proposal thesis anike purbawati 2411201908

Anike Purbawati 2411021908

I.

Judul Pemodelan, Simulasi, dan Optimisasi Dry-Steam Geothermal Power Plant dari sudut pandang NCG (Noncondensable Gas Removal Systems) di PT. PGE Kamojang, Jawa Barat.

II. Bidang Minat Rekayasa Instrumentasi III. Latar Belakang Perkembangan Industri yang bergerak maju dengan pesat, akan menuntut penyediaan energi yang cukup besar pula, terlebih lagi pada negara-negara berkembang, krisis energi fosil terjadi hampir di seluruh dunia, tidak terkecuali pada negara berkembang seperti negara Indonesia. Untuk mengatasi krisis energi, penggunaan energi terbarukan menjadi solusi yang tepat. Salah satu contoh energi terbarukan adalah energi panas bumi. Indonesia secara geologis terletak pada pertemuan tiga lempeng tektonik utama yaitu Lempeng Eropa-Asia, IndiaAustralia dan Pasifik yang berperan dalam proses pembentukan gunung api di Indonesia. Kondisi geologi ini memberikan kontribusi nyata akan ketersediaan energi panas bumi di Indonesia. Indonesia yang kaya akan wilayah gunung berapi, memiliki potensi panas bumi yang besar untuk dapat dimanfaatkan sebagai sumber pembangkit tenaga listrik. Sekitar 54% potensi panas bumi di dunia berada di wilayah indonesia. Dengan potensi yang sangat besar ini (lebih dari 50%), wilayah Indonesia sangat cocok untuk menggunakan sumber pembangkit listrik tenaga panas bumi. (SNI) Salah satu geothermal power plant terbesar di Indonesia yaitu adalah PLTP Kamojang (Pertamina Geothermal Energy) yang didirikan sejak tahun 1982. Pertamina Geothermal Energy terletak sekitar 42 km dari Bandung, ibu kota dari propinsi Jawa Barat. Kapasitas dari PLTP Kamojang yaitu sebesar 60 MWe dan mengintegrasi listrik pada daerah Jawa dan Bali. Agar memperoleh kapasitas listrik dengan daya listrik optimum maka diperlukan optimasi dari proses produksi daya elektrik pada Pertamina Geothermal Energy Kamojang. Produksi daya listrik secara optimum dapat diperoleh dengan menentukan kondisi optimum dari proses pembangkit listrik tenaga panas bumi. Dalam melakukan optimasi daya elektrik pembangkit listrik tenaga panas bumi, perlu dilakukan pemodelan sistem terlebih dahulu. Tentunya dengan hasil daya listrik yang optimum keuntungan dari perusahaan pun akan meningkat. Sehingga dengan alasan tersebut pemodelan matematis sangat diperlukan. Sebelumnya telah dilakukan penelitian mengenai optimasi daya listrik dari pembangkit listrik tenaga panas bumi ini oleh Parlindungan Hendrick Hasoloan Siregar (2004). Penelitian


ini dilakukan di geothermal Sibayak, Sumatera Utara. Optimasi yang dilakukan dalam penelitian ini tidak menggunakan teknik optimasi di dalamnya. Namun hanya ditinjau dari perbandingan kondisi optimum dari masing-masing plant geothermal tersebut, contohnya tekanan yang optimum untuk hasil daya listrik yang paling baik. Kemudian optimasi juga dilakukan oleh Roy Sibandaru (2006) dengan teknik optimasi yang digunakan menggunakan fmincom. Oleh karena itu pada thesis ini akan dilakukan optimasi daya elektrik dengan tinjauan lebih dititikberatkan terhadap NCGs gas removal system. Seperti pada penelitian-penelitian sebelumnya bahwa sistem dan proses yang menurunkan kualitas sumber energi hanya dapat diidentifikasi melalui analisis termodinamika terperinci dari keseluruhan sistem. Sebagian besar kasus ketidaksempurnaan termodinamika tidak dapat dideteksi oleh keseimbangan energi. Proses evaluasi menggunakan kesetimbangan exergy mampu mengidentifikasi sumber ketidakefisienan, yang mengarah untuk meningkatkan desain dan penghematan yang dihasikan. Keseimbangan exergy adalah alat untuk mengidentifikasi jenis, lokasi dan besaran kerugian termal. Identifikasi dan pengukuran kerugian ini memungkinkan untuk evaluasi dan perbaikan esain system termodinamika (Rosen, 1999; 2002; Rosen dan Dincer, 2001; Kwambai, 2005). Model statis dikembangkan untuk dry steam GPP dengan perbedaan pilihan system gas removal NCGs yaitu compressor system (CS), steam jet ejector system (SJES), hybrid (steam jet ejector and LRVP) system (HS) and reboiler. Dimana software yang akan digunakan adalah Engineering Equation Solver (EES) yang digunakan untuk perhitungan kesetimbangan massa, energy and untuk tiap-tiap komponen plant. Model divalidasi dengan menggunakan data PPE Kamojang. Kemudian simulasi dilakukan pada parameter input gangguan meliputi geothermal field (NCG fraction, separator pressure), plant (condenser pressure dan turbine inlet temperature), environmental (wet bulb temperature) dan ekonomi. Panas bumi yang berasal dari reservoir pada Gotermal Power Plant (GPP) mengandung noncondensable gases (NCGs) yang tinggi seperti (CO2, H2S, NH3, N2, CH4) dibandingkan dengan pembangkit listrik berbahan bakar fossil. Sejumlah NCGs yang terkandung di dalam steam geothermal memiliki dampak yang sangat signifikan pada performansi produksi daya elektrik pada GPP. Bergantung pada sumber, fraksi NCGs bervariasi dari nol sampai sebesar 25% dari berat uap. (Hall, 1996; Coury et al., 1996). Adanya NCGs di dalam steam geothermal mengganggu perpindahan panas di condenser dengan membentuk efek gas-blanketing yang akan menaikkan temperature dari kondensor dan backpressure pada turbin, sehingga akan


menurunkan performansi dari turbine dan kondensor dan mengurangi produksi output daya elektrik. Dalam real plant, efek gas-blanketing hanya bisa diatasi dengan mengektraksi NCGs dari kondensor menggunakan ejector,compressors dan pompa. Daya yang digunakan untuk mengekstrak NCGs dari kondensor dan membuangnya ke atmosfir disuplay dari listrik yang dihasilkan GPP. Hal ini sungguh-sungguh menurunkan performansi produksi daya elektrik (Duthie and Nawaz, 1989). NCGs juga menurunkan exergy dari fluida dengan mengurangi kerja yang tersedia di pabrik. Dengan demikian evaluasi kerja bersih dari turbin harus mempertimbangkan kandungan NCGs (Montero, 1990). Dibandingkan dengan power plant berbahan bakar fosil, GPP memerlukan kapasitas NCG removal systems yang lebih besar, dimana menempati porsi besar dalam biaya plant keseluruhan. Oleh karena itu pemilihan NCG removal system menjadi prhatian utama pada tahap perencanaan dan desain dasar yang brtujuan memaksimalkan output daya bersih dan meminimalkan biaya inventasi, operasi, dan pemeliharaan GPP dalam perspektif jangka panjang (Tajima and Nomura, 1982; Hankin et al., 1984). Oleh karena itu thesis ini bertujuan untuk mengembangkan model sebagai ptunjuk atau referensi yang secara cepat dan mudah dapat digunakan untuk menentukan system gas removal GPP yang memaksimumkan output daya elektrik pada minimum cost. Pemodelan meliputi kesetimbangan massa, energy dan exergy dan analisa ekonomi di bawah kondisi steady-state. IV. Perumusan Masalah Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan di atas, terdapat beberapa permasalahan yang akan diangkat dalam tugas akhir ini yaitu bagaimana memodelkan plant geothermal pada PT Pertamina Geothermal Energy Kamojang, kemudian Bagaimana menentukan kondisi optimum pada proses dari sistem geothermal di PT Pertamina Geothermal Energy, dan yang ketiga yaitu bagaimana mengoptimasi proses produksi daya elektrik pada PT Pertamina Geothermal Energy. V. Batasan masalah Untuk menghindari luasnya permasalahan yang muncul, maka dalam pengerjaan tugas akhir ini terdapat beberapa batasan masalah sebagai berikut:1.

Optimasi proses produksi daya elektrik dilakukan di PT Pertamina Pemodelan sistem geothermal yang akan dilakukan adalah pemodelan

Geothermal Energy area Kamojang, Jawa Barat.2.

secara statis sesuai dengan hukum termodinamika I dan II.

Anike Purbawati 2411021908 3.

Teknik optimasi ditinjau dari NCGs gas removal system.

VI.

Tujuan Tujuan dari pengerjaan thesis ini adalah melakukan pemodelan, simulasi, dan optimasi daya elektrik pada sistem power plant geothermal dari sudut pandang NCGs gas removal systems.

VII. Kajian Pustaka Berikut adalah beberapa kajian pustaka yang digunakan untuk menyusun teori penunjang dalam proposal tugas akhir ini No. 1 Judul Thermodynamic And Economic Assessment Of Power plant Expansion From 140 To 200 Mwe In Kamojang Indonesia 2 Optimization Of Electrical Power Production Process For The Sibayak Geothermal Field, Indonesia Parlindungan Hendrick Hasoloan Siregar Penulis Sugeng Triyono Intisari Mengenai pemodelan sistem geothermal dan kajian untuk ekspansi dari 140- 200 Mwe di Kamojang Indonesia Berisi cara memodelkan sistem power plant geothermal serta optimasi daya elektrik pada Geothermal 3 Geothermal Power plants: Principles, Applications and Case Studies Ronald DiPippo, Ph.D. Sibayak e-book yang berisi geothermal secara umum dari mulai tipe prinsip kerja , hingga optimasi dari sistem geothermal. VIII. Teori Penunjang VIII.1 Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi Sistim panas bumi di Indonesia umumnya merupakan sistim hidrothermal yang mempunyai temperatur tinggi (>225oC), hanya beberapa diantaranya yang mempunyai temperatur sedang (150 225oC). Pengalaman dari lapanganlapangan panas bumi


yang telah dikembangkan di dunia maupun di Indonesia menunjukkan bahwa sistem panas bumi bertemperatur tinggi dan sedang, sangat potensial bila diusahakan untuk pembangkit listrik. Potensi sumber daya panas bumi Indonesia sangat besar, yaitu sekitar 27500 MWe , sekitar 3040% potensi panas bumi dunia.Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) pada prinsipnya sama seperti Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU), hanya pada PLTU uap dibuat di permukaan menggunakan boiler, sedangkan pada PLTP uap berasal dari reservoir panasbumi. Apabila fluida di kepala sumur berupa fasa uap, maka uap tersebut dapat dialirkan langsung ke turbin, dan kemudian turbin akan mengubah energi panas bumi menjadi energi gerak yang akan memutar generator sehingga dihasilkan energi listrik.

Gambar 8.1 Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (2) Apabila fluida panas bumi keluar dari kepala sumur sebagai campuran fluida dua fasa (fasa uap dan fasa cair) maka terlebih dahulu dilakukan proses pemisahan pada fluida. Hal ini dimungkinkan dengan melewatkan fluida ke dalam separator, sehingga fasa uap akan terpisahkan dari fasa cairnya. Fraksi uap yang dihasilkan dari separator inilah yang kemudian dialirkan ke turbin

Gambar 8.2 sistem PLTPB (2)


Apabila sumberdaya panasbumi mempunyai temperatur sedang, fluida panas bumi masih dapat dimanfaatkan untuk pembangkit listrik dengan menggunakan pembangkit listrik siklus binari (binary plant). Dalam siklus pembangkit ini, fluida sekunder ((isobutane, isopentane or ammonia) dipanasi oleh fluida panasbumi melalui mesin penukar kalor atau heat exchanger. Fluida sekunder menguap pada temperatur lebih rendah dari temperatur titik didih air pada tekanan yang sama. Fluida sekunder mengalir ke turbin dan setelah dimanfaatkan dikondensasikan sebelum dipanaskan kembali oleh fluida panas bumi. Siklus tertutup dimana fluida panas bumi tidak diambil masanya, tetapi hanya panasnya saja yang diekstraksi oleh fluida kedua, sementara fluida panas bumi diinjeksikan kembali kedalam reservoir. Masih ada beberapa sistem pembangkitan listrik dari fluida panas bumi lainnya yang telah diterapkan di lapangan, diantaranya: Single Flash Steam, Double Flash Steam, Multi Flash Steam, Combined Cycle, Hybrid/fossilgeothermal conversion system.(2) VIII.2 Single Flash System Apabila fluida panas bumi keluar dari kepala sumur sebagai campuran fluida dua fasa (fasa uap dan fasa cair) maka terlebih dahulu dilakukan proses pemisahan pada fluida. Hal ini dimungkinkan dengan melewatkan fluida ke dalam separator, sehingga fasa uap akan terpisahkan dari fasa cairnya. Fraksi uap yang dihasilkan dari separator inilah yang kemudian dipakai pada perhitungan daya turbin. Oleh karena itu, sistem konversi energi ini dinamakan Siklus Uap Hasil Pemisahan (Gambar 3 dan Gambar 4). Siklus ini banyak digunakan pada reservoir panas bumi dominasi air.


Gambar 8.3 Skema Diagram Siklus Uap Hasil Pemisahan (3)

Gambar 8.4 Diagram T - S Untuk Sistem Single flash (3) Proses geothermal ini apabila dilihat secara termodinamika dimana diagramnya yaitu suhu dari fluida diplot pada ordinat Flashing dan entropi spesifik cairan diplot

pada absis. Sebuah diagram T-S dari single flash dapat dilihat pada gambar 4


Urutan proses dimulai dengan geofluid dibawah tekanan yaitu pada keadaan 1, berada dekat dengan kurva saturasi. Proses flashing dimodelkan dengan salah satu yang bernilai konstan yaitu enthalphi (h) yang disebut juga dengan isentalpik karena terjadi secara terus, spontan, dasarnya adiabatik, dan dengan tidak ada keterlibatan kerja. Pada proses ini juga diabaikan salah satu perubahan energi kinetik atau potensial fluida karena mengalami flash. Sehingga dapat ditulis sebagai berikut : h 1 = h 2 (1) Proses Pemisahan (pada Separator) Proses pemisahan ini dimodelkan pada tekanan konstan atau dapat disebut proses isobarik, yaitu setelah flashing telah terjadi. Kualitas atau fraksi dryness, x, dari campuran yang terbentuk setelah flash, pada nomor 2, dapat diperoleh dari:

(2) Hal ini digunakan pada saat fraksi massa uap campuran dan jumlah aliran uap yang masuk ke turbin per satuan massa total ke dalam separator. Proses ekspansi turbin Hasil yang diperoleh dengan turbin per satuan massa uap yang mengalir yaitu dapat dituliskan sebagai berikut : (3) Untuk menghitung efisiensi turbin digunakan rumus , yaitu :

(4) Sedangkan untuk memperoleh daya dari turbin yaitu sebagai berikut :

(5)


Dengan menggunakan Bauman rule dapat dihitung nilai enthalpi dari kerja turbin aktual yaitu dengan menggunakan rumus :

(6)

Dengan nilai

Prosess kondensing

Sesuai dengan hukum termodinamika persamaan yang digunakan yaitu :

(7) Dengan mcw= laju aliran dari cooling water C= diasumsikan spesifik konstan dari air dingin (- 1 Btu/lbm'~ or 4.2 kl/kgK) X2 . m total = laju aliran dari steam T = perbedaan suhu setelah masuk kondenser (3) VIII.3 NCGs Gas Removal Systems. Tidak seperti PLTU, uap pada geothermal mengandung non-condensable gas (NCG). Gas dalam kondensor dapat di ekstrak dengan menggunakan peralatan yang pemilahannya tergantung dari kapasitas suction, tekanan vacuum dalam kondensor dan temperature colling water ( Dal Secco,1975). Tipe yang sering digunakan dalam geothermal powerplant antara lain steam ejector, centrifugal compressors, radial blowers, liquid ring vacuum pump (LRVP) dan reciprocating pumps. Steam ejector umumnya dipakai di area geothermal dengan kandungan NCG yang rendah,sedangkan compressors digunakan pada area geothermal dengan kandungan NCG lebih dari 2.5-%. Hybrid systems, merupakan kombinasi dari beberapa tipe yang disebutkan diatas yang juga banyak di aplikasikan pada geothermal power plant. Tabel dibawah ini menunjukkan komposisi gas di dalam uap di area geothermal kamojang.


Tabel 8.1 Komposisi gas dalam uap di area geothermal Kamojang (Lab. Kimia PGEKamojang,2010) Perbandingan gas di dalam uap yang terdapat pada area geothermal berbeda antara satu dan lainnya,bahkan antara sumur satu dan lainnya. Tabel dibawah menunjukkan komposisi gas di beberapa area geothermal di dunia.

Tabel 8.2 Komposisi gas di beberapa area geothermal di dunia Adanya NCG didalam uap menurunkan performansi dari turbine dan kondensor. NCG menurunkan exergy dari fluida dan ektraksi gas dari kondensor membutuhkan konsumsi daya/kerja dari ejector,compressors dan pompa. Hudson (1988) menjelaskan bahwa pengaruh dari NCG dari gross power output dapat dilihat dari rumus dibawah ini : Wg = Wo(1-G.0.059) Dimana, Wg = gross power dengan G% NCG berat uap Wo = gross power dengan nol NCG G = % NCG berat uap


Gas removal systems dapat diklasifikasikan dalam tiga tipe bedasarkan kapasitas laju alirannya (Hall,1933), antara lain: 1. Steam Ejector Jenis ini biasanya sesuai untuk digunakan dalam merancang aliran gas tidak terkondensasi. Gambar dibawah ini merupakan skematika diagram dari steam ejector.

Gambar 8.5 Diagram steam ejector pada geothermal

2. Roto-dynamic Machines Misalnya blower radial, dan kompresor sentrifugal. Jenis ini biasanya digunakan untuk aliran gas yang besar. Gambar dibawah ini merupakan gambar dari kompresor sentrifugal.


Gambar 8.6 kompresor sentrifugal.( Freeston,1996)

3. Positive Displacement Machines Misalnya reciprocating vacuum pump dan liquid ring vacuum pump (LRVP). Jenis ini digunakan untuk mengalirkan gas tidak terkondensasi dalam jumlah yang relative kecil. Gambar dibawah ini merupakan gambar dari liquid ring vacuum pump (LRVP).

Gambar 8.7 liquid ring vacuum pump (LRVP) ( Freeston,1996)

IX. Metodologi Penelitian Metodologi penelitian dari pelaksanaan tugas akhir ini yaitu adalah :1.

Melakukan kajian terhadap sistem power plant geothermal di PT PGE Kamojang, Jawa Barat. Melakukan pemodelan sistem pada power plant geothermal. Menentukan nilai daya elektrik dari pemodelan sistem yang dihasilkan. Melakukan optimasi dari proses produksi daya elektrik geothermal pada PT PGE, Kamojang, Jawa Barat. Melakukan analisa dari hasil yang diperoleh.

2. 3. 4.

5.


6.

Penyusunan hasil laporan.

Adapun diagram alir pelaksanaan tugas akhir adalah sebagai berikut :Mulai

Tinjauan Plant

Pengambilan Data

Pemodelan Statis Plant

TIDAK

Validasi Model

ValidasiYA

Penentuan Fungsi Objektiff Pembuatan Algoritma Optimasi

Selesai

Gambar 9.1 Diagram alir penelitian

Penjelasan:1. Tinjauan plant dan pengambilan data

Peninjauan plant geothermal di PT PGE Kamojang, Jawa Barat serta pengambilan data yang diperlukan untuk melakukan optimasi daya elektrik yang dihasilkan PT PGE Kamojang.


2. Pemodelan plant statis dan perhitungan daya elektrik . Melakukan pemodelan secara statis dari data yang diperoleh serta melakukan perhitungan daya elektrik atau keluaran dari sistem. Model statis dikembangkan untuk dry steam GPP dengan perbedaan pilihan system gas removal NCGs yaitu compressor system (CS), steam jet ejector system (SJES), hybrid (steam jet ejector and LRVP) system (HS) and reboiler. Dimana software yang akan digunakan adalah Engineering Equation Solver (EES) yang digunakan untuk perhitungan kesetimbangan massa, energy and untuk tiap-tiap komponen plant.3. Model divalidasi dengan menggunakan data PPE Kamojang. Kemudian simulasi

dilakukan pada parameter input gangguan meliputi geothermal field (NCG fraction, separator pressure), plant (condenser pressure dan turbine inlet temperature), environmental (wet bulb temperature) dan ekonomi. 4. Optimasi Setelah itu melakukan optimasi daya elektrik PT PGE Kamojang yang ditinjau dari beberapa parameter dengan mnggunakan Fmincom pada mathlab. 5. Analisis Melakukan analisa terhadap exergy dan hasil optimasi yang dilakukan sebelumnya. IX. DaftarPustaka.1. Standart Nasional Indonesia 13-5012-1998. Klasifikasi Potensi Energi Panas Bumi di

Indonesia. Badan Standart Indonesia.2. Saptadji, Nenny. Sumber Daya panas Bumi: Energi Andalan yang Masih

Tertinggalkan. Bandung: ITB3. DiPippo, Ronald. 2006. Geothermal power plants: principles, appications and case

studies. Elsevier Advanced Technology. The Boulevard, Langford Lane, Kidlington, Oxford OX5 IGB. UK. Pp. 88-98.4. Montero, G. Evaluation of the network of a turbine operated by a mixture of steam

and non-condensable gases, Proceedings of 12th New Zealand Geothermal Workshop,1990, 11, pp 163174.5. Siregar Hasoloan, Parlindungan H. 2004. Optimization Of Electrical Power

Production Process For The Sibayak Geothermal Field, Indonesia. The United United Nation University, Reykjavk, Iceland.

Anike Purbawati 2411021908 6. Triyono , Sugeng. 2001. Thermodynamic And Economic Assessment Of Power

Plant Expansion From 140 To 200 Mwe In Kamojang Indonesia. The United United Nation University, Reykjavk, Iceland.7. Rosen, M.; Dincer, I. Exergy as the confluence of energy, environment and

sustainable development. Int. J. on Exergy, 2001, 1, pp. 3-13.8. Sanchez

Eduardo , F. Torres Carlos, Guillen Pablo , Larrazabal German. 2011.

Modeling and Simulation Of The Production Process Of Electrical Energy in A Geothermal Power Plant. Elsevier. University of Texas at El Paso, TX, USA.

proposal thesis anike purbawati 2411201908

Documents