Analisis Exergy, Optimasi Exergoeconomic dengan Metode Multiobjective, dan Optimasi Steam Ejector Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi Kamojang Unit 4

Analisis Exergy, Optimasi Exergoeconomic dengan Metode Multiobjective, dan Optimasi Steam Ejector Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi Kamojang Unit 4 Septian Khairul Masdi, Nasruddin Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Indonesia Kampus Baru UI Depok, Jawa Barat, 16424, Indonesia Juni 2014 Email: [email protected]

Abstrak Pada penelitian ini dilakukan lima jenis analisis pada PLTP Kamojang Unit 4, antara lain analisis exergy pada kondisi operasional, optimasi efisiensi exergy, optimasi ekonomi, optimasi exergoeconomic dengan tekanan wellhead sebagai variabel, dan optimasi steam ejector dengan aliran motive steam sebagai variabel. Perhitungan dilakukan dengan bantuan MATLAB. Karakteristik termodinamika uap panas bumi diasumsikan sama dengan karakteristik air yang didapatkan dari REFPROP. Tekanan wellhead 10 bar saat ini menghasilkan efisiensi exergy 31,91%. Optimasi efisiensi exergy menghasilkan tekanan wellhead 5,06 bar, efisiensi exergy 47,3%, dan biaya sistem US $3.957.100. Optimasi ekonomi menghasilkan tekanan wellhead 11 bar, efisiensi exergy 22,13%, dan biaya sistem US $2.242.200. Optimasi exergoeconomic menghasilkan 15 titik optimum. Optimasi steam !" !" ejector menghasilkan aliran motive steam 34,41 lebih kecil dari aliran operasional saat ini 40,61 . !

!

Abstract This study presents five analysis at Unit 4 Kamojang Geothermal Power Plant are exergy analysis at operational condition, exergy efficiency optimization, economic optimization, exergoeconomic optimization with wellhead pressure as a variable, and steam ejector optimization with mass flow of motive steam as a variable. Calculations are conducted by using the MATLAB. Thermodynamics characteristic of geothermal fluid assumed as water characteristic which get from REFPROP. Wellhead pressure operational condition 10 bar has exergy efficiency 31.91%. Exergy efficiency optimization has wellhead pressure 5.06 bar, exergy efficiency 47.3%, and system cost US$ 3,957,100. Economic optimization has well pressure 11 bar, exergy efficiency 22.13%, and system cost US$ 2,242,200. Exergoeconomic optimization has 15 optimum condition. Steam ejector optimization has mass !" !" flow of motive steam 34.41 smaller than the operational condition 40.61 . !

!

Keyword: dry steam power plant, exergoeconomic, exergy, multiobjective optimization, PLTP Kamojang Unit 4, steam ejector

1. Pendahuluan Energi panas bumi merupakan salah satu sumber daya energi yang dimiliki Indonesia dengan jumlah yang sangat besar. Di tahun 2010, berdasarkan potensinya sumber daya panas bumi Indonesia mencapai 29,038 GWe dengan cadangan terbukti sebesar 2,29 GWe. Dari cadangan terbukti tersebut, pemanfaatan untuk pembangkit listrik baru mencapai 1,23 GWe.

Analisis exergy..., Septian Khairul Masdi, FT UI, 2014

Dengan potensi yang sangat besar tersebut, energi panas bumi atau energi geotermal merupakan energi yang sangat menjanjikan untuk memenuhi kebutuhan energi masyarakat Indonesia di masa yang akan datang, khususnya untuk pembangkit listrik. Dalam Peraturan Presiden No. 5/2006 tentang Kebijakan Energi Nasional (KEN), telah ditetapkan bahwa target pangsa energi baru terbarukan sebesar 17% pada tahun 2025, dimana energi panas bumi ditargetkan memberikan kontribusi sebesar 5% terhadap konsumsi energi nasional sebesar 9,5 GWe. Saat ini penelitian tentang pembangkit listrik tenaga panas bumi mulai berkonsentrasi untuk meningkatkan energi yang didapatkan dari pembangkit dengan kondisi dan jumlah uap yang ada, bukan meningkatkan jumlah uap yang bisa dihasilkan dari sumur yang tersedia. Untuk meningkatkan efisiensi termal dari sebuah pembangkit listrik tenaga panas bumi kita bisa menggunakan analisis exergy dari pembangkit listrik tersebut. Dalam analisis exergy, sebuah sistem termal yang baik khususnya sistem pembangkit listrik tenaga panas bumi, merupakan sistem dengan nilai exergy destruction yang rendah. Dengan nilai exergy destruction yang rendah memberi arti bahwa dalam sistem tersebut losses energi yang terjadi sangat rendah, sehingga power yang bisa dihasilkan menjadi sangat besar. Desain dan kondisi operasional dari pembangkit sangat menentukan nilai exergy destruction-nya. Banyak cara untuk bisa mendapatkan nilai exergy destruction yang rendah, seperti menurunkan tekanan wellhead sehingga tekanan uap yang masuk ke dalam turbin akan berada dalam nilai yang rendah dan berakibat kepada power yang dihasilkan menjadi besar. Namun, tekanan uap yang rendah akan menambah beban kerja dari kondenser yang dilewati uap setelah keluar dari turbin. Daya yang dibutuhkan kondenser untuk mengkondensasikan uap semakin besar yang berakibat pada dana yang dikeluarkan akan membesar pula. Dilihat dari kondisi tersebut, kita bisa mendapatkan informasi bahwa nilai exergy destruction yang rendah akan meningkatkan efisiensi dari sistem termal, namun secara biaya tentunya tidak sedikit investasi yang harus dikeluarkan untuk mencapai kondisi berikut. Dalam sistem PLTP, tekanan exhaust turbin dan tekanan kondeser memiliki nilai dibawah tekanan atmosfer. Kondisi tersebut menyebabkan adanya udara dan material tak terkondensasi yang ke dalam sistem melalui kebocoran yang ada pada sambungan pipa. Steam ejector merupakan salah satu jenis gas removal system yang berfungsi untuk menghilangkan zat tersebut dari dalam sistem. Namun steam ejector membutuhkan aliran motive steam yang


cukup banyak untuk melaksanakan fungsinya. Ini merupakan sebuah kerugian karena uap panas bumi seharusnya dapat digunakan untuk menghasilkan energi listrik. Dengan mengambil Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi Kamojang Unit 4 sebagai sistem termal, penelitian ini akan difokuskan ke dalam tiga hal. Pertama, menganalisis exergy dari sistem tersebut dengan kondisi operasional yang tengah berlangsung. Kedua, mengetahui kondisi operasional yang optimum dengan mempertimbangkan efisiensi exergy dan ekonomi yang dikenal dengan metode optimasi exergoeconomic. Ketiga, mengetahui jumlah minimal aliran motive steam tanpa mempengaruhi kinerja steam ejector. 2. PLTP Kamojang Unit 4 PLTP Kamojang Unit 4 memiliki 11 sumur dengan tekanan, temperatur, dan aliran massa yang berbeda-beda. Setelah digabung dalam sebuah aliran, fluida panas bumi memiliki !" tekanan sebesar 11,8 bar, temperatur sebesar 187 0C, dan aliran massa sebesar 134,4 . ! Berikut merupakan kondisi 11 sumur PLTP Kamojang Unit 4: Tabel 1 Kondisi Sumur PLTP Kamojang Unit 4 Sumur

Tekanan (!"#)

Temperatur ( ! ! )

Aliran Uap !"# ( ) !!

KMJ-59

18,3

208

23,57

KMJ-53

18,48

208

39,31

KMJ-57

18,49

208

26,92

KMJ-61

18,25

208

84,34

KMJ-58

18,99

210

29,39

KMJ-49

18,86

209

39,92

KMJ-48

19,04

210

50,45

KMJ-71

19,07

210

35,45

KMJ-69

19,68

212

47,8

KMJ-75

19,84

212

57,87

KMJ-76

19,79

212

48,85

Kondisi uap dari PLTP Kamojang Unit 4 merupakan vapor dominated. Namun, dalam sistem masih menggunakan separator untuk memisahkan fluida panas bumi dari material lainnya seperti CO2 dan H2S. Dalam panas ini, uap panas bumi yang masuk ke dalam sistem dianggap dalam kondisi 100% vapour saturated. Berikut merupakan diagram skematik dari PLTP Kamojang Unit 4:


Gambar 1 Diagram skematik PLTP Kamojang Unit 4

3. Metodologi Penelitian Penelitian dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak MATLAB R2010b dan REFPROP (Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties) versi 8.0 (NIST, 2007). Tekanan wellhead menjadi variabel yang akan dioptimasi dengan berbagai analisis. Menurut DiPippo (2011), produktivitas dry steam dalam wellhead valve mengikuti persamaan berikut: !! !!"#

%$!

+

!!

!

!!"#

%$=1

(1)

Dengan begitu, kita bisa mendapatkan aliran uap di titik 1 dengan persamaan: !! = !!"#$% 1 − (!

!! !"#

%$)!

(2)

Selain wellhead, turbin merupakan komponen penting lainnya yang harus dianalisis dalam optimasi pembangkit jenis dry steam power plant. Nilai termodinamika di titik 2 menjadi nilai menentukan dalam mendapatkan net power output sistem. Menurut DiPippo (2011), nilai ℎ!! dan ℎ! bisa didapatkan melalui persamaan (8). Nilai ℎ!! bisa didapatkan dengan persamaan: ℎ!! = ℎ! + ℎ! − ℎ! ! [

!! !!! !! !!!

]

(3)

Dengan bantuan Baumann rule, kita bisa mendapatkan nilai ℎ! dengan persamaan: ℎ! =

!! ] !! !!! ! !! ! !! !!!

!! !![!!

(4)

dimana faktor A didefinisikan sebagai: ! ≡ 0,425 (ℎ! − ℎ!! ) 3.1 Analisis exergy Berikut merupakan flowchart metodologi penelitian analisis exergy:


(5)

Gambar 2 Metodologi penelitian analisis exergy

Berikut merupakan flowchart metodologi penelitian optimasi exergy:

Gambar 3 Metodologi penelitian optimasi exergy

Berikut merupakan tabel ringkasan beberapa persamaan yang akan digunakan dalam penelitian analisis exergy: Tabel 2 Analisis exergy di setiap titik PLTP Kamojang Unit 4 Titik Input sumur

Input termodinamika •

!!"#$% = 134.403

• •

!!"#$% = 11,8 !"# !!"#$% = 187,2! !

!" !

Nilai exergy rate !!" = !! (ℎ! − ℎ! − !! !! − !! )


1

2

3

4

5

!!

!

•

!! = !!"#$% 1 −

• •

!! = dioptimasikan !! = berdasarkan nilai !! , kondisi vapour saturated !! = !! , • !! = !!"#$%#&%' • ℎ!! = ! !! ℎ! + ℎ! − ℎ! ! [ ! ! ]

• • •

!! ] !! !!! !! !! !! !!!

!!! = !! (ℎ! − ℎ! − !! !! − !! )

!!"#

%$!!! = !! (ℎ! − ℎ! − !! !! − !! ) !! = !! ! ℎ! − ℎ!

!! !!!

!! !![!!

•

ℎ! =

• • • •

! ≡ 0,425 (ℎ! − ℎ!! ) !! = !! , !! = !!"#$%#&%' !! = berdasarkan nilai !! , kondisi water saturated

•

!! = 2050 !

!" !

• • • •

!! = 26,2 ! !! = 0,4 !"# !! = !! !! = !! + (!!"#$%#&%' −

•

!! )(1 − ! !!!! ) !! = berdasarkan nilai !! , kondisi water saturated

!

!!! = !! (ℎ! − ℎ! − !! !! − !! )

!!! = !! (ℎ! − ℎ! − !! !! − !! )

!!! = !! (ℎ! − ℎ! − !! !! − !! )

!"

Dalam analisis exergy ini, kita akan menghitung exergy losses dari setiap komponen dengan nilai input yang berada dalam tabel di atas. Berikut merupakan persamaan exergy losses untuk setiap komponen sistem: Tabel 3 Exergy losses setiap komponen PLTP Kamojang Unit 4 Komponen Wellhead Turbin Kondenser Cooling tower

Exergy losses !!" − !!! !!! − !!! − !! !!! − !!! !!! − !!!

Selanjutnya, exergy losses tersebut akan kita jumlahkan untuk mendapatkan total exergy destruction sistem. Terakhir, kita mendapatkan Net Power Output sistem dengan melakukan proses pengurangan antara exergy input dengan total exergy destruction sistem. Berikut merupakan persamaan-persamaan yang digunakan untuk mendapatkan dua hal tersebut: Total exergy destruction !!",!"!#$ = !!",!"##!!"# + !!",!"#$%& + !!",!"#$%#&%'

(6)

Total Net Power Output dari Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi Kamojang Unit 4 !"# = !! !"#$% − (!!",!"##!!"# + !!",!"#$%& + !!",!"#$%#&%' ) (7) Efisiensi Exergy Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi Kamojang Unit 4 Analisis exergy..., Septian Khairul Masdi, FT UI, 2014

!!"#$% =

!"# !!"#

%$(8)

3.2 Analisis Ekonomi Dalam metode optimasi exergoeconomic, setiap parameter yang dianalisis dalam analisis exergy berkaitan dengan nilai ekonomi yang harus dibayarkan. Secara sederhana, kenaikan keuntungan exergy yang didapat akan berbanding lurus dengan nilai ekonomi yang harus dibayarkan. Berikut merupakan metodologi penelitian optimasi biaya sistem:

Gambar 4 Metodologi penelitian optimasi biaya sistem

Biaya sistem terdiri dari dua komponen, yakni biaya investasi dan biaya operasional. investasi awal, total perkiraan biaya dihitung dengan menjumlahkan biaya per komponen melalui persamaan umum berikut (Smith, 2005): !

!! = !! ( )! !!

(9)

dimana: !! = biaya komponen yang dicari dengan kapasitas ! !! = biaya komponen yang diketahui dengan kapasitas !! ! = konstanta persamaan (bergantung pada komponen) Berikut merupakan variabel-variabel yang diketahui dan dibutuhkan dalam analisis ekonomi sistem pembangkit listrik tenaga panas bumi: Tabel 4 Analisis ekonomi PLTP Komponen Turbin Kondenser

Harga pasar (Estevez, 2012) 13 million USD (30 MW) -

Konstanta ! (Smith, 2005) 0,6 -


Biaya investasi awal untuk kondenser bergantung kepada luas permukaan dari kondenser tersebut. Berikut persamaan yang digunakan untuk mendapatkan biaya investasi awal kondenser (Estevez, 2012): (10) !!"#$%#&%' = exp {11,967 − 0,8197 ln ! + 0,09005 ln ! ! } Nilai A kita dapatkan melalui persamaan berikut: !=

!! (!! !!! )

!

(!! !!! ) !!"#$%#&%' !!! !" !!"#$%#&%' !!!

(11)

Untuk biaya operasional, dalam penelitian ini biaya tersebut didefinisikan sebagai biaya perawatan pembangkit (maintenance), biaya perawatan kualitas uap, dan biaya perawatan sumur. Biaya ini kita asumsikan sebesar 0,028 USD/kWh (Estevez, 2012). Dengan kondisi-kondisi tersebut, kita bisa menghitung total biaya tahunan (total annual cost) dengan persamaan berikut: !!"!#$ = !!"#$%& + !!"#$%#&%' . !"# + 0,028 ! !"#

(12)

Dalam persamaan tersebut, variabel CRF merupakan Capital Recovery Cost, diartikan sebagai faktor pengembalian modal dari biaya pembelian komponen per tahun (Bejan, 1996), dinyatakan sebagai: !"# =

! ! (!!!)! (!!!)! !!

(13)

Keterangan: ! = suku bunga (interest rate) ! = waktu pemakaian (lifetime) 3.3 Optimasi Exergoeconomic Optimasi yang dilakukan dalam penelitian ini bertujuan untuk mengetahui nilai tekanan wellhead yang optimum dari segi efisiensi exergy dan ekonomi. Terdapat tiga tahapan dalam optimasi exergoeconomic antara lain optimasi single objective untuk efisiensi exergy, optimasi single objective untuk biaya sistem, dan optimasi multiobjective dari segi efisiensi exergy dan biaya sistem. Berikut merupakan metodologi penelitian optimasi exergoeconomic:


Gambar 5 Metodologi penelitian optimasi exergoeconomic

3.4 Optimasi Steam Ejector Dalam optimasi steam ejector, penelitian ini bertujuan untuk mengetahui jumlah minimum motive steam yang harus dialirkan ke steam ejector agar udara dan material tak terkondesasi dapat keluar dari sistem PLTP Kamojang Unit 4. Jika dalam 3 analisis sebelumnya uap panas kita anggap dalam kondisi 100% vapour saturated, dalam analisis ini kita menganggap terdapat material dalam uap panas bumi yang dapat mengganggu kinerja turbin. Oleh karena itu, material tersebut harus dikeluarkan dari sistem dan dilepaskan ke atmosfer. Berikut merupakan diagram kerja dari removal gas system di PLTP Kamojang Unit 4.

Gambar 6 Diagram skematik optimasi steam ejector


Fungsi objektif dalam optimasi ini memiliki tujuan untuk meminimalkan daya yang dibutuhkan steam ejector dalam melaksanakan fungsinya. Berikut persamaan fungsi objektif untuk optimasi steam ejector: ! ! =

! !"""

! 118.000 !"##

(14)

Dalam melakukan optimasi steam ejector, kita memiliki beberapa fungsi constrain agar optimasi bisa berjalan dengan baik. Berikut merupakan beberapa fungsi constrain yang dapat digunakan: a. Hukum kekekalan massa ! + 0,3825 = !!"#$%#&'( + 0,123

(15)

b. Rasio aliran dan tekanan Menurut Stoecker (1989), aliran uap yang menuju kondenser memiliki hubungan dengan tekanan kondensasi yang ada di inter kondenser. Hubungan tersebut dapat dituliskan dalam bentuk: !,!"#$!! !,!"#$

= 0,19

!!"#$% !"#$%#&%' !,!

(16)

!"

c. Analisa perpindahan kalor Inter kondenser dalam sistem ini, bekerja layaknya kondenser pada umumnya, yaitu merubah fase fluida dari kondisi uap menjadi cair dengan cara melepaskan kalor. Dalam perpindahan kalor di kondenser berlaku persamaan berikut: !!"#$"# = !!"#$% + (!!"#$%#&%' − !!"#$% )(1 − !

!

!" !!!

)

(25)

Menurut Stoecker (1989), terdapat hubungan antara temperatur saturasi dari suatu zat dengan tekanan saturasinya. Hubungan tersebut dituliskan dalam bentuk: ln ! = 18,6 −

!"#$,! !

(26)

atau dalam bentuk lain dapat dituliskan menjadi: !=

!"#$,! !",!!!" !

(27)

Dengan mensubstitusikan persamaan (27) ke persamaan (25), didapatkan sebuah persamaan baru untuk perpindahan kalor di kondenser dalam bentuk:


(28)

5206,9 18,6 − ln(0,5 ∗ !!"#$% !"#$%#&%' ) 5206,9 − 26,2)(1 18,6 − ln 0,5 ∗ !!"#$% !"#$%#&%'

= 26,2 + ( −!

!,!∗!",!"# !!"#,!∗!"#$

)

Berikut desain dari inter kondenser yang digunakan serta beberapa keterangan untuk menjelaskan persamaan (28): •

! = 1,670 ! 6,045 = 10,095 !!

•

! = 1,4

•

! = 157,2

•

!! = 4,187

•

!!"#$"# !"#$%&'( = 0,5 ∗ !!"#$% !"#$%#&%' (Konsentrasi uap yang dibuang sebesar

!" !! .! !" ! !" !".!

50%) 4. Hasil dan Pembahasan 4.1 Analisis Kondisi Operasional Berikut merupakan kondisi operasional dari PLTP Kamojang Unit 4: Tabel 5 Kondisi operasional PLTP Kamojang Unit 4 Titik

Aliran massa !" ( ) !

Tekanan (!"#)

Temperatur ( ! ! )

Entalpi !" ( ) !"

Entropi !" ) (

Exergy (!")

!".!

Input

134,403

11,8

187

2783,2

6,5276

119790

1

71,35

10

187

2783,2

3,197

62128

2

71,35

0,1235

50

2254,7

7,0332

15419

3

71,35

0,1235

50

209,34

0,704

516,47

4

2050

400

26,2

110,21

0,384

1901

2050

0,09595 0,7038

45 17

188,43 71,42

0,639 0,253

5 Lingku ngan

-

10758 -

Sumber: (PT. Pertamina Geothermal Energy) Pembangkit Listrik Kamojang Unit 4 dengan sumber berjumlah 11 buah, memiliki karakteristik uap panas bumi: aliran uap 134,403

!" !

, tekanan 11,8 !"#, dan temperatur

187! !. Karakteristik tersebut jika kita konversikan dalam bentuk nilai exergy, maka potensi exergy dari PLTP Kamojang Unit 4 sebesar 119.790 kW. Berdasarkan data-data di tabel 5, terlihat bahwa saat ini PLTP Kamojang Unit 4 beroperasi dengan nilai tekanan


separator sebesar 10 bar. Aliran uap akan memasuki sistem dengan nilai 71,35

!" !

. Data-

data tersebut kemudian diolah untuk mendapatkan exergy losses komponen dan net power output di PLTP Kamojang Unit 4. Berikut tabel dan gambar yang menyajikan overall exergy PLTP Kamojang Unit 4 dengan kondisi operasional yang sedang berlangsung: Tabel 6 Overall exergy flow PLTP Kamojang Unit 4 dengan kondisi operasional yang sedang berlangsung Komponen

Exergy losses (kW)

Transmission

57.664

Input

Turbin

9002,8

Net

Kondenser

14.903

Efisiensi

Total

81.570

119.790 kW 38.223 kW 31,91 %

4.2 Optimasi Efisiensi Exergy Setelah kondisi operasional dianalisis, dilakukan optimasi untuk efisiensi exergy. Dengan range input tekanan wellhead dari 3,5-11 bar, grafik optimasi tidak terlalu terlihat begitu jelas. Secara sekilas nilai optimum tekanan wellhead berkisar antara 4,5 bar sampai 5,5 bar. Berikut merupakan grafik perbandingan tekanan wellhead terhadap net power output sistem dengan range input tekanan wellhead 4,5-5,5 bar.

Perbandingan Tekanan dan Net 56700 56650 56600 56550 56500 56450 56400 56350 56300 450

460

470

480

490

500

505

510

520

530

540

550

Perbandingan Tekanan dan Net Gambar 7 Perbandingan tekanan wellhead dan efisiensi exergy sistem PLTP Kamojang Unit 4 dengan range 4,5 – 5,5 bar

Dalam gambar 7terlihat bahwa terdapat sebuah titik puncak atau titik maksimum dari net power output sistem. Berikut ditampilkan analisis termodinamika dalam optimasi exergy PLTP Kamojang Unit 4.


Tabel 7 Kondisi optimum PLTP Kamojang Unit 4 secara efisiensi exergy Titik

Aliran massa !" ( )

Tekanan (!"#)

Temperatur ( ! ! )

Entalpi !" ( )

Entropi !" ( )

!"

Exergy (!")

!".!

!

input

134,403

11,8

187

2783,2

6,5276

119790

1

134,4

5,06114

152,29

2783,2

6,8963

95223

2

121,4126

0,1235

50

2323,27

7,2468

27094

3

121,4126

0,1235

50

209,34

0,704

878,85

4

2050

400

26,2

110,21

0,384

1901

2050

0,09595 0,7038

45 17

188,43 71,42

0,639 0,253

5 Lingkungan

-

10758 -

Dengan nilai tekanan wellhead sebesar 5,06114 bar, aliran uap panas bumi yang memasuki sistem akan mencapai 121,4126

!" !

. Meskipun secara tekanan uap terjadi

penurunan yang drastis dari tekanan uap sumur, aliran uap yang memasuki sistem mencapai angka yang cukup tinggi. Dari aliran uap maksimal yang tersedia, 90%-nya masuk ke dalam sistem PLTP Kamojang Unit 4. Berikut disajikan analisis overall exergy flow dengan tekanan wellhead yang optimum secara efisiensi exergy. Tabel 8 Overall exergy flow PLTP Kamojang Unit 4 dengan kondisi optimum secara efisiensi exergy Komponen

Exergy losses (kW)

Transmission

24.569

Input

Turbin

12.346

Net

Kondenser

26.215

Efisiensi

Total

63.130

119.790 kW 56.663 kW 47,30 %

4.3 Optimasi Ekonomi Berikut merupakan grafik yang menyajikan optimasi tekanan wellhead terhadap kebutuhan biaya sistem.


Perbandingan Tekanan dan Biaya 4500000 4000000 3500000 3000000 2500000 2000000 1500000 1000000 500000 0 3.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

7

7.5

8

8.5

9

9.5 10 10.5 11

Gambar 8 Perbandingan tekanan wellhead dan biaya sistem

Biaya sistem akan mencapai nilai minimum ketika tekanan wellhead sebesar 11 bar. Biaya minimum sistem PLTP Kamojang Unit 4 mencapai nilai sebesar US $ 2.242.200. Berikut ditampilkan analisis termodinamika di setiap titik PLTP Kamojang Unit 4 dengan tekanan wellhead optimum secara ekonomi. Tabel 9 Kondisi optimum PLTP Kamojang Unit 4 secara ekonomi Titik

Aliran massa !" ( )

Tekanan (!"#)

Temperatur ( ! ! )

Entalpi !" ( )

Entropi !" ) (

Exergy (!")

!"

!".!

!

input

134,403

11,8

187

2783,2

6,5276

119790

1

48,6451

1100

184,06

2783,2

6,557

42935

2

48,6451

0,1235

50

2245,4

7,004

10466

3

48,6451

0,1235

50

209,34

0,704

352,12

4

2050

400

26,2

110,21

0,384

1901

2050

0,09595 0,7038

45 17

188,43 71,42

0,639 0,253

5 Lingkungan

-

10758 -

Dengan tekanan wellhead sebesar 11 bar, aliran uap yang akan memasuki sistem !" mencapai nilai 48,6451 . Aliran massa yang mengalir sangat kecil dikarenakan tekanan !

!"

aliran sangat besar. Dari potensi sebesar 134,403 , hanya 36% yang masuk ke dalam ! sistem dalam setiap detiknya. Berikut disajikan analisis overall exergy flow dengan tekanan wellhead yang optimum secara ekonomi.


Tabel 10 Overall exergy flow PLTP Kamojang Unit 4 dengan kondisi optimum secara ekonomi Komponen

Losses

Transmission

76.858

Input

Turbin

6.308,5

Net

Kondenser

10.114

Efisiensi

Total

91.579

119.790 kW 26.512 kW 22,13 %

Dengan biaya sistem minimum, sistem dapat menghasilkan net power output sebesar 26.512 kW dan efisiensi exergy sebesar 22,13%. Nilai tersebut lebih optimum 5,398% dari kondisi operasional dengan efisiensi exergy sebesar 31,91%. Exergy losses terbesar terjadi di transmisi sebesar 76.858 kW. Exergy losses terkecil terjadi di turbin sebesar 6.308,5 kW. Berikut ditampilkan analisis biaya sistem dilihat dari tiap komponen yang ada dalam sistem. Tabel 11 Analisis ekonomi PLTP Kamojang Unit 4 dengan kondisi optimum secara ekonomi Komponen

Cost (US $)

Turbin

1.485.973,4

Condenser

13.325,858

Operation

742.330

Total

2.242.200

4.4 Optimasi Exergoeconomic Berbeda dari optimasi exergoeconomic sistem lainnya seperti cascade refrigeration system yang akan menuju ke satu titik optimum, optimasi exergoeconomic PLTP Kamojang Unit 4 menuju ke 15 titik optimum. Berikut merupakan grafik optimasi exergoeconomic PLTP Kamojang Unit 4 yang dilakukan dengan perangkat optimtool software MATLAB.


Gambar 9 Grafik optimasi exergoeconomic PLTP Kamojang Unit 4

Fungsi objektif 1 merupakan fungsi optimasi ekonomi, sedangkan fungsi objektif 2 merupakan fungsi optimasi efisiensi exergy. Berbeda dengan diagram pareto pada umumnya, diagram pareto optimasi exergoeconomic PLTP Kamojang Unit 4 berbentuk garis linear, tidak berbentuk garis lengkung dengan titik puncak mendekati titik nol. Hal ini diduga disebabkan oleh jumlah variabel optimasi yang hanya berjumlah satu buah. Jumlah variabel tersebut mengakibatkan tidak adanya kemungkinan bahwa suatu kondisi akan dicapai oleh kombinasi beberapa titik. Kombinasi inilah yang menyebabkan diagram pareto bisa berbentuk garis lengkung dengan titik puncak mendekati titik nol. Dalam optimasi exergoeconomic PLTP Kamojang Unit 4, satu kondisi hanya bisa dicapai oleh satu titik tanpa kombinasi titik yang lainnya. Hal inilah yang membuat diagram pareto yang dihasilkan hanya berbentuk garis lurus. Berikut merupakan 15 titik optimum secara efisiensi exergy dan biaya sistem yang didapatkan. Tabel 12 Kondisi optimum PLTP Kamojang Unit 4 secara exergoeconomic Tekanan (!"#) 504,787

Biaya (US $) 3.957.104

1.044

2.680.575

504,787

3.957.104

967

3.096.044

944

3.195.912

868

3.462.060

1.099

2.254.727

980

3.040.323

668,554

3.860.743

1.067

2.524.120

1.085

2.377.136

896

3.373.734

1.009

2.892.175

1.032

2.758.570

741

3.755.803

Net power output (!"##) 56.662.676 33.773.177 56.662.676 40.970.268 42.740.596 47.527.785 26.714.077 39.989.001 54.868.570 31.139.365 31.139.365 45.928.277 37.403.580 35.102.479 52.918.633


4.5 Optimasi Steam Ejector Dari proses optimasi dengan bantuan perangkat optimtool software MATLAB, ketiga variabel dapat diketahui untuk mendapatkan daya minimum yang dibutuhkan steam ejector dalam melaksanakan fungsinya. Nilai variabel tersebut yaitu: Tabel 13 Kondisi operasional optimum optimasi steam ejector Variabel Aliran motive steam

Kode variabel x(1)

Tekanan kondenser Massa kondensat

x(2) x(3)

Nilai !" 34,415 ! 109,093 kPa !" 34,672 !

Dengan kondisi operasional tersebut, steam ejector hanya membutuhkan aliran motive !" steam sebesar 34,415 atau sebanding dengan 4.060,97 Watt hour. Daya yang steam ! ejector lebih kecil 15% dari daya steam ejector yang dioperasionalkan saat ini. Tabel 14 Perbandingan steam ejector kondisi operasional dan optimum Parameter Aliran motive steam

Operasional

!" 40,61 ! 4.792,14 Watt hour

Kebutuhan daya

Optimum

!" ! 4.060,97 !"## ℎ!"# 34,415

5. Kesimpulan Dari penelitian yang telah dilakukan diperoleh kesimpulan bahwa: 1. Penurunan tekanan wellhead dapat meningkatkan net power output dan efisiensi exergy sistem PLTP jenis dry steam power plant sampai mencapai titik maksimum. Setelah melewati titik maksimum, net power output dan efisiensi exergy akan mengalami penurunan. 2. Penurunan tekanan wellhead dapat meningkatkan kebutuhan biaya sistem PLTP jenis dry steam power plant sampai mencapai titik maksimum. Setelah melewati titik maksimum, biaya kebutuhan sistem akan mengalami penurunan. 3. Optimasi exergoeconomic tidak akan menuju ke satu titik optimum apablia variabel optimasi hanya berjumlah satu buah. 4. Penurunan tekanan kondensasi dapat mengurangi aliran motive steam pada gas removal system jenis steam ejector. Penurunan tekanan kondensasi dapat dilakukan dengan menurunkan fluida yang dikondensasikan 6. Referensi Agustina, Lina. (2013). Kajian Pemilihan Sistem Pembuangan Gas Tak Terkondensasi (Gas Removal System) di Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP). Tesis: Institut Teknologi Bandung.


Ameri,. Amanpoour,. (2011). Energy and exergy analysis and optimization of a double flash power plant for Meshkin Shahr region. World Renewable Energy Congress 2011-Sweden. Balqis,. Indriawati,. dan Lelono. (2012). Optimasi Daya Listrik pada PT Pertamina Geothermal Energy Area Kamojang, Jawa Barat. Jurnal Teknik POMITS Voli.1: Institut Teknologi Sepuluh November. Bejan A, Tsatsaronis, dan G., Moran, M. (1996). Thermal design and optimization. New York: John Wiley & Sons. Cengel, Y. dan Tuner, R.. (2005). Fundamentals of Thermal-fluid Sciences. 2nd ed., McGraw-Hill, New York. Dincer, I., Rosen, M.A. (2007) Exergi: Energy, Environtment, and Sustainable Development. Elsevier, All rights reserved. DiPippo R. (2011). Geothermal power plants, principles, applications, case studies and environmental impact. 3rd ed. Elsevier El-Emam,. Dincer. 2013. Exergy and exergoeconomic analyses and optimization of geothermal organic Rankine cycle. Elsevier. Estevez, Jose. (2012). Geothermal Power Plant Projects in Central America: Technical and Financial Feasibility Assessment Model. Thesis: University of Iceland Ganjehsarabi,. Gungor,. Dincer,. (2012). Exergetic performance analysis of Dora II geothermal power plant in Turkey. Elsevier. Jalilinasrabady,. Itoi,. Valdimarsson,. dkk. (2012). Flash cycle optimization of Sabalan geothermal power plant employing exergy concept. Elsevier Jalilinasrabady,. Itoi,. Fujii,. Tanaka,. (2010). Energy and Exergy Analysis of Sabalan Geothermal Power Plant, IRAN. Proceedings World Geothermal Congress 2010 Bali, Indonesia, 25-29 April 2010. Marler, Tim. (2005). A Study of Multi-Objective Optimization Methods. Jerman: Saarbrucken Pambudi,. Itoi,. Jalilinasrabady,. Jaelani. (2013).Exergy analysis and optimization of Dieng single-flash geothermal power plant. Elsevier Sholahudin. (2013). Optimasi thermoeconomic dan analisa sistem refrigerasi cascade dengan menggunakan variasi refrigeran. Skripsi: Universitas Indonesia Smith R. (2005) Chemical process: design and integration, 2nd ed. New York:John Wiley & Sons. Stoecker, Wilbert. (1980). Design of themal system. McGraw-Hill Kogakusha, 1980 Yari, Mortaza. (2009). Exergetic analysis of various types of geothermal power plants. Elsevier


Analisis Exergy, Optimasi Exergoeconomic dengan Metode Multiobjective, dan Optimasi Steam Ejector Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi Kamojang Unit 4

Recommend Documents