BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Semakin tinggi tingkat industri suatu negara, semakin besar pula tingkat kebutuhan tenaga listrik untuk memenuhi kebutuhan energinya. Sehingga kecenderungan pemakaian listrik dimasa yang akan datang akan terus meningkat, bukan saja karena jumlah penduduk, industri, perdagangan dan jasa yang terus meningkat, tetapi juga karena adanya kemudahan dalam mengkonversikan energi listrik ke bentuk energi listrik lain. Melihat perkembangan pembangkit di dunia beberapa tahun terakhir ini, terasa semakin banyak keprihatinan akibat belum terpecahkannya masalahmasalah utama pembangkitan. Masalah-masalah utama pembangkitan tersebut diantaranya masalah lingkungan berupa penggunaan bahan bakar fosil yang terkandung di bumi sampai pada pembuangan limbah hasil pembakaran ke udara, masalah efisiensi pembangkit dan lain-lain. Kenaikan kebutuhan energi listrik dunia di masa depan perlu diantisipasi karena makin terbatasnya sumber daya alam yang dapat dijadikan sumber daya energi listrik. Oleh karena itu harus dicari sebuah pembangkit generasi baru yang sesuai dengan kondisi masa depan. Ada dua kriteria yang dapat dipilih atau dibangun bersama pada saat yang bersamaan, yaitu : a. Pembangkit energi baru yang tidak memanfaatkan sumber bahan bakar fosil atau lainnya yang terbatas ketersediaanya serta sudah makin menipis. Tetapi menggunakan sumber daya baru yang dianggap tidak akan ada habisnya atau yang mempunyai cadangan yang sangat besar seperti energi surya, angin, ombak dan lain-lain. b. Pembangkit energi baru yang tetap memanfaatkan bahan bakar fosil dan bahan bakar lainnya yang terbatas ketersediaanya seperti kebanyakan pembangkit daya sekarang ini. Tetapi dengan efisiensi yang setinggi
1
mungkin sehingga cadangan bahan bakar fosil yang terbatas dapat dimanfaatkan dengan semaksimal mungkin. Pembangkit energi Magneto Hidro Dinamika (MHD) muncul sebagai salah satu pilihan untuk memecahkan memecahkan
masalah energi dunia masa depan.
Prinsipnya ditemukan oleh Michael Faraday pada tahun 1832 ketika ditemukan induksi elektro magnetik. Perkembangan yang diperlihatkan oleh MHD menjanjikan keuntungan yang besar, sehingga banyak Negara sampai saat ini masih dengan gigih melakukan penelitian, pengembangan serta percobaan penggunaan pembangkit MHD sebagai salah satu pembangkit energi listrik yang dapat berfungsi komersial dan dapat diandalkan dimasa depan. Terutama di Amerika Serikat dan Rusia (disamping Negara-negara Jepang, Belanda, dan lainlain), setelah mengalami masa surut yang cukup berat sampai tahun 1966 dalam masalah efisiensi pembangkitan yang sangat kecil, pada akhir dasawarsa ini mulai menunjukan keberhasilannya. Negara-negara lainnya masih jauh tertinggal di bidang teknologi MHD ini dibandingkan Amerika Serikat. Sistem MHD mempunyai kemampuan untuk dapat dikombinasikan dengan pembangkit daya listrik lainnya, seperti dengan PLTU dengan memanfaatkan kalor buangan generator MHD, di mana pembangkit MHD bertindak sebagai siklus hulu dan PLTU sebagai siklus hilir ini akan menghasilkan tenaga listrik yang lebih besar. Dua perusahaan raksasa Amerika Serikat yaitu Westinghouse dan General Electric Company telah berhasil membuat revolusi MHD dengan keberhasilannya merancang pembangkit kombinasi sistem MHD dan PLTU dengan efisiensi total sampai dengan 50% dibandingkan dengan PLTU konvensional yang hanya 40% saja. Diharapkan dalam waktu yang tidak terlalu lama lagi efisiensi total dari pembangkit listrik MHD akan mampu mencapai 60%.
2
1.2. Tujuan Penulisan 1) Menjelaskan pemanfaatan suatu pembangkit baru sebagai suatu alternatif untuk energi listrik dimasa depan, khususnya pembangkitan dengan menggunakan Magneto Hidro Dinamika (MHD) siklus tertutup. 2) Mengkombinasikan pembangkit listrik Magneto Hidro Dinamika (MHD) dengan pembangkit listrik lain, untuk meningkatkan efisiensi dan menghasilkan daya listrik yang lebih besar.
3
BAB II PEMBAHASAN SISTEM MAGNETO HIDRO DINAMIKA
2.1 Uraian Umum Sesuai dengan hukum induksi Faraday, bahwa bila sebuah penghantar bergerak
dan memotong garis gaya dalam medan magnet, maka didalam
penghantar itu akan diinduksikan suatu gaya gerak
listrik (GGL). Apabila
rangkaian itu berupa rangkaian tertutup, maka akan mengalir arus induksi yang disebabkan oleh GGL tersebut. Prinsip pembangkitan dengan menggunakan teknologi MHD, tidak berbeda jauh dengan prinsip pembangkitan konvensional. Pada generator konvensional penghantar yang digunakan berupa penghantar benda padat (logam). Sedangkan pada generator MHD menggunakan penghantar benda cair atau benda gas, dengan syarat kedua benda tersebut merupakan penghantar (gambar 2.1).
Gambar 2.1 (a) Skema generator konvensional (b) Skema generator MHD Bahan bakar dimasukan kedalam ruang
pembakaran kemudian
disuntikan gas dengan proses penekanan. Untuk meningkatkan daya hantar gas tersebut, dimasukan benih-benih yang berbentuk pertikel-pertikel kecil dari logam (seed). Benih-benih yang sering digunakan adalah Cesium atau Potasium. Karena 4
pembakaran mengakibatkan gas mengembang secara pesat. Suatu perbedaan tekanan didalam ruang pembakaran, mengakibatkan gas memasuki kanal dengan kecepatan tinggi dan memotong medan magnet. Gas yang telah bersifat penghantar tersebut akan di induksikan suatu gaya gerak listrik. Maka elektrodaelektroda itu akan menghasilkan gaya gerak listrik (GGL), apabila elektrodaelektroda ini dihubungkan dengan beban berupa rangkaian tertutup, maka akan menghasilkan arus listrik. 2.2 Jenis Siklus Pembangkitan MHD Magneto Hidro Dinamika adalah Sistem yang bekerja berdasarkan interaksi antara medan magnet dengan aliran fluida, di mana fluidanya bisa berupa benda gas (plasma) atau benda cair (logam cair). Untuk fluida kerja yang menggunakan logam cair, sistem ini disebut Magneto Hidro Dinamika Logam Cair (Liquid Metal Magneto Hydro Dynamic, LMMHD). Secara praktis, generator MHD berarti pembangkit tenaga listrik dengan melewatkan fluida yang mempunyai hantaran listrik pada medan magnet. Dikenal dua macam siklus generator MHD yang penting, yaitu : 1) Siklus terbuka 2) Siklus tertutup
2.2.1. Generator MHD Siklus Terbuka Pada generator MHD siklus terbuka bahan bakar fosil seperti gas alam, minyak bumi atau batu bara dibakar didalam ruang pembakaran dengan dicampur udara panas yang bertekanan (diperkaya dengan oksigen). Untuk menaikkan konduktivitas fluida, ditambahkan pula benih-benih logam (seed), biasanya berupa partikel-partikel kecil dari logam Potasium atau Cesium seperti dapat dilihat pada gambar 2.2.
5
Gambar 2.2. Skema generator MHD siklus terbuka Hasil
pembakaran
di
dalam
ruang
pembakaran
mengakibatkan
temperatur yang tinggi, yaitu ± 2773 oK. Akibat temperatur yang tinggi, fluida akan mengembang secara pesat dan terjadi perbedaan tekanan, sehingga fluida tersebut meninggalkan ruang pembakaran dengan kecepatan tinggi menuju kanal MHD yang bermedan magnet, sambil membangkitkan arus listrik. Pada sistem siklus terbuka, fluida kerjanya setelah melewati kanal dibuang keudara bebas. Tetapi karena fluida tersebut masih mengandung partikel-partikel logam yang berharga, maka partikel-partikel logam tersebut dipisahkan dari gas buang dan digunakan kembali oleh pembibitan ulang. Sebelum fluida dibuang ke udara, maka harus mengalami fase pembersihan dari berbagai bahan kimia, agar pengotoran itu tidak turut terbuang melalui cerobong dan menggangu lingkungan. Pencemaran bahan kimia dari suatu pusat listrik, umumnya terdiri atas senyawa gas NO dan SO2. Oleh karena pembangkit MHD bekerja pada suhu yang tinggi, maka gas NO ini akan mengkatalisasi gas SO2, Sehingga berubah menjadi senyawa SO3 yang relatif lebih mudah untuk diuraikan. Zat-zat keluaran tersebut aman terhadap lingkungan karena zat-zat keluaran yang ditimbulkan oleh pembangkit MHD siklus terbuka relatif lebih kecil dibandingkan dengan pembangkit konvensional lainnya.
6
2.2.2. Generator MHD Siklus Tertutup Generator MHD siklus tertutup terbagi menjadi dua, ditinjau dari fluida kerja yang digunakannya, yaitu yang menggunakan benda gas (plasma) dan yang menggunakan benda cair (logam cair). Generator MHD siklus tertutup mempunyai tingkat efisiensi yang tinggi, seperti diperlihatkan pada gambar 2.3 dibawah ini, sebuah blok diagram sistem pembangkit listrik MHD siklus tertutup.
Gambar 2.3. Blok Diagram Sistem Pembangkit Listrik MHD Siklus Tertutup
2.2.2.1. Generator MHD Plasma Jenis generator MHD siklus tertutup plasma dapat menggunakan fluida kerja berupa gas mulia (neon, argon, helium) ditambah dengan logam alkali yang mudah meng-ion seperti potasium atau cessium. Susunan ini dapat dilihat pada gambar 2.4.
7
Gambar 2.4. Skema generator MHD siklus tertutup Fluida dipanaskan sampai temperatur ± 1773 oK, akibat temperatur yang tinggi ini, fluida akan mengembang secara pesat dan terjadi perbedaan tekanan, akhirnya dengan sendirinya fluida mengalir memasuki kanal MHD. Di dalam kanal yang bermedan magnet akan terjadi interaksi terhadap fluida, dimana pada dua sisi kanal ini dipasang sepasang elektroda (positif dan negatif). Sesuai dengan hukum Faraday, maka pada sepasang elektroda itu akan timbul gaya gerak listrik (ggl). Bila elektroda ini dihubungkan pada suatu rangkaian tertutup maka akan menghasilkan arus listrik. Setelah meninggalkan kanal, gas diberi kesempatan untuk berkondensasi dan menjadi dingin, kemudian dipompa kembali ke ruang pemanasan untuk mengulangi proses yang sama. Keuntungan siklus tertutup adalah bahwa temperatur kerjanya lebih rendah dibandingkan dengan siklus terbuka. Suhu ini sangat penting karena tidak banyak material yang dapat memenuhi suhu tinggi untuk dipakai pada proses generator MHD.
2.2.2.2. Generator MHD Dengan Logam Cair Sistem MHD yang menggunakan cairan logam, sering disebut MHD logam cair (Liquid Metal Magneto Hidro Dinamics, LMMHD), Pembangkit MHD logam cair prinsipnya berdasarkan pemisahan dari dua fungsi fluida kerja,
8
dimana gas atau uap digunakan sebagai fluida termodinamika pada konversi energi panas menjadi energi kinetik dan logam cair digunakan sebagai konduktor listrik pada konversi energi kinetik menjadi energi listrik. Pembangkit MHD logam cair mempunyai ciri-ciri sebagai berikut : 1) Memindahkan panas ke cairan dan mengkonversikan bagian cairan menjadi uap, kemudian uap tersebut dikembalikan ke kondensor 2) Mengkonversikan energi panas dari uap menjadi energi kinetik pada cairan 3) Mengkonversikan dari cairan menjadi energi listrik
2.3. GENERATOR MHD SKALA BESAR Dilihat dari bagaimana panas dibangkitkan, kemungkinan susunan pembangkit Magneto Hidro Dinamika (MHD) yang diterapkan pada Pusat Tenaga Listrik (PTE) skala besar dapat dibagi dalam beberapa kelompok, yaitu bahan bakar fosil dan bahan bakar nuklir sebagai pembangkit siklus tertutup dan generator MHD logam cair dengan siklus tertutup. Dalam hal ini tentu ada beberapa kelompok generator MHD dengan siklus terbuka namun tidak dibahas. Semua pembangkit-pembangkit ini dibuat dengan sistem siklus kombinasi (Combine Cycle) dengan pembangkit-pembangkit konvensional lainnya, terutama mendayagunakan keluaran generator MHD yang masih mempunyai temperatur yang tinggi.
2.3.1. Generator MHD Bahan Bakar Fosil 2.3.1.1. Generator MHD Siklus Tertutup Jenis Westinghouse Pada tahun 1961 Kerrebrock menjelaskan bahwa gejala kenaikan temperatur
elektron
dapat
diinduksikan
oleh
pemanasan
Joule
untuk
mempertinggi konduktivitas plasma. Peristiwa ini akhirnya diberi nama
9
Kerrebrock Effect. Semenjak itu generator MHD yang tidak seimbang (non equilibrium) mendapat perhatian yang cukup besar. Beberapa ilmuan terkemuka meneruskan penelitian Kerrebrock seperti Velikhov dan Dykline, Kruger dan Evans, Brederlow dan Witle dan lain-lain. Hasilnya peristiwa turbulensi plasma alam yang terinduksi oleh ionisasi tak stabil jadi lebih dimengerti. Semua penelitian tersebut umumnya dimotivasi oleh harapan di kemudian hari dimana generator MHD akan menemukan kegunaannya dalam pembangkit daya berskala besar. Generator MHD yang hanya mengkonversikan energi kalor menjadi energi listrik kemudian harus bisa di integrasikan dalam sistem pembangkit daya lengkap meliputi : sebuah sumber kalor, sebuah alat pemutar cairan MHD dalam rangkaian tertutup dan penghilang kalor. Untuk pembangkit daya beban dasar efisiensi dan pertimbangan ekonomi mengharuskan generator
MHD
dikombinasikan
dengan
pembangkit
dasar
lain
yang
menghasilkan daya tambahan dan mengurangi panas yang dibuang ke lingkungan. Tujuan dari generator MHD dari Westinghouse kerja siklus tertutup ini adalah untuk mempelajari kemungkinan dengan sumber kalor berbahan bakar fosil, yang panasnya dibangkitkan oleh batu bara atau bahan bakar yang berasal dari batu bara. Salah
satu
studi
pembangkit
daya
kombinasi
yang
dihasilkan
diperlihatkan pada skema gambar 2.5. Pada gambar tersebut terlihat ada tiga loop tertutup yang melayani tiga fungsi yang berbeda. Sebelah kiri adalah loop pemanas luar tempat batu bara digaskan untuk menghasilkan gas Btu rendah. Gas yang dihasilkan mempunyai nilai sekitar 5,35 MJ/Kg (2300 Btu/lb) pada temperatur 794 oK dibakar dalam ruang pembakar yang dibuat bersatu dengan daerah temperatur tinggi penukar kalor (Heat Exchanger) utama, HX1. Bagian temperatur tinggi terdiri atas unit-unit belahan yang disusun tipe aliran periodik. Belahan-belahan ini dirancang tidak hanya untuk memanaskan aliran gas MHD tetapi juga untuk memberikan tidak lebih dari 300 ppm kemurnian gas.
10
Gambar 2.5. Pembangkitan daya kombinasi generator MHD gas lembam, siklus tertutup
Hal ini perlu karena kemurnian gas yang terlalu tinggi akan mengganggu mekanisme ionisasi yang tidak seimbang. Loop yang ditengah pada gambar 2.5 adalah loop MHD yang cairan kerjanya adalah Argon dibibiti dengan Cesium, gas kemudian mengalir melalui generator MHD yang menggunakan tipe segmen Faraday. Generator MHD dikelilingi oleh magnet super konduktor yang mampu menghasilkan magnet dengan rapat fluks 5 Tesla atau 6 Tesla dalam saluran generator. Keluaran arus searah dari generator diubah dalam bentuk bolak-balik dengan peralatan inverter. Gas meninggalkan generator MHD dengan segera memasuki penyebar (diffuser) tempat gas dilambatkan sehingga berkecepatan dibawah suara (sub sonic). Setelah dari penyebar (diffuser), gas mengalir melalui penukar kalor HX2, yang benar-benar generator uap, bukan tipe bakar. HX2 juga menerima
11
kalor dalam bentuk airtekan kalor yang digunakan untuk saling mendinginkan antara dua tingkat kompresor Argon untuk mendinginkan saluran generator MHD, dan untuk mendinginkan inverter DC/AC. Loop sebelah kanan pada gambar 2.5 adalah loop uap. Uap yang dihasilkan dalam HX2 digunakan untuk menjalankan 24,31 Mpa/811 Kkal turbin pembangkit yang kemudian menghasilkan daya. Beberapa daya yang dihasilkan dipakai untuk menjalankan penekan (kompresor) Argon. Sisanya dikonversikan dalam bentuk energi listrik. Daya ini akan ditambah dari daya yang didapat dari inverter bolak-balik dari generator MHD, menghasilkan total pembangkitan sekitar 1000 MW. 542 MW diantaranya berasal dari pembangkitan dasar turbogenerator, tetapi sebagian besar digunakan untuk menggerakkan dua buah kompresor, sehingga turbo-generator hanya memberikan 14 MW.
2.3.1.2. Generator MHD Siklus Tertutup Jenis General Electric Dalam sistem siklus tertutup, seperti namanya, generator MHD mensirkulasikan cairan dalam loop tertutup. Panas masukan dari cairan kerja kemudian dilewatkan dalam masukan penukar kalor
tidak melalui ruang
pembakaran. Karena cairan kerja bukan hasil pembakaran, terdapat sifat yang lebih fleksibel dalam memilih cairan kerja pembangkit, dan Helium atau Argon biasanya ditambahkan dengan Cesium bukan dengan Potassium sebagai material bibit. Meskipun pembangkit gas lembam siklus tertutup ini lebih berdaya guna sebagai alat pembersih daya pada siklus puncak yang lebih rendah 1922 oK dari MHD siklus terbuka 2756 oK, sistem ini masih menyediakan tantangan-tantangan teknik yang besar. Masukan penukar kalor merupakan salah satu masalah yang sulit dalam pembangunannya, karena bekerja pada temperatur tertinggi pada siklusnya. Ditambah lagi cairan kerja harus dijaga bebas dari pencemaran agar tidak mempengaruhi konduktivitas. Kestabilan aliran listrik pada generator juga menjadi salah satu masalah karena gas sebagai pemegang utama medan listrik mendekati kondisi breakdown.
12
Desain dan perkiraan biaya sistem MHD gas lembam siklus tertutup ini dibuat dengan kerja sama antara General Electric, Foster Wheeler dan Bachtel. Pembagian kerja masing-masing sebagai berikut : a. General Electrik Company, membuat penyimpan masukan penukar kalor mulut pipa, generator penyebar MHD magnet superkonduktor, peralatan inversi listrik turbin / kompresor uap, dan penukar kalor membentuk sistem pendingin awal Argon. b. Foster Wheeler Corporation, membuat peralatan bantu penanganan batu bara, generator uap sistem pembakaran. c. Bechtel
Corporation,
membuat
menara
pendingin
dan
neraca
pembangkitan. Jenis sistem MHD gas lembam siklus tertutup pada gambar 2.6 adalah siklus utama berbahan bakar semi bersih yang berasal dari batu bara 600 MW dan generator yang lebih besar bernominal 1200 MW. Dimana bahan bakarnya diproses pada tekanan permukaan udara luar dan gas pembakarannya disalurkan ke penyimpan penukar kalor yang kemudian ditransfer menjadi energi masukan ke aliran Argon yang digunakan sebagai cairan kerja generator MHD. Pada siklus utama (toping cycle) mulut pipa, generator, penyebar MHD beroperasi sesuai dengan ekivalen turbo-generator gas siklus brayton sederhana. Lorong mulut pipa, generator, penyebar mulut pipa mempercepat pemusatan kemudian menyebar. Material masukan generator adalah Argon pada 1922 oK, 10 Atm dengan 0,15% Cesium yang disuntikan pada aliran generator. Kemudian, Argon memberikan kalor ke air peloloh dan uap ke temperatur gas pada 401 oK. Dari 401 oK ke 229 oK, gas didinginkan dalam penghilang kalor ke menara pendingin basah. Hampir semua bibit Cesium (0,15 %) akan diembunkan dalam pemanas ketel air peloloh uap. Sekitar 70 % dari cesium mengembun ketika temperatur Argon dari 589 oK ke 506 oK. Cesium sisa dipindahkan oleh pengurangan temperatur Argon tersebut berjumlah 20 ppm. Embun Cesium dikumpulkan dalam reservoir, dipompa, kemudian dimurnikan
13
dalam penyaring dan dimasukkan kembali pada saluran energi keseluruhan mencapai 32,4 %.
Gambar 2.6 Pembangkit MHD siklus tertutup gas lembam siklus utama
2.3.2. Generator MHD Logam Cair 2.3.2.1. Jenis Westinghouse Pada generator sistem logam cair, penekanan diletakan pada pembakaran batu bara langsung yang dirancang menggunakan dua aliran penuh gelombang Sodium dan Argon dalam generator MHD dan pembangkitan dasar uap Rankine. Dua siklus dipelajari berhubungan dengan temperatur Argon yang temperaturnya 922 oK dan 1092 oK pada saluran masukan.
14
Dari sistem penekanan pada dua komponen aliran penuh gelembung Sodium dan Argon adalah 8,27 Mpa yang dikembangkan menjadi sekitar 2,76 Mpa didalam saluran sistem, cairan logam dan gas kemudian dipisahkan. Argon memberikan pemanas ke pemanas super (superheat), pemanas kembali (reheat) dan membangkitkan uap, dan ke pemanas awal (preheat) yaitu pembakaran udara. Kemudian ditekan dan dilewatkan melalui pemanas bakar dimana temperaturnya dainaikan lagi menjadi 1089 oK. Dalam menganalisa
keseluruhan sistem, faktor yang mempengaruhi
efisiensi saluran MHD secara langsung adalah, kompresor, pompa, dan rugi-rugi tekanan dihubungkan dengan besar aliran cairan logam. Bidang-bidang ini benarbenar tidak tentu, khususnya komponen-komponen ukuran besar yang dibutuhkan dalam operasi komersial. Perbedaan ongkos untuk pembakaran dan pemasangan komponen penukar kalor cukup besar, sistem penekanan mendekati 35 % ongkos modal kapital. Dengan pemasangan saluran MHD berefisiensi 80 %, efisiensi pompa 90 %, efisiensi pembangkitan uap dasar 45 %, efisiensi 1089 oK siklus kombinasi cairan logam dengan uap adalah 43 %, kerumitan dan tingginya ongkos pembangkit ($ 1165/kW) menghasilkan ongkos lebih besar dari 12,5 mills/MJ (45 mills/kWh). Ongkos pembangkitan yang lebih rendah dapat dicapai dengan menurunkan temperatur siklus puncak, tetapi efisiensi keseluruhan akan turun juga. Pembangkit daya kombinasi batu bara bakar langsung dengan MHD logam cair mendapat perhatian dalam pembahasan. Gambar 2.7 menunjukan skema pembangkit jenis kasus dasar ini. Komponen penting pada loop MHD adalah pencampur (mixer), lorong MHD (termasuk magnet super konduktor), mulut saluran pemisah (nozzleseparator) dan pompa cairan logam utama. Komponen loop besar lainnya meliputi penekan kompresor Argon dan penukar kalor (heat exchanger) antar muka. Tidak termasuk dalam skema tetapi mencakupi dan juga memakan ongkos yang cukup besar adalah peralatan konversi daya (inverter, transformer
15
dan
circuit breaker) dan sistem bantu logam cair (seperti pembersih, tempat
pembuangan darurat dan penyimpanan). Siklus MHD tipe Brayton beroperasi dengan mencampur gas masukan dengan logam cair pada tekanan tinggi untuk membentuk gelembung, aliran yang bersifat homogeneous. Fraksi hampa awal cairan ini mendekati 65 %. Campuran kemudian diteruskan di dalam saluran MHD, tempat gas diusahakan berkembang sepanjang saluran sambil membawa logam cair. Interaksi antara cairan logam yang mengalir dengan medan megnetik menghasilkan medan listrik yang diinginkan. Dalam saluran MHD, phasa gas dikembangkan beberapa tingkat sehingga
menghasilkan campuran dua phasa
dengan kehampaan 85 %. Keluaran dari saluran dipercepat,
campuran
tersebut
kemudian
tempat dua komponen
dipisahkan
dengan
perbedaan
momentum. Kedua komponen tersebut kemudian diproses secara terpisah melalui sistem dan kemudian nantinya dicampur kembali menjadi masukan saluran MHD. Sebelum dicampur lagi, logam cair dipompa kembali ke masukan saluran MHD bagian atas pada kondisi 8,274 Mpa. Ada tiga metode pemompaan logam cair, antara lain 1.
Pompa mekanik sentrifugal konvensional
2.
Pompa elektro magnetic
3.
Mulut pipa (nozzle) dan penyebar (diffuser) dua phasa. Rancangan generator uap sebagai pembangkit dassar tidak menggunakan
sari uap untuk memberi pemanasan, tetapi menggunakan pemanas julang air (feed water) Argon sebagai penggantinya. Oleh sebab itu penampilan generator uap lebih rendah tetapi penampilan secara keseluruhan lebih tinggi karena peralatan penghilang kalor pada sisi LMMHD akan dengan sendirinya menghasilkan bahan baku pemanas julang air tersebut.
16
2.3.2.2. Jenis General Electric Sistem MHD logam cair siklus tertutup yang dibuat oleh General Electric sama seperti sistem MHD gas lembam siklus tertutup dalam pengulangan kembali cairan kerja generator dan kebutuhannya pada sebuah
penukar kalor yang
beroperasi dengan temperautr siklus utama, selain itu juga mempunyai perbedaan dalam mendapatkan konduktivitas listrik dalam cairan kerjanya dibandingkan logam cair, dimana konduktivitas listrik tidak tergantung pada temperatur cairannya. Banyak cara telah diusahakan untuk menggunakan konduktivitas cairan logam dalam pembangkit daya MHD, salah satunya yang paling baik dan juga paling sederhana adalah dengan menekan dan memanaskan pada temperatur siklus utama 978 oK aliran logam dalam masukan penukar kalor. Cairan logam tersebut kemudian dialirkan memasuki generator MHD tempat tekanan dan mungkin juga panas gas berupa Helium disuntikkan dalam bentuk gelombang dispersi uniform yang menempati lebih dari setengah volume aliran. Gelembung dan aliran mengalir bersama sebagai campuran dua phasa melalui generator dengan medan listriknya. Cairan menyediakan konduktivitas listrik yang diperlukan dan karena mempunyai kapasitas kalor yang lebih tinggi dari gelembung, maka temperatur gas dijaga mendekati
uniform ketika
gelembung-gelembung mengembang melalui generator. Gelembung menyediakan kemampuan ditekan yang diperlukan untuk mengkonversikan panas menjadi energi arah gerak dalam mesin gelombang. Setelah meninggalkan generator MHD, gas dan gelembung dipisahkan oleh aliran, kemudian didaur ulang langsung pada penukar kalor dan energi kalor dalam gas dipindahkan ke siklus dasar sebelum ditekan kembali masuk ke generator. Generator MHD logam cair siklus tertutup ini lebih mudah daripada sistem gas lembam. Hal ini untuk menutupi kelemahan-kelemahan yang menghasilkan tegangan keluaran rendah, masalah efisiensi berhubungan dengan rugi-rugi daya pendaur ulangan logam cair, masalah titik jepit dalam pembangkit uap pemindah kalor ke siklus dasar dan masalah ongkos yang berhubungan
17
dengan sirkulasi dan proses penggunaan empat cairan kerja (Gas pembakaran, Helium, Logam cair dan Uap).
Gambar 2.7. Skema aliran daya pembangkit untuk kasus dasar Perancangan dan perkiraan biaya sistem MHD logam cair siklus tertutup didapat dari hasil kerja sama antara Argone National Laboratory, Foster Wheeler Energy Corporation, Becthel Coporation dan General Electric Company. Dengan pembagian kerja sebagai berikut : a. Argon National Laboratory, membuat pencampur, generator, pemisah MHD dan magnet super konduktor. b. Foster Wheeler Corporation, membuat peralatan bantu penanganan batu bara, permukaan unggun tercair (fluidized-bed) luar, pemanas awal udara, ketel uap dan pembersih gas panas untuk turbin gas. c. Becthel
Corporation,
membuat
menara
pendingin
dan
neraca
pembangkitan.
18
d. General Electric Company, membuat peralatan inversi listrik, turbin uap, penekan helium, gas pembakaran dan turbin helium, pembersih helium, pendingin awal helium, pompa cairan logam, peralatan gasifikasi batu bara dan koordinasi pekerjaan. Dari hasil kerja sama yang dilakukan oleh beberapa perusahaan listrik ini, menghasilkan beberapa sistem MHD logam cair siklus tertutup, antara lain : 1. Unggun tercair bakar (fluidized-bed) 2. Permukaan tekan (pressurized furnace) dan unggun tercair ditekan bakar (pressurized fluidized-bed fired). Masing-masing sistem meliputi pengembangan-pengembangan dari berbagai variasi parametrik sehingga menghasilkan efisiensi dan ongkos yang beragam. Dari gambar 2.8 menunjukan pembangkit MHD logam cair siklus tertutup yang mempunyai tingkat daya nominal 600 MW. Tidak seperti tipe sistem MHD lainnya, sistem logam cair ini adalah yang terbaik bila ditempatkan pada rapat fluks magnetik yang relatif rendah, daya keluaran yang rendah. Sistem 600 MW (nominal) yang mempunyai 13 atau 14 generator beroperasi mekanik secara peralel tetapi secara listrik yang terpasang seri dan masing-masing menghasilkan 15 MW pada 20 sampai 35 Volt. Rapat fluks magnetik sekitar 1 sampai 2 Tesla. Efisiensi thermodinamika sistem ini berkisar antara 43 % sampai 47 % dan efisiensi keseluruhan 34 % sampai 39 %.
19
Gambar 2.8. Pembangkit MHD logam cair siklus tertutup
2.3.3. Generator MHD Bahan Bakar Nuklir Pembangkit daya MHD dengan bahan bakar nuklir umumnya digunakan pada pembangkit dengan siklus tertutup. Agar pembangkit tenaga MHD nuklir siklus tertutup dapat digunakan pada stasiun pusat pembangkitan tenaga, maka reaktor temperatur tinggi harus dibangun dengan operasi yang ekonomis, handal dan mampu menaikkan temperatur sampai 2300 oK dalam jangka waktu yang lama. Kesulitan besar yang dihadapi dalam pembangunan reaktor ini adalah penggunaan elemen bahan bakar padat yang memenuhi kebutuhan ini. Studi-studi yang telah dilakukan akhir-akhir ini menunjukan bahwa pembangkit tenaga dengan reaktor berinti gas menggunakan siklus MHD uap mempunyai efesiensi potensial yang tinggi dengan harga siklus bahan bakar rendah dan perbandingan pembiakan (breeding) lebih besar dari 1.
20
Sebagai tambahan sistem MHD reaktor gas menawarkan keuntungankeuntungan lain seperti mempunyai efesiensi yang relatif tinggi dan daya spesifik yang tinggi. Reaktor akan dioperasikan dengan bagian tengah diisi gas U-233 dicampur dengan Hidrogen, dikelilingi oleh bagian berisi gas hidrogen yang didalamnya dibentuk lubang berbentuk bola. Tidak seperti reaktor roket inti gas, daya reaktor menggunakan gas hidrogen timbul dari dalam inti gas. Campuran gas meninggalkan inti pada temperatur rata-rata 4000 oK. Hal ini menunjukan bahwa reaktor melalui sebuah lapisan pendingin di bawah kecepatan suara keluar dibagian bawah inti, dan memasuki saluran MHD melalui mulut pipa pendingin. Tekanan dalam reaktor dapat mencapai beberapa ratus atmosfir. Seperti yang ditunjukan pada gambar 2.9 generator MHD pada sistem ini mempunyai tekanan yang tinggi dengan daya per unit volume yang juga tinggi. Lapisan keramik elektroda panas adalah lapisan yang diinginkan oleh hidrogen pada temperatur sekitar 2000 oK, agar tersedia beberapa dinding pendingin dan untuk menjaga elektroda dari percikan Uranium yang tidak dikehendaki. Karena saluran generator MHD relatif kecil dibandingkan dengan tekanan yang begitu tinggi, peralatan medan magnetik dikurangi sampai di bawah harga yang umumnya dibuat pada generator MHD konvensional. Sebagai contoh untuk pembangkitan sebesar 3600 MW luas saluran dalam adalah 0,13 ft 2, untuk perbandingan tekanan 10 dan 1 menggunakan magnet kriogenik dengan medan magnet sebesar 8 Tesla. Setelah memasuki saluran MHD, percikan Uranium dipisahkan dari gas Hidrogen oleh empat buah pemisah (separator) type cyclone. Uranium yang telah mencair tersebut dikumpulkan pada bagian dasar pemisah, kemudian dipompa oleh pompa elektromagnetik kembali kedalam reaktor uranium yang bebas dari gas hidrogen ditiupkan kedalam unit penekan (kompresor) pada turbin. Hidrogen dari tiap-tiap separator yang memuai setelah memasuki turbin di dinginkan dalam penukar kalor (heat exchanger) sodium ke hidrogen memasuki penekan tingkat pertama, didinginkan kembali oleh penukar kalor tingkat kedua sebelum
21
memasuki penekan tingkat kedua dandidinginkan kembali sebelum ke penekan terakhir. Sodium cair yang dipanaskan oleh hidrogen dalam penukar kalor, didaur melalui generator uap. Dalam sistem yang telah dipertimbangkan, dua generator uap digunakan dengan masing-masing unit penekan turbin. Keuntungan utama menggunakan penekan turbin bertingkat dan pembangkit uap adalah
karena
kegagalan satu unit dari sistem hanya menghilangkan 25 % kapasitas pembangkitan total. Siklus termodinamika pembangkitan dianalisa dengan memperhatikan tekanan operasi dalam reaktor sebesar 200 atmosfir dan temperatur keluaran reaktor 4000 oK. Untuk pembangkit reaktor listrik 3600 MW, kecepatan hidrogen mengalir adalah 34 Kg/dtk. Temperatur masukan saluran MHD adalah 3450 oK. Konduktivitas listrik rata-rata gas dalam saluran diperkirakan sekitar 43 mho/meter. Hasil pembangunan generator MHD adalah 0,23 Mwe untuk tiap MW thermal daya keluaran. Untuk turbin dengan daya penurunan tekanan 15 ke 1, turbin diperkirakan menyaerap 0,31 MW tiap MW thermal, sehingga secara teoritis dapat menghasilkan efesiensi daur keseluruhan adalah sekitar 73 %.
Gambar 2.9 Siklus sederhana gabungan pembangkit berbahan Nuklir, MHD, turbin gas dan tenaga uap
22
BAB III KESIMPULAN
Dengan meningkatnya industri-industri belakangan ini, maka kebutuhan listrik juga semakin meningkat. Maka dalam situasi seperti ini, pastilah kebutuhan energi sudah jadi hal yang mutlak diperlukan untuk menjalankan industri-industri tersebut. Ini berarti kapasitas daya tambahan yang diperlukan terutama dalam tahun-tahun ke depan sangatlah tinggi, maka daripada itu, untuk menjawab tantangan tersebut kita harus menggunakan energi yang dapat terbarukan yang efisien dan seminimal mungkin tidak merusak lingkungan sekitar kita. Maka jawaban dari semua itu adalah energi non konvensional. Solusi energi tersebut adalah dengan menggunakan pembangkit energi listrik dengan teknologi MHD (Magneto Hidro Dinamika). Teknologi ini mempunyai tingkat efisiensi yang tinggi, dapat menghasilkan daya yang besar, dan cukup ramah lingkungan, yang diharapkan nantinya teknologi ini dapat menggantikan teknologi-teknologi konvensional yang sudah ada pada saat ini. Selain itu, kemajuan yang signifikan yang telah dibuat dalam pengembangan semua komponen kritis dalam sistem teknologi MHD dapat menjanjikan keuntungan ekonomi yang tinggi. Maka dari hal itu, kiranya tidak akan lama lagi jika teknologi MHD ini akan mengubah dirinya dari non-konvensional ke sumber energi konvensional.
23
DAFTAR PUSTAKA
http://www.dropyourenergibill.com/archives/1820 diunduh pada tanggal 30 Nopember 2011. http://www.mpoweruk.com/mhd_generator.htm diunduh pada tanggal 30 Nopember 2011. http://Magnetohydrodynamic (MHD) « Tanoto Information Centre_files/ diunduh pada tanggal 1 Desember 2011. http://apa itu magnetohydrodynamic - Forum Sains Indonesia_files/ diunduh pada tanggal 1 Desember 2011. PC_MHD.pdf diunduh pada tanggal 1 Desember 2011. surendro, hagni.2007. Energi alternatif.pdf diunduh pada tanggal 1 Desember 2011.
24
KONVERSI ENERGI ELEKTRIK MAGNETO HIDRO DINAMIKA
Disusun Oleh: BAGUS ILYAS SETIAWAN (0810630007) DWI ARYO PORBADI (0810633044) YUDHISTIRA NUGRAHADI (0810633090) FERDY HENDRAWAN (0810633051) MUDENG, VICKY VENDY (105060300111037)
KEMENTRIAN PENDIDIKAN NASIONAL UNIVERSITAS BRAWIJAYA FAKULTAS TEKNIK JURUSAN ELEKTRO 2011
25
