Siklus Rankine Adalah Siklus Termodinamika Yang Mengubah Panas Menjadi Kerja
PENGEMBANGAN BINARY CYCLE PADA ORGANIC RANKINE...
7
1 PENGEMBANGAN BINARY CYCLE PADA ORGANIC RANKINE CYCLE (ORC) DENGAN MEMANFAATKAN ENERGI SURYA SEBAGAI SUMBER PANAS Teguh Wibowo Staff Pengajar Program Studi Teknik Aeronautika Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Bandung Jl. Gegerkalong Hilir, Ds. Ciwaruga, Bandung 40162 Telp: (62) (22) 2013 789 ext. 267, Fax: (62) (22) 2013 889 Abstrak Pembangkit ORC (Organic Rankine Cycle) merupakan teknologi yang secara ekonomis sangat menarik. Dalam hal ini dilakukan dengan mengkombinasikan sistem surya dan pembangkit listrik yang ada saat ini. ORC adalah teknologi yang mengacu pada tahapan-tahapan yang ada pada siklus rankine, hanya saja menggunakan fluida kerja organic sebagai pengganti air. Teknologi tersebut dikembangkan untuk pembangkit listrik dengan kapasitas nominal 6,6 kW. Melalui konversi dan penggabungan antara teknik fotovoltaik(pembangkit listrik tenaga surya) dengan pembangkit listrik Organic Rankine Cycle ditargetkan agar energi listrik yang dihasilkannya dapat dimanfaatkan oleh para pemakai didaerah terpencil. Mengetahui karakteristik pancaran/radiasi sumber matahari di beberapa titik lokasi diwilayah Indonesia pada cuaca cerah selama 13 jam antara jam 05.50 sampai dengan jam 18.20 dan memperoleh parameter dari masing-masing komponen pembangkit. Penelitian diproyeksikan wilayah Kupang, rumusan masing-masing parameter (korelasi antara besarnya radius dengan tingginya temperatur yang dihasilkan) termasuk terhadap posisi surya, konsep termal storage diaplikasikan untuk mengantisipasi efisiensi temperatur. Mengintegrasikan setiap komponen pembangkit sesuai spesifikasi produk yang tersedia dipasaran, selanjutnya mensimulasikan keseluruhan sistem pembangkit pada berbagai kondisi operasi dan mendapatkan kinerja optimum yang mungkin dapat dicapai. Menghitung beban daya maksimum yang dapat dilayani oleh pembangkit dengan memvariasikan beberapa parameter masukan pada komponen, yang dapat menunjang terwujudnya kinerja pembangkit yang optimum. Kata kunci: Pembangkit siklus biner, pompa hermetic, tangki penyimpanan spiral-jacketed, katup pereduksi tekanan. I. PENDAHULUAN Energi listrik merupakan salah satu energi yang banyak digunakan saat ini. Perkembangan teknologi dan ilmu pengetahuan telah mendorong pemanfaatan energi tersebut pada semua aspek kehidupan manusia, baik untuk keperluan industri, rumah tangga maupun untuk keperluan perkantoran. Selama ini sumber energi listrik banyak didapatkan dari hasil konversi energi fosil seperti minyak bumi, batu bara dan gas. Jumlah energi fosil ini makin lama semakin berkurang dan mengingat biaya produksi semakin hari semakin mahal maka kecenderungan harga satuan listrik per kWh-nya terus naik, sehingga perlu dicarikan sumber energi alternatif untuk membangkitkan energi listrik tersebut. Sumber energi terbarukan, seperti tenaga angin, tenaga surya, tenaga ombak, mikrohidro dan biomassa merupakan sumber energi alternatif untuk pembangkit listrik di masa depan. Energi surya adalah salah satu sumber energi terbarukan yang banyak digunakan secara luas dalam aplikasi skala kecil dan menjanjikan untuk dilakukan penelitian dan pengembangan dalam skala besar. Sementara, ditinjau dari sistem peralatan yang sederhana dan besarnya manfaat yang akan diperoleh , maka dengan kemajuan teknologi yang ada saat ini sistem surya dapat dibuat dengan harga yang relatif lebih murah. Pembangkit listrik tenaga surya, baik secara langsung maupun tidak langsung dapat bekerja dengan cara merubah radiasi matahari menjadi listrik. Diantara manfaat positif dari pembangkit
Transcript of PENGEMBANGAN BINARY CYCLE PADA ORGANIC RANKINE...
1
PENGEMBANGAN BINARY CYCLE PADA ORGANIC RANKINE CYCLE
(ORC) DENGAN MEMANFAATKAN ENERGI SURYA SEBAGAI SUMBER
PANAS
Teguh Wibowo
Staff Pengajar Program Studi Teknik AeronautikaJurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Bandung
Jl. Gegerkalong Hilir, Ds. Ciwaruga, Bandung 40162Telp: (62) (22) 2013 789 ext. 267, Fax: (62) (22) 2013 889
Abstrak
Pembangkit ORC (Organic Rankine Cycle) merupakan teknologi yang secara ekonomis sangat menarik. Dalamhal ini dilakukan dengan mengkombinasikan sistem surya dan pembangkit listrik yang ada saat ini. ORCadalah teknologi yang mengacu pada tahapan-tahapan yang ada pada siklus rankine, hanya saja menggunakanfluida kerja organic sebagai pengganti air. Teknologi tersebut dikembangkan untuk pembangkit listrik dengankapasitas nominal 6,6 kW. Melalui konversi dan penggabungan antara teknik fotovoltaik(pembangkit listriktenaga surya) dengan pembangkit listrik Organic Rankine Cycle ditargetkan agar energi listrik yangdihasilkannya dapat dimanfaatkan oleh para pemakai didaerah terpencil. Mengetahui karakteristikpancaran/radiasi sumber matahari di beberapa titik lokasi diwilayah Indonesia pada cuaca cerah selama 13 jamantara jam 05.50 sampai dengan jam 18.20 dan memperoleh parameter dari masing-masing komponenpembangkit. Penelitian diproyeksikan wilayah Kupang, rumusan masing-masing parameter (korelasi antarabesarnya radius dengan tingginya temperatur yang dihasilkan) termasuk terhadap posisi surya, konsep termalstorage diaplikasikan untuk mengantisipasi efisiensi temperatur. Mengintegrasikan setiap komponenpembangkit sesuai spesifikasi produk yang tersedia dipasaran, selanjutnya mensimulasikan keseluruhan sistempembangkit pada berbagai kondisi operasi dan mendapatkan kinerja optimum yang mungkin dapat dicapai.Menghitung beban daya maksimum yang dapat dilayani oleh pembangkit dengan memvariasikan beberapaparameter masukan pada komponen, yang dapat menunjang terwujudnya kinerja pembangkit yang optimum.
Kata kunci: Pembangkit siklus biner, pompa hermetic, tangki penyimpanan spiral-jacketed, katuppereduksi tekanan.
I. PENDAHULUAN
Energi listrik merupakan salah satu energi yangbanyak digunakan saat ini. Perkembanganteknologi dan ilmu pengetahuan telah mendorongpemanfaatan energi tersebut pada semua aspekkehidupan manusia, baik untuk keperluan industri,rumah tangga maupun untuk keperluanperkantoran. Selama ini sumber energi listrikbanyak didapatkan dari hasil konversi energi fosilseperti minyak bumi, batu bara dan gas. Jumlahenergi fosil ini makin lama semakin berkurang danmengingat biaya produksi semakin hari semakinmahal maka kecenderungan harga satuan listrik perkWh-nya terus naik, sehingga perlu dicarikansumber energi alternatif untuk membangkitkanenergi listrik tersebut. Sumber energi terbarukan,seperti tenaga angin, tenaga surya, tenaga ombak,
mikrohidro dan biomassa merupakan sumberenergi alternatif untuk pembangkit listrik di masadepan.
Energi surya adalah salah satu sumber energiterbarukan yang banyak digunakan secara luasdalam aplikasi skala kecil dan menjanjikan untukdilakukan penelitian dan pengembangan dalamskala besar. Sementara, ditinjau dari sistemperalatan yang sederhana dan besarnya manfaatyang akan diperoleh , maka dengan kemajuanteknologi yang ada saat ini sistem surya dapatdibuat dengan harga yang relatif lebih murah.Pembangkit listrik tenaga surya, baik secaralangsung maupun tidak langsung dapat bekerjadengan cara merubah radiasi matahari menjadilistrik. Diantara manfaat positif dari pembangkit
2
listrik tenaga surya ini adalah bebas dari polusilingkungan.
Ditinjau dari kondisi geografisnya, Indonesiamempunyai rata-rata harian radiasi mataharisebesar 14,389 kWh/m2 yang secara akumulatifbila seluruh potensi di Indonesia dimanfaatkanakan mencapai 1,036 x 109 MW denganmemperhitungkan luas daratan Indonesia 2 jutakm2. Kapasitas terpasang sistem surya sampai saatini (tahun 2011) sebesar 13 MW (hanya 2MWyang disuplai oleh PLN), masih sangat relatif kecilbila dibandingkan dengan potensi yang tersedia.
Dalam penelitian ini, seluruh peralatan sistem suryadipilih dari produk yang sudah ada dipasarandengan terlebih dulu melakukan kajian teknisterhadap sistem pembangkit yang aplikasinyasesuai dengan yang direncanakan. Sistempembangkit dilengkapi dengan Inverter yangberfungsi untuk merubah tegangan dc menjaditegangan ac sehingga dapat dikoneksikan dengangrid satu fasa.
Kendala yang dihadapi dalam penelitian ini,dirumuskan sebagai berikut:1. Mendapatkan bentuk reflektor surya yang
optimum, untuk mencapai target temperaturyang diinginkan, dengan menggunakanspesifikasi komponen yang telah dipilih darisistem surya yang ada dipasaran. Selanjutnya,energi panas yang dihasilkan tersebut digunakansebagai masukan pada penukar kalor untukmensuplai uap panas pada turbine sesuai denganlaju aliran massa yang diperlukan.
2. Menjaga kapasitas panas yang dihasilkan olehsistem surya agar diperoleh kontinyuitas aliranpanas sesuai dengan parameter penukar kaloryang digunakan.
3. Kesulitan dalam menentukan jenis besaranmasukan yang akan digunakan dalampenghitungan untuk mencapai target dayaoutput yang diinginkan.Di akhir penelitian ini target yang ingin dicapai
adalah melakukan kajian dan perancangan awalsebuah pembangkit (ORC) agar mendapatkankeluaran daya listrik maksimum pada generatorsebesar 6,6 kVA dan mensimulasikan sistempembangkit secara keseluruhan pada beberapakondisi pengoperasian. Mendapatkan parameterdari masing-masing komponen pembangkit denganmempertimbangkan besaran masukan yang tersediadan kapasitas keluaran yang diinginkan.
II. METODOLOGI PENELITIAN2.1 Menentukan ParameterParameter rancangan dimulai dengan mendapatbesarnya radiasi sinar matahari yang biasa diterimaoleh masing-masing wilayah diseluruh Indonesia(sejumlah 36 wilayah) dan untuk mendapatkanradiasi tersebut, penghitungan dilaksanakan denganmenggunakan perangkat lunak / penghitung“METEO” dengan jaringan terhubung.
Penghitungan Perangkat lunak tersebutmempersyaratkan beberapa parameter masukanseperti: ketinggian wilayah diatas permukaan airlaut, kelembaban relative, latitude dan beberapaparameter lain seperti ditunjukkan pada gambar 1.dibawah ini.
Location KupangLatitude dec. degconversion tool) -10.1843Longitude dec. degconversion tool) 123.5948Day: 5Month: JanuaryAltitude (m): 122Visibility (km): 50Temperature 0C: 28RH (0 – 100): 86.5Ozone thickness: 0.260Albedo ground (0 – 1): 0.17Time zone (time zone map): -8.2397
SlopeOrientation (0 – 360): 270Tilt (0 – 90): 30
Gambar 1. Panel masukan untuk menghitung Irradiasi wilayah Kupang
Data tentang parameter tersebut diperoleh dariwebsite milik BMKG (Badan Meteorologi
Gambar 2. Grafik Irradiasi matahari wilayah Kupang hasil penghitungan
Tabel 1.. Data parameter wilayah Kupang hasil penghitungan
a. Data Radiasi
Gambar
Gambar 4
3
Data tentang parameter tersebut diperoleh dariwebsite milik BMKG (Badan Meteorologi
Klimatisasi dan Geofisikan) Indonesia dan datatersebut diambil dari tanggal 15 Maret sampaidengan 22 April 2011.
Grafik Irradiasi matahari wilayah Kupang hasil penghitungan menggunakan “METEO”
Data parameter wilayah Kupang hasil penghitungan menggunakan “METEO”
Declination -22.680
Sun-Earth r2 1.0351Surface azimuth 270Surface Slope 30Total power per m2 7.19 kWh
Gambar 3. Grafik radiasi 36 wilayah di Indonesia
4. Grafik total radiasi harian wilayah Kupang
Klimatisasi dan Geofisikan) Indonesia dan datatersebut diambil dari tanggal 15 Maret sampai
menggunakan “METEO”
menggunakan “METEO”
4
2.3 Merancang Reflektor
Data radiasi hasil penghitungan menggunakanperangkat lunak “METEO” dan data hasil yangdiperoleh dari simulasi pembangkit menggunakanperangkat lunak Cycle Tempo selanjutnyadigunakan untuk menghitung luasan kolektor suryayang diperlukan. Selanjut dilakukan prosesperancangan mekanik.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN3.1 Analisis Pembangkit
Dari hasil simulasi pembangkit (seperti yang terterapada gambar 5. Dibawah ini) dapat diketahuibahwa komponen nomor 37 (sink/source)mempersyaratkan, bahwa target daya 6,6 kW akandapat dicapai bila fluida yang keluar darikomponen tersebut harus mempunyai parameter :temperature (T) 1630C; tekanan (p) 6 bar; enthalpy(h) 2766,33 kJ/kg dan laju aliran massa (Φ) sebesar 0,025 kgs.
Gambar 5. Diagram sistem pembangkit sebelum dimodifikasi
Selanjutnya komponen nomor 10 (heatexchanger) akan dapat memproduksi uap padatemperature (T) 1400C; tekanan (p) 7 bar; enthalpy(h) 200,57 kJ/kg dan laju aliran massa (Φ) sebesar
0,0308 kgs. Sehingga peningkatan tekanan dan lajualiran massa akan mampu memutar turbine padaminimum torsi yang dipersyaratkan.
5
Gambar 6. Diagram sistem pembangkit setelah dimodifikasi
Permasalahan baru yang dapat diketahui dari hasilsimulasi pada gambar 5. tersebut adalah, bahwapembangkit akan membuang limbah panas sebesar6,36 0C (33,36 0C - 27 0C) kealam bebas (sepertiyang diperlihatkan pada komponen nomor 1(heatsink) dan hal tersebut akan melanggarperaturan pemerintah tentang pelestarianlingkungan hidup.
Untuk menanggulangi permasalahan tersebut,selanjutnya dilakukan kajian terhadapkemungkinan penggunaan A.C.H.E.(Air CooledHeat Exchanger). Dari hasil kajian, denganmenggunakan teknik pendinginan / kondensasi air,diperoleh keluaran berupa spesifikasi A C HE,namun demikian untuk penggunaanA.C.H.E.masih perlu pertimbangan lebih lanjut,mengingat dianggap kurang optimum dibanding
nilai temperatur yang akan diturunkan. Sehinggagambar 6. merupakan modifikasi dari simulasisistem pembangkit sebelumnya (gambar 5.).
Modifikasi dilakukan pada komponen nomor10 (heat exchanger) dan komponen nomor 37(sink/source) terutama dengan menurunkantemperature dan enthalpy uap serta menambah lajualiran massanya (komponen nomor 10 (heatexchanger) dengan tetap menjaga tekanan pada 7bar, serta untuk komponen nomor 37 (sink/source)ditingkatkan tekanan dan laju aliran massanya.
Solusi terhadap modifikasi tersebutdimaksudkan untuk dilakukan penggunaan menarapendingin (cooling tower), sehingga temperaturkeluaran (komponen nomor 1) tersebut diharapkanakan mengalami sedikit kenaikan.
3.2 Hasil Rancangan
Data radiasi hasil penghitunganmenggunakan perangkat lunak “METEO” dan datahasil yang diperoleh dari simulasi pembangkitmenggunakan perangkat lunak Cycle Tempo
selanjutnya digunakan untuk menghitung luasankolektor surya yang diperlukan. Selanjut prosesperancangan mekanik dilakukan sepertiditunjukkan pada gambar 7 dibawah ini.
6
Rancangan dibuat sedemikian hingga mampu
mengantisipasi kebutuhan akan temperature yang
bervariasi, untuk itu konsep penyusunan reflector
dibuat serie agar target kebutuhan temperature
dapat dicapai.
Gambar 7.. Tampak samping reflector dan bagian penunjang lainnya.
Pengaturan dengan menggunakan motor
penggerak dan sistem pewaktu (timer) pada kontrol
elektronik ditujukan agar dapat melakukan
pelacakan (tracking) pergerakkan matahari. Posisi
kolektor berjarak (P) dirancang agar kolektor
selalu berada pada titik fokus penyinaran, sehingga
diperoleh panas semaksimal mungkin.
Gambar 8.. Skema rancangan system surya
7
IV. KESIMPULAN
Dari hasil rancangan yang telah dilakukan makadiperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut:
1. Target produksi listrik sebesar 6,6 kW dapatdipenuhi dengan mengalirkan fluida panassebesar 163 0C dan laju aliran sebesar 0,045kg/detik ke penukar kalor.
2. Diantara 36 wilayah di Indonesia dapatdiketahui bahwa wilayah Kupang adalahwilayah yang menerima rata-rata harian radiasimatahari yang paling potensial.
3. Karena temperatur lingkungan yang mencapai250C, maka selisih limbah panas sebesar 80Cbisa ditanggulangi dengan memasang menarapendingin (cooling tower).
DAFTAR PUSTAKA1. Undang Undang No. 23 Tahun 1997,
Tentang: Pengelolaan Lingkungan Hidup,Presiden Republik Indonesia, 19 September1997(Jakarta), L.N 1997/68;TLN NO.3699.
2. Keputusan Bersama Menteri Kesehatan danMenteri Negara Kependudukan danLingkungan Hidup / Kepala BadanPengendalian Dampak LingkunganTentang: Pelaksanaan Pemantauan DampakLingkungan,No. 183/Menkes/SKB/II/1993,No. Kep-09/Bapedal/02/1993.
3. Richard C. Byrne, Secretary, Standards ofThe Tubular Exchanger ManufacturersAssociation (TEMA). Ninth Edition,Tarrytown New York. 2006
4. T.S. Jone, J.S. Brezizer, Jr., M. Carlos,C.V. Kropas-Hughes, ASME V Boiler andPressure Vessel Code 2004 AnInternational Code, The American Societyof Mechanical Engineers.
5. L.E. Hayden, Jr., B.P. Halbrook, P. Stumpf,ASME Code for Pressure Piping, B31.5 -2001. An American National Standard, TheAmerican Society of MechanicalEngineers.
