ANALISIS TERMODINAMIKA UNTUK OPTIMASI SISTEM KONVERSI ENERGI RGTT200K

ISSN 0216 - 3128

22

Ign. Djoko Irianto

ANALISIS TERMODINAMIKA UNTUK OPTIMASI SISTEM KONVERSI ENERGI RGTT200K Ign. Djoko Irianto Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir-BATAN Kawasan Puspiptek, Serpong, Tangerang 15310 Telp./Fax: 021-7560912 Email: [email protected]

ABSTRAK ANALISIS TERMODINAMIKA UNTUK OPTIMASI SISTEM KONVERSI ENERGI RGTT200K. RGTT200K adalah Reaktor Gas Temperatur Tinggi (RGTT) berdaya termal 200 MW, berpendingin helium dengan temperatur outlet reaktor 950 oC dan bertekanan 5,0 MPa. Reaktor ini didesain dengan konsep kogenerasi untuk pembangkit listrik, produksi hidrogen dan desalinasi. Sistem konversi energi RGTT200K menerapkan siklus langsung dimana seluruh komponen utama berada dalam satu lintasan aliran pendingin. Dalam makalah ini diuraikan hasil penelitian optimasi sistem konversi energi RGTT200K. Analisis dilakukan dengan cara membandingkan hasil perhitungan efisiensi termal dan faktor pemanfaatan energi (Energy Utilization Factor/EUF) terhadap 2 konfigurasi sistem konversi energi RGTT200K yang masing-masing dengan 1 kompresor dan 2 kompresor. Perhitungan dilakukan dengan menggunakan paket program komputer ChemCAD. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa dengan pemasangan dua kompresor dan satu intercooler dapat diperoleh efisiensi termal sebesar 40,42% dan EUF sebesar 79,97%. Sedangkan dengan satu kompresor diperoleh efisiensi termal sebesar 39,33% dan EUF sebesar 79,76%. Penambahan satu kompresor dan satu intercooler hanya mampu menaikkan efisiensi termal kurang dari 1%. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa untuk desain RGTT200K dengan daya termal 200 MW dan laju alir pendingin helium 120 kg/s dan tekanan 5 MPa cukup menggunakan sebuah kompresor tanpa intercooler. Kata kunci: RGTT200K, sistem konversi energi, kogenerasi, efisiensi termal, EUF

ABSTRACT THERMODYNAMIC ANALYSIS FOR OPTIMIZING RGTT200K ENERGY CONVERSION SYSTEM. RGTT200K is High Temperature Gas-cooled Reactor (HTGR) with 200 MW thermal power generation. This reactor employs helium-gas coolant with 5.0 MPa operating pressure and 950 oC outlet temperature. This reactor is designed with cogeneration concept for power plant, hydrogen production and desalination. Energy conversion system of RGTT200K apply direct cycle with all main component in one path circulation of coolant flow. In this paper, the research optimizes the RGTT200K energy conversion system. Analysis was done by comparing the simulation result of thermal efficiency and energy utilization factor (EUF) between 2 configuration of RGTT energy conversion system which using one compressor and two compressor. Calculation was done by using ChemCAD computer code. The calculation result shows that the energy conversion system utilizing 2 compressor give the thermal efficiency of 40,42% and the EUF of 79.97%. While utilizing 1 compressor, the thermal efficiency is 39.33% and the EUF is 79.76%. The addition of a compressor and an intercooler is insignificantly increase the thermal efficiency of less than 1%. Therefore, it can be concluded that the design of RGTT200K with 200 MW thermal power and a helium flowrate of 120 kg/s with pressure of 5.0 MPa are utilize adequately one compressor without intercooler. Keywords: RGTT200K, energy conversion system, cogeneration, thermal efficiency, EUF

PENDAHULUAN

D

alam Peraturan Presiden RI Nomor 5 Tahun 2010 tentang Rencana Pembangunan Jangka Menengah Nasional (RPJMN) 2010-2014(1), telah ditetapkan bahwa salah satu keluaran kegiatan litbang nuklir dalam bidang energi adalah penyelesaian desain konseptual sistem konversi energi dan sistem keselamatan reaktor daya maju kogenerasi. Peraturan Presiden RI Nomor 5 Tahun 2010 tersebut ditindak-lanjuti dengan Renstra BATAN 2010-2014 yang menegaskan bahwa keluaran pada tahun 2014 adalah diperolehnya desain konseptual reaktor riset inovatif; desain konseptual reaktor daya maju kogenerasi serta

evaluasi teknologi. Salah satu tipe reaktor daya maju yang dikembangkan desainnya adalah RGTT, karena konsep reaktor ini merupakan konsep reaktor daya maju yang dianggap paling siap untuk diaplikasikan di masa depan khususnya untuk aplikasi sistem kogenerasi. Reaktor ini memiliki keluaran energi termal dengan temperatur yang sangat tinggi sekitar 950 oC sehingga memungkinkan aplikasi sistem kogenerasi untuk pembangkit listrik, produksi gas hidrogen dan proses desalinasi air laut. Kegiatan pengembangan sistem energi nuklir berbasis Reaktor berpendingin Gas Temperatur Tinggi (RGTT), telah dilakukan di Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir –

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah - Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2012 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 4 Juli 2012

Ign. Djoko Irianto

ISSN 0216 - 3128

Badan Tenaga Nuklir Nasional (PTRKN-BATAN) dengan penyusunan desain konseptual RGTT berdaya termal 200 MW dengan konsep kogenerasi yang dikenal dengan nama RGTT200K(2,3). Konsep kogenerasi RGTT200K ditujukan untuk pembangkit listrik, produksi hidrogen dan proses desalinasi air laut. RGTT200K didesain berpendingin gas helium dengan temperatur outlet reaktor 950 oC dan bertekanan 5 MPa. Selain desain sistem reaktor, desain sistem konversi energi menjadi sangat penting untuk menentukan keberhasilan desain RGTT200K. Komponen utama sistem konversi energi dalam RGTT200K adalah Intermediate Heat Exchanger (IHX), turbin gas, kompresor, rekuperator dan precooler(3). Sistem konversi energi RGTT200K menerapkan konsep siklus langsung dengan menggunakan turbin gas atau dalam siklus Brayton. Siklus langsung memiliki efisiensi yang lebih tinggi dibanding dengan siklus tak langsung(4). Dalam siklus langsung, turbin dan kompresor dipasang dalam satu lintasan sistem primer. IHX sebagai penyedia energi termal untuk proses produksi gas hidrogen dipasang antara reaktor dan turbin gas. Untuk keperluan penyediaan energi termal untuk proses desalinasi diambil dari precooler yang dipasang pada inlet kompresor. Dalam makalah ini dianalisis hasil perhitungan termodinamika siklus Brayton untuk optimasi sistem konversi energi pada RGTT200K. Perhitungan dilakukan dengan pemodelan proses termodinamika pada siklus Brayton sistem konversi energi pada RGTT200K menggunakan paket program komputer ChemCAD. ChemCAD(5) adalah perangkat lunak komputer yang dapat digunakan untuk simulasi perhitungan termodinamika dan rekayasa proses (process engineering). Perhitungan termodinamika sistem konversi energi RGTT200K difokuskan pada efisiensi siklus Brayton dengan membandingkan antara sistem konversi energi dengan 2 kompresor dan 1 kompresor. Untuk mengetahui karakteristik sistem secara keseluruhan, dilakukan juga perhitungan neraca energi, distribusi temperatur dan tekanan termasuk perhitungan parameter karakteristik komponen utamanya untuk kedua konfigurasi tersebut.

TATA KERJA Perhitungan Turbin Aliran Aksial Analisis termodinamika dilakukan terhadap desain konseptual sistem konversi energi pada RGTT200K. Pada desain konseptual sistem konversi energi RGTT200K ditetapkan penggunaan turbin gas dengan aliran aksial(3). Dengan menerapkan persamaan energi aliran mantap berkembang penuh di sepanjang rotor atau sudu jalan, maka kerja yang diberikan oleh turbin gas

23

dapat dihitung menggunakan persamaan(6) sebagai berikut:

Wturbin = m c p (T1 − T2 )

(1)

Sedangkan rasio tingkat tekanan antara tekanan inlet dan tekanan outlet pada turbin gas dapat dihitung menggunakan persamaan(6) sebagai berikut: γ

P2 ⎛ T2 ⎞ γ −1 =⎜ ⎟ P1 ⎜⎝ T1 ⎟⎠

(2)

Temperatur outlet dari turbin gas dapat dihitung menggunakan persamaan(6) sebagai berikut: ⎧ ⎪ T2 = T1 ⎨1 + η s ⎪ ⎩

γ=

γ −1 ⎤ ⎫ ⎡ ⎢ ⎛⎜ P1 ⎞⎟ γ ⎥ ⎪ ⎢1 − ⎜ P ⎟ ⎥ ⎬ ⎢ ⎝ 2 ⎠ ⎥⎪ ⎣ ⎦⎭

(3)

cp cv

Pada persamaan (1) sampai dengan persamaan (3) di atas, subskrip 1 untuk titik masuk (inlet) turbin gas dan subskrip 2 untuk titik keluar (outlet) turbin gas. P dan T masing-masing untuk tekanan dan , c p , cv , η s temperatur absolut. Besaran w, m secara berurutan menyatakan kerja turbin gas spesifik, laju aliran massa, kapasitas panas spesifik tekanan konstan, kapasitas panas spesifik volume konstan, dan efisiensi isentropis turbin gas.

Perhitungan kompresor Dengan menggunakan persamaan energi untuk aliran mantap dan berkembang penuh pada rotor kompresor aksial, maka besarnya kerja kompresor dapat dihitung menggunakan persamaan(6) sebagai berikut:

Wkompresor = m c p (T2 − T1 )

(4)

Sedangkan rasio tingkat tekanan antara tekanan outlet dan tekanan inlet pada kompresor aksial dapat dihitung menggunakan persamaan(6) sebagai berikut:

P2 ⎛ T2 =⎜ P1 ⎜⎝ T1

γ

⎞ γ −1 ⎟⎟ ⎠

(5)

Temperatur outlet dari kompresor dapat dihitung menggunakan persamaan(6) sebagai berikut: ⎧ ⎪ 1 T2 = T1 ⎨1 + η s ⎪ ⎩

γ −1 ⎡ ⎤⎫ ⎢⎛⎜ P2 ⎞⎟ γ ⎥⎪ − 1⎥ ⎬ ⎢⎜ P ⎟ ⎢⎝ 1 ⎠ ⎥⎪ ⎣ ⎦⎭

(6)

Nomenklatur besaran pada persamaan-persamaan untuk kompresor yaitu persamaan (4) sampai dengan persamaan (6) yang meliputi besaran


24

ISSN 0216 - 3128

w, m , c p , cv , η s sama dengan nomenklatur pada persamaan-persaman untuk turbin gas yaitu persamaan (1) sampai dengan persamaan (3).

Perhitungan efisiensi termal dan faktor pemanfaan energi Salah satu keuntungan sistem RGTT adalah kemampuannya menghasilkan temperatur luaran yang sangat tinggi hingga mencapai 950 oC. Temperatur luaran yang tinggi, sangat ideal untuk dikopel dengan unit konversi daya atau Power Conversion Unit (PCU) untuk menghasilkan konfigurasi sistem kogenerasi. Dengan sistem kogenerasi, reaktor nuklir dapat digunakan untuk memasok energi termal dan untuk keperluan industri maupun untuk pembangkit daya listrik. Dengan demikian, efisiensi sistem tidak semata dihitung berdasarkan kemampuan pembangkitan daya listrik, tetapi juga kemampuan menyediakan energi termal untuk keperluan industri lain. Efisiensi pembangkitan daya listrik atau efisiensi termal (ηther) merupakan hasil perkalian antara efisiensi generator listrik dengan daya mekanik yang merupakan selisih antara daya turbin gas dan daya kompresor(6). Efisiensi pembangkitan daya listrik secara individual akan lebih tinggi dibanding dengan efisiensi pembangkitan daya listrik dalam sistem kogenerasi. Dalam sistem kogenerasi, efisiensi dihitung berdasarkan nilai faktor pemanfaatan energi termal atau Energy Utilization Factor (EUF) yang meliputi seluruh unit yang memanfaatkan energi termal dari reaktor. Dengan sistem kogenerasi, nilai faktor pemanfaatan energi termal (EUF) dapat mencapai 80%(7), sedangkan yang 20% adalah energi termal yang dibuang ke lingkungan dalam bentuk energi panas. Nilai EUF yang tinggi akan meningkatkan nilai keekonomian sistem kogenerasi dan efisiensi pemanfatan cadangan bahan bakar.

Konfigurasi Sistem Konversi Energi RGTT 200 K Sistem konversi energi pada RGTT200K didesain dengan konfigurasi siklus langsung dimana semua komponen utama yaitu : IHX, turbin gas, rekuperator, precooler, dan kompresor berada dalam satu alur siklus aliran pendingin seperti pada Gambar 1. IHX adalah unit penukar panas yang digunakan sebagai penyedia energi termal untuk proses produksi gas hidrogen. Untuk proses produksi gas hidrogen diperlukan IHX yang mampu menyediakan energi termal dengan temperatur tinggi yaitu sekitar 900 oC. Karena itu IHX dipasang langsung pada outlet reaktor agar memperoleh temperatur tertinggi. IHX untuk RGTT200K didesain dengan tipe shell and tube dengan modifikasi sisi tube yang dibentuk secara helical. Dimensi pada model desain IHX

Ign. Djoko Irianto

RGTT200K mengacu pada desain IHX untuk GTHTR300C[8]. Precooler yang dipasang pada inlet kompresor selain berfungsi untuk menurunkan temperatur inlet pada kompresor, juga berfungsi untuk menyediakan energi termal pada proses desalinasi. Dalam desain konseptual sistem konversi energi pada RGTT200K seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, sebagai sumber energi termal adalah reaktor gas temperatur tinggi (RGTT) berdaya termal 200 MW dengan temperatur outlet 950 oC dan tekanan outlet 5 Mpa(2,3,4). Gas helium sebagai pendingin primer mengalir dari reaktor membawa energi termal melalui IHX, turbin gas, rekuperator, precooler, kompresor dan kembali ke reaktor. Instalasi produksi gas hidrogen menerima energi termal dari unit konversi daya kogenerasi melalui IHX. Untuk keperluan produksi gas hidrogen dengan proses daur sulfur-iodine diperlukan energi termal dengan temperatur minimal 900 oC. Sedangkan untuk keperluan instalasi desalinasi air laut mengambil energi termal dari unit konversi daya melalui precooler yang dipasang pada inlet kompresor.

Gambar 1. Diagram Alir Desain Sistem Konversi RGTT200K(2,3,4)

Konseptual Energi

Dalam penelitian ini, juga dibuat alternatif konfigurasi dengan menambahkan satu kompresor, sehingga diperoleh konfigurasi dengan dua kompresor yaitu kompresor tekanan tinggi atau High Pressure Compressor (HPC) dan kompresor tekanan rendah atau Low Pressure Compressor (LPC) dan satu intercooler yang dipasang di antara HPC dan LPC.

Pemodelan Sistem Konversi Menggunakan ChemCAD

Energi

Diagram alir sistem konversi energi RGTT200K seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 dimodelkan menggunakan paket program komputer ChemCAD pada Gambar 2. Unit reaktor sebagai penyedia energi termal dimodelkan sebagai reaktor Gibbs. Dalam program komputer ChemCAD, reaktor Gibbs digunakan untuk simulasi neraca massa dan neraca energi.


ISSN 0216 - 3128

Ign. Djoko Irianto

25 8

PBMR 1

T 900.0 P 4.92 W 84.1

2

T 950.0 P 5.00 W 120.0

T 850.0 P 4.96 W 120.0

3

6

4

Compressor

Turbin T 123.9 P 5.20 W 120.0

4

Produksi H2

9

3

T 630.1 P 2.82 W 120.0

T 757.2 P 5.00 W 84.1

IHX

2

7

6

T 30.0 P 2.70 W 120.0

Recuperator

1

T 629.9 P 5.12 W 120.0

5

Heat Sink

5

T 124.0 P 2.76 W 120.0

Precooler

Gambar 2. Model Sistem Konversi Energi RGTT200K Menggunakan ChemCAD. Komposisi, produk dan kondisi termal keluaran reaktor dihitung dengan minimisasi energi bebas Gibbs. Fluida kerja untuk sistem konversi energi termasuk unit reaktor dispesifikasikan sebagai gas inert, dalam hal ini gas helium. Sebagai input dalam pemodelan ini yaitu 4 parameter reaktor yang telah ditetapkan yaitu daya reaktor, laju alir masa fluida pendingin, tekanan dan temperatur outlet reaktor. Model IHX ditetapkan tipe shell and tube dengan mengacu pada desain konseptual IHX GTHTR300C(7). Ukuran dimensi model IHX mengadopsi dimensi IHX pada GTHTR300C. Demikian pula model rekuperator dan model precooler juga memakai pendekatan penukar panas tipe shell and tube. Pressure drop pada sisi shell untuk ketiga penukar panas diasumsikan sebesar 0,04 MPa sedangkan pressure drop pada sisi tube sebesar 0,08 MPa. Model turbin gas dan kompresor dipasang satu poros memakai tipe aksial dengan masing-masing memiliki efisiensi politropik sebesar 0,97. Pressure drop pada reaktor diasumsikan sebesar 0,12 MPa. Parameter reaktor yang digunakan sebagai data input untuk model sistem konversi energi RGTT200K yang menggunakan ChemCAD ditunjukkan pada Tabel 1.

Tabel 1. Data input untuk model sistem konversi energi RGTT200K menggunakan ChemCAD Parameter Nilai Daya reaktor 200 MWt Temperatur outlet reaktor 950 oC Tekanan outlet reaktor 5,0 MPa Laju alir massa helium 120 kg/s

HASIL DAN PEMBAHASAN Desain konseptual sistem konversi energi dengan turbin gas untuk RGTT200K menerapkan siklus langsung. Fluida pendingin reaktor dalam hal ini gas helium juga digunakan sebagai penggerak turbin. Sistem konversi energi RGTT200K didesain dengan konsep kogenerasi untuk pembangkit listrik, produksi gas hidrogen dan proses desalinasi air laut. Sebagai sumber energi termal untuk sistem konversi energi adalah sistem reaktor tipe RGTT berdaya termal 200 MW. Aliran pendingin pada bagian outlet reaktor memiliki tekanan 5,0 MPa dengan temperatur 950 oC. Unit produksi gas hidrogen mengambil daya termal dari sisi sekunder IHX yang memiliki outlet temperatur sebesar 900 o C. Turbin gas dikopel satu poros dengan


ISSN 0216 - 3128

26

komppresor yang juga digunakaan untuk meemutar generator sebagai pembangkit listrik. Adaa dua alternnatif konfiguurasi yang dianalisis dalam peneliitian ini, yaitu y konfiggurasi dengaan 1 komppresor dan koonfigurasi dengan 2 kom mpresor yang terdiri dari HPC H dan LPC C. Pada konfiigurasi dengaan dua komppresor, makaa di antara kedua komppresor (HPC dan d LPC) dippasang interccooler. Instalasi desalinasii memanfaatkkan panas buuangan baik dari d precooleer yang dipassang pada sisi inlet komppresor maupunn dari intercoooler. Sistem reaaktor sebagai pembangkit energi termaal dalam desaain konseptual sistem koonversi daya ini mengacuu pada konssep sistem reaktor r GTHT TR300C. Parrameter reaktoor yang diguunakan sebaggai dasar desain konseptuual sistem koonversi daya RGTT200K tersebut meliiputi : daya termal t reaktoor, temperaturr outlet, tekannan outlet daan laju alirann pendingin daari sistem reaaktor. Nilai besaran tersebbut adalah daya d termal reaktor 200 MW, tempeeratur outlet reaktor 950 oC, tekanan outlet reaktoor 5,0 MPa, dan d laju alir gas g helium seebagai pendinngin primer adalah 1200 kg/s. Param meterparam meter reaktor RGTT200K R teersebut ditunjukkan pada Tabel T 1.

Ign. Djoko D Irianto

termodinam mika yang diigunakan. Seebagai acuann untuk valiidasi model adalah model m prosess termodinam mika GTHT TR300(9) seeperti yangg ditunjukkann pada Gambbar 3. Diagraam alir padaa Gambar 3 dimodelkan d dengan mengg gunakan pakett program ChemCAD C sseperti pada Gambar 4.. GTHTR3000 adalah model RGTT yang telahh dikembangkkan oleh Japaan Atomic En nergy Agencyy (JAEA)(9). GTHTR300 berdaya term mal 600 MW W dengan lajuu alir pendingiin 439 kg/s daan temperaturr keluaran dari d reaktor sebesar 850 oC. Ketigaa parameter teersebut digunaakan sebagai data masukann untuk modeel dengan ChemCAD.

Valid dasi Modell Proses Teermodinam mika Untuk mennganalisis moodel sistem koonversi energi RGTT200K K dan pemoddelan mengguunakan prograam komputerr ChemCAD D pada Gambbar 2, perlu validasi terhadap model p proses

Gambar 3. Desain konseptual GTHTR300(9)

sistem m

1

2

T 850.00 P 6.87 W 439.00

Reakttor

2

T 618.78 8

5

3

P 3.64

5

W 439.00 0

Tu urbin T 136.50 P 7.10 W 439.00

3

Comp pressor

T 27.99 P 3.55 W 439.00

6

1

T 587.01 P 6.99 W 439.00

Re ecuperatorr

4

Hea at Sink

4

T 168 8.10 P 3.57 W 439.00

Precoolerr

Gambar 4. Model sisstem GTHTR3 300 menggunaakan ChemCA AD. Prosiding Perttemuan dan Prresentasi Ilmiah - Penelitian Dasar D Ilmu Pen ngetahuan dan Teknologi Nuk klir 2012 Pus sat Teknologi Akselerator A da an Proses Baha an - BATAN Y Yogyakarta, 4 Juli J 2012

Ign. Djoko Irianto

ISSN 0216 - 3128

27

Tabel 2. Perbandingan Parameter Keadaan (T dan P) antara GTHTR300(9) dan Model Menggunakan ChemCAD Nilai Parameter Kesalahan Parameter Satuan relatif (%) GTHTR300(9) Model o Temperatur pada inlet reaktor (T1) C 587,00 587,01 0,00 Tekanan pada inlet reaktor (P1) MPa 6,96 6,99 0,43 o Temperatur pada outlet reaktor (T2) C 850,00 850,00 0,00 Tekanan pada outlet reaktor (P2) MPa 6,84 6,87 0,44 o Temperatur pada outlet turbin (T3) C 618,00 618,78 0,13 Tekanan pada outlet turbin (P3) MPa 3,63 3,64 0,28 o Temperatur pada inlet precooler (T4) C 167,00 168,10 0,66 Tekanan pada inlet precooler (P4) MPa 3,54 3,57 0,85 o Temperatur pada inlet kompresor (T5) C 28,00 27,99 0,04 Tekanan pada inlet kompresor (P5) MPa 3,50 3,55 1,43 o Temperatur pada outlet kompresor (T6) C 135,00 136,50 1,11 Tekanan pada outlet kompresor (P6) MPa 7,00 7,10 1,43 Laju alir masa pendingin helium kg/s 439,00 439,00 0,00 Untuk keperluan validasi model siklus termodinamika menggunakan ChemCAD, diagram alir sistem GTHTR300 Gambar 3 dan model siklus pada Gambar 4 dibagi menjadi 6 titik pengamatan. Setiap titik pengamatan ditempatkan sebelum dan sesudah perangkat/komponen utama sistem konversi energi yang terdiri dari unit reaktor, IHX, turbin gas, rekuperator, precooler dan kompresor. Turbin gas dan kompresor dipasang satu poros. Setiap titik pengamatan dihitung distribusi temperatur dan tekanannya. Sedangkan setiap perangkat/komponen utama dihitung besarnya daya yang diperlukan ataupun yang dihasilkan. Perbandingan hasil perhitungan untuk siklus GTHTR300 dengan model yang telah dibuat ditampilkan pada Tabel 2. Dari hasil perhitungan menggunakan ChemCAD untuk keperluan validasi model termodinamika terhadap data GTHTR300 seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2, terlihat bahwa kesalahan relatif terbesar adalah 1,43%. Kesalahan terbesar tersebut terjadi di seputar kompresor. Hal ini disebabkan oleh penetapan karakteristik kompresor yang digunakan sebagai data masukan. Namun demikian, nilai kesalahan yang relatif kecil sebesar 1,43% menunjukkan bahwa pemodelan tersebut dapat diterima. Dari hasil validasi model, dapat disimpulkan bahwa model siklus Brayton – Turbin gas menggunakan paket program ChemCAD cukup memadai dan valid. Dengan cara yang sama, digunakan dalam perhitungan termodinamika sistem konversi energi RGTT200K baik yang menggunakan 2 kompresor maupun yang menggunakan 1 kompresor.

Analisis Termodinamika Konversi Energi RGTT200K

Sistem

Sistem konversi energi RGTT200K dengan satu kompresor seperti pada Gambar 1 dimodelkan menggunakan paket program komputer

ChemCAD seperti pada Gambar 5. Parameter keadaan yang telah diketahui atau ditetapkan digunakan sebagai persyaratan desain dan menjadi parameter input dalam pemodelan. Parameter keadaan sistem tersebut antara lain : daya termal reaktor 200 MW, temperatur outlet dari teras reaktor 950 oC dan tekanan outlet reaktor 5,0 MPa. Laju alir pendingin reaktor dan seluruh sistem konversi energi RGTT200K adalah 120 kg/s. Dalam pemodelan untuk analisis perhitungan ini, seluruh penukar panas (IHX, rekuperator, precooler) dalam sistem konversi energi RGTT200K dimodelkan sebagai penukar panas tipe shell and tube. Untuk instalasi produksi gas hidrogen maupun instalasi desalinasi dimodelkan sebagai heat sink. Unit reaktor sebagai penyedia energi termal dimodelkan sebagai reaktor Gibbs. Dalam program komputer ChemCAD, reaktor Gibbs digunakan untuk simulasi neraca massa dan neraca energi. Komposisi, produk dan kondisi termal keluaran reaktor dihitung dengan minimisasi energi bebas Gibbs. Empat parameter reaktor yang telah ditetapkan sebelumnya yaitu daya termal reaktor, laju alir pendingin, temperatur dan tekanan outlet reaktor digunakan sebagai data masukan. Seluruh persyaratan komponen yang meliputi pressure drop, efisiensi politropik turbin gas dan kompresor digunakan sebagai data masukan dalam pemodelan ini. Seluruh data masukan dalam pemodelan ini ditunjukkan pada Tabel 3. Hasil perhitungan parameter termodinamika sistem konversi energi RGTT200K dengan menggunakan satu turbin ditunjukkan pada Tabel 4 dan Tabel 5. Hasil perhitungan tersebut diperoleh dengan mengambil dasar laju alir pendingin helium sebesar 120 kg/s. Hasil perhitungan beban daya pada IHX diperoleh sebesar 62,33 MWt, daya sebesar ini digunakan untuk instalasi produksi gas hidrogen. Daya pada


ISSN 0216 - 3128

28

Ign. Djoko Irianto

pada kompresor. Dengan demikian, daya mekanik yang dihasilkan untuk pembangkit listrik sebesar 78,45 MWt.

precooler sebesar 58,67 MWt digunakan untuk instalasi desalinasi air laut. Daya mekanik yang tersedia untuk pembangkitan daya listrik adalah selisih beban kerja pada turbin gas dan beban kerja

8

Reaktor 1 2

IH

T 900.00 P 4.92 W 84.05

2

T 950.00 P 5.00 W

Recuperator

Produksi H2

9

T 850.01 P 4.96 W 119.97

3

6

3

T 630.14 P 2.82 W

T P 5.00 W 84.05

4

Compressor

Turbin T 123.89 P 5.20 W

4

6

7

T 29.97 P 2.70 W

1

T 629.91 P 5.12 W

5

Desalinasi

5

T 124.00 P 2.76 W 119.97

Precooler

Gambar 5. Model sistem konversi energi RGTT200K dengan 1 kompresor menggunakan ChemCAD Tabel 3. Data input untuk setiap komponen No. Parameter 1. Daya termal reaktor 2. Temperatur outlet reaktor 3. Tekanan outlet reaktor 4. Laju alir masa pendingin 5. Pressure drop pada reaktor 6. Pressure drop pada sisi shell IHX 7. Pressure drop pada sisi tube IHX 8. Efisiensi politropik turbin gas 9. Efisiensi politropik kompresor 10. Pressure drop pada sisi shell rekuperator 11. Pressure drop pada sisi tube rekuperator 12. Pressure drop pada sisi shell rekuperator 13. Pressure drop pada sisi tube rekuperator 14. Temperatur heat sink 15. Temperatur outlet IHX untuk produksi H2

Nilai 200 MW 950 oC 5,0 Mpa 120 kg/s 0,12 MPa 0,04 MPa 0,08 MPa 0,96 0,96 0,06 MPa 0,08 MPa 0,04 MPa 0,08 MPa 28,0 oC 900 oC

Tabel 4. Distribusi tekanan dan temperatur pada sistem konversi energi RGTT200K Posisi Pengamatan Parameter Keadaan Lokasi No Tekanan [MPa] Temperatur[oC] Inlet Reaktor 1 5,12 629,91 Outlet Reaktor 2 5,00 950,00 Outlet IHX 3 4,96 850,01 Outlet Turbin 4 2,82 630,14 Outlet Recuperator 5 2,76 124,00 Outlet Precooler 6 2,70 29,97 Outlet Kompresor 7 5,20 123,89 Inlet IHX sisi sekunder 8 5,00 757,20 Outlet IHX sisi sekunder 9 4,92 900,00 Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah - Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2012 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 4 Juli 2012

ISSN 0216 - 3128

Ign. Djoko Irianto

29

8

Reaktor 2

1

T 757.20 P 5.00 W 84.05

IHX T 900.00 P 4.92 W 84.05

2

T 950.00 P 5.00 W 119.97

9

7

T 850.01 P 4.96 W 119.97

3

T 628.91 P 2.81 W 119.97

Intercooler Desalinasi

13

3

T 29.00 P 3.73 W 119.97

T 74.61 P 3.76 W 119.97

12

8

HPC

LPC

4

6

Turbin

T 29.80 7

4

Produksi H2

Recuperator

T 73.36 P 5.20 W 119.97

6

P 2.69 W 119.97

1

T 628.10 P 5.12 W 119.97

5

Desalinasi

5

T 74.00 P 2.75 W 119.97

Precooler

Gambar 6. Model sistem konversi energi RGTT200K dengan 2 kompresor Efisiensi termal atau efisiensi untuk pembangkitan listrik merupakan perkalian antara daya mekanik untuk pembangkitan listrik dengan efisiensi generator listrik. Efisiensi generator listrik diasumsikan sebesar 98,66%(6), dengan demikian diperoleh efisiensi termal sebesar 39,33% atau daya listrik yang dihasilkan oleh RGTT200K sebesar 77,40 MWe. Efisiensi maksimum yang dapat dihasilkan oleh instalasi produksi gas hidrogen dengan termokimia adalah 52%(10). Dari Tabel 5, energi termal yang ditransfer dari IHX sebesar 62,33 MW. Jika setiap MW daya termal dari IHX mampu memproduksi gas hidrogen sebanyak 6800 Nm3/hari(10), maka sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K akan mampu memproduksi gas hidrogen dengan kapasitas 220,398 Nm3/hari. Instalasi desalinasi memanfaatkan panas buangan dari precooler sebesar 58,67 MWt. Efisiensi pemanfaatan energi termal untuk proses desalinasi dengan metode Low-Temperature Multi-Effect Evaporation (LT MEE) adalah 81,3%(11), dan setiap MW energi termal dapat menghasilkan air bersih 5000 ton/hari(11). Dengan demikian, RGTT200K dengan satu kompresor dapat menghasilkan air bersih sebesar 0,813 x 58,67 MW x 5000 (ton/hari)/MW = 238.493 ton/hari.

menggunakan ChemCAD

Tabel 5. Distribusi daya termal pada komponen utama sistem konversi energi RGTT200K Komponen utama sistem Daya termal konversi energi RGTT200K [MW] Reaktor 199,46 Intermediate Heat Exchanger 62,33 Turbin gas 137,77 Rekuperator 315,52 Precooler 58,67 Kompresor 59,32

Analisis Termodinamika Sistem Konversi Energi RGTT200K dengan 2 Kompresor Secara teoritis, pemasangan 2 kompresor dengan tambahan intercooler diasumsikan dapat memperoleh peningkatan efisiensi termal. Untuk menguji hal ini, sistem konversi energi RGTT200K dimodelkan ulang menggunakan ChemCAD seperti pada Gambar 6. Dalam model ini, di antara dua kompresor HPC dan LPC dipasang intercooler. Kompresor HPC dan LPC dipasang dengan karakteristik yang


30

ISSN 0216 - 3128

Ign. Djoko Irianto

Tabel 6. Distribusi tekanan dan temperatur pada sistem konversi energi RGTT200K dengan 2 kompresor Parameter Keadaan Posisi Pengamatan Tekanan [MPa] Temperatur [oC] Inlet Reaktor 1 5,12 628,10 Outlet Reaktor 2 5,00 950,00 Outlet IHX 3 4,96 850,01 Outlet Turbin 4 2,81 628,91 Outlet Recuperator 5 2,75 74,00 Outlet Precooler 6 2,69 29,80 Outlet Kompresor (LPC) 12 3,76 74,61 Outlet Intercooler 13 3,73 29,00 Outlet Kompresor (HPC) 7 5,20 73,36 Inlet IHX sisi sekunder 8 5,00 757,20 Outlet IHX sisi sekunder 9 4,92 900,0 Tabel 7. Distribusi daya termal pada komponen utama sistem konversi energi RGTT200K dengan 2 kompresor Komponen utama sistem konversi energi RGTT200K Daya termal (MW) Reaktor 200,58 Intermediate Heat Exchanger 62,33 Turbin gas 138,54 Rekuperator 345,94 Precooler 27,59 Kompresor - LPC 28,26 Intercooler 28,48 Kompresor - HPC 28,11 Tabel 8. Perbandingan hasil perhitungan distribusi daya dan efisiensi pada sistem konversi energi RGTT200K dengan 1 dan 2 kompresor Komponen utama 1 kompresor 2 kompresor sistem konversi energi RGTT200K Daya Reaktor (MWt) 199,46 200,58 Daya pada IHX (MWt) 62,33 62,33 Daya pada Turbin gas (MWt) 137,77 138,54 Daya pada Rekuperator (MWt) 315,52 345,94 Daya pada Precooler (MWt) 58,67 27,59 Daya pada Kompresor tunggal (MWt) 59,32 Daya pada Kompresor LPC (MWt) 28,26 Daya pada Kompresor HPC (MWt) 28,11 Daya pada Intercooler (MWt) 28,48 Daya mekanik untuk listrik (MWt) 78,45 82,18 Daya listrik (MWe) 77,40 81,08 Efisiensi termal 39,33 % 40,42 % EUF 79,76 % 79,97 % sama, sedangkan intercooler dipasang dengan karakteristik yang sama seperti pada precooler. Data masukan untuk model pada Gambar 6 disamakan dengan model pada Gambar 5 seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3. Hasil perhitungan distribusi temperatur, tekanan dan daya pada setiap komponen ditunjukkan pada Tabel 6 dan Tabel 7. Perbandingan hasil perhitungan antara sistem

konversi energi dengan satu kompresor dan dua kompresor ditunjukkan pada Tabel 8. Perbandingan hasil perhitungan untuk sistem konversi energi RGTT200K dengan memasang satu dan dua turbin ditunjukkan pada Tabel 8. Nilai EUF dihitung atas dasar 3 pemanfaatan energi termal yaitu untuk produksi hidrogen, pembangkit listrik dan untuk desalinasi. Dari hasil perhitungan terlihat bahwa dengan


Ign. Djoko Irianto

ISSN 0216 - 3128

pemasangan dua kompresor dan satu intercooler dapat menaikkan efisiensi termal dan nilai EUF nya. Tetapi kenaikan efisiensi termal dan EUF dengan penambahan komponen (kompresor dan intercooler) hanya kurang dari 1%. Kenaikan ini tidak cukup signifikan dibanding dengan usaha penambahan komponen. Dengan penambahan komponen akan mengalami dampak resiko menurunnya keandalan sistem secara keseluruhan. Dengan demikian desain sistem konversi energi untuk RGTT200K cukup dengan satu kompresor.

KESIMPULAN Kegiatan desain sebuah sistem konversi energi memerlukan beberapa tahapan penting. Salah satu di antaranya adalah menganalisis berbagai kemungkinan konfigurasi sistem konversi energi untuk memperoleh konfigurasi yang optimal. Dalam penelitian ini telah dilakukan analisis sistem konversi energi dengan cara simulasi perhitungan untuk konfigurasi sistem konversi energi dengan 1 kompresor dan 2 kompresor (HPC dan LPC). Hasil perhitungan efisiensi termal dan EUF yang diperoleh untuk konfigurasi sistem konversi energi dengan 1 kompresor masing-masing adalah 39,33% dan 79,76%. Sedangkan untuk sistem konversi energi dengan 2 kompresor diperoleh efisiensi termal sebesar 40,42% dan EUF sebesar 79,97%. Memang dengan penambahan 1 buah kompresor dan 1 buah penukar panas (intercooler) akan mampu meningkatkan efisiensi termal dan EUF, namun peningkatan efisiensi termal dan EUF tersebut tidak cukup signifikan. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa untuk desain RGTT200K dengan daya 200 MWt, laju alir pendingin helium 120 kg/s dengan tekanan 5 MPa cukup dengan satu kompresor tanpa intercooler.

UCAPAN TERIMAKASIH Penelitian ini merupakan bagian dari kegiatan Program Insentip Peningkatan Kemampuan Peneliti dan Perekayasa (PI-PKPP) tahun 2012 dari Kemetenrian Riset dan Teknologi dengan judul “Desain Keselamatan Sistem Konversi Daya Reaktor Gas Temperatur Tinggi 200 MWt Kogenerasi”. Karena itu kami sampaikan ucapan terima kasih kepada Menteri Riset dan Teknologi dan semua pejabat terkait dengan PIPKPP tahun 2012 atas dukungan dan fasilitas yang diberikan dalam pelaksanaan penelitian ini. Tak lupa kami ucapkan terima kasih juga kepada Dr. Ir. M. Dhandhang Purwadi yang telah memberikan saran dan masukan serta koreksi perbaikan terhadap makalah ini.

31

Rencana Pembangunan Jangka Menengah Nasional (RPJMN) 2010-2014”, Jakarta, 2010. 2. M. DHANDHANG PURWADI, “Desain Konseptual Sistem Reaktor Daya Maju Kogenerasi Berbasis RGTT”, Prosiding Seminar Nasional ke-16 Teknologi dan Keselamatan PLTN serta Fasilitas Nuklir, Surabaya, 28 Juli 2010. 3. IGN. DJOKO IRIANTO, “Desain Konseptual Unit Konversi Daya Berbasis Kogenerasi untuk Reaktor Tipe RGTT200K”, Prosiding Seminar Teknologi Keselamatan PLTN dan Fasilitas Nuklir ke-17, Yogyakarta, 1 Oktober 2011. 4. IGN. DJOKO IRIANTO, “Pemodelan Sistem Konversi Energi Berbasis Kogenerasi Reaktor Tipe RGTT Untuk Pembangkit Listrik dan Produksi Hidrogen”, Prosiding Seminar Nasional Pengembangan Energi Nuklir III, Banten, 24 Juni (2010). 5. PT. INGENIOUS, “ChemCAD Process Simulation : Software Training”, BATAN – Serpong, 2011. 6. WIRANTO ARISMUNANDAR, “Pengantar Turbin Gas dan Motor Propulsi”, Penerbit ITB, 2002 7. SAITO, S., “Nuclear Energy and Hydrogen Production – The Japanese Situation”, Policy Debate on The Potential Contribution of Nuclear Energy to Production of Hydrogen, OECD/NEA, 15 October 2004. 8. KAZUHIKO KUNITOMI, et al., “JAEA’S VHTR For Hydrogen And Electricity Cogeneration : GTHTR300C”, Nuclear Engineering and Technology, Vol.39 No.1., February (2007). 9. KAZUHIKO KUNITOMI, et al., “Research and Development for Gas Turbine System in GTHTR300”, JSME International Journal, Series B, Vol.47, No.2, 2004. 10. BROWN L.C. et.al., “High Efficiency Generation of Hydrogen Fuel Using Nuclear Power”, GA-A24285, Nuclear Energy Research Initiative (NERI) Program for USDOE, 2003. 11. YONGQING WANG, et.al., “Thermoeconomic Analysis of a LowTemperature Multi-Effect Thermal Desalination System Coupled with an Absorption Heat Pump”, Elsevier, 4 November 2010.

TANYAJAWAB

DAFTAR PUSTAKA

Prof. Syarip (PTAPB)

1.

− Mohon penjelasan mengapa distribusi daya termal pada masing-masing komponen (IHE,

BAPPENAS, “Peraturan Presiden Republik Indonesia Nomor 5 Tahun 2010 tentang


32

ISSN 0216 - 3128

Turbin, Recuperator, Pre Cooler, dll) jika dijumlakan jauh lebih besar dari daya reaktornya (200Mwe-)

Ign. Djoko Irianto

Ign. Djoko Irianto • Daya reaktor 200 Mwe karena adanya turbin dan kompressor yang memberikan tambahan daya kerena proses kompresi dan ekspansi maka besarnya daya akan lebih besar dari daya yang dibentuk reaktor.


ANALISIS TERMODINAMIKA UNTUK OPTIMASI SISTEM KONVERSI ENERGI RGTT200K

Recommend Documents