SISTEM PANAS BUMI Sifat Batuan dan Fluida Panas Bumi Kelompok IV Geotermal B (Semester III) Alfando Mait Christio Revano Mege Estrela Bellia Muaja Frely Sumarauw Yan Bastian Gazali
2013
BAB I PENDAHULUAN Wilayah Indonesia mempunyai potensi panasbumi yang sangat besar. Hal ini merupakan dampak positif dari letak Indonesia yang dilalui oleh jalur gunungapi (ring of fire). Sedangkan keberadaan sistem panas bumi umumnya berkaitan erat dengan kegiatan vulkanisme dan magmatisme. Dimana sistem panas bumi biasanya berada daerah busur vulkanik (volcanic arc) dari sistem tektonik lempeng. Sebagian besar reservoir panasbumi terdapat pada batuan vulkanik dengan aliran utama melalui rekahan. Seperti halnya di perminyakan, sifat batuan yang penting menerangkan sifat batuan reservoir panasbumi adalah porositas, permeabilitas dan densitas batuan. Beberapa parameter lain yang penting untuk menerangkan sifat batuan reservoir panasbumi adalah panas spesifik dan konduktivitas panas. Sifat fluida panasbumi (uap dan air) meliputi volume spesifik, enthalpy, energy dalam, entropi, viskositas dan panas spesifik. Harganya pada berbagai tekanan dan temperatur saturasi ditentukan dari Tabel Uap (Steam Table) dari Rogers dan Mayhew (1980) pada gambar di bawah ini :
Tabel Uap atau menggunakan korelasi dari Tortike dan Ali (1989)
1
BAB II PEMBAHASAN 2.1
Sifat Batuan
Porositas ( ) Reservoir panasbumi umumnya ditemukan pada batuan rekah alami, di mana batuannya terdiri dari rekahan-rekahan dan rongga-rongga atau pori-pori. Fluida panasbumi, terkandung tidak hanya dalam pori-pori tetapi juga dalam rekahanrekahan. Volume rongga-rongga atau pori-pori batuan tersebut umumnya dinyatakan sebagai fraksi dari volume total batuan dan didefinisikan sebagai porositas ( ). Jadi porositas batuan adalah perbandingan volume pori/rekahan (volume pori-pori/rekahan yang ditempati fluida) terhadap volume total batuan. Secara matematis porositas dapat dinyatakan sebagai berikut:
Vp adalah volume pori dan Vb adalah volume total batuan Porositas dapat diklasifikasikan menjadi :
Porositas Primer, yaitu porositas yang terbentuk selama proses pengendapan berlangsung. Dimana porosita jenis ini lebih seragam
Porositas Sekunder, yaitu porositas yang terbentuk oleh proses-proses geologi setelah pengendapan selesai. Porositas jenis ini relative kurang seragam.
Porositas yang biasanya terdapat dalam atuan reservoir panasbumi adalah porositas sekunder, karena porositas ini berupa rekahan-rekahan (fracture) yang timbul akibat proses geologi seperti lipatan, sesar ataupun patahan. Porositas reservoir panas bumi dihitung dengan mempertimbangkan tiga bentuk porositas, yaitu : Porositas Fracture (Φf) didefinisikan sebagai perbandingan volume fracture yang kurang teratur dengan volume total batuan yang mengalami rekahan.
2
Porositas Matriks Batuan (Φm) didefinisikan sebagai perbandingan volume antar butir dari matriks batuan dengan volume bulk matriks batuan (tidak termasuk rekahan). Porositas
Bidang Fault (Φfp)
didefinisikan
sebagai
perbandingan
volume
bidang fault yang terbuka dengan volume total bidang fault. Hingga saat ini baru porositas matriks yang dapat diukur di laboratorium. Reservoir panasbumi umumnya mempunyai porositas matriks 3 sampai 25%, sedangkan rekahannya sama dengan 100%.
Permeabilitas (k) Seperti di perminyakan, permeabilitas suatu batuan merupakan ukuran kemampuan batuan untuk mengalirkan fluida. Permeabilitas merupakan parameter yang penting untuk menentukan kecepatan alir fluida di dalam batuan berpori dan batuan rekah alami. Permeabilitas yang biasanya dinyatakan dalam satuan mD (mili Darcy), di bidang geothermal seringkali dinyatakan dalam m2, dimana 1 Darcy besarnya sama dengan 10 -12 m2. Besarnya permeabilitas batuan tidak sama ke segala arah (anisotropy), umumnya permeabilitas pada arah horizontal jauh lebih besar dari permeabilitasnya pada arah vertikal. Batuan reservoir panasbumi umumnya mempunyai permeabilitas matriks batuan sangat kecil seperti diperlihatkan pada Tabel 2.1, dimana reservoir mempunyai permeabilitas antara 1 sampai 100 mD dan transmisivitas (hasil kali permeabilitas dan ketebalan) antara 1 sampai 100 Dm (Darcy meter).
3
Tabel 2.1 Sifat Batuan Reservoir Di Beberapa Lapangan Panasbumi (Sumber: Bjornsson & Bodvarsson, 1988) Densitas (ρ) Densitas batuan adalah perbandingan antara berat batuan dengan volume dari batuan tersebut. Konduktivitas Panas (K) Konduktivitas panas suatu batuan merupakan parameter yang menyatakan besarnya kemampuan batuan tersebut untuk menghantarkan panas dengan cara konduksi apabila pada batuan tersebut ada perbedaan temperatur (gradien temperatur). Secara matematis konduktivitas panas dinyatakan sebagai berikut:
dimana Q adalah laju aliran panas per satuan luas dan dT/dz adalah gradient temperatur. Satuan dari konduktivitas panas batuan adalah W/m.OK, penyederhanaan dari satuan (Energi/waktu/luas)/(temperatur/jarak).
4
Tabel 2.2 Konduktivas Panas Beberapa Jenis Batuan
Konduktivitas panas tidak sama untuk setiap batuan seperti diperlihatkan pada Tabel 2.2. Konduktivitas panas suatu batuan tidak hanya ditentukan oleh jenis batuan atau mineral-mineral penyusunnya, tetapi juga ditentukan oleh struktur kristal yang membentuk batuan tersebut. Mungkin ini pulalah yang menyebabkan harga konduktivitas berlainan ke semua arah. Hal ini menyebabkan panas merambat dengan laju yang berbeda ke arah yang berlainan. Keanekaragaman sifat konduktivitas panas batuan diperkirakan tidak hanya karena susunan ion dari suatu struktur kristal tetapi juga orientasi dari masing-masing butiran mineral. Kwarsa, misalnya, adalah konduktor panas yang baik, sehingga konduktivitas panas batuan yang mengandung kwarsa umumnya sangat ditentukan oleh fraksi dari kwarsa di dalam batuan tersebut. Sebagai contoh adalah batuan granit; konduktivitasnya berkisar antara 2.5 sampai 4 W/m.K, bila batuan tersebut mengandung kwarsa sebanyak 20 – 35%. Adanya mineral Plagiocase akan menurunkan konduktivitas batuan karena mineral tersebut mempunyai konduktivitas panas yang rendah.
5
Panas Spesifik Batuan (cp) Panas spesifik batuan adalah suatu parameter yang menyatakan banyaknya panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu satu satuan masa batuan tersebut sebesar 10C. Panas spesifik juga dapat didefinisikan sebagai jumlah panas yang dapat disimpan dalam suatu material dengan satuan
⁄
Panas spesifik benda padatan akan konstan terhadap perubahan temperatur; sedangkan panas spesifik air dan gas bervariasi dengan temperatur. Panas spesifik batuan umumnya mempunyai harga sebagai berikut: • Pada temperatur rendah 0.75 - 0.85 kJ/kg 0C • Pada temperatur sedang 0.85 - 0.95 kJ/kg 0C • Pada temperatur tinggi 0.95 - 1.10 kJ/kg 0C
6
2.2
Jenis dan Sifat Fluida Fluida panasbumi dapat berada dalam keadaan cair atau uap tergantung dari
tekanan dan temperatur yang mempengaruhinya. Fluida berada dalam keadaan cair hanya apabila pada suatu tekanan tertentu, temperaturnya lebih kecil dari temperatur titik didih atau temperatur saturasi. Fluida berada dalam keadaan uap apabila pada suatu tekanan
tertentu,
temperaturnya
lebih
besar dari temperatur titik didih air atau
temperatur saturasi. Pada tekanan 1 atm (1.01325 bar), misalnya, air mendidih pada temperatur 100˚C. Apabila pada tekanan 1 atm besamya temperatur adalah 5O˚C, yaitu dibawah temperatur titik didih air, maka fluida ada dalam keadaan cair. Apabila pada tekanan 1 atm besamya temperatur adalah 100˚C, yaitu diatas temperatur titik didih air, maka fluida ada dalam keadaan uap. Pada tekanan yang lebih tinggi dari 1 atm, air akan mendidih pada temperatur yang lebih tinggi, misalnya pada tekanan 20 bar, air mendidih pada temperatur 212.9˚C Besar tekanan pada berbagai temperatur saturasi, atau besar temperatur
pada berbagai
tekanan saturasi untuk air murni selengkapnya dapat dilihat pada Tabel Uap. Fasa cair dapat berada bersama-sama dengan fasa uap pada kondisi tekanan dan temperatur tertentu, yaitu pada tekanan dan temperatur saturasi. Temperatur Saturasi (˚C) 100 179.9 212.9 233.8
Tekanan (bar) 1.01325 10 20 30
7
Hubungan antara tekanan dan temperatur saturasi diperlihatkan pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1. Hubungan Temperatur Saturasi Terhadap Tekanan Kurva pada Gambar 2.1 diatas disebut Kurva saturasi.Kurva ini diambil dari diagram Fase atau biasa disebut diagram P-T, seperti pada gambar di bawah ini :
8
Boiling point
Didaerah diatas kurva saturasi, yaitu daerah dimana temperatur lebih besar dari temperatur saturasi, hanya fasa uap yang terdapat didalam sistim. Pada keadaan ini uap disebut superheated steam (uap super panas). Di daerah dibawah kurva saturasi, yaitu daerah dimana temperatur lebih kecil dari temperatur saturasi, hanya fasa cair yang terdapat didalam sistim. Pada keadaan ini fasa cair disebut sebagai compressed liquid. Pada temperatur dan tekanan saturasi, fasa cair dapat berada bersama sama dengan fasa uap. Fluida merupakan fluida dua fasa, yaitu berupa campuran uap-air. Fraksi uap didalam
fluida sering disebut kwalitas uap atau dryness
(notasi x),
yang
didefinisikan sebagai perbandingan antara laju alir masa uap dengan laju alir masa total. Harga fraksi uap (x) bervariasi dari nol sampai dengan satu. •
Apabila pada kondisi saturasi, hanya terdapat fasa cair saja, maka fasa cair tersebut disebut cairan jenuh atau saturated liquid (x=0).
•
Apabilaila hanya uap saja yang terdapat pada tekanan dan temperatur saturasi, maka uap tersebut disebut uap jenuh atau saturated vapour (x=l). Adanya kandungan non-condensible gas
didalam air akan menyebabkan
temperatur saturasi atau temperatur titik didih menjadi lebih rendah (Lihat Gambar 2.2), sedangkan adanya kandungan garam akan menaikan temperatur saturasi.
9
Gambar 2.2. Pengaruh CO2 dan NaCL Terhadap Temperatur dan Tekana Saturasi
Tidak hanya jenis fluida, tetapi sifat fluida juga sangat ditentukan oleh besarnya tekanan dan temperatur didalam sistim. Fluida yang terkandung dibawah permukaan dapat ditentukan dari landaian tekanan dan temperatur hasil pengukuran di dalam sumur. Dari data tekanan dan dengan menggunakan Tabel Uap, kita dapat menentukan temperatur saturasi atau temperatur titik didih. Temperatur saturasi kemudian diplot terhadap kedalaman. Kurva biasa disebut sebagai “Kurva BPD”, dimana BPD adalah singkatan dari Boiling Point with Depth. •
Apabila landaian temperatur dari pengukuran di sumur terletak di sebelah kiri kurva BPD, maka fluida hanya terdiri dari satu fasa saja, yaitu air.
•
Apabila landaian temperatur dari pengukuran sumur terletak disebelah kanan dari kurva BPD, maka fluida hanya terdiri satu fasa saja, yaitu uap.
•
Apabila landaian temperatur berimpit dengan kurva BPD maka fluida terdiri dari dua fasa, yaitu uap dan air.
10
Gambar 2.3 Landaian Temperatur dan BPD Untuk Penentuan Jenis Fluida/Jenis Reservoir Landaian tekanan dan temperatur di sistim dominasi air umumnya seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.4 (a), yaitu berubah secara signifikan dengan kedalaman. Landaian tekanan dan temperatur di reservoir dominasi uap biasanya tidak banyak berubah dengan kedalaman (densitas gas tidak banyak berubah dengan tekanan dan temperatur). Contohnya adalah seperti pada Gambar 2.4 (b).
11
(b)
(a)
Gambar 2.4 Tipe Landaian Tekana dan Temperatur di (a) Sistim Dominasi Air (b) Sistim Dominasi Uap
12
2.2.1
Sifat Fluida Satu Fasa
Sifat termodinamika uap dan air murni, yaitu volume spesifik (νf dan νg), densitas (ρf dan ρg), energi dalam (uf dan ug), enthalpy (hf dan hg), panas laten (hfg), entropi (sf dan sg) dan viskositas (μf dan μg) pada berbagai tekanan dan temperatur saturasi dapat ditentukan dari Tabel Uap pada Lampiran A atau dengan menggunakan korelasi-korelasi pada Lampiran B, dan dijelaskan dibawah ini.
Volume Specifik Volume spesifik suatu fasa fluida adalah perbandingan antara volume dengan masa dari fasa fluida tersebut. Satuan dari volume spesifik adalah m3kg. Volume spesifik air (νf) dan uap (νg) tergantung dari besarnya tekanan dan temperatur dimana harganya dapat dilihat pada Tabel Uap . Sebagai contoh beberapa harga volume spesifik air dan uap diberikan pada Tabel dibawah ini. ⁄
⁄
Tekanan (bar)
Temperatur (oC)
1.01325
100
0.1044
1.673
10
179.9
0.11278
0.1944
20
212.9
0.11768
0.09957
30
233.8
0.12163
0.0706
30
250
0.0706 *)
Catatan: *) superheated steam, temperatur titik didih pada tekanan 30 bar adalah 233.8 OC
Densitas Densitas suatu fasa fluida adalah perbandingan antara massa dengan volume dari fasa fluida tersebut. Satuan densitas adalah
⁄
. Densitas air dan uap tergantung dari besarnya
tekanan dan temperature dimana harganya ditentukan dari harga volume spesifik, yaitu sebagai berikut :
13
Sebagai contoh pada Tabel dibawah ini diberikan harga densitas air dan uap pada beberapa tekanan dan temperatur. ⁄
⁄
Tekanan (bar)
Temperatur (oC)
1.01325
100
957.9
0.05977
10
179.9
886.7
5.144
20
212.9
849.8
10.043
30
233.8
822.2
15.004
30
250
-
14.164 *)
Catatan: *) superheated steam, temperatur titik didih pada tekanan 30 bar adalah 233.8 OC
Pada Gambar 2.5 diperlihatkan hubungan antara tekanan dengan densitas air pada temperature dan tekanan saturasi
Gambar 2.5 Hubungan Densitas Air dan Uap terhadap Tekanan Saturasi
14
Energi Dalam (Internal Energi) Energi dalam (u) merupakan parameter yang menyatakan banyaknya panas yang terkandung didalam suatu fasa persatuan masa. Satuan dari energi dalam adalah kJ/kg. Besarnya energi dalam uap (ug) dan energi dalam air (uf) juga tergantung dari tekanan dan temperatur dan harganva dapat ditentukan dari Tabel Uap pada. Beberapa contoh diberikan pada Tabel dibawah ini. ⁄
⁄
Tekanan (bar)
Temperatur (oC)
1.01325
100
418.6
2506.5
10
179.9
762
2584
20
212.9
907
2600
30
233.8
1004
2603
30
250
2646 *)
Catatan: *) superheated steam, temperatur titik didih pada tekanan 30 bar adalah 233.8 0C
15
Gambar 5.7 Hubungan Energi Dalam terhadap Tekanan Saturasi
Entalpi Entalpi adalah jumlah dari energi dalam (u) dengan energi yang dihasilkan oleh kerja tekanan. Perubahan entalpi seringkali sama dengan energi panas yang diserap atau dikeluarkan oleh sistem selama reaksi. Pada dasarnya entalpi dapat dihitung secara matematis ketika energi dari sistem telah diketahui. Entalpi positif terjadi pada reaksi yang bersifat endotermik. Reaksi ini mengambil energi dari lingkungan. Energi yang diserap digunakan untuk membuat ikatan. Energi yang dibutuhkan untuk membentuk ikatan lebih besar daripada untuk memutus ikatan. Entalpi yang bernilai negatif mengindikasikan bahwa reaksi berlangsung secara eksotermik. Energi yang ada berasal dari reaksi yang berlangsung. Reaksi jenis ini membutuhkan lebih banyak energi untuk memutus ikatan daripada membentuk ikatan. Temperatur akan lebih tinggi sebagai hasil dari reaksi eksotermik. Data entalpi ini sangat diperlukan untuk melakukan estimasi sumber daya listrik yang dapat dibangkitkan. Karena rata-rata entalpi keluaran dari turbin PLTP hampir sama di setiap lapangan panas bumi yang telah melakukan produksi listrik, maka semakin besar entalpi di kepala sumur, akan semakin besar pula daya listrik yang dapat dibangkitkan (kerja yang dihasilkan semakin besar). Hubungan dari energi dalam dengan entalpi adalah: 16
Satuan dari entalpi adalah kJ/kg. Besarnya entalpi uap (hg) dan entalpi air (hf) juga tergantung dari tekanan dan temperature. Beberapa contoh diberikan pada table dibawah ini. Tekanan
Temperatur
hf
hg
hfg
(bar)
(0C)
(kJ/kg.K)
(kJ/kg.K)
(kJ/kg.K)
1.01325
100
419.1
2675.8
2256.7
10
179.9
763
2778
2015
20
212.9
909
2799
1890
30
233.8
1008
2803
1795
30
250
2858
Hubungan entalpi terhadap tekanan saturasi
17
Hubungan entalpi terhadap temperature saturasi
Panas laten (hfg) Panas laten adalah panas yang diperlukan untuk mengubah satu satuan massa air pada kondisi saturasi (jenuh) menjadi 100% uap.
18
Pada pembangkit listrik tenaga panas bumi, yang diperlukan untuk menggerakkan turbin adalah uap yang bertekanan tinggi dan punya densitas yang rendah. Namun fluida dalam reservoir tidak berwujud uap seluruhnya. Oleh karena itu data panas laten diperlukan untuk mengestimasi fraksi uap yang dapat dihasilkan oleh suatu sumur panas bumi termasuk cadangan sumber dayanya. Satuan dari panas laten adalah kJ/kg dimana besarnya juga tergantung dari tekanan dan temperatur. Beberapa contoh diberikan pada Tabel diatas.
Entropi Entropi merupakan tingkat ketidakteraturan sistem. Kerja yang diperlukan untuk memutar turbin berasal dari energi panas yang terkandung dalam fluida panas bumi. Namun tidak semua energy tersebut dapat diubah menjadi kerja untuk memutar turbin. Entropi menggambarkan banyaknya energy yang tidak dapat diubah menjadi kerja. Jadi, data entropi ini diperlukan untuk melakukan estimasi terhadap efisiensi turbin. Seperti sifat termodinamika lainnya, entropi (s) juga tergantung dari tekanan dan temperature. Beberapa contoh diberikan pada Tabel berikut. Tekanan
Temperatur
Sf
Sg
Sfg
(bar)
(0C)
(kJ/kg.K)
(kJ/kg.K)
(kJ/kg.K)
1.01325
100
1.307
7.355
6.048
10
179.9
2.138
6.586
4.448
20
212.9
2.477
6.340
3.893
30
233.8
2.645
6.186
3.541
30
250
-
6.289*)
-
*) superheated steam, temperature titik didih pada tekanan 30 bar adalah 233.8 0C.
19
Hubungan entropi terhadap temperatur saturasi
Viskositas Viskositas adalah ukuran keengganan suatu fluida untuk mengalir. Viskositas merupakan ukuran kekentalan fluida yang menyatakan besar kecilnya gesekan di dalam fluida. Makin besar viskositas suatu fluida, maka makin sulit suatu fluida mengalir dan makin sulit suatu benda bergerak di dalam fluida tersebut. Di dalam zat cair, viskositas dihasilkan oleh gaya kohesi antara molekul zat cair. Sedangkan dalam gas, viskositas timbul sebagai akibat tumbukan antara molekul gas. Viskositas zat cair dapat ditentukan secara kuantitatif dengan besaran yang disebut koefisien viskositas. Satuan SI untuk koefisien viskositas adalah Ns/m2 atau pascal sekon (Pa s). Ketika Anda berbicara viskositas Anda berbicara tentang fluida sejati. Fluida ideal tidak mempunyai koefisien viskositas. Apabila suatu benda bergerak dengan kelajuan v dalam suatu fluida kental
yang koefisien viskositasnya,
maka benda tersebut akan mengalami
gaya gesekan fluida , dengan k adalah konstanta yang bergantung pada bentuk geometris benda. Berdasarkan perhitungan laboratorium, pada tahun 1845, Sir George Stokes menunjukkan bahwa untuk benda yang bentuk geometrisnya berupa bola nilai k = 6 π r. Viskositas dibedakan menjadi
20
dua, yaitu viskositas dinamik (μ) dan viskositas kinematik (ν). Viskositas kinematis adalah viskositas dinamis dibagi dengan densitasnya, yaitu:
Viskositas juga tergantung dari tekanan dan temperatur. Nilai viskositas akan menentukan kecepatan produksi uap dari suatu sumur panas bumi. Jadi data viskositas sangat penting untuk mengestimasi keekonomisan produksi uap di suatu lapangan panas bumi. Beberapa contoh viskositas dengan hubungannya terhadap tekanan dan temperatur diberikan pada Tabel dibawah ini. Hubungan antara viskositas dengan temperatur diperlihatkan pada Gambar dibawah ini. Tekanan
Temperatur
(bar)
(0C)
(Pa s)
(Pa s)
(m2/s)
(m2/s)
1.01325
100
279
12
0.05977
200.7
10
179.9
149
15
0.168
2.9
20
212.9
127
16
0.149
1.6
30
233.8
116
16.7
0.141
1.1
Hubungan viskositas dinamik terhadap temperature saturasi
21
2.2.2
Sifat Fluida Dua Fasa
Sifat fluida dua fasa, yaitu campuran uap-air tergantung dari kwalitas uapnya atau dryness. Secara matematis dryness (x) dinyatakan sebagai berikut :
Atau
dimana : mv
= laju alir masa uap (kg/det atau ton/jam)
mL
= laju alir masa air (kg/det atau ton/jam)
mT
= laju alir masa total (kg/det atau tonljam) Apabila hfg adalah panas laten, f, ρf, uf, hf, sf, f adalah sifat-sifat air pada kondisi
saturasi, dan g, ρg, ug, hg, sg, g adalah sifat-sifat uap pada kondisi saturasi, maka sifat fluida dua fasa (campuran uap-air) yang fraksi uapnya dinyatakan dengan notasi x, dapat ditentukan sebagai berikut: Entalpi
:
Hf adalah entalpi air dan hfg adalah panas laten. Pada saat air akan berubah jadi uap, terdapat sebagian uap dan sebagian air atau biasa disebut dengan fraksi uap dan fraksi air. Perubahan ini terjadi karena adanya panas laten. Rumus entalpi total fluida di atas dapat juga dirumuskan sebagai berikut :
Dimana hg adalah entalp gas/uap, hl adalah entalpi zat cair/ air, X adalah fraksi uap yang terbentuk dan Y adalah fraksi air yang terbentuk. Entropi
:
22
Viskositas Dinamik
:
Energi Dalam
:
Jenis fluida, apakah satu fasa atau
dua fasa,
biasanya ditentukan
dengan
membandingkan harga entalpinya (h) dengan entalpi air dan entalpi uap (hf dan hg) pada kondisi saturasi. Kriteria dibawah ini umumnya digunakan untuk menentukan jenis fluida panasbumi. h < hf
Air (compressed liquid)
h = hf
Air jenuh (saturated liquid)
h = hg
Uap jenuh (saturated steam)
hf < h < hg
Dua fasa (campuran uap-air)
h > hg
Uap (superheated steam)
23
2.3
Fluida Dua Fasa di dalam Batuan Reservoir Di dalam reservoir fluida dua fasa umumnya diasumsikan tidak bercampur, tetapi
terpisah masing-masing fasanya. Rongga-rongga/pori-pori batuan ada yang diisi uap dan ada pula yang diisi air. Seperti di perminyakan, fraksi volume pori-pori yang terisi uap biasanya disebut Saturasi air (SL) dan yang terisi air disebut Saturasi uap (SV), dimana: Bila ρL dan ρv masing-masing adalah densitas air dan densitas uap, hL dan hV adalah entalpi air dan uap serta uL dan uV adalah energi dalam air dan uap, maka sifat fluida dua fasa yang terdapat didalam media berpori biasanya dinyatakan oleh persamaan berikut: Densitas:
Entalpi:
Energi dalam:
Sifat fluida dua fasa dalam keadaan mengalir tergantung dari harga permeabilitas relatif. Kurva permeabilitas relatif dari Corey (1954) dan kurva permeabilitas relative linier seperti ditunjukkan pada Gambar di bawah ini sering digunakan dalam perhitungan teknik reservoir.
24
Kurva Permeabilitas Relative Corey dan Kurva Garis Lurus
Secara matematis persamaan Corey dapat dinyatakan sebagai berikut:
dimana :
SLR dan SVR adalah residual liquid saturation dan residual vapour saturation. Untuk perhitungan di bidang panasbumi biasanya diasumsikan SLR = 0.3 dan SVR = 0.05 Dengan asumsi bahwa aliran di reservoir mengikuti hukun Darcy, yaitu:
25
dan aliran panas secara konduksi diabaikan, jadi aliran panas (Qe) yang tejadi secara konveksi adalah sebagai berikut:
serta asumsi aliran adalah horizontal (pengaruh gravitasi diabaikan), maka entalpi fluida dan viskositas kinematik dua fasa dalam keadaan mengalir dapat dinyatakan dengan persamaan berikut: Flowing enthalpy (hf) :
Viskositas kinematik (νt):
dimana : = laju alir masa air = laju alir masa uap = enthalpy air = enthalpy uap = viskositas kinematik air = viskositas kinematik uap = densitas air = densitas uap P = tekanan g = gravitasi dan
adalah enthalpy fasa cair dan fasa uap, sedangkan
kinematik fasa cair dan fasa uap.
26
dan
adalah viskositas
2.4
Geokimia Fluida Panas Bumi Geokimia panas bumi/geotermal mempelajari komposisi kimia fluida panas bumi (air dan
uap) untuk mengetahui karakteristik fluida dan proses yang mempengaruhi fluida tersebut, baik di reservoir maupun saat fluida tersebut naik ke permukaan. Data kimia fluida panas bumi sangat berguna, antara lain untuk memberikan perkiraan mengenai sistim panasbumi yang terdapat di bawah permukaan (misalnya: temperatur dan jenis reservoir, asal muasal air), serta untuk mengetahui sifat fluida khususnya tentang korosifitasnya dan kecenderungannya untuk membentuk endapan padat (scale) yang diperlukan untuk perencanaan sistim pemipaan dan sistim pembangkit listrik. Untuk memberikan pemahaman mengenai
hal
tersebut
maka
dalam
tulisan
ini
aspek-aspek
dari
geokimia
yang
meliputi:kandungan kimia fluida, teknik sampling, jenis air, kegunaan data kimia air, jenis sistim hidrothermal, penentuan temperature reservoir, penentuan jenis reservoir, penentuan asal muasal air, korosivitas dan kecenderungan scaling. Panas dalam perjalanannya ke permukaan juga dapat mengalami perubahan fasa sehingga menjadi fluida dua fasa, yaitu campuran uap air, ini disebabkan adanya boiling di dekat permukaan. Fluida panas tersebut dapat juga bercampur dengan fluida lainnya, misalnya dengan fluida magmatik (termasuk gas-gas yang berasal dari magma) dan air dingin dari sumber lain. Komposisi fluida panas juga akan berubah akibat oksidasi di dekat permukaan. Alterasi termal batuan juga dapat merubah komposisi fluida, perubahan yang signifikan tergantung dari kecepatan pergerakkan fluida panas bumi untuk mencapai permukaan. Perubahan komposisi fluida dapat dilihat pada gambar berikut :
27
Pada saat terjadi boiling terjadi perubahan fasa, dan unsur yang mudah menguap akan bergabung dengan fasa uapnya, sedangkan unsur yang tidak mudah menguap akan bergabung dengan fasa cair.
28
2.4.1
Kandungan Kimia Fluida Panas Bumi
Kandungan kimia fluida panas bumi terdiri dari : Non-volatil (unsur terlarut) merupakan unsur yang tidak mudah menguap : Anion (ion negatif), mis. Cl-, HCO3-, SO4-2, NH4-, F-, I-, Br Kation (ion positif), mis. Na+, K+, Ca+2, Mg+2, Mn+2, Fe+2, Al+3, ion-ion As Spesies netral, mis. SiO2, B, CO2, H2S, NH3 Volatil (gas) merupakan unsur yang mudah menguap : Non condensible gases (unsur yang mudah terkondensasi), mis. CO2, H2S , H2, N2 Gas inert/konservatif adalah gas yang tidak mudah bereaksi/tidak reaktif, mis. He, Ar Kandungan kimia fluida panas bumi di suatu tempat berbeda dengan di tempa-ttempat lainnya, tidak hanya dari lapangan ke lapangan, tetapi juga dengan yang diperoleh dari suatu tempat dan tempat lainnya meskipun keduanya terdapat di lapangan yang sama. Sebagai ilustrasi diperlihatkan kandungan kimia dari beberapa mata air panas (spring) di lapangan Orakei Korako, Cerro Prieto dan Broadlands. Kosentrasi ion yang berbeda-beda dapat disebabkan karena banyak hal, antara lain adalah karena perbedaan dalam: 1) Temperatur 2) Kandungan gas 3) Sumber air 4) Jenis batuan 5) Kondisi dan lamanya interaksi air dan batuan 6) Adanya pencampuran air dari satu sumber dengan air dari sumber lainnya Berikut ini adalah data kandungan fluida panas bumi di daerah yang berbeda, maupun di satu wilayah yang sama namun di titik-titik yang berbeda.
29
30
31
32
33
2.4.2
Jenis-jenis Air Panas Bumi
Air Klorida (Cl) Menunjukkan air reservoir Mengandung 1.000 hingga 10.000 mg/kg Cl Perbandingan Cl/SO4 umumnya tinggi Ca rendah Mengandung kation utama : Na, K, Ca dan Mg Berasosiasi dengan gas CO2 dan H2S pH sekitar netral (pH 6 – 7.5), dapat sedikit asam dan basa tergantung CO2 terlarut Disebut juga alkaline neutral water, brine water Sangat jernih, warna biru pada mataair natural Kaya SiO2 dan sering terdapat HCO3 Terbentuk endapan permukaan sinter silika (SiO2)
Asal Cl pada Fluida Panas Bumi Gas magmatik HCl: HCl mempunyai solubilitas yang tinggi Pada temperatur rendah HCl bersifat asam kuat, tetapi pada temperatur tinggi HCl bersifat asam lemah Air asin (evaporit, air laut, air formasi/connate water) Cl mencapai 100.000 mg/kg Kation utama: Na dan Ca 34
Larutan berkonsentrasi tinggi (TDS sangat tinggi) Bersifat asam lemah Densitas tinggi Air Sulfat (SO4) Terbentuk di bagian paling dangkal sistem geothermal Fluida sekunder akibat kondensasi uap air ke dalam air permukaan (steam heated water) SO4 tinggi (mencapai 1000 ppm) Mengandung Na, K, Ca, Mg, Fe Mengandung beberapa ppm
(
sangat rendah)
Bersifat asam (pH < 2-3 ) H2SO4 terbentuk dari oksidai H2S di daerah dekat permukaan (< 2 km). Adapun reaksinya sebagai berikut :
Ditunjukkan dengan kenampakan kolam lumpur dan pelarutan batuan sekitar Tidak dapat digunakan sebagai geotermometer Air Bikarbonat (HCO3) Terbentuk pada daerah pinggir dan dangkal sistem geotermal Fluida sekunder akibat adsorbsi gas CO2 dan kondensasi uap air ke dalam air tanah (steam heated water) pH 5 - 6 Anion utama HCO3 dan kation utama adalah Na Rendah Cl dan SO4 bervariasi 35
Di bawah muka air tanah bersifat asam lemah, tetapi dapat bersifat basa oleh hilangnya CO2 terlarut di permukaan Di permukaan dapat membentuk endapan sinter travertin (CaCO3) di sekitar mata air panas. Adapun proses pembentukkan CaCO3 adalah sebagai berikut : a. Terjadi proses kondensasi pada daerah di atas muka air tanah dan terbentuk senyawah H2CO3 (Asam Bikarbonat). Pada saat terjadi boiling, unsur yang tidak mudah menguap yaitu CO2 akan bercampur dengan zat cair (air)
b. H2CO3 kemudian terurai menjadi ion-ion
c.
terurai kembali membentuk senyawah karbonat
d.
kemudian bereaksi dengan Ca2+ . Ini disebabkan karena terjadi pencampuran dengan air tanah. Ca merupakan salah satu unsur yang tergandung dalam air tanah
Dalam panas bumi, ada juga yang disebut sebagai air meteorik. Air Meteorik Air tanah mengandung Ca, Mg, Na, K, SO4, HCO3 dan Cl, dan dapat mengandung Fe, SiO2 dan Al Air tanah dapat mengandung gas terlarut O2 dan N2 Air sungai mempunyai anion utama HCO3 dan kation utama adalah Ca Air hujan mempunyai anion utama Cl dan kation utama Na 36
Kandungan kimia air tanah sangat dipengaruhi oleh batuan dasarnya. Komposisi isotop stabil mengikuti Meteoric Water Line (MWL)
37
2.4.3
Kegunaan Data Kimia pada Tahap Prospeksi
Data kimia yang di dapatkan untuk tahap prospeksi ini, diambil dari manifestasi permukaan dan kemudian di indentifikasi dan dilakkukan pengukuran. Kegiatan pada tahap prospeksi adalah : 1) Jenis Manifestasi 2) Lokasi 3) Karakteristik Warna Air Nama Air Tenang / bergolak 4) Pengukuran Temperatur pH Luas Area Kecepatan Air 5) Sampling 6) Analisa Kimia 7) Pemetaan
Adapun informasi-informasi yang kita dapatkan adalah :
Jenis Reservoir
Temperatur Reservoir
Jenis Batuan
Besar natural heat flow
Area of high upflow permeability
Likely environmental problems
Scaling potential
Recharge area
Siting exploration wells
38
Identifikasi Jenis Reservoir Sistem Dominasi
Sistem Dominasi Uap
Sistem Dominasi Air
Mata air panas yang bersifat asam Bila tidak ada spring yang kandungan chloridanya “significant”
Spring dengan kandungan chlorida tinggi
Kolam air panas : Air bersifat asam berlumpur & kehijauan
Mata air panas yang bersifat netral
Telaga air panas (hot cakes)
Mata air panas bersifat netral di kaki gunung
Mata air panas jenuh dengan silika Kolam air panas : Air jernih, kebiruan netral Fumarole yang memancarkan uap dengan kecepatan tinggi Geyser Silika sinter
39
(Uap atau Air)
Mud pools
Perkiraan Temperatur Reservoir pada Tahap Prospeksi dari Data Kimia Air Permukaan
Geotermpmeter Geothermometry adalah suatu metode yang digunakan untuk memperkirakan temperatur bawah permukaan bumi (reservoir) berdasarkan konsep ketergantungan kesetimbangan kimia (larutan maupun gas) terhadap temperatur. Metode ini biasa digunakan dalam asesmen potensi panasbumi suatu daerah maupun dalam penelitian ilmiah lain. Suatu set kesetimbangan kimia yang telah terdefinisi persamaan kesetimbangannya terhadap temperatur biasa disebut geotermometer. Contohnya geotermometer Na-K, silika, gas, isotop dan sebagainya. Sebagai contoh sederhana, kelarutan garam akan semakin besar bila temperatur juga semakin tinggi. Maka dengan mengetahui komposisi garam tersebut, akan dapat diketahui temperatur kesetimbangan saat garam tersebut terlarut. Tentu saja, proses yang terjadi di dalam bumi jauh lebih kompleks ketimbang apa yang terjadi dalam beaker glass di laboratorium, sehingga nantinya dalam interpretasi data geothermometry perlu adanya asumsi-asumsi dan sinkronisasi antar berbagai hasil perhitungan geothermometer. Berdasarkan variasi kandungan beberapa unsur dalam fluida panasbumi yang hadir sebagai fungsi dari temperatur (solubilitas unsur sebagai fungsi dari temperatur) Unsur : terlarut, gas, isotope Geotermometer unsur terlarut: Geotermometer silika (SiO2) Geotermometer Na-K Geotermometer Na-K-Mg Geotermometer Na-K-Ca dll Geotermometer gas: Geotermometer CO2-H2S-H2-CH4 Geotermometer CO Geotermometer CO2 dll 40
Geotermometer isotop
Kesalahan: 5 hingga 10oC Syarat: Fluida panas bumi muncul ke permukaan dengan cepat (> 2 kg/sec) Tidak ada mixing dengan fluida lain Tidak ada steam atau gas yang hilang Konduktif: Tidak ada uap yang hilang Baik untuk data mataair dengan kondisi sub-boiling Adiabatik:
Jumlah uap yang hilang adalah maksimum
Baik untuk data sumur dan mataair dengan kondisi boiling dan kecepatan aliran tinggi (> 2 kg/sec), disertai endapan sinter silika
41
A. Silika Geotermometer Apabila Permukaan Jenuh Kuarsa
:
Proses pendinginan secara adiabatik
Proses pendinginan secara konduktif
Apabila permukaan Jenuh Chalcedony
:
Proses pendinginan secara konduktif
B. Sodium, Potasium Geotermometer Untuk
air
jenis-jenis
alkali-klorida
Tidak tepat digunakann bila ada endapan travertine
⁄ Persamaan Fournier :
⁄ Persamaan Giggenbach
:
⁄
42
dengan
pH
netral.
C. Sodium, Calcium, Potasium Geotermometer •
Untuk air yang mengandung Ca cukup banyak Untuk air yang memberikan endapan traverline
⁄
⁄
[√
]
Hitung : √ [
Bila negatif
]
Bila positif
[
]
43
[
√
]
Memperkirakan Sumber Air pada Tahap Prospeksi ADA PENCAMPURAN DENGAN AIR LAUT •
Cl/Mg dan Cl(Mg+Ca) rendah
•
Ca/Mg sangat rendah
ADA PENCAMPURAN DENGAN AIR DINGIN •
Na/Mg Rendah
•
Cl(HCO3 + CO3) rendah
•
Na/Li tinggi
AIR BERASAL DARI SATU SUMBER •
Na/B sama disemua tempat
•
Cl/B sama disemua tempat
AIR DARI SUMBERNYA TIDAK LANGSUNG MENGALIR KE PERMUKAAN •
Na/K tinggi (15-25 ppm)
ADA PENCAMPURAN DENGAN AIR BERTEMPERATUR TINGGI •
SiO2/K di perm. > di bawah perm.
AIR BERASAL DARI SUATU SUMBER AIR YANG DIPANASI UAP •
Cl/SO4 rendah
•
Cl/B rendah
44
AIR MENGALIR LANGSUNG DARI SUMBERNYA •
Ca/Mg tinggi
•
Cl(HCO3 + CO3) tinggi
•
Na/Li tinggi
DALAM PERJALANANNYA KE PERMUKAAN PENGENDAPAN SILIKA SANGAT KECIL •
SiO2/K di perm = di bawah perm
SUMBER AIR BERTEMPERATUR TINGGI •
Na/Ca tinggi
•
Na/Mg tinggi
•
Cl/Mg dan Cl(Mg+Ca) tinggi
•
Cl/SO4 tinggi
•
Ca/HCO3
•
Na/K rendah (12-15 ppm)
•
Cl/F tinggi
45
2.4.4
Kegunaan Data Kimia pada Tahap Pemboran
1. Memperkirakan komponen dan sifat kimia fluida reservoir (Untuk modifikasi “conceptual Model”) 2. Memperkirakan kedalaman pusat - pusat rekahan (feed zones) di sumur 3. Memperkirakan luas reservoir •
Analisa chloride dari berbagai sumur ⇒ Dipetakan ⇒ dapat diperoleh gambaran mengenai upflow & outfow area
4. Menentukan entalpy fluida 5. Memonitor natural surface features •
Kandungan kimia dalam srpings & fumarcole diukur pada waktu pemboran & pengujian.
46
Kegunaan Data Kimia pada Tahap Produksi
1. Memonitor kandungan kimia fluida sumur, untuk mendapatkan informasi mengenai: Reinjection returns (Diindikasikan oleh adanya peningkatan kandungan Chlorida). Penurunan enthalphy fluida (Diindikasikan oleh adanya penurunan konsentrasi Silika). Masuknya air hasil pemanasan uap kedalam reservoir . Hal ini diindikasikan oleh adanya peningkatan ratio Sulphate/ Chloride. Perubahan tingkat pendidihan air . Hal ini dapat diketahui dari perbandingan CO2/H2S Perubahan zona produksi di dalam sumur. Perubahan potensi scaling Perubahan pH air reservoir . 2. Memonitor kandungan kimia air injeksi 3. Problem solving.
47
2.4.6
Kegunaan Data Kimia pada Tahap Perencanaan dan Konstruksi
Data yang dibutuhkan : 1. Konsentrasi silica Silica scaling in separated water pipeline & Reinjection wells Perlu ditentukan : ♦ Besarnya tubing inlet press ♦ Besarnya temperatur air yang akan diinjeksikan 2. Banyaknya & jenis gas dalam uap Akan menentukan • Design condensor • Sice condensor • Pompa yang dibutuhkan • Design turbine 3. Data kimia air & gas Material selection for : • Steam & water pipelines • Condensor • Turbin blades • Valves • Compensatore • Cooling towers • Pompa 4. Chemistry of cooling water circuit Design cooling tower, meterials 5. Environmental Planning • Likely gas emissions from cooling tower • Disposal of condensate blow down • Disposal of gas extraction effluent • Power station acoupational heath • effects of spills & breaks in pipe lines • Water right hearings & envionmental impact reports
48
6. Chemistry of Production wells To obtain furaher understanding of the fleld & clarification of conc. model
49
2.4.7
Ion Balance
Menurut Giggenbach (1983), agar dapat menyediakan dasar umum perbandingan dan klasifikasi dari fluida geothermal, sebuah kelompok internasional dari para ahli geokimia panas bumi mencapai persetujuan umum mengenai analisis kimia, yaitu nilai minimum dari parameter geokimia yang dilaporkan untuk sebuah sampel harus mencakup : pH, Na, K, Mg, Ca, SiO2 , Cl, SO4 , HCO3 . Analisis sampel fluida geothermal hanya bagian dari program yang lebih luas yang berisikan: a. Definisi dari sebuah permasalahan b. Keputusan dalam strategi c. Pengumpulan sampel d. Analisis sampel e. Interpretasi hasil f. Komunikasi dan kesimpulan Pada saat pengambilan sampel, temperatur dan pH harus diukur, dan jumlah alkalinitas dari air ditentukan dengan titrasi 0.05N asam sulfur ke titik infleksi dari kurva titrasi (Bames, 1964). Sampel air harus disiapkan untuk analisa laboratorium sebagai berikut: a. Analisis anion b. Analsisis kation Banyak unsur kimia yang harus diawetkan selama pengumpulan sampel untuk menstabilisasikan konsentrasi dan analisis selanjutnya di laboratorium. Sampel air harus disiapkan untuk analisis laboratorium sebagaimana berikut: a. Untuk analisis anion, porsi air harus disaring melalui pori membran penyaringan berukuran 0.45μm sehingga menghilangkan partikel-partikel dan material biologi. b. Porsi air diasamkan dengan konsentrasi pH 2, asam hidroklorit dengan tingkat kemurnian yang tinggi untuk menstabilkan kation, terutama Mg, Ca, dan Fe.
50
Ion balance merupakan salah satu cara untuk mengecheck baik tidaknya hasil analisa kimia yang dilakukan.Caranya adalah dengan membandingkan jumlah konsentrasi molal ion positive dikalikan dengan masing-masing valensinya dengan jumlah konsentrasi molal ion positive dikalikan dengan masing-masing valensinya. Ion balance 5% atau kurang menunjukkan analisa yang baik. Adapun langkah-langkah perhitungannya adalah sebagai berikut : 1. Langkah pertama yang kita lakukan adalah menghitung masing-masing konsentrasi konsentrasi setiap ion (konsentrasi molal atau molar). Data awal komposisi kimia yang kita dapatkan masih dalam konsentrasi ppm (part per million), maka dari itu kita harus Konversi konsentrasi Ci (ppm) dalam mg/kg atau mg/L ke konsentrasi molal (mi )dalam mol/kg atau molar (M) mol/L. Rumusnya sebagai berikut :
dimana m adalah konsentrasi dalam molalitas, M adalah konsentrasi molar, Mr adalah massa molekul relative unsur, dan Ci adalah konsentrasi dalam ppm 2. Setelah kita dapatkan konsentrasi setiap unsur, kita kalikan dengan masing-masing valensinya
n adalah valensi unsur tersebut, misalnya Ca2+ merupakan kation bervalensi 2 dan SO42merupakan anion bervalensi 2. 3. Setelah kita dapatkan konsentrasi anion dan kation, maka langkah selanjutnya ialah menghitung ion balance dengan rumus : ∑ |∑
| 51
∑ |∑
|
Contoh
:
Dari table di atas ditunjukkan konsentrasi dalam ppm yaitu : Na+ = 1070 mg/kg , K+ = 102 mg/kg , Mg2+ = 0.4 mg/kg , Ca2+ = 26 mg/kg , Cl- = 1770 mg/kg , SO42- = 26 mg/kg , HCO3- = 76 mg/kg.
Kation
dan seterusnya Anion [
]
52
∑ ∑ ∑ |∑
|
∑ |∑
|
|
|
|
|
Hasil di atas menunjukkan hasil analisa yang baik karena ion balance < 5%, yaitu 1.13%. Tanda negatif pada hasil di atas menunjukkan kelebihan konsentrasi anion. Berikut ini adalah hasil ion balance di tiga daerah
Maka dapat disimpulkan bahwa Wairakei dan Waitangi memiliki analisa kimia yang baik, sedangkan White Island sebaliknya. 53
2.4.8
Pengaruh Boiling terhadap Komposisi Fluida
Dalam perjalanannya ke permukaan, fluida panasbumi dapat berubah fasa. Boiling ini terjadi pada kedalaman <2km. Pada proses boiling terjadi pemisahan 2 fasa fluida, yaitu air dan uap. Pemisahan 2 fasa fluida mengakibatkan terbentuknya: Entalpi liquid (Hliq) Entalpi uap (Hvap)
Grafik Hubungan Entalpi dan Tekanan
No volatile components (komponen-komponen yang tidak mudah menguap) seperti silika akan tetap dalam cairan.Sedangkan komponen-komponen yang mudah menguap akan masuk ke fasa uap. Setelah mendidih, liquid sisa akan mempunyai kandungan unsur terlarut non volatile yang relatif lebih tinggi dan kandungan gas yang relatif lebih rendah dibanding komposisi fluida asal. Asumsi proses adiabatik, artinya fluida diasumsikan mengalir dengan cepat sehingga tidak ada panas yang hilang. Proses isenthalpic h res = h diperm.
54
Contoh Soal Fluida panas bumi bertemperatur 265oC dan muncul di permukaan dan mendidih. Berapa uap yang terbentuk oleh proses mendidih ini? Jawaban Asumsi
: Isentalpi/Adiabatik
Hres265 = 1159 J/gm
Hl,100 = 419 J/gm
Hv,100 = 2676 J/gm
X = 0.327, jadi uap yang terbentuk 33% Y = 1-X = 0.72, jadi fluida sisa atau residual adalah 0.72%
55
BAB III KESIMPULAN Melihat pembahasan yang dijelaskan di atas, dapat disimpulkan bahwa sangat penting untuk mengetahui berbagai sifat batuan dan fluida panas bumi. Banyak parameter-parameter yang menerangkan sifat batuan yang harus diidentifikasi, untuk mengetahui karakteristik yang lebih tepat dari system reservoir panas bumi di bawah permukaan. Selain itu, komposisi fluida juga dapat menjelaskan potensi sumber daya maupun perkiraan system panas bumi yang ada pada suatu lapangan. Mengingat bahwa system panas bumi merupakan system hidrotermal terbuka yakni yang kenampakkan di bawah permukaan dapat dilihat di permukaan dengan adanya keberadaan manifestasi, maka dalam perjalannannya ke permukaan fluida panas bumi pasti akan mengalami berbagai perubahan, seperti yang telah dijelaskan di atas. Maka dari itu, kita perlu mengidentifikasi proses-proses yang mempengaruhi fluida tersebut.
56
57
