. Siklus turbin uap (Rankine Cycle) [1] Gambar 2.9 Grafik T-s siklus turbin uap [1] Keterangan : 1-2 : Kompresi isentropis (didalam pompa) 2-3 : Penambahan panas di boiler 3-4 : Ekspansi isentropis (didalam turbin) 4-1 : Pengeluaran panas Air masuk ke dalam pompa (titik 1) sebagai saturated liquid dan setelah melewati pompa akan mencapai tekanan kerja yang berlaku di Boiler. Air masuk ke boiler sebagai compressed liquid (titik 2) dan meninggalkan boiler berupa superheated steam (titik 3). Boiler merupakan alat penukar kalor yang besar dimana panas berasal dari gas hasil pembakaran dan panas tersebut ditransfer ke air pada tekanan yang konstan. Panas akan merubah air menjadi superheated steam (uap panas lanjut). Uap akan masuk ke turbin uap dan diekspansikan, ekspansi ini akan menghasilkan tenaga listrik setelah poros turbin berputar dan menggerakkan generator listrik. Tekanan dan temperatur uap setelah melewati turbin akan turun lalu uap masuk ke dalam kondensor (titik 4). Pada keadaan ini biasanya uap sudah saturated liquid-vapor mixture, uap dikondensasikan pada tekanan yang tetap 8

9 dengan membuang panas pada media pendingin yang bisa berupa air laut. Setelah dikondensasikan uap berubah menjadi saturated liquid (cairan jenuh) dan masuk kedalam pompa kembali, begitu seterusnya menjadi kesatuan siklus. Steam turbine pada penggerak kapal merupakan alat mekanik yang mengkonversikan thermal energy di uap bertekanan menjadi mechanical work. Energi uap dikonversi ke mechanical work dengan expansion uap melalui turbine. Expansion terjadi melalui serangkaian fixed blades (nozzles) dan masing-masing row dari moving blades each row terhadap fixed blades, moving blades dinamakan stage. Moving blades berputar pada central turbine rotor dan fixed blades secara konsentrik dirancang didalam circular turbine casing yang secara mutlak dirancang untuk menjaga steam pressure. Steam turbine yang digunakan dalam combined cycle harus memiliki karakteristik yaitu efisiensi yang tinggi dan waktu yang sedikit dalam start up. Steam turbine dioperasikan sesuai dengan pengoperasian di darat. Steam turbine merupakan pilihan utama untuk penggerak dengan tenaga yang sangat tinggi. Keuntungannya adalah kecilnya getaran, berat yang ringan, space minimum dan rendahnya biaya perawatan. Keuntungan lainnya menggunakan steam turbine adalah gerakan memutar langsung sehingga torsi menjadi lebih besar pada poros propeller, tidak ada internal mechanical friction, dan oleh karena itu, tidak membutuhkan pelumasan internal. Mesin Diesel Mesin diesel merupakan salah satu jenis dari motor bakar dalam. Pada mesin diesel, penyalaan bahan bakar terjadi karena bahan bakar dinjeksikan ke dalam silinder yang berisi udara dengan kondisi temperature dan tekanan tinggi. Oleh sebab itu, mesin diesel disebut juga dengan mesin dengan penyalaan kompresi. Mesin dengan penyalaan kompresi ini menghasilkan emisi gas buang yang cukup tinggi dan berbahaya bagi kesehatan dan lingkungan sekitar. Kadar yang tinggi dari Nitrogen oksid (NOx), karbon monoksida (CO), karbon dioksida (CO2) dan partikel emisi lain yang berhubungan dengan bahan bakar diesel merupakan isu yang telah lama muncul. Akan tetapi, samapai saat ini penggunaan mesin diesel tetap menjadi idola dalam dunia transportasi maupun dunia industri. Hal ini dikarenakan karakteristik dari mesin diesel yang memiliki rasio kompresi tinggi sehingga mampu menghasilkan daya yang besar [12]. Sejarah Mesin Diesel [13] Seorang penemu / peneliti bernama street melakukan penelitiannya. Perkembangan motor pembakaran dalam(ice) pada tahun hasil dari perkembangan tersebut adalah motor diesel sekarang. Selanjutnya dikembangkan oleh seorang insinyur muda berkewarganegaraan perancis yang bernama Sadi Carnet pada tahun Idenya dijadikan dasar dalam perkmbangan motor diesel. Dia menyatakan bahwa udara murni yang dimampatkan tersebut dengan perbandingan 15:1 akan menghasilkan udara yang panas untuk menyalakan kayu kering. Udara yang digunakan untuuk pembakaran motor hendaknya dikompresikan dengan perbandingan yang besar sebelum dinyalakan. Dia juga menyatakan bahwa dinding silinder hendaknya didinginkan, karena panas dari dari pembakaran akan mempengaruhi kinerja motor. Pada tahun 1876 Dr. Nickolas Otto mebuat konstruksi motor pembakaran dalam 4 langkah yang menggunakan bahan bakar bensin menggunakan penyalaan api. Pada tahun 1892 seorang insinyur muda berkewarganegaraan german yang bernama Dr. Rudolf Diesel berhasil membuat motor penyalaan kompresi menggunakann bahan bakar serbuk batu bara menggunakan prinsip penyalan bahan bakar dan udara. Dengan perkembangan sistem pompa injeksi bahan bakar yang benar-benar dapat disebut mini oleh seorang penemu yang 9

10 berkewarganegaraan german bernama Robert Bosch pada tahun 1927 membebaskan motor diesel dari masalah memakan tempat. Sistem injeksi pompa Robert Bosch yang ukurannya mini dari karburator, beratnya ringan dan governer yang menyatu (built-in) sehingga tidak ada lagi sistem pengabutan udara yang banyak makan tempat untuk kompresor, pipa-pipa dan pengontrol klep. Pompa injeksi motor diesel dapat diatur sesuai pembebanan, sedangkan kondisi kecepatan motor dapat atau lebih baik dari karburator motor bensin. Dengan perkembangan pompa rotari yang lebih kecil penampilannya juga bobotnya yang lebih ringan yang dikembangkan oleh Vernon Rosa pada tahun 1950-an. Motor diesel akhirnya memasuki perkembangan pemakaian dan pemasaran yang lebih luas. Perkembangan lain dari motor diesel adalah dengan penambahan sebuah turbocarjer yaitu alat untuk memasukkan (memompakan) udara kedalam saluran masuk (intakemanifold). Pompa turbocarjer ini digerakkan oleh gas buang yang kedalam turbocarjer tersebut. Dengan adanya turbocarjer ini maka akan menurunkan asap gas buang. Akhirnya motor diesel seperti ini keadaanya sekarang menjadi motor yang benar-benar efisien, ringan dan bebas polusi udara. Tahun 1900 dengan menggunakan minyak kacang (bio diesel). Kemudian diperbaiki dan disempurnakan oleh Charles F. Kettering. Cara Kerja Mesin Diesel Secara Umum Ketika udara dikompresi suhunya akan meningkat (seperti dinyatakan oleh Hukum Charles), mesin diesel menggunakan sifat ini untuk proses pembakaran. Udara disedot ke dalam ruang bakar mesin diesel dan dikompresi oleh piston yang merapat, jauh lebih tinggi dari rasio kompresi dari mesin bensin. Beberapa saat sebelum piston pada posisi Titik Mati Atas (TMA) atau BTDC (Before Top Dead Center), bahan bakar diesel disuntikkan ke ruang bakar dalam tekanan tinggi melalui nozzle supaya bercampur dengan udara panas yang bertekanan tinggi. Hasil pencampuran ini menyala dan membakar dengan cepat. Penyemprotan bahan bakar ke ruang bakar mulai dilakukan saat piston mendekati (sangat dekat) TMA untuk menghindari detonasi. Penyemprotan bahan bakar yang langsung ke ruang bakar di atas piston dinamakan injeksi langsung (direct injection) sedangkan penyemprotan bahan bakar kedalam ruang khusus yang berhubungan langsung dengan ruang bakar utama dimana piston berada dinamakan injeksi tidak langsung (indirect injection). Ledakan tertutup ini menyebabkan gas dalam ruang pembakaran mengembang dengan cepat, mendorong piston ke bawah dan menghasilkan tenaga linear. Batang penghubung (connecting rod) menyalurkan gerakan ini ke crankshaft dan oleh crankshaft tenaga linear tadi diubah menjadi tenaga putar. Tenaga putar pada ujung poros crankshaft dimanfaatkan untuk berbagai keperluan. Dapat dilihat pada gambar sebuah siklus mesin diesel. suhu lingkungan yang sangat dingin proses multi pendingin campuran bisa menjadi pilihan optimal. Kebutuhan proses dan konfigurasi juga mempengaruhi pilihan. Gamabr 2.10 diagram siklus P-V mesin diesel [14] Penjelasan siklus P-V mesin diesel : - pada 1-3 terjadi pemampatan adiabatik - pada proses 3-3a langkah daya pertama ekspansi isobarik - pada proses 3a-4 terjadi ekspansi adiabatik - pada proses 4-1 terjadi penurunan suhu Klasifikasi Motor Diesel Menurut Bahan Bakarnya terbagi menjadi empat jenis sebagai berikut: 1. Motor diesel bahan bakar gas 2. Motor bahan bakar campuran (dual fuel diesel engines) 10

11 3. Motor bahan bakar ganda (bi fuel engines) 4. Motor bahan bakar kombinasi (multi fuel engines) Yang sering dijumpai dan digunakan pada penggerak kapal LNG adalah jenis mesin diesel dual fuel engines dikarnakan memanfaatkan Boil Off Gas (BOG) yang terjadi pada muatan LNG dalam kargo. Mesin Diesel Pada Kapal LNG (Dual Fuel) Sejauh ini mesin diesel masih menjadi pilihan utama berbagai tipe kapal karena tingginya efisiensi thermal, kemudahan instalasi, operasional, dan perawatannya. Dengan efisiensi thermal lebih dari 50% membuat slow speed diesel tetap superior di dunia perkapalan terlebih lagi dengan kemampuannya membakar bahan bakar berkualitas rendah semacam HFO bahkan residu. Namun untuk aplikasi di kapal pembawa LNG terjadi problem penggunaan diesel engine, antara lain : Perlu dump system terpisah untuk full evaporated LNG Teknologi Dual-fuel untuk Slow Speed diesel masih taraf pengembangan Slow speed diesel langsung di kopel ke propeller sehingga tidak memberi redundancy Dual fuel diesel engine merupakan jenis mesin diesel yang memanfaatkan dua bahan bakar dalam proses pembakarannya,yaitu menggunakan Boil Off Gas (BOG) pada LNG dan menggunakan bahan bakar minyak solar atau minyak bio diesel. PERBANDINGAN COMBINED CYCLE PROPULSION PLANT DAN MESIN DIESEL DUAL FUEL SEBAGAI SISTEM PENGGERAK KAPAL TANKER LNG Sistem Penggerak Kapal Sistem penggerak kapal terbagi menjadi tiga sistem penggerak kapal tiga sistem ini yang paling utama dalam penggerak kapal yaitu motor/mesin penggerak utama (main engine), sistem transmisi dan alat gerak (propulsor). Di dalam sebuah pengerak kapal terdapat beberapa tipe mesin pengerak seperti mesin pembakaran dalam (internal combustion engine) dan mesin pembakaran luar (external combustion engine), yang disebut dengan mesin pembakaran dalam adalah terjadinya proses pembakaran di dalam silinder contohnya adalah mesin otto dan mesin diesel untuk di kapal digunakan mesin diesel untuk tipe mesin pembakaran dalam dan yang disebut dengan mesin pembakaran luar adalah terjadinya proses pembakaran di luar silinder contohnya adalah turbin uap (steam turbine) dan turbin gas (gas turbine) untuk yang sering digunakan pada penggerak kapal adalah turbin uap tetapi ada juga mengunakan turbin gas untuk tipe mesin pembakaran luar. Sistem taransmisi dalam kapal berfungsi untuk menyambungkan gerakan dari mesin penggerak utama (main engine) ke pada alat gerak kapal (propulsor). Alat gerak kapal (propulsor) berfungsi untuk menggerakan kapal secara langsung yaitu baling-baling kapal. Motor/mesin penggerak utama Sistem transmisi Alat gerak (propulsor) Gambar 3.1 Diagram sistem penggerak utama pada kapal Sistem Penggerak kapal LNG Ada dua pertimbangan utama dalam pemilihan sistem penggerak di kapal kapal tipe LNG carrier, yaitu cooling system untuk menjaga agar gas tetap dalam fase cair, dan penanganan terhadap BOG (Boil Off Gas). Cooling system yang mampu mendinginkan fluida sampai dengan ( C) memerlukan sumber energi dari auxiliary plant yang besar. Sedangkan BOG (Boil Off Gas) dapat 11

12 ditangani secara efisien jika kapal memilih main engine yang mampu memanfaatkan BOG (Boil Off Gas) sebagai bahan baku utama. Produksi BOG (Boil Off Gas) yang dapat mencapai 0,15% perhari umumnya tidak mampu memenuhi kebutuhan bahan bakar kapal selama pelayarannya, karenanya kapal LNG carrier masih membawa tangki minyak sebagai bahan bakar tambahan sistem ini dikenal dengan nama dual fuel. Sistem penggerak pada kapal LNG carrier merupakan bagian yang sangat vital dalam pengoperasian kapal tersebut. Pemilihan sistem penggerak yang tepat dapat memberikan penghematan yang signifikan dalam operasionalnya. Umumnya, sistem penggerak kapal LNG konvensional menggunakan steam turbine. Efisiensi dari sistem penggerak steam turbine ini cukup rendah. Dengan demikian, dibutuhkan suatu inovasi teknologi sistem penggerak kapal LNG carrier yang mampu memberikan efisiensi yang tinggi sekaligus mampu menghemat bahan bakar. Yaitu dengan menggabungkan steam turbine dengan turbine gas yang disebut dengan Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP) agar bisa bersaing dengan mesin diesel dual fuel dalam kapal pengangkut LNG. Didalam penelitian ini dibahas tentang perbandingan CCPP dengan mesin diesel dual fuel dimana akan mencari tenaga (W) dari tiap mesin dan effisiensi thermal dari CCPP dan mesin diesel dual fuel, untuk lebih memperjelas susunan dari perhitungan CCPP dan diesel dual fuel dapat dilihat pada diagaram alur gambar 3.2. Menentukan nilai (W) pada turbin gas dan turbin uap Menentukan nilai (W) pada CCPP Menentukan Q in / Q HRSG pada CCPP Menentukan effisiensi thermal pada CCPP Mulai Perhitungan CCPP dan diesel dual fuel Selesai Menentukan nilai (Q out ) pada diesel dual fuel Menentukan nilai (W) pada diesel dual fuel Menentukan effisiensi thermal pada diesel dual fuel Gambar 3.2 Diagaram alur perhitungan CCPP dengan diesel dual fuel Sistem Penggerak CCPP Di sistem penggerak kapal menggunakan Combined Cycle Propulsion Plant atau yang disingkat dengan CCPP, LNG carrier yang berkapasitas 135,930 m 3 suplai daya total 9450 kw menggunakan dua siklus, yaitu siklus terbuka pada gas turbine dan siklus tertutup pada steam turbine. Berikut ini adalah data dari suatu kapal yang menggunakan penggerak CCPP dengan memanfaatkan Boil Off Gas (BOG) sebagai bahan bakar yang digunakan, sistem tanpa pembakaran tambahan WGTnet (tenaga output) dari gas turbine dengan temperatur yang masuk dari compresor 32 o C dan temperatur yang keluar dari compresor 447 o C dengan pressure 1 bar. Serta temperatur yang masuk ke turbin 847 o C pressure 1 bar dan 12

13 WSTnet (tenaga output) dari steam turbine dengan temperatur yang masuk ke turbin 447 o C dan temperatur yang keluar 32 o C dengan tekanan 1 bar sedangkan temperatur yang keluar dari pompa 197 o C tekanan 1 bar. Cara mencari tenaga (W) dari CCPP dan effisiensi thermalnya dengan persamaan : th = (3.2) Dengan : W GT = tenaga output pada turbin gas (kj/kg) W ST = tenaga output pada turbin uap (kj/kg) Q HRSG/in = Panas gas buang pada turbin gas (K) Di dalam gas turbine besarnya energi panas yang terkandung dalam exhaust gas yang diberikan kepada Heat Recovery Steam Generator (HRSG) = (Q HRSG/in) dapat diketahui dengan persamaan berikut ini : Heat Recovery Steam Generator Gas buang dari turbin gas yang bertemperatur tinggi (dengan temperatur diatas 500 o C) dialirkan melalui Heat Geat Recovery Steam Generator (HRSG). Didalam HRSG, exhaust gas dari turbin gas digunakan untuk memanaskan air, yang dialirkan pada pipa-pipa khusus untuk menghasilkan uap bertekanan tinggi dan uap bertekanan rendah. Proses pemanasan air di HRSG ini tidak menggunakan bahan bakar tambahan, jadi semata-mata menggunakan exhaust gas dari turbin gas. Prinsip kerja dari pembangkit uap berdasarkan siklus rankine. Prosesnya, air yang dihasilkan oleh kondensor dinaikkan tekanannya, kemudian dinaikkan suhunya sampai berubah fase menjadi uap kering yang bertekan dan bertemperatur tinggi kemudian diekspansi untuk menghasilkan kerja pada steam turbine. Q HRSG/in = m gb Cp gb (T gb -Ts) (K) (3.3) Dengan : T gb / T 4 compresor= temperatur gas buang (K) T s / T 1 compresor = temperatur stack (K) m gb = laju aliran gas buang (kg/dt) Cp gb = panas spesifik gas buang (kj/kg.k) Uap hasil produksi HRSG digunakan untuk menggerakkan turbin uap, uap dari saluran tekanan tinggi masuk ke turbin uap tekanan tinggi. Selanjutnya bersama-sama uap dari saluran tekanan rendah masuk kedalam turbin uap tekanan rendah dan dikondensasikan ke kondensor. Air kondensor dipanaskan kembali ke HRSG melalui proses seperti di awal sehingga kembali terbentuk uap untuk menggerakkan turbin uap. Gambar 3.3 Skema CCPP Mencari tenaga output pada turbin gas (W GT ) dapat diketahui dengan persamaan berikut ini : W GT = W t + W c (kj/kg) (3.4) Dengan : W c = kerja pada compresor (kj/kg) W t = kerja pada turbin (kj/kg) Untuk mencari (W) pada compresor padat mengunakan persamaan : 13

14 W c = h 2 - h 1 (kj/kg) (3.5) Untuk mencari (W) pada turbin padat mengunakan persamaan : W t = h 3 - h 4 (kj/kg) (3.6) Mencari tenaga output pada turbin uap (W ST ) dapat diketahui dengan persamaan berikut ini : W ST = W t + W p (kj/kg) (3.7) Dengan : W t = kerja pada turbin W p = kerja pada pompa (kj/kg) (kj/kg) Untuk mencari (W) pada turbin padat mengunakan persamaan : W t = h 7 h 8 (kj/kg) (3.8) Untuk mencari (W) pada pompa padat mengunakan persamaan : W p = h 6 h 5 (kj/kg) (3.9) Mencari Perhitungan Tenaga (W) Dan Effisiensi thermal Pada Penggerak Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP) Dari data yang ada bisa di dapat tenaga untuk Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP) dan effisiensi thermalnya Diketahui untuk sebuah turbin gas : - T 1 (compresor) 32 o C didapatkan h 1 = kj/kg (lampiran 1) - T 2 (compresor) 500 o C didaptkan h 2 = kj/kg (lampiran 1) - T 3 (turbin) 847 o C didaptkan h 3 = 1, kj/kg (lampiran 2) - h 2 = h 4 Diketahui untuk sebuah turbin uap : - T 7 (turbin) 500 o C didapatkan h7 = kj/kg (lampiran 1) - T 8 (turbin) 32 o C didapatkan h 8 = kj/kg (lampiran 1) - T 6 (pompa) 197 o C didapatkan h 6 = kj/kg (lampiran 1) - h 5 = h 8 a. Mencari W c pada compresor turbin gas menggunakan rumus pada persamaan (3.5) W c = h 2 - h 1 (kj/kg) = = kj/kg b. Mencari W t pada turbin gas menggunakan rumus pada persamaan (3.6) W t = h 3 - h 4 (kj/kg) = 1, kj/kg kj/kg = kj/kg c. Maka akan didapatkan tenaga untuk turbin gas setelah ditemukan tenaga compressor dan turbin pada turbin gas yang menggunakan rumus persamaan ( 3.4) W GT = W t + W c (kj/kg) = kj/kg kj/kg = kj/kg d. Mencari W t pada turbin uap menggunakan rumus pada persamaan (3.8) W t = h 7 h 8 (kj/kg) = kj/kg kj/kg = kj/kg e. Mencari W p pada pompa di turbin uap menggunakan rumus persamaan (3.9) 14

15 W p = h 6 h 5 (kj/kg) = kj/kg kj/kg = kj/kg f. Maka akan didapatkan tenaga untuk turbin uap menggunakan rumus persamaan ( 3.7) W ST = W t + W p (kj/kg) = kj/kg kj/kg = kj/kg g. Setelah di dapatkan perhitungan turbin gas dan utrbin uap untuk tenaga (W), Maka akan didapatkan tenaga (W) dari CCPP dengan persamaan rumus pada (3.1) Mencari laju aliran masa bahan bakar ( ) pada CCPP Diketahui : - Daya total (P) = 9.45 MW = 9.45 M J/sec = 9,450 kj/sec - Kerja (W) Pada CCPP = 1, kj/kg = = = kg/sec = kg/sec = 192,098,304 kg/ thn W CCPP = (W GT +W ST ) = = 1, kj/kg h. Mencari panas pada Heat Recovery Steam Generator (HRSG) menggunakan rumus pada persamaan (3.3), dimana telah di dapatkan data sebagai berikut: T gb = T 4 compresor = 500 o C = K Ts = T1 compresor = 32 o C = K Cp gb = kj/kg K m gb = 0.8 kg/dt Gambar 3.4 Diagram T S pada CCPP Q HRSG/in = m gb Cp gb (T gb -Ts) = 0.8 kg/dt kj/kgk ( K K ) = K i. Dan untuk mencari effisiensi thermal pada CCPP dapat digunakan rumus pada persamaan (3.2) th = = = 0.45 Gambar 3.5 Diagram P V pada CCPP 15

16 Penggerak Mesin Diesel Dual fuel pada kapal LNG Penggunaan Compressed Natural Gas (CNG) khususnya pada mesin diesel semakin meningkat. Mesin diesel yang menggunakan CNG sebagai bahan bakar pun ada 2 jenis, yaitu gas diesel dan dual fuel diesel engine. Gas diesel menggunakan CNG sebagai bahan bakar pengganti bahan bakar diesel, sehingga tidak ada bahan bakar selain CNG yang digunakan dalam pengoperasian mesin ini. Dual fuel diesel engine merupakan jenis mesin diesel yang memanfaatkan 2 (dua) bahan bakar dalam proses pembakarannya, yaitu CNG sebagai bahan bakar utama dan bahan bakar diesel konfensional digunakan sebagai penyala. Hal ini dikarenakan karakteristik CNG yang membutuhkan temperatur lebih tinggi untuk bisa terbakar secara sendiri (self ignition). Di sini akan dibahas tentang mesin diesel dual fuel engine mencari tenaga dan effisiensinya. Penggerak kapal menggunakan dual fuel diesel adalah salah satu dari penggerak mesin kapal LNG karna bahan bakar yang digunakan adalah Boil Off Gas (BOG) pada LNG dan minyak solar untuk pembakarannya. Pada motor diesel dual fuel, sejumlah kecil bahan bakar diesel disemprotkan untuk membantu terjadinya penyalaan gas. Gas merupakan bahan bakar utama sehingga emisi gas buang yang dihasilkan lebih baik dari pada diesel. Di mesin dual fuel ini cara bekerjannya ketika berjalan di gas, mesin dual fuel bertindak sesuai dengan prinsip Otto, saat gas dicampur dengan udara sebelum mulai kompresi (gambar), tekanan gas sekitar 5 bar sudah cukup. Ini tekanan gas dalam kisaran yang sama dengan tekanan gas di instalasi turbin uap. Dekat dengan pusat topdead jumlah yang sangat kecil bahan bakar minyak disuntikkan untuk memicu pengapian. Asalkan sistem pasokan gas yang memadai terinstal, mesin dual fuel dapat menerima semua gas kualitas terlihat pada pengiriman LNG. Selain berjalan di gas, mesin dual fuel dapat berjalan di bahan bakar minyak. Ketika berjalan di bahan bakar minyak, bertindak mesin dual fuel sebagai mesin diesel normal. Dapat dilihat sebuah gambar mesin dual fuel diesel pada kapal LNG Gambar 3.6 Dual-fuel bahan bakar mesin yang bekerja (modus gas) [10] Gambar 3.7 Mesin dual fuel diesel tipe Wärtsilä 6L50DF [10] Pada kapal LNG yang menggunakan mesin dual fuel diesel yang memiliki 18 silinder dengan daya total 39.6 MW untuk perangkat penggerak kapal berkapasitas 152,000 m 3. Terdapat temperatur awal 17 o C, temperatur pada saat pembakaran 177 o C dengan kalor yang masuk 1800 kj/kg, tekanan konstan kj/kg dan temperatur akhir 27 o C dan volume konstan kj/kg. Cara mencari tenaga (W) bersih pada mesin diesel dual fuel dan effisiensi thermalnya dengan persamaan : W net = q s + q r = C p (T 3 T 2 ) + C v (T 1 T 4 ) (3.10) = = (3.11) Untuk mencari kalor masuk dengan tekanan konstan dan kalor yang dibuang dengan volume konstan dapat menggunakan rumus persamaan Kalor masuk : q s = h 3 h 2 = C p (T 3 T 2 ) (3.12) Kalor dibuang : q r = u 3 u 2 = C v (T 1 T 4 ) (3.13) 16

17 Mencari Perhitungan Tenaga (W) Dan Effisiensi thermal Pada Diesel Dual Fuel Engine Dari data yang ada bisa di dapat tenaga (W) untuk Diesel Dual Fuel Engine dan effisiensi thermalnya Diketahui ssebuah mesin diesel dual fuel mempunyai : - T 1 (temperatur awal) = 17 o C = K - T 2 (temperatur pembakaran) = 177 o C = K - T 4 (temperatur akhir) = 27 o C = K - C p (tekanan konstan) = kj/kg - C v (volume konstan) = kj/kg - q s (panas kalor yang masuk) = 1,800 kj/kg a. Mencari T 3 pada pembakaran : th = = = = 0.74 e. Mencari laju aliran masa bahan bakar ( ) pada mesin diesel dual fuel Diketahui : - Daya total (P) = 39.6 MW = 39.6 M J/sec = 39,600 kj/sec - Kerja (W) Pada diesel dual fuel = 1, kj/kg = = = kg/sec = kg/dt T3 = T2 + = 450,15 + = 1,791 K = 1, o C b. Mencari kalor yang kelur q out /q r mengunakan persamaan rumus (3.13) q r = C v (T 1 T 4 ) = kj/kg ( kj/kg kj/kg) = kj/kg c. Dan di dapatkanlah perhitungan kerja pada mesin diesel dual fuel dengan persamaan rumus (3.10) setelah di dapatkan perhitungan kalor yang masuk dan kelur W net = q s + q r = 1,800 kj/kg + ( kj/kg) = 1, kj/kg d. Dan untuk mencari effisiensi pada mesin diesel dual fuel dapat menggunakan rumus persamaan (3.11) = 686,776,320 kg/ thn Boil off gas (BOG) terdapat 60 % yang digunakan untuk bahan bakar dan minyak solar 40 % pada bahan bakar. BOG = kg/sec = kg/sec = 412,065,792 kg/thn Solar = kg/sec = kg/sec = 274,710,528 kg/thn f. Laju aliran massa pada solar di dapat kg/sec akan di konversi menjadi debit aliran yang akan digunakan untuk penghematan biaya yaitu sebagai berikut : m Q = = ρ x Q Dimana : Q = debit aliran, m 3 /dt m = laju aliran massa, kg/dt ρ = massa jenis (solar), kg/m 3 17

18 Gambar 3.9 Diagram P V pada mesin diesel dual fuel jadi, Q = = = m 3 /sec = liter/sec g. Mencari biaya untuk solar selama setahun Asumsi biaya solar industri periode 15 s/d 28 Februari 2011 adalah Rp5.000,- / liter. [15] Jadi, biaya untuk solar selama setahun adalah : = liter/sec x Rp 5,000,- / liter = Rp 53,850.- / sec = Rp 53,850.- / sec = Rp 1,674,950,400,000.- / thn = Rp 1.6 triliun / thn Perbandingan Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP) dengan Diesel Dual Fuel Setelah didapatkan perhitungan dari penggerak mesin kapal LNG yang menggunakan combined cycle propulsion plant (CCPP) dengan mesin diesel dual fuel dapat dilihat perbandingannya secara matematis dan secara ekonomis. - Secara matematis Dapat dilihat pada tenaga (W) dan effisiensi thermal yang di dapatkan oleh masing masing penggerak dengan menggunakan Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP) dan yang menggunakan diesel dual fuel, dapat dilihat pada tabel 3.1. secara kemampuan mesin diesel dual fuel lebih baik secara matematis. Tabel 3.1. Perbandingan secara matematis pada CCPP dan diesel dual fuel Gambar 3.8 Diagram T S pada mesin diesel dual fuel - Secara ekonomis 1. Mesin yang menggunakan CCPP lebih baik dari mesin diesel dual fuel dikarenakan pada mesin CCPP gas buang tidak merusak lingkungan dikarenakan kadar 18

19 CO 2, NOx, dan SOx sangat rendah bakan tidak ada sedangkan pada mesin diesel dual fuel kadar pembuangan gasnya bisa merusak lingkungan dikarenakan mengandung CO 2, NOx, dan SOx yang cukup tinggi. 2. Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP) hanya menggunakan bahan bakar Boil Off Gas yang terjadi pada penguapan LNG, sedangkan pada mesin diesel dual fuel bahan bakar menggunakan Boil Off Gas yang terjadi pada penguapan LNG dan minyak solar. 3. Didalam perhitungan laju aliran masa bahan bakar didapatkan untuk CCPP adalah sebesar 192,098,304 kg/thn sedangkan untuk mesin diesel dual fuel untuk laju aliran masa bahan bakarnya sebesar 686,776,320 kg/thn, yaitu BOG sebesar 60% adalah 412,065,792 kg/thn dan solar 40% adalah 274,710,528 kg/thn 4. Jika menggunakan CCPP menghemat pengeluaran solar sebesar Rp 1,674,950,400,000.- / thn atau Rp 1.6 triliun/thn Jadi secara ekonomis mesin yang mengunakan dua turbin atau disebut dengan Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP) lebih baik dari pada mesin diesel dual fuel dari effisiensi bahan bakar dan lingkungan. KESIMPULAN Berdasarkan hasil dari penelitian tentang perbandingan antara penggerak kapal tanker LNG yang menggunakan Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP) dan yang menggunakan mesin diesel dual fuel dapat diambil beberapa kesimpulan : 1. Pada data yang menggunakan CCPP didapat data : - Di dapat dari perhitungan turbin gas yaitu tenaga output turbin gas (W GT ) = kj/kg - Dan pada perhitungan turbin uap terdapat tenaga output turbin uap (W ST ) = kj/kg - Maka didapatkanlah tenaga untuk penggerak kapal yang menggunakan Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP) yaitu (W CCPP ) = 1, kj/kg = 1.53 MJ/kg, didapat dari tenaga turbin gas ditambah tenaga turbin uap (W GT + W ST ). - Dan didapat panas pada Heat Recovery Steam Generator (HRSG) atau Q in pada CCPP adalah K - Selanjutnya didapatkan effisiensi pada CCPP yaitu sebesar th = Laju aliran masa bahan bakarnya didapat sebesar 192,098,304 kg/ thn 2. Pada data mesin diesel dual fuel di dapat data sebagai berikut : - Di dapatkan tenaga bersih mesin diesel dual fuel atau (W net ) = 1, kj/kg = 1.79 MJ/kg - Dan pada effisiensi thermalnya didalam mesin diesel dual fuel didapatkan th = Laju aliran masa bahan bakarnya di dapat sebesar kg/ thn Di bagi dua bahan bakar BOG (60%) = kg/thn dan solar (40%) = 274,710,528 kg/thn - Debit aliran solar sebesar = m 3 /sec - Biaya solar setahun didapat sebesar = Rp 1.6 triliun / thn. 3. Perinsip dari kerja penggerak kapal tangker LNG pada Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP) adalah penggabungan dua siklus untuk menjadi penggerak dengan masingmasing keguaannya turbin gas untuk 19

20 menghasilkan energi sedangkan panas yang terbuang masuk ke turbin uap untuk mengerakan turbin uap itu jadi dua siklus tersebut bila di gabungkan mendapat tenaga lebih beser dari pada harus terpisah penggunaanya. 4. Perinsip dari kerja mesin diesel dualn fuel pada pengerak kapal tangker LNG hampir sama seperti siklus diesel pada umumnya hanya pada diesel dual fuel ini bahan bakar utamanya adalah Boil Off Gas (BOG) dan minyak solar hanya sedikit untuk menghindari terjadi pembakar lebih cepet. 5. Hasil dari data yang didapat pada perhitungan CCPP dan sefesifikasinya dan perhitungan mesin diesel dual fuel dan sefesifikasinya bisa disimpulkan secara matematis dan ekonomis. Secara matematis mesin diesel dual fuel lebih baik dari CCPP sedangkan untuk ekonomis CCPP lebih unggul karna tidak perlu membawa bahan bakar minyak dan gas buang hampir ramah lingkungan dari pada diesel dual fuel. DAFTAR PUSTAKA 1. Cengel, Yunus A., Thermodynamics an Engineering Approach, McGraw-Hill, New York, Dietsel, Fritz., Turbin Pompa dan Kompressor, Terjemahan Dakso Sriyono, Erlangga, Jakarta, Pudjanarsa, Astu dan Djati Nursuhud., Mesin Konversi Energi, Andi, Yogyakarta, Moran, J., N., Michael, Howard, Shapiro., Termodinamika Teknik Jilid 1 edisi 4, Terjemahan Yulianto Sulistyo, Erlangga, Jakarta, Sudarman,. Siklus Daya Termal, Universitas Muhammadiyah Malang, Malang, Arismunandar, W., Pengantar Turbin Gas Dan Motor Propulsi, ITB, Bandung, Shlyakin, P., Turbin Uap (Steam Turbien), Erlangga, Jakarta, Liquefied Natural Gas (LNG), Sebuah Alternatif Transportasi Gas Alam, com/index.module=2054/energi_l NG_Transportasi_Gas_Alam.pdf, Tanggal Akses 17 Mei Penjelasan Tentang Boil Off Gas, m. Tanggal Akses 20 Mei Transportasi Pada LNG Carrier, com/index 3766/Transportasi LNG. Tanggal Akses 17 Mei Pemanfaatan Boil Off Gas Pada Combined Cycle Propulsion Plant, blic/its-undergraduate Paper. Pdf. Tanggal Akses 25 Mei Penjelasan Mesin Diesel, /Mesin_diesel. Tanggal Akses 28 juli Sejarah Mesin Diesel, historyour.blogspot.com/2010/10/sejarahmesin-diesel.html. Tanggal Akses 28 juli Prinsip Kerja Mesin Diesel, gudangilmu.org/2007/11/24/prinsipkerja-mesin-diesel. Tanggal Akses 28 juli Harga Solar non subsidi dan Industri Pertamina, Tanggal Akses 20 Februari