PEMANFAATAN KALOR TERBUANG DARI KONDENSOR PADA PLTN REAKTOR DAYA VK-300 TYPE BWR UNTUK DESALINASI Andriyanto / 20406090 Fakultas Teknologi Industri, Jurusan Teknik Mesin ABSTRAKSI
Proses desalinasi air laut merupakan salah satu alternatif untuk memenuhi kebutuhan air bersih. Penelitian ini membahas pemanfaatan kalor terbuang dari kondensor PLTN dengan reactor daya VK-300 tipe BWR. Berdasarkan hasil analisis keseimbangan laju aliran massa pada unit desalinasi diperoleh laju aliran massa air laut masuk ke unit desalinasi sebesar 88,46 kg/s, laju aliran massa pada air tawar adalah 85,4 kg/s, dan laju aliran massa brine sebesar 3,08 kg/s. berdasarkan hasil keseimbangan energi diperoleh effisiensi thermal pada unit desalinasi sekitar 88%. Dengan membandingkan produksi air bersih dari unit desalinasi dengan air bersih dari PAM JAYA, maka biaya yang dapat dihemat mencapai Rp 150,-/s atau sekitar Rp 5 miliar / thn. Kata Kunci : Kalor Terbuang, kondensor, Desalinasi
PENDAHULUAN Pada kehidupan dibumi, sumber air sangat penting untuk kelangsungan hidup manusia. Air yang terkandung didalam bumi ini sebagian besar adalah air asin yang dimana terdapat 90% berada di lautan dengan kandungan garam lebih dari 30.000 mg/l. Sedangkan hanya air dengan kandungan zat terlarut dibawah 1.000 mgperl yang dapat dipakai sebagai air minum. Karena potensi air laut dapat diperoleh tak terbatas maka telah dilakukan upaya pemanfaatan air laut dengan berbagai teknologi untuk mengubahnya menjadi air bebas garam menjadi air tawar. Hampir 70% permukaan bumi ditutup oleh air tetapi tidak seluruhnya dapat dipakai tanpa memisahkan garamnya. Lahan yang luas, pertumbuhan penduduk yang pesat dan menurunnya sumber daya air tanah menyebabkan dibutuhkannya teknologi proses untuk memisahkan garam dan ionion terlarut dari air laut. Oleh karena itu proses desalinasi merupakan teknologi tepat guna untuk memenuhi kebutuhan air. Dalam bentuk air laut garam halit (NaCl) dan silvit (KCl) kandungannya sangat tinggi tetapi Fe dan Ag sangat kecil. Jika garam-garam ini
dilarutkan dalam air maka akan tercapai derajat kejenuhan tetapi jika berlebih akan terjadi endapan. Apabila air dipisahkan dengan cara pembekuan (freezing) atau evaporasi maka ion-ion terlarut akan membentuk kristal padat dan berada didasar. Air laut mempunyai kerapatan lebih besar dari pada air biasa karena dalam air laut banyak mengandung ion-ion terlarut. Dengan adanya kelarutan ion-ion dalam air laut menyebabkan air laut lebih sulit membeku karena ion-ion terlarut masuk kedalam molekul air menyusun kristal es. Hal ini berarti air laut mempunyai titik beku lebih rendah dari pada air biasa dan keberadaan ion-ion terlarut menyebabkan air laut lebih sulit menguap. Pada saat air laut dalam kondisi beku dan uap, ionion akan berada dalam fasa air. Es dan uap air tidak dapat mengikat ion terlarut oleh karena itu air beku di kutub adalah es murni tetapi air laut menjadi lebih asin.
LANDASAN TEORI Pembangkit Listrik (PLTN)
Tenaga
Nuklir
Energi yang dihasilkan dari reaksi fisi nuklir terkendali di dalam reaktor nuklir dapat dimanfaatkan untuk membangkitkan listrik yang dikenal sebagai pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN). PLTN mempunyai prinsip kerja, Panas yang dihasilkan dimanfaatkan atau digunakan untuk membangkitkan uap dan kemudian uap disalurkan ke turbin untuk membangkitkan listrik. Dalam reaktor nuklir PLTN, reaksi fisi berantai dipertahankan kontinuitasnya dalam bahan bakar sehingga bahan bakar menjadi panas. Panas ini kemudian ditransfer ke pendingin reaktor yang kemudian secara langsung atau tak langsung digunakan untuk membangkitkan uap. Pembangkitan uap langsung dilakukan dengan membuat pendingin reaktor (biasanya air biasa, H2O) mendidih dan menghasilkan uap. Pada pembangkitan uap tak langsung, pendingin reaktor (disebut pendingin primer) yang menerima panas dari bahan bakar disalurkan melalui pipa ke perangkat pembangkit uap. Pendingin primer ini kemudian memberikan panas (menembus media dinding pipa) ke pendingin sekunder (air biasa) yang berada di luar pipa perangkat pembangkit uap untuk kemudian panas tersebut mendidihkan pendingin sekunder dan membangkitkan uap.[1] Gambar pembangkit tenaga nuklir (PLTN) dapat dilihat pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN)[2] Sejarah Penggunaan Energi Nuklir Percobaan pertama yang berhasil untuk energi nuklir dilakukan oleh
fisikawan jerman Otto Hahn, Lise Meiner dan Fritz Strassman pada tahun 1938. Pada perang dunia kedua, tepatnya pada tahun 1942 Enrico Fermi menemukan raksi berantai dari nuklir yang menghasilkan energi tinggi dengan menggunakan bahan plutonium. Plutonium inilah yang digunakan sebagai bahan dasar bom atom yang dijatuhkan di Nagasaki, Jepang. Energi nuklir sebagai pembangkit listrik dengan menggunakan reaktor nuklir digunakan pertama kali pada tanggal 20 desember 1951 di dekat kota Arco, Idaho. Energi yang dihasilkan sekitar 100 kW. Dari tahun ke tahun kapasitas energi dari reaktor nuklir mengalami perkembangan pesat. Pada tahun 1960, 1 gigawatt energi dihasilkan, sedangkan pada tahun 1970, 100 gigawatt dihasilkan dan pada tahun 1980 300 giga watt energi nuklir dihasilkan. Setelah tahun 1980 kapasitas energi yang dihasilkan tidak terlalu meningkat pesat. Sampai tahun 2005 ini, baru 366 gigawatt energi dihasilkan. Gerakan untuk menentang adanya program tenaga nuklir, baru dimulai pada akhir abad 20. Hal ini didasarkan dari ketakutan akan adanya “nuclear accident” dan ketakutan akan adanya bahaya radiasi yang tidak kelihatan dari tenaga nuklir itu sendiri. Selain itu kekhawatiran akan adanya kebocoran dari system penyimpanannya. Apalagi setelah adanya kecelakaan nuklir di Three mile Island dan Chernobyl.[3] Energi Berkelanjutan (Energi Nuklir) Sumber energi nuklir dapat dihasilkan melalui dua macam mekanisme, yaitu pembelahan inti atau reaksi fisi dan penggabungan beberapa inti melalui reaksi fusi. Reaksi fisi nuklir adalah proses dimana nukleus dari atom membelah menjadi dua nuklei atom yang lebih kecil. Produk sampingannya berupa neutron, photon (biasanya dalam bentuk sinar gamma), partikel beta dan partikel alpha.Reaksi fisi adalah reaksi eksoterm dan menghasilkan energi yang besar baik
dari pancaran sinar gamma maupun energi kinetik dari fragmennya[4]. Reaksi fisi digunakan untuk memproduksi energi untuk pembangkit tenaga nuklir dan juga sebagai penyebab ledakan pada senjata nuklir. Material yang digunakan sebagai bahan baku dari energi nuklir dapat menghasilkan energi yang sangat besar akibat dari reaksi berantai dari pembelahan inti atomnya. Hal ini dikarenakan neuton yang dilepas dari reaksi fisi ini dapat memicu terjadinya reaksi fisi yang berkelanjutan. Semakin banyak neuron yang dilepaskan maka kan memicu banyaknya reaksi fisi yang terjadi[5]. Energi yang sangat besar ini dapat dikontrol dengan menggunakan reaktor nuklir. Pada senjata nuklir ledakan yang besar dihasilkan dari energi dari reaksi fisi nuklir yang tidak terkontrol[6]. Jumlah energi yang terkandung pada bahan bakar nuklir adalah beberapa juta kali dari energi yang terkandung bahan bakar kimia (seperti bensin) dengan berat yang sama. Ini mmbuat nuklir sebagai sumber energi yang menjanjikan, tetapi produk buangan dari reaksi fisi nuklir ini sangat radioaktif dan produk buangan tersebut dapat bertahan hingga ratusan tahun di alam. Selain itu, ketakutan akan digunakannya energi nuklir ini sebagai senjata pemusnah massal, membuat energi nuklir sebagai sumber energi utama masih diperdebatkan. Reaktor pada reaksi fisi nuklir biasanya menggunakan tipe “Critical fissionreactors”. Pada reaktor ini, neutron yang dihasilkan dari reaksi fisi digunakan untuk menginduksi terjadinya reaksi fisi yang berulang-ulang, sehingga energi yang dilepaskan dapat terkontrol. Reaktor ini digunakan untuk tiga tujuan yaitu sebagai reactor power, research reactor, dan breeder reactor. Reactor power digunakan untuk memproduksi panas untuk tenaga nuklir. Research reactor digunakan unuk memproduksi neutron atau sumber radioaktif untuk kepentingan penelitian medis,atau untuk tujuan lain. Sedangkan breeder reactor untuk memproduksi bahan
bakar nuklir. Kebanyakan reaktor memproduksi pu-239 (bahan bakar nuklir) dari senyawa U-238 (bukan bahan bakar nuklir)[6]. Reaksi fisi sebenarnya juga dapat terjadi secara alamiah pada material radioaktif. Reaksi fisi ini dapat terjadi karena adanya radiasi dari sinar alpha dan beta yang berada di alam. Tapi reaksi ini berjalan sangat lambat, oleh karena itu digunakan reaktor nuklir yang dapat mempercepat reaksi fisi ini dengan menembakkan partikel neutron. Reaksi fusi terjadi dimana dua inti atom atau lebih saling bergabung membentuk inti yang lebih berat[7]. Proses ini juga dapat melepaskan energi dan juga bisa menyerap energi, bergantung pada berat inti yang terbentuk. Besi dan nikel mempunyai energi ikat yang paling besar per-nukleonnya Oleh karena itu,dua senyawa ini paling stabil. Penggabungan (reaksi fusi) dari dua inti atom yang lebih ringan dari besi atau nikel biasanya melepaskan energi. Sedangkan yang lebih berat dari besi dan nikel biasanya menyerap energi. Reaksi fusi nuklir dari unsur yang ringan dapat melepaskan energi. Contoh nyata adalah bintang yang memancarkan sinar atau bom hydrogen, Sedangkan reaksi fusi untuk unsur yang berat, contoh nyatanya adalah ledakan supernova. Awalnya dibutuhkan energi yang besar untuk menggabungkan dua inti atom, meskipun atom itu adalah hidrogen. Tetapi hasil dari reaksi fusi ini selain menghasilkan atom produk yang lebih berat, juga menghasilkan partikel neutron. Partikel ini kemudian melepaskan energi yang cukup besar untuk membuat kedua inti atom itu untuk bergabung. Kemudian akan diproduksi lebih banyak neutron sehingga akan terjadi reaksi fusi yang berlangsung dengan sendirinya. Energi yang dihasilkan dari reaksi fusi ini sangat besar jika dibandingkan dengan reaksi kimia. Ini dikarenakan energi ikatan yang membuat inti atom saling bergabung lebih besar dari energi ikat
antara elektron dengan inti atom. Sebagai contoh, energi ionisasi dari hidrogen adalah 13,6 ev. Bandingkan dengan energi yang dilepaskan dari reaksi fusi deuterium dan tritium yaitu sebesar 17MeV[8]. Adanya kecenderungan suatu inti atom untuk mengalami fusi maupun fisi adalah karena setiap inti atom akan berusaha untuk berada dalam keadaan yang paling stabil dengan energi yang rendah. Hal ini dapat dicapai dengan mengalami suatu fisi atau fusi. Reaktor Nuklir Reaktor nuklir adalah Energi yang dihasilkan dalam reaksi fisi nuklir dapat dimanfaatkan untuk keperluan yang berguna. Untuk itu, reaksi fisi harus berlangsung secara terkendali di dalam sebuah reaktor nuklir. Sebuah reaktor nuklir paling tidak memiliki empat komponen dasar, yaitu elemen bahan bakar, moderator neutron, batang kendali, dan perisai beton. Ada dua macam sumber tenaga nuklir yaitu“Nuclear fission reactor” yang memproduksi energi akibat reaksi berantai dari reaksi fisi nuklir dan “Radioisotope thermoelectric generator” memproduksi energi melalui peluruhan radioaktif, dan Sebagian besar pembangkit tenaga nuklir biasanya menggunakan tipe reaktor fisi nuklir, disebabkan output energi dari reaktor fisi ini dapat dikontrol.[7] Dapat dilihat seperti pada gambar 2.2.
Gambar 2.2 Reaktor Nuklir[9]
Elemen bahan bakar menyediakan sumber inti atom yang akan mengalami fusi nuklir. Bahan yang biasa digunakan sebagai bahan bakar adalah uranium U. elemen bahan bakar dapat berbentuk batang yang ditempatkan di dalam teras reactor. Neutron-neutron yang dihasilkan dalam fisi uranium berada dalam kelajuan yang cukup tinggi. Adapun, neutron yang memungkinkan terjadinya fisi nuklir adalah neutron lambat sehingga diperlukan material yang dapat memperlambat kelajuan neutron ini. Fungsi ini dijalankan oleh moderator neutron yang umumnya berupa air. Jadi, di dalam teras reaktor terdapat air sebagai moderator yang berfungsi memperlambat kelajuan neutron karena neutron akan kehilangan sebagian energinya saat bertumbukan dengan molekul-molekul air. Fungsi pengendalian jumlah neutron yang dapat menghasilkan fisi nuklir dalam reaksi berantai dilakukan oleh batang-batang kendali. Agar reaksi berantai yang terjadi terkendali dimana hanya satu neutron saja yang diserap untuk memicu fisi nuklir berikutnya, digunakan bahan yang dapat menyerap neutron-neutron di dalam teras reaktor.Bahan seperti boron atau kadmium sering digunakan sebagai batang kendali karena efektif dalam menyerap neutron.Batang kendali didesain sedemikian rupa agar secara otomatis dapat keluar-masuk teras reaktor.Jika jumlah neutron di dalam teras reaktor melebihi jumlah yang diizinkan (kondisi kritis), maka batang kendali dimasukkan ke dalam teras reaktor untuk menyerap sebagian neutron agar tercapai kondisi kritis. Batang kendali akan dikeluarkan dari teras reaktor jika jumlah neutron di bawah kondisi kritis (kekurangan neutron), untuk mengembalikan kondisi ke kondisi kritis yang diizinkan. Radiasi yang dihasilkan dalam proses pembelahan inti atom atau fisi nuklir dapat membahayakan lingkungan di sekitar reaktor. Diperlukan sebuah pelindung di sekeliling reaktor nuklir agar radiasi dari zat radioaktif di dalam reaktor tidak
menyebar ke lingkungan di sekitar reaktor.Fungsi ini dilakukan oleh perisai beton yang dibuat mengelilingi teras reaktor. Beton diketahui sangat efektif menyerap sinar hasil radiasi zat radioaktif sehingga digunakan sebagai bahan perisai. Pada pembahasan PLTN ini reaktor yang digunakan adalah tipe BWR.[8] Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP) Karakteristika unit dari reaktor air didih (BWR) adalah uap dibangkitkan langsung dalam bejana reaktor dan kemudian disalurkan ke turbin pembangkit listrik. Pendingin dalam bejana reaktor berada pada temperatur sekitar 285 0C dan tekanan jenuhnya sekitar 70 atm. Reaktor ini tidak memiliki perangkat pembangkit uap tersendiri, karena uap dibangkitkan di bejana reaktor. Karena itu pada bagian atas bejana reaktor terpasang perangkat pemisah dan pengering uap, akibatnya konstruksi bejana reaktor menjadi lebih rumit. Konstruksi reaktor BWR diperlihatkan pada rangkaian instalasi PLTN yang berada pada gambar 2.3 yang menunjukan perkembangan teknologi reaktor BWR[10].
Gambar 2.3 Rangkaian Instalasi Boiling Water Reactor (BWR)[10] Turbin Turbin adalah sebuah mesin penggerak mula dimana energi fluida kerja dipergunakan langsung untuk memutar roda turbin[11]. Fluida kerja ini diperoleh dari arus gas hasil pembakaran udara dan bahan bakar yang akhirnya menyebabkan meningkatnya suhu, kecepatan, volume dan tekanan dari aliran gas tersebut. Selanjutnya fluida tersebut akan dialirkan oleh nozzle menuju sudu-sudu turbin dan menggerakkannya, yang secara otomatis
akan memutar poros dan menggerakkan bebannya (generator listrik, pompa, kompresor, baling baling atau mesin lainnya). Pada sebuah turbin tidak terdapat bagian mesin yang bergerak translasi seperti halnya sebuah mesin torak. Pada sebuah turbin umumnya terdapat dua buah bagian utama, yaitu stator dan rotor. Dimana rotor (roda turbin) adalah bagian yang berputar pada turbin sedangkan bagaian yang tidak bergerak dinamakan stator (rumah turbin) [11].
Prinsip Kerja Turbin Pada dasarnya turbin dapat berkerja karena adanya fluida yang bergerak melalui sudu-sudu turbin dan menyebabkan turbin tersebut bergerak/berputar. Oleh karena itu sudu-sudu pada sebuah turbin haruslah dibentuk sedemikian rupa sehingga dapat terjadi sebuah perubahan momentum pada fluida yang menggerakkan sudu turbin tersebut. Sudu-Sudu Turbin Seperti yang telah kita ketahui, bahwa pada sebuah turbin terdapat sudusudu yang melingkarinya. Oleh karena itu sudu tersebut tentunya bergerak bersamaan dengan roda turbin, sehingga sudu tersebut dapat dinamai sudu gerak. Pada sebuah roda turbin dapat terdapat lebih dari satu barisan sudu turbin yang biasanya terpasang berurutan sesuai dengan arah aliran fluida. Turbin dengan satu baris sudu gerak turbin dinamakan turbin bertingkat tunggal, sedangkan untuk turbin dengan sudu gerak lebih dari satu baris dinamakan turbin bertingkat ganda[11]. Perlu diingat pada satu baris sudu turbin umumnya memiliki ukuran dan bentuk yang sama. Pada turbin bertingkat ganda fluida akan mengalir melalui baris sudu gerak pertama kemudian baris kedua, ketiga, keempat dan seterusnya. Namun sebelum masuk ke sudu roda turbin selanjutnya fluida akan melewati barisan sudu yang menyatu dengan rumah turbin, atau sering disebut sudu tetap. Barisan sudu tetap ini berfungsi
untuk mengarahkan fluida kerja untuk masuk ke sudu berikutnya atau juga dapat berfungsi sebagai nozzle keluar aliran fluida. Jadi pada turbin bertingkat pada satu tingkatnya terdapat satu baris sudu tetap dan satu baris sudu gerak. Salah satu tujuan dari penggunaan turbin bertingkat ganda adalah untuk menaikkan efisiensi dan memperkecil kecepatan tangensial dari roda turbin yang bersangkutan[11]. Dari segi perubahan momentum fluida kerjanya turbin dapat dipisahkan menjadi dua golongan utama, yaitu turbin impuls dan turbin reaksi[11] : 1. Turbin impuls, adalah turbin dimana penurunan tekanan fluida hanya terjadi pada sudu tetapnya saja. Meskipun faktanya penurunan tekanan pada sudu gerak masih ditemukan meskipun kecil adanya. 2. Turbin reaksi, adalah turbin dimana penurunan tekanan fluida terjadi pada sudu tetap dan sudu geraknya juga. Beberapa hal yang perlu diperhatikan pada sebuah turbin diantaranya adalah celah antara puncak sudu turbin dan rumah turbin yang haruslah sesempit mungkin. Hal ini dimaksudkan agar gaya yang diperoleh dari momentum aliran fluida mencapai tingkat maksimum. Selain itu roda turbin pada sebuah turbin haruslah dibuat seseimbang mungkin (balance). Hal ini sangat penting diperhatikan karena umumnya turbin berputar pada putaran yang tinggi, sehingga apabila terjadi putaran yang tidak seimbang dapat menimbulkan getaran atau mungkin gesekan antara puncak sudu gerak turbin dan rumah turbin, atau bahkan gesekan antara sudu tetap dan sudu gerak turbin yang dapat mengganggu kerja turbin. Fluida Kerja Fluida dari sebuah turbin dapat berupa air, gas atau uap air bergantung bagaimana turbin tersebut mendapatkan fluida sebagai sumber energi geraknya. Atau dapat dikatakan berdasarkan sumber fluidanya turbin dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu turbin air, turbin uap dan turbin
gas. Oleh karena masing-masing jenis fluida tersebut memiliki karakteristik yang berbeda maka karakteristik dari masingmasing turbin pun berbeda-beda sesuai dengan kebutuhan dan kegunaan yang diperlukan[12]. Turbin Uap Turbin uap adalah suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial uap menjadi energi kinetik dan energi kinetik ini selanjutnya diubah menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros turbin. Poros turbin, langsung atau dengan bantuan roda gigi reduksi, dihubungkan dengan mekanisme yang digerakkan. Tergantung pada jenis mekanisme yang digerakkan, turbin uap dapat digunakan pada berbagai bidang industri, untuk pembangkit tenaga listrik, dan untuk transportasi. Pengubahan energi potensial uap menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros dilakukan dengan berbagai cara. Turbin uap dapat dioperasikan dengan memakai uap panas lanjut atau memakai uap basah. Untuk dapat menentukan penghematan proses tenaga uap, selain ukuran-ukuran utama turbin uap, seperti misalnya diameter roda turbin, jumlah tingkat, panjang sudu, dan penampang bagian-bagian yang mengantarkan uap, maka dipakai grafik/diagram perubahan keadaan uap air dalam T-s ataupun h-s. Secara umum, turbin uap diklasifikasikan ke dalam tiga jenis: impuls, reaksi, dan gabungan (impuls dan reaksi)[11], yang tergantung pada cara perolehan pengubahan energi potensial menjadi energi kinetik semburan uap. Siklus Turbin Uap (Rankine Cycle) Siklus Rankine adalah siklus ideal yang beroperasi pada Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN). Ada empat komponen utama dalam sebuah siklus turbin uap, yaitu : 1. Pompa 2. Boiler (Heat Exchanger) 3. Turbin uap 4. Kondensor
Gambar 2.4 Siklus turbin uap (Rankine Cycle)
uap setelah melewati turbin akan turun lalu uap masuk ke dalam kondensor (titik 4). Pada keadaan ini biasanya uap sudah saturated liquid-vapor mixture, uap dikondensasikan pada tekanan yang tetap dengan membuang panas pada media pendingin yang bisa berupa air laut. Setelah dikondensasikan uap berubah menjadi saturated liquid (cairan jenuh) dan masuk kedalam pompa kembali, begitu seterusnya menjadi kesatuan siklus. Dasar persamaan energi :
Efisiensi termal dari siklus Rankine : Dimana ;
Gambar 2.5 Grafik T-s siklus turbin uap [12]
Keterangan : 1-2 : Kompresi isentropis (didalam pompa) 2-3 : Penambahan panas di boiler (pada tekanan konstan) 3-4 : Ekspansi isentropis (didalam turbin) 4-1 : Pengeluaran panas (didalam kondensor) Air masuk ke dalam pompa (titik 1) sebagai saturated liquid (cairan jenuh) dan setelah melewati pompa akan mencapai tekanan kerja yang berlaku di boiler. Air masuk ke boiler sebagai compressed liquid (titik 2) dan meninggalkan boiler berupa superheated steam (titik 3). Boiler merupakan alat penukar kalor yang besar dimana panas berasal dari gas hasil pembakaran dan panas tersebut ditransfer ke air pada tekanan yang konstan. Panas akan merubah air menjadi superheated steam (uap panas lanjut). Uap akan masuk ke turbin uap dan diekspansikan, ekspansi ini akan menghasilkan tenaga listrik setelah poros turbin berputar dan menggerakkan generator listrik. Tekanan dan temperatur
Proses Desalinasi Proses Desalinasi adalah proses pemisahan yang digunakan untuk mengurangi kandungan garam terlarut dari air garam hingga level tertentu sehingga air dapat digunakan. Proses desalinasi melibatkan tiga aliran cairan, yaitu umpan berupa air garam (misalnya air laut), produk bersalinitas rendah, dan konsentrat bersalinitas tinggi. Produk proses desalinasi umumnya merupakan air dengan kandungan garam terlarut kurang dari 500 mg/l, yang dapat digunakan untuk keperluan domestik, industri, dan pertanian. Hasil sampingan dari proses desalinasi adalah brine. Brine adalah larutan garam berkonsentrasi tinggi (lebihdari 35000 mg/l garam terlarut). Distilasi merupakan metode desalinasi yang paling lama dan paling umum digunakan. Distilasi adalah metode pemisahan dengan cara memanaskan air laut untuk menghasilkan uap air, yang selanjutnya dikondensasi untuk menghasilkan air bersih. Berbagai macam proses distilasi yang umum digunakan,seperti multistage flash, multiple effect distillation, dan vapor compression umumnya menggunakan prinsip
mengurangi tekanan uap dari air agar pendidihan dapat terjadi pada temperatur yang lebih rendah,tanpa menggunakan panas tambahan. Salinitas air lautan sendiri sekitar 3,3%–3,7% atau rata-rata 3,5%, Hal ini berarti setiap 100 gram air laut terdapat 3,5 gram ion terlarut[13]. Berbagai teknologi telah dikembangkan untuk memperoleh air bersih yaitu proses membran dan proses termal. Proses termal yang banyak dipakai yaitu destilasi multi tahap (MSF), evaporasi multi tahap dan kompresi uap. Dalam proses metode membran dipakai osmosa fase balik (RO), elektrodialisa dan nanofiltrasi. Kedua proses MSF dan RO mendominasi metode proses desalinasi sekitar 88% memiliki kapasitas terpasang. Bahan baku air menggunakan kualitas yang berbeda sebagian besar air laut dan air payau. Air laut diproses menggunakan proses termal dan membrane osmosa sedangkan air payau umumnya memakai metode osmosa dan elektrodialisa. Proses desalinasi telah berkembang pesat untuk mencukupi kebutuhan air bersih bagi penduduk dan industri. Sampai 2002 lebih dari 15.000 unit desalinasi skala industri beroperasi dengan kapasitas total 32,4 juta m3/hari, diantaranya 19,1 juta m3/hari diproduksi dari desalinasi dan sisanya oleh unit-unit non desalinasi. Sumber tenaga termal dan listrik berasal dari reaktor daya yang menggerakkan turbin pembangkit dan meyalurkan panasnya melalui penukar panas. Panas tersebut dialirkan ke unit desalinasi yang membutuhkan panas untuk mengubah air laut menjadi air bersih dan garam. Sebagian besar instalasi industri dan listrik berlokasi dekat pantai sehingga dapat dipastikan pasokan air melimpah dengan biaya tetap. Air laut bersifat korosif sehingga mempunyai biaya efektif untuk memisahkan garam dari pada harus mengganti pipa per instalasi pipa yang lebih mahal[14].
Gambar 2.6 Klasifikasi proses desalinasi[15]. Pemilihan proses yang akan digunakan harus disesuaikan dengan lokasi pengolahan, kualitas air laut, penggunaan air hasil pengolahan dan lain sebagainya berdasarkan studi kelayakan. Mengingat semakin bertambahnya permintaan air baik untuk kehidupan manusia maupun untuk industri, maka setiap negara perlu menyediakan air tawar yang murah walaupun biaya pengadaan untuk sumber energinya semakin tinggi. Di beberapa negara penelitian dan pengembangan metode desalinasi, penambahanpenambahan baru, kombinasi dan lain sebagainya telah dilaksankan untuk meningkatkan efisiensi dari pengolahan sistem desalinasi. Proses Distilasi (Penguapan) Pada proses distilasi, air laut dipanaskan untuk menguapkan air laut dan kemudian uap air yang dihasilkan dikondensasi untuk memperoleh air tawar. Proses ini menghasilkan ait tawar yang sangat tinggi tingkat kemurniannya dibandingkan dengan proses lain. Air laut mendidih pada suhu 100 oC pada tekanan atmosfer, namun dapat mendidih dibawah 100 oC apabila tekanan diturunkan. Penguapan air memerlukan panas penguapan yang tertahan pada uap air yang terjadi sebagai panas laten. Apabila uap air dikondensasi maka panas laten akan dilepaskan yang dapat dimanfaatkan untuk pemanasan awal air laut.
Korosi (karat) sudah tentu akan merusak peralatan dan perpipaan, yang dapat mengakibatkan system pengolahan tidak dapat beroperasi, yang kemudian akan menghabiskan biaya dan waktu yang tidak sedikit pada saat perbaikan. Produksi air akan terhenti pada periode itu. Oleh karena itu pemilihan bahan merupakan hal yang sangat penting. Proses desalinasi telah bertahun-tahun dan telah dihasilkan beberapa perbaikan. Pada proses distilasi, air laut digunakan sebagai bahan baku air tawar dan sebagai air pendingin dalam hal ini jumlah air laut yang diperlukan sebesar 8 sampai 10 kali dari air tawar yang dihasilkan. Steam dari boiler atau sumber lainnya dapat digunakan sebagai media pemanas dan suatu rancangan akan memerlukan jumlah steam 1/6 sampai 1/8 dari air yang dihasilkan. Perbandingan jumlah produksi air tawar terhadap jumlah panas steam yang diperlukan disebut Performance Ratio atau Gained Output Ratio (GOR). Rancangan biasanya memakai performance ratio 6 sampai 8[15]. Masalah yang biasa timbul pada semua jenis sistem distilasi adalah kerak dan karat pada peralatan. Apabila terjadi kerak pada tube penukar panas evaporator maka efisiensi panas dan produksi air tawar akan berkurang. Pengolahan desalinasi harus diberhentikan untuk pembersihan tube dengan asam. Penerapan pengolahan yang efektif sangat diperlukan. Rumus-Rumus Dasar Perhitungan Desalinasi Jadi dalam sebuah analisis sistem desalinasi dapat dilakukan beberapa pengamatan perpindahan panas pada sistem dan bagaimana efek perpindahan panas dalam sistem tersebut menghasilkan kerja. Selain itu dalam sebuah sistem yang beroperasi tentunya memiliki nilai efisiensi kerja yang dapat diperhitungkan, nilai efisiensi ini akan bermanfaat dalam menganalisis sistem apakah bekerja dalam kodisi yang baik
(efisensi tinggi) atau dalam kondisi yang buruk (efisiensi rendah). Berikut akan dijelaskan proses perhitungan dalam analisis termodinamika suatu sistem desalinasi. 1. Menentukan Laju Aliran Massa Air Laut (m) Dalam sebuah sistem desalinasi untuk menentukan nilai laju aliran massa air laut pada unit desalinasi dipergunakan rumus : (2.1) m = ρ.Q dimana, m = laju aliran massa air laut ρ = massa jenis air laut Q = debit air laut 2. Menentukan Laju Aliran Kalor Pada Proses Air Laut Masuk (Qin1) Untuk menentukan nilai laju aliran kalor pada proses air laut masuk unit desalinasi dipergunakan model perhitungan sebagai berikut :
m (h2 – h1)
(2.2)
dimana, = laju aliran kalor pada air laut = entalphi pada outlet air laut = entalphi pada inlet air laut 3. Menentukan Laju Aliran Kalor Pada Proses Evaporator (Qin2) Untuk menentukan nilai laju aliran kalor pada proses evaporator unit desalinasi dipergunakan model perhitungan sebagai berikut :
m (h3 – h2)
(2.3)
dimana, = laju aliran kalor pada evaporator = entalphi pada outlet evaporator 4. Menentukan Laju Aliran Kalor Pada Proses Heat Exchanger (Qin3) Untuk menentukan nilai laju aliran kalor pada pada proses heat exchanger unit
desalinasi dipergunakan model perhitungan sebagai berikut :
= jumlah total nilai laju aliran kalor Qout1 + Qout2 + Qout3
m(h4 – h3)
= jumlah total nilai laju aliran kalor Qin1 + Qin2
(2.4)
dimana, = laju aliran kalor pada heat exchanger = entalphi pada outlet heat exchanger
h4
5. Menentukan Laju Aliran Kalor Pada Proses Distilate (Qout1) Untuk menentukan nilai laju aliran kalor pada pada proses distilate unit desalinasi dipergunakan model perhitungan sebagai berikut :
m(h5 – h8)
6.
Menentukan Laju Aliran Kalor Pada Proses Brine (Qout2) Untuk menentukan nilai laju aliran kalor pada pada proses brine chamber unit desalinasi dipergunakan model perhitungan sebagai berikut : (2.6)
dimana, = =
h7
laju aliran kalor pada brine entalphi pada outlet brine
7.
Menentukan Efisiensi Termal Pada Proses Desalinasi Untuk menentukan nilai efisiensi (η) pada pada unit desalinasi dapat dilakukan dengan membandingkan antara jumlah nilai ΣQout dengan jumlah nilai ΣQin. Atau jika dituliskan dalam sebuah rumus adalah sebagai berikut. (2.7) dimana, = efisiensi termal desalinasi
mtotal = mbrine + mair tawar mlosses = mair laut - mtotal
= laju aliran kalor pada destilate = entalphi pada outlet destilate
m (h6 – h7)
Menentukan Keseimbangan Massa (Mass Balance) Untuk menentukan keseimbangan massa perlu dilakukan perhitungan dengan menjumlahkan laju aliran massa brine yang dihasilkan dengan laju aliran air tawar hasil desalinasi tersebut. mair laut = mbrine + mair tawar + mair losses (2.8)
(2.5)
dimana, h8
8.
dimana, mair laut = mbrine = mair tawar =
laju aliran massa air laut laju aliran massa brine laju aliran massa air tawar
Rangkaian Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) Reaktor Daya VK-300 Tipe BWR. Reaktor VK-300 tipe BWR merupakan unit kogenerasi yang menghasilkan tenaga listrik dan panas yang dikopling dengan instalasi desalinasi. Reaktor VK-300 merupakan reaktor daya prototip VK-50 kemudian dikembangkan menjadi desain 250 MW(e) dengan unit operasi turbin dalam moda kondensasi. Dalam moda ini, pasokan panas untuk proses desalinasi mencapai 400 Gkal/jam dalam bentuk uap yang membangkitkan listrik secara serentak oleh turbin 150 MW. Secara historis, reaktor VK-300 dikembangkan untuk instalasi nuklir kogenerasi untuk menggantikan reactor produksi plutonium di Rusia. Dalam sistem kopling ini uap panas dari turbin diteruskan melalui rangkaian antara (intermediate circuit) ke system desalinasi. Kombinasi antara reaktor daya dan panas yang
dimanfaatkan untuk proses desalinasi dapat dilihat pada Gambar 3.2. 5
Dea
6
1
VK30 0
4 1
Rea cto r
Turb 4
H 2
dalam kondensor. Yang dihasilkan kondensor ini adalah air bersih dan garamnya dipisahkan sebagai brine. permasalahan dalam proses ini adalah pembentukan kerak (scaling) pada permukaan alat evaporator. Tetapi dengan mengendalikan pH dan suhu maka pembentukan kerak dapat diperkecil. Dapat dilihat pada gambar 3.4 proses kerja Desalinasi.
L 3
Desalin
H E
Heating 3
4
2
EVAPORA 2
3
4
Eva 6
6
5
5
Se
8 7
1
Gambar 3.2. PLTN Reaktor VK-300 tipe BWR dikopel dengan instalasi Desalinasi
8
SEPARATOR
Rangkaian Desalinasi Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir Tipe BWR
7
1
Gambar 3.4 Proses Kerja Desalinasi Perhitungan Sistem Desalinasi Pada PLTN
Gambar 3.3 Dasar proses desalinasi[13] Dasar proses desalinasi seperti tampak pada Gambar 3.3, bahan baku air laut disaring pada filter dahulu kemudian dicampur dengan asam dalam tangki pengolahan/treatment tank. Air laut yang telah diolah dipanaskan dalam evaporator, uap yang terkumpul dikondensasi kembali
Menentukan Nilai Mass Flow Rate (m) dengan menggunakan persamaan rumus (2.1). Mass Flow Rate (m)air laut =ρ.Q = 1025kg/m3 X 0,0863 m3/s = 88,46 kg/s Mass Flow Rate (m)distillate =ρ.Q = 1025kg/m3 X 0,0833 m3/s = 85,4 kg/s Mass Flow Rate (m)brine
=ρ.Q = 1025kg/m3 X 0,003 m3/s = 3,08 kg/s Menentukan Nilai Qin dan Qout Pada Sistem Desalinasi PLTN dengan menggunakan persamaan rumus (2.2) sampai dengan persamaan rumus (2.6). Energi balance Qin : QPA = m (h2 – h1) = 88,46kg/s (138,85kJ/kg – 126,88kJ/kg) = 88,46kg/s X 11,97kJ/kg = 1058,87 kW QEV = m (h3 – h2) = 88,46kg/s (238,5kJ/kg – 138,85kJ/kg) = 88,46kg/s X 99,65kJ/kg = 8815,04 kW QHE = m (h4 – h3) = 88,46kg/s (461,14kJ/kg – 238,5kJ/kg) = 88,46kg/s X 222,64kJ/kg = 19694,73 kW Energi balance Qout : QD = m (h5 – h8) = 85,4kg/s (461,14kJ/kg – 158,8 kJ/kg) = 85,4kg/s X 302,34kJ/kg = 25819,84 kW QB = m (h6 – h7) = 3,08kg/s (358,5kJ/kg – 278,5 kJ/kg) = 3,08kg/s X 80kJ/kg = 246,4 kW Menentukan Nilai Efisiensi Thermal (η) Sistem Desalinasi PLTN dengan menggunakan persamaan rumus (2.7).
Efisiensi thermal : η
=
∑ Q out ∑ Q in
x 100%
(QD + Qb ) = (QPA + Qev + QHE ) x 100%
η
=
(25819,84kW + 246,4kW ) (1058,87 kW + 8815,04kW + 19694,73kW )
x 100% ( 26066,24kW ) = ( 29568,64kW ) x 100% = 88%
Menentukan Keseimbangan Massa (Mass Balance) Untuk menentukan keseimbangan massa perlu dilakukan perhitungan dengan menjumlahkan laju aliran massa brine yang dihasilkan sebesar 3,08 kg/s dengan laju aliran air tawar yang sebesar 85,4 kg/s hasil dari proses desalinasi tersebut. Untuk menentukan nilai mair laut menggunakan persamaan rumus (2.8).
Gambar 3.6 Diagram Keseimbangan Massa mair laut = mbrine
+
mair tawar + mair losses
mtotal
=
mbrine
mlosses
=
mair laut - mtotal
+
mair tawar
mtotal
= mbrine + mair tawar = 3,08 kg/s + 85,4 kg/s = 88,48 kg/s
mlosses
= mair laut - mtotal = 88,46 kg/s - 88,48 kg/s = 0,02 kg/s
Perhitungan Biaya Untuk Distillate a. diketahui laju aliran massa untuk Distillate sebesar 0,02 kg/s akan di konversi menjadi debit aliran yang akan digunakan untuk penghematan biaya yaitu sebagai berikut : m =ρxQ Q = Dimana : Q = debit aliran, m3/s m = laju aliran massa, kg/s ρ = massa jenis (air), kg/m3 jadi, Q = 0,02 kg / s = 1000 kg / m3
= 0,00002 m3/s
1 m3 = 1000 ℓ = 0.00002 X 1000 ℓ/s = 0.02 ℓ /s b. Mencari biaya untuk air bersih selama setahun Asumsi biaya air bersih (H2O) PAM JAYA tahun 2011 sebesar Rp 7.500,/m3.[16] Jadi, biaya untuk air bersih selama setahun adalah : = 0,02 m3/s X Rp 7.500,-/m3 = Rp 150,- / s = Rp 150,- / s X
= Rp 4.665.600.000,- / thn
Sehingga didapat penghematan biaya dengan menggunakan kalor terbuang dari kondensor pada PLTN untuk desalination plant. Dengan asumsi harga air bersih (H2O) PAM JAYA sebesar Rp 7.500,- maka biaya yang dapat dihemat mencapai Rp 150,-/s atau Rp 4.665.600.000,- / thn. Sehingga sangat membantu dalam perekonomian dan sangat efisien. KESIMPULAN Reaktor daya VK-300 type BWR pada PLTN yang memiliki daya 250 MW(e) dapat memasok uap panas bersuhu 2850C ke turbin ekstraksi untuk menghasilkan tenaga listrik sebesar 150 MW dan menghasilkan uap panas yang sebagian uap panas dengan temperatur 1300C digunakan untuk proses desalinasi air laut. Pada proses desalinasi air laut memiliki debit aliran air laut untuk desalination plant sebesar 0.0863 m3/s yang menghasilkan laju aliran massa sebesar 88,46 kg/s, setelah air laut mengalami proses desalinasi yang mendapat pasokan kalor terbuang dengan temperatur 1100C dari kondensor yang diolah pada unit desalinasi yang menghasilkan debit distillate keluaran dari unit desalinasi sebesar 0,0833 m3/s yang memiliki laju aliran massa sebesar 85,4 kg/s dan menghasilkan debit brine keluaran dari unit desalinasi sebesar 0,003 m3/s yang memiliki laju aliran massa sebesar 3,08 kg/s, maka effisiensi thermal yang diperoleh dari hasil perhitungan didapatkan 88%. Dengan asumsi harga air bersih (H2O) PAM JAYA sebesar Rp 7.500,maka biaya yang dapat dihemat secara ekonomi mencapai Rp 150,-/s atau sekitar Rp 5 miliar / thn. Pengkopelan reaktor daya VK-300 type BWR pada desalinasi air laut memiliki nilai efisiensi thermal yang tinggi dan memiliki biaya penghematan yang sangat membantu dalam perekonomian pada air tawar yang dihasilkan dalam proses desalinasi.
DAFTAR PUSTAKA [1] Anonim, http://reactor.engr.wisc.edu/ pembangkit listrik tenaga nuklir, 2010. [2] Anonim, http://google.com/PLTN Tanjung Muria, 2010. [3] Nuclear Regulatory Commission. http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear Regulatory, November 2010. [4] Nuclear Chain Reaction. http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear chain reaction, November 2010. [5] Microsoft, Nuclear Energy, Microsoft Corporation: Redmond, WA. Microsoft Encarta,. 2010. [6] Nuclear Fission. http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear _fission, November 2010. [7] Nuclear reaction. http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear _reactions, November 2010. [8] Brain, M. Nuclear Power Works. http://www.howstuffworks.com/nuc lear-power.htm, November 2010. [9] Anonim, http://en.wikipedia.org/wiki/passive _nuclear_safety/ reaktor nuklir 2010. [10] Anonim, http://en.wikipedia.org/wiki/Boiling _water_reactor/ PLTN, 2010. [11] W., Arismunandar, Penggerak Mula : Turbin, ITB. Bandung, 2004. [12] Sri Widharto., Inspeksi Teknik Buku Empat, Edisi Pertama, Pradaya Paramita, Jakarta, 2004 [13] IAEA- TECDOC-574 ; Use of Nuclear Reactors for seawater Desalination, p 115,1990. [14] Karliana, Itjeu., Sumijanto, Dhandhang P. Purwadi, Jurnal Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir – BATAN, September 2009. [15] Said, Nusa Idaman., Pengolahan Payau Menjadi Air Minum dengan
Teknologi Reverse Osmosis, Desalinasi Journal, Oktober 2008. [16] Anonim, http://us.detiknews.com/read/tariftermahal-se-asean-kualitas-airmurahan, Februari 2011.
