Yepe Teknik Tenaga Listrik Berbasis Energi Baru dan Terbarukan 2013 B

• Penggerak mula (PM) merupakan sistem tenaga mekanikal awal untuk menggerak-kan generator.

• Sistem pembangkitan tenaga listrik bisa menggunakan PM dengan sumber energi fossil atau sumber energi baru/

terbarukan.

• Secara umum PM pembangkit listrik dibagi dalam 2 kelompok : pembangkit listrik termal dan kelompok pembangkit listrik tenaga air atau hidro.

Motor penggerak mula

Jenis tenaga primer



Turbin air



Mesin uap



Motor bakar



Kincir angin



Tenaga aliran air



Tenaga aliran uap



Tenaga tekanan gas hasil

pembakaran bbm



Tenaga aliran angin

• Beberapa pembangkit listrik termal :

-. Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU)

-. Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN)

-. Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG)

• Tenaga Primer tidak bisa diciptakan atau dimusnahkan



hanya diubah ke bentuk lain.

• Jumlah tenaga primer yang dimasukkan pada suatu PM

selalu sama besar dengan jumlah tenaga yang

dihasilkan (

output

)



hukum kekekalan tenaga.

• Tenaga primer tidak akan pernah bisa diubah menjadi

100% tenaga mekanis. Sebagian tenaga primer akan

dikeluarkan dalam bentuk lain seperti panas.

• Gas buang, pendinginan, gesekan dan radiasi

Prinsip Dasar Penggerak Mula

• Proses pengubahan tenaga kimia bahan bakar menjadi

tenaga mekanik pada motor bakar :

Udara

Bahan bakar Pembakaran

_{Tekanan naik akibat pembakaran}

Tekanan mendorong torak bergerak lurus

Konstruksi Motor Torak

1. Motor Bensin 2-Langkah (2-tak) :

• Keluaran tenaga mekanis diperoleh dalam 2 langkah : putarann  langkah isap 

langkah kompresi  langkah

tenaga  langkah buang.

• Tidak memerlukan katup.

• Pendinginan umumnya dg udara. • Pelumasan silinder dengan

mencampurkan pelumas ke bbm. • Pengkabutan campuran

bbm-udara dilakukan di luar silinder • Penyalaan dengan sistem

Konstruksi Motor Torak 2-Langkah

1. Pengisian

silinder

dilanjutkan

dengan kompresi

Konstruksi Motor Torak

2. Motor Diesel 2-Langkah (2-tak) :

• Proses pengeluaran tenaga mirip dg mesin bensin 2-tak, bedanya pada langkah hisap yang

dimasukkan udara.

• Proses pembakaran terjadi dg menyemprotkan bbm (solar) saat piston berada pada titik mati

atas (penyalaan diri)

• Diperlukan klep untuk langkah pembuangan.

Pembangkitan Panas pada Mesin Disel

Konstruksi Motor Torak

3. Motor Bensin-4 Langkah (Motor Otto) :

• Proses pengeluaran tenaga mirip dg mesin bensin 2-tak, bedanya pada langkah hisap yang dimasukkan udara.

• Proses pembakaran terjadi dg menyemprotkan bbm (solar) saat piston berada pada titik mati atas (penyalaan diri)

• Diperlukan klep untuk langkah pembuangan.

Konstruksi Motor Torak

4. Motor Diesel-4 Langkah :

• Proses pengeluaran tenaga mirip dg mesin bensin 4-tak, bedanya pada langkah hisap yang dimasukkan udara.

• Pelumasan silinder dengan semprotan atau percikan oli. • Langkah hisap, kompresi, dan

pembuangan diatur oleh katup. • Pembentukan campuran bahan

bakar dan udara di dalam silinder.

Konstruksi Motor Diesel 4-Langkah

Perbandingan Nilai Kalorifik BBM untuk Mesin Diesel

Efisiensi Mesin

• Efisiensi mesin : kemampuan mesin untuk mengubah

energi dari bahan bakar menjadi tenaga gerak yang

berguna.

• Mesin bensin modern memiliki efisiensi k.l. 20% ~ 30%.



70% ~ 80% dikeluarkan dalam bentuk panas, energi

suara mekanik, atau gesekan.

• Mesin diesel memiliki efisiensi k.l. 40% karena kompresi

silindernya sangat tinggi.



Efisiensi ini hanya tercapai

pada mesin diesel jenis injeksi langsung.

• Unjuk kerja mesin dipengaruhi

oleh beberapa faktor :

1.

Displacement

(volume

langkah total)

2.

Compression ratio

3. Efisiensi panas

• Volume langkah : volume yang

terjadi bila piston bergerak

dari TMA sampai TMB.

• Volume total mesin = volume

langkah dikalikan jumlah

silinder.

Unjuk Kerja Mesin

Titik mati atas,

V_L = Volume langkah total, cc D = Diameter silinder, cm

L = Langkah piston (stroke), cm n = Jumlah silinder

• Mesin bensin umumnya beroperasi rasio kompresi 10:1. Mesin diesel beroperasi dng rasio kompresi hingga 25:1. • Rasio kompresi : rasio volume campuran udara dan bbm

dalam silinder mesin pada saat kosong (pada ukuran ruang terbesar) dg volume saat silinder ditekan oleh piston dan memiliki ukuran ruang terkecil.

 Agar mencapai suhu dan tekanan pembakaran, kompresi

mencapai 30-45kg/cm2 (suhu udara mencapai 500o C).

 Semakin tinggi rasio kompresi, semakin baik efisiensi mesin secara keseluruhan.

 Jumlah oksigen yang diserap mesin mempengaruhi

kemampuannya untuk beroperasi secara lebih efisien.

• Untuk meningkatkan efisiensi, bbm bisa ditambah

nitrous oxide untuk meningkatkan molekul oksigen ke

dalam ruang bakar, sehingga lebih banyak bahan bakar

yang terbakar



mesin lebih efisien.

• Bahan bakar seperti nitrometana (CH

3

NO

2

)

menghasil-kan oksigen, sehingga menghasilmenghasil-kan tenaga mesin lebih

besar krn lebih banyak bahan bakar yang terbakar.

• Jenis bahan bakar juga mempengaruhi efisiensi. Bensin

dg oktan lebih tinggi akan memungkinkan mesin

berope-rasi dengan berope-rasio kompresi yang lebih tinggi.



efisiensi meningkat.

• Mesin jenis piston uap, memiliki efisiensi k.l. 8%.

• Turbin uap memiliki tingkat efisiensi yang sama atau

melebihi mesin diesel.



turbin uap banyak digunakan

untuk pembangkit tenaga listrik.

• Mesin turbin gas merupakan mesin yang paling efisien

dari semua jenis mesin yang ada.

• Direct injection : penyemprotan bahan bakar yg langsung ke

ruang bakar di atas piston. • Indirect injection :

penyem-protan bahan bakar ke dalam ruang khusus yg berhubungan langsung dengan ruang bakar utama.  Menghasilkan emisi

racun (HC dan NOx) sangat rendah dan biaya pembuatan lebih murah.  Pemakaian bbm

juga lebih hemat 10-15% dibanding direct injection.

• Untuk meningkatkan kemampuan mesin diesel, bisa ditambahkan komponen :

1. Turbocharger

 atau 

supercharger 

untuk memperbanyak volume udara yang masuk ruang bakar dengan cara udara yang

masuk ruang bakar didorong oleh turbin pada turbo/

supercharger

.

2. Intercooler

 untuk mendinginkan udara yang akan masuk ruang bakar. Udara

yang panas volumenya akan mengembang begitu juga sebaliknya, maka dengan

didinginkan bertujuan supaya udara yang menempati ruang bakar bisa lebih

banyak.

• Secara umum mesin diesel bisa menggunakan semua bahan bakar yang sesuai dengan karakteristik mesin.

• Kualitas bahan bakar mesin diesel diukur dalam angka setana (cetane number).

• Angka setan menunjukkan seberapa cepat bahan bakar

mesin diesel yang diinjeksikan ke ruang bakar bisa terbakar secara spontan (setelah bercampur dengan udara).

• Semakin cepat bahan bakar mesin diesel terbakar setelah diinjeksikan ke dalam ruang bakar, semakin tinggi angka setannya.

• Angka setan memiliki pengertian yang berkebalikan dengan angka oktan pada bahan bakar mesin bensin, karena angka oktan menunjukkan kemampuan campuran bensin-udara menunggu rambatan api dari busi (spark ignition).

• Cetane (setana) adalah C16H34 (hexadecane).

• CN tertinggi = 100 dan CN terrendah =15.

• Angka setana berkorelasi dengan tingkat kemudahan

penyalaan pada temperatur rendah (

cold start

) dan

rendahnya kebisingan pada kondisi 

idle

 (Environment

Canada, 2006).

• Angka setana yang tinggi juga berkaitan dengan

rendahnya polutan NOx (Knothe, 2005).

• Biodiesel : metil ester (ME) yang diproduksi dari minyak tumbuhan atau hewan dan memenuhi kualitas untuk

digunakan sebagai bahan bakar di dalam mesin diesel (Vicente dkk, 2006).

• Minyak yang diperoleh langsung dari pemerahan atau

pengempaan biji sumber minyak (

oilseed

), yang kemudian disaring dan dikeringkan (untuk mengurangi kadar air),

disebut sebagai minyak lemak mentah (Soeradjaja, 2005). • Minyak lemak mentah yang diproses lanjut guna

menghilangkan kadar fosfor (

degumming

) dan asam-asam lemak bebas (dengan netralisasi dan 

steam refining

)

disebut dengan 

refined fatty oil

 atau 

straight vegetable

oil

 (SVO) (Soeradjaja, 2005a). 

• Biodiesel  solusi paling tepat untuk menggantikan bahan

bakar fosil sebagai sumber energi transportasi utama dunia, karena biodiesel merupakan bahan bakar terbarukan yang dapat menggantikan diesel petrol.

• Biodiesel memiliki angka setana yang lebih tinggi dibanding solar : 46 – 70, sedangkan solar 47 – 55 (Bozbas, 2005). • Biodiesel bersifat biodegradable, hampir tidak mengandung

sulfur, merupakan bahan bakar terbarukan, meskipun masih diproduksi dengan jalan yang tidak ramah lingkungan.

• Saat ini sebagian besar biodiesel dibuat dari

trans-esterifikasi sumber alam yang bisa dimakan, seperti lemak hewan, minyak sayur, bahkan limbah minyak goreng.

 Transesterifikasi : proses pembentukan senyawa ester

• Azam dkk (2005) : Di India ada 75 spesies tanaman

yang bisa menghasilkan biodiesel; 26 spesies di

antaranya memenuhi standar kualitas USA, Jerman,

dan Eropa.

• Soeradjaja (2005) : Di Indonesia ada 50 spesies

tanaman yang bisa menghasilkan biodiesel, misalnya

sawit, kelapa, jarak pagar, kapok atau randu.

• Vicente dkk. (2006) : 3 spesies tanaman penghasil

biodiesel utama di Spanyol : bunga matahari, 

rapeseed

,

dan 

Brassica carinata

, memenuhi standard Uni Eropa.

• Tsai dkk. (2005) : transesterifikasi limbah minyak

pangan di Taiwan menghasilkan biodiesel berkapasitas

3,000 ton metrik per tahun.

• Biodiesel tidak beracun, biodegradable, essentially free of sulfur dan carcinogenic benzene , dihasilkan dari bahan yang dapat diperbaharui, sumber yang dapat didaur ulang, tidak menambah secara signifikan gas rumah kaca.

• Hasil penelitian : pemakaian ME dari kedelai dan canola akan menurunkan hidrokarbon dan CO, tetapi menaikkan emisi

NOx.  (Schumacher dan Spataru)

• Konsumsi 30% ME lebih boros 2% dibanding solar murni karena energi yang dihasilkan biodiesel lebih rendah, rata-rata 118.000 Btu, dan solar rata-rata-rata-rata 130.500 Btu. 

• Torsi antara solar dan 30% ME hampir tidak berbeda,

sedang perbedaan daya yang dihasilkan hanya sekitar 2%. • Bilangan setana biodiesel (rata-rata 52) lebih tinggi

dibanding solar (rata-rata biodiesel 42) sehingga bisa mengurangi detonasi mesin.

• Buat makalah tentang bahan bakar biodiesel dengan ketentuan sbb :

• Usahakan bisa menemukan bahan baru selain dari bahan bakar biodiesel yang sekarang sudah umum digunakan. Contoh : limbah hayati.

• Bagaimana proses pembuatannya. • Bagaimana unjuk kerjanya.

• Kemungkinan untuk diproduksi dalam skala besar.

• Buat makalah tentang studi perbandingan unjuk kerja berbagai penggunaan EBT dengan bahasan :

• Faktor ekonomi • Faktor ekologi

• Overall performance

• Beri kesimpulan dan saran-saran

• Buat makalah tentang inovasi pemanfaatan energi panas yang timbul dari proses mesin bakar ! Bahasan antara lain berisi :

• Latar belakang • Alasan inovasi • Proses inovasi • Kesimpulan