Archive for Asep Andi Suryandi

Panas Bumi

TEKNOLOGI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA PANAS BUMI

Abstrak-Paper ini menjabarkan potensi energi panas bumi di Indonesia serta pemanfaatannya sebagai pembangkit listrik. Jenis energi panas bumi dan teknologi pembangkitan serta prosesnya akan turut dijelaskan. Dari beberapa hal tersebut akan dapat diketahui teknologi pembangkitan yang paling tepat untuk digunakan didasarkan pada sumber energi panas bumi yang akan dimanfaatkan. Akan dijelaskan pula salah satu contoh teknologi PLTP binary cycle dengan sistem modular

Kata kunci-Energi panas bumi; teknologi pembangkitan, sistem modular

I. PENDAHULUAN

Energi panas bumi adalah energi panas yang tersimpan dalam batuan dibawah permukaan bumi dan fluida yang terkandung di dalamnya. Energi panas bumi merupakan sumber daya alam yang dapat diperbarui, dan relatif ramah terhadap lingkungan sehingga mempunyai potensi yang cukup besar untuk dapat dimanfaatkan dan mengurangi pemakaian energi yang tidak dapat diperbarui dan kurang ramah terhadap lingkungan seperti batu bara.

II.   PROSES PEMBENTUKAN PANAS BUMI

Struktur bumi terdiri dari lapisan kerak bumi, mantel, dan inti bumi pada bagian paling dalam. Semakin kedalam atau mendekati inti bumi, tekanan dan temperature semakin tinggi. temperatur inti bumi berkisar 5000oC. Panas pada inti bumi ini ditransfer ke lapisan diatasnya melalui proses konduksi, batuan yang mempunyai titik lebur lebih rendah dari temperatur yang diterima dari inti bumi akan meleleh dan lelehan batuan ini yang kita sebut dengan magma.

ScreenShot165

Gambar 1. Proses Terjadinya Panas Bumi

Air hujan yang meresap pada permukaan bumi apabila bersentuhan atau mengalami konduksi dengan batuan panas bumi akan mengalami kenaikan temperatur dan tekanan. Air yang telah mengalami kenaikan temperatur dan tekanan akan mencari jalan menuju permukaan bumi melalui celah celah batuan bumi. Diantara air tersebut ada yang berhasil menuju permukaan bumi dan menghasilkan sumber air panas atau geyser yang dapat dimanfaatkan untuk sumber air panas, pembangkit maupun keperluan lainnya. Sebagian air dalam perut bumi tidak dapat menemukan jalan menuju permukaan bumi dan tetap terperangkap diantara lempeng batuan bumi dengan suhu dan tekanan yang semakin tinggi. Uap air ini harus dieksplorasi untuk dapat diambil dan dimanfaatkan.

Berdasarkan proses pembentukan dan pemanfaatannya energy panas bumi dapat dikategorikan sebagai berikut :

 

  • Energi panas bumi air panas

Energi panas bumi berupa air panas yang keluar dari perut bumi dan mengandung banyak mineral. Energi berupa air panas dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan mulai dari pariwisata sampai pembangkit. Energi panas bumi berupa air panas tidak dapat langsung dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin.

 

  • Energi panas bumi uap basah

Energi panas bumi dimana masih mengandung sejumlah air yang harus dipisahkan terlebih dahulu sebelum digunakan untuk menggerakkan turbin.  Uap basah yang keluar dari perut bumi pada mulanya berupa air panas bertekanan tinggi yang pada saat menjelang permukaan bumi terpisah menjadi kira-kira 20 % uap dan 80 % air. Atas dasar ini maka untuk dapat memanfaatkan jenis uap basah ini diperlukan separator untuk memisahkan antara uap dan air. Uap yang telah dipisahkan dari air diteruskan ke turbin untuk menggerakkan generator listrik, sedangkan airnya disuntikkan kembali ke dalam bumi untuk menjaga keseimbangan air dalam tanah.

  • Energi panas bumi batuan panas

Energi panas bumi berupa batuan panas yang berada di perut bumi akibat berkontak dengan sumber panas bumi. Energi panas bumi batuan panas menghasilkan uap air yang kering sehingga dapat dimanfaatkan untuk memutar turbin.

 

III. PANAS BUMI DI INDONESIA

Energi panas bumi merupakan salah satu bentuk energi primer yang ada di alam. Energi primer lain yang terdapat di alam antara lain: minyak bumi, panas bumi, gas bumi, batu bara, dan air. Dibandingkan dengan energi primer fosil, cadangan energi panas bumi di Indonesia relatif lebih besar.

Sistem panas bumi di Indonesia umumnya merupakan sistem hidrothermal yang mempunyai temperatur tinggi (>225oC), hanya beberapa diantaranya yang mempunyai temperatur sedang (150‐225oC).

Panas bumi di Indonesia secara umum dipengaruhi oleh tiga lempeng benua yang bertemu di Indonesia. Lempeng benua itu adalah lempeng Pasifik, lempeng Australia dan lempeng Eurasia. Tumbukan antara lempeng Australia di sebelah selatan dan lempeng Eurasia di selatan menghasilkan daerah patahan yang memanjang dari pulau sumatera, jawa sampai nusa tenggara. Daerah patahan ini menyebabkan barisan deret gunung berapi yang disebut dengan cincin api. Sedangkan pertemuan antara lempeng Eurasia dengan lempeng pasifik menghasilkan daerah gunung berapi pada daerah Sulawesi dan Maluku. Hal ini dapat dilihat pada peta sebaran potensi panas bumi di Indonesia yang pada umumnya berada pada daerah vulkanik.

ScreenShot166

Gambar 2. Peta Potensi Panas Bumi di Indonesia

Tabel 1. Potensi Panas Bumi di Indonesia

ScreenShot167

Dari Tabel 1. Dapat diketahui bahwa potensi panas bumi di Indonesia demikian besar mencapai 29.177 MWe, sementara pemanfaatannya baru mencapai 4,2 % atau sekitar 1.226 MWe (lihat Tabel 2.)

Tabel 2. Kapasitas Terpasang Panas Bumi

 ScreenShot168

 

IV. JENIS PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA PANAS BUMI

Terdapat tiga jenis pembangkit listrik panas bumi, antara lain:

1.    Dry Steam Power Plant

Pembangkit sistem ini merupakan teknologi pertama pembangkit tenaga panas bumi. Pembangkit ini memanfaatkan energi panas bumi berupa uap air kering yang di ambil dari perut bumi melalui sumur produksi. Uap air panas dari sumur produksi langsung dimanfaatkan untuk memutar turbin. Sisa uap air yang keluar dari turbin dikondensasikan pada condenser dan diinjeksikan kedalam bumi melalui sumur injeksi.

 ScreenShot169

Gambar 3. Proses Pembangkitan Dry Steam Power Plant

2. Flash Steam Power Plant

Pembangkit yang memanfaatkan panas bumi yang berupa fluida misalnya air panas alam diatas suhu 1750˚ C. Fluida panas tersebut dialirkan kedalam tangki flash yang tekanannya lebih rendah sehingga terbentuk uap panas secara cepat. Uap panas yang dihasilkan pada tangki flash tersebut digunakan untuk menggerakkan turbin. Seperti halnya pada dry steam power plant sisa uap air yang keluar dari turbin dan yang keluar dari tangki flash dikembalikan ke perut bumi melalui sumur injeksi. Diagram proses pembangkit listrik tenaga panas bumi tipe flash steam dapat dilihat pada gambar berikut:

 ScreenShot170

Gambar 4. Proses Pembangkitan Flash Steam Power Plant

3.    Binary Cycle Power Plant

Pada pembangkit listrik tenaga panas bumi tipe binary cycle energi panas bumi berupa air panas maupun uap air tidak digunakan untuk memutar turbin. Energi panas bumi digunakan untuk memanaskan fluida kerja dengan heat exchanger. Fluida kerja inilah yang nantinya akan menggerakkan turbin. Air panas maupun uap air yang keluar dari heat exchanger dikembalikan ke bumi dengan cara diinjeksikan melalui sumur injeksi. Pembangkit ini menggunakan fluida kerja yang mempunyai titik kritis yang rendah sehingga pembangkit listrik tipe ini dapat memanfaatkan uap air, maupun air panas dengan temperatur yang tidak terlalu tinggi.

ScreenShot171

Gambar 5. Proses Pembangkitan Binary Cycle  Power Plant

Berikut merupakan karakteristik fluida kerja yang digunakan pada sistem binary cycle.

Tabel 3

 ScreenShot172

Di Indonesia PLTP yang menggunakan tipe binary cycle terdapat di Lahendong dan Sibayak, untuk spesifikasi lengkap penulis masih belum memiliki datanya.

V.    Sistem Modular

Sistem modular merupakan salah satu penerapan Pembangkit Listrik Panas Bumi dengan tipe binary cycle. Pada sistem modular, daya yang dibangkitkan perunit tidak terlalu besar. Sistem modular yang dikembangkan oleh rasertech hanya sekitar 280 kW per unit.

 ScreenShot173

Gambar 6. Satu Unit  PLTP Sistem Modular(rasertech)

 ScreenShot174

Gambar 7. PLTP Sistem Modular Kapasitas 15 MW(rasertech)

Satu unit sistem modular terdiri dari: heat exchanger, turbin, generator, kondenser dan pompa fluida kerja. Pada sistem modulari ini, proses pembangkitan dilakukan dengan sistem binar. Dimana pada sistem ini air panas bumi tidak langsung digunakan untuk memutar turbin. Air panas bumi masuk ke coil di heat exchanger untuk memanaskan fluida kerja, temperatur kritis dari fluida kerja bergantung dari fluida kerja yang digunakan (lihat Tabel. 3). Fluida kerja yang telah berubah menjadi uap digunakan untuk memutar turbin. Tekanan uap akan memutar turbin untuk menggerakkan generator. Satu unit generator menghasilkan daya sebesar 280 kW. Setelah melewati turbin, uap akan naik ke tangki kondenser. Air dari cooling tower akan bersikulasi pada coil di tangki kondenser untuk mendinginkan uap hingga kembali menjadi fluida kerja. Fluida kerja dari tangki, kemudian dipompakan kembali ke heat exchanger untuk mengulang proses.

 

KESIMPULAN

  • Potensi panas bumi di Indonesia sangatlah besar mencapai 29 GWe, sementara pada Tahun 2011 yang termanfaatkan baru mencapai 1,226 GWe.
  • Jenis PLTP yang akan digunakan bergantung dari jenis energi panas bumi yang dihasilkan
  • Untuk sistem modular digunakan pada PLTP dengan skala kecil.

REFERENSI

  1. www.ESDM.go.id
  2. Permana, Indra Bayu, Studi Pembangunan Pembangkit Listrik IPP – PLTP Bedugul 10 MW, ITS, Surabaya
  3. www.rasertech.com
  4. DiPippo, Ronald, Geothermal Power Plants: Principles, Applications and Case Studies, Elsevier, Massachusetts, 2005

 

 

High Temperature Superconducting (HTS) Generator

High Temperature Superconducting(HTS) Generator

Di dalam pemanfaatan bahan superkonduktor yang memiliki nilai hambatan terhadap energi listrik relatif kecil bahkan hingga nol sebagai bahan utama pada generator diharapkan dalam pengoperasian pada daya keluaran yang sama diperoleh nilai efisiensi yang lebih tinggi. Hal ini dikarenakan rugi-rugi tahanan jangkar, rugi-rugi inti dan bahan yang biasa timbul pada penggunaan generator konvensional tidak terjadi pada penggunaan generator berbahan superkonduktor.

Penggunaan High Temperature Superconducting(HTS) Generator memiliki beberapa kelebihan, antara lain:

  1. Effisiensi lebih tinggi mencapai 99 %
  2. Rugi-rugi daya lebih rendah 50 % daripada metode konvensional(Gambar 1)
  3. Konduktivitas 106 lebih baik dibandingkan tembaga
  4. Kerapatan arus 10 kali lebih besar dibandingkan belitan tembaga
  5. Mengurangi polusi
  6. Meningkatkan stabilitas jaringan listrik
  7. Mengurangi biaya pemasangan
  8. Ukuran yang lebih kecil dan berat yang lebih ringan

Gambar 1. Perbandingan Rugi-Rugi Daya Antara Generator Konvensional dengan HTS Generator(Southampton Unversity)

Generator dengan menggunakan HTS memiliki desain yang berbeda pada rotornya(Gambar 2) dikarenakan belitan yang digunakan pada rotor yang pada generator konvensional menggunakan tembaga diganti dengan material HTS, sementara untuk statornya tetap menggunakan desain konvensional.

Gambar 2. Rotor dengan HTS Solenoida (General Electric)

Pada saat sekarang ini, material HTS yang digunakan pada rotor generator HTS adalah YBCO dan BiSCCO. Dimana kedua material tersebut merupakan keramik yang pada suhu ruang bersifat sebagai isolator. Diantara kedua material tersebut BiSCCO merupakan material yang paling sering digunakan. BSCCO memiliki suhu kritis pada 77 °K dengan kerapatan arus sebesar 48 A/cm2.

Di dalam mendesain HTS generator(Gambar 3) ada tiga subsistem yang harus diperhatikan: 1) Rotor, 2) Pendinginan Rotor, 3) Stator. Secara fisik, HTS generator diharapkan mempunyai panjang separuh dan diameter duapertiga dari generator konvensional. HTS generator memiliki reaktansi sinkron rendah sekitar 0,28 pu, tetapi memiliki reaktansi transient dan sub-transient yang sama dengan generator konvensional. Secara keseluruhan efisiensi HTS generator dapat mencapai 99%, rugi-rugi terbesar(65%) ada pada belitan jangkar yang masih terbuat dari tembaga. Untuk konsumsi daya sistem pendinginan kryogenik mengkontribusi rugi-rugi 2% dari total rugi-rugi. Baik belitan rotor maupun stator menghasilkan harmonik yang minimum.

Gambar 3. HTS Generator(AMSC)

Referensi :

  1. Goddard, Kevin F, Bartosz Lukasik, and Jan K. Sykulski, Alternative Designs of High-Temperature Superconducting Synchronous Generators, IEEE trans. on appl. Supercond., vol. 19, no. 6, Dec. 2009
  2. http://www.amsc.com/products/htswire/2GWireTechnology.html
  3. B. Lukasik, K. F. Goddard, M. D. Rotaru and J. K. Sykulski, Kriging assisted design of a synchronous superconducting generator with YBCO windings, School of Electronics and Computer Science, University of Southampton SO17 1BJ, Southampton, UK
  4. Kalsi, Swarn S., Development Status of Superconducting Rotating Machines, IEEE PES Meeting, New York, January 27-31, 2002
  5. M.K., Al-Mosawi , Xu B., Beduz C, Goddard K., Sykulski J.K, Yang Y., Stephen N.G., Webb M., Ship K.S., and Stoll R, 100kVA High Temperature Superconducting Generator, Electrical Engineering Department, University of Southampton, Southampton, SO17 1BJ, UK.
  6. Joho, Reinhard, Highlight Of a Superconducting Generator Study, ALSTOM, Switzerland

SUPERKONDUKTOR

Pengertian dan Sejarah Superkonduktor

Superkonduktor adalah suatu material yang tidak memiliki hambatan dibawah suatu nilai suhu tertentu. Suatu superkonduktor dapat saja berupa suatu konduktor, semikonduktor ataupun suatu insulator pada keadaan ruang. Suhu dimana terjadi perubahan sifat konduktivitas menjadi superkonduktor disebut dengan temperatur kritis (Tc).

Gambar 1. Kurva Perubahan Resistivitas (ρ) Terhadap Perubahan Suhu (T)

Pada umumnya sifat suatu bahan dapat dibedakan melalui resistivitas elektriknya seperti yang ditunjukkan pada Tabel I.

Tabel I. Perbedaan Nilai Resistivitas Suatu Bahan

Sifat Bahan

Resistivitas, ρ (Ω.m)

Contoh Bahan

Isolator

Tertinggi (1010-1012)

Plastik dan Karet

Semikonduktor

Tinggi (10-3-106)

Germanium

Konduktor

Rendah (10-8)

Emas dan Perak

Superkonduktor

Nol

Semua bahan yang berdasarkan CuO

Superkonduktor pertama kali ditemukan oleh seorang fisikawan Belanda, Heike Kamerlingh Onnes, dari Universitas Leiden pada tahun 1911. Pada tanggal 10 Juli 1908, Onnes berhasil mencairkan helium dengan cara mendinginkan hingga 4oK atau -269oC. Kemudian pada tahun 1911, Onnes mulai mempelajari sifat-sifat listrik dari logam pada suhu yang sangat dingin. Pada waktu itu telah diketahui bahwa hambatan suatu logam akan turun ketika didinginkan dibawah suhu ruang, akan tetapi belum ada yang dapat mengetahui berapa batas bawah hambatan yang dicapai ketika temperatur logam mendekati 0 K atau nol mutlak. Beberapa ahli ilmuwan pada waktu itu seperti William Kelvin memperkirakan bahwa elektron yang mengalir dalam konduktor akan berhenti ketika suhu mencapai nol mutlak. Dilain pihak, ilmuwan yang lain termasuk Onnes memperkirakan bahwa hambatan akan menghilang pada keadaan tersebut. Untuk mengetahui yang sebenarnya terjadi, Onnes kemudian mengalirkan arus pada kawat merkuri yang sangat murni dan kemudian mengukur hambatannya sambil menurunkan suhunya. Pada suhu 4,2 K, Onnes terkejut ketika mendapatkan bahwa hambatannya tiba-tiba menjadi hilang. Arus mengalir melalui kawat merkuri terus menerus. Kurva hasil pengamatan Onnes digambarkan pada gambar 2.

Gambar 2. Kurva Hasil Pengamatan Onnes

Penemuan lainnya yang berkaitan dengan superkonduktor terjadi pada tahun 1933. Walter Meissner dan Robert Ochsenfeld menemukan bahwa suatu superkonduktor akan menolak medan magnet. Sebagaimana diketahui, apabila suatu konduktor digerakkan dalam medan magnet, suatu arus induksi akan mengalir dalam konduktor tersebut. Prinsip inilah yang kemudian diterapkan dalam generator. Akan tetapi, dalam superkonduktor arus yang dihasilkan tepat berlawanan dengan medan tersebut sehingga medan tersebut tidak dapat menembus material superkonduktor tersebut. Hal ini akan menyebabkan magnet tersebut ditolak. Fenomena ini dikenal dengan istilah diamagnetisme dan efek ini kemudian dikenal dengan efek Meissner. Efek Meissner ini sedemikian kuatnya sehingga sebuah magnet dapat melayang karena ditolak oleh superkonduktor, gambar 3. Medan magnet ini juga tidak boleh terlalu besar. Apabila medan magnetnya terlalu besar, maka efek Meissner ini akan hilang dan material akan kehilangan sifat superkonduktivitasnya.

Gambar 3. Efek Meissner

Superkonduktor yang terdiri dari bahan logam dan aloi dikenal sebagai superkonduktor konvensional. Helium cair yang mempunyai titik didih 4oK dipakai sebagai pendingin bahan superkonduktor. Oleh karena mahalnya harga helium cair, maka penyelidikan bahan superkonduktor konvensional dihentikan. Para saintis fisika tiada henti melakukan penyelidikan tentang superkonduktor, hal ini dibuktikan dengan berhasilnya menaikkan suhu transisi superkonduktor untuk bahan berbeda. Era helium cair sebagai pendingin superkonduktor telah berakhir dengan digantikannya nitrogen cair. Seperti diketahui bahwa nitrogen cair sebagai pendingin superkonduktor mempunyai titik didih 77oK dan harga yang relatif lebih murah. Penggunaan nitrogen cair sebagai pendingin superkonduktor dibuktikan dengan ditemukan bahan superkonduktor YBa2Cu3O7-δ dengan  suhu transisi, Tc = 92oK oleh grup riset di Univ. Alabama & Houston yang dikoordinasi oleh: Paul Chu dan K. Wu. (1987). Saat ini, bahan superkonduktor yang mempunyai suhu transisi tertinggi adalah bahan Hg-Ba-Ca-Cu-O dengan Tc = 140oK (Chu, C.W. et al. 1993). Oleh karena bahan berasaskan CuO (kuprum oksida) mempunyai suhu transisi yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan superkonduktor konvensional, maka para saintis yang mengkhususkan penyelidikan di bidang superkonduktor sependapat untuk menyebut bahan superkonduktor yang berasaskan CuO sebagai Superkonduktor Suhu Tinggi (High Temperature Superconductor).

Gambar 4. Kurva Perkembangan titik kritis(Tc) Material Superkonduktor

Penggunaan Superkonduktor

Superkonduktor kini telah banyak digunakan dalam berbagai bidang. Hambatan tidak disukai karena dengan adanya hambatan maka arus akan terbuang menjadi panas. Apabila hambatan menjadi nol, maka tidak ada energi yang hilang pada saat arus mengalir. Penggunaan superkonduktor dibidang transportasi memanfaatkan efek Meissner, yaitu pengangkatan magnet oleh superkonduktor. Hal ini diterapkan pada kereta api supercepat di Jepang yang diberi nama The Yamanashi MLX01 MagLev train, gambar 5. Kereta api ini melayang diatas magnet superkonduktor. Dengan melayang, maka gesekan antara roda dengan rel dapat dihilangkan dan akibatnya kereta dapat berjalan dengan sangat cepat, 343 mph atau sekitar 550 km/jam.

Gambar 5. Maglev Train

Penggunaan superkonduktor yang sangat luas tentu saja dibidang listrik. Generator yang dibuat dari superkonduktor memiliki efisiensi sekitar 99% dengan ukuran jauh lebih kecil dibandingkan dengan generator yang menggunakan kawat tembaga. Suatu perusahaan amerika, American Superconductor Corp. diminta untuk memasang suatu sistem penstabil listrik yang diberi nama Distributed Superconducting Magnetic Energy Storage System (D-SMES). Satu unit D-SMES dapat menyimpan energi listrik sebesar 3 juta Watt yang dapat digunakan untuk menstabilkan listrik apabila terjadi gangguan listrik. Untuk transmisi listrik, pemerintah Amerika Serikat dan Jepang berencana untuk menggunakan kabel superkonduktor dengan pendingin nitrogen untuk menggantikan kabel listrik bawah tanah yang terbuat dari tembaga. Dengan menggunakan kabel superkonduktor, arus yang dapat ditransmisikan akan jauh meningkat. 250 pon kabel superkonduktor dapat menggantikan 18.000 pon kabel tembaga mengakibat effisiensi sebesar 7000 dari segi tempat.

Di bidang komputer, superkonduktor digunakan untuk membuat suatu superkomputer dengan kemampuan berhitung yang fantastis. Di bidang militer, HTS-SQUID digunakan untuk mendeteksi kapal selam dan ranjau laut. Superkonduktor juga digunakan untuk membuat suatu motor listrik dengan tenaga 5000 tenaga kuda.

 

Gambar 6. Road Map Harga dan Penggunaan HTS

 

Referensi :

  1. Xie, Yi-Yuan, V. Selvamanickam, Y. Chen, X. Xiong, Y. Qiao, A. Rar, D. Hazelton, K. Lenseth, R. Schmidt, A. Knoll, and J. Dackow, 2G HTS wire research effort for cost reduction, KEPRI-EPRI Joint Superconductivity Conference, Nov 16-19, 2009,  Daejeon, South Korea
  2. http://www.fisikanet.lipi.go.id
  3. Marlianto, Eddy, Studi Ultrasonik Pada Bahan Superkonduktor Suhu Tinggi, Universitas Sumatera Utara, 2008, Medan

 

Hello world!

Welcome to Blogs ITB Sites. This is your first post. Edit or delete it, then start blogging!