TUGAS TERMODINAMIKA

PENERAPAN SISTEM KOGENERASI PADA PEMBANGKIT LISTRIK UNTUK EFESIENSI

DAN PENGHEMATAN LISTRIK

Disusun Oleh :

AHMAD DANIEL GAZALI H1E108065

M. AQLY SATYAWAN H1E108056

MEVI AYUNINGTYAS H1E108055

PROGRAM STUDI S1 TEKNIK LINGKUNGAN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS LAMBUNG MANGKURAT

DEPARTEMEN PENDIDIKAN NASIONAL

BANJARBARU

2010

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Sejak krisis energi tahun 1970, dimana cadangan energi fosil dunia semakin langka,

ini telah mendorong berkembangnya teknologi mesin dan peralatan proses untuk pabrik

gula (PG) yang semakin efisien. Sehingga melalui sistem cogeneration, dengan bahan

bakar ampas PG di beberapa Negara yang tidak memiliki sumber cadangan energi fosil

dapat berperan dalam penyediaan listrik nasional (Miguel, 1994; Paturau, 1989; Riviere,

1989). Di Indonesia penyediaan listrik nasional hingga sekarang masih bersumber pada

penggunaan batu bara, gas, minyak, panas bumu dan tenaga air (Djoko dan Hamzah,

1997). Menyadari akan pentingnya menghemat devisa negara dan menjaga kelestarian

lingkungan, dengan penggunaan sumber energi baru dan terbaharukan pemerintah telah

memberi kesempatan bagi pembangkit skala kecil swata dan koperasi (PSKSK). Guna

mendorong keikutsertaan swasta dan koperasi, pemerintah melalui menteri pertambangan

dan energi telah mengeluarkan SK No.: 1895-K/437/M.PE/1995, tanggal 8 Desember

1995, diantaranya tentang ketentuan harga jual listrik dari PSKSK (Yahya, 1998).

Dengan populasi penduduk dan pembangunan industi yang terus meningkat akan

memacu kenaikan konsumsi listrik nasional. Untuk memenuhi kebutuhan listrik nasional,

PLN dari tahun 1991 hingga tahun 2004 memiliki kapasitas terpasang dari 6.363 MW

menjadi 31.845 MW, dengan peningkatan konsumsi listrik tiap tahun antara 14,1 hingga

17,7 % ( Dirjen Batan, 1996). Khususnya pada PG kapasitas besar di Sumatra selatan yang

belakangan dihadapkan pada masalah kelebihan ampas, maka program PSKSK dapat

mejadi peluang dalam peningkatan pendapatan atau kesejahteraan petani, disamping dapat

menjaga kelestarian lingkungan 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

2

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 mekanik. 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.

1.2 Rumusan Masalah

Dari latar belakang diatas, maka dapat dirumuskan masalahnya sebagai berikut :

1. Penjelasan tentang kogenerasi.

2. Klasifikasi kogenerasi.

3. Manfaat kogenerasi.

4. Jenis- jenis kogenerasi.

5. Penjelasan lebih mendalam tentang kogenerasi dalam upaya penghematan energi.

6. Sumber bahan bakar dari sistem kogenerasi.

7. Hubungannya penerapan kogenerasi dengan aplikasi hukum termodinamika

8. Kendala dan upaya dalam penggunaan system kogenerasi

1.3 Tujuan

Adapun tujuan dibuatnya makalah Pembagkit Listrik Tenaga Panas Bumi ini adalah :

1. Untuk apa itu system kogenerasi.

2. Untuk mengetahui lebih mendalam tentang kogenerasi.

3. Untuk mengetahui tingkat penghematan energy dan efesiensi yang dihasilkan sistem

kogenerasi.

4. Aplikasi termodinamika dalam sistem kogenerasi

3

5. \

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Definisi Kogenerasi dan Sistem kogenerasi

Menurut definisi, kogenerasi adalah suatu proses pembangkitan dan pemanfaatan

energi dalam bentuk yang berbeda secara serempak dari energi bahan bakar untuk

menghasilkan tingkat efisiensi maksimum, ekonomis dan ramah lingkungan. Aplikasi

kogenerasi yang lazim digunakan adalah pembangkitan energi listrik dan pembangkitan

energi termal. Energi listrik akan dipakai untuk catu daya bagi peralatan kelistrikan. Energi

termalnya akan digunakan untuk membangkitkan uap, air panas, atau untuk proses pendingin

sebuah absorption chiller.

Sistem kogenerasi adalah serangkaian atau pembangkitan secara bersamaan beberapa

bentuk energi yang berguna (biasanya mekanikan dan termal) dalam satu sistem yang

terintegrasi. Sistem CHP (Combined Heat & Power) 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 sistem

(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 energy 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.

4

Gambar 1. Efisiensi Energi 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.

2.2 Jenis-jenis Sistem Kogenerasi

Jenis–jenis sistem kogenerasi yaitu : kogenerasi turbin gas, dan sistim kogenerasi mesin

reciprocating. Dalam bagian ini juga menyangkut klasifikasi sistem kogenerasi atas dasar urutan

energi yang digunakan.

2.2.1 Sistem 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

5

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 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.

A. 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 kehilangan-kehilangan

sepanjang jalur pipa. Air make-up digunakan untuk menjaga neraca bahan.

6

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.

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

7

mengakibatkan dihasilkannya limbah air boiler yang sudah diolah dan, kemungkinan

besar, nilai ekonomis dan kinerja energinya yang buruk

B. 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 energy listrik yang tidak

tergantung pada beban panas dengan cara pengaturan laju alir steam yang tepat mela lui turbin.

2.2.2 Turbin Gas Sistem Kogenerasi

Sistem 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 energy 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

8

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.

A. Turbin gas siklus terbuka sistem 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.

9

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.

10

B. Sistem 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.

11

BAB III

PEMBAHASAN

3.1 Sistem Kogenerasi Sebagai Pembangkit Tenaga Listrik Yang Hemat Dan Efisien

Pada pembangkit standar berbahan bakar fosil, pemborosan terjadi ketika batubara atau

gas mulai dibakar. Pada sebagian pembangkit, hanya sejumlah 30% energy yang mengalir ke

jaringan distribusi. Sisanya dalam bentuk panas, dibuang melalui cerobong asap. Andai orang

bisa membuat pembangkit yang dapat mengubah 80% bahan bakar menjadi energi terpakai

(useful energy), betapa menguntungkan.  Dengan sistem pembangkit kogenerasi ini biasa dicapai

efisiensi sebesar 80%, dicapai pada system yang menggabungkan panas dan pembangkit listrik,

dikenal dengan pembangkit kogenerasi (cogeneration plants). Pembangkit jenis ini ideal bagi

institusi besar seperti universitas, rumah sakit, dan bandar udara, yang membutuhkan energi

listrik dan panas dalam jumlah besar. Pada pembangkit cogeneration, energi panas tidak dibuang,

tapi digunakan untuk menyediakan energi bagi system pemanas/pendingan, bahkan bisa juga

digunakan kembali untuk membangkitkan listrik.

Gambar 5. Pembangkit Tenaga Listrik

12

Trigeneration sistem dapat meningkatkan efisiensi energi di suatu tempat dimana ketiga

output energi tersebut diatas diperlukan, yaitu energi untuk pendingin, energi untuk pemanas dan

energi listrik. Sistem trigeneration akan memanfaatkan panas gas buang dari turbine pembangkit

listrik (genset) untuk digunakan untuk aplikasi sistem pendingin dengan mengintegrasikan sistem

genset dengan absorption chiller. Sedangkan sistem cogeneration (sistem yang menghasilkan

listrik dan aplikasi pemanasan) akan memanfaatkan panas gas buang untuk aplikasi hotwater

atau direct heating seperti drying application di industri keramik. Pengoperasian pembangkit

listrik skala kecil dengan Natural Gas atau LPG untuk trigeneration atau cogeneration disamping

membangkitkan daya listrik dapat menghasilkan output pendingin atau output pemanas yang

diperlukan oleh industri kecil dan menengah seperti industri hotel, tekstil, pengolahan makanan,

rumah sakit dan apartemen. Dengan memanfaatkan panas gas buang maka akan menghasilkan

penghematan biaya energi, sehingga investasi instalasi trigeneration atau cogeneration dapat

terbayar dalam 2-3 tahun dari penghematan energi yang didapat, terutama kalau system tersebut

menggantikan system diesel genset yang mahal harga bahan bakar serta mahal biaya

perawatannya. Pada dasarnya teknologi tersebut sudah siap untuk didatangkan di Indonesia.

Karena teknologi ini tergolong ramah lingkungan, proyek implementasi untuk proyek ini

bisa mendapatkan kemudahan peminjaman dari Bank Export/Import USA, jadi calon pemakai di

Indonesia tidak perlu menyediakan investasi dimuka yang besar. Untuk saat ini Microturbine

Genset System merupakan satu teknologi yang sudah siap secara komersial untuk diaplikasikan

sebagai trigeneration atau cogeneration system. Microturbine dengan daya listrik kelipatan

30kW, 60kW dan 200kW didesign sebagai alternative pembangkit listrik sendiri skala kecil

(30kW sampai 3.5 MW). Microturbine adalah sebuah pembangkit daya berskala kecil dengan

desain turbin gas yang mutakhir yang mampu menghasilkan daya secara maksimal dan lebih

efisien, serta dapat beroperasi selama 5 tahun non-stop (40ribu jam), dengan hanya mematikan

mesin turbine satu kali pada setiap 8000 jam (1 tahun) untuk penggantian air filter. Major

overhaul diperlukan pada setiap 40ribu jam operasi (5 tahun)

3.2 Penerapan System Kogenerasi Pada Industri Dalam Supply Energy Dan Efesiensi

3.2.1 Kogenerasi pada industri apartemen

Pembangunan perumahan berbasis apartemen dipercaya sebagai salah satu upaya

13

pemecahan masalah tempat tinggal penduduk di kota metropolitan seperti Jakarta. Pemerintah

membuka peluang selebar-lebarnya untuk pengembangan industri apartemen. Mulai dari pihak

swasta murni, maupun yang bersubsidi pemerintah mewarnai maraknya industri ini. Apartemen

akan dibangun senyaman mungkin dan dilengkapi fasilitas-fasilitas yang mendukung semua

keperluan penghuninya. Salah satunya dibangun apartemen yang bergandengan dengan pusat

perbelanjaan atau mal, pusat bisnis dan perkantoran. Namun demikian, pesatnya pembangunan

industri apartemen di Indonesia tidak diikuti oleh penyediaan infrastruktur vital yang mendukung

penyelenggaraan apartemen tersebut yaitu kebutuhan energi listrik. Para pengembang di industri

apartemen mulai mengadakan pembangkit listrik mandiri sebagai alternatif pemecahan masalah

tersebut. Harga bahan bakar minyak yang kian mahal mengharuskan pengembang kembali

berfikir keras dan mencari cara untuk mengalihkan pemakaian BBM ke bentuk bahan bakar lain

yang tersedia, mempunyai stok yang cukup, mudah diadakan, serta mempunyai harga yang

masih dapat dijangkau oleh para pengembang. Pembangkit listrik mandiri (Genset) berbahan

bakar gas menjadi pilihan utama. Energi listrik untuk penyelenggaraan apartemen memakan

biaya operasional yang tinggi. Sementara pemakaian energi listrik terbesar adalah untuk

kebutuhan pendingin ruangan. Penggunaan bahan bakar yang sebanyak mungkin demi

tercapainya kebutuhan energi juga akan semakin menambah beban pengembang. Oleh sebab itu,

diperlukan skema penggunaan bahan bakar yang lebih hemat dan efisien. Teknologi kogenerasi dapat

menjadi salah satu solusinya.

Sistem kogenerasi ini menggunakan bahan bakar untuk memenuhi pasokan energi listrik

dasar kebutuhan penghuni apartemen seperti penerangan, pompa-pompa, serta peralatan listrik

lainnya. Sedangkan kebutuhan energi untuk pendingin ruangan akan diambil dari panas buang

yang dihasilkan oleh genset berbahan bakar gas. Panas buang dialirkan dari jalur pembuangan

genset menuju absorption chiller. Secara sederhana absorption chiller akan mengubah panas

menjadi pendingin. Sistem kogenerasi yang sederhana ini tampak seperti terlihat pada Gambar 7.

14

Gambar 6. Teknik kogenerasi gas engine dan Absorption Chiller

3.3 Prinsip-Prinsip Termodinamika dalam system kogenerasi

Termodinamika merupakan cabang fisika yang mempelajari energi dan perubahannya

dalam bentuk kalor dan kerja serta besaran makroskopis lainnya yang berkaitan. Dalam

pembahas termodinamika, kita seringkali akan mengacu ke suatu sistem tertentu. Sistem

merupakan benda- benda dalam daerah yang kita tinjau perubahan energinya. Benda-benda lain

di luar sistem disebut lingkungan. Ada beberapa macam sistem. Sistem tertutup adalah sistem

dimana tidak ada massa yang masuk maupun keluar tetapi energinya dapat dipertukarkan

dengan lingkungan. Apabila pada sistem tertutup energy sistem tidak dapat dipertukarkan dengan

lingkungan, sistem tersebut dikatakan terisolasi. Pada sistem terbuka, massa dapat masuk

maupun keluar dari sistem demikian pula dengan energinya.

1. Hukum Termodinamika Pertama

Aliran kalor atau kerja yang dialami oleh suatu sistem dapat mengakibatkan system

tersebut memperoleh energi dari lingkungannya atau kehilangan energi ke lingkungannya. Hal

ini berarti energi dalam sistem itu berubah. Namun, secara keseluruhan energi itu tidak ada yang

hilang. Berdasarkan hukum kekekala energi itulah hukum termodinamika pertama dirumuskan

sebagai berikut: Perubahan energi dalam pada sistem akan sama dengan kalor yang ditambahkan

ke sistem dikurangi kerja yang dilakukan oleh sistem, dalam bentuk persamaan:

15

DU = Q –W.........(1) Di mana Q adalah kalor total yang ditambahkan ke sistem dan W adalah

kerja total yang dilakukan oleh sistem. Pada persamaan (1), W adalah kerja yang dilakukan oleh

sistem, maka jika kerja dilakukan pada sistem , W akan negatif dan U akan bertambah. Dengan

cara yang sama, Q positif bila kalor ditambahkan ke sistem, sehingga jika kalor meninggalkan

sistem, Q negatif. Persamaan tersebut berlaku untuk sistem tertutup. Persamaan ini juga berlaku

untuk system terbuka jika kita memperhitungkan perubahan energi dalam yang disebabkan oleh

kenaikan atau penurunan jumlah zat. Untuk sistem terisolasi, tidak ada kerja yang dilakukan dan

tidak ada kalor yang masuk atau meninggalkan sistem, sehingga W = Q = 0 , dan berarti DU = 0

2. Penerapan Hukum Termodinamika Pertama pada Beberapa Sistem Sederhana

Kita dapat menganalisa beberapa proses sederhana seperti proses isotermal, adiabatik,

isobarik, dan isokhorik dengan pandangan hukum termodinamika pertama. Pada proses isotermal

untuk sistem gas ideal maka PV = nRT , sehingga untuk temperatur konstan, PV = tetap. Gambar

menunjukkan diagram PV untuk proses isotermal. Setiap titik pada kurva, seperti titik A

menyatakan keadaan sistem pada suatu saat yang diketahui yaitu tekanan P dan volume V . Pada

temperatur yang lebih rendah, proses isotermal lainnya akan digambarkan oleh kurva seperti

A’B’ pada gambar 7.1. Kurva yang ditunjukkan pada gambar 7.1 disebut isoterm. Mari kita

anggap bahwa gas berada dalam bejana yang ditutup dengan piston yang mudah bergerak

(Gambar 7.2) dan bahwa gas bersentuhan dengan reservator kalor (benda yang massanya sangat

besar sehingga temperaturnya tidak berubah secara signifikan ketika kalor dipertukarkan dengan

sistem). Kita juga menganggap bahwa proses penekanan (volume berkurang) atau pemuaian

(volume bertambah) dilakukan sangat perlahan untuk meyakinkan bahwa semua gas tetap dalam

kesetimbangan pada temperatur yang sama. Jika gas pada awalnya berada dalam keadaan yang

digambarkan sebagai titik A dalam gambar 7.1, dan sejumlah kalor Q ditambahkan ke sistem,

sistem akan bergerak ketitik B pada diagram. Agar temperatur tetap konstan, gas harus memuai

dan melakukan sejumlah kerja W pada lingkungan. Temperatur tetap dijaga konstan sehingga

energi dalam tidak berubah. Berarti, dengan hukum termodinamika pertama DU = Q −W = 0 ,

sehingga W = Q; kerja yang dilakukan oleh gas pada proses isotermal sama dengan kalor yang

ditambahkan pada gas.

16

Gambar 7.1 Diagram PV untuk Gas Ideal yang Mengalami Proses Isotermal pada Dua

Temperatur yang Bebeda

Gambar 7.2. Diagram PV untuk Gas Ideal yang Mengalami Proses Isotermal pada Dua

Temperatur yang Bebeda

17

Proses Adiabatik

Proses adiabatik adalah proses dimana tidak ada kalor yang dapat mengalir ke dalam atau

ke luar sistem. Situasi ini dapat terjadi jika sistem terisolasi dengan baik, atau proses terjadi

sangat cepat sehingga kalor tidak memiliki waktu untuk mengalir ke dalam atau ke luar sistem.

Pemuaian gas yang sangat cepat pada mesin pembakaran dalam merupakan satu contoh proses

yang hampir adiabatik. Pemuaian adiabatik yang lambat dari gas ideal mengikuti kurva seperti

yang diberi label AC di gambar 7.3. Karena Q = 0 , kita dapatkan dari persamaan 7.1 bahwa DU

= −W , yaitu energi dalam bertambah jika gas memuai, berarti temperatur berkurang juga. Hal

ini jelas pada gambar 7.3 di mana hasil kali (PV = nRT ) lebih kecil pada titik C dari pada titik B.

Pada penekanan adiabatik (dari C ke A) kerja dilakukan pada gas, dan dengan demikian energi

dalam bertambah dan temperatur naik.

Gambar 7.3. Diagram PV untuk proses adiabatik

Proses Isobarik

Proses isotermal dan adiabatik hanya merupakan dua dari proses yang mungkin terjadi.

Dua proses termodinamika sederhana lainnya diilustrasikan pada digram PV gambar 7.4. Proses

18

isobarik adalah proses dimana tekanan dijaga tetap konstan, sehingga proses digambarkan

sebagai garis lurus pada diagram PV (Gambar 7.4).

Gambar 7.5. Diagram PV untuk proses isobarik

Gambar 7.5. Diagram PV untuk proses isokhorik

Proses Isokhorik

Proses isokhorik atau isovolumetrik adalah proses dimana volume tidak berubah.

Seringkali ada gunanya menghitung kerja yang dilakukan pada sebuah proses. Jika tekanan

dijaga konstan (isobarik) selama proses, kerja yang dilakukan bisa dihitung dengan mudah.

Sebagai contoh, jika gas pada gambar 7.5 memuai dengan lambat terhadap piston, kerja yang

19

dilakukan oleh gas untuk menaikkan piston adalah gaya F dikalikan jarak d . Tetapi gaya hanya

berupa tekanan P dari gas dikalikan luas A dari piston, F = PA . Dengan demikian, W = Fd = Pad

atau W = PDV......(2) dengan DV = Ad adalah perubahan volume gas. Persamaan ini juga

berlaku jika gas ditekan pada tekanan konstan, dimana DV negatif, yang menunjukkan bahwa

kerja dilakukan pada gas. Persamaan 7.2 juga berlaku untuk zat cair dan padat, dengan syarat

tekanan konstan selama proses. Pada proses isokorik (Gambar 7.5) volume tidak berubah,

sehingga tidak ada kerja yang dilakukan, W = 0 . 5

3. Hukum Termodinamika Kedua: Entropi

Kita telah melihat beberapa aspek hukum termodianamika kedua, dan pernyataan yang

berbeda mengenainya yang telah kita bahas dan dibuktikan sama. Tetapi apa yang kita inginkan

adalah pernyataan umum dari hukum termodinamika kedua. Baru pada paruh kedua abad ke

sembilan belas, hukum termodinamika kedua akhirnya dinyatakan secara umum, yaitu dalam

besaran yang disebut entropi, diperkenalkan oleh Clausius pada tahun 1860-an. Entropi, tidak

seperti kalor, merupakan fungsi keadaan sistem. Entropi dapat dianggap sebagai ukuran

keteraturan atau ketidakteraturan sistem. Menurut Clausius, perubahan entropi S dari sistem,

ketika kalor sejumlah Q ditambahkan kepadanya dengan proses yang reversibel pada temperatur

konstan, dinyatakan sebagai:

dengan T adalah temperatur mutlak. Entropi total ternyata naik untuk semua proses alami.

Hukum termodinamika kedua dapat dinyatakan dalam entropi sebagai: Entropi suatu sistem

tertutup tidak pernah berkurang. Entropi tersebut hanya bisa tetap atau bertambah. Entropi bisa

tetap sama hanya untuk proses ideal (reversibel). Untuk proses riil, perubahan entropi DS lebih

besar dari nol:

Jika sistem tidak terisolasi, maka perubahan entropi sistem S DS ditambah perubahan

entropi lingkungan env DS harus lebih besar dari atau sama dengan nol:

20

Hanya pross ideal yang mempunyai ∆S = 0 . Proses riil memiliki ∆S > 0 . Hal ini kemudian

merupakan pernyataan umum hukum termodinamika kedua: Entropi total sistem ditambah

perubahan entropi lingkungannya sebagai akibat dari proses alamiah.

3.4 Sistem Kogenerasi, Keuntungan Serta Perannya Dalam Penghematan Dan Efesiensi

Energi

Trigeneration atau Sistem Kogerensi adalah suatu energi sistem yang secara simultant

memproduksi listrik (electric power), pendingin (aircondition) dan systim pemanasan (hotwater

system) dari satu sumber energi. Kebanyakan sumber energy untuk trigeneration yang biasa

digunakan adalah natural gas (gas bumi), selain itu diesel solar dan biodiesel juga bisa dipakai

untuk menggerakkan system tsb. Sedangkan sistem kogeneration adalah system yang secara

simultant menghasilkan listrik dan aplikasi pemanasan dari satu sumber energi.

Gambar 8. Tingkat Penghematan

21

Jika dilihat dari gambar di atas bias kita bandingkan tingkat penghematan, tingkat efesiensi dan

tingkat panas yang terbuang . 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.

3.5 Sumber Bahan Bakar Dari System Pembangkit Energy Kogenerasi

Kogeneration selain dapat beroperasi dengan bahan bakar fosil juga dapat

digabungkan/dikawinkan dengan sumber energi terbarukan (gas atau padat). Seperti untuk gas

terdiri dari biogas yang dihasilkan dari sampah pertanian dan limbah organik yang mengandung

gas seperti jerami. Sedangkan untuk limbah padat terdiri dari limbah hutan dan limbah

perkotaan.  Untuk itulah sekarang ini cogeneration sudah dikembangkan menjadi pembangkit

ganda yang menggunakan bahan bakar dari energi terbarukan seperti itu. Seperti di Inggeris telah

memanfaatkan cogeneration untuk mengubah gas limbah menjadi dua macam energi

3.6 Kendala Penerapan System Kogenerasi

Kendala dalam penerapan pertama adalah dana yang cukup besar dalam penerapan ini

dan juga ada pemilihan reactor, sumber bahan bakar, system yang digunakan juga sangat

22

berpengaruh terhadap efesiensi dan penghematan yang dihasilkan. Selain itu perusahan listrik

tidak terlalu mendukung dengan system ini karena berpotensi bagi pelanggan mereka untuk

beralih menggunakan sistem ini sehingga tidak perlu lagi membeli listrik dari mereka. Salah

satu cara membujuk perusahaan listrik adalah dengan membangun system cogeneration yang

bisa disambungkan dengan jaringan milik perusahaan listrik. Tapi usul ini pun masih dipersulit

perusahaan listrik dengan menunda-nunda izin. Elliott menceritakan proses penundaan yang

diamatinya. “Diperlukan 60 hari untuk melakukan studi penyambungan system baru dengan

jaringan listrik milik perusahaan listrik, lalu 60 hari untuk mempresentasikan hasil studi ke

perusahaan listrik, dan 90 hari untuk dibutuhkan perusahaan listrik untuk menilai hasil studi, jika

mereka punya pertanyaan, dibutuhkan 30 hari. Jika dijumlahkan, bisa memakan waktu satu, dua

atau tiga tahun.

23

BAB VI

PENUTUP

4.1 Kesimpulan

Pembangkit listrik koderensi bukan hanya menghasilkan uap, juga menghasilkan

listrik, sehingga sangat tepat dimanfaatkan di industri yang masih belum memanfaatkan

gas buangnya. Sesuai dengan peruntukannya selain bahan bakar fosil yang semakin lama

semakin berkurang sehingga perlu adanya penggati system pembangkit listrik yang sudah

ada munuju system pembangkit yang lebih hemat, efesien dan ramah lingkungan. Sistem

kogenerasi menawarkan itu dengan bahan bakar dari gas alam ataupun biogas dan bahan

terbarukan lainya sebagai sumber bahan bakar. Selain efesien gas uap hasil pemanasan

juga bias digunakan lagi. Tingkat efesiensinya system kogenerasi juga lebih tinggi jika

dibandingkan dengan system konvensional yang lain

4.2 Saran

Dari pembahasan diatas saran-saran yang dapat penulis sampaikan yaitu:

Diharapkan kepada semua komponen pembuat kebijakan agar dapat mengetahui tentang

perlunya dipikirkan alternative system kogenerasi

24

DAFTAR PUSTAKA

Suprianta.2008. Kajian Teknologi Reaktor Kogenerasi Sebagai Pendukung Energi Terbarukan.

Available from URL: http://www.batan.go.id/ptrkn/file/Epsilon/vol_12_04/5.Piping.pdf.

Diakses tanggal 15 Mei 2010

Anonym .2010. Pembangkit Listrik Paling Efesien Dengan Kogenerasi. Available from URL:

http://www.alpensteel.com/article/53-101-energi-terbarukan--renewable-energy/2722--

pembangkit-listrik-paling-efisien-dengan-cogeneration.html

Diakses tanggal 15 Mei 2010

Artikel :

Deni almanda . 2010. COGENERATOR :Alat Untuk Mengoptimalkan Bahan-bakar Pembangkit

Konvensional.

25