Pembangkit Listrik Skala Kecil

Kebijakan Energi dan Energi Alternatif ISSN 1410-9891

Peningkatan Daya Saing Nasional Melalui Pemanfaatan Sumber Daya Alam untuk Pengembangan Produk dan Energi Alternatif

1

Rancangan Tungku Siklon Batubara Lignit Untuk Cogeneration Pembangkit Listrik Skala Kecil

Supriyatno dan Haifa Wahyu

Pusat Penelitian Fisika Jl. Sangkuriang Kompleks LIPI Bandung

Telp. (022) 2503052, 2507773 E-mail : [email protected], [email protected]

Abstrak

Satu rancangan sistem cogeneration aplikasi turbin generator energi listrik dan panas proses termal diperkenalkan. Spesifikasi teknis turbin untuk pembangkit listrik 64 kW dengan input uap jenuh 4000 kg/h tekanan 18 Bar sedang output kondensatnya bertekanan 4 Bar. Untuk keperluan tersebut telah dirancang pembangkit energi panas tungku siklon boiler siklon yang dikembangkan menggunakan teknik replikasi dari rancangan standar tungku siklon PPF LIPI Serpong berkapasitas bahan bakar batubara lignit 144 kg/h hasil uap 1000 kg/h, tekanan 10 Bar yang mempunyai efisiensi boiler 80 % dimana dimensi ruang bakar tungku lebar 1,2 m, diameter 1,1 m. Hasil rancangan pengembangan untuk tungku siklon boilerdengan kapasitas uap 4000 kg/h tekanan 18 Bar diperlukan jumlah bahan bakar 700 kg/h batubara lignit mempunyai efisiensi boiler sekitar 70 %,dimana dimensi ruang baker tungku siklon lebar menjadi berkisar 1,5 m dan diameter 1,5m. Analisis efisiensi sistem cogen tersebut menggunakan metoda metoda PURPA (Public Regulatory Policies Act) sebagai fasilitas cogen dinilai layak pakai dan hasil hitungan analisis ekonomi waktu biaya balik (SPB) 7,7 tahun

Abstract

As Cogeneration system design plant of electric generation turbine and heat thermal process has been introduced. The technique specification of electric generation turbine power for 64 kW with uap saturated input 4000 kg/h, pressure 18 bar has output steam condensation pressure 4 bar. That cyclone furnace for boiler has been designed by replication technique that based on the cyclone furnace boiler standard of Pusat Penelitian Fisika (PPF) LIPI in Serpong. Its lignite coal capacity 144 kg/h for result steam 1000 kg/h, the pressure 10 bar. The boiler specification have efficiency 80 %., dimension chamber width 1.2 m and diameter 1.1 m. The development design resulted for steam capacity 4000 kg/h and pressure 18 bar, so that the lignite fuel need 700 kg/h, then the chamber dimension become width 1.5 m, diameter 1.5 m and the efficiency about 70 %. Analysis for efficiencies of cogen system used by PURPA (Public Regulatory Policies Ac) that as cogen facility valued good and the result of economic analysis SPB (simple pay period) is 7.7 years.

1. Pendahuluan Grup energi di Pusat Penelitian Fisika LIPI telah berusaha mengembangkan teknik-teknik konversi energi yang efisien, ramah lingkungan dan menggunakan sumberdaya alam lokal. Salah satunya adalah pengembangan tungku siklon-turbulen untuk membakar batubara jenis lignit. Grup tersebut telah berhasil membangun suatu demo plant pembangkit uap jenuh dengan kapasitas 1 ton uap tekanan 10 bar perjam. Pengembangan sistem pembangkit uap menggunakan batubara lignit dimulai dengan disain tungku yang sesuai untuk karakteristik pembakaran batubara kalori rendah tersebut. Disain yang dikembangkan berupa scale up desain untuk membangkitkan uap jenuh sistem pemroses dengan kondisi tekanan uap 10 bar dan suhu 180 oC, dan laju alir 10 ton per jam. Pada pembangkit listrik skala kecil dapat menggunakan boiler dengan tungku pembakaran siklon yang mempunyai kapasitas daya panas relatif lebih besar dari tungku siklon prototipe ini. Sebagai salah satu cara dengan replika atau scale up dari prototipe tungku siklon yang sudah teruji sehingga biaya dalam rancangan desain konstruksi menjadi ekonomis. Teknik replika scale up ini dapat dilakukan berdasarkan konsep teori kesebangunan yaitu suatu cara merubah parameter dimensi suatu alat dengan sistem perkalian berkebalikan antara unsur-unsur parameter dari fungsi benda hasil replika dengan unsur parameter benda yang direplika dimana perbandingannya selalu tetap tidak berubah. Semenjak tahun 2003 kegiatan telah mengarah pada



2

kegiatan utama yaitu scale-up rancangan demo-plant menjadi production-plant untuk pembangkit uap jenuh dalam proses komersial, serta rancangan pembangkitan uap lewat jenuh (uap kering atau superheated steam). Untuk selanjutnya, uap lewat jenuh hasil up-grade ini kemudian digunakan untuk memutar turbin uap yang akan menggerakkan generator listrik untuk menghasilkan energi sekunder dalam bentuk tenaga listrik. Sisa uap dengan tekanan dan temperatur lebih rendah dapat digunakan untuk sistem pemroses (cogeneration). Dengan sistem cogeneration, dimana uap tekanan tinggi digunakan oleh turbin untuk menghasilkan listrik, maka sisa uap sistem yang mempunyai tekanan dan temperatur lebih rendah masih dapat dipakai untuk keperluan proses, sehingga tambahan tungku lagi untuk pembuatan uap dapat dikurangi. Tekanan dan suhu yang keluar dapat diatur sesuai keperluan pabrik. Cogeneration atau disingkat Cogen sebagai suatu sistem pembangkit energi listrik dan energi termal secara bersamaan di terapkan pada instalasi tungku siklon boiler pembangkit listrik skala kecil. Untuk menganalisis efesiensi sistim cogen di gunakan metoda PURPA (Public Regulatory Policies Act) yang masih dianut di Amerika. Efesiensi PURPA adalah suatu angka efisiensi yang dapat menyatakan suatu ketentuan apakah fasilitas cogen mempunyai kelayakan untuk dioperasikan. Analisis ekonomi untuk instalasi cogen dapat dilakukan dengan metoda simple pay back period (SPB). Metoda efesiensi PURPA digunakan untuk menjamin kecukupan energi termal Et yang diproduksi sehingga fasilitas cogen utilitas energi listrik Ee lebih efesien. Dengan analisis kelayakan sederhana dari sistem cogen dilakukan pula perhitungan biaya efektif cogen yang digunakan. Untuk itu diperlukan datadata antara lain tingkat efesiensi dan masingmasing bagian pembangkit energi, harga listrik per kWh, biaya bahan bakar, pekiraan biaya perawatan per jam, asumsi jumlah jam pengoprasian dalam satu tahun dan biaya instalasi per kW. Dengan menghitung perbedaan beda biaya antara sistem konvensional dan cogen yang berbasis jam, maka dapat ditentukan waktu perioda biaya balik dari instalasi cogen tersebut. Untuk analisa sistem cogeneration dan rancangan perangkat yang diperlukan untuk menghasilkan uap sekunder dengan menggunakan parameter pada metoda PURPA Teknik pembakaran batubara jenis lignit melibatkan suhu pembakaran rendah (sekitar 1200 oC) supaya pembentukan molten slag dapat dihindari. Penggunaan batubara sebagai sumber energi alternatif merupakan pilihan yang mempunyai prioritas cukup tinggi karena jumlah cadangan batubara yang masih dapat diandalkan untuk jangka waktu yang relatif lebih lama (> 200 tahun), terutama cadangan batubara kualitas rendah (jenis lignit) yang besarnya 70 % dari jumlah cadangan keseluruhan. Jika jumlah cadangan cukup tinggi maka rasio Reserve:Production (R/P) juga tinggi. Dengan jumlah cadangan minyak bumi Indonesia yang semakin menipis, sedangkan kebutuhan energi primer dan sekunder meningkat terus, maka usaha-usaha untuk mencari energi alternatif pengganti minyak bumi terus dilakukan. Usaha ini termasuk konservasi energi dengan cara meningkatkan efisiensi pemakaian energi dan penggunaan sumber energi alternatif yang mempunyai kriteria R/P yang tinggi. Sasaran Litbang adalah peningkatan kemampuan rancang bangun, scale up dan konstruksi komponen serta plant pembangkit daya, mulai dari tungku hingga turbin, generator dan transformator dengan metode reverse engineering, peningkatan program penelitian dan pengembangan dalam bidang infrastruktur ketenagalistrikan, dan implementasi hasil-hasil riset LIPI.

2. Teori dan Metodologi 2.1. Rancangan Cogen1) Sistem pembangkit cogen menurut PURPA dapat dinyatakan dalam diagram sebagai berikut:

Gambar 1. Sistem Pembangkit Energi Cogeneration Dimana FU : jumlah energi bahan bakar Ee : jumlah energi listrik dihasilkan Et : jumlah energi termal dihasilkan Dimana efesiensi termodinamik sistem dapat dinyatakan :

FU

Ee

Et



3

FUEtEe

total+= (1)

dan sebagai efesiensi, maka PURPA mendefinisikan :

FUEtEe

PURPA2/+= (2)

PURPA menyatakan sistem fasilitas cogen memenuhi standar layak atau qualified (QF), maka sekurang- kurangnya PURPA harus mempunyai nilai :

a) 45% untuk fasilitas cogen dengan fraksi energi termal berguna lebih besar 5%. b) 42,5% untuk fasilitas cogen dengan fraksi energi termal berguna lebih besar 15%.

Untuk menghitung kelayakan biaya fasilitas cogen yang di instalasi, maka biaya pengoprasian cogen dengan berbasis jam sebagai berikut :

anpemeliharabakarbahancogen biayabiayaBiaya += (3) Sedangkan biaya pengoprasian secara konvensional:

bakarbahanEepembangkitalkonvension biayabiayaBiaya += (4) Perbedaan biaya dapat di hitung sebagai berikut:

( ) tahuncogenalkonvensionbiaya operasijamBiayaBiaya = (5) Waktu biaya balik dapa dihitung sebagai berikut :

tahunkWBiaya

SPBBiaya

cogencogen

= (6)

2.2 Metoda Scale up4) Prototipe benda replika dapat digambarkan sebagai suatu fungsi terdiri dari banyak unsur parameter yang mempengaruhi, misalnya unsur dimensi ruang bakar x1, laju bahan bakar x2, beban daya panas keluar x3, suhu pebakaran x4, jenis bahan bakar x5, excess air x6, replika xn atau digambarkan dalam bentuk rumus ( )nXXXF ,..., 211 (7) demikian pula untuk benda hasil replika scale up ( )nXXXF ,..., 212 (8) Konsep teori kesebangunan menyatakan bahwa perbandingan antara hasil perkalian masing-masing unsur benda direplika dan benda hasil replika (scale up) secara berurutan dan berkebalikan akan tetap sama atau sama dengan 1 sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut : 1...

2

1

23

13

12

22

21

11 =

n

nX

XX

XX

XX

X (9)

Dengan asumsi-asumsi beberapa unsur fungsi parameter tersebut di atas dianggap sama, yaitu misalnya : bentuk geometri benda, cara pengoperasian, bahan bakar, Excess air, suhu pembakaran, proses pembakaran stoikiometri, kondisi pengoperasian dan seterusnya, maka rumus (9) dapat disederhanakan untuk keperluan scale up dimensi ruang baker. Untuk memperbesar dimensi tungku siklon batubara, maka nsur-unsur parameter benda hasil replika akan berubah adalah dimensi ruang bakar x21, laju bahan bakar x22 , kapasitas daya panas x23 dan scale up atau replika x24, sehingga rumus kesebangunan scale up menjadi :

114

24

23

13

12

22

21

11 =

X

XX

XX

XX

X (10)



4

Biasanya unsur parameter x11, x12, x13 dan x1n benda direplika sudah diketahui,maka untuk menghitung x22 dan x23 dapat menggunakan metoda perhitungan identik pada F1, yaitu seperti laju bahan bakar dan kapasitas daya panas tungku, sehingga unsur parameter dimensi ruang bakar benda hasil replika x21 dapat diperoleh. 2.3 Rancangan kinerja boiler tungku siklon Tahapan rancangan kinerja boiler energi biomassa berdasarkan metodologi dan teori yaitu terdiri3): Efisiensi sistem boiler sebagai hasil perbandingan antara energi recovery/terambil dari gas pembakaran pada sistem water tube terhadap energi input dari gas pembakaran; dirumuskan sebagai berikut :

%100xQQ

input

recboilersistem

= (1)

dimana :

mimiadginput hWhWQ += (2) ( ) ( )momimoadgrec hhWhhWQ += (3)

dimana : Qrec energi recovery, Wdg berat massa gas pembakaran kering, Wm berat massa moisture, ha entalpi gas pembakaran inlet, ho entalpi gas pembakaran outlet,hmi entalpi moisture inlet, hmo entalpi moisture outlet

Reaksi pembakaran standar digunakan untuk menentukan jumlah produk masa gas pembakaran yang terdiri dari produk gas pembakaran kering (Wdg) dan moisture (H2O) kemudian distandarkan dalam satuan jumlah energi lb/10 Btu. Selanjutnya Nilai kalori bahan bakar mengacu pada nilai kalori metoda pendekatan Dulong (Btu/lb):

SOHCQD 4050)125.0(028.62544.14 22 ++= (4) dimana QD harga energi pendekatan dalam Btu/lb

Bahan bakar (BB) + udara Produk gas pembakaran kering (Wdg) +moisture (H2O) (5)

dimana BB mempunyai elemen fraksi berat c karbon, h hydrogen, s sulfur, o oksigen dan n nitrogen dan kadar abu %A serta kadar air %H2O sedangkan Wdg mempunyai elemen CO2, N2, O2 dan S + moisture H2O dan koefisien masing-masing elemen ini tergantung dari pada fraksi berat massa bahan bakar dalam proses reaksi pembakaran,

Kapasitas produk uap kg/h dengan tekanan p bar berdasarkan tabel tekanan maka dapat ditentukan tingkat suhu uap desain boiler sedangkan suhu ruang recovery panas oleh air menjadi uap berdasarkan standar industri, diambil beda suhu 150 oF (83.33oC) di atas suhu desain uap produksi sehingga suhu ruang recovery panas ditentukankan sebagai berikut : T0 = tuap + tx (6)

t = suhu uap

Aliran to gas buang ti

Gambar 2. Diagram Proses Pengambilan (Recovery) Energi

Uap @ toF



5

Suhu desain gas pambakaran inlet masuk ke ruang pemanas water tube dapat dihitung sebagai Q inlet memenuhi hubungan:

ehWQ = (6) dimana W : berat massa dan he entalpi dari gas pembakaran Sistem pembangkit uap mengikuti standar yang terdiri dari sejumlah elemen yaitu Elemen produk steam (STOT), blow down steam (WBDN), feed water (WFW), kondensat air balik (WRTN), raw water (WRAW), produksi uap netto (WNET). ditambah Waste heat sebagai Qinlet. Dengan diagram sistim seperti pada gambar 3 berikut:

Deaerator

Load

Waste heatBoier

(WHB)

WFW

WBDN

Suplai airpanas

(STHG)

Kondensat(WRTN)

Make Up (WRAW)

Waste

Feedwater

STOT Flow Steam Netto (WNET)

Panas GB

Boiler Blowdown keDrainase

GasBuang

Gambar 3. Diagram Sistem Pembangkit Uap

Sesuai ketentuan di industri umumnya: WBD = 4%WFW, WRTN sebagai kondensat balik = 20% STOT dan radiasi loss 1%. Entalpi uap h steam pada suhu uap, h WFW pada suhu 220 oF, h BDN 298 Btu/lb, h RTN pada 170 oF dan h RAW pada 60 oF. Selannjutnya kapasitas produksi uap boiler dapat dihitung dalam dua kondisi masing-masing yaitu: 1. Kondisi normal pengoperasian boiler dengan kondensat balik: STHGSTOTWNET = (7) 2. Tanpa air kondensat balik: STHGoSTOTWNET =0 (8) dimana :

WRAWWRTNWFWSTHG = (9) WRAWWFWSTHGo = (10)

karena STHGo > STHG, maka WNETo < WNET Jadi pengoperasian boiler dianjurkan dengan kondesat balik.

3. Hasil dan Pembahasan Kebutuhan uap 4000 kg/jam tekanan 18 Bar untuk pembangkit turbin listrik 64 kW, maka hasil perhitungan kapasitas panas tungku siklon scale up 4067 kW termal. Tungku siklon standar mempunyai dimensi lebar 1,2 m dan diameter 1,1 m dan laju bahan bakar batubara lignit 144 kg/jam, maka berdasarkan teori kesebangunan dimensi ruang bakar tungku siklon scale up dengan kapasitas laju bahan bakar 700 kg/jam mempunyai dimensi lebar 1,5 m dan diameter 1,5m. Hasil perhitungan rancangan tungku boiler energi bahan bakar batubara lignit yang mempunyai kapasitas uap 4000 kg/jam berdasarkan metoda perhitungan rancangan kinerja boiler tungku siklon diperoleh hasil seperti



6

tertera pada tabel I. Batubara lignit mempunyai fraksi berat (%) C, H, O, S, N adalah 48.3 , 6.61, 41.96 , 0.15 , 0.98, kadar air 28 %, kadar abu 2 %. Tabel 1. Hasil perhitungan rancangan tungku sklon boiler Uraian Bahan baker fraksi : (%) Moisture (%) 28.00 Jenis: lignit bb C 48.30 Ash (%) 2.00 H 6.61 S 0.15 O 41.96 N 0.98 Nilai kalori,Dulong aproximation 7,877.51 Btu/lb 4,426.41 Kcal/kg Excess air (%) 64.5 Dry gas (lb) 7.75 Dry gas (lb) 9.84 per 10kBtu Moisture H2O 0.75 per 10kBtu Laju bahan baker lignit(lb/h) 1,544.01 700.36 kG/h Burner BBM(L/h) 45.24 Suhu gas pembakaran (oF) 2,100.00 1,148.89 OC Laju gas bakar (lb/h) 21,038.39 9,543.01 kg/h Laju moisture (lb/h) 1,640.42 744.09 kg/h Tekanan uap (lb/in2) 264.60 18,248.40 MBar Pendekatan suhu t (oF) 150.00 83.33 OC Efisiensi (%) 68.68 Hasil Perhitungan Kinerja Boiler Available heat STOT WBDN WFW WRET WRAW SHTG WNET (kcal/h) (kG/h) (kG/h) (kG/h) (kG/h) (kG/h) (kG/h) (kG/h) 2,566.07 4,556.40 189.85 4,746.25 911.28 3,287.43 547.55 4,008.86 2,566.07 4,556.40 189.85 4,746.25 - 3,900.16 631.09 3,925.32 Energi termal gas pemb 13.834 MBtu/h 3486.093Mcal/h atau 4,067.1 kW termal Untuk menentukan sistem cogen 64 kW sebagai sistem fasilitas yang memenuhi standar layak pakai dengan metoda PURPA dimana daya panas tungku 4000 kW, dengan asumsi fraksi energi listrik 33 %, fraksi energi termal terdiri daripada panas untuk kondensor 30 %, panas keluar cerobong 30 % dan panas radiasi 7 %. adalah sebagai berikut Dengan asumsi ada bagian dari panas cerobong masih dapat diambil 12 % untuk proses pengering,maka hasil hitungan fraksi energi termal menjadi 34 %, sedang efisiensi termal total berdasarkan rumus (1) diperoleh 67 %. Efisiensi PURPA dihitung berdasarkan rumus (2) diperoleh 50 %. Karena ternyata harga PURPA lebih besar daripada kriteria efisiensi PURPA 42,5 %, maka fasilitas cogen dapat dinyatakan layak. Untuk menghitung ekonomi kelayakan fasilitas cogen berdasarkan data lapangan, maka dengan asumsikan harga listrik Rp. 450 / kWh atau jika standar internasional asumsi 1 $ ekivalen Rp. 9000,- maka harga listrik 0,05 $/kWh. Dengan biaya bahan bakar batubara lignit Rp. 400.000,- /ton atau setara 1,429 $, asumsi biaya perawatan Rp. 9000,-/jam atau 1 $/jam, waktu utilisasi per tahun 6500 jam, biaya instalasi fasilitas cogen Rp.864.000.000,- atau per kW 1500 $. Dengan efisiensi boiler 60 %, maka energi bahan bakar batubara untuk tungku dihitung hitung 0,840 MMBtu dapat menghasilkan energi termal 0,496 MMBtu sehingga perhitungan biaya untuk bahan bakar system cogen 1,20 $ atau dengan biaya perawatan total menjadi 2,20 $ untuk setiap kWh. Sedangkan pada perhitungan biaya cara konvensional untuk kapasitas daya 64 kW dimana efisiensi boiler 69 %, didapat energi termal boiler 0,449 Mbtu. Jika dihitung dengan bahan bakar batubara lignit seperti diatas, maka biaya bahan bakar digunakan boiler 0,930 $ sehingga total biaya pembangkit konvensional per kWh berdasarkan rumus (4) menjadi 4,130 $ dan selanjutnya diperoleh beda biaya antara system konvensional dan cogen 12540 $. Waktu biaya balik dapat dihitung berdasarkan rumus (6) diperoleh 7,7 tahun.

4. Kesimpulan Rancangan sistem cogen aplikasi turbin generator listrik skala kecil dan panas proses pembangkit 64 kW mengunakan tungku siklon di scale up mempunyai dimensi ruang bakar lebar 1,5 m diameter 1,5 m, laju bahan bakar 700 kg/jam dengan kapasitas uap 4000 kg/jam tekanan 18 bar. Sebagai pembangkit cogen berdasarkan



7

analisis metoda PURPA dinilai layak sebagai fasilitas cogen. Hasil hitungan analisis ekonomi diperoleh waktu biaya balik (SPB) 7,7 tahun.

Ucapan Terima Kasih Disampaikan terimakasih kepada Proyek Penelitian, Pengembangan dan Rekayasa Bahan Baru dan Energi Bersih PPF-LIPI dan Program Riset Kompetitif Sub Program Energi Baru dan Terbarukan LIPI 2004 yang telah membiayai terlaksananya kegiatan penulisan ini.

Daftar Pustaka 1. Moncef Krarti, Energy Audit of Buildings Systems An Engineering Approach, Bab 13 Cogeneration

Systems, CRC Press Boca Raton London New York Washington D.C, 2000. Hal 349 359 2. Supriyatno, (2004) Sistem Pembangkit Energi Biomassa/batubara : Rancangan Sistem Pembangkit

Listrik dengan Cogeneration, Proposal Kegiatan Riset Kompetitif Tahun Anggaran 2004. 3. Supriyatno, Haifa wahyu, Rancangan Kinerja Sistem Pembangkit Uap Energi Biomassa Industri Kecil 4. Supriyatno, dkk, (2003) Rancangan Scale Up Tungku Siklon Batubara Lignit Untuk Pembangkit Uap

Tenaga Listrik Skala Kecil, Prosiding Seminar Nasional Design and Application of Technology 2003, Universitas Widya Mandala, Surabaya.

Halaman UtamaDaftar Makalah Kebijakan Energi dan Energi Alternatif

Pembangkit Listrik Skala Kecil

Documents

Transcript of Pembangkit Listrik Skala Kecil