PRO S ID IN G 20 1 2 HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK PENGUKURAN EMISI UDARA NOx PADA PLTD SECARA REAL TIME BERBASIS MIKROKONTROLER Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin Jl. Perintis Kemerdekaan Km. 10 Tamalanrea - Makassar, 90245 Telp./Fax: (0411) 588111 e-mail: asuyuti06@yahoo.com Abstrak Listrik, selain memberi dampak positif bagi pembangunan, ternyata memberi ancaman bagi kehidupan manusia karena dalam pembangkitannya memberikan sumbangsi yang cukup besar terhadap pencemaran udara terutama untuk pembangkit listrik tenaga diesel (PLTD). Mengingat pentingnya menjaga kualitas udara maka pemantauannya dinilai perlu untuk dilakukan. Pada penelitian ini peneliti memantau emisi gas NOx dengan menggunakan sensor gas NOx berbasis mikrokontroler yang diletakkan pada saluran gas buang PLTD. Dengan informasi ini diharapkan dapat menjadi alat pertimbangan yang baik dalam mengambil kebijakan terhadap peningkatan kualitas lingkungan hidup. Kata Kunci:emisi udara, NOx, PLTD, mikrokontroller PENDAHULUAN Kualitas lingkungan yang baik merupakan komponen yang sangat penting bagi kehidupan manusia. Udara sebagai salah satu komponen lingkungan yang sangat penting dalam kehidupan, kualitasnya perlu untuk dijaga dan ditingkatkan sehingga dapat mendukung makhluk hidup terutama manusia bekerja secara optimal. Pencemaran udara saat ini sudah dalam kondisi memprihatinkan. Sumber pencemaran udara umumnya berasal dari berbagai kegiatan manusia antara lain industri, transportasi, perkantoran, dan perumahan. Pembangkit listrik dengan tenaga diesel mempunyai potensi dalam menimbulkan pencemaran udara. Pencemaran udara akibat pembakit listrik ini dapat berupa CO (karbon monoksida), SO 2 ( Sulfur oksida), NO x (nitrogen oksida), dan debu yang mengandung logam berat. Pencemaran udara oleh zat-zat ini memberikan dampak buruk berupa menurunya kualitas udara yang berdampak negatif pada kesehatan manusia. Mengingat pentingnya kualitas lingkungan yang baik maka pelestarian lingkungan dianggap perlu untuk dilakukan sebagai upaya untuk mengendalikan kegiatan yang berpotensi menimbulkan pencemaran atau kegiatan yang dapat merusak lingkungan hidup. Salah satu langkah awal yang dapat dilakukan adalah dengan mengetahui tingkat pencemaran udara yang dapat ditimbulakan oleh setiap kegiatan atau aktivitas dalam penelitian ini terkhusus pada Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD) sehingga setiap pelaku kegiatan dapat mengambil keputusan yang tepat dalam menjaga kelestarian lingkungan. TEORI PENUNJANG Alat pemantauan emisi PLTD ini bekerja dengan sistem dimana sensor-sensor yang diletakkan pada saluran gas buang PLTD akan mendeteksi O 2, CO 2, CO, NO x, SO 4, dan asap opasitas dari gas buang serta mendeteksi suhu dan kelembaban daerah tersebut. Nitrogen Dioksida (NO2) Oksida Nitrogen (NO x) adalah kelompok gas nitrogen yang terdapat di atmosfir yang terdiri dari nitrogen monoksida (NO) dan nitrogen dioksida (NO 2). Walaupun ada bentuk oksida nitrogen lainnya, tetapi kedua gas tersebut yang paling banyak diketahui sebagai bahan pencemar udara. Nitrogen monoksida merupakan gas yang tidak berwarna dan tidak berbau sebaliknya nitrogen dioksida berwarna coklat kemerahan dan berbau tajam. Nitrogen monoksida terdapat diudara dalam jumlah lebih besar daripada NO 2. Pembentukan NO dan NO 2 merupakan reaksi antara nitrogen dan oksigen diudara sehingga membentuk NO, yang bereaksi lebih lanjut Volume 6 : Desember 2012 Group Teknik Elektro ISBN : 978-979-127255-0-6 TE3-1
Pengukuran Emisi Udara NOx... dengan lebih banyak oksigen membentuk NO 2. Udara terdiri dari 80% Volume nitrogen dan 20% Volume oksigen. Pada suhu kamar, hanya sedikit kecendrungan nitrogen dan oksigen untuk bereaksi satu sama lainnya. Pada suhu yang lebih tinggi (diatas 1210 0 C) keduanya dapat bereaksi membentuk NO dalam jumlah banyak sehingga mengakibatkan pencemaran udara. Dalam proses pembakaran, suhu yang digunakan biasanya mencapai 1.210 1.765 0 C, oleh karena itu reaksi ini merupakan sumber NO yang penting. Jadi reaksi pembentukan NO merupakan hasil samping dari proses pembakaran. Oksida nitrogen seperti NO dan NO 2 berbahaya bagi manusia. Penelitian menunjukkan bahwa NO 2 empat kali lebih beracun daripada NO. Selama ini belum pernah dilaporkan terjadinya keracunan NO yang mengakibatkan kematian. Diudara ambien yang normal, NO dapat mengalami oksidasi menjadi NO 2 yang bersifat racun. Penelitian terhadap hewan percobaan yang dipajankan NO dengan dosis yang sangat tinggi, memperlihatkan gejala kelumpuhan sistim syarat dan kekejangan. Penelitian lain menunjukkan bahwa tikus yang dipajan NO sampai 2500 ppm akan hilang kesadarannya setelah 6-7 menit, tetapi jika kemudian diberi udara segar akan sembuh kembali setelah 4 6 menit. Tetapi jika pemajanan NO pada kadar tersebut berlangsung selama 12 menit, pengaruhnya tidak dapat dihilangkan kembali, dan semua tikus yang diuji akan mati. NO 2 bersifat racun terutama terhadap paru. Kadar NO 2 yang lebih tinggi dari 100 ppm dapat mematikan sebagian besar binatang percobaan dan 90% dari kematian tersebut disebabkan oleh gejala pembengkakan paru ( edema pulmonari ). Kadar NO 2 sebesar 800 ppm akan mengakibatkan 100% kematian pada binatang-binatang yang diuji dalam waktu 29 menit atau kurang. Pemajanan NO 2 dengan kadar 5 ppm selama 10 menit terhadap manusia mengakibatkan kesulitan dalam bernafas. Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD) Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD) ialah Pembangkit listrik yang menggunakan mesin diesel sebagai penggerak mula (prime mover). Prime mover merupakan peralatan yang mempunyai fungsi menghasilkan energi mekanis yang diperlukan untuk memutar rotor generator. Mesin diesel sebagai penggerak mula PLTD berfungsi menghasilkan tenaga mekanis yang dipergunakan untuk memutar rotor generator. Pembangkit Listrik Tenaga Diesel biasanya digunakan untuk memenuhi kebutuhan listrik dalam jumlah beban kecil, terutama untuk daerah baru yang terpencil atau untuk listrik pedesaan dan untuk memasok kebutuhan listrik suatu pabrik. Adapun bentuk dan bagian-bagian PLTD diperlihatkan pada gambar 1 di bawah ini: 2 8 2 3 6 5 7 1 4 Gambar 1. Pembangkit Listrik Tenaga Diesel 9 Dari gambar di atas dapat kita lihat bagian-bagian dari Pembangkit Listrik Tenaga Diesel, yaitu : 1) Tangki penyimpanan bahan bakar ; 2) Penyaring bahan bakar; 3) Tangki penyimpanan bahan bakar sementara (bahan bakar yang disaring); 4) Pengabut; 5) Mesin diesel; 6) Turbo charger; 7) Penyaring gas pembuangan; 8) Tempat pembuangan gas (bahan bakar yang disaring); 9) Generator. Prinsip Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Diesel adalah: 1) Bahan bakar di dalam tangki penyimpanan bahan bakar dipompakan ke dalam tanki penyimpanan sementara namun sebelumnya disaring terlebih dahulu. Kemudian disimpan di dalam tangki penyimpanan sementara (daily tank). Jika bahan bakar adalah bahan bakar minyak (BBM) maka bahan bakar dari daily tank dipompakan ke Pengabut (nozzel), di sini bahan bakar ISBN : 978-979-127255-0-6 Group Teknik Elektro Volume 6 : Desember 2012 TE3-2
PRO S ID IN G 20 1 2 HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK dinaikan temperaturnya hingga manjadi kabut. Sedangkan jika bahan bakar adalah bahan bakar gas (BBG) maka dari daily tank dipompakan ke convertion kit (pengatur tekanan gas) untuk diatur tekanannya; 2) Menggunakan kompresor udara bersih dimasukan ke dalam tangki udara start melalui saluran masuk (intake manifold) kemudian dialirkan ke turbocharger. Di dalam turbocharger tekanan dan temperatur udara dinaikan terlebih dahulu. Udara yang dialirkan pada umumnya sebesar 500 psi dengan suhu mencapai ±600 C; 3) Udara yang bertekanan dan bertemperatur tinggi dimasukan ke dalam ruang bakar (combustion chamber); 4) Bahan bakar dari convertion kit (untuk BBG) atau nozzel (untuk BBM) kemudian diinjeksikan ke dalam ruang bakar (combustion chamber); 5) Di dalam mesin diesel terjadi penyalaan sendiri, karena proses kerjanya berdasarkan udara murni yang dimanfaatkan di dalam silinder pada tekanan yang tinggi (35-50 atm), sehingga temperatur di dalam silinder naik. Dan pada saat itu bahan bakar disemprotkan dalam silinder yang bertemperatur dan bertekanan tinggi melebihi titik nyala bahan bakar sehingga akan menyala secara otomatis yang menimbulkan ledakan bahan bakar; 6) Ledakan pada ruang bakar tersebut menggerak torak/piston yang kemudian pada poros engkol dirubah menjadi energi mekanis. Tekanan gas hasil pembakaran bahan bakar dan udara akan mendorong torak yang dihubungkan dengan poros engkol menggunakan batang torak, sehingga torak dapat bergerak bolakbalik (reciprocating). Gerak bolak-balik torak akan diubah menjadi gerak rotasi oleh poros engkol (crank shaft). Dan sebaliknya gerak rotasi poros engkol juga diubah menjadi gerak bolak-balik torak pada langkah kompresi; 7) Poros engkol mesin diesel digunakan untuk menggerakan poros rotor generator. Oleh generator energi mekanis ini dirubah menjadi energi listrik sehingga terjadi gaya geral listrik (ggl). Pembangkit listrik dengan tenaga diesel mempunyai potensi dalam menimbulkan pencemaran udara. Sisa pembakaran yang dikeluarkan di cerobong asap yang telah melewati exhaust dapat berupa CO 2 (karbon dioksida), SO 2 (Sulfur oksida), NO x (nitrogen oksida),dan debu yang mengandung logam berat. Pencemaran udara oleh zat-zat ini memberikan dampak buruk berupa menurunya kualitas udara yang berdampak negatif pada kesehatan manusia. Mengingat pentingnya kualitas lingkungan yang baik maka pelestarian lingkungan dianggap perlu untuk dilakukan sebagai upaya untuk mengendalikan kegiatan yang berpotensi menimbulkan pencemaran atau kegiatan yang dapat merusak lingkungan hidup. Salah satu langkah awal yang dapat dilakukan adalah dengan mengetahui tingkat pencemaran udara yang dapat ditimbulkan oleh setiap kegiatan atau aktivitas dalam penelitian ini terkhusus pada Pusat Listrik Tenaga Diesel sehingga setiap pelaku kegiatan dapat mengambil keputusan yang tepat dalam menjaga kelestarian lingkungan. Model Sistem Kerja Peralatan Gas buang yang terdeteksi oleh sensor akan membuat perbedaan hambatan pada sensor sehingga akan mempengaruhi besaran tegangan keluaran. Tegangan output yang masih dalam bentuk analog dari sensor ini akan di konversi oleh ADC (analog/digital convertion) mikrokontroller menjadi data digital dan kemudian hasil pengukuran ini akan ditampilkan pada layar LCD yang telah disediakan. Selain itu data hasil pengukuran ini tersimpan pada memori eksternal yang selanjutnya dapat diproses di komputer sesuai informasi yang dibutuhkan. Blok diagram sistem kerja peralatan yang dibuat seperti gambar 2. LCD SALURAN GAS BUANG PLTD SENSOR GAS MIKROKONTROLLER MMC Gambar 2 : Blok Diagram Sistem Kerja Alat KOMPUTER Alat dan bahan (Hardware dan Software) penyusun sistem monitoring emisi udara secara real-time yang berbasis web dalam penelitian adalah Sensor emisi udara, Mikrokontroler AVR Atmega16, Port Parallel, Komputer Server, My SQL, Apache, PHP, AJAX da GPS. Pembuatan penyusun sistem monitoring emisi udara secara real-time yang berbasis web disusun seperti pada gambar 3. Volume 6 : Desember 2012 Group Teknik Elektro ISBN : 978-979-127255-0-6 TE3-3
Pengukuran Emisi Udara NOx... Gambar 3. Sistem Pemantauan Emisi Gas PLTD Sensor TGS 2201 TGS 2201 adalah sebuah sensor yang berfungsi mendeteksi gas hasil pembakaran bahan bakar diesel dan bensin yang dominan berupa NO x, CO, dan H 2. Karakteristik sensitivitas sensor ini terhadap gas NO x terlihat pada gambar 4. Gambar 4. Karakteristik Sensitivitas terhadap Temperatur NO x Seperti yang terlihat pada gambar 5, TGS 2201 ini membutuhkan 2 buah input tegangan : heater voltage (Vh) dan circuit voltage (Vc). Tegangan pemanas (Vh) dipasang untuk mengintegrasikan heater untuk menjaga elemen sensor pada temperature tertentu dimana sensor dapat bekerja optimal. Vc digunakan untuk mengukur tegangan output VRL1 dan VRL2 melalui RL1 dan RL2. Nilai output VRL1 dan VRL2 setara dengan konsentrasi gas NO x di udara. Nilai Rs dapat diperoleh dari persamaan : RS = Vc VRL RL VRL (1) ISBN : 978-979-127255-0-6 Group Teknik Elektro Volume 6 : Desember 2012 TE3-4
PRO S ID IN G 20 1 2 HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK Gambar 5. Rangkaian Dalam Sensor TGS 2201 HASIL DAN ANALISA Pada sistem monitoring emisi udara ini digunakan Mikrokontroller ATmega16 yang dihubungkan dengan port serial pada PC. Sensor yang digunakan yaitu GS Oxygen, Gas SO 2, TGS 2201, MQ 7, MQ 2, dan SHT 11. Rangkaian ditunjukkan pada gambar dibawah ini : Gambar 6. Rangkaian Sensor Emisi Udara menggunakan ATmega16 Hasil pengujian perangkat keras berupa respon perubahan tegangan yang ditampilkan pada LCD terhadap masukan berupa data gas dari sensor GS Oxygen, Gas SO 2, TGS 2201, MQ 7, MQ 2, dan SHT 11. Setelah dilakukan analisa terhadap sistem kerja perangkat keras dan diketahui bahwa perangkat keras yang dirancang telah mengukur kualitas udara bersih dan udara tercemar terhadap gas NOx. Adapun hasil pengukuran tersebut terlihat pada tabel 1 dan tabel 2. Tabel 1 : Tabel Hasil Pengamatan Untuk Udara Bersih WAKTU TGS2201 (Volt) 09.00 3,01 09.10 3,09 09.20 3,12 09.30 3,07 09.40 3,05 09.50 3,10 10.00 3,11 Volume 6 : Desember 2012 Group Teknik Elektro ISBN : 978-979-127255-0-6 TE3-5
Pengukuran Emisi Udara NOx... Suhu dan kelembaban berdasarkan BMKG Makassar adalah suhu berkisar 25 o C-30 o C dan kelembaban berkisar 80% - 90% Tabel 2. Tabel Hasil Pengamatan untuk Udara Tercemar WAKTU (menit ke-) TGS2201 (Volt) 0 3,13 10 2,99 20 2,85 30 2,82 40 2,79 50 2,65 60 2,65 Pengujian ini dilakukan dalam dua tahap yaitu pada tahap pertama dilakukan pengujian terhadap udara bersih yaitu pada keadaan normal (tidak ada proses pembakaran). Pada tahap ini data diambil setiap selang waktu 10 menit dan data yang dihasilkan hampir konstan pada masing-masing sensor. Untuk data selanjutnya diperoleh perbandingan Rs/Ro adalah masing masing 2,99; 3,35; 3,44; 3,52; 3,94, dan 3,94. Dari sini terlihat bahwa perbandingan Rs/Ro semakin meningkat sehingga berdasarkan karakteristik sensitivitas sensor ini, berarti konsentrasi NO x diudara semakin meningkat pula. Hasil pengamatan sensor TGS 2201 RL = 200 kω ; Ro = 45kΩ Rs = (5 3.13) 3.13 x 200 KΩ = 119,49 KΩ Perbandingan Rs/Ro = 119,49/ 45 = 2,66 Gambar 7. Grafik Hasil Pengamatan Sensor TGS 2201 SIMPULAN Peralatan yang dirancang telah diuji coba untuk PLTD dan bekerja dengan baik untuk pemantauan emisi gas PLTD. Tingkat pencemaran udara ternyata meningkat sebanding dengan lama waktu pembakaran bahan bakar diesel. Hal ini ditandai dengan NO x diudara. Alat ini dapat bekerja secara real time yang berarti data hasil pengukuran dapat diakses setiap saat dan dapat dijadikan data base pencemaran lingkungan yang diakibatkan oleh PLTD. DAFTAR PUSTAKA ISBN : 978-979-127255-0-6 Group Teknik Elektro Volume 6 : Desember 2012 TE3-6
PRO S ID IN G 20 1 2 HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK [1] Febby. 2009. Sistem Akuisisi Data Nirkabel Untuk Pemantauan Kualitas Udara Menggunakan Teknologi Circuit Switch Data. Univ Gunadarma. Jakarta [2] Hiskia dan Hermida I Dewa Putu, Pengembangan Sensor Gas Carbon Monocxide (CO) Berbasis SnO 2. Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi LIPI, Kampus LIPI Bandung. Bandung. 2006 [3] Hemando B. 2004. Wiring : Prototyping Physical Interaction Design, Interaction Design Institute Ivrea. [4] Sholihul. Mengenal Mikrokontoroler AVR ATMega 16. Komunitas elearning lmukomputer.comcopyright 2003-2008 IlmuKomputer.Com [5] Natasa Markovic, Aleksandar Stanimirovic, Leonid Stoimenov Sensor Web For River Water Pollution Monitoring and Alert sistem 12th AGILE International Conference on Geographic Information Science, 2009. [6] Jane K.Hart, Kirk Martinez, Environmental Sensor Networks : Arevolution in the earth sistem science? Elsevier, Eart-Science reviews, 2006. [7]. Wirawan, Sjamsjiar Rahman, Istas Pratomo, Design of Low Cost Wireless Sensor Networks-Based Environmal Monitoring Sistem for Developing Country Proceedings of APCC, 2008. [8] Eni Dwi Wardihani, Wirawan, The Impact of Sensor Range on The Detection Probability in The Random Deployment of Wireless Sensor Network, Proceedings of APCC, 2008. [9] Kirk Martinez, jane K.hart, Royan Ong, Environmental Sensor Networks, IEEE Komputer, Manuscrip, 2004. [10] L. Song & D.Hatzinakos, Architecture of Wireless Networks with Mobile sinks: Sparsely Deployed Sensors IEEE Trans. On Vehicular Technology, Vol.56 no.4, July 2007. [11] Mauro Bacci *, Costanza Cucci, Andrea Azelio Mencaglia and Anna Grazia Mignani, Innovative Sensors for Environmental Monitoring in Museums, Istituto di Fisica Applicata Nello Carrara (IFAC- CNR), 50019 Sesto Fiorentino, Firenze, Italy; 2008, www.mdpi.org/sensors/papers diakses 18 Februari 2011. [12] Nigel W.T. Quinn a,d,*, Ricardo Ortega b,c, Patrick J.A. Rahilly c, Caleb W. Royer, Use of environmental sensors and sensor networks to develop water and salinity budgets for seasonal wetland real-time water quality management, N.W.T. Quinn et al. / Environmental Modelling & Software xxx (2009) 1 14, www.elsevier.com/locate/envsoft diakses 19 Februari 2011. [13] Martinez, Kirk., Jane K. Hart, Royan Ong, Environmental Sensor Networks, IEEE KOMPUTER, (2004), http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp? arnumber=1323016 diakses 19 Februari 2011. Volume 6 : Desember 2012 Group Teknik Elektro ISBN : 978-979-127255-0-6 TE3-7
Pengukuran Emisi Udara NOx... ISBN : 978-979-127255-0-6 Group Teknik Elektro Volume 6 : Desember 2012 TE3-8