Mas Ndoel Blogers

Peralatan Energi Termis: Kogenerasi
Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org ©UNEP 1
KOGENERASI
1. PENDAHULUAN .................................................................................... 1
2. JENIS-JENIS SISTIM KOGENERASI................................................... 2
3. PENGKAJIAN SISTIM KOGENERASI................................................ 12
4. PELUANG EFISIENSI ENERGI.......................................................... 15
5. DAFTAR PERIKSA OPSI..................................................................... 16
6. LEMBAR KERJA................................................................................. 16
7. REFERENSI.......................................................................................... 18
1. PENDAHULUAN
Bagian ini memberi gambaran ringkas mengenai ciri-ciri utama sistim kogenerasi atau sistim
Kombinasi Panas & Daya (Combined Heat & Power/ CHP)
1.1 Apakah Kogenerasi?
Sistim kogenerasi adalah serangkaian atau pembangkitan secara bersamaan beberapa bentuk
energi yang berguna (biasanya mekanikan dan termal) dalam satu sis tim yang terintegrasi.
Sistim CHP terdiri dari sejumlah komponen individu – mesin penggerak (mesin panas),
generator, pemanfaatan kembali panas, dan sambungan listrik – tergabung menjadi suatu
integrasi. Jenis peralatan yang menggerakkan seluruh sistim (mesin penggerak)
mengidentifikasi secara khusus sistim CHPnya. Mesin penggerak untuk sistim CHP terdiri
dari mesin reciprocating, pembakaran atau turbin gas, turbin uap, turbin mikro dan sel bahan
bakar. Mesin penggerak ini dapat membakar berbagai bahan bakar, yaitu gas alam, batubara,
minyak bakar, dan bahan bakar alternatif untuk memproduksi daya poros atau energi
mekanis. Meskipun umumnya energi mekanis dari mesin penggerak digunakan untuk
menggerakkan generator untuk membangkitkan listrik, tetapi dapat juga digunakan untuk
menggerakkan peralatan yang bergerak seperti kompresor, pompa, dan fan. Energi termal
dari sistim dapat digunakan untuk penerapan langsung dalam proses atau tidak langsung
untuk memproduksi steam, air panas, udara panas untuk pengeringan, atau air dingin/ chilled
water untuk proses pendinginanan.
100 68
34 Unit 24 Unit
6 Unit
(Kehilangan
)
60
40
36 Unit
(Kehilangan)
h = 85%
h = 40%
10 Unit
(Kehilangan)
Pembangkitan Konvensional
(58% dari efisiensi total)
Gabungan Panas dan Daya (CHP)
(85% Efisiensi Total)
Peralatan Energi Termis: Kogenerasi
Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org ©UNEP 2
Gambar 1. Efisiensi Ene rgi Advantage Pada Sistim Kogenerasi (UNESCAP, 2000)
Gambar 1 menunjukkan efisiensi energi canggih CHP dibandingkan dengan stasiun pusat
pembangkit listrik konvensional dan pembangkit boiler. Sistim CHP hanya menggunakan
energi tiga perempat bagian dari energi yang digunakan jika sistim panas dan daya terpisah.
Penurunan konsumsi bahan bakar primer ini merupakan keuntungan utama sistim CHP,
karena jika pembakaran lebih efisien atau kebutuhan bahan bakar lebih sedikit, berarti emisi
akan lebih sedikit untuk hasil yang sama.
1.2 Keuntungan Kogenerasi
Seperti sudah digambarkan diatas, keuntungan penggunaan sistim kogenerasi adalah sebagai
berikut:
§ Meningkatkan efisiensi konversi energi dan penggunaannya.
§ Emisi lebih rendah terhadap lingkungan, khususnya CO2, gas rumah kaca utama.
§ Dalam beberapa kasus, digunakan bahan bakar biomas dan beberapa limbah seperti
limbah pengolahan minyak bumi, limbah proses dan limbah pertanian (dengan digester
anaerobik atau gasifikasi). Bahan ini akan menjadi bahan bakar pada sistim kogenerasi,
meningkatkan efektivitas biaya dan mengurangi tempat pembuangan limbah.
§ Penghematan biaya yang besar menjadikan industri atau sektor komersial lebih kompetitif
dan juga dapat memberikan tambahan panas untuk pengguna domestik.
§ Memberikan kesempatan lebih lanjut untuk membangkitkan listrik lokal yang didesain
sesuai kebutuhan konsumen local dengan efisiensi tinggi, menghindari kehilangan
transmisi dan meningkatkan fleksibilitas pada sistim penggunaan. Hal ini khususnya
untuk penggunaan baha n bakar gas alam.
§ Suatu kesempatan untuk meningkatkan diversifikasi plant pembangkit, dan menjadikan
persaingan pembangkitan. Kogenerasi menyediakan sesuatu kendaraan terpenting untuk
promosi pasar energi yang liberal.
2. JENIS-JENIS SISTIM KOGENERASI
Bagian ini mencakup berbagai jenis sistim kogenerasi: sistim kogenerasi turbin uap, sistim
kogenerasi turbin gas, dan sistim kogenerasi mesin reciprocating. Dalam bagian ini juga
menyangkut klasifikasi sistim kogenerasi atas dasar urutan energi yang digunakan.
2.1 Sistim Kogenerasi Turbin Uap
Turbin uap merupakan salah satu teknologi mesin penggerak yang multi guna dan tertua yang
masih diproduksi secara umum. Pembangkitan energi dengan menggunakan turbin uap telah
berlangsung sekitar 100 tahun, ketika alat tersebut menggantikan mesin steam reciprocating
karena efisiensinya yang tinggi dan biayanya yang murah. Kapasitas turbin uap dapat
berkisar dari 50 kW hingga ratusan MWs untuk plant utilitas energi yang besar. Turbin uap
digunakan secara luas untuk penerapan gabunag panas dan daya (CHP). Siklus
termodinamika untuk turbin uap merupakan siklus Rankine. Siklus merupakan dasar bagi
stasiun pembangkitan daya konvensional dan terdiri dari sumber panas (boiler) yang
mengubah air menjadi steam tekanan tinggi. Dalam siklus steam, air pertama-tama dipompa
ke tekanan sedang hingga tinggi, kemudian dipanaskan hingga suhu didih yang sesuai dengan
tekanannya, dididihkan (dipanaskan dari cair hingga uap), dan kemudian biasanya diberikan
Peralatan Energi Termis: Kogenerasi
Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org ©UNEP 3
Boiler
Fuel
Turbine
Process
HP Steam
LP Steam
Condensate
panas berlebih/superheated (dipanaskan hingga suhu diatas titik didih). Turbin multi tahap
mengekspansi steam bertekanan sampai ke tekanan rendah dan steam kemudian dikeluarkan
ke kondensor pengembun pada kondisi vakum atau menuju sistim distribusi suhu menengah
yang mengirimkan steam ke penggunaan industri atau komersial. Kondensat dari kondensor
atau dari sistim penggunaan steam dikembalikan ke pompa air umpan untuk keberlanjutan
siklus.
Dua jenis turbin uap yang banyak digunakan adalah jenis tekanan balik dan ekstraksikondensasi.
Pemilihan diantara keduanya sangat tergantung pada besarnya panas dan daya,
kualitas panas dan faktor ekonomi. Titik ekstraksi steam dari turbin dapat lebih dari satu,
tergantung pada tingkat suhu dari panas yang diperlukan oleh proses.
2.1.1 Turbin Steam Tekanan Balik
Turbin steam tekanan balik merupakan rancangan yang paling sederhana. Steam keluar turbin
pada tekanan yang lebih tinggi atau paling tidak sama dengan tekanan atmosfir, yang
tergantung pada kebutuhan beban panas. Hal ini yang menyebabkan digunakannya istilah
tekanan balik. Dengan cara ini juga memungkinkan mengekstraksi steam dari tahap
intermediate turbin uap, pada suhu dan tekanan yang sesuai dengan beban panas. Setelah
keluar dari turbin, steam diumpankan ke beban, dimana steam ini akan melepaskan panas dan
kemudian diembunkan. Embun kondensat kembali ke sistim dengan laju alir yang dapat lebih
rendah dari laju alir steam, jika steam digunakan dalam proses atau jika terdapat kehilangankehilangan
sepanjang jalur pipa. Air make-up digunakan untuk menjaga neraca bahan.
Sistim tekanan balik memiliki keuntungan-keuntungan sebagai berikut:
§ Rancangannya sederhana dengan hanya beberapa komponen
§ Biaya tahapan tekanan rendah yang mahal dihindarkan.
§ Modalnya rendah
§ Kebutuhan air pendingin berkurang atau bahkan tidak ada.
§ Efisiensi totalnya tinggi, sebab tidak terdapat pembuangan panas ke lingkungan yang
melalui kondensor.
Gambar 2. Turbin Steam Tekanan Balik
Peralatan Energi Termis: Kogenerasi
Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org ©UNEP 4
Sistim tekanan balik memiliki kerugian-kerugian sebagai berikut:
§ Turbin uap lebih besar untuk keluaran energi yang sama, sebab turbin ini beroperasi pada
perbedaan entalpi steam yang lebih rendah.
§ Laju alir massa steam yang menuju turbin tergantung pada beban termis. Sebagai
akibatnya, listrik yang dihasilkan oleh steam dikendalikan oleh beban panas, yang
menghasilkan sedikit atau tidak ada fleksibilitas pada penyesuaian langsung keluaran
listrik terhadap beban listrik. Oleh karena itu, terdapat kebutuhan bagi hubungan dua arah
jaringan listrik untuk pembelian listrik tambahan atau penjualan listrik berlebih yang
dihasilkan. Untuk meningkatkan produksi listrik dapat dilakukan dengan cara membuang
steam secara langsung ke atmosfir, namun cara ini sangat tidak efisien. Hal ini akan
mengakibatkan dihasilkannya limbah air boiler yang sudah diolah dan, kemungkinan
besar, nilai ekonomis dan kinerja energinya yang buruk
2.1.2 Ekstraksi Kondensasi Turbin Uap
Pada sisitim ini, steam untuk beban panas diperoleh dengan cara ekstraksi dari satu atau lebih
tahap intermediate pada tekanan dan suhu yang sesuai. Steam yang tersisa dibuang ke
tekanan kondensor, yang besarnya 0,05 bar dengan suhu sekitar 33 °C, sehingga tidak
memungkinkan untuk dimanfaatkan karena suhunya sangat rendah. Sebagai akibatnya, steam
ini dibuang ke atmosfir. Jika dibandingkan dengan sistim tekanan balik, turbin jenis
kondensasi memiliki biaya investasi yang lebih tinggi dan, umumnya, efisiensi totalnya lebih
rendah. Namun demikian, untuk tingkatan tertentu, turbin ini dapat mengendalikan energi
listrik yang tidak tergantung pada beban panas dengan cara pengaturan laju alir steam yang
tepat mela lui turbin.
Gambar 3. Turbin Uap Ekstraksi Kondensasi
Boiler
Fuel
Turbine
Process
HP Steam
LP Steam
Condensate
Condenser
Peralatan Energi Termis: Kogenerasi
Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org ©UNEP 5
Peralatan Energi Termis: Kogenerasi
Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org ©UNEP 6
2.2 Turbin Gas Sistim Kogenerasi
Sistim turbin gas beroperasi pada siklus termodinamika yang dikenal dengan siklus Brayton.
Pada siklus Brayton, udara atmosfir dikompresi, dipanaskan, diekspansikan, dengan
kemudian berlebih yang dihasilkan oleh turbin atau ekspander yang dipakai oleh kompresor
digunakan untuk pembangkitan energi.
Turbin gas sistim kogenerasi dapat menghasilkan seluruh atau sebagian permintaan energi
setempat, dan energi yang dilepas pada suhu tinggi pada cerobong pengeluaran dapat
dimanfaatkan kembali untuk berbagai pengunaan pemanasan dan pendinginan (lihat Gambar
4). Walau gas alam sudah hampir umum digunakan, bahan bakar lain seperti bahan bakar
minyak ringan atau diesel dapat juga dipakai. Ukuran turbin gas yang digunakan bervariasi
dari beberapa MW hingga sekitar 100 MW.
Turbin gas kogenerasi memiliki pengalaman perkembangan yang tercepat akhir-akhir ini
karena besarnya ketersediaan gas alam, kemajuan teknologi yang cepat, penurunan biaya
pemasangan yang cukup berarti, dan kinerja lingkungan yang lebih baik. Selanjutnya, masa
persiapan untuk perkembangan suatu proyek lebih pendek dan peralatan dapat dikirim
dengan cara modul. Turbin gas memiliki waktu start-up yang pendek dan memberi
fleksibilitas operasi yang berubah-ubah. Walau turbin tersebut memiliki panas rendah
terhadap efisiensi energi, panas yang dapat dimanfaatkan kembali pada suhu tinggi lebih
banyak. Jika keluaran panas kurang dari yang diperlukan oleh pengguna, maka
memungkinkan untuk memiliki pembakaran tambahan gas alam dengan cara mencampurkan
bahan bakar tambahan terhadap gas buang yang masih kaya dengan oksigen untuk
meningkatkan keluaran panas yang lebih efisien.
2.2.1 Turbin gas siklus terbuka sistim kogenerasi
Hampir seluruh sistim turbin gas yang tersedia saat ini, pada berbagai sektor penggunaan,
beroperasi pada siklus Brayton terbuka (juga dikenal dengan siklus Joule bila ketidak dapat
baliknya diabaikan) dimana komp resor mengambil udara dari atmosfir dan membawanya
pada tekanan yang lebih tinggi ke pembakar. Suhu udara juga meningkat karena kompresi.
Unit yang lebih tua dan lebih kecil beroperasi pada perbandingan tekanan sekitar 15:1,
sementara unit yang lebih baru dan lebih besar beroperasi pada perbandingan tekanan
mendekati 30:1.
Peralatan Energi Termis: Kogenerasi
Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org ©UNEP 7
Udara dikirimkan melalui sebuah diffuser ke ruang pembakaran yang bertekanan konstan,
dimana bahan bakar diinjeksi dan dibakar. Diffuser menurunkan kecepatan udara ke nilai
yang dapat diterima dalam pembakar. Terdapat penurunan tekanan/ pressure drop di dalam
pembakar sekitar 1,2%. Pembakaran berlangsung dengan udara berlebih. Gas buang keluar
pembakar pada suhu tinggi dengan konsentrasi oksigen sampai 15-16%. Semakin tinggi suhu
pada siklus ini, akan semakin tinggi efisiensi siklusnya. Batas atasnya ditentukan daya tahan
material turbin terhadap suhu, juga oleh efisiensi sudu-sudu pendingin. Batasan suhu pada
teknologi terbaru adalah sekitar 1300°C.
Gas buang yang bersuhu dan bertekanan tinggi ini menuju turbin gas menghasilkan kerja
mekanis untuk menggerakan kompresor dan beban (generator listrik). Gas buang
meninggalkan turbin pada suhu yang cukup besar (450-600 ° C), yang ideal untuk
dimanfaatkan kembali panas yang bersuhu tinggi. Untuk pemanfaatan yang lebih efisien,
dipengaruhi oleh boiler pemanfat kembali panas yang bertekanan tunggal atau ganda.
Steam yang dihasilkan dapat memiliki tekanan dan suhu yang tinggi, yang menjadikannya
cocok tidak hanya untuk proses termal saja namun juga untuk menggerakkan turbin uap
sehingga menghasilkan energi tambahan.
2.2.2 Sistim kogenerasi turbin gas siklus tertutup
Dalam sistim siklus tertutup, fluida kerja (biasanya gas helium atau udara) bersirkulasi dalam
suatu sirkuit tertutup. Fluida ini dipanaskan dalam suatu penukar panas sebelum masuk
menuju turbin, dan didinginkan setelah keluar turbin dan melepaskan panas yang berguna.
Sehingga maka fluida kerjanya bersih dan tidak menyebabkan korosi ataupun erosi.
G
Kompresor Turbin
HRSG
Combustor
B
Udara
Generator
Gas buang
Kondensat
dari Proses
Steam ke
Proses
Gambar 4. Sistim Turbin Gas Kogenerasi Siklus Terbuka
Peralatan Energi Termis: Kogenerasi
Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org ©UNEP 8
Sumber panas dapat berasal dari pembakaran eksternal berbagai bahan bakar. Juga, dapat
digunakan energi nuklir atau energi matahari.
2.3 Sistim Kogenerasi Mesin Reciprocating
Mesin-mesin reciprocating cocok untuk berbagai penggunaan pembangkitan yang
terdistribusi, industri, komesial, dan fasilitas institusional untuk pembangkitan daya dan CHP.
Mesin reciprocating mudah menyalakannya, mengikuti beban dengan baik, memiliki
efisiensi beban sebagian yang bagus, dan umumnya memiliki kehandalan yang tinggi. Dalam
beberapa kasus, unit mesin multiple reciprocating meningkatkan kapasitas total. Mesin
reciprocating memiliki efisiensi listrik lebih tinggi dibanding turbin gas dengan ukuran yang
sebanding, dengan demikian merendahkan biaya operasi yang berhubungan dengan bahan
bakar. Disamping itu, biaya awal genset mesin reciprocating umumnya lebih rendah dari
genset turbin gas hingga ukuran 3-5 MW. Biaya perawatan mesin reciprocating umumnya
lebih tinggi dari turbin gas, namun perawatan kadang dapat ditangani oleh karyawan
setempat atau disediakan oleh organisasi layanan setempat.
Potensi penerapan pembangkitan yang terdistribusi untuk mesin reciprocating terdiri dari
standby, pemangkasan beban puncak, penyangga grid, dan penerapan CHP dimana
diperlukan air panas, steam tekanan rendah, atau limbah absorpsi panas pembakaran pada
pendingin. Mesin reciprocating juga digunakan secara luas sebagai penggerak mekanik
langsung dalam berbagai penerapan seperti pompa air, kompresi udara dan gas dan
pendinginan.
Sumber panas
G
Kompresor Turbin
Generator
Kondensat
dari proses
Steam ke
proses
Penukar panas
Gambar 5: Sistim kogenerasi turbin gas siklus tertutup
Peralatan Energi Termis: Kogenerasi
Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org ©UNEP 9
Sementara penggunaan mesin reciprocating tumbuh di berbagai penerapan pembangkitan
yang terdistribusi, penerapan pembangkitan yang paling umum di lokasi untuk mesin SI gas
alam secara tradisional adalah CHP, dan kecenderungan ini nampaknya akan berlanjut terus.
Segi ekonomi dari mesin gas alam pada penerapan pemangkitan di tempat diperbaiki dengan
penggunaan energi panas yang efektif dari energi panas yang terkandung dalam sistim gas
buang dan pendinginan, yang biasanya sebesar 60 hingga 70% dari energi bahan bakar
masuk.
Terdapat empat sumber limbah panas yang dapat digunakan dari mesin reciprocating: gas
buang, air pendingin jaket mesin, air pendingin minyak pelumas, dan pendingin
turbocharger. Panas yang termanfaatkan umumnya dalam bentuk air panas atau steam
tekanan rendah (<30 psig). Suhu gas buang yang tinggi dapat menghasilkan steam tekanan
sedang (hingga sekitar 150 psig), namun gas buang mengandung hanya sekitar separuh dari
energi panas yang tersedia dari mesin reciprocating. Beberapa penerapan CHP di industri
menggunakan mesin gas buang secara langsung untuk proses pengeringan. Pada umumnya,
air panas dan steam tekanan rendah yang dihasilkan oleh mesin reciprocating sistim CHP
cocok untuk kebutuhan posess bersuhu rendah, pemanasan ruangan, pemanasan air kran, dan
untuk menggerakan pendingin absorbsi penyedia air dingin, AC, atau pendinginan.
Tabel 1. Parameter kinerja kogenerasi (diambil dari: Komisi Energi Kalifornia, 1982)
Mesin Efisiensi, %
Penggerak
dalam Paket
Kogenerasi
Kisaran
Nominal
(Listrik)
Laju Panas
Pembangkitan
Listrik (kkal /
kWh Konversi
Listrik
Pemanfaatan
Panas
Kogenerasi
Keseluruhan
Mesin
Reciprocating
yang Lebih Kecil
10 – 500
kW
2650 - 6300 20-32 50 74-82
Mesin
Reciprocating
yang Lebih Besar
500 –
3000 kW
2400 - 3275 26-36 50 76-86
Mesin Diesel 10-3000
kW
2770 - 3775 23-38 50 73-88
Gambar 6: Sistim Kogenerasi Mesin Reciprocating (UNESCAP, 2000)
Peralatan Energi Termis: Kogenerasi
Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org ©UNEP 10
Turbin Gas yang
Lebih Kecil
800-
10000
kW
2770-3525 24-31 50 74-81
Turbin Gas yang
Lebih Besar
10-20
MW
2770-3275 26-31 50 78-81
Turbin Uap 10-100
MW
2520-5040 17-34 - -
2.4 Klasifikasi Lain Sistim Kogenerasi
Sistim kogenerasi biasanya diklasifikasikan menurut urutan penggunaan energi dan skema
operasi yang diambil. Pada sistim kogenerasi dasar ini dapat diklasifikasikan sebagai siklus
atas atau bawah.
2.4.1 Siklus Atas
Dalam siklus atas, bahan bakar yang dipasok digunakan untuk memproduksi daya terlebih
dahulu dan kemudian energi panas, yang merupakan produk samping siklus dan digunakan
untuk memenuhi panas proses atau permintaan panas lainnya. Kogenerasi siklus atas
digunakan secara luas dan merupakan metode kogenerasi yang paling populer.
Tabel 2. Empat jenis sistim kogenerasi siklus atas (gambar dari Departement Energi,
Australia)
Sistim atas siklus kombinasi
Sebuah turbin gas atau mesin
diesel memproduksi listrik atau
daya mekanis diikuti oleh boiler
pemanfaat panas untuk
menghasilkan steam untuk
menggerakan turbin uap
sekunder.
Sistim atas turbin steam
Jenis kedua dari sistim
membakar bahan bakar (jenis
apapun) untuk menghasilkan
steam tekanan tinggi yang
kemudian melewati turbin uap
untuk menghasilkan daya
dengan buangan steam dari
proses yang bertekanan rendah.
Peralatan Energi Termis: Kogenerasi
Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org ©UNEP 11
Sistim atas pemanfaatan
kembali panas
Jenis ini memanfaatkan panas
yang diambil dari buangan
mesin dan/atau jaket sistim
pendingin yang mengalir
menuju boiler pemanfaat panas,
dimana panas ini diubah
menjadi steam untuk proses/air
panas untuk penggunaan lebih
lanjut.
Sistim atas turbin gas
Turbin gas alam menggerakan
sebuah generator. Gas buang
mengalir ke boiler pemanfaat
panas yang membuat steam dan
panas untuk proses.
2.4.2 Siklus bawah
Dalam siklus bawah, bahan bakar primer memproduksi energi panas suhu tinggi dan panas
yang keluar dari proses digunakan untuk membangkitkan daya melalui boiler pemanfaat
kembali dan sebuah generator turbin. Siklus bawah cocok untuk proses manufakturing yang
memerlukan panas pada suhu tinggi dalam tungku dan kiln, yang membuang panas pada suhu
tinggi. Areal penerapannya termasuk industri semen, baja, keramik, gas, dan petrokimia.
Plant siklus bawah kurang umum daripada siklus atas. Gambar 9 menggambarkan siklus
bawah dimana bahan bakar dibakar dalam furnace untuk menghasilkan rutile sintetik.
Limbah gas yang keluar dari furnace digunakan dalam boiler untuk menghasilkan steam,
yang menggerakan turbin ntuk menghasilkan listrik.
Gambar 7, Sistim kogenerasi siklus bawah (Biro Efisiensi Energi, 2004)
Peralatan Energi Termis: Kogenerasi
Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org ©UNEP 12
3. PENGKAJIAN SISTIM KOGENERASI
3.1 Definisi & Kinerja
Kinerja Pabrik Keseluruhan
· Laju Panas Pabrik Keseluruhan (kKal/kWh)
( )
( )
Energi Keluar kW
Ms x hs - hw
Dimana,
Ms = Laju Alir Massa Steam (kg/jam)
hs = Entalpi Steam (kKal/kg)
hw = Entalpi Air Umpan (kKal/kg)
· Laju Bahan Bakar Pabrik Keseluruhan (kg/kWh)
( )
*( / )
Energi Keluar kW
Pemakaian Bahanbakar kg jam
· Total Bahan Bakar untuk Turbin& Steam
Kinerja turbin uap
· Efisiensi Turbin uap (%):
100
melintasi ( / )
melintasi ( / )
x
Penurunan Entalpi Isentropik yang Turbin kKal kg
Penurunan Entalpi Aktual yang Turbin kKal kg
Kinerja turbin gas
· Efisiensi Turbin Gas Keseluruhan (%) (Turbin & Kompresor):
100
( / ) ( / )
( ) 860
x
Bahanbakar Masuk untuk Turbin Gas kg jam x GCV bahan bakar kKal kg
Energi Keluar kW x
Kinerja generator steam pemanfaat kembali panas (hrsg)
· Efisiensi Generator Steam Pemanfaat Kembali Panas (%):
100
[ ( )] [ ( / )]
( )
x
M x Cp t t M xGCV bahan bakar kKal kg
M x h h
f masuk keluar aux
s s w
- +
-
Dimana ,
Ms = Steam yang Dihasilkan (kg/jam)
hs = Entalpi Steam (kKal/kg)
hw = Entalpi Air Umpan (kKal/kg)
Mf = Aliran Massa Gas Buang (kg/jam)
tin = Suhu Masuk Gas Buang (0C)
tout = Suhu Keluar Gas Buang (0C)
Maux = Pemakaian Bahan Bakar Tambahan (kg/jam)
Peralatan Energi Termis: Kogenerasi
Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org ©UNEP 13
3.2 Perhitungan untuk Sistim Kogenerasi Turbin Uap
Gambar dibawah memberikan gambaran mengenai empat langkah untuk menghitung kinerja
sistim kogenerasi turbin uap, yang merupakan sistim kogenerasi paling umum di industri.
Catatan: sementara metodologi akan menerapkan ke seluruh sistim kogenerasi, rumus-rumus
yang digunakan dibawah hanya diterapkan kepada sistim kogenerasi turbin uap.
Tahap 1: Perhitungan ekstraksi panas aktual dalam turbin pada setiap tahap
Entalpi Steam pada saluran masuk Turbin : h1, kKal/kg
Entalpi Steam pada ekstraksi tahap 1 : h2, kKal /kg
Entalpi Steam pada ekstraksi tahap 2 : h3, kKal /kg
Entalpi Steam pada Kondensor : h4*, kKal/kg
* Karena steam yang basah dalam tahap kondensasi, entalpi steam tidak dapat dianggap sama
dengan steam jenuh. Nilai kekeringannya adalah 0,88 – 0,92. Nilai kekeringan ini dapat
digunakan sebagai perkiraan pertama untuk memperkirakan penurunan panas pada tahap
terakhir. Walau begitu, disarankan untuk menghitung efisiensi tahap ahir dari efisiensi turbin
keseluruhan dan efisiensi tahap lainnya.
Ekstraksi panas dari saluran masuk ke eskstraksi Tahap 1 (h5):
h5 = (h1 – h2) kKal/kg
Ekstraksi panas dari ekstraksi tahap 1 ke tahap 2 (h6):
h6 = (h2 – h3) kKal/kg
BOILER
Ekstraksi
Turbin
Kondensasi
Kondensor
Ekstraksi
Energi Keluar
h1
h2
H1
h3 H2
h4 H3
h11
Peralatan Energi Termis: Kogenerasi
Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org ©UNEP 14
Ekstraksi panas dari ekstraksi tahap 2 ke kondensor (h7):
h7 = (h3 – h4) kKal/kg
Tahap 2: Memperkirakan ekstraksi panas teoritis
Dari diagram Mollier (Diagram H-f) perkirakan ekstraksi panas teoritis untuk kondisi dalam
Tahap 1. Hal ini dilakukan dengan cara sebagai berikut:
§ Plotkan titik kondisi saluran masuk turbin pada grafik Mollier – yang bersesuaian dengan
suhu dan tekanan steam.
§ Karena ekspansi pada turbin adalah proses adiabatis, entropinya konstan. Jadi gambarlah
sebuah garis tegak lurus dari titik saluran masuk (sejajar dengan sumbu-y) hingga ke
kondisi kondensasi.
§ Bacalah entalpi pada titik dimana ekstraksi dan gars tekanan kondensasi bertemu garis
tegak lurus yang digambar tadi.
§ Hitung penurunan panas teoritis untuk tahapan ekspansi yang berbeda.
Entalpi Teoritis Setelah Ekstrasi Pertama : H1
Entalpi Teoritis Setelah Ekstrasi Kedua : H2
Entalpi Teoritis pada Kondisi Kondensor : H3
Ekstraksi Panas Teoritis dari Saluran Masuk ke Ekstraksi Tahap 1 (h8): h8 = h1 – H1
Ekstraksi Panas Teoritis dari Tahap 1 ke Ekstraksi Tahap 2 (h9): h9 = H1 – H2
Ekstraksi Panas Teoritis dari Kondensasi Ekstraksi Tahap 2 (h10): h10 = H2 – H3
Tahap 3: Menghitung efisiensi turbin
Efisiensi Tahap1 ÷
ø
ö
çè
æ
8
5
h
h
= ÷ ÷
ø
ö
ç çè
æ
Ekstraksi Panas Teoritis
Ekstraksi Panas Aktual
= ÷ ÷
ø
ö
ç çè
æ
-
-
1 1
1 2
h H
h h
Efisiensi Tahap 2 ÷
ø
ö
çè
æ
9
6
h
h
= ÷ ÷
ø
ö
ç çè
æ
Ekstraksi Panas Teoritis
Ekstraksi Panas Aktual
= ÷ ÷
ø
ö
ç çè
æ
-
-
1 2
2 3
H H
h h
Efisiensi Tahap Kondensasi ÷
ø
ö
çè
æ
10
7
h
h
= ÷ ÷
ø
ö
ç çè
æ
Ekstraksi Panas Teoritis
Ekstraksi Panas Aktual
= ÷ ÷
ø
ö
ç çè
æ
-
-
2 3
3 4
H H
h h
Langkah 4: Menghitung laju panas pabrik
Laju panas (kKal/kWh) =
P
M x (h1- h11)
Dimana,
M = Laju alir massa steam (kg/jam)
h1 = Entalpi steam masuk (kKal/kg)
h11 = Entalpi air umpan (kKal/kg)
P = Energi rata-rata yang dibangkitkan (kW)
Peralatan Energi Termis: Kogenerasi
Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org ©UNEP 15
4. PELUANG EFISIENSI ENERGI
4.1 Peluang Efisiensi Energi pada Sistim Kogenerasi Turbin Uap
Peningkatan efisiensi energi yang berhubungan dengan kogenerasi dijelaskan dalam modul
berikut:
1. Boiler: silahkan mengacu ke “Boiler dan Pemanas Fluida Termis”
2. Turbin Uap:
a. Vakum kondensor:
Vakum kondensor atau tekanan balik merupakan faktor yang sangat penting karena
adanya perbedaan kecil dari nilai optimum dapat menghasilkan perubahan yang cukup
berarti dalam efisiensi. Terdapat banyak alasan kenapa vakum kondensor dapat
bervariasi dari nilai optimum seperti:
§ Suhu masuk air pendingin berbeda dari nilai rancangan – hal ini merupakan alasan
yang paling umum untuk variasi dalam vakum kondensor sebab suhu air
pendingin secara signifikan dipengaruhi oleh kondisi cuaca seperti suhu dan
kelembaban. Panas, cuaca lembab dapat mengakibatkan suhu air pendingin
meningkat, menurunkan vakum kondensor dan mengurangi keluaran turbin
(dengan penuruan efisiensi termis sebagai akibatnya). Dengan kata lain, kondisi
cuaca kering dan dingin dapat memiliki pengaruh yang sebaliknya.
§ Laju alir air pendingin bukan merupakan nilai yang benar.
§ Pipa-pipa kondensor kotor atau beberapa diantaranya tersumbat
§ Kebocoran udara yang menuju kondesor.
b. Suhu dan tekanan steam:
Jika kondisi suhu dan tekanan steam pada saluran masuk ke turbin uap bervariasi dari
kondisi optimum perancangan, turbin mungkin tidak mampu beroperasi pada efisiensi
maksimum.
Variasi kondisi steam dapat disebabkan berbagai kesalahan dalam perancangan pabrik
(termasuk pengukuran), operasi pabrik yang tidak benar atau kotoran dalam boiler.
c. Operasi beban sebagian dan mulai menyala & berhenti:
Efisiensi unit pembangkit pada beban sebagian dapat dicapai mendekati nilai
rancangan dengan memberikan perhatian terhadap seluruh item diatas. Walau
demikian, keputusan pasar untuk mengoperasikan unit pembangkit pada beban
tertentu akan memiliki pengaruh besar pada efisiensi termis rata-rata. Hal serupa,
keputusan pasar pada kapan pabrik akan on atau off-line juga berakibat pada efisiensi
termis rata-rata sebab ada kehilangan energi sewaktu sistim mulai menyala atau
berhenti.
3. Distribusi Steam dan Penggunaannya: Silahkan mengacu pada Modul “Distribusi
Steam dan Penggunaannya”
4.2 Peluang Efisiensi Energi pada Sistim Kogenerasi Turbin Gas
Peningkatan efisiensi energi dapat dilakukan pada Sistim Kogenerasi Turbin Steam sebagai
berikut:
Peralatan Energi Termis: Kogenerasi
Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org ©UNEP 16
1. Kompresor Udara: Silahkan mengacu kepada Modul “Kompresor dan Sistim Udara
Tekan”
2. Turbin Gas:
§ Suhu dan tekanan gas: Jika kondisi suhu dan tekanan gas pada saluran masuk ke turbin
gas bervariasi dari kondisi optimum rancangannya, turbin mungkin tidak akan mampu
beroperasi pada efisiensi maksimum. Variasi dalam kondisi gas dapat disebabkan oleh
kesalahan-kesalahan perancangan pabrik (termasuk pengukuran) atau operasi pabrik yang
tidak benar.
§ Operasi beban sebagian dan nyala & mati: Efisiensi unit pembangkit pada beban sebagian
dapat dicapai mendekati nilai rancangan dengan memberikan perhatian terhadap seluruh
item diatas. Walau demikian, keputusan pasar untuk mengoperasikan unit pembangkit
pada beban tertentu akan memiliki pengaruh besar pada efisiensi termis rata-rata. Hal
serupa, keputusan pasar pada kapan pabrik akan on atau off-line juga memiliki sik ap pada
efisiensi thermis rata-rata sebab kehilangan energi sewaktu sistim menyala atau berhenti.
§ Suhu gas panas yang meninggalkan pembakar. Meningkatnya suhu biasanya
mengakibatkan kenaikan output energi;
§ Suhu gas buang. Penurunan suhu biasanya mengakibatkan kenaikan keluaran energi;
§ Aliran massa melalui turbin gas. Umumnya, aliran massa yang lebih tinggi menghasilkan
keluaran energi yang lebih tinggi pula;
§ Penurunan tekanan yang melintas silencer gas buang, saluran dan cerobong. Penurunan
kehilangan tekanan meningkatkan keluaran energi;
§ Meningkatkan tekanan udara yang masuk atau meninggalkan kompresor. Peningkatan
tekanan akan meningkatkan keluaran energi.
3. Generator Steam Pemanfaat Kembali Panas: Silahkan mengacu kepada Modul
“Pemanfaatan Kembali Limbah Panas”
5. DAFTAR PERIKSA OPSI
Bagian ini memuat opsi-opsi efisiens i energi yang paling penting untuk kogenerasi
§ Menggunakan gas buang untuk memanaskan udara dari kompresor (terutama digunakan
dalam kondisi cuaca dingin);
§ Membagi kompresor kedalam dua bagian dan mendinginkan udara diantara dua bagian;
§ Membagi turbin kedalam dua bagian dan memanaskan ulang gas diantara dua bagian
dengan melewatkan gas melalui burner dan combuster tambahan yang berlokasi diantara
dua bagian;
§ Pendinginan udara masuk. Hal ini terutama digunakan pada kondisi cuaca panas;
§ Menurunkan kelembaban udara masuk;
§ Meningkatkan tekanan udara pada pembuangan kompresor udara;
§ Menginjeksikan steam atau air ke combustors atau turbin;
§ Mencuci atau paling tidak membersihkan kotoran dari sudu-sudu kompresor udara dan
turbin secara teratur dan
§ Kombinasikan metode- metode diatas.
6. LEMBAR KERJA
Bagian ini meliputi lembar kerja sebagai berikut:
Peralatan Energi Termis: Kogenerasi
Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org ©UNEP 17
§ Kinerja sistim kogenerasi turbin uap
§ Kinerja sistim kogenerasi turbin gas
Lembar Kerja 1: Kinerja sistim kogenerasi turbin uap
No.
Parameter Satuan Nilai
1. Pembangkitan Daya (P) kW
2. Pembangkitan Steam (M) TPJ
3. Tekanan Steam kg/cm2 (g)
4. Suhu Steam 0C
5. Entalpi Steam (hs) kKal/kg
6. Suhu Air Umpan 0C
7. Entalpi Air Umpan (h4) kKal/kg
8. Jumlah Ekstraksi Jumlah
9. Kondisi Ekstraksi Pertama
Tekanan kg/cm2 (g)
Suhu 0C
Entalpi Aktual (h1) kKal/kg
Entalpi Teoritis (H1) kKal/kg
10. Kodisi Ekstraksi Kedua
Tekanan kg/cm2 (g)
Suhu 0C
Entalpi Aktual (h2) kKal/kg
Entalpi Teoritis (H2) kKal/kg
11. Kondisi Kondensasi
Tekanan kg/cm2 (g)
Suhu 0C
Entalpi Aktual (h3) kKal/kg
Entalpi Teoritis (H3) kKal/kg
12. Efisiensi Tahap Pertama {(h1 – h2) / (h1 – H1)} %
13. Efisiensi Tahap Kedua {(h2 – h3) / (H1 – H2)} %
14. Efisiensi Tahap Kondensasi
{(h3 – h4) / (H2 – H3)}
%
15. Laju Panas Plant [ M x (hs – h4) ] / (P x 1000) KKal/kWh
Lembar Kerja 2: Kinerja Kogenerasi Turbin Gas
No.
Parameter Satuan Nilai
1. Pembangkitan Energi (P) kW
2. Masukan Bahan Bakar untuk Turbin Gas (F) kg/jam
3. GCV Bahan Bakar kKal/kg
4. HRSG (Generator Steam Pemanfaat Panas)
Steam yang Dihasilkan (Ms) kg/jam
Entalpi Steam (hs) kKal/kg
Peralatan Energi Termis: Kogenerasi
Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org ©UNEP 18
Entalpi Air Umpan (hw) kKal/kg
Massa Gas Buang (Mf) kg/jam
Suhu Masuk Gas Buang (tin) 0C
Suhu Keluar Gas Buang (tout) 0C
Pemakaian Bahan Bakar Tambahan (Maux) kg/jam
GCV Bahan bakar kKal/kg
5. Efisiensi Turbin Gas
[P x 860 x 100] / [ F x GCV Bahan bakar]
%
6. Efisiens i HRSG
[Ms x (hs – hw) x 100]/{[Mf x Cp x (tin – tout)] +
[Maux x GCV Bahan bakar]}
%
7. REFERENSI
Bureau of Energy Efficiency, Ministry of Power, India. Energy Efficiency in Thermal Utilities. 2004
California Energy Commission. Kogenerasi Handbook. 1982
Department of Energy, Queensland Government, Australia.
www.energy.qld.gov.au/infosite/steam_turbines.html,
www.energy.qld.gov.au/infosite/condensers_cooling_sys.html and
www.energy.qld.gov.au/infosite/facts_influence_thermal.html
National Productivity Council. Assessing Kogenerasi potential in Indian Industries. 2002
Polimeros, George. Energy Kogenerasi Handbook, Industrial Press Inc.
The European Association for the Promotion of Kogenerasi. www.cogen.org/
United Nations Economic and Social Commission for Asia and the Pacific (UNESCAP),
Environment and Sustainable Development Division. Part 1: Overview of Kogenerasi and its
Status in Asia. In: Guidebook on Kogenerasi as a Means of Pollution Control and Energy
Efficiency in Asia. 2000. http://www.unescap.org/esd/energy/publications/detail.asp?id=759
Copyright:
Copyright © United Nations Environment Programme (year 2006)
This publication may be reproduced in whole or in part and in any form for educational or non-profit purposes without
special permission from the copyright holder, provided acknowledgement of the source is made. UNEP would appreciate
receiving a copy of any publication that uses this publication as a source. No use of this publication may be made for resale
or any other commercial purpose whatsoever without prior permission from the United Nations Environment Programme.
Hak Cipta:
Hak cipta © United Nations Environment Programme (year 2006)
Publikasi ini boleh digandakan secara keseluruhan atau sebagian dalam segala bentuk untuk pendidikan atau keperluan
non-profit tanpa ijin khusus dari pemegang hak cipta, harus mencantumkan sumber yang membuat. UNEP akan menghargai
pengiriman salinan dari setiap publikasi yang menggunaan publikasi ini sebagai sumber. Tidak diijinkan untuk
menggunakan publikasi ini untuk dijual belikan atau untuk keperluan komersial lainnya tanpa ijin khusus dari United
Nations Environment Programme.
Disclaimer:
Modul peralatan energi ini dibuat sebagai bagian dari proyek “Penurunan Emisi Gas Rumah Kaca dari Industri di Asia
dan Pasifik/ Greenhouse Gas Emission Reduction from Industry in Asia and the Pacific” (GERIAP) oleh Badan
Produktivitas Nasional, India. Sementara upaya-upaya masih dilakukan untuk menjamin bahwa isi dari publikasi ini
didasarkan fakta-fakta yang benar, UNEP tidak bertanggung-jawab terhadap ketepatan atau kelengkapan dari materi, dan
Peralatan Energi Termis: Kogenerasi
Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org ©UNEP 19
tidak dapat dikenakan sangsi terhadap setiap kehilangan atau kerusakan baik langsung maupun tidak langsung terhadap
penggunaan atau kepercayaan pada isi publikasi ini
Disclaimer:
This energy equipment module was prepared as part of the project "Greenhouse Gas Emission Reduction from Industry in
Asia and the Pacific" (GERIAP) by the National Productivity Council, India. While reasonable efforts have been made to
ensure that the contents of this publication are factually correct and properly referenced, UNEP does not accept
responsibility for the accuracy or completeness of the contents, and shall not be liable for any loss or damage that may be
occasioned directly or indirectly through the use of, or reliance on, the contents of this publication, including its translation
into other languages than English. This is the translated version from the chapter in English, and does not constitute an
official United Nations publication.