Jurnal Sarjana Universitas Pendidikan Indonesia Bidang Fisika 03 Januari 2012
STUDI KONVERSI ENERGI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA PANAS BUMI (PLTP) Suhendar Aryadi Jurusan Pendidikan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Dan Kejuruan Universitas Pendidikan Indonesia Jalan Dr. Setiabudi No. 229 Bandung 40154, Indonesia Indonesia
[email protected] Abstrak
– Energi alternatif selain energi fosil
dari waktu kewaktu akan sangat di butuhkan, mengingat energi fosil ini telah di paparkan oleh ilmu pengetahuan bahwa cadangan ketersediaannya terbatas. Dengan begitu, di perlukan energi alternatif yang cocok di negeri kita, salah satunya energi panas bumi. Hal ini mengingat panas bumi di Indonesia potensinya sangat banyak, dikarenakan banyak pegunungan yang aktif di negeri Bumi Pertiwi ini. Dengan demikian kita sebagai pemuda yang semangat dengan nafas kemajuan untuk kesejahteraan masyarakat, mari belajar dan bekerja keras untuk memanfaatkan potensi energi panas bumi. Kita tidak menginginkan energi yang kita miliki harus di kuasai lagi oleh negara lain seperti banyak di beberapa sektor. Tekad yang kuat dan niat yang lurus kami mengajak untuk berjuang dalam pemanfaatan energi panas bumi yang sangat berpotensi di negeri kita. Kata kunci: PLTP, Panas Bumi, Pembangkit listrik Tenaga Panas Bumi, kamojang panas bumi, pembangkit listrik, listrik, konversi energy.
I. Pendahuluan Energi panas bumi (geothermal energy) dapat ditemui dibanyak tempat dimuka bumi ini. Namun daerah panas bumi yang memiliki temperatur tinggi sehingga dapat dimanfaatkan untuk pembangkit listrik tidak tersedia dibanyak tempat. Untuk mengetahui lebih jauh tentang daerah-daerah panas bumi yang memiliki temperatur tinggi, kita akan mengacu pada teori Jurnal Fisika
tektonik lempeng. Teori ini ini menjelaskan tentang pergerakan lempeng bumi (crust) yang sudah dipercaya kebenarannya oleh para ilmuwan kebumian. Kondisi geologi sumber-sumber energi panas bumi yang telah ditemukan didunia saat ini amat beragam. Namun menurut Marini (2001), secara garis besar bisa dikelompokan kedalam dua model geologi daerah panasbumi, yaitu:
• sistem magmatik volkanik aktif • sistem selain magmatik volkani kaktif Daerah panah bumi bertemperatur tinggi (lebih dari 180o C) yang bisa dimanfaatkan untuk pembangkit listrik, sebagian besar terdapat pada sistem magmatik volkanik aktif. Sementara, pemanfaatan energi panas bumi untuk pemanfaatan-langsung pemanfaatan-langsung (directuse) bisa diperoleh dari kedua sistem tersebut. Kekayaan alam Indonesia memang melimpah ruah, dari mulai sumber daya alam sampai sumber daya mineral semua tersedia. Sumber daya mineral yang melimpah di negara tercinta ini antara lain emas, tembaga, platina, nikel, timah, batu bara, migas, dan panas bumi. Untuk mengelola panas bumi (geothermal). Geothermal adalah salah satu kekayaan sumber daya mineral yang belum banyak dimanfaatkan. Salah satu sumber geothermal kita yang berpotensi besar tetapi belum dieksploitasi adalah yang ada di Sarulla, dekat Tarutung, Sumut. Sumber panas bumi Sarulla bahkan dikabarkan memiliki cadangan terbesar di dunia. Saat ini panas bumi 01
(geothermal) mulai menjadi perhatian dunia karena energi yang dihasilkan dapat dikonversi menjadi energi listrik, selain bebas polusi. Beberapa pembangkit listrik bertenaga panas bumi telah terpasang di manca negara seperti di Amerika Serikat, Inggris, Perancis, Italia, Swedia, Swiss, Jerman, Selandia Baru, Australia, dan Jepang. II. Analisis
1. Siklus Uap Kering (Direct Dry Steam Cycle) Fluida panas bumi dapat berupa fasa cair, fasa uap atau campuran dari keduanya, tergantung dari tekanan dan temperaturnya. Apabila fluida di kepala sumur berupa fasa uap, maka uap tersebut dapat dialirkan langsung ke turbin (Gambar 4.1). Turbin akan mengubah energi panas bumi menjadi energi gerak yang akan memutar generator sehingga dihasilkan energi listrik.
A. Jenis-jenis system Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi Fluida panas bumi yang telah dikeluarkan ke permukaan bumi mengandung energi panas yang akan dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik. Hal ini dimungkinkan oleh suatu sistem konversi energi fluida panas bumi (geothermal power cycle) yang mengubah energi panas dari fluida menjadi energi listrik. Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP) pada prinsipnya sama seperti Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU), hanya pada PLTU uap dibuat di permukaan menggunakan boiler, sedangkan pada PLTP uap berasal dari reservoir panas bumi. Apbila fluida di kepala sumur berupa fasa uap, maka uap tersebut dapat dialirkan langsung ke turbin, dan kemudian turbin akan mengubah energi panas bumi menjadi energi gerak yang akan memutar generator sehingga dihasilkan energi listrik. Apabila fluida panas bumi keluar dari kepala sumur sebagai campuran fluida dua fasa (fasa uap dan fasa cair) maka terlebih dahulu dilakukan proses pemisahan pada fluida. Hal ini dimungkinkan dengan melewatkan fluida ke dalam separator, sehingga fasa uap akan terpisahkan dari fasa cairnya. Fraksi uap yang dihasilkan dari separator inilah yang kemudian dialirkan ke turbin. Banyak sistem pembangkitan listrik dari fluida panas bumi yang telah diterapkan di lapangan, diantaranya: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Direct Dry Steam Separated Steam Single Flash Steam Double Flash Steam Multi Flash Steam Brine/Freon Binary Cycle Combined Cycle Well Head Generating Unit
Jurnal Fisika
Gambar 1. Skema Instalasi Pembangkit Listrik Uap Kering. Sistem konversi untuk fluida uap kering merupakan sistem konversi yang paling sederhana dan paling murah. Uap dari turbin dapat dibuang ke atmosfir (atmospheric exhaust turbine) atau di alirkan ke kondensor untuk dikondensasikan (condensing turbine). Dari kondensor, kondensat kemudian dialirkan ke menara pendingin atau cooling tower dan selanjutnya diinjeksikan kembali ke bawah permukaan. Sebagian dari air kondensat ini dialirkan ke kondensor. Pembangkit listrik yang menggunakan atmospheric exhaust turbine mengkonsumsi sekitar dua kali (dalam tekanan inlet yang sama) lebih banyak untuk setiap kilowatt keluaran sehingga banyak energi dan biaya yang terbuang. Pembangkitan listrik di PLTP Kamojang pada prinsipnya sama seperti pada Gambar 1, karena sumur-sumur di lapangan Kamojang menghasilkan uap kering (temperatur di dalam reservoir 240 0C). Unit I dengan kapasitas 30 MW beroperasi pada tanggal 02
7 Februari 1983. Unit II dan III masing-masing sebesar 55 MW dioperasikan berturut-turut pada tanggal 29 Juli 1987 dan 13 September 1987, sehingga jumlah daya terpasang PLTP Kamojang seluruhnya menjadi 140 MW. Lapangan Kamojang terus dikembangkan. Untuk memenuhi kebutuhan uap PLTP Kamojang telah dimanfaatkan produksi uap dari 26 sumur. Pola pengusahaan panasbumi Kamojang unit 1 s.d unit 3, adalah sebagai berikut:
Gambar 3. Skema Diagram Pembangkit Listrik Untuk Fluida Dominasi Air Gambar 2. Pola pengusahaan panasbumi Kamojang unit 1 s.d unit 3 2. Siklus Uap Hasil Pemisahan (Separated Steam Cycle) Apabila fluida panas bumi keluar dari kepala sumur sebagai campuran fluida dua fasa (fasa uap dan fasa cair) maka terlebih dahulu dilakukan proses pemisahan pada fluida. Hal ini dimungkinkan dengan melewatkan fluida ke dalam separator, sehingga fasa uap akan terpisahkan dari fasa cairnya. Fraksi uap yang dihasilkan dari separator inilah yang kemudian dialirkan ke turbin. Oleh karena uap yang digunakan adalah hasil pemisahan maka, sistem konversi energi ini dinamakan Siklus uap hasil pemisahan. Gambar 4.2 memperlihatkan proses pembangkitan listrik dari lapangan panas bumi yang menghasilkan fluida dua fasa, yaitu campuran uap dan air. Fluida dari sumur dipisahkan menjadi fasa uap dan air di dalam separator dimana uapnya kemudian dialirkan ke turbin dan airya diinjeksikan kembali kebawah permukaan.
3. Siklus Uap Hasil Penguapan (Single Flash Steam) Sistem ini digunakan bilamana fluida dikepala sumur dalam kondisi air jenuh (saturated liquid). Fluida dialirkan ke sebuah flasher agar menguap. Banyaknya uap yang dihasilkan tergantung dari tekanan flasher. Fraksi uap yang dihasilkan kemudian dialirkan ke turbin.
Gambar 4. Skema Diagram Pembangkit Listrik dengan Siklus “Single Flash Steam” 4. Siklus Uap Hasil Pemisahan dan Penguapan (Double Flash Steam)
Jurnal Fisika
03
diperoleh uap kering yang digunakan untuk menggerakkan high pressure turbin. Turbin akan mengubah energi panas bumi menjadi energi gerak yang akan memutar generator sehingga dihasilkan energi listrik. Air hasil pemisahan dari separator temperatur dan tekanannya akan lebih rendah dari kondisi fluida di kepala sumur. Air ini dialirkan ke flasher agar menghasilkan uap. Uap yang dihasilkan dialirkan ke low pressure turbin sementara air sisanya dibawa ke condensor. 6. Binary Cycle Gambar 5. Skema Diagram Pembangkit Listrik dengan Siklus Double Flash Steam Pada sistem ini digunakan dua pemisahan fluida yaitu separator dan flasher dan digunakan komposisi 2 turbin, yaitu HP-turbine dan LPturbine yang disusun tandem (ganda), seperti diperlihatkan pada Gambar 4.4. Contoh lapangan yang menggunakan sistem konversi seperti ini adalah Hatchobaru (Jepang), dan Krafla (Iceland).
Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C, tetapi secara tidak langsung fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida organik yang mempunyai titik didih rendah (Gambar 4.6), uap dari fluida organik ini kemudian digunakan untuk menggerakan sudusudu turbin sehingga menghasilkan listrik.
5. Siklus Uap Hasil Pemisahan dan Penguapan dengan Dua Turbin Terpisah (Flashing Multi Flash Steam)
Gambar 7. Diagram Skema Binary Cycle
Gambar 6. Skema Diagram Pembangkit Listrik Untuk Sistem Multi Flash Steam Sistem siklus konversi energi ini mirip dengan sistem double flash, bedanya adalah kedua turbin yang berbeda tekanan disusun secara terpisah (Gambar 4.5), Uap dengan tekanan dan temperatur tinggi yang mengandung air dipisahkan di separator agar Jurnal Fisika
Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar kalor atau heat exchanger. Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi, sementara fluidanya sendiri diinjeksikan kembali kedalam reservoir. Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi energi seperti ini adalah Parantuka, Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake (Jepang). Di lapangan Lahendong juga 04
terdapat sebuah pembangkit listrik panasbumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 2,5 MW.
Gambar 8. Skema Diagram Pembangkit Listrik Untuk Sistem Binary Cycle 7. Combined Cycle Untuk meningkatkan efisiensi pemanfaatan energi panas bumi di beberapa industri mulai digunakan sistim pembangkit listrik dengan siklus kombinasi (combined cycle), seperti diperlihatkan pada Gambar 4.7. Fluida panas bumi dari sumur dipisahkan fasafasanya dalam separator. Uap dari separator dialirkan ke PLTP (Turbin ke I), dan setelah itu sebelum fluida diinjeksikan kembali ke dalam reservoir, fluida digunakan untuk memanaskan fluida organik yang mempunyai titik didih rendah. Uap dari fluida organik tersebut kemudian digunakan untuk menggerakan turbin (Turbin ke II).
Gambar 8. Skema Diagram Pembangkit Listrik Untuk Sistim Siklus Kombinasi 8. Well Head Generating Unit Beberapa tahun terakhir ini unit pembangkit kepala sumur yang dikenal dengan nama "Well Head Generating Units" mulai banyak digunakan di lapangan. Sesuai dengan namanya unit ini ditempatkan di dekat kepala sumur (well head). Ada dua jenis "Well Head Generating Units" yaitu: 1. Back pressure turbine atau turbin tanpa kondensor (atmospheric exhaust). Turbin ini tidak dilengkapi dengan kondensor. Uap dari sumur atau uap dari separator dialirkan langsung ke turbin dan setelah digunakan untuk membangkitkan listrik langsung dilepas ke atmosfir. Unit pembangkit jenis ini sering disebur "monoblock". 2. Turbin yang dilengkapi dengan kondensor (condensing unit). Turbin ini dilengkapi dengan kondensor. Uap keluaran dari turbin diubah menjadi kondensat di dalam kondensor. Well Head Generating Units atau unit pembangkit kepala sumur banyak digunakan karena alasanalasan berikut: 1. Unit pembangkit kepala sumur dapat lebih cepat dioperasikan, yaitu dalam waktu kurang dari 1-2 bulan. Sedangkan "central plant” biasanya baru bisa dioperasikan 6-7 tahun setelah pemboran sumur pertama. 2. Dengan digunakannya unit-unit pembangkit kepala sumur berkapasitas kecil maka perusahaan swasta nasional dapat dilibatkan dalam perusahaan panas bumi. 3. Penggunaan unit-unit pembangkit listrik berkapasitas kecil memungkinkan para penanam modal untuk memperoleh kembali modalnya dalam waktu yang lebih cepat. Hal ini karena alasan pertama di atas, yaitu waktu yang dibutuhkan untuk pemasangan unit pembangkit berkapasitas kecil lebih singkat daripada
Jurnal Fisika
05
untuk berkapasitas besar, sehingga dapat lebih cepat dioperasikan.
Dipergunakan untuk membuang uap yang tidak diperlukan.
4. Well head generating units dapat digunakan di daerah-daerah dimana topografi cukup rumit, karena dengan digunakannya unit tersebut maka pipa alir uap jauh lebih pendek bila dibandingkan dengan pipa alir di central power plant. 5. Apabila tekanan reservoir turun lebih cepat dari yang diharapkan, maka turbin masih dapat di operasikan pada tekanan yang lebih rendah dan memproduksikan listrik dalam jumlah yang sama meskipun efisiensinya lebih rendah. 6. Unit pembangkit kepala sumur (Well head generating units) dapat dipindahkan ke lokasi sumur lain hanya dalam waktu 1 - 2 bulan. B. Peralatan pada Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi Suatu PLTP memiliki peralatan-peralatan yang tidak banyak berbeda dengan suatu PLTU bahkan lebih sederhana karena tidak ada bagian pembangkitan uap. Peralatan suatu PLTP pada dasarnya dapat dibagi menjadi 2 bagian yang besar yaitu : 1. Bagian Produksi uap dalam Disini untuk peralatan dibagian produksi uap alam terletak dilapangan panas bumi itu sendiri. Adapun peralatan pada bagian produksi uap alam adalah: a. Peralatan lubang produksi (well head equpment) Adalah peralatan yang terdapat tepat diatas lubang produksi. 1. Service Valve Digunakan untuk pengaturan aliran serta tekanan fluida yang keluar selama pengujian. 2. Shunt off valve Dipergunakan untuk menutup lubang sumur, apabila diadakan perbaikan atau pemeliharaan. 3. Bleed Valve Dipergunakan untuk mengeluarkan gas yang tidak dapat terkondensasi. 4. Bypass Valve
Jurnal Fisika
Gambar 9. Peralatan Lubang Produksi S.L. Uppal, Electrical Power, Khanna Publisher, 1976. New Delhi. b. Peralatan transmisi cairan ( Uap dan air panas ) 1. Pipa – pipa transmisi Yaitu peralatan yang digunakan untuk mentransmisikan cairan ( uap dan air panas ) dari lubang produksi ke PLTP. 2. Drum ( Steam Receives ) Tempat yang digunakan untuk mengumpulkan uap alam dari lubang – lubang produksi sebelum uap dialirkan ke turbin PLTP ( uap dari sumur produksi dikumpulkan menjadi satu ) 3. Pemisah Uap ( Steam Sparators ) Alat ini berfungsi sebagai pemisah antara kotoran dan air yang terkandung dalam uap sebelum uap tersebut digunakan untuk menggerakkan turbin. 4. Silensers Alat ini difungsikan untuk menahan kebisingan akibat pengaliran sat – sat dengan kecepatan yang tinggi ( uap, gas dan sebagainya ) 2. Bagian perubahan tenaga uap alam menjadi tenaga listrik a. Turbin Uap Turbin adalah suatu mesin penggerak dimana energi fluida kerja, dalam hal ini adalah uap, dipergunakan langsung untuk memutar roda turbin. Bagian turbin yang berputar dinamakan roda turbin. Roda turbin ini terletak didalam rumah turbin. Roda turbin memutar poros yang menggerakan atau memutar bebannya, yang 06
dalam hal ini adalah generator listrik. Peralatan ini juga yang berfungsi untuk merubah tenaga uap menjadi tenaga mekanis. Ditinjau dari sistem kerjanya turbin uap dibagi menjadi dua bagian yaitu ; 1. Condensing Turbin, turbin yang menggunakan condensor. 2. Non Condensing Turbin, Turbin yang tidak menggunakan kondensor b. Generator Dalam hal ini generator berfungsi untuk merubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik, seperti generator pada pembangkit listrik pada umumnya. c. Condensor Merubah uap menjadi air kembali ( kondensasi ) dan juga untuk menyingkirkan gas yang tidak terkondensasi seperti Baromatric jet condenser. Dalam studi kelayakan, telah dipertimbangkan dua jenis condenser yang dapat dipakai pada PLTP yaitu ; 1. Barometric Condenser Condenser jenis ini umumnya terletak di luar power house dan pada elevasi yang lebih tinggi dari pada turbin. 2. Low Level Condenser Condenser terletak langsung dibawah turbin sehingga hambatan aliran praktis kecil sekali. Dalam hal ini perlu dipasang fleksibel guna meredam getaran yang terjadi. a. Perlengkapan Condenser Yang dimaksud perlengkapan condenser disini adalah fasilitas pembantu pada condenser, agar supaya condenser tersebut berfungsi sebagai mana mestinya. Perlengkapan condenser ini terdiri dari ; 1. Gas Extractor Di dalam gas extractor ini udara dan non condensable gasses dikeluarkan dengan jalan tarikan uap tekanan tinggi pada enjectornya. Campuran gas yang harus dikeluarkan terdiri dari CO2 kebanyakan dan sebagian kecil gas seperti H2S, CH4, H2, O2, N2, Ag, NH3 dan H2O. Adanya H2S, NH3, Sulfate dan Chlorida menyebabkan adanya larutan korosi. Pemilihan gas extractor untuk non condensable gesses tersebut tergantung dari : - Mass Low - Kevakuman condenser - Cooling water Low - Temperatur Jurnal Fisika
2. Hot Well Pump atau Condensate Pump. Hot pump ini berfungsi memindahkan secara kontinyu dan cepat air, yang jatuh pada hot well. Condensate tersebut dipompa ke dalam storage tank untuk selanjutnya dipompa ke cooling tower, biasanya condensate pump ini memakai pompa jenis contrifugal. 3. Circulation Water Pump Circulating water pump ini dipakai untuk mensirkulasi air pendingin dengan jumlah yang besar. Pada PLTP pompa ini dipakai untuk menaikkan condensate ke cooling tower dan untuk mensirkulasikan air pendingin kebagian – bagian yang memerlukan pendingin. d. Pompa Vakum (Vacuum pumps) Pompa vakum berfungsi untuk memperbaiki derajat kevakuman e. Menara Pendingin (Cooling Tower) Pada PLTP, sistem pendinginannya memenfaatkan udara pegunungan yang dingin dan bersih. Akan tetapi, karena udara bersifat sebagai gas, maka dibutuhkan volume yang besar, dan permukaan pertukaran panas yang luas, agar pendinginannya sempurna. Untuk itu dibutuhkan suatu menara yang tinggi. Pada menara pendingin ini, udara dihisap kedalam dan setelah mendinginkan kondensator, udara yang telah menjadi panas ini, dihembuskan keluar melalui cerobong menara disebelah atas. III. Kesimpulan Perubahan energy dalam proses Pembangkit listrik tenaga panas bumi dapat di analisis beberapa hal diantaranya dari jenis Jenis-jenis system Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi. Adapun jenis-jenisnya adalah sebagai berikut: 1. Siklus Uap Kering (Direct Dry Steam Cycle) 2. Siklus Uap Hasil Pemisahan (Separated Steam Cycle 3. Siklus Uap Hasil Penguapan (Single Flash Steam) 4. Siklus Uap Hasil Pemisahan dan Penguapan (Double Flash Steam) 5. dan Penguapan dengan Dua Turbin Terpisah (Flashing Multi Flash Steam) 6. Binary Cycle 7. Combined Cycle 8. Well Head Generating Unit
07
Adapun komponen-komponen pada Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi adalah sebagai berikut: 1) Bagian Produksi uap dalam A. Peralatan lubang produksi (well head equpment) B. Peralatan transmisi cairan ( Uap dan air panas ) 2) Bagian perubahan tenaga uap alam menjadi tenaga listrik A. Turbin Uap B. Generator C. Condensor D. Pompa Vakum (Vacuum pumps) E. Menara Pendingin (Cooling Tower)
Jurnal Fisika
Daftar Pustaka -
I G. B. Wijaya Kusuma . Program Studi
Teknik Mesin, Fakutas Teknik. Universitas Udayana. -
Suparno Supriyanto. Energi panas Bumi,
Univeristas Indonesia 2009. -
Saptadji Miryani Nenny. Teknik Panas
Bumi ITB. -
http://www.elektroindonesia.com/elektro /ener15.html, 09/12/2012.
-
http://www.scribd.com/ , 07/12/2012.
08
