STUDI PERANCANGAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA GAS
DENGAN SISTEM PENDINGIN UDARA MASUK GAS TURBIN
DENGAN
ABSORPTION CHILLER
UNTUK
UNIVERSITAS INDONESIA
Yusuf Satria Prihardana, Agung Subagio, Yulianto Sulistyo Nugroho Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia
Kampus UI Depok, Jawa Barat, 16424
Abstrak
Energi listrik merupakan kebutuhan yang sangat vital bagi kehidupan manusia. Tanpa adanya listrik berbagai aktivitas tidak dapat dilakukan. Kebutuhan akan energi listrik akan terus meningkat dari waktu ke waktu. Peningkatan akan kebutuhan energi listrik ini seiring dengan pembangunan yang terjadi. Tak terkecuali di Universitas Indonesia. Pembangunan besar-besaran yang terjadi sejak tahun 2010 hingga tahun 2025 membuat kebutuhan akan listrik di Universitas Indonesia meningkat drastis. Namun, jumlah daya yang ada di seluruh gardu listrik di Universitas Indonesia masih jauh dari cukup untuk memenuhi kebutuhan tersebut. Untuk itu, dalam skripsi ini, penulis mencoba memanfaatkan potensi yang ada di Universitas Indonesia untuk memenuhi kebutuhan listrik dalam kampus secara mandiri dan melakukan studi perancangan pembangkit listrik tenaga gas sebagai alternatif untuk memenuhi kebutuhan listrik untuk Universitas Indonesia. Alternatif untuk memenuhi kebutuhan listrik tambahan di Universitas Indonesia adalah dengan membangun PLTG yang menggunakan sistem pendinginan udara masuk kompresor Absorption chiller untuk meningkatkan efisiensi dari Pembangkit. Di dalam tulisan ini juga dipaparkan analisis finansial apabila menggunakan PLTG mandiri.
Kata kunci :
Absorption chiller, HRSG, Heat Balance, Heat rate, NPV, IRR
1. Pendahuluan
1.1. Latar Belakang
Listrik merupakan kebutuhan yang sangat penting bagi kehidupan, mulai dari kebutuhan rumah tangga, komunikasi, industri, hingga pendidikan. Kebutuhan listrik di Indonesia kian hari akan terus meningkat dari waktu ke waktu. Hal ini dipengaruhi oleh perkembangan dan kemajuan teknologi dan pembangunan yang sedang terjadi di Indonesia. Kedua faktor ini akan selalu berbanding lurus dengan peningkatan kebutuhan listrik. Peningkatan kebutuhan listrik ini juga terjadi di Universitas Indonesia.
Mengingat pentingnya tenaga listrik bagi kehidupan, khususnya di Universitas Indonesia, maka diperlukan upaya peningkatan kapasitas energi listrik. Peningkatan kapasitas ini bisa dilakukan dengan menambah daya dari listrik PLN atau membangun sistem tenaga listrik secara mandiri, karena pada dasarnya Universitas Indonesia telah memiliki beberapa sumber energi dalam pembangkit listrik.
Berdasarkan Rencana Induk Sistem Kelistrikan Universitas Indonesia 2010-2025, saat ini Universitas Indonesia menggunakan sumber listrik dari Perusahaan Listrik Negara dengan daya terpasang sebesar 10.300 kVA dan daya terpakai sebesar 9.201 kVA. Tentunya dengan terus dibangunnya bangunan-bangunan baru, sambungan ini akan mengalami kelebihan beban.
Dengan kebutuhan listrik yang terus bertambah ini, diperlukan pertambahan daya untuk menjamin kelangsungan seluruh kegiatan di kampus Universitas Indonesia. Peningkatan daya listrik ini dapat dilakukan dengan dua cara. Pertama dengan mengandalkan pasokan listrik dari PLN, dan yang kedua dengan membuat sendiri pembangkit listrik sebagai alternatif untuk memenuhi sebagian maupun keseluruhan kebutuhan energi listrik kampus Universitas Indonesia.
1.2. Tujuan Penelitian
Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan, perancangan ini bertujuan untuk :
1. Menganalisis potensi dan studi kelayakan lingkungan, potensi gas, dan lokasi rencana pembangunan pembangkit listrik tenaga gas untuk Universitas Indonesia. 2. Merancang pembangkit listrik tenaga gas
sebesar 20 – 25 MW disesuaikan dengan kebutuhan energi listrik bangunan baru Universitas Indonesia hingga tahun 2025. 3. Merancang pembangkit listrik tenaga gas
dengan sistem pendingin udara masuk, absorption chiller untuk menurunkan temperatur udara masuk ke turbin gas agar daya output yang dihasilkan sesuai dengan original manufaktur turbin gasnya.
1.3. Batasan Masalah
Pada penulisan skripsi ini, penulis memberikan batasan masalah sebagai berikut :
1. Bahan bakar yang digunakan adalah gas alam.
2. Pembangkit Listrik yang dirancang adalah pembangkit listrik skala kecil dengan daya antara 20 – 25 MW.
3. Penerapan desain sistem pendingin udara masuk ke turbin gas dengan Absorption chiller.
4. Penggunaan turbin gas dengan sistem siklus terbuka (Open Cycle) dengan pemanfaatan gas buang maupun pendinginan udara masuk, sehingga memiliki efisiensi termal yang tinggi dan menghasilkan daya output yang tinggi. 5. Melakukan perhitungan heat balance
secara general.
2. Metode Penelitian dan Perancangan
Gambar.1. Alur Penelitian 2.1. Observasi Lapangan
Dalam melakukan perancangan PLTG di Universitas Indonesia, langkah pertama yang harus dilakukan adalah melihat potensi yang ada di lingkungan Kampus UI Depok. Berdasarkan hasil observasi lapangan, didapatkan bahwa di sepanjang UI, tepatnya di sepanjang rel KA terdapat pipa gas alam. Sehingga gas ini berpotensi digunakan sebagai bahan bakar untuk PLTG Kampus UI Depok. Ditambah lagi adanya lahan kosong di belakang Pusat Studi Jepang yang cukup luas untuk dibuat PLTG.
Berikut adalah lokasi yang berpotensi untuk dibangun PLTG beserta Denah UI secara keseluruhan.
Gambar 2. Potensi Lahan untuk dibangun PLTG Pembangunan PLTG untuk Kampus UI Depok ini penting mengingat besarnya kebutuhan listrik Kampus UI Depok hingga 10 tahun ke depan. Berikut adalah data kelistrikan di UI Depok sampai tahun 2010:
Tabel 1. Data Kelistrikan UI sampai tahun 2010
Gardu Daya Maksimal (kVa) Gardu UI 1 (Rektorat) Trafo 1 335 Trafo 2 146 Gardu UI 2 (FKM) Trafo 1 370 Trafo 2 751 Gardu UI 3 (Balairung) Trafo 1 43 Gardu UI 4 (FMIPA) Trafo 1 54 Trafo 2 326 Gardu UI 5 (Teknik Belakang) Trafo 1 517 Gardu UI 6 (Teknik Depan Gd. GK) Trafo 1 721 Trafo 2 692 Gardu UI 7 (Farmasi) Trafo 1 70 Trafo 2 146 Gardu UI 8 (PSJ) Trafo 1 644 Trafo 2 418 Gardu UI 9 Trafo 1 377 Identifikasi Masalah Menentukan Tujuan Penelitian Observasi Lapangan
Studi Literatur Perancangan Analisis dan Kesimpulan
(Psikologi) Trafo 2 348 Gardu UI 10 (Psikologi) Trafo 1 162 Trafo 2 263 Gardu UI 11 (Perpus Lama) Trafo 1 213 Trafo 2 198
Gardu UI 12 (Pusgiwa UI) 65
Ekonomi Baru 342
Perpustakaan Baru 2000
Total Daya Maksimal 9201
Berdasarkan master plan pengembangan kampus UI pembangunan akan berlanjut hingga tahun 2025, sehingga kebutuhan akan daya listrik masih akan terus meningkat seiring dengan pembangunan di kampus UI hingga tahun 2025. Perkiraan kebutuhan daya total yang akan dibangun hingga tahun 2025 adalah sebagai berikut :
Tabel 2. Kebutuhan Listrik Universitas Indonesia sampai Tahun 2025
No Nama Bangunan Luas Bangunan (m2) Kebutuhan Listrik (KVA) 1 Extension MIPA 7,600 253 2 FASILKOM 20,000 667 3 Health Science Center 8,000 267 4 Kedokteran* 28,800 960 5 FKG* 20,000 667 6 Fasilitas Bersama FK FKG 8,000 133 7 Liberal Art College* 24,000 800
8 Univ Graduate & Research Center 24,000 1,333 9 FIK 10,000 333 10 Lecture Teathre 10,000 167 11 Undergraduate Library 10,000 444 12 Extension FT 37,000 1,2333 13 UI College* 120,000 4,000 14 Academic Community 22,130 1,229 15 UI International Program 150,000 5,000 16 Public Hospital 32,000 10,667 17 Rumah Sakit ( Kamar dan Services )* 36,000 12,000 18 Laboratorium 10,000 556 19 Medical Services 5,000 1,667 20 Asrama Perawat (320 unit) 5,120 171 21 Hotel (200 unit) 5,000 333 22 Convention Center 1,000 17 23 UI Student Housing (1950 unit)* 31,200 1,040 24 Town Houses (800 unit) 28,800 960 Total 653,650 44,897 2.2. Perancangan PLTG 2.2.1. Desain PLTG
Pada perancangan PLTG yang dilakukan digunakan sistem pendinginan udara masuk kompresor dengan absorption chiller. Proses perancangan dilakukan, dengan menggunakan software Cycle tempo. Berikut adalah hasil perancangan yang telah dilakukan:
Gambar 3. Desain PLTG dengan Absorption Chiller
2.2.2. Perhitungan Daya PLTG Simple Cycle
Gambar 4. Hasil Perhitungan PLTG Simple Cycle
Tabel 3. Daya dan Efisiensi Hasil Perhitungan PLTG
Simple Cycle
Apparatus Efisiensi (%) Daya (kW) Kompresor 90 32023,16
Turbin 90 54371,15
Generator 95 21320,59
2.2.3. Perhitungan Heat Balance pada Absorption chiller
Gambar 5. Skema Absorption chiller
a. Cooling Coil Ta1 = 300 C Ta2 = 15 0 C cpa = 1,007 kJ/kg.K ma = 67,3 kJ/kg ( ) b. Evaporator
Tabel 4. Properties pada Evaporator Temperatur (0C) Tekanan (P) Enthalpy (h) Titik 3 (Saturated) 5 0,8725 173,8 Titik 4 (Uap Jenuh) 5 0,8725 2510,1
*nilai enthalpy didapatkan dari Tabel Saturated Water, h3 = h2 = 173,8 kW ( ) ( ) ⁄ c. Condenser T1 = 900 C T2 = 410 C P1 = 8 kPa P2 = P1 = 8 kPa h1 = 2668,7 kJ/kg h2 = 173,8 kJ/kg
nilai enthalpy didapat dari Tabel Saturated Water mr = 0,44 kg/s ( ) ( ) Air Pendingin Tcw3 = 370 C Mcw = 15 kg/s Asumsi ( ) d. Absorber Tcw1 = 32 0 C Tcw2 = 19,770 C T4 = 50 C P4 = 0,8725 kPa h4 = 2510,1 kJ/kg T6 = 900 C Xss = 0,65 Asumsi mss = 2 kg/s Asumsi
Keseimbangan aliran massa total
Keseimbangan konsentrasi LiBr
( ) e. Generator f. COP
Tabel 5. Hasil Perhitungan Heat Balance pada Absorption Chiller
Heat Exchanger Nilai Kalor (Q) (kW)
Cooling Coil 1016.67 Evaporator 1016.67 Condenser 1085.58 Absorber 770.49 Generator 840.28 COP 1.21 2.2.4. Perhitungan Daya PLTG
Gambar 6. Hasil Perhitungan PLTG dengan Absorption chiller
Tabel 6. Daya dan Efisiensi Hasil Perhitungan PLTG dengan
Absorption Chiller
Apparatus Efisiensi (%) Daya (kW) Kompresor 90 31918,02
Turbin 90 57534,25
Generator 95 24335,41 Daya pemakaian sendiri pada sistem
Absorption Chiller = 72.35 kW Cooling Water = 19.9 kW Maka Daya netto yang dihasilkan
( )
( )
2.2.5. Analisis Hasil Perancangan
Gambar 7. Grafik Perbandingan daya PLTG Simple Cycle dan PLTG dengan Absorption chiller
Gambar 8. Grafik Perbandingan Efisiensi PLTG Simple Cycle
dan PLTG dengan Absorption chiller 21230,59 24243,16 0 2500 5000 7500 10000 12500 15000 17500 20000 22500 25000 27500
PLTG Simple Cycle PLTG dengan Absorption Chiller 36,92 42,16 0 10 20 30 40 50
PLTG Simple Cycle PLTG dengan Absorption Chiller
2.2.6. Analisis Kebutuhan Lahan
Dimensi dari turbin gas sebesar: - Panjang : 10.3 m
- Lebar : 3.7 m - Tinggi : 3.6 m
Luas lahan yang dibutuhkan: 38.11 m 2
Dimensi dari HRSG:
- Panjang : 1.5 kali panjang turbin gas = 15.45 m - Lebar : 4 m
- Tinggi : 7 m
Luas lahan yang dibutuhkan: 61.8 m 2
Dimensi dari Absorption chiller: - Panjang : 7 m
- Lebar : 3 m - Tinggi : 3.5 m
Luas lahan yang dibutuhkan: 21 m2
Kebutuhan lahan untuk suatu pembangkit tidak hanya pada mesin utama yang menghasilkan daya. Namun, juga harus memperhitungkan kebutuhan lahan untuk lainnya, seperti Control Room, Kantor, Akses jalan menuju Unit, dan Lahan Parkir. Apabila dijabarkan, maka kebutuhan lahan tambahan pada lokasi PLTG antara lain :
-Kantor dan Control Room (dua lantai) -Panjang = 13 m -Lebar = 5 m -Tinggi = 10 m -Lahan Parkir -Panjang = 15 m -Lebar = 7 m
-Lebar Jalan Akses Kendaraan = 4 m
Apabila digambarkan dalam bentuk skema, maka lahan yang dibutuhkan untuk dibangun PLTG dan kebutuhan lainnya adalah sebagai berikut :
Gambar 9. Skema Penggunaan Lahan untuk PLTG
2.2.7. Analisis Heat rate
Tabel 7. Nilai Heat rate Pembangkit
2.2.8. Analisis Kebutuhan Bahan Bakar
⁄
2.2.9. Perhitungan dan Analisis Finansial
Setelah didapatkan hasil perancangan, kebutuhan bahan bakar, kebutuhan lahan, dan nilai heat rate dari pembangkit, bisa dilakukan analisis finansial dari pembangkit listrik yang dirancang. Untuk melakukan analisis finansial diperlukan data – data mengenai overnight capital cost, operation & maintenance, dan harga gas alam.
Tabel 8. Biaya Pembangunan dan Operasional Pembangkit Listrik Unit Pembangkit EPC Cost ($/kW) Fixed O&M ($/kW) Variable O&M ($/MWh) PLTG 676 7.04 3.6 Absorption chiller 800
(US Energy Information Administration, 2013)
Dengan mengasumsikan bahwa pembangkit listrik beroperasi capacity factor 80% dan harga gas alam sebesar US$ 6/MMBTU, maka biaya pembangunan dan operasional pembangkit listrik adalah sebagai berikut :
Tabel 9. Hasil Perhitungan Biaya Pembangkit Listrik
Parameter Nilai Jenis Pembangkit Heat rate kJ/kWh kcal/kWh BTU/kWh PLTG Simple Cycle 8690.25 2076.97 8238,35 PLTG dengan Absorption chiller 8494 2030.28 8053.15
Daya Pembangkit (kW) 24,335.41 Kapasitas Pendinginan (kW) 1,016.57
Heat rate (BTU/kWh) 8,053.15
EPC Cost (Rp) 189,903,924,760 Fixed O&M (Rp/tahun) 188,453,450 Variable O&M (Rp/tahun) 6,753,485,110 Biaya Bahan Bakar (Rp/tahun) 90,644,677,426 Total Biaya Operasional
(Rp/tahun)
99,282,696,686
Tabel 10. Parameter-parameter Analisis Finansial
Parameter Nilai
Project Lifetime (Tahun) 20
Tarif Penjualan Listrik (Rp) 1170 Porsi Pinjaman (%) 65 Porsi Ekuitas (%) 35
Interest Rate (%) 13.5
Rate of Return (%) 18
Grace Period (Tahun) 2
Repayment Period (Tahun) 6
Dengan data – data yang tercantum pada table di atas, dapat dilakukan analisis finansial dengan menggunakan software Microsoft Excel. Analisis tersebut mengasumsikan lifetime pembangkit selama 20 tahun, repayment period selama 6 tahun, dan tarif penjualan listrik sebesar Rp1100.
Tabel 11. Hasil Analisi Finansial
Parameter Nilai
Weighted Average Cost of Capital (%)
15.08
Net present value (Rp) 15,114,334,573
Internal Rate of Return (%) 19.46
Payback Period (Tahun) 3.55
Tabel 12. Komponen Tarif Listrik Komponen Biaya Unit Energi
(Rp/kWh)
Recovery Cost 84.91
O&M Fixed Cost 11.09
Fuel Cost 533.53
O&M Variable Cost
39.75
Total Tariff 669.28
Tabel 13. Perbandingan Biaya Listrik UI
Perbandingan Harga (Rp/kWh)
Biaya per Tahun (Rp) Listrik PLN 1352 288,216,915,043.20 Listrik PLTG 1170 249,418,484,172.00
Penghematan
Dalam Rupiah (Rp) Dalam Persen (%) 38,798,430,871.20 13.47
Gambar 10. Grafik Perbandingan Biaya Listrik PLN dan PLTG Berdasarkan tabel dan grafik di atas, maka apabila kita menggunakan listrik mandiri dengan PLTG dengan Absorption chiller, maka bisa dilakukan penghematan sebesar Rp 38,798,430,871.20 per tahun. Hal ini sudah jelas mengapa menggunakan listrik secara mandiri dengan PLTG dengan Absorption Chiller lebih baik daripada menggunakan listrik PLN.
288.216.915.043,20 249.418.484.172,00 0 5E+10 1E+11 1,5E+11 2E+11 2,5E+11 3E+11 3,5E+11 Listrik PLN Listrik PLTG
Perbandingan Biaya Listrik
PLN dan PLTG
3. Kesimpulan dan Saran
3.1. Kesimpulan
Berdasarkan studi yang telah dilakukan tentang kebutuhan listrik di Indonesia dan hasil perancangan yang telah dilakukan, maka dapat disim7.pulkan
1. Kebutuhan listrik di Universitas Indonesia akan selalu meningkat hingga tahun 2025 seiring dengan pembangunan yang sedang berlangsung, sehingga dibutuhkan tambahan daya listrik sebesar 45 MVA, dengan pasokan daya sebesar 23150 kVA harus dipenuhi hingga tahun 2015, sehingga sudah direncanakan tambahan gardu untuk memenuhi kebutuhan listrik hingga tahun 2015. Dengan kata lain masih dibutuhkan daya tambahan sebesar 21727 kVA hingga tahun 2025.
2. Sebagai alternatif untuk memenuhi daya tambahan hingga tahun 2025 dapat dibangun pembangkit listrik tenaga gas.
3. Desain PLTG yang dirancang menggunakan sistem Absorption chiller sebagai sistem pendinginan udara masuk kompresor dengan memanfaatkan gas buang dari turbin gas, sehingga efisiensi dari sistem PLTG bisa meningkat.
4. Terjadi penghematan pengeluaran untuk biaya listrik sebesar 38,798,430,871.20 apabila menggunakan listrik dari PLTG.
5. Adanya peningkatan efisiensi pada PLTG sebesar x dan peningkatan daya sebesar 3,014.98 kW setelah menggunakan sistem pendingin udara masuk kompresor, absorption chiller.
6. Penggunaan sistem pendingin udara masuk kompresor dengan absorption chiller sangat ideal karena dapat menurunkan udara masuk kompresor tanpa harus menambah banyak daya pemakaian sendiri pada equipment tambahan PLTG.
7. Pembangunan pembangkit listrik mandiri di Universitas Indonesia layak dibangun dari segi finansial dan dapat menghemat pengeluaran untuk biaya listrik UI.
3.2. Saran
Dalam perancangan tahap selanjutnya, ada beberapa saran yang menurut penulis penting untuk hasil yang lebih optimal.
1. Diperlukan perancangan dan perhitungan setiap komponen pada PLTG dan Absorption chiller untuk hasil perancangan yang lebih. 2. Diperlukan analisa finansial yang lebih
matang sebelum pembangunan dilakukan. 3. Diperlukan simulasi aliran fluida, baik udara,
gas, gas buang, refirgerant, dan absorber yang melewati setiap komponen pada sistem PLTG yang dirancang untuk didapatkan data temperatur dan tekanan terhadap waktu.
Daftar Pustaka
Garniwa, Iwa, et. all. (2010). Recana Induk Sistem Kelistrikan Universitas Indonesia 2010 – 2025. Universitas Indonesia
Kulshrestha, S.K., et. all. (1999). Termodinamika Terpakai, Teknik Uap dan Panas. Jakarta: UI Press Dietzel F,. et all. (1980). Turbin Pompa dan Kompresor. Jakarta: Erlangga
Ibrahim, T. K. et. all. (2010). Improvement of Gas Turbine Performance Based on Inlet Air Cooling System. University Malaysia Pahang
Moran, Michael J., et.all. (2003). Termodinamika Teknik Jilid 2.Jakarta: Erlangga
Stoecker, Wilbert F., et. all. (1989). Refrigerasi dan Pengkondisian Udara. Jakarta: Erlangga
Arora, C.P. (2000). Refrigeration and Air Conditioning. New Delhi: McGraw Hill
Wang, Shan K. (2000). Handbook of Air Conditioning and Refrigeration. New York: McGraw Hill
Sutriyanti, H., Sarwono, Prawoto. (2002). Pengembangan Small Single Effect Absorption chiller dengan Daya Pendinginan 10 kW. Serpong: Puspitek
Kavanaugh, Stephen P. (2005). HVAC Simplified. Atlanta: American Societry of Mechanical Engineering
Giatman, M. (2011). Ekonomi Teknik. Jakarta : Rajawali Pers.
