1

A. KONSEP DASAR KONVERSI ENERGI

a. Energi

Energi adalah sesuatu yang diperlukan untuk melakukan suatu kegiatan,

dalam pengertiannya energi ini bisa berarti sangat luas. jika kita membicarakan energi

berarti banyak sekali sumber energi yang timbul dalam pikiran kita. Menurut

sumbernya energi terbagi 2 yaitu:

1. Renewable energi

2. Non-renewable energi

1. Renewable energi

Renewable energi adalah sumber energi yang dapat diperbarui/dapat

dihasilkan kembali dalam jangka waktu yang relatif tidak lama,contoh:air,angin,sinar

matahari,dll.

air merupakan sumber energi yang tidak terbatas ketersediaannya,ini dikarenakan air

mengalami siklus jadi jumlah air yang ada di bumi ini tetap.

2.Non renewable energi

Non renewable energi adalah sumber energi yang tidak dapat

diperbaharui/membutuhkan waktu relatif yang sangat lama untuk dihasilkan

kembali,contoh:minyak bumi,batu bara,gas bumi,dll. Minyak bumi merupakan

timbunan dari fosil yang telah terpendam jutaan tahun yang lalu dan melalui proses

alam sehinnga menghasilkan minyak bumi sehingga ketersediannya terbatas.

b. Konversi Energi

Konversi energi adalah proses perubahan energi dari energi yang satu ke

energi yang lain biasanya melalui media perantara. contoh: pembangkit listrik tenaga

lombang laut,penggunaan gelombang laut pembangkit listrik memiliki banyak

keuntungan daripada penggunaan sumber energi angin atau matahari karena wilayah

2

laut indonesia sangat potensial,ketersediaan dan kerapatan energinya,serta

penggunaan gelombang laut tidak menyebabkan polusi yang berlebihan. menurut

penelitian negara-negara maju energi gelombang laut ini menggunakan pasang surut

air laut untuk menggerakan turbin kemudian dari turbin ke gearbox diteruskan ke

generatordan terakhir ke pembangkit listrik dan juga penggunaan gelombang laut pun

relatif murah.tetapi masih terdapat kelemahan akibat goyangan ombak dan masih

dalam tahap penelitian.

c. Sistem Konversi Energi dalam Suatu Sistem

Energi dalam suatu sistem tertentu dapat dirubah menjadi usaha, artinya

kalau energi itu dimasukkan ke dalam sistem dan dapat mengembang untuk

menghasilkan usaha. Sebagai contoh sistem konversi energi, apabila bahan bakar

bensin (premium) yang dimasukkan ke dalam silinder mesin konversi energi jenis

motor pembakaran dalam, misalnya sepeda motor. Energi (C8H18/iso-oktan atau

nilai kalor) yang tersimpan sebagai ikatan atom dalam molekul bensin/premium

dilepas pada waktu terjadi pembakaran dalam silinder, hasil pembakaran ini ditransfer

menjadi energi panas/kalor.

Energi panas yang dihasilkan ini akan mendorong torak/piston yang ada

dalam silinder, akibatnya torak/piston akan bergerak. Bergeraknya torak/piston terjadi

transformasi energi, yaitu dari energi panas menjadi energi kinetik. Selanjutnya

energi kinetik ditransfer menjadi energi mekanik yang menghasilkan usaha (kerja).

Kerja yang merupakan hasil kemampuan dari sistem yang berguna bagi kepentingan

manusia, yaitu dapat berpindah dari satu tempat ke tempat lain yang jauh jaraknya.

Macam-macam Energi

a. Energi Mekanik

Energi yang tersimpan dalam energi kinetik atau energi potensial dan dapat

ditransisi atau transfer untuk menghasilkan usaha/kerja.

3

b. Energi Listrik

Energi yang berkaitan dengan akumulasi arus elektron dan bentuk transisi

atau transfernya adalah aliran elektron melalui konduktor jenis tertentu. Energi listrik

dapat disimpan sebagai energi medan elektrostatis dan merupakan energi yang

berkaitan dengan medan listrik akibat terakumulasinya muatan elektron pada pelat-

pelat kapasitor. Energi medan listrik ekivalen dengan energi medan elektromagnetis

yang sama dengan energi yang berkaitan dengan medan magnet yang timbul akibat

aliran elektron melalui kumparan induksi.

c. Energi Kimia

Energi yang keluar sebagai hasil interaksi elektron di mana dua atau lebih

atom/molekul berkombinasi sehingga menghasilkan senyawa kimia yang stabil.

Energi kimia hanya dapat terjadi dalam bentuk energi tersimpan. Bila energi dilepas

dalam suatu reaksi maka reaksinya disebut reaksi eksotermis yang dinyatakan dalam

kJ, BTU, atau kkal. Bila dalam reaksi kimia energinya terserap maka disebut dengan

reaksi endotermis. Sumber energi bahan bakar yang sangat penting bagi manusia

adalah reaksi kimia eksotermis yang pada umumnya disebut reaksi pembakaran.

Reaksi pembakaran melibatkan oksidasi dari bahan bakar fosil.

d. Energi Nuklir

Energi nuklir adalah energi dalam bentuk energi tersimpan yang dapat

dilepas akibat interaksi partikel dengan atau di dalam inti atom. Energi ini dilepas

sebagai hasil usaha partikel-partikel untuk memperoleh kondisi yang lebih stabil.

Satuan yang digunakan adalah juta-an elektron reaksi. Reaksi nuklir dapat terjadi

pada peluluhan radioaktif, fisi, dan fusi.

e. Energi Termal (Panas)

Merupakan bentuk energi dasar di mana dalam kata lain adalah semua energi

yang dapat dikonversikan secara penuh menjadi energi panas. Sebaliknya,

4

pengonversian dari energi termal ke energi lain dibatasi oleh hukum Thermodinamika

II. Bentuk energi transisi dan energi termal adalah energi panas (kalor), dapat pula

dalam bentuk energi tersimpan sebagai kalor laten atau kalor sensibel yang berupa

entalpi.

B. SUMBER DAYA ENERGI

Sumber energi merupakan tempat muncul atau timbulnya energi yang dapat

dimanfaatkan untuk kehidupan manusia dipermukaan bumi. Sumber energi dapat

dibedakan sebagai berikut:

1. Berasal dari bumi (terresterial),

2. Berasal dari luar bumi (extra terresterial),

3. Berdasarkan sifatnya.

Sumber energi dari bumi dapat dikategorikan jenis renewable atau non-

depleted dan non-renewable atau depleted energy. Sumber energi yang renewable

atau dapat didaur ulang, misalnya kayu, biomassa, biogas. Sumber energi dari luar

bumi bersifat tidak habis atau non-depleted energy resource, misalnya energi surya

dan energi sinar kosmis. Sedangkan energi yang sifatnya tidak bisa diperbaharui atau

dapat habis (non-renewable atau depleted energy) adalah minyak bumi (mineral),

baru bara, dan gas alam.

5

Sumber-sumber Energi yang Dapat Habis (Non-Renewable/Depleted Energy

Resources). Sumber-sumber energi yang dapat habis dan langka daur ulang yang

berasal dari bumi (terresterial) adalah sumber-sumber energi konvesional yang pada

umumnya merupakan energi tambang atau energi fosil yang berasal dari perut bumi,

seperti minyak bumi, gas, batu bara, dan energi nuklir.

1) Sumber energi fosil

Energi fosil tersimpan dalam bentuk bahan bakar minyak, batu bara, dan

gas. Bahan bakar ini berasal dari fosil-fosil yang telah terbenam dalam perut bumi

miliyaran tahun yang silam, ada yang mengatakan minyak dan gas berasal dari fosil-

fosil binatang laut dan binatang darat, sedangkan batu bara dari fosil-fosil kayu-kayu.

Bahan bakar fosil ini diperoleh dengan jalan menambang dari dalam perut bumi,

minyak dan gas melalui pengeboran, sedangkan batu bara diperoleh melalui

pengalian permukaan atau dalam tanah.

6

Bahan bakar minyak diperkirakan akan habis pada akhir abad ke XXI. Gas

alam diprediksi oleh para ahli akan habis kurang lebih 100 tahun lagi, sedangkan

cadangan batu bara akan habis lebih kurang 200 sampai 300 tahun yang akan datang.

Ketiga jenis bahan bakar fosil tersebut dikategorikan sebagai energi yang kurang

akrab lingkungan karena kadar polusinya cukup tinggi. Kadar CO2 semakin

meningkat akhir-akhir ini, menyebabkan suhu udara menjadi meningkat,

mengakibatkan sebagian es di kutub mencair dan tinggi permukaan laut terus

meningkat yang lambat laun akan mengakibatkan banjir besar di kota-kota yang

berada di tepi pantai di seluruh dunia.

2) Sumber energi nuklir

Sumber energi ini merupakan sumber energi hasil tambang lainnya yang

termasuk jenis logam non-ferro. Energi nuklir dapat dibudidayakan melalui proses

fisi dan fusi. Energi nuklir walaupun bersih, tetapi mengandung resiko bahaya radiasi

yang dapat mematikan sehingga pengelolaannya harus ekstra hati-hati dan juga

memelukan modal yang besar untuk investasi awal.

- Sumber-sumber Energi yang Dapat Didaur Ulang (Renewable/Non-Depleted

Energy Resources)

- Di sini ada dua jenis energi, yaitu energi yang dapat didaur ulang (renewable

energy) dan energi yang tidak habis sepanjang masa (non-depleted energy). Energi

yang dapat didaur ulang berasal dari bumi, antara lain biomassa, biogas, kayu bakar,

dll. Energi tidak habis sepanjang masa dari bumi (terreterial), panas bumi, air laut,

dan angin, sedangkan dari luar bumi, adalah energi matahari/surya.

1) Biomassa

Biomassa adalah proses daur ulang melalui fotosintesis di mana energi surya

memegang peranan. Daun menyerap energi surya untuk proses pertumbuhannya dan

mengeluarkan gas CO2. Energi surya yang diserap tumbuh-tumbuhan diproses

menjadi energi kimia sebagai energi dalam bentuk tersimpan.

7

Tumbuh-tumbuhan tersebut akan mengeluarkan energi tersimpan-nya pada

proses pengeringan maupun saat dibakar langsung. Dapat pula melalui proses untuk

menghasilkan bahan bakar yang cukup potensial, seperti etanol, metana, atau gas

lainnya, dan bahan bakar dalam bentuk cair (minyak nabati). Nilai kalor/bakar dari

tumbuh-tumbuhan kering dapat mencapai 4800 kkal/kg. Beberapa proses konversi

dari biomassa menjadi bahan bakar, adalah melalui:

1. Proses Pirolisa

2. Proses Hidrogasifikasi

3. Proses Hidrogenisasi

4. Proses Distalasi Distrutif

5. Proses Hidrolisa Asam

Bahan bakar hasil dari proses biomassa, dikenal dengan istilah bahan bakar

alternatif. Contoh bahan bakar alternatif ini, adalah:

a) Buah Bitanggul yang bernama latin Umpilum, sebagai salah satu bahan baku

membuat energi alternatif. Biji buah bitanggul bisa menghasilkan biodiesel.

Mulanya biji buah Bitanggul dijemur seharian hingga kering. Setelah itu

dibungkus dengan kertas saring. Setelah didiamkan dalam sejam, lalu

dimasukkan ke dalam tabung. Setelah itu, biji buah bitanggul yang telah

dibungkus dalam kertas diberi cairan Petrolium eter. Air yang menetes dari

kertas saring tersebut sudah menjadi biodiesel. Air yang berwarna merah

tersebut, lalu diuapkan agar berubah menjadi warna kuning bening agar

terlihat seperti solar. "Lima buah Bitanggul dapat menjadi 25 mililiter solar

dalam waktu dua jam,"

b) Buah jarak merupakan tanaman yang sudah tidak asing bagi masyarakat

Indonesia. Tanaman ini digunakan sebagai bahan bakar pesawat Jepang saat

menjajah Indonesia pada 1942 sampai 1945. Hampir semua bagian tanaman

ini bisa dimanfaatkan. Kandungan minyak jarak mempunyai rendemen

8

minyak (trigliserida) dalam inti biji sekitar 55 persen atau 33 persen dari berat

total biji.

c) Jagung menjadi alternatif yang penting sebagai bahan baku pembuatan

ethanol (bahan pencampur BBM). Karenanya, kebutuhan terhadap komoditas

ini pada masa mendatang diperkirakan mengalami peningkatan yang

signifikan.Bioetanol (C2H5OH) adalah cairan biokimia dari proses fermentasi

gula dari sumber karbohidrat menggunakan bantuan mikroorganisme.

Produksi bioethanol ini mencakup 3 (tiga) rangkaian proses, yaitu: Persiapan

Bahan baku, Fermentasi, dan Pemurnian.

2) Gas bio (Biogas)

Gas Bio (Biogas), adalah sumber energi yang bersih dan murah. Diproduksi

dari kotoran hewan dan sampah busuk melalui proses anaerobik melalui kegiatan

mikrobial aorganisme. Gas yang diperoleh mengandung 70 persen gas metan. Suatu

sistem gas bio terdiri dari:

1. Tanki pencampur

2. Pencerna (digester)

3. Tanki penyimpan gas

4. Pembakar gas

5. Kotoran hewan/sampah busuk sebagai bahan baku

Adapun proses terjadinya (diproduksinya) gas bio tersebut, adalah sebagai

berikut: Kotoran hewan (lembu)/sampah busuk dicampur dengan air, dimasukkan ke

dalam tanki pencampur, diaduk sampai rata sehingga membentuk lumpur kotoran

yang biasa disebut dengan slurry yang kemudian dimasukkan ke dalam digester untuk

menghasilkan gas bio. Gas yang terbentuk dikumpulkan dan disimpan dalam tanki

penyimpan gas. Suatu estimasi kasar memberikan gambaran bahwa kebutuhan

masak-memasak dengan gas bio untuk konsumsi 30 orang, memerlukan 30 m gas

per hari dengan kebutuhan kotoran binatang ternak seberat 200 kg yang dapat

dihasilkan oleh lebih kurang 40 ekor lembu.

9

3) Air

Air adalah sumber energi yang dapat didaur ulang yang dapat dibedakan

menurut tenaga air (hydropower). Suatu energi air penggerak turbin bergantung

kepada energi potensial air pada suatu ketinggian tertentu. Energi potensial air

dikonversikan menjadi energi mekanis melalui sebuah turbin yang kemudian

dikonversikan kembali ke dalam bentuk energi listrik melalui sebuah generator listrik.

Daya keluaran dari pusat listrik tenaga air bergantung dari aliran massa air yang

mengalir dan ketinggi jatuhnya air. Indonesia memiliki potensi tenaga air yang cukup

besar. Penggunaan potensi tenaga air skala kecil dan menengah mulai dikembangkan

dan digalakkan akhir-akhir ini untuk menghasilkan pusat tenaga mini dan mikrohidro

di daerah-daerah yang potensi sumber energi airnya tidak terlampau besar. Sumber

energi air dapat digolongkan sebagai bagian dari sumber energi surya. Hal ini

mengingat keberadaan air berasal dari proses penguapan air laut melalui radiasi sinar

matahari. Hasilnya berakumulasi menjadi gumpalan awan tebal yang mengandung

uap air untuk kemudian berubah menjadi air hujan. Air hujan ditampung dalam

bendungan-bendungan sebagai sumber energi air yang berpotensial tinggi.

4) Energi gelombang laut

Merupakan sumber energi yang berasal dari gelombang laut yang

dikonversikan melalui sistem mekanisme torak yang bekerja maju mundur mengikuti

irama gerak gelombang laut. Beberapa sistem energi gelombang laut sedang

dikembangkan dan akan menjadi alternatif untuk menghasilkan energi listrik.

5) Energi pasang surut

Sumber energi yang diperoleh dari adanya perbedaan air laut pada saat

pasang dan surut. Di dunia ini terdapat daerah-daerah yang mempunyai perbedaan

pasang-surut yang cukup signifikan, yaitu lebih dari 10 meter. Selisih ketinggian

tersebut cukup potensial untuk menggerakkan turbin air berskala besar dengan

10

ketinggian jatuh yang rendah, tetapi dapat menghasilkan tenaga listrik dengan daya

besar sampai ratusan megawatt.

6) Energi gradien suhu

Sumber energi yang berasal dari perbedaan suhu air laut di permukaan dan

pada ke dalaman laut tertentu. Perbedaan suhu ini dimanfaatkan untuk menghasilkan

sistem konversi energi. Gradien suhu air laut yang dikenal dengan istilah OTEC

(Ocean Thermal Energy Conversion). Teknik energi gradien suhu memanfaatkan

suhu permukaan air laut yang diperoleh dari panas akibat pancaran matahari, jadi

boleh dikatakan bahwa energi gradien suhu sebagai bagian dari energi surya.

7) Energi angin

Merupakan sumber energi yang didapat dari perbedaan tekanan di permukaan

bumi sehingga terjadi aliran udara (angin). Perbedaan itu disebabkan adanya radiasi

matahari yang memanaskan permukaan bumi, akibatnya terjadi perbedaan temperatur

dan rapat massa udara yang berdampak pada perbedaan tekanan udara. Aliran udara

(angin) tersebut dapat dipercepat dengan adanya perputaran bumi pada porosnya

dengan kecepatan putaran konstan.

8) Energi panas bumi

Merupakan energi terresterial yang berlimpah adanya dan dapat

dimanfaatkan sebagai pembangkit tenaga listrik tenaga panas bumi. Secara alami

temperatur bumi meningkat 30C pada kedalaman setiap kilometer kecuali yang

dekat dengan gunung berapi yang aktif, di mana aliran magma yang panas dapat

muncul ke permukaan bumi dengan panas yang mencapai 250C. Temperatur panas

bumi pada kedalaman 25 km dari permukaan bumi dapat mencapai 750C. Secara

ekonomis kedalaman yang ideal untuk eksploitasi sumber panas bumi adalah kurang

dari 10 km dengan temperatur kerja 150 - 300C. Energi panas bumi yang berada

lebih kurang 10 km dari permukaan bumi berdasarkan estimasi mampu memberi

sistem energi panas dengan kapasitas produksi 200 MW selama 10.000 tahun. Energi

panas bumi di daerah Kamojang Jawa Barat berkapasitas 150 MW.

11

9) Energi surya

Merupakan sumber energi yang berlimpah ruah, bersih, bebas polusi, dan

tidak akan habis sepanjang masa. Energi surya adalah energi di luar bumi (extra

terresterial energy) yang dapat dimanfaatkan melalui konversi langsung, seperti pada

fotovoltaik dan secara tidak langsung melalui pusat listrik tenaga surya.

Mesin Konversi Energi

Mesin konversi energi adalah mesin-mesin yang dapat mentranfer suatu

energi ke dalam bentuk energi lain. Mesin konversi energi dapat dibagi menjadi dua

kelompok, yaitu:

- Mesin Konversi Energi Konvensional

- Mesin Konversi Energi Non-konvensional

a. Mesin Konversi Energi Konvensional

Mesin konversi energi konvensional umumnya menggunakan sumber energi

konvensional yang tidak terbarui, kecuali untuk turbin hidropower. Mesin konversi

energi konvensional dapat diklasifikasi menjadi motor pembakaran, mesin-mesin

fluida, dan mesin pendingin.

12

b. Mesin Konversi Energi Non-konvensional

Mesin-mesin yang memanfaatkan sumber energi Terrestrial dan Extra

Terrterial yang berasal dari alam. Ada beberapa jenis Mesin konversi energi non-

konvensional; sistem pembangkit tenaga panas bumi, sistem pembangkit energi

surya, pesawat pengkonversi tenaga angin (wind power), pesawat pengkonversi

energi termal samudra (OTEC), pesawat pengkonversi energi pasang-surut, sistem

pembangkit energi gelombang laut, pembangkit uap energi nuklir, dan pesawat

magneto hydro dynamics (MHD)

C. KLASIFIKASI MESIN KONVERSI ENERGI

Mesin-mesin konversi energi secara sederhana dapat diklasifikasikan menjadi

dua, yaitu mesin konversi energi konvensional dan mesin energi konversi non-

konvensional. Mesin konversi energi konvensional umumnya menggunakan sumber

energi konvensional yang tidak terbarui, kecuali turbin hidropower, dan umumnya

dapat diklasifikasikan menjadi motor pembakaran dalam, motor pembakaran luar,

mesin-mesin fluida, dan mesin pendingin dan pengkondisian udara. Mesin konversi

energi non-konvensial umumya menggunakan energi yang dapat diperbarui, kecuali

mesin energi konvensi berbahan dasar nuklir.

Berdasarkan fungsinya :

a. Sebagai Penggerak : motor (motor listrik dan motor bakar, turbin (turbin air,

turbin uap, turbin gas) dan mesin propulsi (turbo jet, turbo fan turbo prop, ram

jet, roket)

b. Sebagai yang digerakkan: pompa ( torak dan pompa kinetik) kompresor (aksial

dan radial), mesin pendingin( kompresi uap, refrigerasi udara dan refrigerasi

absorbsi) dll.

13

D. BAHAN BAKAR MIYAK, GAS DAN BATU BARA

Bahan bakar adalah suatu materi apapun yang bisa diubah menjadi energi.

Biasanya bahan bakar mengandung energi panas yang dapat dilepaskan dan

dimanipulasi. Kebanyakan bahan bakar digunakan manusia melalui proses

pembakaran (reaksi redoks) dimana bahan bakar tersebut akan melepaskan panas

setelah direaksikan dengan oksigen di udara. Proses lain untuk melepaskan energi

dari bahan bakar adalah melalui reaksi eksotermal dan reaksi nuklir (seperti Fisi

nuklir atau Fusi nuklir). Hidrokarbon (termasuk di dalamnya bensin dan solar) sejauh

ini merupakan jenis bahan bakar yang paling sering digunakan manusia. Bahan bakar

lainnya yang bisa dipakai adalah logam radioaktif.

a. Bahan Bakar Miyak

Minyak bumi merupakan campuran dari berbagai macam hidrokarbon, jenis

molekul yang paling sering ditemukan adalah alkana (baik yang rantai lurus maupun

bercabang), sikloalkana, hidrokarbon aromatik, atau senyawa kompleks seperti

aspaltena. Setiap minyak bumi mempunyai keunikan molekulnya masing-masing,

yang diketahui dari bentuk fisik dan ciri-ciri kimia, warna, dan viskositas.

Alkana, juga disebut dengan parafin, adalah hidrokarbon tersaturasi dengan

rantai lurus atau bercabang yang molekulnya hanya mengandung unsur karbon dan

hidrogen dengan rumus umum CnH2n+2. Pada umumnya minyak bumi mengandung 5

sampai 40 atom karbon per molekulnya, meskipun molekul dengan jumlah karbon

lebih sedikit/lebih banyak juga mungkin ada di dalam campuran tersebut.

Alkana dari pentana (C5H12) sampai oktana (C8H18) akan disuling menjadi

bensin, sedangkan alkana jenis nonana (C9H20) sampai heksadekana (C16H34) akan

disuling menjadi diesel, kerosene dan bahan bakar jet). Alkana dengan atom karbon

16 atau lebih akan disuling menjadi oli/pelumas. Alkana dengan jumlah atom karbon

lebih besar lagi, misalnya parafin wax mempunyai 25 atom karbon, dan aspal

mempunyai atom karbon lebih dari 35. Alkana dengan jumlah atom karbon 1 sampai

14

4 akan berbentuk gas dalam suhu ruangan, dan dijual sebagai elpiji (LPG). Di musim

dingin, butana (C4H10), digunakan sebagai bahan campuran pada bensin, karena

tekanan uap butana yang tinggi akan membantu mesin menyala pada musim dingin.

Penggunaan alkana yang lain adalah sebagai pemantik rokok. Di beberapa negara,

propana (C3H8) dapat dicairkan dibawah tekanan sedang, dan digunakan masyarakat

sebagai bahan bakar transportasi maupun memasak.

Sikloalkana, juga dikenal dengan nama naptena, adalah hidrokarbon

tersaturasi yang mempunyai satu atau lebih ikatan rangkap pada karbonnya, dengan

rumus umum CnH2n. Sikloalkana memiliki ciri-ciri yang mirip dengan alkana tapi

memiliki titik didih yang lebih tinggi.

Hidrokarbon aromatik adalah hidrokarbon tidak tersaturasi yang memiliki

satu atau lebih cincin planar karbon-6 yang disebut cincin benzena, dimana atom

hidrogen akan berikatan dengan atom karbon dengan rumus umum CnHn.

Hidrokarbon seperti ini jika dibakar maka akan menimbulkan asap hitam pekat.

Beberapa bersifat karsinogenik.

Semua jenis molekul yang berbeda-beda di atas dipisahkan dengan distilasi

fraksional di tempat pengilangan minyak untuk menghasilkan bensin, bahan bakar jet,

kerosin, dan hidrokarbon lainnya. Contohnya adalah 2,2,4-Trimetilpentana

(isooktana), dipakai sebagai campuran utama dalam bensin, mempunyai rumus kimia

C8H18 dan bereaksi dengan oksigen secara eksotermik:

C8H18(l) + 25 O2(g) 16 CO2(g) + 18 H2O(g) + 10.86 MJ/mol (oktana)

Jumlah dari masing-masing molekul pada minyak bumi dapat diteliti di

laboratorium. Molekul-molekul ini biasanya akan diekstrak di sebuah pelarut,

kemudian akan dipisahkan di kromatografi gas, dan kemudian bisa dideteksi dengan

detektor yang cocok.

Pembakaran yang tidak sempurna dari minyak bumi atau produk hasil

olahannya akan menyebabkan produk sampingan yang beracun. Misalnya, terlalu

sedikit oksigen yang bercampur maka akan menghasilkan karbon monoksida. Karena

15

suhu dan tekanan yang tinggi di dalam mesin kendaraan, maka gas buang yang

dihasilkan oleh mesin biasanya juga mengandung molekul nitrogen oksida yang dapat

menimbulkan asbut.

- Panas Pembakaran

Pada volume yang konstan maka panas pembakaran dari produk minyak bumi

dapat diperkirakan dengan rumus:

Qv = 12,400 2,100d2.

dengan Qv dalam kal/gram dan d adalah gravitasi khusus pada suhu 60 F (16 C).

- Konduktivitas termal

Konduktivitas termal dari cairan-cairan yang berasal dari minyak

bumi dapat dirumuskan sebagai berikut:

0.547

Satuan K adalah BTU hr1

ft2

, t diukur dalam F dan d adalah gravitasi khusus pada

suhu 60 F (16 C).

Struktur kimia dari minya bumi sangatlah heterogen, terdiri dari banyak

rantai hidrokarbon dengan panjang yang berbeda-beda. Maka dari itu, minyak bumi

dibawa ke tempat pengilangan minyak sehingga senyawa-senyawa hidrokarbon ini

bisa dipisahkan dengan teknik distilasi dan proses kimia lainnya. Hasil penyulingan

minyak inilah yang digunakan manusia untuk berbagai macam kebutuhan.

Jenis produk paling umum dari penyulingan minyak bumi adalah bahan

bakar. Jenis-jenis bahan bakar itu antara lain (dilihat dari titik didihnya.

16

Hasil Penyulingan Miyak Bumi

Nama Bahan Baka Titik Didih 0C

Elpiji (LPG) - 40

Butana -12 sampai -1

Bensin -1 sampai 180

Bahan bakar jet 150 sampai 205

Minyak tanah 205 sampai 260

Minyak bakar 205 sampai 290

Diesel 260 sampai 315

- Produk turunan lainnya

Beberapa produk hasil olahan hidrokarbon dapat dicampur dengan senyawa

non-hidrokarbon untuk membentuk senyawa lainnya:

Alkena (olefin), dapat diproduksi menjadi plastik atau senyawa lain.

Pelumas (oli mesin dan gemuk).

Wax, digunakan dalam pengepakan makanan beku.

Sulfur atau Asam sulfat. Merupakan senyawa penting dalam industri.

Tar.

Aspal.

Kokas minyak bumi, digunakan sebagai bahan bakar padat.

Parafin wax.

Petrokimia aromatik, digunakan sebagai campuran pada produksi bahan-

bahan kimia lainnya.

b. Bahan Bakar Gas

Bahan Bakar Gas (BBG) adalah gas bumi yang telah dimurnikan dan aman,

bersih andal, murah, dipakai sebagai bahan bakar kendaraan bermotor. Komposisi

17

BBG sebagian besar terdiri dari gas metana ( CH4) dan etana (C2H6) lebih kurang

90% dan selebihnya adalah gas propana (C3H8), butana (C4H10), pentana (C5H10),

nitrogen dan karbon dioksida. BBG lebih ringan daripada udara dengan berat jenis

sekitar 0,6036 dan mempunyai nilai oktan 120. Agar setiap kendaraan BBG dapat

membawa gas sebanyak mungkin, BBG dimasukkan ke dalam tangki dengan

dimampatkan sekitar 200 bar dan masih berbentuk gas.

- Gas Bumi

Gas bumi atau gas alam bukan saja merupakan gas bakar yang paling

penting, tetapi juga merupakan bahan baku utama untuk berbagai sintesis kimia.

Produk dari gas bumi yang terutama misalnya berbagai hidrokarbon dan LPG.

Dengan semakin naiknya nilai minyak bumi, maka proses pemulihan hasil gas makin

ditingkatkan.

- Gas alam terkompresi

Gas alam terkompresi (Compressed natural gas, CNG) adalah alternatif

bahan bakar selain bensin atau solar. Di Indonesia, kita mengenal CNG sebagai bahan

bakar gas (BBG). Bahan bakar ini dianggap lebih 'bersih' bila dibandingkan dengan

dua bahan bakar minyak karena emisi gas buangnya yang ramah lingkungan. CNG

dibuat dengan melakukan kompresi metana (CH4) yang diekstrak dari gas alam. CNG

disimpan dan didistribusikan dalam bejana tekan, biasanya berbentuk silinder.

Argentina dan Brazil di Amerika Latin adalah dua negara dengan jumlah

kendaraan pengguna CNG terbesar. Konversi ke CNG difasilitasi dengan pemberian

harga yang lebih murah bila dibandingkan dengan bahan bakar cair (bensin dan

solar), peralatan konversi yang dibuat lokal dan infrastruktur distribusi CNG yang

terus berkembang. Sejalan dengan semakin meningkatnya harga minyak dan

kesadaran lingkungan, CNG saat ini mulai digunakan juga untuk kendaraan

penumpang dan truk barang berdaya ringan hingga menengah.

18

- Gas tanur kokas

Gas tanur kokas dihasilkan dari hasil sampingan proses distilasi batubara.

Biasanya gas jenis ini banyak digunakan dalan industri baja.

- Gas produser

Gas produser dihasilkan dengan cara melewatkan udara ke bahan karbon,

misalnya batubara, dan dihasilkan karbon monoksida. Reaksinya eksotermis, dan

dapat dituliskan sebagai berikut:

2C + O2 2CO

Nitrogen dalan udara tidak bereaksi dan larut dalam gas hasil, sehingga

mengakibatkan nilai kalori gas menjadi rendah. Gas jenis ini biasa digunakan untuk

tenaga turbin gas yang memang tidak memerlukan bahan bakar dengan nilai kalori

tinggi, namun sebelumnya tar dari gas harus diambil terlebih dahulu. Gas jenis ini

cukup berguna, namun harus diperhatikan bahwa kandungan karbon monoksidanya

dapat menimbulkan keracunan.

- Gas air (Gas biru) Gas air kadang-kadang disebut juga dengan gas biru karena jika gas ini

dibakar ia akan memberikan nyala yang berwarna biru. Gas ini dihasilkan dari reaksi

antara uap air dengan batubara atau kokas pijar pada suhu di atas 1000 C. Reaksi

yang terjadi adalah:

C + H2O CO + H2

C + 2H2O CO2 + 2H2

Nilai kalori dari gas ini masih rendah, dan biasanya untuk meningkatkannya

ditambahkan minyak yang diatomisasikan ke dalam gas air panas. Hasilnya adalah

berupa gas air berkarburasi dan mempunyai nilai kalor yang lebih tinggi.

19

c. Bahan Bakar Batu Bara

Batu bara atau batubara adalah salah satu bahan bakar fosil. Pengertian

umumnya adalah batuan sedimen yang dapat terbakar, terbentuk dari endapan

organik, utamanya adalah sisa-sisa tumbuhan dan terbentuk melalui proses

pembatubaraan. Unsur-unsur utamanya terdiri dari karbon, hidrogen dan oksigen.

Batu bara juga adalah batuan organik yang memiliki sifat-sifat fisika dan

kimia yang kompleks yang dapat ditemui dalam berbagai bentuk.

Analisa unsur memberikan rumus formula empiris seperti C137H97O9NS untuk

bituminus dan C240H90O4NS untuk antrasit.

- Materi Pembentuk Batu Bara

Hampir seluruh pembentuk batu bara berasal dari tumbuhan. Jenis-jenis

tumbuhan pembentuk batu bara dan umurnya menurut Diessel (1981) adalah sebagai

berikut:

Alga, dari Zaman Pre-kambrium hingga Ordovisium dan bersel tunggal.

Sangat sedikit endapan batu bara dari perioda ini.

Silofita, dari Zaman Silur hingga Devon Tengah, merupakan turunan dari

alga. Sedikit endapan batu bara dari perioda ini.

Pteridofita, umur Devon Atas hingga Karbon Atas. Materi utama pembentuk

batu bara berumur Karbon di Eropa dan Amerika Utara. Tetumbuhan tanpa

bunga dan biji, berkembang biak dengan spora dan tumbuh di iklim hangat.

Gimnospermae, kurun waktu mulai dari Zaman Permian hingga Kapur

Tengah. Tumbuhan heteroseksual, biji terbungkus dalam buah, semisal pinus,

mengandung kadar getah (resin) tinggi. Jenis Pteridospermae seperti

gangamopteris dan glossopteris adalah penyusun utama batu bara Permian

seperti di Australia, India dan Afrika.

20

Angiospermae, dari Zaman Kapur Atas hingga kini. Jenis tumbuhan modern,

buah yang menutupi biji, jantan dan betina dalam satu bunga, kurang bergetah

dibanding gimnospermae sehingga, secara umum, kurang dapat terawetkan.

- Penambangan

Penambangan batu bara adalah penambangan batu bara dari bumi. Batu

bara digunakan sebagai bahan bakar. Batu bara juga dapat digunakan untuk membuat

coke untuk pembuatan baja.

Tambang batu bara tertua terletak di Tower Colliery di Inggris

- Kelas dan jenis batu bara Berdasarkan tingkat proses pembentukannya yang dikontrol oleh tekanan,

panas dan waktu, batu bara umumnya dibagi dalam lima kelas: antrasit, bituminus,

sub-bituminus, lignit dan gambut.

Antrasit adalah kelas batu bara tertinggi, dengan warna hitam berkilauan

(luster) metalik, mengandung antara 86% - 98% unsur karbon (C) dengan

kadar air kurang dari 8%.

Bituminus mengandung 68 - 86% unsur karbon (C) dan berkadar air 8-10%

dari beratnya. Kelas batu bara yang paling banyak ditambang di Australia.

Sub-bituminus mengandung sedikit karbon dan banyak air, dan oleh

karenanya menjadi sumber panas yang kurang efisien dibandingkan dengan

bituminus.

Lignit atau batu bara coklat adalah batu bara yang sangat lunak yang

mengandung air 35-75% dari beratnya.

Gambut, berpori dan memiliki kadar air di atas 75% serta nilai kalori yang

paling rendah.

- Sumber daya batu bara

Potensi sumberdaya batu bara di Indonesia sangat melimpah, terutama di

Pulau Kalimantan dan Pulau Sumatera, sedangkan di daerah lainnya dapat dijumpai

21

batu bara walaupun dalam jumlah kecil dan belum dapat ditentukan

keekonomisannya, seperti di Jawa Barat, Jawa Tengah, Papua, dan Sulawesi.

Di Indonesia, batu bara merupakan bahan bakar utama selain solar (diesel

fuel) yang telah umum digunakan pada banyak industri, dari segi ekonomis batu bara

jauh lebih hemat dibandingkan solar, dengan perbandingan sebagai berikut: Solar Rp

0,74/kilokalori sedangkan batu bara hanya Rp 0,09/kilokalori, (berdasarkan harga

solar industri Rp. 6.200/liter).

Dari segi kuantitas batu bara termasuk cadangan energi fosil terpenting bagi

Indonesia. Jumlahnya sangat berlimpah, mencapai puluhan milyar ton. Jumlah ini

sebenarnya cukup untuk memasok kebutuhan energi listrik hingga ratusan tahun ke

depan. Sayangnya, Indonesia tidak mungkin membakar habis batu bara dan

mengubahnya menjadi energis listrik melalui PLTU. Selain mengotori lingkungan

melalui polutan CO2, SO2, NOx dan CxHy cara ini dinilai kurang efisien dan kurang

memberi nilai tambah tinggi.

Batu bara sebaiknya tidak langsung dibakar, akan lebih bermakna dan efisien

jika dikonversi menjadi migas sintetis, atau bahan petrokimia lain yang bernilai

ekonomi tinggi. Dua cara yang dipertimbangkan dalam hal ini adalah likuifikasi

(pencairan) dan gasifikasi (penyubliman) batu bara.

Membakar batu bara secara langsung (direct burning) telah dikembangkan

teknologinya secara continue, yang bertujuan untuk mencapai efisiensi pembakaran

yang maksimum, cara-cara pembakaran langsung seperti: fixed grate, chain grate,

fluidized bed, pulverized, dan lain-lain, masing-masing mempunyai kelebihan dan

kelemahannya.

E. TURBIN

Turbin adalah sebuah mesin berputar yang mengambil energi dari aliran

fluida. Turbin sederhana memiliki satu bagian yang bergerak, "asembli rotor-blade".

22

Fluida yang bergerak menjadikan baling-baling berputar dan menghasilkan energi

untuk menggerakkan rotor. Contoh turbin awal adalah kincir angin dan roda air.

Sebuah turbin yang bekerja terbalik disebut kompresor atau pompa turbo.

Turbin gas, uap dan air biasanya memiliki "casing" sekitar baling-baling yang

memfokus dan mengontrol fluid. "Casing" dan baling-baling mungkin memiliki

geometri variabel yang dapat membuat operasi efisien untuk beberapa kondisi aliran

fluid.

F. Turbin Gas

Turbin gas adalah sebuah mesin berputar yang mengambil energi dari arus gas

pembakaran. Dia memiliki kompresor naik ke-atas dipasangkan dengan turbin turun

ke-bawah, dan sebuah bilik pembakaran di-tengahnya.

Energi ditambahkan di arus gas di pembakar, di mana udara dicampur

dengan bahan bakar dan dinyalakan. Pembakaran meningkatkan suhu, kecepatan dan

volume dari aliran gas. Kemudian diarahkan melalui sebuah penyebar (nozzle)

melalui baling-baling turbin, memutar turbin dan mentenagai kompresor.

Energi diambil dari bentuk tenaga shaft, udara terkompresi dan dorongan,

dalam segala kombinasi, dan digunakan untuk mentenagai pesawat terbang, kereta,

kapal, generator, dan bahkan tank.

Gambar.Turbin Gas

23

- Teori Operasi

Turbin gas dijelaskan secara termodinamika oleh Siklus Brayton, di mana

udara dikompresi isentropic sekutu, pembakaran terjadi pada tekanan konstan, dan

ekspansi terjadi di turbin isentropically kembali untuk tekanan awal.

Dalam prakteknya, gesekan dan turbulensi menyebabkan:

1. Isentropic non-kompresi: untuk suatu tekanan secara keseluruhan rasio, suhu

pengiriman kompresor lebih tinggi dari ideal.

2. Non-isentropic ekspansi: walaupun penurunan suhu turbin yang diperlukan

untuk menggerakkan kompresor tidak terpengaruh, tekanan terkait rasio lebih

besar, yang mengurangi ekspansi yang tersedia untuk menyediakan kerja yang

bermanfaat.

3. Tekanan kerugian dalam asupan udara, combustor dan knalpot: mengurangi

ekspansi yang tersedia untuk menyediakan kerja yang bermanfaat.

Seperti semua siklus mesin panas s, suhu pembakaran yang lebih tinggi berarti

lebih besar efisiensi. Faktor pembatas adalah kemampuan baja, nikel, keramik, atau

materi lain yang membentuk mesin untuk menahan panas dan tekanan. Teknik cukup

masuk ke bagian turbin menjaga dingin. Kebanyakan turbin juga mencoba untuk

memulihkan knalpot panas, yang sebaliknya adalah energi terbuang. Recuperator s

adalah heat exchanger s yang lulus knalpot panas ke udara terkompresi, sebelum

pembakaran. Gabungan siklus desain lulus limbah panas ke uap turbin sistem. Dan

gabungan panas dan kekuasaan (co-generation) menggunakan limbah panas untuk

produksi air panas.

Mekanis, turbin gas dapat kurang kompleks daripada pembakaran piston

mesin. Sederhana turbin mungkin memiliki satu bergerak bagian: poros / kompresor /

24

turbin / alternatif rotor perakitan (lihat gambar di atas), belum termasuk sistem bahan

bakar. Namun, manufaktur presisi yang diperlukan untuk komponen dan paduan

tahan temperatur yang diperlukan untuk efisiensi yang tinggi sering membuat

pembangunan turbin sederhana lebih rumit daripada mesin piston.

Lebih canggih turbin (seperti yang ditemukan di zaman modern mesin jet)

dapat memiliki beberapa shaft (kelos), ratusan turbin baling, bergerak stator blades,

dan sistem yang luas kompleks pipa, combustors dan penukar panas.

Sebagai aturan umum, semakin kecil mesin semakin tinggi tingkat perputaran

poros (s) yang diperlukan untuk mempertahankan kecepatan tertinggi. Kecepatan

sudu turbin menentukan tekanan maksimum yang dapat diperoleh, hal ini

menghasilkan daya maksimum yang mungkin tergantung pada ukuran mesin. Mesin

jet s beroperasi sekitar 10.000 rpm dan mikro turbin s sekitar 100.000 rpm.

Thrust bantalan s dan jurnal bantalan adalah bagian penting dari desain.

Secara tradisional, mereka telah hidrodinamik minyak bantalan, atau minyak-cooled

bola bantalan s. Bantalan ini sedang dikalahkan oleh foil bantalan s, yang telah

berhasil digunakan dalam turbin mikro dan unit daya tambahan s.

G. Turbin Uap

Turbin uap merupakan suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial

uap menjadi energi kinetik dan energi kinetik ini selanjutnya diubah menjadi energi

mekanis dalam bentuk putaran poros turbin. Poros turbin, lansung atau dengan

bantuan roda gigi reduksi, dihubungkan dengan mekanisme yang akan digerakkan.

Tergantung pada jenis mekanisme yang digunakan, turbin uap dapat digunakan pada

berbagai bidang seperti pada bidang industri, untuk pembangkit tenaga listrik dan

untuk transportasi. Pada proses perubahan energi potensial menjadi energi

mekanisnya yaitu dalam bentuk putaran poros dilakukan dengna berbagai cara.

Turbin uap modern pertama kali dikembangkan oleh Sir Charles Parsons pada

tahun 1884. Pada perkembangannya, turbin uap ini mampu menggantikan peranan

dari kerja mesin uap piston torak. Hal ini disebabkan karena turbin uap memiliki

25

kelebihan berupa efisiensi termal yang besar dan perbandingan berat dengan daya

yang dihasilkan yang cukup tinggi. Pada prosesnya turbin uap menghasilkan gerakan

rotasi, sehingga hal ini sangat cocok digunakan untuk menggerakkan generator listrik.

Pada saat ini, sudah hampir 80% pembangkit listrik diseluruh dunia telah

menggunakan turbin uap.

Secara umum turbin uap dapat digolongkan menjadi tiga macam yaitu turbin

impuls, reaksi dan gabungan. Penggolongan ini berdasarkan cara mendapatkan

perubahan energi potensial menjadi energi kinetik dari semburan uapnya.

Turbin Impuls VS Turbin Reaksi (untuk lebih jelas, klik pada gambar)

Adapun turbin impuls mengubah energi potensial uapnya menjadi energi

kinetik didalam nosel (yang dibentuk oleh sudu-sudu diam yang berdekatan). Nosel

diarahkan kepada sudu gerak. Didalam sudu-sudu gerak, energi kinetik diubah

menjadi energi mekanis. Energi potensial uap berupa ekspansi uap, yang diperoleh

dari perubahan tekanan awal hingga tekanan akhirnya di dalam sebuah nosel atau

dalam satu grup nosel yang ditempatkan didepan sudu-sudu cakram yang berputar.

Penurunan tekanan uap didalam nosel diikuti dengan penurunan kandungan kalornya

26

yang terjadi didalam nosel. Hal ini menyebabkan naiknya kecepatan uap yang keluar

dari nosel (energi kinetik). Kemudian energi kecepatan semburan uap yang keluar

dari nosel yang diarahkan kepada sudu gerak (sudu-sudu cakram yang berputar)

memberikan gaya impuls pada-pada sudu gerak sehingga menyebabkan sudu-sudu

gerak berputar (melakukan kerja mekanis).

Atau bisa dafahami secara sederhana pronsip kerja dari turbin impuls yaitu

turbin yang proses ekspansi lengkap uapnya hanya terjadi pada kanal diam (nosel)

saja, dan energi kecepatan diubah menjadi kerja mekanis pada sudu-sudu turbin.

Kecepatan uap yang keluar dari turbin jenis ini bisa mencapai 1200/detik. Turbin

jenis ini pertama kali dibuat oleh de Laval, yang mana turbin ini mampu beroperasi

pada putaran 30.000rpm. Pada aplikasinya turbin impuls ini dilengkapi dengan roda

gigi reduksi untuk memindahkan momen putar ke mekanisme yang akan digerakkan

seperti generator listrik.

Turbin reaksi yaitu turbin yang ekspansi uapnya tidak hanya terjadi pada

laluan-laluan sudu pengarah (nosel) yang tetap saja tetapi juga terjadi pada laluan

sudu gerak (sudu-sudu cakram yang berputar), sehingga terjadi penurunan

keseluruhan kandungan kalor pada semua tingkat sehingga terdistribusi secara

seragam. Turbin yang jenis ini umumnyan digunakan untuk kepentingan industri.

Kecepatan uap yang mengalir pada turbin (yang biasanyan nekatingkat) lebih rendah

yaitu sekitar 100 200 m/detik.

Gambar. Turbin Uap

27

Prinsip Kerja Turbin Uap

Pada dasarnya prinsip kerja turbin uap sama dengan mesin uap tipe bolak

balik. Bedanya mesin uap tipe bolak balik menggunakan piston, sedangkan turbin uap

menggunakan turbin. Pada mesin uap tipe bolak balik, kalor diubah terlebih dahulu

menjadi energi kinetik translasi piston. Setelah itu energi kinetik translasi piston

diubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar. Nah, pada turbin uap, kalor

langsung diubah menjadi energi kinetik rotasi turbin. Turbin bisa berputar akibat

adanya perbedaan tekanan. Suhu uap sebelah atas bilah jauh lebih besar daripada

suhu uap sebelah bawah bilah (bilah tuh lempeng tipis yang ada di tengah turbin).

Ingat ya, suhu berbading lurus dengan tekanan. Karena suhu uap pada sebelah atas

bilah lebih besar dari suhu uap pada sebelah bawah bilah maka tekanan uap pada

sebelah atas bilah lebih besar daripada tekanan uap pada sebelah bawah bilah.

Adanya perbedaan tekanan menyebabkan si uap mendorong bilah ke bawah sehingga

turbin berputar. Arah putaran turbin tampak seperti gambar di bawah:

Perlu diketahui bahwa prinsip kerja mesin uap didasarkan pada diagram

perpindahan energi yang telah dijelaskan di atas. Dalam hal ini, energi mekanik bisa

dihasilkan apabila kita membiarkan kalor mengalir dari benda atau tempat bersuhu

28

tinggi menuju benda atau tempat bersuhu rendah. Dengan demikian, perbedaan suhu

sangat diperlukan pada mesin uap.

Apa bila kiata perhatikan cara kerja mesin uap tipe bolak balik, tampak

bahwa piston tetap bisa bergerak ke kanan dan ke kiri walaupun tidak ada perbedaan

suhu (tidak ada kondensor dan pompa). Piston bisa bergerak ke kanan akibat adanya

pemuaian uap bersuhu tinggi atau uap bertekanan tinggi. Dalam hal ini, sebagian

kalor pada uap berubah menjadi energi kinetik translasi piston. Energi kinetik

translasi piston kemudian berubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar. Setelah

melakukan setengah putaran, roda akan menekan piston kembali ke kiri. Ketika roda

menekan piston kembali ke kiri, energi kinetik rotasi roda berubah lagi menjadi

energi kinetik translasi piston. Ketika piston bergerak ke kiri, piston mendorong uap

yang ada dalam silinder.

Pada saat yang sama, katup pembuangan terbuka. Dengan demikian, uap

yang didorong piston tadi akan mendorong temannya ada di sebelah bawah katup

pembuangan. Nah, apabila suhu uap yang berada di sebelah bawah katup

pembuangan = suhu uap yang didorong piston, maka semua energi kinetik translasi

piston akan berubah lagi menjadi energi dalam uap. Energi dalam berbanding lurus

dengan suhu. Kalau energi dalam uap bertambah maka suhu uap meningkat. Suhu

berbanding lurus dengan tekanan. Kalau suhu uap meningkat maka tekanan uap juga

meningkat. Dengan demikian, tekanan uap yang dibuang melalui katup pembuangan

= tekanan uap yang masuk melalui katup masukan. Piston akan tetap bergerak ke

kanan dan ke kiri seterusnya tetapi tidak akan ada energi kinetik total yang bisa

dimanfaatkan (tidak ada kerja total yang dihasilkan). Jadi energi kinetik yang

diterima oleh piston selama proses pemuaian (piston bergerak ke kanan) akan

dikembalikan lagi kepada uap selama proses penekanan (piston bergerak ke kiri).

Dari penjelasan panjang lebar dan bertele-tele sebelumnya, kita bisa

menyimpulkan bahwa perbedaan suhu dalam mesin uap tetap diperlukan. Perbedaan

suhu dalam mesin uap bisa diperoleh dengan memanfaatkan kondensor. Ketika suhu

dan tekanan uap yang berada di sebelah bawah katup pembuangan jauh lebih kecil

29

dari pada suhu dan tekanan uap yang berada di dalam silinder, maka ketika si piston

bergerak kembali ke kiri, besarnya tekanan (P = F/A) yang dilakukan piston terhadap

uap jauh lebih kecil daripada besarnya tekanan yang diberikan uap kepada piston

ketika si piston bergerak ke kanan.

Dengan kata lain, besarnya usaha alias kerja yang dilakukan piston terhadap

uap jauh lebih kecil daripada besarnya kerja yang dilakukan uap terhadap piston (W =

Fs). Jadi hanya sebagian kecil energi kinetik piston yang dikembalikan lagi pada uap.

Dengan demikian akan ada energi kinetik total atau kerja total yang dihasilkan.

Energi kinetik total ini yang dipakai untuk menggerakan sesuatu (membangkitkan

listrik ). Pembangkitan energi listrik akan dibahas secara mendalam pada pokok

bahasan listrik dan magnet.

H. Turbin Air

Turbin air adalah sebuah mesin berputar yang mengambil energi kinetik dari

arus air. Turbin air dikembangkan pada awal abad ke-19 dan digunakan secara luas

untuk tenaga industri sebelum adanya jaringan listrik. Sekarang mereka digunakan

untuk pembangkit tenaga listrik. Mereka mengambil sumber energi yang bersih dan

terbaharui.

a. Cara kerja turbin Air

Pemilihan Turbin

Turbin air berperan untuk mengubah energi air (energi potensial, tekanan

dan energi kinetik) menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Putaran

poros turbin ini akan diubah oleh generator menjadi tenaga listrik. Berdasarkan

prinsip kerjanya , turbin air dibagi menjadi dua kelompok:

1. Turbin impuls (cross-flow, pelton & turgo)

Untuk jenis ini, tekanan pada setiap sisi sudu geraknya lrunnernya -

bagian turbin yang berputar - sama.

2. Turbin reaksi ( francis, kaplanlpropeller)

30

Daerah aplikasi berbagai jenis turbin air relatif spesifik. Pada beberapa

daerah operasi memungkinkan digunakan beberapa jenis turbin. Pemilihan

jenis turbin pada daerah operasi yang overlaping ini memerlukan perhitungan

yang lebih mendalam. Pada dasarnya daerah kerja operasi turbin menurut

Keller2 dikelompokkan menjadi:

Low head powerplant: dengan tinggi jatuhan air (head) :S 10 M3

Medium head power plant:: dengan tinggi jatuhan antara low head dan high-head

High head power plant: dengan tinggi jatuhan air yang memenuhi persamaan

H 100 (Q)0-113

dimana, H =head, m Q = desain debit, m 31s

Secara umum hasil survey lapangan mendapatkan potensi pengembangan PLTMH

dengan tinggi jatuhan (head) 6 - 60 m, yang dapat dikattegoirikan pada head rendah

dan medium.

Tabel Daerah Operasi Turbin

Jenis Turbin Variasi Head, m

Kaplan dan Propeller 2 < H < 20

Francis 10 < H < 350

Peiton 50 < H < 1000

Crossfiow 6 < H < 100

Turgo 50 < H < 250

2. Kriteria Pemilihan Jenis Turbin

Pemilihan jenis turbin dapat ditentukan berdasarkan kelebihan dan

kekurangan dari jenis-jenis turbin, khususnya untuk suatu desain yang sangat

spesifik. Pada tahap awal, pemilihan jenis turbin dapat diperhitungkan dengan

mempertimbangkan parameter-parameter khusus yang mempengaruhi sistem operasi

turbin, yaitu :

Faktor tinggi jatuhan air efektif (Net Head) dan debit yang akan dimanfaatkan

untuk operasi turbin merupakan faktor utama yang mempengaruhi pemilihan

31

jenis turbin, sebagai contoh : turbin pelton efektif untuk operasi pada head tinggi,

sementara turbin propeller sangat efektif beroperasi pada head rendah.

Faktor daya (power) yang diinginkan berkaitan dengan head dan debit yang

tersedia.

Kecepatan (putaran) turbin ang akan ditransmisikan ke generator. Sebagai contoh

untuk sistem transmisi direct couple antara generator dengan turbin pada head

rendah, sebuah turbin reaksi (propeller) dapat mencapai putaran yang diinginkan,

sementara turbin pelton dan crossflow berputar sangat lambat (low speed) yang

akan menyebabkan sistem tidak beroperasi.

Ketiga faktor di atas seringkali diekspresikan sebagai "kecepatan spesifik,

Ns", yang didefinisikan dengan formula:

Ns = N x P0.51W .21

dimana :

N = kecepatan putaran turbin, rpm

P = maksimum turbin output, kW

H = head efektif , m

Output turbin dihitung dengan formula:

P=9.81 xQxHx qt (2)

dimana

Q = debit air, m 3 ldetik

H = efektif head, m

ilt = efisiensi turbin

= 0.8 - 0.85 untuk turbin pelton

= 0.8 - 0.9 untuk turbin francis

= 0.7 - 0.8 untuk turbin crossfiow

32

= 0.8 - 0.9 untuk turbin propellerlkaplan

Kecepatan spesifik setiap turbin memiliki kisaran (range) tertentu

berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air adalah

sebagai berikut:

Turbin pelton 12Ns25

TurbinFrancis 60;Ns300

Turbin Crossflow 40Ns200

Turbin Propeller 250Ns 1000

Dengan mengetahui kecepatan spesifik turbin maka perencanaan dan

pemilihan jenis turbin akan menjadi lebih mudah. Beberapa formula yang

dikembangkan dari data eksperimental berbagai jenis turbin dapat digunakan untuk

melakukan estimasi perhitungan kecepatan spesifik turbin, yaitu :

Turbin pelton (1 jet) Ns = 85.49/H0.243

(Siervo & Lugaresi, 1978)

Turbin Francis Ns = 3763/H0.854

(Schweiger & Gregory, 1989)

Turbin Kaplan Ns = 2283/H0.486

(Schweiger & Gregory, 1989)

Turbin Crossfiow Ns = 513.25/H0.505

(Kpordze & Wamick, 1983)

Turbin Propeller Ns = 2702/H0.5

(USBR, 1976)

Dengan mengetahui besaran kecepatan spesifik maka dimensi dasar turbin

dapat diestimasi (diperkirakan).

33

Pada perencanaan PLTMH ini, pilihan turbin yang cocok untuk lokasi yang tersedia

adalah :

1. Turbin propeller tipe open flume untuk head rendah s.d 6 m

2. Turbin crossflow 1 banki-mithell untuk head 6 m < H < 60 m.

Pemilihan jenis turbin tersebut berdasarkan ketersediaian teknologi secara

lokal dan biaya pembuatan/pabrikasi yang lebih murah dibandingkan tipe lainnya

seperti pelton dan francis. Jenis turbin crosstlow yang dipergunakan pada

perencanaart ini adalah crossfiow T-14 dengan diameter runner 0.3 m. Turbin tipe ini

memiliki efisiensi maksimum yang baik sebesar 0.74 dengan efisiensi pada debit 40%

masih cukup tinggi di atas 0.6. Sementara untuk penggunaan turbin propeller open

flume pabrikasi lokal ditetapkan efisiensi turbin sebesar 0.75.

Penggunaan kedua jenis turbin tersebut untuk pembangkit tenaga air skala

mikro (PLTMH), khususnya crossfIlow T-14 telah terbukti handai di lapangan

dibandingkan jenis crossfiow lainnya yang dikembangkan oleh berbagai pihak

(lembaga penelitian, pabrikan, import).

Putaran turbin baik propeller open flume head rendah dan turbin

crossflow memiliki kecepatan yang rendah. Pada sistem mekanik turbin digunakan

transmisi sabuk flatbelt dan pulley untuk menaikkan putaran sehingga sama dengan

putaran generator 1500 rpm. Efisiensi sistem transmisi mekanik flat belt

diperhitungkan 0.98. Sementara pada sistem transmisi mekanik turbin propeller open

flume menggunakan sabuk V, dengan efisiensi 0.95.

34

Diagram Aplikasi berbagai jenis Turbin

(Head Vs Debit)

Tabel Putaran Generator Sinkron (rpm)

Jumlah Pole (kutub) Frekuensi , 50 Hz

2 3000

4 1500

6 1000

8 750

10 600

12 500

14 429

Tabel Run-away speed Turbin, N maks/N

Jenis Turbin Putaran Nominal, N (rpm) Runaway speed

Semi Kaplan, single regulated 75-100 2-2.4

Kaplan, double regulated 75-150 2.8-3.2

Small-medium Kaplan 250-700 2.8-3.2

Francis (medium & high head) 500-1500 1.8-2.2

Francis (low head) 250-500 1.8-2.2

Pelton 500-1500 1.8-2

Crossflow 100-1000 1.8-2

Turgo 600-1000 2

2. Pemilihan Generator dan Sistem Kontrol

Generator adalah suatu peralatan yang berfungsi mengubah energi mekanik

menjadi energi listrik. Jenis generator yang digunakan pada perencanaan PLTMH ini

adalah :

Generator sinkron, sistem eksitasi tanpa sikat (brushless exitation) dengan

penggunaan dua tumpuan bantalan (two bearing).

Induction Motor sebagai Generator (IMAG) sumbu vertikal, pada perencanaan

turbin propeller open flume

35

Spesifikasi generator adalah putaran 1500 rpm, 50 Hz, 3 phasa dengan

keluaran tegangan 220 V/380 V. Efisiensi generator secara umum adalah

Aplikasi < 10 KVA efisiensi 0.7 - 0.8

Aplikasi 10 - 20 KVA efisiensi 0.8 - 0.85

Aplikasi 20 - 50 KVA efisiensi 0.85

Aplikasi 50 - 100 KVA efisiensi 0.85 - 0.9

Aplikasi >. - 100 KVA efisiensi 0.9 - 0.95

Sistem kontrol yang digunakan pada perencanaan PLTMH ini menggunakan

pengaturan beban sehingga jumlah output daya generator selalu sama dengan beban.

Apabila terjadi penurunan beban di konsumen, maka beban tersebut akan dialihkan

ke sistem pemanas udara (air heater) yang dikenal sebagai ballast load/dumy load.

Sistem pengaturan beban yang digunakan pada perencanaan ini adalah

Electronic Load Controller (ELC) untuk penggunaan generator sinkron

Induction Generator Controller (IGC) untuk penggunaan IMA

Sistem kontrol tersebut telah dapat dipabrikasi secara lokal, dan terbukti

handal pada penggunaan di banyak PLTMH. Sistem kontrol ini terintegrasi pada

panel kontrol (switch gear).

Fasillitas operasi panel kontrol minimum terdiri dari

Kontrol start/stop, baik otomatis, semi otomatis, maupun manual

Stop/berhenti secara otomatis

Trip stop (berhenti pada keadaan gangguan: over-under voltage, over-under

frekuensi.

Emergency shut down, bila terjadi gangguan listrik (misal arus lebih)

36

Gambar. Turbin Air

I. PEMBANGKIT UAP

a. Boiler

Boiler adalah sebuah bejana tertutup yang berfungsi untuk mengubah wujud

suatu fluida dari cair menjadi gas. Perubahan wujud tersebut terjadi karena

penambahan kalor. Kalor yang ditambahkan dapat diperoleh dengan cara

pembakaran bahan bakar fosil maupun non fosil, reaksi inti atom, ataupun

merupakan gas buang dari sisa ekspansi turbin gas.

Sampai dengan saat ini secara umum dikenal dua macam jenis boiler yaitu

Fire Tube Boiler (Boiler Tabung Api) dan Water Tube Boiler (Boiler Tabung Air).

Water tube boiler mempunyai efisiensi yang lebih tinggi daripada fire tube boiler,

khususnya yang membutuhkan panas tinggi atau tekanan tinggi, oleh karena itu boiler

jenis ini banyak digunakan oleh industri yang dalam prosesnya membutuhkan

tekanan tinggi.

37

b. Jenis-jenis Boiler

Ada berbagai macam jenis boiler: Berdasarkan tempat fluida mengalir : Fire

tube boiler, Water tube boiler, Berdasarkan proses pembakarannya: Fluidized bed

combustion boiler, Atmospheric fluidized bed combustion boiler, Pressurized

fluidized bed combustion boiler, Circulating fluidized bed combustion boiler, Stoker

fired boiler, Pulverized fuel boiler, Boiler pemanas limbah (Waste heat

boiler), Berdasarkan tekanan kerja: a. Low pressure (2-16 Kg/cm2), Medium pressure

(17-30 Kg/cm2), High pressure (31-140 Kg/cm2), Super high pressure (141-225

Kg/cm2), Super critical pressure (Up to 226 Kg/cm2).

c. Fire Tube Boiler

Pada fire tube boiler, gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan boiler ada

didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Fire tube boilers biasanya digunakan

untuk kapasitas steam yang relative kecil dengan tekanan steamrendah sampai

sedang. Sebagai pedoman, fire tube boilers kompetitif untuk kecepatan steam sampai

12.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2. Fire tube boilers dapat

menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas atau bahan bakar padat dalam

operasinya. Untuk alasan ekonomis, sebagian besar fire tube boilers dikonstruksi

sebagai paket boiler (dirakit oleh pabrik) untuk semua bahan bakar.

d. Water Tube Boiler

Pada water tube boiler, air umpan boiler mengalir melalui pipa-pipa masuk

kedalam drum. Air yang tersirkulasi dipanaskan oleh gas pembakar

membentuksteam pada daerah uap dalam drum. Boiler ini dipilih jika

kebutuhan steam dan tekanan steam sangat tinggi seperti pada kasus boiler untuk

pembangkit tenaga.Water tube boiler yang sangat modern dirancang dengan

kapasitas steam antara 4.500 12.000 kg/jam, dengan tekanan sangat tinggi.

Banyak water tube boilers yang dikonstruksi secara paket jika digunakan bahan bakar

38

minyak bakar dan gas. Untuk water tube yang menggunakan bahan bakar padat, tidak

umum dirancang secara paket.

Karakteristik water tube boilers sebagai berikut:

1. Forced, induced dan balanced draft membantu untuk meningkatkan efisiensi

pembakaran

2. Kurang toleran terhadap kualitas air yang dihasilkan dari plant pengolahan air.

3. Memungkinkan untuk tingkat efisiensi panas yang lebih tinggi.

e. Boiler Pembakaran dengan Fluidized Bed (FBC)

Pembakaran dengan fluidized bed (FBC) muncul sebagai alternatif yang

memungkinkan dan memiliki kelebihan yang cukup berarti dibanding sistim

pembakaran yang konvensional dan memberikan banyak keuntungan rancangan

boiler yang kompak, fleksibel terhadap bahan bakar, efisiensi pembakaran yang

tinggi dan berkurangnya emisi polutan yang merugikan seperti SOx dan NOx. Bahan

bakar yang dapat dibakar dalam boiler ini adalah batubara, barang tolakan dari tempat

pencucian pakaian, sekam padi, bagas & limbah pertanian lainnya. Boiler fluidized

bed memiliki kisaran kapasitas yang luas yaitu antara 0.5 T/jam sampai lebih dari 100

T/jam.

Bila udara atau gas yang terdistribusi secara merata dilewatkan keatas

melaluibed partikel padat seperti pasir yang disangga oleh saringan halus, partikel

tidak akan terganggu pada kecepatan yang rendah. Begitu kecepatan udaranya

berangsur-angsur naik, terbentuklah suatu keadaan dimana partikel tersuspensi dalam

aliran udara bed tersebut disebut terfluidisasikan. Dengan kenaikan kecepatan

udara selanjutnya, terjadi pembentuka gelembung, turbulensi yang kuat, pencampuran

cepat dan pembentukan permukaan bed yang rapat. Bed partikel padat menampilkan

sifat cairan mendidih dan terlihat seperti fluida bed gelembung fluida/ bubbling

fluidized bed.

Jika partikel pasir dalam keadaan terfluidisasikan dipanaskan hingga ke suhu

nyala batubara, dan batubara diinjeksikan secara terus menerus ke bed, batubara akan

39

terbakar dengan cepat dan bed mencapai suhu yang seragam. Pembakaran

dengan fluidized bed (FBC) berlangsung pada suhu sekitar 840OC hingga 950

OC.

Karena suhu ini jauh berada dibawah suhu fusi abu, maka pelelehan abu dan

permasalahan yang terkait didalamnya dapat dihindari. Suhu pembakaran yang lebih

rendah tercapai disebabkan tingginya koefisien perpindahan panas sebagai akibat

pencampuran cepat dalam fluidized bed dan ekstraksi panas yang efektif

dari bed melalui perpindahan panas pada pipa dan dinding bed. Kecepatan gas dicapai

diantara kecepatan fluidisasi minimum dan kecepatan masuk partikel. Hal ini

menjamin operasi bed yang stabil dan menghindari terbawanya partikel dalam jalur

gas.

DASAR TEORI BOILER

a. Boiling

Proses pemanasan air untuk mendapatkan steam merupakan proses yang

sangat umum dilakukan oleh manusia. Secara termodinamika, cukup dengan

menaikkan suhu air tersebut hingga mencapai titik yang diinginkan, hal ini

dibutuhkan energy untuk menaikkan suhu atau merubah fase dari fase liquid menjadi

fase gas. Contoh yang sederhana mengenai ini adalah alat kettle boiler.

Faktor teknis dan ekonomi yang sangat diperhatikan untuk

menghasilkan steamdengan tekanan yang diinginkan adalah seberapa kecil energi

yang dibutuhkan untuk mendapatkan steam yang sesuai.

Ada beberapa hala yang perlu diketahui mengenai boiler

b. Pressure (Tekanan)

Tekanan merupakan faktor penting dalam proses boiler. Tekanan proses

yang diinginkan harus dijaga untuk menjamin kebutuhan steam sesuai tekanan yang

dibutuhkan.

40

c. Temperature (Suhu)

Temperatur adalah panas kerja dalam boiler. Temperatur ini berbanding

lurus dengan tekanan yang dihasilkan. Temperatur dan tekanan ini juga yang

mencerminkan steam yang dihasilkan. Secara umum ada dua jenis steam yang

dihasilkan:

- Saturated steam

Temperature yang dihasilkan segaris dengan tekanan

- Superheated steam

Temperatur yang dihasilkan sesuai dengan design yang direncanakan pada boiler.

d. Kapasitas

Kapasitas adalah kemampuan boiler untuk menghasilkan uap dalam satuan

berat per waktu. Untuk mendapatkan kapasitas boiler, harus mengetahui effisiensi

dari boiler dan jumlah bahan bakar yang digunakan.

Kalor yang diberikan bahan bakar x effisiensi = Kalor yang diterima fluida untuk

menjadi uap

M DH = h (W) HV

Keterangan:

M = Kapasitas, Kg/Jam

DH = Perbedaan entalphy keluar dan masuk, Kcal/Kg

h = Effisiensi, %

W = Berat Bahan Bakar, Kg/Jam

HV = Heating Value, Kcal/Kg

untuk fiber : 2340 Kcal/kg

untuk shell : 3480 Kcal/kg

41

e. Efisiensi

Effisiensi merupakan suatu ukuran efektifitas panas, suatu ukuran persentase

berapa banyak steam yang dihasilkan dalam setiap jumlah bahan bakar yang terbakar.

f. Neraca Panas

Proses dalam boiler tidak lepas dari penyusunan neraca panas. Proses

pembakaran dalam boiler dapat digambarkan dalam gambar neraca energi. Energi

masuk dari proses pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi yang bisa

digunakan untuk untuk berbagai kebutuhan. Dalam proses ini pasti ada kehilangan

energi.

Neraca panas merupakan keseimbangan energi masuk dan yang keluar.

Berikut ilustrasi proses termodinamika.

Sebagai contoh, berikut gambaran kehilangan energi yang mungkin dalam proses

boiler dengan menggunakan bahan bakar batu bara.

Kehilangan energi dalam proses bisa dikategorikan kehilangan yang bisa

dihindari dan yang tidak dapat dihindari. Pengkajian energi harus mengurangi

kehilangan yang dapat dihindari, dengan meningkatkan efisiensi energi. Kehilangan

dapat diminimalisasi:

- Kehilangan panas di gas cerobong.

Udara berlebih diturunkan hingga batas udara minimum dibutuhkan.Suhu gas

cerobong dioptimalkan dengan pemeliharaan yang baik, teknologi boiler yang

baik, dan lain-lain.

- Kehilangan karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam ruang pembakaran,

mengoptimalkan operasi dan pemeliharaan.

- Kehilangan waktu blowdown, pengolahan air umpan yang baik dan daur ulang

kondensat.

- Kehilangan kondensat.

- Kehilangan konveksi dan radiasi ke lingkungan, dikurangi dengan mengisolasi

boiler dengan baik.

42

Q in = Q use + Q loss

g. Blowdown Boiler

Jika air dididihkan dan dihasilkan steam, padatan terlarut yang terdapat

dalam air akan tinggal di boiler. Jika banyak padatan terdapat dalam air umpan,

padatan tersebut akan terpekatkan dan akhirnya akan mencapai suatu tingkat dimana

kelarutannya dalam air akan terlampaui dan akan mengendap dari larutan. Diatas

tingkat konsenrasi tertentu, padatan tersebut mendorong terbentuknya busa dan

menyebabkan terbawanya air ke steam. Endapan juga mengakibatkan terbentunya

kerak di bagian dalam boiler, mengakibatan pemanasan setempat menjadi berlebih

dan akhirnya menyebabkan kegagalan pada pipa boiler. Oleh karena itu penting untuk

mengendalikan tingkat konsentrasi padatan dalam suspensi dan yang terlarut dalam

air yang dididihkan. Hal ini dicapai oleh proses yang disebut blowing down, dimana

sejumlah tertentu volume air dikeluarkan dan secara otomatis diganti dengan air

umpan dengan demikian akan tercapai tingkat optimum total padatan terlarut

(TDS) dalam air boiler dan membuang padatan yang sudah rata keluar dari larutan

dan yang cenderung tinggal pada permukaan boiler. Blowdown penting untuk

melindungi permukaan penukar panas pada boiler. Walau demikian,Blowdown dapat

menjadi sumber kehilangan panas yang cukup berarti, jika dilakukan secara tidak

benar.

h. Blowdown yang sewaktu-waktu/intermittent

Blowdown yang sewaktu-waktu dioperasikan secara manual menggunakan

sebuah kran yang dipasang pada pipa pembuangan pada titik terendah shellboiler

untuk mengurangi parameter (TDS atau konduktivitas, pH, konsentasi Silica dan

Fosfat) dalam batasan yang sudah ditentukan sehingga tidak berpengaruh buruk

terhadap kualitas steam. Jenis blowdown ini juga merupakan metode efektif untuk

membuang padatan yang telah lepas dari larutan dan menempati pipa api dan

permukaan dalam shell boiler. Padablowdown yang sewaktu-waktu, jalur yang

43

berdiameter besar dibuka untuk waktu sesaat, yang didasarkan pada aturan umum

misalnya sekali dalam satushift untuk waktu 2 menit. Blowdown yang sewaktu-

waktu menyebabkan harus ditambahkannya air umpan ke dalam boiler dalam jumlah

besar dan dalam waktu singkat, sehingga membutuhkan pompa air umpan yang lebih

besar daripada jika digunakan blowdown kontinyu. Juga, tingkat TDS akan

bervariasi, sehingga menyebabkan fluktuasi ketinggian air dalam boiler karena

perubahan dalam ukuran gelembung steam dan distribusinya yang setara dengan

perubahan dalam konsentrasi padatan. Juga, sejumlah besar energi panas hilang

karena blowdown yang sewaktu-waktu.

i. Blowdown yang kontinyu

Terdapat pemasukan yang tetap dan konstan sejumlah kecil aliran air boiler kotor,

dengan penggantian aliran masuk air umpan yang tetap dan konstan. Hal ini

menjamin TDS yang konstan dan kemurnian steam pada beban steamtertentu.

Kran blowdown hanya diatur satu kali untuk kondisi tertentu, dan tidak perlu lagi

diatur setiap saat oleh operator. Walaupun sejumlah besar panas diambil dari boiler,

tetapi ada peluang pemanfaatan kembali panas ini dengan mengembuskannya ke flash

tank dan mengasilkan flash steam. Flash steam ini dapat digunakan untuk pemanasan

awal air umpan boiler. Jenis blowdown ini umum digunakan pada boiler bertekanan

tinggi. Residu blowdown yang meninggalkan flash vessel masih mengandung energi

panas yang cukup dan dapat dimanfaatkan kembali dengan me masang sebuah

penukar panas untuk memanaskan air make-up dingin. Sistim pemanfaatan kembali

panas blowdownyang lengkap seperti yang digambarkan dibawah dapat

memanfaatkan hingga 80% energi yang terkandung dalam blowdown, yang dapat

diterapkan pada berbagai ukuran boiler steam dengan waktu

pengembalian modalnya bisa kembali hanya dalam beberapa bulan.

44

j. Keuntungan pengendalian blowdown

Pengendalian blowdown boiler yang baik dapat secara signifikan

menurunkan biaya perlakuan dan operasional yang meliputi:

- Biaya perlakuan awal lebih rendah

- Konsumsi air make-up lebih sedikit

- Waktu penghentian untuk perawatan menjadi berkurang

- Umur pakai boiler meningkat

- Pemakaian bahan kimia untuk pengolahan air umpan menjadi lebih rendah

k. Pengolahan Air Umpan Boiler

Memproduksi steam yang berkualitas tergantung pada pengolahan air yang

benar untuk mengendalikan kemurnian steam, endapan dan korosi. Sebuah boiler

merupakan bagian dari sistim boiler, yang menerima semua bahan pencemar dari

sistim didepannya. Kinerja boiler, efisiensi, dan umur layanan merupakan hasil

langsung dari pemilihan dan pengendalian air umpan yang digunakan dalam boiler.

Jika air umpan masuk ke boiler, kenaikan suhu dan tekanan menyebabkan komponen

air memiliki sifat yang berbeda. Hampir semua komponen dalam air umpan dalam

keadaan terlarut. Walau demik ian, dibawah kondisi panas dan tekanan hampir

seluruh komponen terlarut keluar dari larutan sebagai padatan partikuat, kadang-

kadang dalam bentuk Kristal dan pada waktu yang lain sebagai bentuk amorph. Jika

kelarutan komponen spesifik dalam air terlewati, maka akan terjadi pembentukan

kerak dan endapan. Air boiler harus cukup bebas dari pembentukan endapan padat

supaya terjadi perpindahan panas yang cepat dan efisien dan harus tidak korosif

terhadap logam boiler.

l. Pengendalian endapan

Endapan dalam boiler dapat diakibatkan dari kesadahan air umpan dan hasil

korosi dari sistim kondensat dan air umpan. Kesadahan air umpan dapat terjadi

karena kurangnya sistim pelunakan. Endapan dan korosi menyebabkan kehilangan

45

efisiensi yang dapat menyebabkan kegagalan dalam pipa boiler dan ketidakmampuan

memproduksi steam. Endapan bertindak sebagai isolator dan memperlambat

perpindahan panas. Sejumlah besar endapan diseluruh boiler dapat mengurangi

perpindahan panas yang secara signifikan dapat menurunkan efisiensi boiler.

Berbagai jenis endapan akan mempengaruhi efisiensi boiler secara berbeda-beda,

sehingga sangat penting untuk menganalisis karakteristik endapan. Efek

pengisolasian terhadap endapan menyebabkan naiknya suhu logam boiler dan

mungkin dapat menyebabkan kegagalan pipa karena pemanasan berlebih.

m. Kotoran yang mengakibatkan pengendapan

Bahan kimia yang paling penting dalam air yang mempengaruhi

pembentukan endapan dalam boiler adalah garam kalsium dan magnesium yang

dikenal dengan garam sadah. Kalsium dan magnesium bikarbonat larut dalam air

membentuk larutan basa/alkali dan garam-garam tersebut dikenal dengan kesadahan

alkali. Garam-garam tersebut terurai dengan pemanasan, melepaskan karbon dioksida

dan membentuk lumpur lunak, yang kemudian mengendap. Hal ini disebut dengan

kesadahan sementara kesadahan yang dapat dibuang dengan pendidihan.

Kalsium dan magnesium sulfat, klorida dan nitrat, dll, jika dilarutkan dalam

air secara kimiawi akan menjadi netral dan dikenal dengan kesadahan non-alkali.

Bahan tersebut disebut bahan kimia sadah permanen dan membentuk kerak yang

keras pada permukaan boiler yang sulit dihilangkan. Bahan kimia sadah non-alkali

terlepas dari larutannya karena penurunan daya larut dengan meningkatnya suhu,

dengan pemekatan karena penguapan yang berlangsung dalam boiler, atau dengan

perubahan bahan kimia menjadi senyawa yang kurang larut.

n. Silika

Keberadaan silika dalam air boiler dapat meningkatkan pembentukan kerak

silika yang keras. Silika dapat juga berinteraksi dengan garam kalsium dan

magnesium, membentuk silikat kalsium dan magnesium dengan daya konduktivitas

46

panas yang rendah. Silika dapat meningkatkan endapan pada sirip turbin, setelah

terbawa dalam bentuk tetesan air dalam steam, atau dalam bentuk yang mudah

menguap dalam steam pada tekanan tinggi. Dua jenis utama pengolahan air

boiler adalah pengolahan air internal dan eksternal.

J. POMPA

Pompa adalah alat untuk menggerakan cairan atau adonan. Pompa

menggerakan cairan dari tempat bertekanan rendah ke tempat dengan tekanan yang

lebih tinggi, untuk mengatasi perbedaan tekanan ini maka diperlukan tenaga (energi).

Pompa untuk udara biasa disebut Kompresor, kecuali untuk beberapa aplikasi

bertekanan rendah, seperti di Ventilasi, Pemanas, dan Pendingin ruangan maka

sebutanya menjadi fan atau Penghembus (Blower) .

f. Dasar-Dasar Pompa Sentrifugal Pada industri minyak bumi, sebagian besar pompa yang digunakan dalam

fasilitas gathering station, suatu unit pengumpul fluida dari sumur produksi sebelum

diolah dan dipasarkan, ialah pompa bertipe sentrifugal. Gaya sentrifugal ialah sebuah

gaya yang timbul akibat adanya gerakan sebuah benda atau partikel melalui lintasan

lengkung (melingkar).

Gambar. Pompa Sentrifugal

47

Prinsip-prinsip dasar pompa sentrifugal ialah sebagai berikut:

gaya sentrifugal bekerja pada impeller untuk mendorong fluida ke sisi luar

sehingga kecepatan fluida meningkat

kecepatan fluida yang tinggi diubah oleh casing pompa (volute ataudiffuser)

menjadi tekanan atau head

Selain pompa sentrifugal, industri juga menggunakan pompa tipe positive

displacement. Perbedaan dasar antara pompa sentrifugal dan pompapositive

displacement terletak pada laju alir discharge yang dihasilkan oleh pompa. Laju

alir discharge sebuah pompa sentrifugal bervariasi bergantung pada

besarnya head atau tekanan sedangkan laju alirdischarge pompa positive

displacement adalah tetap dan tidak bergantung pada head-nya.

g. Klasifikasi Pompa Sentrifugal

Pompa sentrifugal diklasifikasikan berdasarkan beberapa kriteria, antara

lain:

1. Bentuk arah aliran yang terjadi di impeller. Aliran fluida dalamimpeller dapat

berupa axial flow, mixed flow, atau radial flow.

2. Bentuk konstruksi dari impeller. Impeller yang digunakan dalam pompa

sentrifugal dapat berupa open impeller, semi-open impeller, atauclose impeller.

3. Banyaknya jumlah suction inlet. Beberapa pompa setrifugal memiliki suction

inlet lebih dari dua buah. Pompa yang memiliki satusuction inlet disebut single-

suction pump sedangkan untuk pompa yang memiliki dua suction

inlet disebut double-suction pump.

4. Banyaknya impeller. Pompa sentrifugal khusus memiliki

beberapaimpeller bersusun. Pompa yang memiliki satu impeller disebut single-

stage pump sedangkan pompa yang memiliki lebih dari

satu impellerdisebut multi-stage pump.

48

h. Kurva Perfomansi Pompa

Kurva performansi bermanfaat untuk menggambarkan beberapa parameter

unjuk kerja dari pompa yang antara lain:

1. Besarnya head terhadap flow rate

2. Besarnya efisiensi terhadap flow rate

3. Besarnya daya yang dibutuhkan terhadap flow rate

4. Besarnya NPSHr terhadap flow rate

5. Besarnya minimum stable continuous flow

i. Sistem Proteksi Pompa

Agar pompa dapat beroperasi dengan baik, terdapat prosedur proteksi

standar yang diterapkan pada pompa sentrifugal. Beberapa standar minimum paling

tidak terdiri dari:

1. Proteksi terhadap aliran balik. Aliran keluaran pompa dilengkapi

dengan check valve yang membuat aliran hanya bisa berjalan satu arah, searah

dengan arah aliran keluaran pompa.

2. Proteksi terhadap overload. Beberapa alat seperti pressure switch low, flow

switch high, dan overload relay pada motor pompa dipasang pada sistem pompa

untuk menghindari overload.

49

3. Proteksi terhadap vibrasi. Vibrasi yang berlebihan akan menggangu kinerja

dan berkemungkinan merusak pompa. Beberapa alat yang ditambahkan untuk

menghindari vibrasi berlebihan ialahvibration switch dan vibration monitor.

4. Proteksi terhadap minimum flow. Peralatan seperti pressure switch high (PSH),

flow switch low (FSL), dan return line yang dilengkapi dengan control valve

dipasang pada sistem pompa untuk melindungi pompa dari kerusakan akibat

tidak terpenuhinya minimum flow.

5. Proteksi terhadap low NPSH available. Apabila pompa tidak memiliki NPSHa

yang cukup, aliran keluaran pompa tidak akan mengalir dan fluida terakumulasi

dalam pompa. Beberapa peralatan safety yang ditambahkan pada sistem pompa

ialah level switch low (LSL) dan pressure switch low (PSL).

K. MOTOR BAKAR

Motor Bakar adalah alat yang merubah energi kimia yang dipunyai bahan

bakar menjadi energimekanis (energi yang dipakai untuk menggerakkan

sesuatu) melalui prosespembakaran.

Motor bakar merupakan salah satu jenis mesin penggerak yang banyak

dipakai Dengan memanfaatkan energi kalor dari proses pembakaran menjadi energi

mekanik. Motor bakar merupakan salah satu jenis mesin kalor yang proses

pembakarannya terjadi dalam motor bakar itu sendiri sehingga gas pembakaran yang

terjadi sekaligus sebagai fluida kerjanya. Mesin yang bekerja dengan cara seperti

tersebut disebut mesin pembakaran dalam. Adapun mesin kalor yang cara

memperoleh energi dengan proses pembakaran di luar disebut mesin pembakaran

luar. Sebagai contoh mesin uap, dimana energi kalor diperoleh dari pembakaran luar,

kemudian dipindahkan ke fluida kerja melalui dinding pemisah.

- Motor Pembakaran Luar

Pada motor pembakaran luar ini, proses pembakaran bahan bakar terjadi di

luar mesin itu, sehingga untuk melaksanakan pembakaran digunakan mesin tersendiri.

50

Panas dari hasil pembakaran bahan bakar tidak langsung diubah menjadi tenaga

gerak, tetapi terlebih dulu melalui media penghantar, baru kemudian diubah menjadi

tenaga mekanik. Misalnya pada ketel uap dan turbin uap.

- Motor Pembakaran Dalam

Pada motor pembakaran dalam, proses pembakaran bahan bakar terjadi di

dalam mesin itu sendiri, sehingga panas dari hasil pembakaran langsung bisa diubah

menjadi tenaga mekanik. Misalnya : pada turbin gas, motor bakar torak dan mesin

propulasi pancar gas.

a. Motor Besnsin

Motor bensin termasuk ke dalam jenis motor bakar torak. Proses pembakaran

bahan bakar dan udara di dalam silinder (internal combustion engine). Motor bakar

bensin dilengkapi dengan busi dan karburator yang membedakanya dengan motor

diesel .

Busi berfungsi untuk membakar campuran udara-bensin yang telah

dimampatkan dengan jalan memberi loncatan api listrik diantara kedua elektrodanya.

Karena itu motor bensin dinamai dengan spark ignitions. Sedangkan karburator

adalah tempat bercampurnya udara dan bensin. Campuran tersebut kemudian masuk

ke dalam silinder yang dinyalakan oleh loncatan bunga api listrik dari busi menjelang

akhir langkah kompresi.

Motor diesel tipe penyalaannya yaitu dengan kompresi, dimana pada langkah

hisap hanya udara yang dimasukkan kedalam ruang bakar dan pada sesaat menjelang

langkah kompresi berakhir bahan bakar disemprotkan dan dengan tekanan dan

temperatur yang tinggi terjadilah pembakaran. Dalam perkembangannya kedua motor

bakar ini sangat banyak digunakan baikitu dikendaraan maupun di aparatus yang lain.

51

Siklus Otto(ideal) pembakaran tersebut dimisalkan dengan pemasukan panas pada

volume konstan.

P T

3 4

4

2 2 3

0 1 1 0

V S

Keterangan grafik

- 0 1 Proses pengisapan udara dan pemasukan bahan bakar dari luar.

- 1 2 Kompresi (Proses Isentropik)

- 2 3 Pemasukan Kalor (Terjadi Pada Tekanan Konstan)

- 3 4 Kerja (Diangap proses Isentropik)

- 4 1 Pengeluaran Kalor pada Volume Konstan).

Daya Poros

Daya poros didefinisikan sebagai momen putar dikalikan dengan kecepatan

putar poros engkol. Daya poros diketahui dari pengukuran, dinamometer-brake

digunakan untuk mengukur momen putar dan tachometer untuk mengukur putaran

poros engkol.

52

Tekanan Efektif Rata rata

Tekanan efektif rata rata didefinisikan sebagai tekanan efektif dari fluida

kerja terhadap torak sepanjang langkahnya untuk menghasilkan kerja persiklus.

Efisiensi Termal

Efisiensi termal menyatakan perbandingan antara daya yang dihasilkan

terhadap jumlah bahan bakar yang diperlukan untuk jangka waktu tertentu.

Efisiensi volumetrik

Efisiensi volumetrik didefinisikan sebagai perbandingan antara laju aliran

udara sebenarnya terhadap laju aliran ideal. Pemakaian bahan bakar dinyatakan dalam

kg/jam, misalkan pemakaian 50cc bahan bakar setiap detik maka jumlah bahan bakar

yang dipakai dalam kg/jam adalah :

mf = t

50. Spgr bahan bakar .

1000

3600 kg/jam

Pemakaian bahan bakar spesifik

Pemakaian bahan bakar spesifik didefinisikan sebagai banyaknya bahan bakar

yang terpakai perjam untuk menghasilkan setiap kW daya motor.

Perbandingan Bahan Bakar-Udara

Untuk menentukan perbandingan perbandingan bahan bakar-udara

digunakan persamaan :

a

f

m

m

A

F

Laju Air Pendingin

Alat ukur ini digunakan untuk mengukur volume aliran air yang masuk

radiator, maka debit aliran air dapat ditentukan :

53

Qa = t

Va

Maka laju massa aliran air :

ma = aa Q . kg/s

dimana :

ma = laju massa air pendingin

a = massa jenis air, kg/m3

Qa = debit aliran air, m3/s

Prinsip keseimbangan energi digunakan untuk mengetahui energi dalam

bentuk panas yang digunakan secara efektif pada suatu sistem. Skema keseimbangan

energi seperti gambar dibawah ini :

b. Motor Bakar Diseal

Motor bakar diesel yang berbeda dengan motor bakar bensin proses

penyalaannya bukan dengan loncatan bunga api listrik. Pada langkah isap hanyalah

Q loss

Hf

Hu

HNe

Hsp

Hgb

54

udara segar yang masuk kedalam silinder. Pada waktu torak hampir mencapai TMA

bahan bakar disemprotkan kedalam silinder.

Terjadilah penyalaanan untuk pembakaran, pada saat udara masuk kedalam silinder

sudah bertemperatur tinggi.

- sistim bahan bakar

Ada tiga sistem yang banyak dipakai dalam penyaluran bahan bakar dari

tangki bahan bakar sampai masuk kedalam silinder pada motor diesel

1. sistem pompa pribadi

2. sistem distribusi dan

3. sistem akumulator

- Prinsip Dasar Motor Diesel Empat Langkah

Mesin empat langkah adalah mesin yang melengkapi satu siklusnya yang

terdiri dari proses kompresi, ekspansi, buang dan hisap selama dua putaran poros

engkol. Prinsip kerja motor diesel empat langkah di gambarkan pada gambar dibawah

ini.

Gambar. Prinsip Kerja Motor Diesel Empat Langkah

55

- Tinjauan Energi Motor Diesel

Motor diesel dapat dipandang sebagai sistem yang menerima energi,

mengubah sebagian energi menjadi kerja dan membuang sebagian energi lain. Aliran

energi masuk berasal dari udara dan bahan bakar. Energi yang hilang berupa energi

thermal yang terbawa oleh gas buang, energi hilang dari radiator dan rugi gesekan,

sehingga volume atur dapat digambarkan seperti gambar dibawah ini

Gambar. Volume Atur Untuk Menganalisa Kerja Maksimum

- Parameter-parameter mesin

Parameter-parameter mesin yang diukur untuk menentukan karakteristik

pengoperasian pada motor bakar diesel

r

a

s

B

Vd

Vc

TDC

BDC

s

Gambar. Sistem Motor Bakar

Siklus Dari Mesin

Gas Buang

Po , To

Udara

Po , To

Bahan Bakar

Po , To

Permukaan

Kontrol Wcv

Qcv

56

Untuk sebuah mesin dengan diameter silinder B , crank offset a , panjang langkah S

dan perputar dengan kecepatan N seperti pada gambar 2.1 maka kecepatan rata-rata

piston adalah ;

pU = 2SN

dimana N