1 PENDAHULUAN
Peningkatan pertumbuhan dunia industri dan jumlah penduduk telah mengakibatkan kebutuhan energi semakin meningkat pula. Kebutuhan energi di Indonesia masih bergantung pada bahan bakar minyak bumi.
Demikian juga penyediaan kebutuhan energi listrik nasional yang masih sangat bergantung pada pembangkit berbahan bakar minyak (BBM). Panas bumi yang merupakan sumber energi terbaharukan berpotensi untuk dikembangkan sebagai sumber penghasil listrik. Berbagai negara telah memanfaatkan energi panas bumi untuk memenuhi kebutuhan listrik. Dari tahun 1995 hingga tahun 2000 pemanfaatan energi panas bumi terus meningkat. Khusus untuk Indonesia peningkatan pemanfaatan energi panas bumi mencapai angka 90,3% [1,2].
Pemanfaatan energi panas bumi untuk penghasil listrik relatif tidak berbahaya bagi lingkungan dibandingkan dengan pembangkit dengan BBM. Tingkat pencemarannya rendah pada udara dibanding dengan pembangkit berbahan bakar minyak, gas, dan batu bara. Pencemaran udara terbesar akibat emisi gas CO<sub>2</sub> berasal dari pembangkit listrik dengan bahan bakar batu bara dan gas alam adalah 32,7%, pembangkit dengan bahan bakar minyak adalah 20,6% dan polusi dari pembangkit listrik panas bumi hanya sebesar 3% [3].
Usaha peningkatan efisiensi dengan cara penggabungan turbin gas dengan pembangkit tenaga panas bumi konvensional dapat dilakukan. Berbagai kondisi optimal untuk sistem terintegrasi itu telah dilaporkan [4]. Kemungkinan untuk pemanfaatan sumber panas dari panas bumi dengan temperatur yang lebih rendah telah dikaji oleh Nowak et al. [5]. Mereka mengajukan beberapa alternatif dengan implementasikan siklus absorpsi uap yang difungsikan sebagai pompa kalor. Sedang sebuah proyek pembangkit panas bumi di Chena Hot Spring, Alaska yang instalasi pertamanya telah beroperasi mulai bulan Juli 2006 dan menghasilkan daya sebesar 200 kW dengan siklus Rankine organik dan fluida kerja R-134a. Sistem ini dipilih karena air sumber panas bumi bertemperatur rendah yakni 70°C [6].
Paper ini memaparkan sebuah hasil studi yang bertujuan untuk meningkatkan efisiensi termal pembangkit panas bumi dengan mengusulkan siklus hibrid alternatif. Kinerja siklus hibrid dan peningkatan yang diperoleh dibandingkan dengan siklus Rankine untuk pembangkit panas bumi Kamojang. Pengaruh berbagai fluida kerja organik pada kinerja siklus hibrid disimulasikan dengan menggantikan fluida kerja siklus organiknya.
2 PENGEMBANGAN PERANGKAT LUNAK DAN DATABASE PENDUKUNG
Perangkat lunak simulator panas bumi dikembangkan berbagai kemungkinan menyimulasikan modifikasi siklus yang dapat memberikan kenaikan efisiensi termal yang berarti. Perangkat lunak simulator panas bumi juga dapat dilengkapi dangan 17 jenis fluida. Metode perhitungan yang digunakan dalam paper [7,8]. dijelaskan pada termodinamika udara dihitung dari persamaan tingkat keadaan yang dikembangkan Lemmon et al. [9] dan sifat-sifat air dihitung langsung dari persamaan tingkat keadaan of Saul dan Wagner [10]. Untuk sifat-sifat gas hasil pembakaran dari sistem turbin uap diasumsikan sama dengan sifat riil udara. Untuk fluida kerja organik, sifat-sifat termodinamikanya dihitung dari persamaan tingkat keadaan termodinamika baik dari model yang dihasilkan grup riset penulis [10-17] yang telah
dipublikasi pada jurnal nasional dan internasional, disamping juga paper-paper peneliti lain dari jurnal internasional [7,8,18].
Dari berbagai sistem yang mungkin, yang menjadi perhatian dalam paper ini adalah siklus hibrid sebagaimana gambar skematika dan data masukan yang dibutuhkan diperlihatkan masing-masing pada Gambar (1) dan (2). Tampilan ini muncul dari bantuan perangkat lunak Geothermal Thermodynamic Simulator yang telah berhasil dikembangkan untuk mempermudah analisis. Siklus hibrid ini dapat diakses memilih siklus Geothermal Hybrid Cycle pada menubar ORC and Gas Turbine.
3 DATA DAN ASUMSI
Data-data yang digunakan dalam simulasi diambil dari berbagai literatur yang berhubungan, data desain pembangkit listrik tenaga panas (PLTP) bumi Kamojang, dan data yang bersumber dari asumsi yang diambil. Data-data untuk siklus turbin gas adalah temperatur lingkungan 20°C, tekanan lingkungan 1 bar, nilai kalori bahan bakar gas alam (Fuel Heating Value) 43000 kJ/kg, penurunan tekanan pada ruang bakar 0%, efisiensi pembakaran 95%, efisiensi isentropik kompresor 85%, efisiensi isentropik turbin gas 80%, dan temperatur gas keluar menuju lingkungan 110°C. Data-data utama siklus uap panas bumi meliputi tekanan uap panas bumi 6,48 bar, temperatur uap panas bumi 161.9°C, Non Condensable gas (NCG) 0%, tekanan kondensor 0,1 bar, dan efisiensi isentropik turbin uap 86,12%. Sedangkan data-data siklus Rankine organik adalah fluida kerja organik R-134a, tekanan masuk turbin organik 20 bar, temperatur masuk turbin organik 150°C, efisiensi isentropik turbin 85%, efisiensi isentropik pompa 85%, efektivitas recuperator 80%, temperatur kondensor 30°C, kerugian tekanan pada recuperator, kondensor dan organic heater diabaikan.
Data lainnya adalah laju aliran massa uap panas bumi 105,1286 kg/s dan efisiensi generator 96,85 %. Batasanbatasan dan asumsi lainnya dalam simulasi adalah temperatur uap panas bumi masuk turbin harus lebih besar dari temperatur jenuh tekanan uap panas bumi, temperatur uap keluar steam heater harus lebih rendah dari temperatur gas masuk steam heater, temperatur masuk turbin fluida organik harus lebih rendah dari temperatur gas keluar steam heater, dan tekanan masuk turbin organik harus lebih rendah dari tekanan kritisnya.
Data-data pembangkit panas bumi Kamojang yang terpasang mengacu pada kondisi desain pembangkit panas bumi Kamojang pada beban puncak (100%). Uap yang dihasilkan oleh sumur panas bumi digunakan secara langsung untuk menghasilkan listrik, dengan data-data tingkat keadaan masuk turbin 6,5 bar dan 161,9°C, tingkat keadaan keluar turbin 0,1 bar, dan total laju aliran massa panas bumi 105,1286 kg/s, serta daya keluaraan turbin adalah 55 MW.
Gambar I Skematik siklus hibrid
Gambar 2 Layar dialog pemasukan data
MESIN Vol.23 No.2 JJ
4 INDIKATOR KINERJA SIKLUS
Dalam analisis siklus dan perbandingan sistem hibrid dengan sistem terpasang, beberapa indikator kinerja digunakan untuk mendapatkan informasi dari sistem secara real. Secara umum definisi efisiensi termal adalah rasio daya bersih terhadap pemasukan panas pada sistem pembangkit tenaga. Oleh karena itu efisiensi sistem hibrid dapat diartikan sebagai perbandingan daya bersih yang dihasilkan sistem hibrid terhadap panas yang diberikan sehingga secara matematis dapat disajikan dalam bentuk persamaan (1).
\[\eta = \frac{W_{GT} + W_{ORC} + W_{ST}^{'}}{Q_{GT} + Q_{Geo}} \tag{1}\]
dimana panas masukan dari panas bumi dievaluasi berdasarkan persamaan \(Q_{Geo} = \dot{m}_{\rm g} h_{\rm g} - \dot{m}_{\rm rein} h_{\rm rein}\). Fossil fuel utility factor (FFUF) atau faktor utilisasi bahan bakar fosil menyatakan seberapa besar laju panas dari bahan bakar fosil yang dikonversikan menjadi daya pada sistem hibrid, jika sistem hibrid dibandingkan dengan sistem pembangkit listrik panas bumi sederhana. Secara matematis dapat dirumuskan dalam persamaan (2).
\[FFUF = \frac{W_{GT} + W_{ORC} + \Delta W_{ST}}{Q_{GT}}\] (2)
dimana \(\Delta W_{ST} = W^{'}_{ST} - W^{O}_{ST}\), \(W^{'}_{ST}\) adalah daya bersih sistem pembangkit listrik panas bumi pada sistem hibrid, dan \(W^{o}_{ST}\) adalah daya bersih standar yang dihasilkan sistem panas bumi sebelum digabung menjadi sistem hibrid.
5 ANALISIS AND DISKUSI KINERJA SIKLUS
Kinerja siklus hibrid dianalisis dengan data-data, batasan, dan asumsi yang sama seperti data dan asumsi yang dipaparkan sebelumnya. Analisis kinerja ini bertujuan untuk mengetahui seberapa besar peningkatan yang dapat dihasilkan apabila siklus Rankine yang dioperasikan saat ini dimodifikasi menjadi siklus hibrid. Asumsi tambahan dalam analisis ini adalah batas temperatur maksimal turbin uap ialah 250°C. Atas dasar tujuan itu, analisis dilakukan pada beberapa masuk turbin pada sistem turbin gas, yaitu 900°C, 1000°C, dan 1100°C pada rasio tekanan mulai dari 8 sampai 20.
Dari hasil analisis termodinamika yang telah dilakukan, temperatur gas keluar steam heater ditetapkan sebesar 350°C, temperatur uap keluar steam heater sebesar 250°C, tekanan masuk turbin organik 3,5 MPa, dan temperatur masuk turbin organik 340°C. Gambar (3) menunjukkan pengaruh rasio tekanan turbin gas terhadap peningkatan daya total sistem, sedang Gambar (4) memperlihatkan daya turbin gas dan Gambar (5)
menunjukkan daya turbin organik rasio tekanan turbi gas. Untuk peningkatan efisiensi sistem hibrid denga variasi temperatur masuk turbin gas diperlihatkan pad Gambar (6). Secara umum kedua parameter operatersebut sangat berpengaruh pada parameter kinerj sistem, walaupun hubungannya tidak linier. Pad temperatur masuk turbin gas yang lebih tingg peningkatan daya total lebih dominan dihasilkan da daya yang dihasilkan oleh turbin gas dibandingka dengan daya yang dihasilkan dari siklus Rankin organik. Kondisi sebaliknya terjadi, yaitu pad temperatur masuk turbin gas yang rendah prosentas peningkatan daya lebih dominan itu dipengaruhi oleh daya yang dihasilkan siklus Rankine organik.
Gambar 3 Peningkatan daya total siklus hibrid terhada berbagai rasio tekanan turbin gas.
Gambar 4 Daya turbin gas terhadap rasio tekanan turbin gas
Gambar 5 Daya netto ORC pada berbagai rasio tekanan dan TIT turbin gas
Peningkatan daya yang dihasilkan siklus Rankine pad TIT turbin gas sebesar 1100°C lebih tingg dibandingkan dengan yang dihasilkan pada TIT 1000°d dan 900°C. Daya netto siklus hibrid yang dihasilkan saa TIT 1100°C dan rasio tekanan 20 ialah sebesar 141,54 MW dan peningkatan daya yang terjadi jika siklu hibrid dibandingkan dengan daya siklus PLT
sederhana ialah 157,88%. Efisiensi siklus hibrid saat TIT turbin gas 1100°C dan rasio tekanan 20 ialah 28,73% serta peningkatan efisiensi yang terjadi bila dibandingkan dengan efisiensi siklus PLTP sederhana ialah 58,17%. Namun kondisi optimum sistem hibrid tidak bisa hanya dilihat dari peningkatan efisiensi dan daya. Kondisi optimum harus berdasarkan nilai FFUF terbesar karena FFUF merupakan parameter terpenting pada siklus hibrid. Untuk mencari FFUF yang tertinggi perlu dilakukan simulasi dengan memvariasikan parameter yang berpengaruh diantaranya jenis fluida kerja siklus Rankine organik.
Gambar 6 Peningkatan efisiensi bila siklus hibrid dibandingkan dengan siklus PLTP sederhana
mengetahui fluida kerja organik yang menghasilkan kinerja terbaik pada siklus Rankine organik, simulasi dilakukan dengan memvariasikan jenis fluida kerja siklus Rankine organik. Kondisi yang digunakan untuk simulasi tersebut ialah temperatur gas masuk turbin 1100°C, temperatur gas keluar steam heater 350°C, temperatur uap keluar steam heater 250°C, tekanan masuk turbin organik 35 bar, temperatur masuk turbin organik 340°C, rasio tekanan masuk turbin gas divariasikan dari 8 sampai 20. Sedang fluida kerja yang dibandingkan adalah R-134a (standar), R-143a, R-152a, R-290, R-600, R-600a. Pengaruh jenis fluida kerja yang digunakan pada siklus organik terhadap kinerja siklus hibrid diperlihatkan pada Gambar (7, 8 dan 9). Fluida kerja yang menghasilkan daya, efisiensi, dan nilai FFUF yang terbesar adalah fluida kerja R-600, dan yang terendah adalah R-143a. Hasil-hasil ini menegaskan bahwa penggantian fluida kerja dari R-134a (standar) dengan R-600 memungkinkan bagi siklus hibrid untuk menghasilkan kinerja yang optimum.
Gambar 7 Daya total siklus hibrid terhadap rasio tekanan turbin gas
Gambar 8 Efisiensi siklus hibrid terhadap berbagai rasio tekanan turbin gas dan fluida kerja ORC
Gambar 9 FFUF siklus hibrid terhadap berbagai rasio tekanan turbin gas dan fluida kerja ORC
Dari Gambar (10) terlihat nilai FFUF untuk fluida kerja R-600 dapat mencapai 0,53 saat siklus menghasilkan penigkatan daya dan efisiensi maksimum berdasarkan data-data yang digunakan untuk simulasi. Nilai FFUF terendah dihasilkan siklus saat menggunakan fluida kerja R-143a sebagai fluida kerja organik, yaitu sebesar 0,47.
Gambar 10 FFUF maksimum siklus hibrid pada berbagai jenis fluida kerja ORC
Prosentase peningkatan daya dan efisiensi tertinggi untuk kondisi optimal masing-masing jenis fluida terhadap sistem pembangkit daya dengan pemanfaatan panas bumi secara langsung disajikan pada Gambar (11). Dari hasil ini terlihat R-600 dapat menghasilkan peningkatan daya dan efisiensi tertinggi yakni masing-masing sebesar 144,56% dan 58,61%. Peningkatan daya dan efisiensi yang paling kecil adalah R-143a yaitu 121,45% dan 48,46%. Gambar (12) memperlihatkan peningkatan efisiensi siklus hibrid jika dibandingkan dengan siklus PLTP sederhana.
Gambar 11 Peningkatan daya pada optimum siklus hibrid pada berbagai jenis fluida kerja ORC
Gambar 12 Peningkatan efisiensi siklus hibrid optimum saat TIT turbin gas 1100°C
Hasil-hasil ini semua memberikan suatu konfirmasi bahwa siklus hibrid yang merupakan gabungan antara PLTP PLTGU memberikan dan hasil menguntungkan dilihat dari efisiensi konversi energi. Dibandingkan dengan PLTGU yang banyak beroperasi dengan efisiensi termal di bawah 50%, pada sistem hibrid ini menghasilkan FFUF 52%. Bila penyesuaian data seperti efisiensi turbin uap yang lebih baik dari apa yang terpasang pada PLTP, akan dapat meningkatkan efisiensi lebih baik lagi. Untuk sistem PLTP umumnya efisiensi turbin yang lebih rendah dipilih untuk menghidari kebasahan uap keluaran turbin uap tidak terlalu tinggi. Lagi pula, kemajuan teknologi turbin dan ruang bakar yang sudah dapat mencapai 1300°C akan memberi kontribusi dalam peningkatan kinerja pada sistem hibrid ini.
6 KESIMPULAN
Dari perbandingan kinerja siklus hibrid terhadap siklus Rankine standar yang digunakan pada kondisi pembangkit panas bumi Kamojang, peningkatan daya optimum diperoleh pada temperatur masuk turbin gas 1100°C dan rasio tekanan turbin gas 14. Daya yang dihasilkan siklus Rankine saat ini memungkinkan untuk ditingkatkan sebesar 137,38% dan efisiensi dinaikkan sebesar 53,95% untuk fluida kerja organic R-134a. Nilai FFUF pada peningkatan kondisi ini sebesar 0,50. Dari analisis perbandingan fluida kerja organik ternyata fluida R-600 memberikan peningkatan daya, efisiensi dan FFUF yang terbesar. Dengan menggunakan fluida
organik R-600 daya siklus Rankine standar memungkinkan untuk ditingkatkan sebesar 144,56% dari sebelumnya, peningkatan efisiensi meningkat sebesar 56,61% dari sebelumnya dan nilai FFUF sebesar 0.52.
Nomenklatur
Simbol:
BBM: bahan bakar minyak FFUF: fossil fuel utility factor NCG: non condensable gas
Q: panas T: temperatur
TIT: gas turbine inlet temperature of hot gas
W: daya
Subskrip:
GT: gas turbine Geo: geothermal ST: steam turbine
ORC: organic Rankine cycle
g: fase gas rein: reinjeksi
Superskrip:
: setelah modifikasi 0 : sebelum modifikasi