Proseding Seminar Nasional Fisika dan Aplikasinya Sabtu, 19 November 2016 Bale Sawala Kampus Universitas Padjadjaran, Jatinangor OPTIMALISASI MODEL PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA PANAS BUMI TERINTEGRASI DENGAN MEMANFAATKAN BRINE HASIL FLASHING MUHAMAD RIDWAN HAMDANI *, CUKUP MULYANA, RENIE ADINDA PITALOKHA, ASWAD H. SAAD Prodi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Padjadjaran Jl. Raya Bandung-Sumedang Km 21, Jatinangor 45363 Abstrak. Penelitian mengenai pemanfaatan brine hasil flashing pada pembangkit listrik tenaga panas bumi sistem dominasi air telah banyak dilakukan, salah satunya adalah pemembuatan model pembangkit listrik terintegrasi yang menghasilkan daya sebesar 260,01MW dengan melakukan flashing kedua pada brine tersebut. Hasil dari flashing kedua ini dimanfaatkan sebagai pemanas pada pembangkit binary cycle. Namun terdapat beberapa hal yang harus diperbaiki, diantaranya jumlah fluida kerja organik yang digunakan sangat besar, yaitu 1.641ton/jam, dan brine yang keluar dari unit binary cycle masih memiliki enthalpy yang cukup tinggi. Tujuan penelitan ini adalah memodifikasi model pembangkit listrik terintegrasi dengan memanfaatkan brine hasil flashing sehingga diperoleh model yang lebih optimal. Digunakan HYSYS 7.1. dalam pembuatan model tersebut. Pada penelitian ini telah dibuat tiga model modifikasi pembangkit listrik terintegrasi yang lebih optimal. Ketiga model tersebut menghasilkan daya total yang lebih besar yaitu 263,07MW untuk model modifikasi 1, 293,09MW untuk model modifikasi 2, dan 293,09MW untuk model modifikasi 3. Selain itu jumlah fluida kerja organik yang digunakan lebih sedikit, yaitu 1.455ton/jam untuk model modifikasi 1, 1.116ton/jam untuk model modifikasi 2, dan 1.116ton/jam untuk model modifikasi 3. Secara keseluruhan efisiensi termal pembangkit yang dihasilkan lebih besar kecuali unit binary cycle pada model modifikasi 1 yang hanya mencapai 13,01%. Kata kunci : flashing, binary cycle, HYSYS, model terintegrasi, optimal Abstract. One of the brine utilization researches is the integrated geothermal power plant model that resulting in 260.01MW power. In this model, the wasted brine was flashed in the second flasher, and the other brine from this second flashing process was used for evaporating the organic working fluid in binary cycle units. However, there were several things that should be fixed, including a huge number of mass flow of organic working fluid, which no less than 1,299 ton/hour, and the injected brine from binary cycle still has high number of enthalpy. The aim of this research is modifying the integrated geothermal power plant model by utilizing brine from flashing process to gain the more optimum models. HYSYS 7.1. was used to design the models. This research was produced three modification models of integrated geothermal power plant, there are modification model 1, modification model 2, and modification model 3. The greater power has been resulted by these models, 1.17% for the first model, 12.72% for the second, and 12,72% for the third. Moreover, fewer number of organic working fluid was used, 11.32%, 31.99%, and 31.99% for the first, the second, and the third models, respectively. Generally, the thermal efficiency was greater, except the binary cycle unit in the first model which has 13.01%. Keywords : brine, flashing, binary cycle, integrated power plant model, HYSYS 7.1 * email : hamdanimuhamad12@gmail.com Kode Artikel: FE-05 ISSN: 2477-0477
Muhamad Ridwan Hamdani dkk. 1. Pendahuluan Sistem panas bumi di Indonesia umumnya merupakan sistem hydrothermal yang mempunyai temperatur tinggi, >225 o C, dan hanya beberapa di antaranya yang bertemperatur sedang, yaitu 150 o C 225 o C[1]. Apabila fluida panas bumi yang keluar dari kepala sumur berupa campuran fasa uap dan air, kedua fasa tersebut dipisahkan terlebih dahulu sehingga diperoleh fasa uap yang kemudian dialirkan ke turbin, dan fasa cair (brine) yang diinjeksikan kembali ke bumi. Temperatur dan tekanan brine yang diinjeksikan ke bumi biasanya masih cukup tinggi yaitu sekitar 180 o C dan 10bar[2], sehingga dapat dijadikan sebagai sumber energi tambahan pada unit pembangkit listrik lainnya. Salah satu penelitian mengenai pemanfaatan brine hasil flashing telah dilakukan oleh Cukup Mulyana[3], yaitu membuat model pembangkit listrik terintegrasi dengan melakukan flashing kedua pada brine tersebut dan hasil dari flashing kedua ini dimanfaatkan kembali sebagai sumber panas pada pembangkit sistem binary cycle. tersebut ditunjukkan oleh Gambar 1. Secara keseluruhan, dihasilkan daya total sebesar 260,01MW dengan penambahan daya sebesar 24,5% dari daya semula (daya dari unit pembangkit single-flash). Terdapat beberapa hal yang sangat penting untuk diperhatikan pada model pembangkit listrik tenaga panas bumi terintegrasi tersebut. Pertama, jumlah brine yang digunakan sebagai pemanas pada pem bangkit binary cycle Unit 5 dan Unit 6 masih sangat besar, yaitu 2.667 ton/jam, sehingga mengakibatkan jumlah laju alir massa fluida kerja organik yang diperlukan menjadi sangat besar, yaitu 1.229 ton/jam. Dalam hal penukaran panas, bila jumlah laju alir massa fluida yang mengalir sangat besar maka diperlukan ukuran heat exchanger yang sangat besar. Kedua, brine hasil flashing kedua masih memiliki tekanan dan temperatur yang cukup tinggi, yaitu 6,99bar dan 165 o C, sehingga masih bisa dimanfatkan untuk membangkitkan energi pada unit pembangkit baru. Oleh karena itu, perlu adanya optimalisasi terhadap model pembangkit yang telah dibuat sehingga dapat diperoleh model pembangkit listrik yang optimal, yaitu pembangkit yang menghasilkan daya yang lebih besar dan penggunaan fluida kerja organik yang lebih sedikit. Tujuan dari penelitian ini adalah memodifikasi model pembangkit listrik terintegrasi untuk mengoptimalkan pemanfaatan brine hasil flashing dan fluida kerja organik yang digunakan agar diperoleh model pembangkit listrik terintegrasi yang lebih optimal. 2. Metode Penelitian Tiga modifikasi model pembangkit listrik terintegrasi dibuat pada penelitian ini. Dalam pembuatannya, digunakan software HYSYS 7.1. Data yang digunakan dalam pembuatan ketiga model modifikasi tersebut ditunjukkan pada Tabel 1. Modifikasi dilakukan agar diperoleh model pembangkit yang lebih optimal, yaitu dengan sumber fluida panas bumi yang sama dapat diperoleh daya dan efisiensi yang lebih besar, namun fluida kerja organik yang digunakan lebih sedikit. 54
Optimalisasi Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi Terintegrasi dengan pertama dibuat dengan melakukan modifikasi pada model pembangkit listrik terintegrasi dengan membagi percabangan pada brine yang keluar dari Flashing Separator (hasil dari proses flashing kedua) menjadi empat cabang. Brine dari masing-masing percabangan tersebut digunakan sebagai sumber panas pada pembangkit listrik sistem binary cycle unit 5 hingga unit 8. kedua dibuat dengan menambahkan flashing ketiga pada brine yang keluar dari Flashing Separator (hasil dari proses flashing kedua). Fasa campuran hasil flashing ketiga tersebut dipisahkan menggunakan separator, sehingga fasa uapnya dialirkan menuju turbin pada unit pembangkit baru, yaitu unit 5, sedangkan brine hasil separasinya dibagi menjadi empat cabang. Masing-masing dari percabangan tersebut digunakan sebagai sumber panas pada pembangkit listrik sistem binary cycle unit 6 hingga unit 9. Modifikasi ketiga dilakukan di bagian unit single flash, yaitu dengan melaklukan flashing kedua pada masing-masing brine hasil flashing pertama yang keluar dari separator. Fasa uap hasil dari masing-masing flashing kedua digabungkan dan dialirkan untuk memutar turbin pada unit pembangkit baru, yaitu unit 4. Masing-masing brine hasil flashing kedua di-flash ulang, dan fasa uap hasil flashing tersebut digabungkan dan dialirkan menuju turbin pada unit baru, yaitu unit 5, sedangkan brine hasil flashing ketiga tersebut masing-masing digunakan sebagai sumber panas pada unit binary cycle unit 6 hingga unit 8. Fluida kerja organik yang digunakan dipilih berdasarkan aspek termodinamika, kesehatan, keamanan, dan dampak lingkungannya[4-6]. Fluida kerja organik yang digunakan adalah isopentane yang merupakan fluida kerja yang paling optimal dibandingkan dengan fluida kerja organik lainnya untuk rentang temperatur brine 80 o C-160 o C[6]. Jenis sistem binary cycle yang digunakan adalah binary cycle yang menggunakan recuperator yang dapat meningkatkan temperatur fluida kerja ketika akan memasuki pre-heater sehingga temperatur brine yang akan diinjeksikan menjadi lebih tinggi. Hal ini akan mencegah terjadinya endapan silica di sumur injeksi. Adanya recuperator tidak akan menambah daya keluaran turbin, tetapi akan meningkatkan efisiensi meskipun menggunakan sumber panas dari fluida panas bumi yang lebih rendah[7]. Tabel 1. Data parameter input pada modifikasi pembangkit listrik tenaga panas bumi terintegrasi. Parameter Nilai Temperatur fluida panas bumi di kepala sumur ( o C) 180 Tekanan fluida panas bumi di kepala sumur (bar) 10 Laju alir massa fluida panas bumi (ton/jam) 2300 Kualitas uap panas bumi (%) 20 Fluida kerja organik Isopentane 3. Hasil dan Pembahasan Pembangkit listrik terintegrasi model modifikasi 1, modifikasi 2, dan modifikasi 3 ditunjukkan pada Gambar 2., Gambar 3., dan Gambar 4. Ketiga model tersebut menggunakan sumber panas bumi yang sama namun menghasilkan daya, jumlah laju alir massa fluida kerja organik, dan efisiensi thermal pembangkit yang berbeda. Tabel 2. menunjukkan perbedaan nilai efisiensi thermal yang dihasilkan oleh masing-masing unit pada seluruh model terintegrasi hasil modifikasi. Perbedaan jumlah daya yang dihasilkan dan laju alir massa fluida kerja organik ditunjukkan 55
Muhamad Ridwan Hamdani dkk. pada Tabel 3. Dapat diketahui bahwa secara keseluruhan, model modifikasi 1, 2, dan 3 memiliki nilai efisiensi thermal yang lebih besar dibandingkan dengan model terintegrasi terdahulu[3]. Efisiensi thermal untuk Unit 1 sampai Unit 4 pada model modifikasi 1, 2, dan 3 memiliki nilai yang sama. Unit 5 pada model modifikasi 2 dan model modifikasi 3 merupakan unit triple-flash dan keduanya menghasilkan daya dan efisiensi thermal yang sama. Unit binary cycle memiliki nilai efisiensi thermal pembangkit yang berbeda. Pembangkit binary cycle yang mengasilkan nilai efisiensi terbesar adalah model modifikasi 2 sebesar 15,76%, sedikit berbeda dengan model modifikasi 3 sebesar 15,33%. Berdasarkan Tabel 2. dapat diketahui bahwa daya terbesar dihasilkan oleh pembangkit model modifikasi 2 dan model modifikasi 3, yaitu sebesar 293,09MW. Jumlah fluida kerja organik total yang digunakan pada kedua model tersebut merupakan yang paling rendah dibandingkan model lainnya, yaitu 1.116ton/jam Gambar 1. pembangkit listrik tenaga panas bumi terintegrasi [3]. Gambar 2. modifikasi 1 pembangkit listrik tenaga panas bumi terintegrasi. 56
Optimalisasi Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi Terintegrasi dengan Gambar 3. modifikasi 2 pembangkit listrik tenaga panas bumi terintegrasi Gambar 4. modifikasi 3 pembangkit listrik tenaga panas bumi terintegrasi. Tabel 2. Perbandingan nilai efisiensi termal pembangkit untuk ketiga model terintegrasi Parameter 1 2 3 Terdahulu [3] Unit 1 20,31% 20,31% 20,31% 19,71% Unit 2 20,31% 20,31% 20,31% 19,71% Unit 3 20,31% 20,31% 20,31% 19,71% Unit 4 18,93% 18,93% 18,93% 18,3% Unit 5 13,05% 16,7% 16,7% 11,37% Unit 6 13,05% 15,76% 15,33% 14,25% Unit 7 13,05% 15,76% 15,33% Unit 8 13,05% 15,76% 15,33% - Unit 9-15,76% - Berdasarkan hasil yang telah diperoleh, dapat diketahui bahwa model terintegrasi hasil modifikasi merupakan model pembangkit yang lebih optimal dibandingkan dengan model terintegrasi terdahulu[3]. Hal ini didasarkan pada tiga poin utama 57
Muhamad Ridwan Hamdani dkk. hasil penelitian sebagai berikut. Ditinjau dari peningkatan daya total, dibandingkan dengan model terintegrasi terdahulu[3], daya pada model modifikasi 1, 2, dan 3 meningkat dengan nilai peningkatan daya 1,17%, 12,72%, dan 12,72%. Ditinjau dari jumlah fluida kerja organik yang digunakan, penggunaan pada ketiga model modifikasi lebih sedikit dengan pengurangan jumlah fluida kerja organik sebesar 11,32% untuk model modifikasi 1, 31,99% untuk model modifikasi 2, dan 31,99% untuk model modifikasi 3. Ditinjau dari efisiensi thermal pembangkit, berdasarkan Tabel 4.10., secara keseluruhan setiap unit pada model pembangkit terintegrasi hasil modifikasi memiliki nilai yang lebih besar, kecuali unit binary cycle pada model terintegrasi 1 memiliki efisiensi yang lebih kecil bila dibandingkan dengan unit binary cycle pada model terintegrasi terdahulu[3]. Tabel 3. Perbandingan jumlah daya bersih dan laju alir massa fluida kerja organik. Unit Terintegrasi 1 Terintegrasi 2 Terintegrasi 3 Terdahulu [5] 1 72,1 MW 72,1 MW (1) 72,1 MW (1) 69,97 MW (1) 2 72,1 MW (1) 72,1 MW (1) 72,1 MW (1) 69,97 MW (1) 3 72,1 MW (1) 72,1 MW (1) 72,1 MW (1) 69,97 MW (1) 4 25,4 MW (2) 25,4 MW (2) 25,4 MW (2) 26,26 MW (2) 5 5,334 MW (b) 29,31 MW (3) 29,31 MW (3) 16,34 MW (b) 6 5,334 MW (b) 5,52 MW (b) 7,36 MW (b) 7,49 MW (b) 8 5,334 MW (b) 5,52 MW (b) 7,36 MW (b) - 7 5,334 MW (b) 5,52 MW (b) 7,36 MW (b) 9-5,52 MW (b) - Total Daya 263,07 MW 293,09 MW 293,09 MW 260,01 MW Bersih Total Laju Alir Massa Fluida Kerja Organik Keterangan 1.455 ton/jam 1.116 ton/jam 1.116 ton/jam 1.641ton/jam (1) Pembangkit listrik sistem Single-flash (2) Pembangkit listrik sistem Double-flash (3) Pembangkit listrik sistem Triple-flash (b) Pembangkit listrik sistem Binary cycle 4. Kesimpulan Telah dibuat tiga model pembangkit listrik tenaga panas bumi terintegrasi yang memanfaatkan brine hasil flashing, yaitu model modifikasi 1, 2, dan 3. Ketiga model tersebut merupakan model pembangkit terintegrasi yang lebih optimal karena daya yang dihasilkan lebih besar, yaitu dengan peningkatan daya sebesar 1,17%, 12,72% dan 12,72% untuk model modifikasi 1, 2, dan 3, jumlah fluida kerja organik yang digunakan lebih sedikit, dengan pengurangan sebesar 11,32%, 31,99%, dan 31,99% untuk model modifikasi 1, 2, dan 3, dan secara keseluruhan efisiensi thermal yang dihasilkan lebih besar kecuali untuk unit binary cycle pada model modifikasi 1 yang hanya mencapai 13,01%. 58
Optimalisasi Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi Terintegrasi dengan Ucapan terima kasih Ucapan terima kasih kami sampaikan kepada Program Studi Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Padjadjaran yang telah memfasilitasi kami dalam melakukan penelitian ini. Daftar Pustaka 1. Saptadji, Nenny, Energi Panas Bumi (Geothermal Energy). Bandung, 2009. 2. PT. Indonesia Power BPJ Gunung Salak. Private Conversation. 2015. 3. Mulyana, Cukup, dkk. The Development of Integrated Plant by Utilizing Wasted Heat in Water-dominated Geothermal Source. Proceeding, 5 th ITB International Geothermal Workshop 2016. 4. Nikolskiy, A.I., Shipkov, A.A., Tomarov, G.V., Semenon, V.N. Creation of Pilot Binary Geothermal Power Plant on Pauzhetsky (Kamchatka) Site, Proceedings, World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia. 2010. 5. DiPippo, R., 2007: Geothermal power plants: Principles, applications, case studies and environmental impact (2nd edition). Butterworth Heineman, Elsevier, Kidlington, United Kingdom. 6. A. F. M. Parada, Geothermal binar cycle power plant principles, operation, and maintenance, UNU-GTP Reports Number 20, Iceland (2013). 7. Valdimarsson, P., 2011: Geothermal power plant cycles and main components. Paper presented at Short Course on Geothermal Drilling, Resource Development and Power Plants, organized by UNUGTP and LaGeo, Santa Tecla, El Salvador, 24 pp 59