PEMODELAN SISTEM KONVERSI ENERGI BERBASIS KOGENERASI REAKTOR TIPE RGTT UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK DAN PRODUKSI HIDROGEN

Prosiding Seminar Nasional Pengembangan Energi Nuklir III, 2010 Pusat Pengembangan Energi Nuklir Badan Tenaga Nuklir Nasional

BATAN

PEMODELAN SISTEM KONVERSI ENERGI BERBASIS KOGENERASI REAKTOR TIPE RGTT UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK DAN PRODUKSI HIDROGEN Ign. Djoko Irianto Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir (PTRKN) BATAN Kawasan Puspiptek, Serpong, Tangerang 15310 Telp./Fax: 021-7560912, Email: [email protected]

ABSTRAK PEMODELAN SISTEM KONVERSI ENERGI BERBASIS KOGENERASI REAKTOR TIPE RGTT UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK DAN PRODUKSI HIDROGEN. Sistem reaktor RGTT (Reaktor Gas Temperatur Tinggi) yang termasuk dalam reaktor generasi IV adalah VHTR (Very High Temperature Reactor). VHTR didesain berpendingin helium dengan temperatur outlet kurang lebih 1000oC dan bertekanan 7 MPa. Secara konseptual VHTR dirancang dengan sistem kogenerasi untuk keperluan pembangkit listrik dan produksi hidrogen. Ukuran daya termal reaktor ditetapkan sesuai dengan kebutuhan rancangan yang mungkin akan dibangun di Propinsi Bangka Belitung yaitu berdaya termal 600 MWth. Dalam penelitian ini dilakukan pemodelan sistem konversi energi berbasis kogenerasi reaktor RGTT untuk pembangkit listrik dan produksi hidrogen. Dalam model ini dilakukan perhitungan efisiensi sistem secara keseluruhan dan laju perpindahan panas berdasarkan efektivitas IHX dan penukar panas lainnya. Ada beberapa konfigurasi yang dapat didesain dalam sistem konversi energi berbasis kogenerasi reaktor RGTT, baik siklus langsung maupun siklus tak langsung. Dalam siklus langsung didesain dalam dua konfigurasi yaitu konfigurasi IHX paralel dengan turbin dan IHX serial dengan turbin. Dengan asumsi seluruh penukar panas memiliki rancangan efektivitas sebesar 0,95, maka dapat dihitung laju perpindahan panas setiap penukar panas. Efisiensi sistem dihitung untuk setiap konfigurasi sistem konversi energi. Secara umum, siklus langsung memiliki efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan siklus tak langsung. Sedangkan dengan konfigurasi siklus langsung efisiensi sistem secara keseluruhan dapat mencapai 50%. Meskipun memiliki efisiensi yang lebih rendah, konfigurasi tak langsung memiliki banyak keunggulan berkaitan dengan efektivitasnya. Kata kunci: reaktor RGTT, sistem konversi energi, kogenerasi, efektivitas, efisiensi

ABSTRACT ENERGY CONVERSION SYSTEM MODELING BASED ON HTGR COGENERATION FOR ELECTRIC GENERATION AND HYDROGEN PRODUCTION. Very High Temperature Reactor (VHTR) is a high temperature gas-cooled reactor (HTGR) which be a one of Generation IV reactors which is conceptually designed employs a helium-coolant with operating pressure 7,0 MPa and 1000 oC outlet temperature. Conceptually, VHTR is designed using cogeneration configuration for electric generation and for hydrogen production. The thermal power of the reactor could be determined according to the requirement which will be build in Bangka Belitung Province is 600 MWth. In this research, energy conversion system modeling based on HTGR cogeneration has been done in direct and indirect cycle configuration. There are two configuration in the direct cycle, which divide of the IHX and turbine in parallel or serial. With assumption of a helium-coolant used in the both side of IHX, the optimal effectiveness IHX is 0.95. Based on the effectivenes of heat exchanger, the heat transfer rate has been calculated. The system efficiency calculated for the three configuration.

ISSN 1979-1208

572

Prosiding Seminar Nasional Pengembangan Energi Nuklir III, 2010 BATAN

Pusat Pengembangan Energi Nuklir Badan Tenaga Nuklir Nasional

In generally, the efficiency of direct cycle is higher than the other. The efficiency is about 50%. Despite its low efficiency, the indirect cycle configuration obtains the highest effectiveness. Keywords: HTGR, energy conversion system, cogeneration, effectiveness, efficiency

1.

PENDAHULUAN

Konsumsi energi sektor transportasi yang sangat bergantung pada minyak bumi serta masih tingginya permintaan listrik untuk industri dan rumah tangga yang dipasok dari minyak bumi menyebabkan kelangkaan minyak bumi dan bahan bakar fosil lainnya dalam beberapa dekade mendatang. Kondisi ini mendorong berkembang-pesatnya penelitian dan pengembangan sumber-sumber energi baru dan terbarukan, terutama paket teknologi energi yang efisien serta ramah lingkungan. Untuk mengurangi ketergantungan dan sekaligus memperpanjang umur cadangan energi bahan bakar fosil yang ada, pemerintah menggalakkan penelitian dan pengembangan yang bertujuan menggali berbagai sumber daya energi terbarukan serta meningkatkan efisiensi pemanfaatan sumber energi yang ada, termasuk opsi pemanfaatan energi nuklir. Dalam rangka mendukung opsi nuklir di Indonesia, berbagai kegiatan yang mendukung penguasaan teknologi nuklir khususnya teknologi reaktor terus diintensifkan. Penetapkan URD (User Requirement Document) dan penetapan jenis sistem reaktor menjadi prioritas. Penetapan jenis sistem reaktor diarahkan pada sistem reaktor yang mampu menerapkan konsep kogenerasi yaitu untuk pembangkit listrik dan aplikasi proses industri lainnya. Konsep kogenerasi sistem reaktor banyak dikembangkan dan diimplementasikan pada sistem reaktor generasi IV. Pengembangan reaktor generasi IV difokuskan untuk lebih menghemat cadangan uranium dunia, ramah lingkungan, aman, dan ekonomis. Selain itu reaktor generasi IV dirancang untuk dapat memasok energi listrik dan energi termal untuk proses produksi gas hidrogen, untuk desalinasi dan aplikasi lain. Ada enam buah konsep desain sistem reaktor generasi IV yang selama ini ada dan dikembangkan. Dengan mempertimbangkan temperatur outlet dari sistem reaktor, dan efisiensi termal untuk proses produksi hidrogen, maka yang paling cocok untuk konsep kogenerasi pembangkitan listrik dan produksi hidrogen adalah sistem reaktor gas temperatur tinggi (RGTT)[1, 2]. Sistem reaktor RGTT yang termasuk dalam reaktor generasi IV adalah VHTR (Very High Temperature Reactor). VHTR didesain berpendingin helium dengan temperatur outlet kurang lebih 1000oC dan bertekanan 7 MPa[1,2]. Ukuran daya termal ditetapkan sesuai dengan kebutuhan rancangan yang mungkin akan dibangun di Propinsi Bangka Belitung yaitu berdaya termal 600 MWth. Untuk mempersiapkan desain sistem konversi energi secara keseluruhan diperlukan berbagai parameter desain. Dalam penelitian ini dilakukan pemodelan sistem konversi energi berbasis kogenerasi reaktor RGTT untuk pembangkit listrik dan instalasi produksi gas hidrogen. Dalam model ini dilakukan perhitungan efektivitas penukar panas dan efisiensi secara keseluruhan. Efektivitas penukar panas dihitung menggunakan metode εNTU (Number of Transfer Units). Efektivitas penukar panas menggambarkan beban panas aktual dibagi dengan beban panas maksimum yang mungkin pada penukar panas. Berdasarkan metode ε-NTU, nilai efektivitas penukar panas sangat dipengaruhi oleh laju alir fluida pendingin, temperatur inlet dan outlet pada sisi panas dan sisi dingin penukar panas. Ada beberapa konfigurasi yang dapat didesain dalam sistem konversi energi berbasis kogenerasi reaktor RGTT, baik siklus langsung maupun siklus tak langsung. Secara umum, siklus langsung memiliki efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan siklus tak langsung. Dalam penelitian ini dilakukan pemodelan dengan 3 konfigurasi sistem konversi

ISSN 1979-1208

573


BATAN

energi, pertama adalah siklus langsung dengan turbin dan IHX (intermediate heat exchanger) paralel, yang kedua adalah siklus langsung dengan turbin dan IHX serial dan yang ketiga adalah konfigurasi dengan siklus tak langsung. Pada sistem sekunder untuk proses produksi gas hidrogen dapat dipasang SHX (Secondary Heat Exchanger) untuk memindahkan energi panas dari IHX ke instalasi aplikasi industri

2.

METODOLOGI

2.1

Konfigurasi Sistem Kogenerasi Ada tiga konfigurasi rancangan konseptual sistem kogenerasi yang dimodelkan. Ketiga konfigurasi rancangan konseptual sistem kogenerasi ini dibedakan atas siklus sistem pembangkitan listrik secara langsung dan siklus sistem pembangkitan listrik secara tak langsung. Pada konfigurasi siklus langsung dibedakan antara penempatan IHX paralel atau serial dengan turbin dalam sistem kogenerasi. Dalam konfigurasi siklus tak langsung, seperti pada Gambar 1, seluruh aliran fluida pendingin sistem primer mengalir dari outlet reaktor melintas melalui IHX dimana sejumlah energi ditransfer ke intermediate loop untuk menggerakkan instalasi produksi gas hidrogen dan untuk pembangkit listrik. Dalam konfigurasi ini, panas diekstrak dari fluida pendingin sistem primer pada kondisi temperatur tinggi untuk dikirim ke instalasi produksi gas hidrogen, sementara itu sistem konversi energi atau sistem pembangkit listrik menerima fluida pendingin dengan temperatur yang hampir sama. Konfigurasi siklus tak langsung ini ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Konfigurasi pertama (sistem kogenerasi dengan siklus pembangkitan listrik secara tak secara langsung) Dalam konfigurasi kedua dan ketiga, sistem pembangkit listrik berada dalam konfigurasi siklus langsung. Pada konfigurasi kedua, turbin dan IHX dipasang secara paralel yang keduanya dialiri fluida pendingin dari outlet reaktor. Pada konfigurasi ini aliran fluida pendingin sistem primer dari outlet reaktor dibagi menjadi dua aliran, sebagian kecil aliran (kurang lebih 10%) mengalir melalui IHX untuk menggerakkan instalasi produksi gas hidrogen, sedangkan sebagian besar aliran fluida dikirim ke sistem konversi energi untuk pembangkitan listrik. Dalam desain ini, baik instalasi produksi gas hidrogen maupun instalasi pembangkitan listrik menerima fluida pendingin dengan temperatur yang tertinggi yaitu pada outlet reaktor. Konfigurasi siklus langsung ini ditunjukkan dalam Gambar 2.

ISSN 1979-1208

574

Prosiding Seminar Nasional Pengembangan Energi Nuklir III, 2010 BATAN

Pusat Pengembangan Energi Nuklir Badan Tenaga Nuklir Nasional

Gambar 2. Konfigurasi kedua (sistem kogenerasi dengan siklus pembangkitan listrik secara langsung turbin dan IHX dipasang secara paralel) Seperti halnya pada konfigurasi kedua, pada konfigurasi ketiga, sistem pembangkit listrik berada dalam siklus langsung tetapi antara turbin dan IHX dipasang secara seri. Gambar konfigurasi ini ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3. Konfigurasi ketiga (sistem kogenerasi dengan siklus pembangkitan listrik secara langsung IHX dan turbin dipasang secara seri) Konfigurasi sistem IHX secara paralel dengan siklus langsung seperti pada Gambar 2 menghasilkan konfigurasi desain sistem IHX yang paling kecil dan yang paling kompak serta memiliki efisiensi pembangkitan listrik yang tinggi. Untuk konfigurasi dengan siklus langsung pada Gambar 3 sama seperti halnya pada Gambar 2, tetapi mencakup loop tersier untuk pemisahan atau pemberian jarak antara sistem reaktor dan instalasi produksi gas hidrogen. Konfigurasi sistem kogenerasi kedua ini juga menghasilkan desain IHX yang kecil meskipun dengan penambahan separasi atau jarak. Pada konfigurasi sistem kogenerasi pertama, seperti pada Gambar 1, sistem pembangkitan listriknya dilakukan secara tak

ISSN 1979-1208

575


BATAN

langung. Meskipun pada siklus konversi energi tak langsung memerlukan desain IHX yang lebih besar, sistem IHX mentransfer seluruh 600 MWth daya reaktor ke sistem kogenerasi untuk proses produksi gas hidrogen dan untuk pembangkitan listrik. Desain sistem IHX sangat dipengaruhi juga oleh sejumlah parameter yang meliputi: (1) jarak pemisah yang diperlukan antara sistem reaktor dengan instalasi produksi gas hidrogen, (2) panas yang hilang dari pipa-pipa intermdiate loop ke lingkungan sekitar, (3) tekanan operasi dan fluida kerja dalam intermediate loop, dan (4) efisiensi yang diinginkan pada proses produksi gas hidrogen. Jarak pemisah antara sistem reaktor dan instalasi produksi gas hidrogen akan mempengaruhi ukuran pipa-pipa intermediate loop karena pressure drop yang ditimbulkan akan menentukan diameter pipa-pipa pada sisi dingin dan sisi panas yang diperlukan. Jarak pemisah juga berpengaruh pada besarnya kehilangan panas dari pipa-pipa ke lingkungan dan persyaratan pemipaan intermediate loop. 2.2

Metode Perhitungan Efektivitas dan Efisiensi IHX Parameter efektivitas IHX menggambarkan besarnya laju perpindahan panas aktual dibagi dengan laju perpindahan panas maksimum yang mungkin terjadi pada IHX. Laju perpindahan panas aktual pada IHX adalah besarnya panas yang dipindahkan dari sisi panas ke sisi dingin IHX. Dengan mempertimbangkan konsep konservasi massa dan konservasi energi, besarnya laju perpindahan panas aktual pada IHX dapat dihitung dengan rumusan sbb.[3,4,5]: T  Tin (1) q  UA out  UATLMTD Tout ln Tin dengan, q = laju perpindahan panas aktual pada IHX U = koefisien perpindahan panas keseluruhan (overall heat transfer coefficient) A = luas permukaan perpindahan panas TLMTD = LMTD Nilai LMTD (Logarithmic Mean Temperature Difference) adalah nilai yang berkaitan dengan perbedaan temperatur antara sisi panas dan sisi dingin IHX. Dengan asumsi bahwa aliran pendingin mengalir dalam kondisi tunak (steady state), tidak ada kehilangan panas secara keseluruhan, tidak ada perubahan fase pendingin, maka nilai LMTD dapat dihitung menggunakan persamaan sbb.[3,4,5]:

LMTD 

T

h ,in

 Tc ,out   Th ,out  Tc ,in   T  Tc ,out   ln  h ,in  T  T h , out c , in  

(2)

dengan,

Th ,in = temperatur inlet pada sisi panas Th,out = temperatur outlet pada sisi panas Tc ,in = temperatur inlet pada sisi dingin Tc ,out = temperatur outlet pada sisi dingin Secara umum nilai efektivitas (ε) IHX dapat didefinisikan sebagai perbandingan laju perpindahan panas aktual dengan laju perpindahan panas maksimum yang mungkin terjadi pada IHX. Sehingga nilai efektivitas IHX dapat dihitung menggunakan persamaan[3,4,5]. berikut:

ISSN 1979-1208

576


BATAN



q qmax

(3)

dengan,

q = laju perpindahan panas aktual qmax = laju perpindahan panas maksimum yang mungkin Untuk menghitung efektivitas penukar panas tengah (IHX), perlu dihitung terlebih dahulu besaran laju perpindahan panas aktual (q) dan besaran laju perpindahan panas maksimum yang mungkin secara hipotetis ( q max ) pada IHX. Nilai besaran qmax menunjukkan besarnya panas maksimum yang dapat ditransfer atau dipindahkan di antara kedua fluida pendingin. Nilai q max pada IHX dapat dicapai apabila panjang IHX tak hingga. Pada IHX yang panjangnya tak hingga, akan dicapai beda temperatur fluida pendingin maksimum sebesar Th,i – Tc,i (Perbedaan antara temperatur inlet pada sisi panas dan temperatur inlet pada sisi dingin). Selain itu, nilai q max juga dipengaruhi oleh nilai laju alir massa pendingin dikalikan dengan panas spesifik yang minimum. Nilai perkalian laju alir massa pendingin dengan panas spesifik sering disebut sebagai laju kapasitasitansi panas (Ch dan Cc)[3,4,5]. Nilai Ch dan Cc masing-masing menunjukkan nilai laju kapasitansi panas untuk fluida panas dan fluida dingin. Nilai terkecil diantara nilai Ch dan nilai Cc disebut laju kapasitansi panas minimum (Cmin). Alasan pemilihan laju kapasitansi panas minimum adalah untuk mencakup perpindahan panas maksimum yang mungkin di antara kedua fluida kerja. Dengan demikian nilai laju perpindahan panas maksimum ( q max ) dapat dihitung dengan persamaan sbb.:

q max  C min Th , in  Tc, in 

(4)

Sementara itu nilai laju perpindahan panas aktual pada IHX dapat dihitung dengan persamaan sbb. [3,4,5]:

q  C h Th , in  Th , out   C c Tc, out  Tc, in 

(5)

Dengan mensubstitusi Persamaan (4) dan (5) ke dalam Persamaan (3), maka dapat diperoleh persamaan untuk menghitung nilai efektivitas IHX sebagai berikut:

 

C h Th , in  Th , out 

C min Th , in  Tc, in  C c Tc, out  Tc, in 

(6)

C min Th , in  Tc, in 

dengan,

 c p h dan Cc  m c p c Ch  m

(7)

Secara keseluruhan, nilai efektivitas IHX sangat dipengaruhi oleh laju alir fluida pendingin, temperatur inlet dan temperatur outlet pada sisi panas dan sisi dingin sistem IHX. Efektivitas IHX adalah besaran tak berdimensi yang nilainya antara 0 dan 1. Jika diketahui nilai efektivitas untuk penukar panas tertentu dengan kondisi aliran inlet, maka dapat dihitung jumlah panas yang dapat ditransfer atau dipindahkan di antara kedua fluida pendingin pada IHX. Nilai efektivitas IHX juga dapat dihitung menggunakan nilai perbandingan laju kapasitansi panas ( C r ) dan nilai NTU. Nilai NTU bergantung pada parameter rancangan

ISSN 1979-1208

577


BATAN

IHX yang meliputi perkalian antara koefisien perpindahan panas keseluruhan (U) dan luas permukaan perpindahan panas (A) dibagi dengan parameter kondisi operasi ( C min ). Nilai U dan A sangat dipengaruhi oleh geometri sistem IHX. Parameter Cr dan NTU dapat dinyatakan sebagai berikut:

Cmin Cmax

Cr 

( Cr  1 )

(8)

dan

NTU 

U A Cmin

(9)

dengan, U adalah koefisien perpindahan panas keseluruhan, dan A : luas perpindahan panas. Koefisien perpindahan panas keseluruhan (U) dapat dihitung menggunakan persamaan sbb.[3,4,5]:

1 1 x 1    U h hot k h cold (10) dengan, h x k

= koefisien perpindahan panas konveksi masing-masing fluida pendingin pada sisi panas dan sisi dingin. = ketebalan dinding pipa = konduktivitas termal pada material

Kombinasi Persamaan (6), (7), dan (8) maka dapat diperoleh persamaan untuk memperoleh nilai efektivitas IHX yang sering disebut sebagai metode ε-NTU. Untuk IHX dengan aliran paralel, maka efektivitas IHX dapat dihitung dengan persamaan sbb.:



1  exp  NTU(1 C r ) 1  Cr

(11) Untuk IHX dengan aliran berlawanan (counterflow), maka efektivitas IHX dapat dihitung dengan persamaan sbb.:



1  exp  NTU (1  Cr ) 1  Cr exp[  NTU (1  Cr )]

(12) Metode ε-NTU juga sering digunakan untuk menghitung laju perpindahan panas dalam penukar panas bila tidak cukup informasi untuk menghitung LMTD. Dalam analisis sistem penukar panas, temperatur inlet dan outlet dapat ditentukan menggunakan metode LMTD, tetapi bila informasi ini tidak cukup metode NTU dapat digunakan. Efisiensi sistem kogenerasi secara keseluruhan merupakan hasil pembagian antara keluaran daya listrik dengan selisih antara daya termal reaktor dan daya untuk proses produksi hidrogen. Besarnya efisiensi dapat dihitung dengan persamaan sbb. [3,4,5]:

 

Keluaran daya listrik Daya termal reaktor  daya proses produksi H 2

ISSN 1979-1208

578


BATAN

 

WT  WC  WS  WCIR Qth  QH 2

(13) dengan  WT = beban kerja turbin total,

 WC = beban kerja kompresor, WS = beban sistem,

 WCIR = beban kerja sirkulator, Qth =: daya termal reaktor, QH2 = daya yang disuplai ke sistem sekunder untuk produksi hidrogen.

3.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dengan asumsi menggunakan fluida pendingin yang sama pada sisi panas dan sisi dingin IHX yaitu helium dengan varian temperatur inlet dan outlet, menggunakan persamaan (3) dapat diperoleh besaran efektivitas optimal sebesar 0,95. Sedangkan dengan konfigurasi siklus langsung seperti terlihat pada Gambar 2 efisiensi sistem secara keseluruhan dapat mencapai 50%. Sehingga dapat disimpulkan bahwa model sistem konversi energi berbasis kogenerasi dengan konfigurasi siklus langsung menjadi alternatif terbaik berkaitan dengan efisiensinya yang tinggi. Unjuk kerja ketiga model konfigurasi sistem konversi energi sangat dipengaruhi oleh kinerja sistem IHX. Parameter kinerja sistem IHX yang meliputi parameter efektifitas dan efisiensi dibandingkan untuk masing-masing dari ketiga konfigurasi sistem kogenerasi reaktor VHTR. Dalam kasus ini, daya reaktor VHTR diasumsikan sebesar 600 MWth1 dengan fluida pendingin adalah helium. Parameter fluida pendingin sistem reaktor ditunjukkan pada Tabel 1. Dengan Persamaan (1), Persamaan (3) dan Persamaan (4), besaran efektivitas sistem IHX untuk konfigurasi pembangkit listrik secara langsung baik pada pemasangan IHX dan turbin secara paralel maupun seri, keduanya memberikan nilai yang hampir sama yaitu kurang lebih 0,95, sedangkan pada konfigurasi sistem pembangkit listrik secara tak langsung memberikan nilai efektifitas > 0,95. Tabel 1. Parameter fluida pendingin pada konfigurasi 1 dan 2 Parameter T outlet reaktor (°C) P inlet sisi panas IHX (MPa) P outlet sisi panas IHX (MPa) Laju alir massa sisi panas (kg/s) T inlet pada sisi panas (°C) T outlet pada sisi panas (°C) P inlet pada sisi dingin (MPa) P outlet sisi dingin (MPa) Laju alir massa sisi dingin (kg/s) T inlet pada sisi dingin (°C ) T outlet pada sisi dingin (°C )

Konf. 1 950 7.0 6.95 26.67 950 628 1.95 1.9 26.27 611 933

Konf. 2 950 7.0 6.95 26.67 950 593 7.1 7.05 26.27 575 931

Konf. 3 950 7.0 6.95 321 950 584 7.0 6.95 1216 546 930

Dengan parameter fluida pendingin seperti yang tertera pada Tabel 1, efisiensi sistem IHX dalam ketiga konfigurasi sistem kogenerasi tersebut di atas dihitung menggunakan persamaan nomor (13). Hasil perhitungan efisiensi sistem IHX ditunjukkan pada Tabel 2. Dari uraian dalam Tabel 2 jelas bahwa efisiensi tertinggi terjadi pada konfigurasi sistem kogenerasi dimana siklus pembangkitan listrik secara langsung dengan pemasangan IHX dan turbin secara paralel. Sedangkan pada konfigurasi sistem kogenerasi dimana sistem pembangkitan listrik secara langsung dengan pemasanganIHX dan turbin secara seri,

ISSN 1979-1208

579


BATAN

meskipun kondisi hampir sama dengan konfigurasi sebelumnya, pemasangan IHX dan turbin secara seri dapat menurunkan nilai efisiensi. Sehingga nilai efisiensi sistem IHX pada konfigurasi sistem kogenerasi yang memasang IHX dan turbin secara seri relatif lebih rendah dibanding dengan konfigurasi sistem kogenerasi yang memasang IHX dan turbin secara paralel. Sedangkan efisiensi yang terendah terjadi pada konfigurasi sistem kogenerasi dimana sistem pembangkitan listrik dipasang secara tidak langsung terhadap sistem reaktor. Tabel 2. Efisiensi sistem keseluruhan pada berbagai konfigurasi Konfigurasi Sistem kogenerasi dimana siklus pembangkitan listrik secara langsung, IHX dan turbin dipasang secara paralel. Sistem kogenerasi dimana siklus pembangkitan listrik secara langsung, IHX dan turbin dipasang secara seri. Sistem kogenerasi dimana siklus pembangkitan listrik secara tak langsung.

Efisiensi ± 50 % ± 49 % ± 47 %

Jarak antara reaktor dan instalasi produksi gas hidrogen juga akan mempengaruhi unjuk kerja sistem IHX pada sistem kogenerasi. Ukuran pipa-pipa pada intermediate loop yang diperlukan juga berbeda karena penurunan tekanan (pressure drop) termasuk ukuran diameter pipa-pipa pada sisi panas maupun sisi dingin. Faktor jarak juga mempengaruhi hilangnya panas dari sistem pemipaan ke lingkungan, karena itu faktor jarak pada intermediate loop juga akan berpengaruh pada efisiensi. Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1 pressure drop untuk sistem konfigurasi pembangkitan listrik secara langsung kurang lebih 50 kPa. Nilai pressure drop ini bergantung pada kondisi fluida pendingin dalam loop intermediate. Pressure drop atau penurunan tekanan yang diijinkan akan menentukan besarnya diameter pipa-pipa pada sisi panas maupun sisi dingin yang diperlukan. Dengan parameter seperti yang tertera pada Tabel 1 dan menggunakan Persamaan (1), diperoleh efektivitas IHX sebesar 0,95. Model konfigurasi sistem kogenerasi dengan pembangkitan listrik secara langsung seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, aliran pendingin dari reaktor dibagi dua yaitu kurang lebih 10% mengalir melalui IHX yang memindahkan panas ke intermediate loop. Aliran pendingin kemudian ditekan dan dialirkan kembali ke sistem primer melalui inlet reaktor. Loop intermediate dikoneksikan ke sistem sekunder melalui IHX.

4.

KESIMPULAN

Hasil pemodelan sistem konversi energi berbasis kogenerasi reaktor RGTT untuk pembangkit listrik dan produksi hidrogen dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut: – Sistem konversi energi dengan siklus pembangkitan listrik secara langsung memiliki efisiensi yang relatif lebih tinggi, yaitu 50%, dibanding sistem konversi energi dengan pembangkitan listrik secara tak langsung. – Pada sistem konversi energi dengan siklus pembangkitan listrik secara langsung, konfigurasi pemasangan IHX dan turbin juga berpengaruh pada efisiensi sistem secara keseluruhan. Konfigurasi pemasangan IHX dan turbin secara paralel relatif mampu meningkatkan efisiensi dibanding konfigurasi pemasangan IHX dan turbin secara seri. – Pada sistem konversi energi dengan siklus pembangkitan listrik secara tak langsung memiliki efisiensi yang relatif lebih rendah. Namun dengan konfigurasi ini efektivitas IHX relatif lebih baik. Untuk keperluan desain yang lebih rinci, konfigurasi ini dapat menjadi alternatif pilihan yang baik karena sistem reaktor menjadi lebih kompak.

ISSN 1979-1208

580


BATAN

DAFTAR PUSTAKA [1] [2] [3] [4]

[5]

[6]

DIAMOND, D. J., Generation IV Nuclear Energy Systems, Presented at the University of Tennessee, April 30, 2003. KUNITOMI, K., et al., JAEA’S VHTR For Hydrogen And Electricity Cogeneration : GTHTR300C, Nuclear Engineering and Technology, Vol.39 No.1., February 2007. LEWIN, D. R., Lecture Seven: Heat Exchanger Design, Department of Chemical Engineering Technion, Haifa, Israel, 2004. WRIGHT, J. K., Next Generation Nuclear Plant Intermediate Heat Exchanger Materials Research and Development Plan, Idaho National Laboratory, Idaho Falls, April 2008. HARVEGO, E. A., Evaluation Of Next Generation Nuclear Power Plant (NGNP) Intermediate Heat Exchanger (IHX) Operating Conditions, Idaho National Laboratory, Idaho Falls, April 2006. DEWSON, S.J., LI, X., Selection Criteria for the High Temperature Reactor Intermediate Heat Exchanger, Proceedings of ICAPP ’05, Seoul, Korea, May 15-19, 2005.

DISKUSI 1.

Pertanyaan dari Sdr. Djati H.S. (PPEN-BATAN) : 1. Ada 3 konfigurasi system konversi energy yang dimodelkan, tolong jelaskan masing-masing bedanya secara mendasar? 2. Dari 3 model tersebut mana konfigurasi yang terbaik ditinjau dari efisiensi?

Jawaban : 1. 3 model konfigurasi tersebut adalah model siklus tak langsung, model siklus langsung dengan IHX dan turbin pararel, dan model siklus langsung dengan IHX dan turbin serial. Perbedaan yang mendasar dari siklus langsung dan tak langsung adalah bahwa pada siklus langsung yang menggerakkan system turbin adalah pendingin primer sedangakan pada siklus tak langsung yang menjadi penggerak adalah pendingin sekunder. Perbedaan antara siklus langsung denga IHX dan turbin pararel dengan serial adalah bahwa serial pendingin dialirkan terlebih dahulu melalui IHX sebelum ke turbin. 2. Ditinjau dari segi efisiensi, model konfigurasi siklus langsung IHX dan turbin pararel lebih baik karena memiliki efisiensi yang tinggi. 2.

Pertanyaan dari Sdr. Sudarmono. (PTRKN-BATAN) : Tolong jelaskan metode menghitung efektivitas IHX? Jawaban : Efektivitas adalah besaran yang menggambarkan besarnya laju perpindahan panas actual dibagi dengan laju perpindahan panas maksimum yang mungkin terjadi. Laju perpindahan panas maksimum (qmax ) dapat diperoleh dengan asumsi bahwa panjang IHX tak hingga. Dengan menggunakan persamaan (4) diperoleh qmax untuk menilai q aktual bisa dihitung dengan persamaan (5). Nilai efektivitas bisa bisa dihitung sebesar

ISSN 1979-1208

581

PEMODELAN SISTEM KONVERSI ENERGI BERBASIS KOGENERASI REAKTOR TIPE RGTT UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK DAN PRODUKSI HIDROGEN

Recommend Documents