BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Sebagai negara dengan jumlah populasi terbesar ke-4 di dunia dan merupakan salah satu negara dengan sumber daya alam yang melimpah, Indonesia memiliki peluang yang besar untuk menjadi negara yang memiliki peran penting dalam sistem perekonomian secara global. Akan tetapi di sisi lain, jumlah populasi yang besar akan sejalan dengan meningkatknya aktivitas industri untuk memenuhi kebutuhan mereka dan tidak dapat dipungkiri hal tersebut secara langsung membuat kebutuhan sumber daya energi meningkat secara signifikan. Berdasarkan Handbook of Energi and Econominc Statistics of Indonesia (2011), Indonesia memiliki banyak sumber daya alam yang dapat digunakan sebagai sumber daya energi, akan tetapi penggunaan bahan bakar minyak (BBM) sangat mendominasi, diikuti dengan penggunaan biomassa dan sumber energi lainnya. Namun, fakta menunjukan bahwa perilaku penggunaan bahan bakar minyak (BBM) secara berlebihan berdampak pada aktivitas ekspoitasi terhadap sumber daya alam tersebut secara besar-besaran dan dalam jangka waktu panjang. Hal tersebut membuat sumber bahan bakar minyak di dunia, termasuk di Indonesia semakin menipis. Berdasarkan fenomena ini, dibutuhkan upaya pemanfaatan energi dari sumber daya alam lain, salah satunya adalah energi panas bumi (geothermal). Indonesia merupakan negara yang memiliki cadangan geothermal terbesar di dunia. Sekitar 30-40 % potensi sumber geothermal di dunia terdapat di Indonesia. Sebagain besar sistem geothermal tersebut merupakan sistem yang bekerja pada temperatur tinggi (>225 0 C), sisanya merupakan sistem geothermal yang bekerja pada temperatur sedang (155-225 o C). Pengamalan yang ada di lapangan geothermal yang umum dikembangkan saat ini menunjukan bahwa sistem panas bumi yang beroperasi pada temperatur tinggi dan sedang sangat 1
2 potensial bila digunakan sebagai pembangkit listrik (International Geothermal Association). Hal tersebut merupakan peluang besar bagi Indonesia untuk memenuhi kebutuhan energi dalam negerinya. Pada proses pemanfaatan energi panas bumi sebagai sistem pembangkit listrik terutama untuk sistem geothermal temperatur tinggi, sangat umum ditemukan aliran dua fase. Pada sistem tersebut fluida fase gas yang berupa uap air akan digunakan dalam proses pembangkit energi listrik dan fluida fase cair yang umumnya berupa air akan disuplai menuju sistem pemanas lain atau dapat langsung dialirkan menuju sumur injeksi. Sebelum proses pemisahan dilakukan, terlebih dahulu fluida dua fase dialirkan dari sumur produksi menuju separator, sehingga dibutuhkan jaringan perpipaan yang akan digunakan sebagai media untuk mentransmisikan campuran uap-air tersebut. James (1968) dan Takahashi dkk (1970) memaparkan bahwa pada kasus pembangkit listrik dari sumber panas geothermal, terdapat faktor nilai ekonomis dan peningkatan daya yang dihasilkan apabila menggunakan transmisi aliran dua fase yang relatif panjang. Hal tersebut secara signifikan berdampak pada penurunan biaya total per kilowatt bila dibandingkan dengan sistem transmisi satu fase. Selain itu, James (1980) membuktikan melalui penelitian yang Ia lakukan pada sistem perpipaan di lapangan geothermal Wairekei bahwa transmisi dua fase dari fluida geothermal dapat menurunkan resiko korosi yang disebabkan oleh uap kondensasi. Terkait sistem transmisi fluida dua fase pada proses pemanfaatan energi dari sumber panas bumi, hal utama yang memerlukan perhatian serius adalah proses perancangan jaringan perpipaan dengan tingkat keamanan dan efisiensi yang baik. Salah satu upaya yang dapat dilakukan untuk memenuhi kebutuhan tersebut adalah melalui simulasi pra-perancangan yang tepat, sesuai dengan mekanisme sistem perpiaan yang akan di desain. Tahap simulasi juga dapat digunakan sebagai analisis pencapaian kerja sistem optimal, sehingga nantinya diharapkan sistem yang bersangkutan dapat memperoleh hasil output yang optimal pula. Selain itu proses simulasi yang akurat merupakan salah satu langkah penting terkait pengambilan keputusan yang tepat pada tahap desain,
3 pembangunan maupun operasional jaringan perpipaan (Woldeyohannes dan Majid, 2011). Dalam proses perancangan dan simulasi transmisi aliran dua fase dari sumur produksi menuju separator pada sistem pemanfaatan energi panas bumi, parameter yang menjadi perhatian utama adalah penurunan tekanan dari fluida goethermal dua fase tersebut. Hal ini disebabkan karena gradien tekanan dari fluida dua fase memiliki pengaruh yang signifikan terhadap tekanan separasi dan kuantitas uap yang dihasilkan, dimana kedua variabel tersebut secara langsung akan mempengaruhi tingkat efisiensi pemanfaatan sumber panas dari geothermal (Zhao, 2000). Terkait proses analisis penurunan tekanan pada aliran dua fase pemilihan korelasi empiris yang sesuai merupakan hal yang penting. Beberapa korelasi yang dapat diaplikasikan dalam analisis hidraulik jaringan perpipaan yang mentransmisikan fluida dua fase adalah korelasi Aziz dkk, korelasi Dunn dan Ross, korelasi Beggs dan Brill, korelasi Mukherjee dan Brill, Korelasi Harrison dan lain sebagainya. Khusus untuk aliran dua fase pada sistem pemanfaatan energi panas bumi, korelasi yang dibuat oleh Harisson serta modifikasinya, korelasi Zhao diklaim dapat menghasilkan prediksi penurunan tekanan yang akurat, hanya saja korelasi ini hanya dapat digunakan untuk pipa horisontal dan mengabaikan efek dari rezim aliran fluida dua fase yang ditransmisikan. Sedangkan dalam kasus aliran dua fase secara umum, Mukherjee dan Brill (1999) memaparkan bahwa korelasi Beggs dan Brill terkait penurunan tekanan fluida dua fase merupakan salah satu korelasi yang dapat diterapkan baik untuk aliran horisontal, vertikal, maupun aliran pada pipa dengan sudut kemiringan tertentu. Selain itu korelasi yang dibangun oleh Beggs dan Brill juga menyertakan pengaruh rezim aliran dari fluida dua fase yang ditransmisikan melalui pipa dalam proses perhitungan penurunan tekanan dari aliran dua fase tersebut. Selain korelasi empiris terkait analisis penurunan tekanan dari jaringan perpipaan, juga dibutuhkan korelasi empiris terkait properties fluida yang mengalir didalam jaringan perpipaan tersebut, karena pada umumnya fluida yang ditransmisikan pada sistem perpipaan geothermal dua fase adalah fluida panas
4 yang terdiri dari campuran air dan uap air dalam kondisi saturated. Sehingga temperatur dan tekanan dari fluida berpengaruh secara signifikan terhadap properties fluida yang akan ditransmisikan tersebut. Hanya saja pengaruh tekanan dan temperatur terhadap perubahan properties fluida belum dapat di formulasikan secara sederhana, sehingga dalam praktiknya properties termodinamika dari fluida, khususnya air (H 2 O) murni disajikan dalam bentuk tabel uap. Walaupun pada kenyataannya fluida geothermal bukan merupakan H 2 O murni, namun penggunaan properties dari H 2 O murni sebagai properties dari fluida geothermal dapat memberikan pendekatan yang baik (Watson,2013). 1.2. Rumusan Masalah Dalam proses perancangan program simulasi jalur perpipaan fluida dua fase pada sistem pemanfaatan energi panas bumi permasalahan utama yang muncul tentunya berhubungan dengan proses prediksi penurunan tekanan baik akibat major losses maupun minor losses, yang berhubungan dengan prediksi dari liquid hold-up dan pola aliran yang terbentuk pada sistem perpipaan yang digunakan. Pemilihan model korelasi terkait proses prediksi penurunan tekanan pada jalur perpipaan fluida dua fase yang akurat dan sesuai dengan kebutuhan perancangan jalur perpipaan yang akan dibangun mutlak dibutuhkan. Dalam arti korelasi yang nantinya digunakan harus mampu memberikan hasil perhitungan yang akurat untuk berbagai kondisi aliran dan konfigurasi dari pipa yang akan dimodelkan, baik pipa horisontal maupun untuk pipa dengan kemiringan tertentu. Permasalahan yang timbul selanjutnya adalah ketika jalur perpipaan yang akan dibangun digunakan untuk mentransmisikan fluida geothermal, yang merupakan fluida panas. Dalam kasus ini perubahan temperatur dan tekanan akan memberikan dampak yang cukup signifikan terhadap properties dari masingmasing fase fluida tersebut, sehingga dibutuhkan korelasi yang sesuai untuk menjawab permasalahan tersebut yang diharapkan akan berdampak pada
5 meningkatnya keakurasian dari prediksi penurunan tekanan pada jalur perpipaan yang akan dimodelkan. Selain permasalahan yang telah dijelaskan di atas, permasalahan lain yang tidak kalah pentingnya adalah memastikan bahwa program simulasi yang dibuat sebisa mungkin harus mudah digunakan (user-friendly). Dalam arti tampilan program simulasi yang dibuat harus sederhana dan mudah dimengerti, hal tersebut bertujuan agar penguna dapat dengan mudah melakukan proses input data awal yang dibutuhkan dalam proses simulasi, sehingga tingat kesalahan dapat diminimalisasi. Selain itu hasil perhitungan yang dilakukan melalui program simulasi harus dapat ditampilkan dengan format yang tepat dan jelas. Hal lain yang tidak kalah pentingnya adalah program simulasi yang dibuat harus mampu menerjemahkan kondisi batas sesuai dengan korelasi yang digunakan dengan baik, sehingga hasil perhitungan yang dilakukan memberikan gambaran yang sesuai dengan kondisi nyata dengan toleransi nilai error yang rendah. Untuk menjawab permasalahan tersebut, pada tugas akhir ini penulis akan membuat program simulasi untuk memprediksi penurunan tekanan pada jalur perpipaan yang akan digunakan untuk mentransmisikan fluida dua fase pada sistem pemanfaatan energi geothermal. Program simulasi tersebut dirancang sedemikian rupa agar mampu digunakan untuk memprediksi penurunan tekanan baik pada pipa dengan konfigurasi horisontal, maupun pipa dengan konfigurasi uphill dan downhill (inclined pipe). Selain itu program simulasi tersebut juga mengikutsertakan pengaruh pola aliran dan perubahan properties fluida dua fase terhadap proses perhitungan prediksi penurunan tekanan pada pipa yang dimodelkan nantinya. Persamaan konservasi massa, konservasi energi, prinsipprinsip termodinamika terkait properties dari fluida yang akan ditransmisikan, serta korelasi yang dibangun oleh Beggs dan Brill terkait aliran fluida dua fase digunakan sebagai dasar pembuatan model simulasi tersebut.
6 1.3. Batasan Masalah Pada tugas akhir ini batasan masalah yang digunakan adalah sebagai berikut : a. Arah aliran fluida dalam pipa adalah aliran satu dimensi, yaitu searah dengan arah aliran utama pada pipa. b. Sistem perpipaan diasumsikan memiliki sistem isolasi yang baik, sehingga transfer panas dari fluida ke lingkungan kecil, hal tersebut membuat kualitas uap dan liquid hold-up dari aliran dua fase pada setiap komponen pipa dapat diasumsikan konstan. c. Program simulasi hanya dapat digunakan untuk rangkaian pipa seri dan maksimal terdiri dari 10 segmen pipa. d. Aliran yang terjadi adalah aliran tunak (steady state). e. Kerugian minor (minor losses) yang masuk kedalam cakupan perhitungan yaitu kerugian yang diakibatkan oleh komponen belokan S 45 0, belokan S 90 0 dengan spacer length 10D dan 2D, belokan U dengan spacer length 10D dan 2D, dan elbow 90 0. f. Data terkait panjang ekivalen untuk komponen minor losses yang disebutkan pada poin e, diadaptasi dari data penelitian yang dilakukan oleh Freeston (1983) terkait komponen minor losses yang bersangkutan. g. Pada tugas akhir ini dikembangkan program simulasi berbasis korelasi Beggs dan Brill. 1.4. Tujuan Peneitian Tujuan yang akan dicapai dalam tugas akhir ini adalah sebagai berikut : a. Membagun suatu program simulasi berbasis bahasa pemrograman Matlab untuk memprediksi penurunan tekanan pada jalur perpipaan yang akan digunkanan untuk mentransmisikan fluida dua fase pada sistem pemanfaatan energi geothermal berbasis korelasi Beggs dan Brill. b. Merancang program simulasi jalur perpipaan aliran dua fase pada sistem pemanfaatan energi geothermal yang mampu digunakan untuk berbagai
7 jenis konfigurasi pipa, baik itu pipa horisontal maupun pipa dengan sudut kemiringan tertentu dengan tingkat keakurasian yang baik. Selain itu program simulasi yang dibuat diharapkan memiliki tampilan yang ramah pengguna (user-friendly), dalam arti tampilan program simulasi yang dibuat harus sederhana dan mudah dimengerti oleh pengguna. c. Melakukan proses komparasi terkait hasil perhitungan gradien tekanan yang dihasilkan oleh program simulasi jalur perpipaan fluida dua fase pada sistem pemanfaatan energi geothermal berbasis korelasi Beggs dan Brill yang buat dengan hasil perhitungan gradien tekanan dengan mengunkanan korelasi Zhao. d. Mengetahui pengaruh variasi diameter pipa dan penambahan komponen minor losses terhadap penurunan tekanan pada jalur perpipaan fluida dua fase pada sistem pemanfaatan energi panas bumi. 1.5. Manfaat Penelitian Manfaat dari tugas akhir ini adalah sebagai berikut : a. Dengan program simulasi jalur perpipan aliran dua fase pada sistem pemanfataan energi panas bumi yang buat, diharapkan dapat membantu proses penentuan kebutuhan desain yang tepat, serta mendukung analisis pencapaian kerja sistem yang optimal pada sistem pemanfaatan energi panas bumi, khususnya terkait jalur perpipaan yang mentransmisikan fluida dua fase. b. Dengan mengetahui pengaruh variasi diameter pipa serta penambahan komponen minor losses terhadap penurunan tekanan dari fluida dua fase pada sistem pemanfaatan energi geothermal, diharapkan permasalahan nyata yang ada di lapangan dapat diantisipasi dengan baik. c. Memperluas wawasan ilmu pengetahuan yang bermanfaat bagi perkembangan teknologi dan industri di Indonesia, khususnya yang berhubungan dengan transmisi aliran dua fase pada sistem geothermal.