BAB I PENDAHULUAN
Magn Magnet etoo-h hidro idro-d -dyn ynam amic ic
(MHD) MHD)
gen generat erator or
meru merup pakan akan
sist sistem em
pemba pembangk ngkitan itan kelist kelistrik rikan an baru baru yang yang dikatak dikatakan an memili memiliki ki efisien efisiensi si tinggi tinggi dan rendah polusi. Berdasarkan namanya MHD generator berhubungan dengan aliran zat cair yang bersifat konduksi dalam medan magnet dan listrik. Zat cair ini dapat berupa berupa gas dengan temperatur temperatur yang tinggi tinggi atau logam cair seperti seperti sodium atau potassium. Pada awalnya penemuan fenomena tersebut diketahui dari percobaan yang dilaku dilakukan kan Farada Faraday y tahun tahun 1831. 1831. Farada Faraday y membuk membuktik tikan an bahwa bahwa zat cair cair bersif bersifat at konduktor dapat menjadi bagian dari pembangkitan listrik dengan membenamkan elektroda ke dalam sungai Thames dari ujung jembatan Waterloo ke ujung lainnya sedangkan ditengahnya dipasang sebuah galvanometer. Faraday beralasan listrik yang ang mele melewa wati ti air air sunga ungaii yan yang memot emoto ong medan edan magn agnet bumi umi akan akan meng mengha hasi silk lkan an emf emf , hal hal ini ini dibu dibukt ktik ikan an deng dengan an sedi sediki kitt meny menyim impa pang ngny nyaa galvanometer. Produksi listrik melalui konduktor zat cair yang memotong medan magnet dikenal sebagai magnetohydrodinamic (MHD) generator. Generator MHD eksperimen pertama dibuat di labor Westinghouse pada tahun 1938-1944 dengan menggunakan hasil pembakaran gas alam sebagai gas kerja dan ionisasi tembakan elektron. Kemudian 1961 zat cair diganti dengan cairan minyak bumi yang dicampur dengan potassium, yang menghasilkan listrik sebesar 10 kW. Pada tahun yang sama listrik dengan besar yang sama didapatkan pada laboratorium Avco Everett oleh Rosa dengan menggunakan Argon pada 3000 oK sebagai gas kerja dengan sedikit potassium sebagai penyedia elektron bebas sebagai penyedia konduktivitas. Tahun 1965 Amerika Serikat berhasil mengoperasikan generator berbahan bakar alkohol yang berjalan selama tiga menit. Uni Soviet pada 1971 menguji pembangkit 75 MW ( 25 MW dari MHD dan 50 MW dari uap). Pengembangan MHD generator ini terus dilanjutkan sehingga pada 2004 Amerika Serikat berhasil membangun pembangkit listrik 300 MW yang digerakkan oleh MHD dan uap.
BAB II PEMBAHASAN 2.1 Prinsip Kerja
Prinsip generator MHD sederhana, ditemukan oleh Faraday ketika konduktor bergerak memotong medan magnet akan menginduksikan arus listrik. Prinsip generator konvesional ini juga menjadi prinsip MHD generator namun konduktor padat diganti dengan konduktor berwujud gas atau gas terionisasi. Jika gas pada kecepatan tinggi melewati medan magnet yang kuat, misalkan kita memberikan muatan partikel sebesar q yang bergerak dengan kecepatan v menuju kekanan dan medan magnet tegak lurus sudah ada sebelumnya. Gaya magnet F akan menggerakkan muatan partikel. Pada gambar 1 muatan positif menuju keatas dan muatan negatif menuju ke bawah. Ion positif akan berakselerasi menuju pelat atas P1 , dan P2 akan berkumpul ion negatif. Jika P1 dan P2 terhubung dengan tahanan, arus akan mengalir melalui resistansi tersebut. Konversi MHD dikenal sebagai konversi energi langsung dikarenakan menghasilkan listrik langsung dari sumber panas tanpa adanya tahap tambahan pembuatan uap seperti pembangkit listrik tenaga uap konvesional.
Gambar 1 proses MHD generator sederhana Perumusan proses pembangkitan listrik oleh generator MHD dapat dicari sebagai berikut ; Medan magnet induksi B berpotongan dengan gerakan konduktor gas yang mengalir dalam pipa saluran insulasi dengan kecepatan u, muatan yang bergerak dalam gas akan terpengaruh medan listrik u x B yang akan menghasilkan arus listrik yang tegak lurus terhadap u dan B (gambar 2). Arus ini dikumpul oleh sepasang elektroda pada sisi yang saling berlawanan pada pipa
saluran dan terhubung dengan beban . Dengan mengabaikan efek Hall besar kerapatan arus yang dirumuskan dengan hukum Ohm seperti berikut ; J=σ ( E +u x B )
(1)
Gambar 2. model sederhana dalam perumusan matematis MHD generator Medan listrik E yang ditambahkan untuk menginduksi medan berasal dari perbedaan potensial antara elektroda. Dengan mengasumsikan u dan σ seragam. Dalam sistem koordinat yang ditunjukkan pada gambar 2, maka kita dapatkan ; J y
(E y
= σ
uB)
(2)
−
Untuk kondisi pembebanan secara umum, dikenalkan parameter beban K
Ey
=
uB
(3)
,
Dimana 0 ≤ K ≤ 1, dan kita tulis kembali J y
uB(1 −K ) .
=− σ
Tanda negatif
menandakan arus listrik konvesional bergerak dalam arah y negatif. Berdasarkan persamaan daya yang dihasilkan berdasarkan beban per unit volume gas MHD generator yakni ; P
J
E
=− ⋅
.
(4) Untuk generator yang ditunjukkan pada gambar 2, maka persamaan dayanya, P
σ u
=
2
B
2
K (1
(5) Maksimum daya yang dihasilkan dirumuskan
K )
−
P max
=
2
u B
σ
2
4
(6) Untuk K = ½. Berdasarkan energi yang didapatkan dari gas oleh medan magnet per unit volume yakni
( J ×B ) . Kita akan mendapatkan efisiensi elektrik dari MHD
−u ⋅
generator ; η e =
J ⋅E
u ⋅( J ×B )
(7) Untuk mendapatkan MHD generator yang berukuran cukup, setidaktidaknya generator harus mampu menghasilkan 10 MW per kubik meter gas. Dengan menggunakan nilai karakteristik untuk u dan B , persyaratan ini maka σ harus bernilai ; σ ≥
4 P max 2
u B
2
~ 10 mhos m
−1
(8)
Gambar 3. nilai yang mewakili konduktivitas listrik plasma MHD generator pada 1 atm(- produk dari pembakaran C 2 H 5OH + 3O2 dengan 0,5 fraksi masa N 2 /O2 , dicampur dengan 0,01 fraksi masa K) Peningkatan koduktivitas dapat dilakukan dengan dengan meningkatkan ionisasi gas bertekanan rendah dan meningkatkan temperatur plasma hingga mencapai nilai 10 mhos/m (gambar 3). Temperatur ini bisa didapatkan dari pembakaran bahan bakar fosil yang banyak dipakai sekarang. 2.2 Efek Hall
Efek Hall meskipun di abaikan pada pembangkitan energi listrik dengan konduktor padat dan cair, tapi perlu diperhitungkan ketika arus mengalir .elektron yang bergerak dengan kecepatan tetap u masuk ke medan magnet yang uniform pada ruang hampa dalam arah normal terhadap medan magnet maka lintasannya akan berbentuk lingkaran seperti gambar 4, selama tidak ada medan listrik. Jika komponen kecepatan paralel dengan medan magnet, maka lintasannya akan berbentuk helix dengan radius : r =
m u
dimana : m = e
(9)
e B
=
m/e=
9.1 x 10 -31 kg 1.6 x 10-19 C 5,65 x 10-12
Gambar 4. Lintasan elektron yang bergerak dengan kecepatan konstan dalam medan magnet seragam dalam arah menjauh Meskipun ketika elektron bergerak dalam konduktor dengan medium seperti metal atau plasma, elektron akan bertabrakan dengan ion positif karena
gaya coulomb antara kedua muatan tersebut. Jika medan listrik dan medan magnet ada maka lintasan elektron akan seperti gambar 5-3. Dengan c, c’, c ” adalah hasil tabrakan.
Gambar 5. Lintasan elektron yang bergerak dalam konduktor melewati medan magnet seragam yang arah fluksnya menjauh Karena lintasannya bundar , pergerakan elektron dengan arah u dan jarak b, sementara ion yang lebih berat dalam plasma akan bergerak lurus dengan jarak a.Semakin pendek pergerakan elektron setelah tabrakan maka semakin pendek jarak b-a dan semakin kecil arus Hall. Ini menjelaskan kenapa efek Hall diabaikan pada konduktor metal karena jarak antara molekul lebih pendek dibandingakn dengan konduktor plasma. Elektroda akan menghasilkan
jalan balik untuk I H
sebesar arus yang mengalir ke beban I. Tapi karena resistansinya yang rendah maka elektroda dapat dianggap hubung singkat unutk I H, sehingga meningkatkan losses yang akan mengurangi output dari generator MHD yang menggunakan gas pembakaran .
Gambar 6 Segmen-elektroda MHD generator, (a) Representasi sederhana fisiknya, (b) Gambaran skematik, (c) Segmen terhubung seri dan dibebani, (d) Hall generator Efek Hall dapat dikurangi dengan membagi konstruksi elektroda atas ruas – ruas seperti pada gambar 6(a) dimana sistem elektroda terdiri atas empat pasang elektrode yang terisolasi antara satu dengan yang lainnya. Oleh tiga penghalang isolasi.. Gambar 6(a) dan 6(b)
menunjukkan setiap pasang elektrode yang
dihubungkan ke beban dan gambar 6(c) empat pasang elektrode yang dihubungkan ke beban secara seri. Ketika arus Hall I H besar dari arus transverse , maka susunan elektrodanya seperti gambar 6 (d), disebut sebagai generator Hall. 2.3 Tipe MHD Generator
Secara umum MHD generator dibedakan berdasarkan bentuk pipa salurannya dan sistem yang dipakai pada pembangkitan .Berdasarkan bentuk pipa saluran MHD generator dibedakan menjadi dua : a. pipa saluran linear
pada jenis ini pipa saluran berbentuk persegi yang salah satu ujungnya lebih kecil dari ujung lainnya. Pada jenis ini terdapat berbagai macam cara pemasangan elektroda yang dapat dilihat pada gambar 7.
Gambar 7. MHD generator pipa linear dengan berbagai cara pemasangan elektrodanya b. pipa saluran melingkar model pipa lainnya berbentuk melingkar, pipa bentuk ini dirancang untuk mengurangi efek Hall pada MHD generator, gambar 8 memperlihatkan tipe pipa geometris.
Gambar 8. tipe pipa saluran melingkar Sedangkan berdasarkan sistem yang dipakai pada pembangkit terdapat tiga jenis ; a. sistem MHD generator siklus terbuka Sistem ini ditunjukkan pada gambar 9. MHD generator berbentuk mesin roket, yang dikelilingi magnet dengan bahan bakar batu untuk menghasilkan gas panas. Gas panas tersebut dicampur dengan sejumlah kecil logam alkali terionisasi (cesium atau potasium) untuk meningkatkan konduktivitas gas. Gas akan melewati generator yang dikelilingi magnet yang kuat. Selama pergerakan gas ion positif dan ion negatif bergerak menuju elektroda dan menghasilkan arus listrik. Gas sisa melewati pemanas udara untuk dipanaskan sebelum masuk inlet udara.gas sisa MHD generator mempunyai cukup temperatur untuk digunakan sebagai penggerak turbin uap sehingga untuk meningkatkan efisiensi proses MHD generator selalu dipasang dengan pembangkit listrik tenaga uap. setelah digunakan pada pembangkit tenaga uap. Gas akan masuk proses pemisahan. Materi pencampur disaring kembali untuk digunakan lagi. Nitrogen dan sulfur dipisahkan sebagai kontrol polusi dan gas sisa akan dibuang ke udara.
Gambar 9. skema sistem MHD siklus terbuka b. Sistem MHD generator siklus tertutup
Sistem MHD siklus tertutup dikemukan pada pertama kali pada tahun 1965. Kelemahan utama dari sistem terbuka adalah perlunya temperatur yang tinggi dan tingginya aliran bahan kimia aktif yang harus dibuang. Pada sistem ini zat kerja berupa helium atau argon dengan pencampur cesium. Gambar 10 menggambarkan sistem tertutup ini. Sistem komplet mempunyai tiga proses yang berbeda namun saling berkaitan. Pada bagian kiri, merupakan proses pembakaran luar, batubara dijadikan gas yang mempunyai nilai kalor 5,35 MJ/kg dan temperatur sekitar 530 oC yang dibakar dalam ruang pembakaran untuk menghasilkan panas. Dalam heat exhanger HX, panas ini ditransfer pada argon sebagai zat cair kerja dari siklus MHD. Hasil pembakaran melewati airpreheater ( untuk mendapatkan bagian panas dari produk pembakaran) dan pemurnian ( untuk memisahkan emisi berbahaya) dan pelepasan menuju udara. Proses ditengah merupakan proses MHD. Gas argon panas dicampur dengan cesium dan melewati MHD generator. Daya output DC akan dikonversi menjadi A.C.oleh inverter dan disalurkan pada grid.
Gambar 10. skema sistem MHD siklus tertutup Proses pada bagian kanan merupakan proses penguapan untuk mendapatkan kembali panas dari fluida kerja dan mengkonversi panas ini menjadi energi listrik. Fluida ini melewati heat exhanger HX2 yang memberikan panas tersebut untuk memanaskan air menjadi uap. Uap ini sebagian digunakan untuk menggerakkan kompresor sedangakan sebagian lainnya digunakan untuk menggunakan alternator. Keluaran alternator ini menuju ke grid. Fluida kerja kembali ke Heat Exhanger
Hx setelah melewati kompresor dan intercooler. c. Sistem MHD dua fluida
Skema dengan memakai dua sistem fluida seperti pada gambar 11, dimana gas dimasukkan tanpa ada bagian yang bergerak ke cairan penghantar, yang akan melewatinya dengan kecepatan dibawah kecepatan sinkron medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan tiga phasa.
Gambar 11. skema sistem MHD dua fluida
melalui
Pada gambar 11, potasium yang mempunyai titik didih
rendah,
dikentalkan di radiator dan dipompakan melalui penukar panas ke dalam mixer, yang akan mencampurkannya dengan cairan litium yang panas. Lithium mempunyai titik didih tinggi, akan
menguap, dan masuk melalui nozzle ke
pemisah, dimana uap di buang dan cairan akan mengalir ke MHD generator . Meskipun kelihatannya mudah tapi susah mengatasi pemakaian peralatan daya reaktif, yang besarnya hampi sama dengan daya output real generator. Yang disebabkan oleh pemisahan uap dengan cairan yang tidak sempurna dan cairan yang berubah menjadi busa yang tidak dapat bekerja dengan baik.
2.4 Keuntungan MHD Generator
Beberapa keuntungan MHD dibandingkan metoda lain yang dipakai sebagai pembangkit listrik. 1. efisiensi konversi sistem MHD mencapai 50 % dibandingkan metoda lain yang kurang dari 40 % untuk pembangkit listrik uap yang paling efisien. 2. besarnya daya yang dapat dibangkitkan. 3. tidak mempunyai bagian yang bergerak, jadi lebih andal. 4. berkemampuan mencapai puncak pembangkitan setelah dijalankan. 5. biaya pembangkitan keseluruhan akan berkurang karena tingginya efisiensi. 6. tinggi efisiensi pemanfatan panas akan mengurangi panas yang dilepaskan ke lingkungan dan air pendingin yang dibutuhkan akan lebih sedikit. 7. Akan sedikitnya bahan bakar yang dibutuhkan dalam pembangkitan karena efisiensi yang tinggi. 8. sistem siklus tertutup bebas polusi.
2.5 Aplikasi MHD Generator
MHD telah dipakai pada berbagai macam sistem seperti ; 1. Sistem hibrid pembangkit listrik tenaga uap Dimana MHD generator dipakai bersama dengan pembangkit konvesional untuk menghasilkan efisiensi operasi yang lebih tinggi. 2. Sumber tenaga pada pesawat luar angkasa MHD telah digunakan sebagai sumber tenaga bagi pesawat luar angkasa yang ada sekarang dikarenakan keandalannya berdasarkan studi yang telah dilakukan. 3. Sumber tenaga pada kapal selam perang Dengan tidak adanya bagian yang bergerak pada generator memungkinkan
noise yang dihasilkan tidak ada lagi sehingga mencegah terdeteksinya kapal selam tersebut oleh radar. 4. Pembuatan bom elektromagnet MHD generator merupakan salah pilihan dalam menyediakan arus starting dalam menginisiasikan ledakan pada bom elektromagnetik. 5. Ekperimentasi terowongan angin hipersonik
BAB III PENUTUP
