Proseding Seminar Nasional Fisika dan Aplikasinya Sabtu, 19 November 2016 Bale Sawala Kampus Universitas Padjadjaran, Jatinangor
OPTIMALISASI PEMBANGKIT LISTRIK SIKLUS BINER DENGAN MEMPERHATIKAN FLUIDA KERJA YANG DIGUNAKAN ZERI RAIHANATI*, DHEABELLA ZETTIARA, CUKUP MULYANA. Prodi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Padjadjaran Jl. Raya Bandung-Sumedang Km 21, Jatinangor 45363 Abstrak. Siklus biner merupakan pembangkitan listrik dimana fluida panas bumi baik berupa uap maupun air panas dimanfaatkan sebagai sumber panas utama untuk memanaskan fluida kerja organik dengan menggunakan heat exchanger untuk memutar turbin. Fluida kerja yang digunakan adalah fluida kerja organik yang memiliki titik didih rendah dan enthalpi tinggi. Performa dari siklus biner dapat ditentukan dengan memilih fluida kerja yang tepat dengan memperhatikan daya yang dihasilkan dan mass flow yang ditetapkan. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menentukan fluida kerja yang menghasilkan daya maksimum. Untuk mencapai tujuan tersebut pertama ditentukan daya output pada fluida kerja dengan mass flow tetap, selanjut nya dengan menetapkan daya terbesar pada hasil pertama digunakan sebagai patokan untuk mendapatkan nilai mass flow pada berbagai fluida kerja. Penelitian dilakukan dengan simulasi pada software HYSYS v7.3 dengan menguji 6 jenis fluida kerja organik. Dengan dilakukannya pemilihan fluida kerja organik yang digunakan dapat meningkatkan performa dari siklus biner dengan didapatkan daya yang besar dan mass flow kecil. Kata kunci : siklus biner, mass flow, heat exchanger, brine, HYSYS v7.3, daya. Abstract. Binary Cycle is the cycle on power plant where the geothermal fluid in the form of steam or hot water is used as the primary heat source for heating the organic working fluid using heat exchangers to turn the turbines. The working fluid that we used is an organic working fluid which has a low boiling point and high enthalpy. The performance of the binary cycle can be determined by selecting the proper working fluid by calculating the power to be generate and the mass flow is determined. The purpose of this study was to determine the working fluid that produces maximum power. To achieve these objectives, first we determined the output power of the working fluid with fixed nominal of mass flow, and then choose the high power of turbine become a reference for calculating the mass flow for various working fluids. The study was conducted by simulation on HYSYS v7.3 software by testing 6 types of organic working fluids. With choosing the organic working fluid can increase Binary Cycle’s performance that achieved high power and low mass flow. Keywords : Binary cycle, mass flow, heat exchanger, brine, HYSYS v7.3, high power
1. Pendahuluan Semakin berkembangnya teknologi semakin besar pula manusia memerlukan sumber energi untuk memenuhi kebutuhan sehari-hari. Kelangkaan energi fosil yang telah menjadi isu utama dunia dimana menjadi aspek penting kehidupan *
email :
[email protected]
Kode Artikel: FE-02 ISSN: 2477-0477
Optimalisasi Pembangkit Listrik Siklus Biner dengan Memperhatikan Fluida Kerja.....
yaitu salah satunya di bidang pembangkit listrik. Oleh karena itu diperlukan sumber energi alternatif guna untuk memenuhi kebutuhan manusia saat ini dan yang akan datang selaras dengan semakin majunya teknologi manusia. Saat ini terdapat tiga jenis utama pembangkit listrik geotermal yang beroperasi, yaitu dry-steam plants, flash-steam plants, binary-cycle plants dimana binary kombinasi dari flash/binary plants merupakan desain pembangkit yang relatif lebih baru. Meski demikian, dengan teknologi yang ada saat ini, tidak banyak desain PLTP baru yang dapat dikembangkan. Hal ini dapat dilakukan dengan meningkatkan efisiensi dari fluida kerja dan pinch point yang digunakan Indonesia memiliki sistem panas bumi hydrothermal yang mempunyai temperatur tinggi (225°C). Hanya beberapa diantaranya memiliki temperatur sedang (150225°C) [2]. Daerah sumber hydrothermal yang luas dan terbentuk secara alami disebut dengan reservoir panas bumi. Sistem panasbumi hydrothermal ini memiliki karakteristik yang berpotensi untuk dimanfaatkan menjadi energi listrik. Sistem hydrothermal dibedakan menjadi dua, yaitu sistem satu fasa atau sistem dua fasa. Sistem dua fasa dibedakan menjadi dua jenis, pertama jenis dominasi uap, kedua jenis dominasi air. Sistem dominasi air memiliki jumlah fasa air yang lebih dominan dibandingkan fasa uapnya. Sedangkan sistem dominasi uap memiliki jumlah fasa uap yang lebih dominan dibandingkan fasa airnya. Fluida geothermal yang keluar dari kepala sumur berupa campuran fasa uap dan air, kedua fasa tersebut dipisahkan terlebih dahulu sehingga diperoleh fasa uap yang dialirkan ke turbin dan air (brine) yang biasanya diinjeksikan kembali ke bumi. Proses pemisahan fluida geothermal tersebut dikenal dengan istilah flashing. Namun, semakin besar energi yang didapatkan semakin besar pula masalah pada sistem. Salah satunya adalah scaling, scaling terbentuk karena ada nya endapan atau kerak yang berasal dari mineral garam yang terlarut dalam air suatu media kontak tertentu. Dan hal ini dapat memengaruhi pinch point pada heat exchanger yang akan di hasilkan pada pembangkit. Maka sangat perlu memperhatikan pinch point pada pembangkit listik panasbumi dan kesesuain dengan fluida kerja yang akan digunakan. PLTP binary-cycle adalah teknologi pembangkit yang sangat efektif untuk diterapkan dalam pemanfaatan energi panasbumi skala kecil (enthalpi rendah sampai dengan menengah dangan temperatur 120°-180°C, dengan menggunakan fluida kerja yang memiliki titik didih lebih randah dari ada air. Banyak jenis fluida kerja yang dapat digunakan untuk sistem PLTP, tetapi saat ini fluida kerja untuk enthalpy rendah hingga menengah banyak menggunakan Organik Rankine Cycle (ORC) yang merupakan modifikasi siklus rankine dengan fluida kerja dari bahan 33
Zeri Raihanati, dkk
organik (refrigeran). Banyak usaha yang dapat dilakukan untuk menjadikan ORC sebagai fluida panas bumi yang optimal dan efisiensi bila dibandingkan dengan fluida panas bumi yang telah lalu. Di dalam teknologi siklus biner, dengan memanfaatkan fluida panas bumi temperatur rendah sebagai sumber panas utama untuk memanaskan fluida kerja kedua yang mempunyai titik didih rendah, maka lebih banyak energi bisa dibangkitkan sehingga sistem ini bisa menjadi ekonomis. Selanjutnya dilakukan pemilihan fluida kerja organik yang dapat digunakan dengan performa baik pada temperatur rendah hingga menengah, tidak beracun, dan ramah lingkungan [2]. Heat exchanger alat penukar panas yang digunakan untuk mempertukarkan panas secara kontinue dari suatu medium ke medium lainnya dengan membawa energi panas. Heat exchanger bekerja berdasarkan prinsip perpindahan panas, dimana terjadi perpindahan panas dari fluida yang temperaturnya lebih tinggi ke fluida yang temperaturnya lebih rendah. Dinding heat exchanger adalah bagian yang bersinggungan langsung dengan fluida yang mentransfer panasnya secara konduksi dan konveksi. Suhu akhir arus panas terendah pada HE disebut dengan pinch point [1]. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menentukan fluida kerja yang menghasilkan daya maksimum. 2. Metode Penelitian Untuk mendapatkan performa yang baik pada pembangkit listrik siklus biner maka perlu memperhatikan daya pada turbin dan mass flow fluida kerja organik yang digunakan. Tahapan pertama yang dilakukan oleh penulis adalah dengan membuat model simulasi dari pembangkit listrik listrik siklus biner. Simulasi model siklus biner dilakukan dengan menggunakan software HYSYS. Simulasi model yang dilakukan pada bagian heat exchanger dan turbin. Pada simulasi ditentukan temperatur brine yang digunakan adalah 150°C dan aliran massa brine sebesar 400 ton/h. Tahapan kedua adalah dengan menentukan parameter yang digunakan yaitu dengan memperhatikan nilai daya dan mass flow pada fluida kerja organik yang digunakan. Fluida kerja organik yang digunakan adalah isobutane, isopentane, npentane, n-butane dan R134a. Ada dua tahapan yang digunakan dalam penentuan parameter: Memperhatikan nilai daya dengan massflow tetap. Pada tahap ini digunakan nilai massflow yang tetap untuk semua variasi fluida kerja yang digunakan, dengan nilai tekanan output yang sama sebesar 5 bar untuk 34
Optimalisasi Pembangkit Listrik Siklus Biner dengan Memperhatikan Fluida Kerja.....
masing-masing fluida kerja organik untuk memperhatikan nilai daya yang dihasilkan. Memperhatikan nilai massflow dengan daya tetap. Nilai daya terbesar yang dihasilkan pada metode pertama digunakan pada metode ini untuk melihat nilai massflow yang dihasilkan dari masing-masing fluida kerja yang digunakan. 3. Hasil dan Pembahasan Hasil dari penelitian ini membuktikan bahwa besar daya yang dihasilkan turbin dan mass flow dari beberapa fluida kerja organik berpengaruh besar terhadap performa pembangkit listrik siklus biner. Tabel 1. Daya yang dihasilkan dari beberapa fluida kerja organik dengan menggunakan massflow tetap
working fluid Isobutane Isopentane N-pentane N-butane R134a
ṁf (kg/h)
29660
Pin (bar) 19,93 7,16 5,921 15,32 39,78
Pout (bar) 500 500 500 500 500
W (kw) 333,7 80,32 38,56 286 204,1
Pada tabel diatas marupakan tabel dengan besar daya dari masing-masing fluida kerja yang digunakan dengan diberikan besar mass flow yang tetap. Dari besar daya yang dihasilkan terlihat pada tabel bahwa fluida kerja organik Isobutane memiliki daya paling besar yaitu sebesar 333,7 kw diikuti dengan fluida kerja nbutane, R134a, isopentane dan n-pentane. Dapat dilihat dari tekanan yang dihasilkan pada isobutane cukup besar dan dapat mengoptimalkan daya yang dihasilkan. Berbeda dengan R134a yang juga memiliki tekanan yang besar pada tekanan input namun memiliki daya keluaran pada turbin yang kecil. Tabel 2. Mass flow yang dihasilkan dari beberapa fluida kerja organik dengan menggunakan daya tetap
working fluida Isobutane Isopentane N-pentane N-butane R134a
ṁf (kg/h) 29660 123200 256700 34600 48490
Pin (bar) 19,93 7,16 5,921 15,32 39,78
Pout (bar) 500 500 500 500 500
W (kw)
333,7
Tabel data diatas merupakan tabel data dengan memperhatikan mass flow dari masing-masing fluida kerja yang digunakan dengan menggunakan besar daya 35
Zeri Raihanati, dkk
yang tetap. Besar daya yang digunakan merupakan besar daya paling besar yang dihasilkan pada metode pertama yaitu daya dari fluida kerja isobutane sebesar 333,7 kw maka didapatkan nilai mass flow paling kecil dari masing-masing fluida kerja adalah dari fluida kerja isobutane yaitu 29660 kg/h dengan tekanan input yaitu 19,93 bar. Disusul dengan nilai mass flow fluida kerja n-butane, R134a, isopentane dan n-pentane. 4. Kesimpulan Pemilihan fluida kerja organik yang digunakan pada pembangkit listrik siklus biner dapat meningkatkan performa dari pembangkit tersebut dengan meninjau dari daya yang dihasilkan turbin dan mass flow dari masing-masing fluida kerja yang digunakan. Dari beberapa fluida kerja yang digunakan yaitu isobutane, isopentane, n-pentane, n-butane dan R134a didapatkan bahwa daya paling maksimum dan mas flow paling kecil adalah fluida kerja isobutane dengan daya sebesar 333,7 kw dan mass flow 29660 kg/h. Ucapan terima kasih Terima kasih kepada Program Studi Fisika Universitas Padjadjaran yang telah mendukung penelitian ini. Serta kepada M. Ridwan Hamdani yang telah membantu penulis dalam membuat skema pembangkit listrik tenaga panas bumi siklus biner pada software HYSYS v7.3.
Daftar Pustaka 1. Anonim, “Energi Panas Bumi”, Komoditas Bisnis Energi Panas Bumi, http://www.indonesia-investments.com/id/bisnis/komoditas/energi-panasbumi/item268.html (diakses, 25 agustus 2016; 11:45) 2. Ronald DiPippo, Geothermal Power Plants, Principles Applications, Case Studies, and Environmental Impact, Dartmouth, Massachusetts, March 2005
36
