Optimisasi Teknologi Proses Geothermal Sistem Flash Steam pada

SEMINAR NASIONAL INOVASI DAN APLIKASI
TEKNOLOGI DI INDUSTRI (SENIATI) 2016
ISSN: 2058-4218
Optimisasi Teknologi Proses Geothermal
Sistem Flash Steam pada Pembangkit Listrik
Tenaga Panas Bumi di Indonesia
Daril Ridho Zuchrillah1, Renanto Handogo1,*, Juwari1
1 Teknik Kimia ITS Surabaya, Jalan Teknik Kimia Surabaya
* E-mail : [email protected]
Abstrak. Saat ini, pembangkit listrik tenaga panas bumi memproduksi beban dasar listrik yang lebih
murah, handal dan ramah lingkungan. Namun efisiensi konversi yang terdapat pada pembangkit
listrik tenaga panas bumi sangatlah kecil daripada pembangkit listrik tenaga fosil lainnya. Sebuah
optimiasasi teknologi proses single flash steam dilakukan dengan mengembangkan model matematis
yang diaplikasikan pada PLTP PT Geo Dipa Energi unit Dieng, Jawa Tengah. Perhitungan dilakukan
dengan menggunakan software Engineering Equation Solver (EES) dengan berdasarkan pada hukum
termodinamika yang berlaku. Pada single flash steam, kondisi operasi separator pada suhu 179,9⁰C
dan 1000 kPa dapat dihasilkan daya listrik sebesar 23.030,28 kWe dengan besarnya efisiensi 38,71%.
Selanjutnya dilakukan simulasi dan analisa pada modifikasi teknologi double flash steam didapatkan
didapatkan kondisi operasi separator pada di suhu 179,9 ⁰C tekanan 1000 kPa dan kondisi operasi
flasher pada suhu 109,3 ⁰C dan 140 kPa dengan menghasilkan daya listrik sebesar 27.396,39 kWe
dengan besarnya efisiensi 46,05 %. Hal tersebut menunjukkan terjadi peningkatan daya sebesar 18,96
% dari teknologi single flash steam. Design double flash steam merupakan sistem yang menarik untuk
diaplikasikan pada single-flash steam PLTP PT Geo Dipa Energi unit Dieng, Jawa Tengah.
Kata Kunci: Efisiensi, Flash Steam, Geothermal, Optimisasi, Pembangkit Listrik
1. Pendahuluan
Energi geothermal telah diidentifikasi sebagai sumber energi yang sustainable dan memproduksi emisi
gas yang rendah [1]. Dengan besarnya potensial yang dimiliki oleh energi geothermal, Indonesia
sedang merencanakan untuk meningkatkan produksi tenaga listrik dengan basis energi geothemal dari
1.196 menjadi 9.500 MW pada tahun 2.025. Untuk mecapai target tersebut, sebuah kebijakan publik
dibutuhkan untuk mendorong industri geothermal berkembang. Sekarang, total kapasitas PLTP di
Indonesia sebesar 1.196 MW dari 7 PLTP di Indonesia [2].
PT Geo Dipa Energi unit Dieng, Jawa Tengah adalah PLTP yang sedang berkembang dengan
teknologi proses sistem single flash steam. Tipe tersebut digunakan hampir seluruh pembangkit listrik
tenaga panas bumi di Indonesia. Suhu sumber sumur dan entalpi geo fluidanya sekitar 306⁰ C dan
1379,7 kJ/kg [3]. Proses produksi listrik pada sistem single flash steam di Dieng ditandai dengan
banyaknya jumlah brine yang terdapat pada sumber sumur geothermal. Brine tersebut akan kembali
diinjeksikan ke dalam bumi setelah proses ekspansi dan pemisahan. Selama proses injeksi brine
menghasilkan panas. Tekanan dan suhu juga akan menurun. Untuk memanfaatkan brine tersebut,
sebuah pengembangan sistem konversi energi dilakukan dengan hasil daya listrik yang lebih besar dan
meningkatkan efisiensi pada sistem yang telah ada. Double flash steam terlihat sebuah sistem yang
menarik. Dipippo 2008 melaporkan bahwa double flash steam dapat meningkatkan hasil daya listrik
15-25% dibanding dengan teknologi single flash steam pada kondisi geo fluida yang sama [4].
Penelitian ini bertujuan untuk menganalisa energi dan eksergi pada teknologi proses single flash
steam pada pembangkit listrik tenaga panas bumi di PT. Geo Dipa Energi unit Dieng menggunakan
hukum termodinamika. Hasil dari penelitian digunakan untuk mengoptimisasi kondisi operasi flasher
untuk meningkatkan efisiensi konversi pada teknologi proses double flash steam dengan memanfaakan
brine keluaran dari separator.
SENIATI 2016| Institut Teknologi Nasional Malang
B. 1
SEMINAR NASIONAL INOVASI DAN APLIKASI
TEKNOLOGI DI INDUSTRI (SENIATI) 2016
ISSN: 2058-4218
2. Tinjauan Pustaka
Teknologi proses pembangkit listrik tenaga panas bumi yang paling banyak diterapkan di dunia
termasuk di Indonesia adalah teknologi flash steam. Pembangkit jenis memanfaatkan geofluid dengan
kisaran suhu 180-300⁰C. Geofluida tersebut akan dipisahkan ke tangki yang suhu dan tekanannya
lebih rendah untuk kemudian dengan cepat membentuk 2 fasa yaitu uap dan cair. Uap ini akan
menggerakkan turbin yang selanjutnya menggerakkan generator untuk menghasilkan daya listrik.
Faktor kapasitasnya dapat mencapai 93% dan modalnya per kWe mencapai 1.250 hingga 1.300 dolar
amerika [5].
2.1 Single Flash Steam
Gambar 1. Skema Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi dengan Teknologi Single Flash Steam
Campuran fluida panas bumi dari sumur produksi mengalir untuk dipisahkan dengan separator
bertekanan tinggi dengan harga entalpi yang konstan. Liquid dari hasil pemisahan di separator (poin 4)
dan hasil steam akan mengalir menuju ke turbin (poin 3). Dalam sebuah turbin ideal, ekspansi steam
adalah kondisi isentropik. Namun dalam kenyataannya, akan terjadi ekspansi dengan dipengaruhi oleh
efisiensi turbin. Hasil keluaran turbin berupa expanded steam akan dikondensasi menjadi sebuah
liquid dengan tekanan yang konstan pada sebuah kondensor. Kebutuhan air pendingin untuk expanded
steam tersebut dapat dihitung dengan pendekatan hukum termodinamika dari suhu lingkungan dan
spesifik panasnya sebasar 4,2 kJ/kg.K.
2.2 Double Flash Steam
Dalam teknologi proses double flash steam ini dibutuhkan modifikasi dari single flash steam dengan
penambahan separator bertekanan rendah (flasher). Pada teknologi yang telah ada, brine mengalir dari
separator bertekanan tinggi ke flasher. Dalam designya, brine akan mengalir menuju flasher untuk
diekspansi kali keduanya. Steam akan menuju ke turbin bertekanan rendah dan steam keluarannya
menuju kondensor. Karena kondensor menerima steam lebih bayak, sehingga ukuran kondesor akan
menjadi pertimbangan dalam design teknologi ini.
Pilihan dua turbin tersedia untuk rancangan teknologi ini. Steam yang dihasilkan dari separator
bertekanan tinggi akan mengalir menuju turbin bertekanan tinggi, selanjutnya expanded steam tersebut
bersama steam dari flasher akan menuju turbin bertekanan rendah, yang nantinya akan menggerakkan
generator menghasilkan daya listrik. Sistem dua turbin tersebut lazim disebut bottoming turbine.
2.3 Analisa Eksergetik dan Efisiensi Termal
Analisa eksergi bisa diterapkan di banyak bidang, terkhusus pada industri yang bekerja dengan
pemanfatan energi termal. Analisis eksergi terbukti sangat bermanfaat dalam menilai kinerja suatu
sistem [6]. Bentuk eksergi yang digunakan yaitu eksergi fisik, juga dikenal sebagai thermomechanical
exergy adalah kerja yang diperolah dari kondisi awal (T,P) menuju kondisi lingkungan (T0,P0). Eksergi
fisik spesifik dapat ditulis sebagai berikut :
B. 2
Institut Teknologi Nasional Malang | SENIATI 2016
SEMINAR NASIONAL INOVASI DAN APLIKASI
TEKNOLOGI DI INDUSTRI (SENIATI) 2016
ISSN: 2058-4218
& t [(hi - h0 ) - T0 (si - s0 )]
(1)
E& t = m
& t adalah mass flow rate, h adalah entalpi, h0 adalah entalpi pada suhu dan
Dimana E& t adalah eksergi, m
tekanan ambient, t 0 adalah suhu ambien, s adalah entropi kondisi operasi dan s 0 adalah entropi pada
suhu dan tekanan ambien [7].
Efisiensi didefinisikan sebagai perbandingan antara eksergi masuk sebagai eksergi yang
digunakan dengan eksergi keluar sebagai eksergi yang termanfaatkan. Efisiensi eksergi dapat ditulis.
E&
h ex = &out
Ein
(2)
Dapat juga ditulis harga efisiensi eksergi sebagai efisiensi hukum kedua termodinamika sebagai
berikut
W&
h II = &net
Ein
(3)
Dimana h II adalah efisiensi eksergetik, W& net adalah daya listrik netto dan E& in adalah eksergi total yang
masuk ke plant.
3. Metodologi Penelitian
Penelitian ini telah melakukan pengumpulan data Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi di PT. Geo
Dipa Energi unit Dieng dari refrensi data jurnal. Dari tempat tersebut mengambil data kapasitas
reservoir geothermal, kondisi operasi dan hasil data produksi. Setalah pengumpulan data yang
dibutuhkan, telah melakukan pemodelan teknologi geotermal sistem flash steam dengan menggunakan
data-data refrensi di pembangkit listrik tersebut. Nantinya akan dilakukan simulasi melalui pendekatan
persamaan matematis dengan menggunakan software Engineering Equation Solver (EES).
Setelah dilakukan simulasi menggunakan software Engineering Equation Solver (EES), akan
dapat diketahui seberapa besar energi yang dibutuhkan dalam operasi dan efisiensi konversi yang telah
dilakukan. Optimasi telah dilakukan dengan dasar prinsip-prinsip termodinamika yang akan
memperhitungkan kondisi operasi dan spesifikasi alat yang telah digunakan. Dari sini, akan menjadi
dasar tahap selanjutnya yaitu modifikasi teknologi geotermal pada sistem flash steam. Dengan variabel
yang diberikan untuk sistem double flash steam adalah tekanan pada flasher yaitu 110, 120, 130, 140,
150, 160, 170, 180, 190 dan 200 kPa.
Gambar 2. Diagram Alir Proses Optimisasi Teknologi Double Flash Steam
SENIATI 2016| Institut Teknologi Nasional Malang
B. 3
SEMINAR NASIONAL INOVASI DAN APLIKASI
TEKNOLOGI DI INDUSTRI (SENIATI) 2016
ISSN: 2058-4218
4. Hasil dan Pembahasan
Pemodelan siklus kerja pembangkit listrik tenaga panas bumi teknologi flash steam dilakukan dengan
pendekatan matematis berdasarkan hukum termodinamika. Dalam hal ini perhitungan dilakukan
dengan menggunakan software Engineering Equation Solver (EES). Pemodelan pertama yaitu untuk
mendapatkan hasil kondisi operasi separator dengan menghasilkan daya listrik yang paling banyak.
Simulasi telah dilakukan pada teknologi single flash steam dengan kondisi operasi separator
yaitu tekanan operasi sebesar 1000 kPa dengan mendapatkan daya listrik terbesar yaitu sebesar
23.030,28 kWe dengan besarnya efisiensi hukum kedua termodinamika adalah 38,71 %. Hal tersebut
berbeda pada penelitian yang telah dilakukan dan didapatkan daya listrik sebesar 21.730 kWe dengan
harga efisiensi sebesar 36,48 %, karena terjadi perbedaan dalam pendekatan konfigurasi permodelan
dalam teknologi prosesnya. Dalam kondisi operasi separator tersebut fraksi uap yang dihasilkan
sebesar 0,3167 dari massa geofluida sebesar 138,9 kg/s (500.040 kg/jam) dengan massa uap yang
dihasilkan sebesar 44,2 kg/s (159.120 kg/jam) yang akan diekspansi dalam turbin dan massa air yang
akan diinjeksikan kembali ke dalam bumi sebesar 94,7 kg/s (340.920 kg/jam).
Tabel 1. Kondisi Operasi Sistem Single Flash pada PLTP di PT. Geo Dipa Energi unit Dieng
Entalpi
Entropy
Laju Massa
Exergy
State
P [kPa]
T [ͼC]
[kJ/kg]
[kJ/kg K]
[kg/s]
[kW]
0
75,6162
0,267819
0
18
78,063
0
1
1.379,7
3,311
138,9
306
9333
58.068,76
2
1.401
3,349
138,9
179,9
1.000
59.490,59
3
2.777
6,593
44,2
179,9
1.000
38.003,48
4
758,7
2,13
94,7
179,9
1.000
13.344,16
5
2.204
7,218
44,2
35,5
7
4.633,87
6
143,7
0,4954
2.986
33,6
5,413
5.445,25
7
143,7
0,4954
2.986
33,6
5,413
5.445,25
8
113,1
0,3949
2.942
22,04
3,567
1.424,42
Analisa eksergi telah dilakukan untuk menghitung laju eksergi dan eksergi yang hilang pada
sistem single flash steam tersebut. Tujuan dari analisa eksergi ini kita dapat melihat seberapa besar
energi yang dimanfaatkan dari geo fluida yang diubah dalam bentuk daya listrik. Didapatkan
kehilangan eksergi terbesar terjadi pada turbin yaitu sebesar 14.973,2 kW. Besarnya kehilangan
eksergi ini erat kaitannya dengan performa PLTP tersebut. Efisiensi hukum kedua termodinamika
dapat didefinisikan sebagai brute-force dengan pendekatan fungsi [8]. Pendekatan brute-force dihitung
dengan perbandingan antara penjumlahan eksergi output terhadapat eksergi yang dibutuhkan.
Gambar 3. Skema Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi dengan Teknologi Double Flash Steam
B. 4
Institut Teknologi Nasional Malang | SENIATI 2016
SEMINAR NASIONAL INOVASI DAN APLIKASI
TEKNOLOGI DI INDUSTRI (SENIATI) 2016
ISSN: 2058-4218
Penelitian selanjutnya yaitu menerapkan modifikasi teknologi berupa double flash steam dengan
data lapangan yang sama di PT Geo Dipa Energi unit Dieng, Jawa Tengah. Proses ekspansi pada
turbin diasumsikan dalam keadaan actual dan proses flash diasumsikan dalam kondisi isenthalpi.
Kondisi operasi separator bertekanan tinggi yaitu 179,9 ͼC dan tekanan 1000 kPa, lalu untuk kondisi
operasi flasher berikutnya akan dilakukan sebuah pemodelan untuk mendapatkan kondisi operasi
flasher yang paling optimum sehingga didapatkan daya listrik yang paling maksimum. Dalam hal ini
perhitungan dilakukan dengan menggunakan software Engineering Equation Solver (EES).
Gambar 4. Kurva Daya Listrik sebagai Fungsi Tekanan Flasher pada Double Flash Steam
Optimisasi dilakukan pada kondisi operasi flasher yaitu tekanan operasi (kPa) untuk
mendapatkan daya listrik yang paling maksimum dengan menetapkan kondisi operasi separator
bertekanan tinggi dengan suhu 179,9ͼC dan tekanan 1000 kPa. Sesuai dengan gambar 4 diatas
menunjukkan bahwa pada tekanan 140 kPa dengan suhu 109,3 ͼC mendapatkan daya listrik terbesar
yaitu sebesar 27.396,39 kWe dengan besarnya efisiensi 46,05 %. Hal tersebut dilakukan dengan
asumsi efisiensi generator yang digunakan sebesar yaitu 91 %.
Tabel 2. Kondisi Operasi Sistem Double Flash Steam pada PLTP di PT. Geo Dipa Energi Unit Dieng
State
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Entalpi
(kJ/kg)
75,62
1379,7
1401
2777
758,7
758,7
2690
458,4
2503
2690
2187
94,15
140,782
Entropy
(kJ/kg K)
0,267819
3,311
3,349
6,593
2,13
2,13
7,247
1,411
6,756
7,247
7,039
0,331
0,486
Laju Massa
(kg/s)
0
138,9
138,9
44,2
94,7
94,7
12,74
81,96
44,2
56,94
56,94
2373
2373
T (ͼC)
P (kPa)
291,15
306
179,9
179,9
179,9
109,3
109,3
109,3
109,3
109,3
39,01
22,04
33,6
78,063
9333
1000
1000
1000
140
140
140
140
140
7
2,7
5,2
Exergy
(kW)
0
58068,76
59490,59
38003,48
13344,16
13344,16
7419,72
4093,63
23795,07
33161,59
7969,01
329,02
3897,42
SENIATI 2016| Institut Teknologi Nasional Malang
B. 5
SEMINAR NASIONAL INOVASI DAN APLIKASI
TEKNOLOGI DI INDUSTRI (SENIATI) 2016
ISSN: 2058-4218
Kondisi operasi pada flasher pada tekanan 140 kPa memberikan efek pada fraksi uap yang
dihasilkan sebesar 0,1346. Dihitung pula kebutuhan air pendingin untuk mendinginkan expended
steam bersuhu 39,01 ͼC yaitu sebesar 2.373 kg/s air pendingin. Suhu air pendingin dari cooling tower
bersuhu 22,04 ͼC dan kembali ke cooling tower sebesar 33,6 ͼC. Geofluid berupa steam yang telah
didinginkan di kondensor akan dilanjutkan ke penginjeksian ke dalam sumur geothermal.
Setelah mendapatkan kondisi operasi flasher yaitu suhu 109,3 ͼC dan tekanan 140 kPa, akan
dilakukan analisa eksergi untuk menghitung laju eksergi dan eksergi yang hilang pada sistem double
flash steam tersebut. Didapatkan kehilangan eksergi terbesar terjadi pada turbin bertekanan tinggi
yaitu sebesar 25.892,685 kW. Perhitungan eksergi menggunakan data suhu dan tekanan ambien
sebesar 18⁰C dan 78,063 kPa [9]. Seperti yang telah diketahui pada turbin terjadi kehilangan eksergi
karena ketika steam yang masuk ke dalam turbin akan mengalami degradasi termodinamika. Ini
karena suhu ketika turbin masuk akan jauh berbeda dengan suhu ketika suhu keluar dari turbin, karena
perubahan nilai suhu pada turbin yang keluar tersebut akan mempengaruhi nilai entropinya.
5. Kesimpulan
Penelitian ini telah menginvestigasi peningkatan efisiensi untuk teknologi pembangkit listrik tenaga
panas bumi dengan proses single flash steam di Dieng dengan memodifikasi sistem double flash steam
berdasarkan pengembangan model matematis berprinsip hukum termodinamika. Perhitungan
dilakukan dengan menggunakan software Engineering Equation Solver (EES).
Daya listrik yang dihasilkan dengan teknologi double flash steam sebesar 27.396,39 kWe,
sedangkan pada kondisi yang sama pada teknologi single flash steam yaitu sebesar 23.030,28 kWe.
Hal tersebut menunjukkan terjadi peningkatan daya sebesar 18,96 % dari teknologi single flash steam,
dimana sesuai dengan teknologi double flash steam dapat memproduksi 15-25% lebih daya listrik
daripada teknologi single flash pada kondisi yang sama [10].
Modifikasi teknologi proses dengan double flash steam terus diupayakan. Kendala yang terjadi
pada lapangan yaitu pada sistem pengendapan impuritis untuk mencegah pembentukan silika pada
tiap-tiap komponen menjadi masalah besar. Selain itu, brine keluaran dari separator bertekanan tinggi
memiliki karakteristik mudah menjadi kondensat. Sehingga dengan demikian, biaya produksi yang
dikeluarkanpun juga semakin besar.
6. Daftar Referensi
[1] Aneke M, Agnew b, Underwood C. Performance analysis of the Chena binary geothermal power
plan. Appl Therm Eng, 2011, 31 : 1825-32.
[2] Armannsson H, Fridriksson T, Kristjansson BR. CO2 emissions from geothermal power plants
and natural geothermal activity in Iceland. Geothermics, 2005;34:286-96.
[3] Pambudi NA, Itoi R, Jalilinasrabady S, Khasani J. Performance improvement of a single-flash
geothermal power plant in Dieng, Indonesia, upon conversion to a double-flash system using
thermodynamic analysis. Renewable Energy 80 2015; 424-231.
[4] Zarrouk, S.J.; Geothermal Energy Technology. In: Lecture. University of Auckland, 2011.
[5] Dickson, M.H., Fanelli, M., “Geothermal Energy: Utilization and Technology” Routledge, ISBN10:1844071847, IBN-13: 978-1844071845. 2003.
[6] Jorgensen SE, Mejer H. “Ecological buffer capacity. Ecol Model”,3:39-45.47,49,51,53-61, 1977.
[7] Sugiyono, Agus,”Studi Pendahuluan untuk Analisis Energi-Eksergi Kota Jakarta”, Direktorat
Teknologi Konversi dan Konversi Energi, BPPT, Jakarta, 2000.
[8] DiPippo R. “Geothermal Power Plants : principles, applications, case studies and enviromental
impact”. 2nd ed.Walthan, MA, USA: Elsevier, Ltd; 2008.
[9] Junaldi K Indriawati; “Geothermal power plant electricity prediction based on weighted moving
average methos in PT. Gep Dipa Energy, Dieng unit”. JurusanTeknik Fisika POMITS, 2012.
[10] DiPippo, R. “Geothermal double-flash plant with interstate reheating: An updated and expanded
thermal and exergetic analysis and optimization”: Journal of Geothermic 48,121-131, 2013.
B. 6
Institut Teknologi Nasional Malang | SENIATI 2016