Jurml Tcknik Encrgi, Vol.2, No.l, April20ll ISSN 20t9 - 2527

KONSEP DESAIN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAPMEMANT'AATKAN SUMBER PANAS BERTEMPERATUR REI\IDAH

DENGAN MEMAKAI SIKLUS RANKINE ORGANIK

Ign. Riyadi Mardiyanto, Dinny Niary dan Ika YuliyaniJurusan Teknik Konversi Energi Politeknik Negeri Bandung

Emal: Ig_R M@vahoo.com

beberapa jenis siklus termodinamika, misalnyasiklus Kalina, siklus Rankine, siklus Carnot danlain- lain. Siklus Rankine adalah siklustermodinamika yang mengubah pg43s menjadi!94[ dengan memanfaatkan perubahan fasa fluidayaknidari fasa cair ke fasa uap/gas.

Konsep Siklus RankinePanas dari sumber panas digunakan untukmenguapkan cairan yang bertekanan tert€ntu padaruang penguap (boiler/heat exchanger), kemudianuap ini digunakan untuk menggerakkan mediamekanik (turbine/ekpander) sehinggadidapatkankerja mekanik berupa putaran rotor turbine.Karena energi pada fasa uap telah dipakai untukkerja mekanik maka berakibat pada turunnyatekanan dan temperatur. Selanjutnya uap yangtelah turun tekanan dan temperaturnya diubahfasanya dengan menggunakan pengambil panassisa atau kondensor sehingga menjadi berfasa cair.Cairan ini kemudian dipompakan ke boiler yangmempunyai tekanan tertentu dan diberikan panas

sampai menjadi uap kembali, sedemikian hinggasiklus termodinamika menjadi sempurna dandapat diulang terus menerus dan dirasakan sebagaikerja kontinyu pada rotor turbin.

Konsep Siklus Rankine OrganikPada siklus Rankine, cairan yang digunakanadalah air. Seperti halnya pada SiklusRankine,

Abstrak

SiUus Rankine Organik (ORC) menggunakan dua re/rigeran organikyakni R22 dan Rl34a dqpat digunakan untukmengkonversi panas dari sumber air panas bersuhu sekitar 8fC. Menggunakan air pendingin dengan temperatur18.'C, dengan R22 didapat efisiensi siklus sekitar 5o%. Sedangkanjika-ienggunakai Rl i4i akan d'idapat iJisiensisiUus.sekitar 60%. Untuk membangkitkan dayq listrik seHtar 3 klll dapat mTnggunakan ORC dengai refrigerodttersebutyang membutuhkan laju aliran air panas bersuhu 800C sebesar 0.S literper detik

Kata Kunci: pembangkit listrik tenaga uap @LTLI), siHus rankine organik, refigeran R22 dan Rl J4a

)

Di bidang energi panas bumi, digunakan

137

PENDAHULUAN

Kebutuhan energi merupakan sesuatu yang tidakdapat terpisahkan dari.kehidupan manusia saatlnr, energl mempunyai peranan penting dalamkehidupan sosial, ekonorni dan lingkungan yangberkelanjutan. Seiring dengan kemajuanteknologi ternyata makin banyak energi fosilyang digunakan oleh pembangkit listrik sepertiPLTU maupun PLTGU untuk menghasilkanenergi listrik yang akan didistribusikan kepadamasyarakat. Peningkatan permintaan energiyang disebabkan oleh pertumbuhan populasipenduduk dan menipisnya sumber cadanganm inyak duniadari bahan bakar fosilmemberikantekanan kepada setiap negara untuk segeramemproduksi dan menggunakan energiterbarukan.

Sebagai daerah vulkanik; wilayah Indonesiasebagian besar kaya akan sumber energi panasburni. Jalur gunung berapi membentang diIndonesia dari ujung Pulau Sumatera sepanjangPulau Jawa, Bali, NTI NTB menuju KepulauanBanda, Halmahera, dan Pulau Sulawesi. Energipanas bumi dikonversikan menjadi listrikdengan menggunakan siklus tennodinamika.Sik lus termodinamika adalah kumpulanberbagai proses termodinamika yang didaiarkanpada hukum kekekalan energi. Denganmenggunakanpanas bum i dapat dirubah menjadiJenrs energt laln.

Jurnal Teknik Energi, \b1.2, No.l, April20l2

Siklus Rankine Organik juga mengubah panasmenjadi kerja, hanya saja fluida yang digunakanadalah fluida organik/refrigerant.Penggunaanjenis fluida organik ini diharapkan dapatmenurunkan temperatur dari sumber panas

untuk penguapan fluida yakni !'rrena rendahnyatitik didih dari jenis fluida tersebut. Karenaalasan inilah Siklus Rankine Organik cocokdigunakan pada pembangkitanenergi Iistriktenaga panas bumi dengan temperatur yang

rendah yakni antara 8OoCsampai 200 oC.

lY.

0tCE0.ar-.

lk

ISS-r- 2069 - 2527

Jadi dapat dikatakan bahwa pada tekanan

atmofer dan temperdur sekitar 20tmakarefiigerant telah berada pada fasa uap.Tabel I

berikut adalah contoh titik kdtis dan titik didihdua rcfrigerant organik yang berbeda.Terlihatbahwa pada kondisi tekanan I atm, maka titikdidihnya adalah dibawah 0"C. Jadi temperaturpengembunan pada tekanan I atm akan beradapada temperatur dibawah nilai tersebut.

Dengan demikian dapat dikdakan bahwauntuk memenuhi siklus R an kin e, ko nd en sasi

fluida organik tersebut harus pada tekanan jauh

didas I atrn. Jadi titik penting dari konsepdesain siklus Rankine Organik ini salah

satunya adalah pembuatan siklus dengan

tekanan kerja yang semuanya jauh diatastekanan atrnosfer.

Tabel l. Coroh Karakteristik Fluida Or k

Selanjutnya, dengan nrenggunakan diagrarn

tekanan entalphi, maka akan dapddigambarkan perkiraan tekanan kondensasiyang harus dis iapkan pada fluida kerja yang

melalui kondemor sedemikian sehingga fluidakerja dapat tekondensasi. B erikut adalah

gambaran tekanan-entalphi dari fluida kerjaP.22 yang akan disimulasikan lebih

lanj ut.Kemudian juga dapat diidentifikasitekanan dan temperat ur penguapan.Untukgambaran siklus kerja dengan me makai grafiktekanan-entalphi ini perlu identifikasi datapotensi eneryi di lapangan.

Gambar 2. Grafik Tekanan-Entalphi dari R22

Misal, diketahui dari hasil pangukrmn suatu

tempat di Gunung Galunggung KabupatenTasikmalaya, diketahui datanya adalah sebagai

berikut.

!

:l't

1

II1t

Gambar L Prinsip Kerja Siklus Rankine

Seperti halnya siklus Rankine; siklus Rankineorganik secara sederhana dapat dibangunmenggunakan empat komponen utama yakniheat exchanger, turbin, kondensor dan pompadengan pipa-pipa penghubung an tarakomponen.Satu siklus terjadi apabila fluidakerja telah berubah dari cair dengan tekanantertentu mejadi uap pada heat exchangerkemud ian fluida menggerakkan rotorturbin.Setelah melewati turbin dikondensasioleh kondensor, dan dipompakan kembali keboiler oleh pompa pengumpan.

Konsep Desain Siklus Rankine Organik

Pada siklus Rankine organik, digunakan fluidakerja bahan organik/refrigerant yang pada

tekanan tertentu dengan panas tertentu akanberubah dari cair menjadi gas. Tetapi pada

kondisi temperatur ruangan, temyata bahanorganik tidak kondensasi.Untuk terkondensasipada temperatur lingkungan maka tekanan gas

refrigerant organik tersebut harus mempunyai

tekanan jauh diatas atmosfer.

!

No FluidaTitik KritisT eJnp.('c)

Titik Dllihpada latm(cl4ll. R72 96.1 4,99

2. Rl34a 101.2 4.06

ffi

I

Zlatt:

138

*,

Ary

-25

Juroal T€knik Encrgi, Yol.2, No.l, April2012

Tabel 2 Data P La nAir P anas Air Dingin

Flow0r9

Temp

cc)Temp("c)

Tekarnn(atm)

Kclembaban(%)

l. >10 80 t8 I 75

Pump. P onpa dimaksudkar untuk menaikkantekanan pada fluida kerja sehingga mempwryaitekanan yang orkup tinggi sebelum fuida kedaten*ut diubah menjadi fasa vap padaboiler/heat exchanger. Dengan kondisi airpanas yang akan dimanfratkan untukpembangkit listrik adalah sekitar 80 t, makatekanan fluida kerja R22 adalah sekitar 3lbar.Dargan memilih tekanan pompa misalnyasebesar 32 bar, maka fluida kerja akan dapatdiuapkan dengan heat exchangerlbiler dengantempef,ahrr masukan sebesar 800C, seperti datalapangan di atas.

Fluida kerja dalam benhrk cair yang berasaldari kondensor akan dipompakan ke dalamheat exchanger yang bertekanan lebih tinggi.Kesetimbangan laju massa dan energipersamaan sederhananya seperti berikut ini.

w_

i= h,- n, (l)

Heat exchanger/boiler.FLuida ke{adimasukkan kedalam heot exchrnger dandurgan sumber panas yang melalw lwatexchanger sampaifluida kerja menjadi uap.

Pada boiler terjadi tiga keadaan yakni, padakeadaan pertama adalah keadaan pemanasanfluida kerja pada tekanan sesuai dengantekanan keluaran pompa sampai pranas sesuaidergan panas penguapan.Kemudian keadaankedua adalah keadaan perubahan fluida ke{adari keadaan cair menjadi uap pada tekanantersebut.Selanjutnya keadaan ketiga adalah uappada boiler dipanaskan lebih lanjut yangmenjadikan uap menjadi semakin panas.Uapfluida ke{a dengan tekanan sekitar 3l bar dantemperdur sekirar 800C ini selanj utnya dapatdipakai untuk memutar hrbinuap/elcspander.Pasamam sederhana untukheat exchanger tersebut adalah sebagaiberikut.

tssN 2089 - 2527

Turbine/Elapander. Uap kaja dai heaexclnnger pada kondisi l, uap dengan tekanansekitar 30 bar dengan ternperatur 76'C akanberekspansi melalui turbin/elspander untukmenghasilkan kerja mekanik berupa putaranrotor ekspander, dan kemudian disalurkan ke

kondensor pada kondisi 2. Pada kondisi uapkeluar dari hrbin, tekanan dan temperaturmenjadi relatif Endah yakni tekanan sekitr 9br dengan temperatur sekitar 20 oC. Denganmengabaikan perpindahan panas di sekelilingturbiq kesetimbangan laju energi dan massadisekitar turbin menjadi:

w.

i: o' - n' (3)

Condens q. Dari Gambar 2 dan Tabel2 di at:s,d4at diketahui bahwa unh:k rnengambil panassisa fluida kerja R22 sehingga fluida ke{amenjadi pada temperatur di sekitar 200C makatekanan dari fluida kerja adalah sekitar 9,5 bar.Artinya, jika kita menggunakan air lingkunganurfuk membawa paras yang berasal dari fluidakerja melalui komponen kondesor, makatekanan fluida kerj a haruslah sama dengan ataudidas 9 bar, yalcri agar terjadi perpindahanparas dari fluida kerja organik ter*ut ke airpernbawa panas, misal dargan ternpemturantara I 8oCsanpai 20t, sehingga fluida kerj amenjadi ted<ondensasi dan menjadi cairkembali. Dalam kondensor terj adi perpindahanpanas.Uap terkondensasi dan tempemltsrcoolermeningkat. Keseimbpngan laju massa danenergi adalah:

Q*,----- = ht- htn$)

Parameter k inerja-E fisiens i termal mengukurseberapa banyak energi yang masuk ke dalamfluida kerja melalui yang dikonversi manjadikeluaran ke1'a. Efisiensi termal dari siklusadalah:

w-.6n* - llt^ "nth.^=-- (5)4,"

Pemilihan fluida ket'a adalah kunci penting

dalam siklus Rankine organik.Karenatemperatur yang rendah, ketidak-efis ienan

perpindahan panas san gat merugikan.Ketidak-*:0,-0, (z)

139

No.

.t

Jurnal Trknik f,nergi, \b1.2 , No.l, April20t2

efisienan ini tergantung pada karakteristiktemodinamika fluida dan kondisi saat

beroperas iPem ilihan fluida kerja yang akan

digunakan ini berdasarkan pada besarnya

entalpi dan rendahnya titik didih fluida. Selainitu ketersediaan dan harga fluida pun menjadipertimbangan dalam pemilihan fluida kerja ini.

IIASIL DAN DISKUSI

Pada pengujian ini digunakandua jenis fluidaorganik yang digunakan fluida kerja yakniR22 dan Rl34a, dan beril<ut d*a inputnya danandaian efisiensi peralatan pen gkonversi.

Table 3 Data i simulmi

Table utan 3

Untuk menghasilkan daya keluaran 5 kWseperti dirancanakan pada table di atas, dengan

data-data masukan seperti tabel 3 di atas,

didapatkan nilai nilai hasil simulasi sepertitabel 4 di bawah ini.

Table 4 Data Hasil SimulasiNo. Laju

Fluidakerja(kds)

DyaPompaflui da(kw)

bju AnPendhgin

0ta)

I 0,39 0.69 t.n 0.3 6.3

0,41 0.82 1,25 0.3'1 7.78

Tabel 5 Tabel Dab Entali Hasil PerhitunganTeoritis

No Fluida

)angDigunakan

hl(kYkc)

h2

(kJ/kg)h3

(kJi ks)h.

(kJAc)

I R22 423 410 228 2293 430 4t4 230

Perhitungan efisiensi siklus teoritis, hanyadimasukkan penggunaan pompa tekanan fluidakerja. Untuk efisiqrsi sistem pada simulasi,

rssN 20E9 - 2527

dihitung pula daya yang di gunakan unh*pompa pendingin.

Tabel 6. Tabel Perbandingan Nihi EfisiensiHasilSimulasi DanPerhitungan Teoritis

No. Simulasi(e fi siemi

Teoritis(efsiersi

Flu idaKerja

si$ o/o drerm5.1

5.96.21.1

Tabel 6 diatas memperlihatkan perbandingan

antara data hasil simulasi perangkat lunakdengan data hasil perhitungan secara teoritis.Pada Tabel 6 tersebut,ditunj ukkan bahwa baikdari hasil simulasi maupun data hasilperhitungan teoritis nilai efisiensinya sedikitberbeda. Seperti halnya pada siklus yangm€nggunakan R22 sebagai fluida kerjanya

dapat kita lihat bahwa efisiensi yang dihasilkansiklus hasil simulasi pmgram nilai efisiensinyasebesar 5,1%, dan nilai efisiensi hasilperiitungan secara teoritis sebesar (2 %.Jikadibandingkan, dari kedua fluida kerja yangdigunakan yakni R22 dan Rl34a, yang

memiliki nilai efisiensi paling besar adalahR134a yaitu sebesar 5,9 % hasil simulasi dan

7,1 % hasil perhihurgan teoritis.

Pada tekanan 31,57 bar dan temperaturT6oCrefiigeran R22 sudah berubah fasa

marjadi uap jenuluuntuk kemudian refrigeranini di gunakan memutar ekpander. Keluarandari ekspander agar dapat diambil energinyasehineea refrigeran mengembun adalah pada

tekanan 9,5 dan temperatur 200C, karenatemperatur pendingin adalah l8h. thsilkondensasi ini selanjmnya dttekan lvatexchanger untuk selanjutnya ditambahenerginya dengan cara memberi panas dengan

fluida panas dari sumber air pa-nas Dengantemperahr mula-mula sebear 20'C kemudianrefiigemn sebagai fluida kerja ditambahenerginya sehingga suhunya menjadi 76 0C

dengan tekanan 31,57 bar, maka fasa fluidakerja R22 menjadi uap kering yang siap

digunakan untuk memutar ekspander.Sehingga secara keseluruhan siklus RankineOrganik menjadi terpenuhi. Hasil pethitunganteoritis maupun simulasi untuk efisiensi darifluida kerja ini adalah sekitar 5 % seperti telahdisebutkan di atas.

I R22R l3,la

No Fluidayang

Digumkan

P,"

Turbin(bar)

TnTurbincc)

P_,K ondensor

(bar)

R22 31.57 '76 9.5I

76 62 Rl34a 2l

tlPomp!4(n

rlGene'do,

(%\

ITurbin

("/'\

TinATCc)

ToutAirfcl

OutputGEn.ldor

(k \v)

l8 20 577 95 65

65 l8 20 577

140

95

tajuAir

panas(lt^)

Dyapompa

pfldingh(kw)

2

R134a 2i2

Jurnal T.knik En.rgi, lbl.2 , No.l, Aprit 20t2 lssN 20E9 - 2527

DAFTAR PUSTAKA

Aminuddirq Antonius Bintarto Ekoprasetyo.2005. Teknik ORC untuk Ekstral$iEnergi dari Sumber Energi PotensiRendah.http:/ /www.p3 tkebt.esdm. go. id

Ariyanto, Sudi. 2004. Energi TerbarukanBe lum Dimarfaatkan Secara Sempuma,http ://id.wik ipedi aorg/wiki./Ener g iTerbarukan

Battorl Bill. 2000. Mesin Siklus RankineOrsanik ntuk So lar

Gambar 3 Diagram pressure-enblphydariR l34a

Dalam proses ini tekanan dan temperaturrefrigeran turun. Unhrk refrigsran Rl34aperubahan fasa menjadi uap kering te{ adi padasaat suhu refrigerant mencapai 76'C dengantekanan 2l bar. Dan uap tesebut kemudiandikondensasi pada temperatur 200C sehinggatekanan fluida uap terkondensasi menjadisekita6 bar.

KENDALA PENERAPAN

Diketahui bahwa, tekanan output turtin untuksiklus rankine organic inidi atas atmosfer.Dengan tingginya tekanan ini r.naka akan perludipikirkan pernbuatan seal pada turbin maupunpompa agar fluida kerja tidak bocor keatmosfer melalui sela-sela poms rotor danstator tuftin maupun pompa tersebut.

KESIMPULAN

Setelah dliakukan identifikasi lapangan disumber air panas yang berlokasi di GunungGalurggungTasikmalaya, kemudian dilanjut-kan dengan lrrancangan model siklus Rankineorganik yang diuji dan kernudian melakukansimulasi untuk dua jenis fluida yakni R22 danRl34apada suhu sunrber sebesar 80 0C,

makafluida yang memiliki nilai efisiensi yang lebihbaik adatah Rl34adengan nilai 5,9 %.

Dari hasil pengujian ini dapat dikatakan bahwasumber air panas tersebut di atas, berpotensiuntuk dijadikan pembangkit listrik skala kecil.Namun untuk rnerealisasikanrrya diperlukanstudi lebih lanjut dengan rnelakukan detaildesain dan pembuatan alatnya denganmemperhatikan kendala tekanan operasionalsiklus.

Power{te$ *tahan).h ttp ://www.n rel. g ov/ c sp/trough net/p dfVbatton orc.odf.

Bronicki, LY. 1984.Dta puluh Lima TahunPengalaman dengan Rankine OrganikCairan di Turbonachinery. \!p!lid.wikipedia.org/wiWSiklus RankineOrganik

Engle, Darid 2008. Dari Limbah Panas UntukEnergi. (terjemahan). http:l/ormd.data/marcom/ormat

Geankoplis, J Cristie. 1983. Transport Processand Unit Operations 2d Edition. USA :

Al lyn and Bacon.Kulslrestha, S.K. 1989. Termodinamika

Terpakai, Teknik Uap dan Panas(Penerjemah: Budiardjo, I MadeKutika D, Budiarso). Jakarta,Universitas Indonesia.

Moran, Michael J dan Howard N. Shapiro.2006. Fundamentals of EngineeringThennodynamics 56 Edition.

-England

:John Wiley & Sons, Inc.

141