PEMODELAN KEDEPAN 2D DISTRIBUSI TERMAL KONDUKSI SISTEM PANAS BUMI MENGGUNAKAN METODE BEDA HINGGA

Transkripsi

1 PEMODELAN KEDEPAN 2D DISTRIBUSI TERMAL KONDUKSI SISTEM PANAS BUMI MENGGUNAKAN METODE BEDA HINGGA Candra Permana H., Irwan Ary Dharmawan, Kusnahadi Susanto, Imran Hilman * ABSTRAK PEMODELAN KEDEPAN 2D DISTRIBUSI TERMAL KONDUKSI SISTEM PANAS BUMI MENGGUNAKAN METODE BEDA HINGGA. Panas bumi merupakan salah satu energi terbarukan yang sedang dikembangkan. Energi panas bumi ini merupakan energi panas dari dalam bumi yang dibangkitkan oleh proses magmatisasi lempeng-lempeng tektonik. Besarnya potensi cadangan suatu lapangan panas bumi dapat digambarkan dengan beberapa parameter reservoir seperti temperatur, tekanan, dan entalpi yang merepresantikan energi panas yang terkandung di dalam fluida reservoir tersebut. Salah satu hal yang sangat penting dalam mempresentasikan sistem panas bumi adalah distribusi termal. Dalam penelitian ini dilakukan pemodelan kedepan distribusi termal konduksi pada sistem panas bumi dari top reservoir hingga ke permukaan. Penelitian ini bertujuan untuk memodelkan distribusi termal konduksi 2D dari top reservoir sistem panas bumi hingga ke permukaan bumi dengan membandingkan nilai suhu yang telah diketahui dan membandingkan perubahan distribusi temperatur tiap lapisan dengan dari suatu model real reservoir panas bumi. Pemodelan distribusi termal konduksi ini dilakukan dengan metode beda hingga. Hasil dari pemodelan ini adalah kontur distribusi termal, dimana distribusi termal pada pemodelan akan dibandingkan dengan perubahan lapisan pada model real reservoir panas bumi. Hasi perbandingannya adalah distribusi termal akan mengikuti perubahan konduktivitas pada model riil reservoir panas bumi. Kata kunci: metode beda hingga, konduktivitas termal ABSTRACT TWO DIMENSIONAL FORWARD MODELING OF GEOTHERMAL CONDUCTIVITY USING FINITE DIFFERENCE METHOD. Geothermal is a renewable energy that is being developed. Geothermal energy is heat froam within the earth s energy generated by the tectonic plates magmatisasi. The potential reserves of a geothermal field can be described by several reservoir parameters such as temperature, pressure, and entalpy represent the heat energy contained in the fluid reservoir. One very important thing to present a geothermal system is a thermal distribution. In the research do forward modeling of distribution thermal condution geothermal system from top reservoir to the surface. This research aims to model the distribution of the termal conduction 2D from top reservoir to the surface by comparing temperature the known value and compare the change in the temperature distribution of each layer with a real model of the geothermal reservoir. Modelling of thermal conductivity distribution is done with finite difference method. The results of this modeling is the contour of thermal distribution where the thermal distribution modeling will be compared with changes the real model layer reservoir Olkaria, Kenya. The results of the comparison is the distribution of thermal conductivity changes will follow the real model of geothermal reservoir. Keywords: Finite difference, thermal conductivity * Jurusan Fisika, FMIPA Universitas Padjadjaran Jatinangor, imran.hilman@phys.unpad.ac.id 134

2 Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir, 10 Oktober 2012 ( ) PENDAHULUAN Seiring perkembangan jaman, kebutuhan energi semakin meningkat. Saat ini kebutuhan energi masih didominasi oleh energi yang berasal dari fosil yaitu minyak bumi, gas dan batu bara, sedangkan cadangan energi fosil semakin menipis di dunia ini. Oleh karena itu untuk mengurangi ketergantungan dan untuk mengatasi berkurangnya pasokan energi fosil saat ini sedang dicari dan dikembangkan sumbersumber energi alternatif baru. Dalam hal ini, salah satu energi terbarukan yang dapat dikembangkan untuk mengatasi krisis energi dari fosil adalah energi panas bumi. ENERGI PANAS BUMI Energi panas bumi yang digunakan oleh manusia bukanlah energi yang berasal secara langsung dari magma. Manusia mengekstrasi air yang dipanaskan oleh magma sebagai sumber energi panasbumi. Energi inilah yang dipergunakan untuk beberapa macam keperluan, seperti pembangkit tenaga listrik, pemakaian langsung untuk kolam air panas dan sebagainya. Untuk memahami kondisi alamiah dan mengetahui keberadaan sumberdaya panas bumi, perlu dipelajari proses-proses yang menghasilkan anomali panasbumi tersebut. Secara umum dapat dikatakan proses yang menghasilkan pembentukan anomali panasbumi adalah proses transfer panas ke permukaan bumi yang disebabkan oleh magma. Proses ini akan menghasilkan anomali panasbumi yang disebabkan oleh aktivitas magmatik. Panas yang dibawa ini kemudian disimpan untuk sementara (kerangka skala umur geologi) di dalam kerak bumi dekat permukaan [1]. PERPINDAHAN KALOR Perpindahan panas pada suatu sistem panas bumi terjadi secara konduksi dan konveksi. Perpindahan panas secara konduksi adalah perpindahan panas melalui bahan akibat adanya iteraksi atomik atau molekul penyusun batuan tersebut dalam mantel. Proses perpindahan panas konveksi terjadi karena molekul penyusun batuan dapat berpindah atau dengan kata lain perpindahan panas diikuti oleh perpindahan massa. Kedua proses inilah yang dominan terjadi di dalam bumi. Perpindahan panas secara konduksi terjadi ketika panas melewati batuan, pada sistem panas bumi panas secara konduksi dapat terjadi ketika perpindahan panas dari batuan sumber panas melalui lapisan batuan impermeable hingga ke permukaan. Sedangkan perpindahan panas secara konveksi ketika melewati fluida, pada sistem panas bumi konveksi dapat terjadi di recharge area dan reservoir panas atau pada lapisan permeable. 135

3 Pemodelan Kedepan 2D Distribusi Termal Konduksi Sistem Panas Bumi... (Candra Permana, et.al.) Perilaku transfer panas konduksi pada lapisan batuan dijelaskan oleh persamaan differensial aliran panas konduksi 2D. Dimana rumus umum dari aliran panas konduksi 2D [2] adalah: (1) қ adalah difusitas panas (m 2.s -1 ) dengan rumus: (2) cp adalah kapasitas panas dan ρ adalah densitas setiap batuan, adalah konduktivitas termal suatu bahan (W.m -1.K -1 ) METODE PENELITIAN Pemodelan ini menggunakan metode beda hingga. Pemodelan kedepan distribusi temperatur sistem panasbumi terdiri dari tiga tahap. Tahap pertama adalah input data. Data yang diinput pada pemodelan kedepan ini yaitu ukuran mesh, model, dan nilai difusitas panas. Tahap kedua adalah melakukan perhitungan numerik suhu tiap titik pada mesh yang telah dibentuk. Tahap ketiga, setelah mendapatkan nilai suhu di tiap titik diskrit, kemudian dibuat kontur distribusi temperaturnya. Persamaan numerik distribusi temperatur konduksi 2-D, (3) MODEL Gambar 1. Model Bumi Homogen 136

4 Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir, 10 Oktober 2012 ( ) Gambar 2. Model Bumi Anomali Konduksi Gambar 3. Model Bumi Bumi Berlapis Gambar 4. Model geologi reservoir Olkaria, Kenya [9] HASIL DAN PEMBAHASAN Model pertama biasa dilakukan pada model yang sederhana. Model yang paling sederhana adalah model bumi homogen. Model bumi homogen ini dibuat pada kedalaman meter sampai 0 meter dan panjang model 4000 meter. Secara teoritis nilai suhu dari bawah permukaan akan semakin menurun di tiap kedalaman hingga ke permukaan. Hasil pemodelan distribusi termal bumi homogen dapat ditunjukkan pada gambar

5 Pemodelan Kedepan 2D Distribusi Termal Konduksi Sistem Panas Bumi... (Candra Permana, et.al.) Gambar 5. Kontur Distribusi Termal Konduksi Model Bumi Homogen Pada gambar 5 suhu awal pada kedalaman 1200 diset pada temperature 260 o C. Dapat dilihat dari gambar 5 bahwa ketika kedalaman semakin mendekati permukaan nilai suhu akan semakin berkurang dan terjadi penurunan suhu di setiap kedalaman merata di sepanjang lintasan. Hal ini menunjukkan tidak ada perbedaan konduktivitas di tiap kedalaman atau bisa disebut lapisan yang bersifat homogen. Model kedua adalah model bumi beranomali konduktivitas. Pada model ketiga ini diletakkan sebuah batuan beranomali dari batuan sekitarnya. Batuan beranomali ini mempunyai nilai konduktivitas lebih kecil dari dari batuan sekitarnya. Model bumi beranomali konduksi ini dibuat pada kedalaman meter sampai 0 meter dan panjang lintasan 4200 meter. Batuan beranomali konduktivitas diletakkan pada kedalaman 560 meter dibawah permukaan sampai 280 meter di bawah permukaan. Panjang dari batuan beranomali dari lintasan 1640 metere hingga 3280 meter. Hasil pemodelan distribusi termal anomali konduktif dapat ditunjukkan pada gambar 6. Gambar 6. Kontur Distribusi Termal Konduksi Model Anomali Konduksi (model contourf) 138

6 Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir, 10 Oktober 2012 ( ) Dari hasil kontur Gambar 6 terlihat perubahan distribusi termal konduksi dimulai pada kedalaman 1210 meter di bawah permukaan. Batuan anomali tersebut mengakibatkan distribusi termal konduksi pada daerah diatas batuan anomali menjadi berbeda dengan daerah disekitarnya, padahal batuan anomali hanya diletakkan hingga kedalaman 630 di bawah permukaan. Selain itu distribusi termal ketika melewati batuan beranomali konduktivitas menjadi lambat dikarenakan konduktivitas pada batuan beranomali bernilai kecil, sehingga seperti pada teori ketika aliran panas konduksi melewati batuan yang mempunyai nilai konduktivitas lebih kecil dari batuan sekitarnya maka laju aliran panasnya lebih lambat dari laju aliran panas di sekitarnya. Model ketiga adalah model bumi berlapis, dibuat pada kedalaman meter sampai 0 meter dan panjang lintasan 550 meter.pada model berlapis ini dibuat model bumi berlapis dengan 6 lapisan batuan yang mempunyai nilai konduktivitas: Lapisan pertama (2.8 W/m.K). Kedalaman lapisan pertama berkisar antara 0 hingga -300 meter di bawah permukaan. Lapisan kedua (2.2 W/m.K). Kedalaman lapisan kedua berkisar antara -150 hingga -650 meter di bawah permukaan. Lapisan ketiga (3.2 W/m.K). Kedalaman lapisan ketiga berkisar antara -500 hingga meter di bawah permukaan. Lapisan keempat (1.7 W/m.K). Kedalaman lapisan keempat berkisar antara -850 hingga meter di bawah permukaan. Lapisan kelima (2.4 W/m.K). Kedalaman lapisan kelima berkisar antara hingga meter di bawah permukaan. Lapisan keenam (1.7 W/m.K). Kedalaman lapisan keenam berkisar antara hingga meter di bawah permukaan.selain berlapis model bumi ini diletakkan sebuah batuan beranomali dari batuan sekitarnya pada kedalaman -950 meter 1400 meter,dan pada panjang lintasan 750 meter hingga 1250 meter. Hasil pemodelan distribusi termal bumi berlapis dapat ditunjukkan pada Gambar 7. (b) Gambar 7. Kontur Distribusi Termal Konduksi Model Bumi Berlapis (model contourf) Dari hasil kontur Gambar 7 terlihat pada hasil kontur dsitribusi termal pada lapisan berlapis tetapi mendatar tidak terlihat perubahan yang cukup besar pada distribusi termal,terlihat pada kedalaman meter hingga pada panjang 139

7 Pemodelan Kedepan 2D Distribusi Termal Konduksi Sistem Panas Bumi... (Candra Permana, et.al.) lintasan meter,tetapi ketika lapisan berlapis terjadi perubahan secara vertikal distribusi termal terjadi perbedaan yang cukup besar antar lapisan seperti pada kedalaman meter hingga -950 pada panjang lintasan 750 meter hingga 1250 meter dikarenakan ada sebuah batuan anomali. Lalu pada panjang lintasan 2900 hingga 4000 meter di kedalaman -1400meter hingga 0 meter distribusi termal terlihat berbeda di setiap kedalaman dikarenakan ada lapisan berlapis yang memeiliki perubahan vertikal. Model kelima adalah model subsurface stratigrafi reservoir Olkaria, Kenya, Untuk menunjukkan bagaimana model distribusi termal konduksi pada keadaan geologi real suatu sistem panasbumi, maka dari itu model ini dibuat. Kedalaman dari model geologi Oklraia reservoir adalah meter dibawah permukaan laut. Panjang lintasannya 4000 meter. Hasil dari model aliran panas konduksi pada oklaria reservoir dapat dilihat pada gambar 8. Gambar 8. Kontur Distribusi Termal Konduksi Model subsurface stratigrafi reservoir Olkaria (model contourf). Terlihat dari hasil distribusi temperatur model reservoir Olkaria, pada model struktur reservoir di kedalaman 0 mdpl dan panjang lintasan 550 m terjadi patahan vertikal sampai ke kedalaman 1800 mdpl dan panjang lintasan 450 m, patahan tersebut terindikasi juga pada kontur distribusi temperatur konduksi model reservoir Olkaria berupa perubahan distribusi termal dari satu titik ke titik lain. Selain pada daerah tersebut, pada model struktur reservoir di kedalaman 900 mdpl dan panjang lintasan 3000 m terjadi patahan vertikal sampai ke kedalaman 1600 mdpl dan panjang lintasan 3200 m, patahan tersebut terindikasi juga pada kontur distribusi temperatur konduksi model reservoir Olkaria perubahan distribusi termal dari satu titik ke titik lain. 140

8 Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir, 10 Oktober 2012 ( ) KESIMPULAN 1. Metode beda hingga telah berhasil memodelkan distribusi termal konduksi 2-D pada sistem panas bumi, hasilnya adalah contour distribusi termal.. 2. Hasil dari distribusi temperatur dapat mengindikasikan adanya anomali konduktivitas termal pada lapisan seperti patahan atau anomali konduktivitas termal. DAFTAR PUSTAKA 1. SANTOSO, DJOKO, Catatan Kuliah Eksplorasi Energi Geothermal. Bandung: Penerbit ITB, ARIF ISMUL HADI DAN REFRIZON, Distribusi Sumber Panas Bumi Berdasarkan Survai Gradien Suhu Dekat Permukaan Gunungapi Hulu Lais, Jurnal Gradien 1(2) Juli (2005) SUPRIYANTO, Metode Finite-Difference untuk Problem Linier, Lab. Komputer, Departemen Fisika, Universitas Indonesia, CORNEL OTIENO OFWONA, A Reservoir Study Of Olkaria East Geothermal System Kenya, United Nations University, Geothermal Training Programme Reykjavík, Iceland Report Published in September DAFTAR RIWAYAT HIDUP 1. Nama : Candra Permana Hardiansah 2. Instansi / Unit Kerja : Fisika Universitas Padjajaran 3. Pekerjaan / Jabatan : Mahasiswa 4. Riwayat Pendidikan : S1 Fisika Universitas Padjajaran 5. Pengalaman Kerja : - 6. Organisasi Profesional : SEG Unpad SC 7. Publikasi Ilmiah yang pernah disajikan/diterbitkan :- 141