ANALISIS KINERJA SISTEM KONVERSI ENERGI KOGENERASI RGTT200K UNTUK PRODUKSI HIDROGEN
Ign. Djoko Irianto
Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir (PTRKN) BATAN Kawasan Puspiptek, Serpong, Tangerang 15310
Telp./Fax: 021-7560912, Email: igndjoko@batan.go.id
ABSTRAK
ANALISIS KINERJA SISTEM KONVERSI ENERGI KOGENERASI RGTT200K UNTUK PRODUKSI HIDROGEN. Reaktor berpendingin Gas Temperatur Tinggi dengan konsep kogenerasi berdaya termal 200 MW (RGTT200K) secara konseptual didesain untuk pembangkit listrik, produksi hidrogen dan proses desalinasi air laut. Reaktor ini berpendingin gas helium dengan temperatur outlet 950 oC dan bertekanan 5,0 MPa. Sistem konversi energi RGTT200K yang menerapkan siklus langsung memiliki komponen utama Intermediate Heat Exchanger (IHX), turbin gas, kompresor, rekuperator dan precooler. Energi termal untuk produksi gas hidrogen diperoleh dari sistem konversi energi RGTT200K melalui IHX. Dalam makalah ini dijelaskan hasil analisis kinerja sistem konversi energi RGTT200K dan kinerja IHX sebagai komponen utama untuk mentransfer energi termal ke instalasi produksi gas hidrogen dengan variasi laju alir masa pendingin IHX sisi sekunder. Analisis dilakukan dengan cara simulasi perhitungan menggunakan program komputer ChemCAD 6.1.4. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa kenaikan laju alir masa pendingin IHX pada sisi sekunder akan menurunkan temperatur pendingin yang keluar dari IHX baik pada sisi primer maupun sisi sekunder. Penurunan temperatur pada energi termal yang ditransfer melalui IHX ke instalasi produksi gas hidrogen berpengaruh pada pemilihan metode produksi gas hidrogen yang dapat digunakan. Jika metode produksi gas hidrogen yang digunakan adalah pembentukan uap metan, maka laju alir masa pendingin IHX pada sisi sekunder maksimal 55 kg/s dengan energi termal 86,1 MW. Tetapi jika menggunakan metode daur Sulfur-Iodine, maka laju alir masa pendingin IHX pada sisi sekunder maksimal 40 kg/s dengan energi termal yang dapat ditransfer 74,4 MW.
Kata kunci: RGTT200K, sistem konversi energi, laju alir massa pendingin, energi termal
ABSTRACT
PERFORMANCE ANALYSIS FOR RGTT200K COGENERATION ENERGY CONVERSION SYSTEM USED TO PRODUCE HYDROGEN. High Temperature Gas-cooled reactors with thermal power cogeneration concept of 200 MW (RGTT200K) is conceptually designed for power generation, hydrogen production and seawater desalination process. The helium gas-cooled reactor with an outlet temperature of 950 ° C and 5.0 MPa pressure. RGTT200K Energy conversion systems which apply direct cycle have some main component are Intermediate Heat Exchanger (IHX), gas turbines, compressors, recuperator and precooler. Thermal energy for the production of hydrogen gas obtained from the energy conversion system RGTT200K through IHX. In this paper is described the analysis of the performance of energy conversion RGTT200K and its IHX as a main component to transfer the thermal energy to hydrogen gas production installations. Analysis is performed by means of simulation calculations using the computer program CHEMCAD 6.1.4. The calculations show that the increase in flow rate of coolant on the secondary side of the IHX will lower the temperature of the coolant out of the IHX both on the primary side and secondary side. Temperature decrease of thermal energy that is transferred through the IHX to the installation of hydrogen gas production give an effect on the selection of the method of hydrogen gas production to be used. If hydrogen gas production method used is the steam reforming of methane, the flow rate of the coolant on the secondary side of the IHX maximum 55
kg/s with 86.1 MW of thermal energy. But if using the sulfur-iodine cycle, the flow rate of the coolant on the secondary side of the IHX maximum 40 kg/s with thermal energy that can be transferred 74.4 MW.
Keywords: RGTT200K, energy conversion systems, mass flow rate of cooling, the thermal energy
1. PENDAHULUAN
Sebagai sumber energi, hidrogen sudah banyak dikembangkan dan diproduksi untuk keperluan industri maupun sebagai bahan bakar transportasi. Meskipun ketersediaan hidrogen di alam ini melimpah, hidrogen bukan sumber energi yang dapat ditambang seperti halnya batubara atau uranium atau bahan bakar minyak dan gas alam. Agar dapat digunakan sebagai sumber energi, hidrogen harus diekstrak melalui pemecahan molekul air atau gas metan.
Pemecahan air atau gas metan untuk produksi gas hidrogen diperlukan pembakaran sejumlah energi. Untuk keperluan produksi gas hidrogen skala besar, maka diperlukan pembakaran energi dalam jumlah yang besar pula. Karena itu, instalasi produksi gas hidrogen harus didesain dengan efisiensi yang tinggi agar tidak mengakibatkan timbulnya devisit energi atau menggunakan sumber energi alternatif.
Sumber energi untuk keperluan produksi gas hidrogen secara konvensional diperoleh dari pembakaran minyak bumi atau bahan bakar fosil lainnya. Hal ini menyebabkan semakin menipisnya cadangan minyak dunia yang berakibat pada ketidak-stabilan harga dan selanjutnya dapat memicu ketegangan politik dan ekonomi di berbagai negara. Kondisi ini mendorong upaya pencarian sumber-sumber energi baru dan terbarukan yang mampu menggantikan pasokan energi yang berasal dari minyak bumi dan bahan bakar fosil lainnya.
Energi nuklir dapat menjadi salah satu alternatif solusi terhadap potensi krisis energi yang diakibatkan oleh pengurangan cadangan minyak bumi dunia. Energi nuklir tidak hanya sebagai pembangkit listrik, tetapi juga dapat dimanfaatkan sebagai penyedia energi panas untuk produksi gas hidrogen maupun untuk keperluan industri lainnya.
Untuk mendukung pemanfaatan energi nuklir, penelitian dan pengembangan di bidang teknologi reaktor dan sistem konversi energi menjadi sangat penting. Dalam rangka memberikan usulan solusi terhadap potensi krisis energi di Indonesia akibat mahalnya harga minyak bumi, Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir – Badan Tenaga Nuklir Nasional (PTRKN-BATAN) saat ini tengah
melakukan pengembangan sistem energi nuklir (SEN) berbasis Reaktor berpendingin Gas Temperatur Tinggi (RGTT). Kegiatan ini merupakan pelaksanaan tugas seperti yang tertuang dalam Peraturan Presiden RI Nomor 5 Tahun 2010 tentang Rencana Pembangunan Jangka Menengah Nasional (RPJMN) 2010- 2014[1] dan Renstra Badan Tenaga Nuklir Nasional (BATAN) tahun 2010-2014. Secara tegas di dalam Renstra BATAN 2010-2014 dinyatakan bahwa salah satu keluaran BATAN pada tahun 2014 di bidang energi adalah diperolehnya desain konseptual reaktor daya maju kogenerasi serta evaluasi teknologi.
Kegiatan pengembangan SEN berbasis Reaktor berpendingin Gas Temperatur Tinggi di PTRKN dilakukan dengan penyusunan desain konseptual RGTT200K. Reaktor RGTT200K adalah konsep reaktor kogenerasi berdaya termal 200 MW. Ada beberapa konsep siklus kogenerasi RGTT200K, salah satu di antaranya menerapkan konfigurasi siklus langsung.
Konsep kogenerasi RGTT200K ditujukan untuk pembangkit listrik, produksi gas hidrogen dan proses desalinasi air laut. RGTT200K didesain berpendingin gas helium dengan temperatur outlet reaktor 950 oC dan bertekanan 5 MPa[2]. Komponen utama sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K adalah Intermediate Heat Exchanger (IHX), turbin gas, kompresor, rekuperator dan precooler.
Pada penelitian sebelumnya telah dilakukan studi tentang sistem kogenerasi Very High Temperature Reactor (VHTR) untuk produksi gas hidrogen[3]. Ada tiga metode produksi gas hidrogen yang dipertimbangkan dalam studi tersebut yaitu: eletrolisis air, pembentukan uap metan, dan daur sulfur-iodine. Dengan memanfaatkan energi termal bertemperatur tinggi dari sistem konversi energi VHTR, proses produksi gas hidrogen dengan metode daur sulfur-iodine menjadi pilihan terbaik setelah metode pembentukan uap metan[3]. Penelitian tentang kinerja penukar panas IHX sebagai penyedia energi termal untuk instalasi produksi hidrogen[4,5] juga telah dilakukan. Dengan mengacu pada desain konseptual IHX GTHTR300C[6,7] untuk kondisi laju alir masa pendingin primer 342,2 kg/s diperoleh efektivitas IHX sebesar 0,95[4]. Pada penelitian
selanjutnya desain konseptual IHX GTHTR300C diterapkan pada desain konseptual RGTT200K dengan laju alir masa pendingin primer 120 kg/s[5], pada penelitian tersebut diperoleh nilai efektivitas IHX sebesar 0,99 dan laju perpindahan panas total pada IHX sebesar 62,318 MWt[5].
Penelitian ini melanjutkan penelitian sebelumnya dalam rangka melengkapi desain konseptual RGTT200K[3,4,5,8,9], yang terkait dengan kinerja sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K. Perhitungan kinerja sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K dalam penelitian ini dilakukan secara simulasi perhitungan menggunakan paket program komputer ChemCAD 6.1.4. Dalam simulasi perhitungan ini daya termal teras reaktor dipertahankan sesuai desain konseptual teras reaktor RGTT200K yaitu 200 MW[2]. Temperatur dan tekanan outlet pendingin reaktor RGTT200K ditetapkan berdasarkan hasil desain konseptual teras reaktor RGTT200K yaitu temperatur outlet reaktor 950 oC dan tekanan outlet reaktor 5 MPa[2]. Laju alir masa pendingin sekunder pada IHX sebagai penyedia energi termal untuk instalasi produksi gas hidrogen divariasi mulai dari 25 kg/s hingga 125 kg/s.
2. TEORI
Ada beberapa metode untuk produksi gas hidrogen, antara lain : elektrolisis air, proses pembentukan uap metan (steam reforming of methane), dan proses daur sulfur-iodine.
2.1. Metode Elektrolisis Air
Elektrolisis air adalah proses pemisahan molekul air menggunakan arus listrik untuk produksi gas hidrogen. Metode ini dapat dipertimbangkan untuk produksi gas hidrogen dengan energi nuklir karena dapat dikombinasikan antara proses elektrolisis air dengan pembangkit listrik tenaga nuklir.
Reaksi dasar untuk proses elektrolisis air adalah setengah reaksi ion air pada sisi katoda dalam larutan garam. Elektroda dimasukkan ke dalam larutan garam untuk memicu terjadinya gerakan elektron. Hidrogen terbentuk pada katoda, dan oksigen terbentuk pada anoda.
Proses produksi gas hidrogen dapat ditunjukkan dalam persamaan reaksi berikut ini.
2 12 2 2
_ 2 2 2 2 1
2 2 2
2 2 3
:
2 2
2 : K
O H O H
e O H O O H Anoda
O H H e O H atoda
... (1)
Karena proses elektrolisis air memerlukan energi listrik, maka efisiensi termal total untuk produksi gas hidrogen dengan proses elektrolisis air juga mencakup efisiensi pembangkitan listrik. Karena efisiensi elektrolisis air murni sebesar 75% sedangkan efisiensi pembangkitan listrik sebesar 30%, maka efisiensi termal total untuk produksi gas hidrogen dengan proses elektrolisis air ini sebesar 22,5% atau maksimum 25%[6,7].
2.2. Metode Pembentukan Uap Metan Proses pembentukan uap metan (steam reforming of methane) adalah suatu proses reaksi metan dengan uap air pada suhu tinggi.
Proses ini merupakan proses termokimia untuk produksi gas hidrogen. Ada dua tahap reaksi yang terjadi pada proses produksi gas hidrogen melalui proses pembentukan uap metan. Reaksi pertama adalah reaksi pembentukan yang merupakan reaksi endoterm yang memerlukan katalis dan terjadi pada temperatur yang tinggi antara 8000C hingga 9000C.[10,11] Reaksi kedua adalah reaksi pergeseran (shift reaction) yang merupakan reaksi eksoterm yang menghasilkan karbon dioksida (CO2) dan gas hidrogen (H2).
Proses selanjutnya adalah proses pemisahan karbon dioksida dan proses pemurnian gas hidrogen. Reaksi kimia dan entalpi untuk proses ini ditunjukkan pada persamaan di bawah ini.
Reaksi pembentukan
2 2
4 3
: ) 82 , 205
(H CH H OCO H ... (2) Reaksi pergeseran
2 2
: 2
) 17 , 41
(H COH OCO H .... (3) Proses konvensional untuk pembentukan uap metan terjadi dalam reaktor kimia pada temperatur berkisar antara 800-9000C[10]. Umumnya energi panas yang diperlukan untuk reaksi ini disuplai dari pembakaran kelebihan gas metan. Sehingga penghitungan efisiensi termal secara keseluruhan untuk proses ini harus meliputi pengurangan gas metan akibat pembakaran untuk menghasilkan energi panas.
Besarnya efisiensi termal untuk produksi gas hidrogen dengan proses pembentukan uap metan ini kurang lebih 70%.[11]
2.3. Metode Daur Sulfur-Iodine
Produksi gas hidrogen menggunakan metode daur sulfur-iodine mengikuti serangkaian reaksi kimia sbb.:
2 12 2 2
0 2
2
0 4
2 2
2 2
0 2
12 2 2 4 2
) 4 (
) 450 (min 2
) 3 (
) 120 (min 2
2 )
2 (
) 850 (min )
1 (
O H O H
C I
H HI
C SO
H HI O H SO I
C O
SO O H SO H
.. (4)
Dari serangkaian reaksi kima tersebut terlihat bahwa untuk memproduksi gas hidrogen diperlukan energi termal dengan temperatur yang relatif tinggi yaitu 850 oC[10]. Dengan demikian, outlet aliran pendingin melalui IHX pada sisi dingin minimal memiliki temperatur 850 oC.
2.4. Sistem Konversi Energi
Secara konseptual, RGTT200K didesain untuk memenuhi kebutuhan energi listrik dan kebutuhan energi termal untuk keperluan industri, antara lain untuk produksi gas hidrogen. Untuk memenuhi kebutuhan tersebut disusun desain konseptual RGTT200K yang
meliputi desain konseptual teras reaktor RGTT200K dan desain sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K. Desain konseptual sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K ditujukan untuk pembangkit listrik, produksi gas hidrogen dan proses desalinasi air laut. Sebagai sumber energi termal untuk desain konseptual sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K ini adalah reaktor gas temperatur tinggi berdaya termal 200 MW.
Konfigurasi sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K ditunjukkan seperti pada Gambar 1. Komponen utama sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K adalah IHX, turbin gas, rekuperator, precooler, dan kompresor. Untuk keperluan produksi gas hidrogen, energi termal ditransfer melalui IHX dari sistem konversi energi ke instalasi produksi gas hidrogen. Sedangkan energi termal untuk proses desalinasi ditransfer melalui precooler.
Turbin gas dan kompresor dipasang satu poros, karena itu energi termal yang digunakan untuk pembangkit listrik merupakan selisih antara energi yang dihasilkan dari proses ekspansi turbin dan energi yang digunakan untuk
menggerakkan kompresor
.
Gambar 1. Konfigurasi sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K
Dalam rangka penyusunan desain konseptual sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K diperlukan analisis dan perhitungan parameter kinerja sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K secara keseluruhan dan tiap komponennya. Salah satu parameter kinerja sistem konversi energi adalah besarnya energi yang dapat dikonversi atau ditransfer ke instalasi pengguna dari masing-masing komponen utamanya. Untuk keperluan produksi gas hidrogen, komponen utama untuk mentransfer energi termal dari sistem konversi energi ke instalasi produksi gas hidrogen adalah IHX.
Besarnya energi yang ditransfer mengikuti persamaan sbb.[13]:
) (T2 T1 c
m
W p (5)
dengan
W = energi termal yang ditransfer (KWth) m = laju alir massa pendingin (kg/s) cp = kapasitas panas spesifik tekanan tetap
(kJ/kg.K)
T1 = temperatur inlet komponen (K) T2 = temperatur outlet komponen (K)
Mengacu pada persamaan (5) energi termal yang ditransfer melalui IHX merupakan fungsi dari laju alir masa pendingin, beda temperatur dan kapasitas panas spesifik. Dengan demikian, dalam sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K, energi termal yang ditransfer dari sistem konversi energi ke instalasi produksi gas hidrogen akan dipengaruhi oleh laju alir masa pendinginnya.
3. METODOLOGI
Untuk keperluan simulasi perhitungan menggunakan paket program komputer ChemCAD 6.1.4, sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 dibuat model berdasarkan program komputer ChemCAD 6.1.4 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Unit reaktor sebagai penyedia energi termal dalam sistem konversi energi ini dimodelkan sebagai reaktor Gibbs. Dalam program komputer ChemCAD 6.1.4, reaktor Gibbs digunakan untuk simulasi neraca masa dan neraca energi. Komposisi, produk dan kondisi termal keluaran reaktor dihitung dengan cara minimisasi energi bebas Gibbs.
Fluidapendingin primer sebagai fluida kerja untuk sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K termasuk unit reaktor dispesifikasikan sebagai gas inert, dalam hal ini gas helium.
1
2
6
IHX
Turbin Com pressor
Recuperator
Precooler
1 4
7 3
5 4
T 609.12 P 5.12 W 112.50
T 611.73 P 2.77 W 112.50
T 133.77 P 5.15 W 112.50 Reaktor
5
6
11
T 136.44 P 2.73 W 112.50
T 34.22 P 2.70 W 112.50
T 135.79 P 2.93 W 128.00 2
3
8
9
Produksi H2
10
Desalinasi
T 950.00 P 5.00 W 112.50
T 822.73 P 4.97 W 112.50
T 500.00 P 5.15 W 40.00 T 857.97 P 5.08 W 40.00
T 25.00 P 3.00 W 128.00
Gambar 2. Model Sistem Konversi Energi RGTT200K Menggunakan ChemCAD.
Data input dalam simulasi perhitungan menggunakan program komputer ChemCAD ini terdiri dari 4 parameter desain reaktor yang telah ditetapkan didasarkan pada desain teras reaktor RGTT200K[2]. Besaran yang telah ditetapkan tersebut meliputi daya termal reaktor, laju alir masa fluida pendingin reaktor, tekanan dan temperatur outlet reaktor. Keempat parameter sebagai data input tersebut ditunjukkan pada Tabel 1. Parameter komponen sistem konversi energi sebagai data input yang meliputi pressure drop masing-masing komponen dan efisiensi politropik turbin gas dan kompresor ditunjukkan pada Tabel 2.
IHX sebagai komponen utama untuk mentransfer energi termal ke instalasi produksi gas hidrogen didesain bertipe shell and tube dengan mengacu pada desain konseptual IHX GTHTR300C[7]. Ukuran dimensi model IHX mengadopsi dimensi IHX pada GTHTR300C seperti pada Gambar 3. Gas helium sebagai pendingin primer mengalir melalui shell, sedangkan gas helium sebagai pendingin sekunder mengalir melalui tube. Luas perpindahan panas yang meliputi seluruh pipa dalam shell adalah 1448 m2. Jumlah pipa dalam shell 724 dengan diameter 45 mm dan ketebalan pipa 5 mm. Diameter dalam shell IHX adalah 2,203 m.
Tabel 1. Parameter reaktor untuk simulasi untuk sistem konversi energi RGTT200K
Parameter Nilai
Daya reaktor 200 MWt
Temperatur outlet reaktor 950 oC Tekanan outlet reaktor 5,0 MPa Laju alir massa pendingin reaktor 120 kg/s
Tabel 2. Parameter komponen sistem konversi energi RGTT200K
No. Parameter Nilai
1. Pressure drop pada reaktor 0,120 MPa 2. Pressure drop sisi shell IHX 0,030 MPa 3. Pressure drop sisi tube IHX 0,066 MPa 4. Efisiensi politropik turbin gas 0,930 5. Efisiensi politropik kompresor 0,930 6. Pressure drop sisi panas rekuperator 0,030 MPa 7. Pressure drop sisi dingin rekuperator 0,040 MPa 8. Pressure drop sisi shell precooler 0,030 MPa 9. Pressure drop sisi tube precooler 0,066 MPa
Gambar 3. Desain konseptual IHX RGTT200K yang mengacu pada IHX GTHTR300C[7]
Model rekuperator dan model precooler juga memakai pendekatan desain sebagai penukar panas tipe shell and tube. Pressure drop pada sisi shell untuk ketiga penukar panas diasumsikan sebesar 0,03 MPa sedangkan pressure drop pada sisi tube sebesar 0,066 MPa.
Model turbin gas dan kompresor dipasang satu poros memakai tipe aksial dengan masing- masing memiliki efisiensi politropik sebesar 0,93. Pressure drop pada reaktor diasumsikan sebesar 0,12 MPa.
Simulasi perhitungan kinerja sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K untuk produksi gas hidrogen dilakukan dengan memvariasi laju alir masa pendingin IHX pada sisi sekunder mulai dari 25 kg/s hingga 125 kg/s. Daya termal reaktor, temperatur outlet reaktor, tekanan outlet reaktor dan laju alir masa pendingin reaktor ditetapkan sesuai dengan desain konseptual teras RGTT200K[2]
sebelumnya yaitu masing-masing sebesar 200 MW, 950 oC, 5 MPa dan 120 kg/s. Sedangkan untuk temperatur pendingin keluar dari instalasi produksi gas hidrogen diasumsikan tetap sebesar 500 oC.
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Perhitungan beberapa parameter kinerja sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K dan kinerja IHX untuk produksi gas hidrogen sebagai fungsi laju alir masa pendingin IHX pada sisi sekunder telah dilakukan. Simulasi perhitungan dilakukan dengan menggunakan paket program komputer ChemCAD 6.1.4.
Dalam penelitian sebelumnya telah dilakukan validasi pemodelan sistem konversi energi menggunakan program komputer ChemCAD 6.1.4 dengan mengambil acuan desain reaktor GTHTR300[7]. Hasil validasi menunjukkan bahwa margin kesalahan relatif tertinggi pada hasil perhitungan menggunakan ChemCAD 6.1.4 sebesar 1,43 %. Hal ini menunjukkan bahwa perhitungan parameter termodinamika sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K dengan menggunakan program komputer ChemCAD 6.1.4 cukup memadai[3].
Hasil perhitungan parameter kinerja sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K menggunakan paket program komputer ChemCAD 6.1.4 dengan memvariasi laju alir masa pendingin IHX pada sisi sekunder mulai dari 25 kg/s hingga 125 kg/s. ditunjukkan dalam bentuk grafik pada Gambar 4 sampai dengan, Gambar 6 dan Tabel 3.
450.0 550.0 650.0 750.0 850.0 950.0 1050.0
25.0 35.0 45.0 55.0 65.0 75.0 85.0 95.0 105.0 115.0 125.0
Laju alir masa pendingin IHX sisi sekunder (kg/s) Distribusi temperatur pendingin IHX (oC)
Temperatur masuk IHX sisi primer Temperatur keluar IHX sisi primer Temperatur masuk IHX sisi sekunder Temperatur keluar IHX sisi sekunder
Gambar 4. Distribusi temperatur pada IHX sebagai fungsi laju alir masa pendingin IHX pada sisi sekunder.
Pada Gambar 4 terlihat bahwa temperatur pendingin keluar dari IHX baik pada sisi primer maupun sisi sekunder cenderung menurun jika laju alir massa pendingin IHX pada sisi sekunder dinaikkan. Penurunan temperatur pendingin keluar dari IHX pada sisi primer yang juga merupakan temperatur pendingin masuk ke turbin gas sangat berpengaruh pada kinerja turbin gas. Penurunan temperatur pendingin masuk ke turbin gas akan berpengaruh pada penurunan energi akibat ekspansi pada turbin gas. Dengan demikian, energi mekanik untuk pembangkitan listrik yang merupakan selisih antara energi termal kompresor dengan energi termal turbin gas juga menurun seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6 dan Tabel 3.
Sedangkan penurunan temperatur yang terjadi pada pendingin sekunder IHX akan berpengaruh pada metode produksi gas hidrogen yang digunakan. Hal ini disebabkan oleh persyaratan temperatur minimal yang diperlukan pada produksi gas hidrogen yang meliputi metode pembentukan uap metan dan metode daur sulfur-iodine berbeda. Untuk produksi gas hidrogen dengan metode daur sulfur-iodine memerlukan persyaratan temperatur yang lebih tinggi yaitu 850 oC[10]. Sedangkan metode pembentukan uap metan untuk produksi gas hidrogen memerlukan temperatur minimal sebesar 800 oC.
Sebagai komponen utama untuk mentransfer energi termal dari sistem konversi energi ke instalasi produksi gas hidrogen, IHX dipasang langsung pada outlet reaktor untuk memperoleh energi termal dengan temperatur yang tertinggi. Dengan demikian, temperatur pendingin primer masuk ke IHX sama dengan temperatur outlet reaktor. Mengacu pada desain teras reaktor RGTT200K bahwa temperatur outlet reaktor adalah 950 oC, maka temperatur
pendingin masuk IHX pada sisi primer ditetapkan sebesar 950 oC. Sedangkan temperatur masuk IHX pada sisi sekunder ditetapkan 500 oC. Penetapan temperatur masuk IHX pada sisi sekunder ini didasarkan pada asumsi bahwa temperatur keluar dari instalasi produksi gas hidrogen adalah 500 oC. Seperti terlihat pada Gambar 4 temperatur pendingin keluar IHX pada sisi sekunder 919,7 oC terjadi jika laju alir masa pendingin sekunder IHX sebesar 25 kg/s. Temperatur pendingin keluar IHX pada sisi sekunder akan terus menurun jika laju alir masa pendingin sekunder IHX terus dinaikkan. Pada laju alir masa pendingin sekunder IHX sebesar 125 kg/s, temperatur pendingin sekunder keluar dari IHX adalah 661,9 oC.
Kenaikan laju alir masa IHX pada sisi sekunder menyebabkan penurunan temperatur pendingin keluar dari IHX baik pada sisi primer maupun sisi sekunder. Penurunan temperatur keluar dari IHX pada sisi sekunder sangat berpengaruh pada energi termal yang diberikan untuk instalasi produksi gas hidrogen. Untuk produksi gas hidrogen dengan metode pembentukan uap metan (steam reforming of methane) diperlukan energi termal dengan temperatur minimal 800 oC[10]. Oleh karena itu energi termal yang ditransfer melalui IHX ke instalasi produksi gas hidrogen harus memiliki temperatur di atas 800 oC. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4, untuk memperoleh energi termal dengan temperatur di atas 800 oC maka laju alir masa pendingin IHX pada sisi sekunder maksimal 55 kg/s. Jika metode produksi gas hidrogen yang digunakan adalah proses daur sulfur-iodine (I-S cycle) maka diperlukan energi termal dengan temperatur minimal adalah 850 oC atau laju alir masa pendingin IHX pada sisi sekunder maksimal adalah 40 kg/s.
Seperti terlihat pada Gambar 4, terjadi penurunan temperatur pada pendingin primer keluar dari IHX yang berakibat pada penurunan kinerja turbin gas. Dalam satu siklus sistem konversi energi, penurunan temperatur dan penurunan kinerja turbin gas akan berdampak pada penurunan temperatur inlet ke teras reaktor. Karena daya termal reaktor dijaga tetap maka penurunan temperatur inlet ke reaktor mengakibatkan penurunan laju alir masa pendingin reaktor seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. Dengan demikian, jika daya termal reaktor dijaga tetap maka kenaikan laju alir masa pada sisi sekunder IHX akan menyebabkan penurunan laju alir masa pendingin primer.
90.0 95.0 100.0 105.0 110.0 115.0 120.0 125.0 130.0
25.0 35.0 45.0 55.0 65.0 75.0 85.0 95.0 105.0 115.0 125.0
Laju alir masa pendingin IHX sisi sekunder (kg/s) Laju alir masa pendingin IHX sisi primer (kg/s)
Gambar 5. Pengaruh laju alir masa pendingin sekunder terhadap laju alir masa pendingin primer pada IHX
Tabel 3. Distribusi daya termal pada komponen utama sistem konversi energi RGTT200K
Debit IHX sekunder
Daya termal (MW)
IHX precooler rekuperator turbin kompresor 25.0 54.5 70.9 318.4 -143.2 68.2 30.0 62.3 66.9 302.1 -135.6 64.4 35.0 68.9 63.5 287.6 -128.9 61.2 40.0 74.4 59.8 277.8 -124.0 58.9 45.0 79.0 58.0 269.0 -120.3 57.3 50.0 82.8 56.2 260.6 -116.6 55.6 55.0 86.1 55.0 253.5 -113.8 54.4 60.0 88.9 53.7 245.8 -110.7 53.1 65.0 91.3 52.8 240.1 -108.5 52.3 70.0 93.3 51.9 234.2 -106.2 51.4 75.0 95.1 51.3 229.6 -104.5 50.8 80.0 96.7 50.9 225.3 -103.1 50.4 85.0 98.1 50.2 221.6 -101.6 49.8 90.0 99.3 49.8 218.2 -100.4 49.4 95.0 100.4 49.5 214.9 -99.3 49.1 100.0 101.4 49.2 212.3 -98.4 48.8 105.0 102.3 48.8 210.1 -97.5 48.4 110.0 103.1 48.5 207.7 -96.7 48.1 115.0 103.8 48.3 205.3 -95.9 48.0 120.0 104.5 48.1 203.5 -95.3 47.8 125.0 105.1 47.9 202.0 -94.7 47.6
Meskipun temperatur pendingin pada IHX turun jika laju alir masa pendingin IHX pada sisi sekunder dinaikkan, energi termal yang ditransfer melalui IHX mengalami kenaikkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6 dan Tabel 3. Hal ini dapat dijelaskan bahwa kenaikan laju alir masa pendingin pada IHX pada sisi sekunder akan mempertinggi proses perpindahan panas pada IHX dari sisi primer ke
sisi sekunder. Namun demikian, meskipun energi termal yang ditransfer melalui IHX bertambah, tetapi tidak dapat digunakan untuk meningkatkan produksi gas hidrogen. Sementara itu, kenaikan energi termal yang ditransfer melalui IHX akan menyebabkan penurunan energi termal yang digunakan untuk pembangkitan listrik maupun untuk proses desalinasi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6 dan Tabel 3. Jika metode produksi gas hidrogen yang digunakan adalah pembentukan uap metan, maka laju alir masa pendingin IHX pada sisi sekunder maksimal 55 kg/s dengan energi termal 86,1 MW. Tetapi jika menggunakan metode daur Sulfur-Iodine, maka laju alir masa pendingin IHX pada sisi sekunder maksimal 40 kg/s dengan energi termal yang dapat ditransfer 74,4 MW.
40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 110.0
25.0 35.0 45.0 55.0 65.0 75.0 85.0 95.0 105.0 115.0 125.0 Laju alir masa pendingin sekunder (kg/s)
Daya termal untuk produksi hidrogen (MW)
Daya termal untuk produksi hidrogen (daya pada IHX) Daya termal untuk desalinasi (daya pada precooler) Daya termal untuk pembangkitan listrik
Gambar 6. Daya termal untuk masing-masing aplikasi sistem kogenerasi RGTT200K
5. KESIMPULAN
Desain konseptual sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K memerlukan hasil-hasil perhitungan parameter kinerja setiap komponen maupun kinerja sistem secara lengkap. Sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K ini menerapkan siklus langsung dengan sisi pendingin sekunder IHX dikopel pada instalasi produksi gas hidrogen. Dalam desain konseptual ini, tipe IHX adalah helical tube and shell dengan luasan perpindahan panas sebesar 1448 m2. Perhitungan parameter kinerja sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K dilakukan dengan memvariasi laju alir masa pendingin IHX pada sisi sekunder. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa kenaikan laju alir masa pendingin IHX pada sisi sekunder akan menurunkan temperatur pendingin yang
keluar dari IHX baik pada sisi primer maupun sisi sekunder. Penurunan temperatur pada energi termal yang ditransfer melalui IHX ke instalasi produksi gas hdrogen berpengaruh pada pemilihan metode produksi gas hidrogen yang akan digunakan. Jika metode produksi gas hidrogen yang digunakan adalah pembentukan uap metan, maka laju alir masa pendingin IHX pada sisi sekunder maksimal 55 kg/s dengan energi termal 86,1 MW. Tetapi jika menggunakan metode daur Sulfur-Iodine, maka laju alir masa pendingin IHX pada sisi sekunder maksimal 40 kg/s dengan energi termal yang dapat ditransfer 74,4 MW.
6. UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terimakasih kami sampaikan kepada teman-teman peneliti di Bidang Pengembangan Reaktor, Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir – BATAN atas kesediaannya meluangkan waktu untuk berdiskusi dalam penyelesaian penelitian ini.
7. DAFTAR PUSTAKA
1. BAPPENAS, Peraturan Presiden Republik Indonesia Nomor 5 Tahun 2010 tentang Rencana Pembangunan Jangka Menengah Nasional (RPJMN) 2010-2014, Jakarta, 2010.
2. M. DHANDHANG PURWADI, Desain Konseptual Sistem Reaktor Daya Maju Kogenerasi Berbasis RGTT (Prosiding Seminar Nasional ke-16 Teknologi dan Keselamatan PLTN serta Fasilitas Nuklir, Surabaya, 28 Juli 2010), Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir, Badan Tenaga Nuklir Nasional, Surabaya (2010) 14.
3. IGN. DJOKO IRIANTO, Studi Awal Proses Produksi Hidrogen Menggunakan Konsep Kogenerasi Reaktor VHTR (Prosiding Seminar Nasional Pengembangan Energi Nuklir II, Jakarta, 25 Juni 2009), Pusat Pengembangan Energi Nuklir, Badan Tenaga Nuklir Nasional, Jakarta (2009) 384.
4. IGN. DJOKO IRIANTO, Perhitungan Efektivitas IHX Dalam Sistem Kogenerasi RGTT (Prosiding Seminar Nasional ke-16 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir, Surabaya, 28 Juli 2010), Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir, Badan Tenaga Nuklir Nasional,
Surabaya (2010) 36.
5. IGN. DJOKO IRIANTO, Analisis Kinerja IHX untuk Desain Konseptual Unit Konversi Daya RGTT200K (Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir (PPI-PDIPTN), Yogyakarta, 19 Juli 2011), Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan, Badan Tenaga Nuklir Nasional, Yogyakarta (2011) 167.
6. KAZUHIKO KUNITOMI, et al.,
“JAEA’S VHTR For Hydrogen And Electricity Cogeneration : GTHTR300C”, Nuclear Engineering and Technology, Vol.39 No.1., February (2007) 9-20.
7. KAZUHIKO KUNITOMI, et al., GTHTR300C For Hydrogen Cogeneration (2nd International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology, Beijing, China, September 22-24, 2004) Beijing, China (2004) 1-11.
8. IGN. DJOKO IRIANTO, Pemodelan Sistem Konversi Energi Berbasis Kogenerasi Reaktor Tipe RGTT Untuk Pembangkit Listrik Dan Produksi Hidrogen (Prosiding Seminar Nasional Pengembangan Energi Nuklir III, Banten, 24 Juni 2010), Pusat Pengembangan Energi Nuklir, Badan Tenaga Nuklir Nasional, Jakarta (2010) 572.
9. IGN. DJOKO IRIANTO, Analisis Termodinamika Untuk Optimasi Sistem Konversi Energi RGTT200K (Prosiding dalam Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Penegtahuan dan Teknologi Nuklir (PPI-PDIPTN), Yogyakarta, 04 Juli 2012), Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan, Badan Tenaga Nuklir Nasional, Yogyakarta (2012) 22.
10. LEANNE M. CROSBIE, et al., “Hydrogen Production by Nuclear Heat”, GENES4/ANP2003, Kyoto, JAPAN, Sep.
15-19, 2003.
11. BILGEYILDIZ, et al., “Efficiency of hydrogen production systems using alternative nuclear energy technologies”, Elsevier International Journal of Hydrogen Energy 31 (2006) 77 – 92
12. DANIEL R. LEWIN, “Lecture Seven:
Heat Exchanger Design”, Department of Chemical Engineering Technion, Haifa, Israel, 2004, 054410 PLANT DESIGN.
13. E. A. HARVEGO, Evaluation Of Next Generation Nuclear Power Plant (NGNP) Intermediate Heat Exchanger (IHX) Operating Conditions, Idaho National
Laboratory, Idaho Falls, April 2006, .INL/EXT-06-11109
14. AKIRA SHIMIZU, et al., “Recent Research and Development of Intermediate
Heat Exchanger for VHTR Plant”, Nagasaki Shipyard & Engine Works, Mitsubishi Heavy Industries, LTD.
DISKUSI 1. M. Subekti:
Hasil perhitungan laju alir dan daya untuk metode steam reforming dimana IS dapat memproduksi Hidrogen berapa?
Ign Djoko Irianto:
Tentang banyaknya Hidrogen yang diproduksi baik dengan metode steam reforming dan IS, dari sistem konversi energi koegenerasi RGTT200K belum dihitung. Dalam makalah ini telah dihitung besarnya energi termal yang dapat dari sistem konversi energi koegenerasi RGTT200K. Jika metode steam reforming yang digunakan, energi yang dapat ditransfer sebesar 86,1 MW, jika menggunakan metode IS, energi termal yang dapat ditranfer sebesar 74,4 MW.
2. Sudjatmi:
Mana yang lebih menguntungkan, seluruh energi dipergunakan untuk listrik atau sebagian dipergunakan untuk produksi hidrogen?
Ign Djoko Irianto:
Sistem konversi energi RGTT200K didesain dengan sistem kogenerasi untuk pembangkitan listrik, produksi hidrogen dan desalinasi air laut. Dalam perhitungan, apabila hanya digunakan untuk pembangkitan listrik, efesiensi termal maksimum sebesar 40%. Sehingga energi termal yang terbuang masih cukup banyak kurang lebih 60%. Dalam perhitungan yang lalu, apabila digunakan untuk pembangkitan listrik dan produksi hidrogen serta desalinasi air laut, akan memiliki faktor pemanfaatan enrgi (EVF) sebesar 80%. Dengan demikian energi termal yang terbuang ke lingkunag hanya 20%. Dari penjelasan di atas jelas bahwa sistem kogenerasi untuk pembangkitan listrik, produksi hidrogen dan desalinasi air laut lebih menguntungkan dibandingkan hanya untuk listrik saja.
![Gambar 3. Desain konseptual IHX RGTT200K yang mengacu pada IHX GTHTR300C [7]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/2986055.3704946/6.892.169.433.581.1016/gambar-desain-konseptual-ihx-rgtt-yang-mengacu-gthtr.webp)
