ANALISIS TERMODINAMIKA UNTUK OPTIMASI SISTEM KONVERSI ENERGI RGTT200K

(1)

22 ISSN 0216 - 3128 Ign. Djoko Irianto

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah - Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2012 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 4 Juli 2012

ANALISIS TERMODINAMIKA UNTUK OPTIMASI SISTEM KONVERSI

ENERGI RGTT200K

Ign. Djoko Irianto

Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir-BATAN

Kawasan Puspiptek, Serpong, Tangerang 15310 Telp./Fax: 021-7560912 Email: igndjoko@batan.go.id

ABSTRAK

ANALISIS TERMODINAMIKA UNTUK OPTIMASI SISTEM KONVERSI ENERGI RGTT200K. RGTT200K adalah Reaktor Gas Temperatur Tinggi (RGTT) berdaya termal 200 MW, berpendingin helium dengan temperatur outlet reaktor 950 oC dan bertekanan 5,0 MPa. Reaktor ini didesain dengan konsep kogenerasi untuk pembangkit listrik, produksi hidrogen dan desalinasi. Sistem konversi energi RGTT200K menerapkan siklus langsung dimana seluruh komponen utama berada dalam satu lintasan aliran pendingin. Dalam makalah ini diuraikan hasil penelitian optimasi sistem konversi energi RGTT200K. Analisis dilakukan dengan cara membandingkan hasil perhitungan efisiensi termal dan faktor pemanfaatan energi (Energy Utilization Factor/EUF) terhadap 2 konfigurasi sistem konversi energi RGTT200K yang masing-masing dengan 1 kompresor dan 2 kompresor. Perhitungan dilakukan dengan menggunakan paket program komputer ChemCAD. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa dengan pemasangan dua kompresor dan satu intercooler dapat diperoleh efisiensi termal sebesar 40,42% dan EUF sebesar 79,97%. Sedangkan dengan satu kompresor diperoleh efisiensi termal sebesar 39,33% dan EUF sebesar 79,76%. Penambahan satu kompresor dan satu intercooler hanya mampu menaikkan efisiensi termal kurang dari 1%. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa untuk desain RGTT200K dengan daya termal 200 MW dan laju alir pendingin helium 120 kg/s dan tekanan 5 MPa cukup menggunakan sebuah kompresor tanpa intercooler.

Kata kunci: RGTT200K, sistem konversi energi, kogenerasi, efisiensi termal, EUF

ABSTRACT

THERMODYNAMIC ANALYSIS FOR OPTIMIZING RGTT200K ENERGY CONVERSION SYSTEM. RGTT200K is High Temperature Gas-cooled Reactor (HTGR) with 200 MW thermal power generation. This reactor employs helium-gas coolant with 5.0 MPa operating pressure and 950 oC outlet temperature. This reactor is designed with cogeneration concept for power plant, hydrogen production and desalination. Energy conversion system of RGTT200K apply direct cycle with all main component in one path circulation of coolant flow. In this paper, the research optimizes the RGTT200K energy conversion system. Analysis was done by comparing the simulation result of thermal efficiency and energy utilization factor (EUF) between 2 configuration of RGTT energy conversion system which using one compressor and two compressor. Calculation was done by using ChemCAD computer code. The calculation result shows that the energy conversion system utilizing 2 compressor give the thermal efficiency of 40,42% and the EUF of 79.97%. While utilizing 1 compressor, the thermal efficiency is 39.33% and the EUF is 79.76%. The addition of a compressor and an intercooler is insignificantly increase the thermal efficiency of less than 1%. Therefore, it can be concluded that the design of RGTT200K with 200 MW thermal power and a helium flowrate of 120 kg/s with pressure of 5.0 MPa are utilize adequately one compressor without intercooler.

Keywords: RGTT200K, energy conversion system, cogeneration, thermal efficiency, EUF

PENDAHULUAN

alam Peraturan Presiden RI Nomor 5 Tahun 2010 tentang Rencana Pembangunan Jangka

Menengah Nasional (RPJMN) 2010-2014(1),

telah ditetapkan bahwa salah satu keluaran kegiatan litbang nuklir dalam bidang energi adalah penyelesaian desain konseptual sistem konversi energi dan sistem keselamatan reaktor daya maju kogenerasi. Peraturan Presiden RI Nomor 5 Tahun 2010 tersebut ditindak-lanjuti dengan Renstra BATAN 2010-2014 yang menegaskan bahwa keluaran pada tahun 2014 adalah diperolehnya desain konseptual reaktor riset inovatif; desain konseptual reaktor daya maju kogenerasi serta

evaluasi teknologi. Salah satu tipe reaktor daya maju yang dikembangkan desainnya adalah RGTT, karena konsep reaktor ini merupakan konsep reaktor daya maju yang dianggap paling siap untuk diaplikasikan di masa depan khususnya untuk aplikasi sistem kogenerasi. Reaktor ini memiliki keluaran energi termal dengan temperatur yang

sangat tinggi sekitar 950 oC sehingga

memungkinkan aplikasi sistem kogenerasi untuk pembangkit listrik, produksi gas hidrogen dan proses desalinasi air laut.

Kegiatan pengembangan sistem energi nuklir berbasis Reaktor berpendingin Gas Temperatur Tinggi (RGTT), telah dilakukan di Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir –

D

(2)

23

Badan Tenaga Nuklir Nasional (PTRKN-BATAN) dengan penyusunan desain konseptual RGTT berdaya termal 200 MW dengan konsep kogenerasi

yang dikenal dengan nama RGTT200K(2,3). Konsep

kogenerasi RGTT200K ditujukan untuk pembangkit listrik, produksi hidrogen dan proses desalinasi air laut. RGTT200K didesain berpendingin gas helium dengan temperatur outlet reaktor 950 oC dan bertekanan 5 MPa. Selain desain sistem reaktor, desain sistem konversi energi menjadi sangat penting untuk menentukan keberhasilan desain RGTT200K. Komponen utama sistem konversi energi dalam RGTT200K adalah Intermediate Heat Exchanger (IHX), turbin gas, kompresor, rekuperator dan precooler(3).

Sistem konversi energi RGTT200K menerapkan konsep siklus langsung dengan menggunakan turbin gas atau dalam siklus Brayton. Siklus langsung memiliki efisiensi yang lebih tinggi

dibanding dengan siklus tak langsung(4). Dalam

siklus langsung, turbin dan kompresor dipasang dalam satu lintasan sistem primer. IHX sebagai penyedia energi termal untuk proses produksi gas hidrogen dipasang antara reaktor dan turbin gas. Untuk keperluan penyediaan energi termal untuk proses desalinasi diambil dari precooler yang dipasang pada inlet kompresor.

Dalam makalah ini dianalisis hasil perhitungan termodinamika siklus Brayton untuk optimasi sistem konversi energi pada RGTT200K. Perhitungan dilakukan dengan pemodelan proses termodinamika pada siklus Brayton sistem konversi energi pada RGTT200K menggunakan paket

program komputer ChemCAD. ChemCAD(5) adalah

perangkat lunak komputer yang dapat digunakan untuk simulasi perhitungan termodinamika dan rekayasa proses (process engineering). Perhitungan termodinamika sistem konversi energi RGTT200K difokuskan pada efisiensi siklus Brayton dengan membandingkan antara sistem konversi energi dengan 2 kompresor dan 1 kompresor. Untuk mengetahui karakteristik sistem secara keseluruhan, dilakukan juga perhitungan neraca energi, distribusi temperatur dan tekanan termasuk perhitungan parameter karakteristik komponen utamanya untuk kedua konfigurasi tersebut.

TATA KERJA

Perhitungan Turbin Aliran Aksial

Analisis termodinamika dilakukan terhadap desain konseptual sistem konversi energi pada RGTT200K. Pada desain konseptual sistem konversi energi RGTT200K ditetapkan penggunaan

turbin gas dengan aliran aksial(3). Dengan

menerapkan persamaan energi aliran mantap berkembang penuh di sepanjang rotor atau sudu jalan, maka kerja yang diberikan oleh turbin gas

dapat dihitung menggunakan persamaan(6) sebagai

berikut: ) (T₁ T₂ c m W_turbin= _p − (1)

Sedangkan rasio tingkat tekanan antara tekanan inlet dan tekanan outlet pada turbin gas dapat

dihitung menggunakan persamaan(6) sebagai

berikut: 1 1 2 1 2 − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = γ γ T T P P (2)

Temperatur outlet dari turbin gas dapat dihitung menggunakan persamaan(6) sebagai berikut:

⎪ ⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − + = − γ γ η 1 2 1 1 2 1 1 P P T T _s (3) v p c c = γ

Pada persamaan (1) sampai dengan persamaan (3) di atas, subskrip 1 untuk titik masuk (inlet) turbin gas dan subskrip 2 untuk titik keluar (outlet) turbin gas. P dan T masing-masing untuk tekanan dan temperatur absolut. Besaran w, m,cp,cv,

η

s secara berurutan menyatakan kerja turbin gas spesifik, laju aliran massa, kapasitas panas spesifik tekanan konstan, kapasitas panas spesifik volume konstan, dan efisiensi isentropis turbin gas.

Perhitungan kompresor

Dengan menggunakan persamaan energi untuk aliran mantap dan berkembang penuh pada rotor kompresor aksial, maka besarnya kerja kompresor dapat dihitung menggunakan persamaan(6) sebagai berikut:

) (T₂ T₁ c

m

W_kompresor= _p − (4)

Sedangkan rasio tingkat tekanan antara tekanan outlet dan tekanan inlet pada kompresor aksial

dapat dihitung menggunakan persamaan(6) sebagai

berikut: 1 1 2 1 2 − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = γ γ T T P P (5)

Temperatur outlet dari kompresor dapat dihitung menggunakan persamaan(6) sebagai berikut:

⎪ ⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = − 1 1 1 1 1 2 1 2 γ γ η P P T T s (6)

Nomenklatur besaran pada persamaan-persamaan untuk kompresor yaitu persamaan (4) sampai dengan persamaan (6) yang meliputi besaran

(3)

Yogyakarta, 4 Juli 2012 s v p c c m

w, , , ,η sama dengan nomenklatur pada

persamaan-persaman untuk turbin gas yaitu persamaan (1) sampai dengan persamaan (3).

Perhitungan efisiensi termal dan faktor

pemanfaan energi

Salah satu keuntungan sistem RGTT adalah kemampuannya menghasilkan temperatur luaran yang sangat tinggi hingga mencapai 950 oC. Temperatur luaran yang tinggi, sangat ideal untuk dikopel dengan unit konversi daya atau Power Conversion Unit (PCU) untuk menghasilkan konfigurasi sistem kogenerasi. Dengan sistem kogenerasi, reaktor nuklir dapat digunakan untuk memasok energi termal dan untuk keperluan industri maupun untuk pembangkit daya listrik. Dengan demikian, efisiensi sistem tidak semata dihitung berdasarkan kemampuan pembangkitan daya listrik, tetapi juga kemampuan menyediakan energi termal untuk keperluan industri lain.

Efisiensi pembangkitan daya listrik atau efisiensi termal (ηther) merupakan hasil perkalian

antara efisiensi generator listrik dengan daya mekanik yang merupakan selisih antara daya turbin gas dan daya kompresor(6). Efisiensi pembangkitan daya listrik secara individual akan lebih tinggi dibanding dengan efisiensi pembangkitan daya listrik dalam sistem kogenerasi. Dalam sistem kogenerasi, efisiensi dihitung berdasarkan nilai faktor pemanfaatan energi termal atau Energy Utilization Factor (EUF) yang meliputi seluruh unit yang memanfaatkan energi termal dari reaktor. Dengan sistem kogenerasi, nilai faktor pemanfaatan

energi termal (EUF) dapat mencapai 80%(7),

sedangkan yang 20% adalah energi termal yang dibuang ke lingkungan dalam bentuk energi panas. Nilai EUF yang tinggi akan meningkatkan nilai keekonomian sistem kogenerasi dan efisiensi pemanfatan cadangan bahan bakar.

Konfigurasi Sistem Konversi Energi

RGTT 200 K

Sistem konversi energi pada RGTT200K didesain dengan konfigurasi siklus langsung dimana semua komponen utama yaitu : IHX, turbin gas, rekuperator, precooler, dan kompresor berada dalam satu alur siklus aliran pendingin seperti pada Gambar 1. IHX adalah unit penukar panas yang digunakan sebagai penyedia energi termal untuk proses produksi gas hidrogen. Untuk proses produksi gas hidrogen diperlukan IHX yang mampu menyediakan energi termal dengan temperatur

tinggi yaitu sekitar 900 oC. Karena itu IHX

dipasang langsung pada outlet reaktor agar memperoleh temperatur tertinggi. IHX untuk RGTT200K didesain dengan tipe shell and tube dengan modifikasi sisi tube yang dibentuk secara helical. Dimensi pada model desain IHX

RGTT200K mengacu pada desain IHX untuk

GTHTR300C[8]. Precooler yang dipasang pada

inlet kompresor selain berfungsi untuk menurunkan temperatur inlet pada kompresor, juga berfungsi untuk menyediakan energi termal pada proses desalinasi.

Dalam desain konseptual sistem konversi energi pada RGTT200K seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, sebagai sumber energi termal adalah reaktor gas temperatur tinggi (RGTT) berdaya termal 200 MW dengan temperatur outlet 950 oC dan tekanan outlet 5 Mpa(2,3,4). Gas helium sebagai pendingin primer mengalir dari reaktor membawa energi termal melalui IHX, turbin gas, rekuperator, precooler, kompresor dan kembali ke reaktor. Instalasi produksi gas hidrogen menerima energi termal dari unit konversi daya kogenerasi melalui IHX. Untuk keperluan produksi gas hidrogen dengan proses daur sulfur-iodine diperlukan energi termal dengan temperatur

minimal 900 oC. Sedangkan untuk keperluan

instalasi desalinasi air laut mengambil energi termal dari unit konversi daya melalui precooler yang dipasang pada inlet kompresor.

Gambar 1. Diagram Alir Desain Konseptual

Sistem Konversi Energi RGTT200K(2,3,4)

Dalam penelitian ini, juga dibuat alternatif konfigurasi dengan menambahkan satu kompresor, sehingga diperoleh konfigurasi dengan dua kompresor yaitu kompresor tekanan tinggi atau High Pressure Compressor (HPC) dan kompresor tekanan rendah atau Low Pressure Compressor (LPC) dan satu intercooler yang dipasang di antara HPC dan LPC.

Pemodelan Sistem Konversi Energi

Menggunakan ChemCAD

Diagram alir sistem konversi energi RGTT200K seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 dimodelkan menggunakan paket program komputer ChemCAD pada Gambar 2. Unit reaktor sebagai penyedia energi termal dimodelkan sebagai reaktor Gibbs. Dalam program komputer ChemCAD, reaktor Gibbs digunakan untuk simulasi neraca massa dan neraca energi.

(4)

25

Gambar 2. Model Sistem Konversi Energi RGTT200K Menggunakan ChemCAD. Komposisi, produk dan kondisi termal

keluaran reaktor dihitung dengan minimisasi energi bebas Gibbs. Fluida kerja untuk sistem konversi energi termasuk unit reaktor dispesifikasikan sebagai gas inert, dalam hal ini gas helium. Sebagai input dalam pemodelan ini yaitu 4 parameter reaktor yang telah ditetapkan yaitu daya reaktor, laju alir masa fluida pendingin, tekanan dan temperatur outlet reaktor. Model IHX ditetapkan tipe shell and tube dengan mengacu pada desain

konseptual IHX GTHTR300C(7). Ukuran dimensi

model IHX mengadopsi dimensi IHX pada GTHTR300C. Demikian pula model rekuperator dan model precooler juga memakai pendekatan penukar panas tipe shell and tube. Pressure drop pada sisi shell untuk ketiga penukar panas diasumsikan sebesar 0,04 MPa sedangkan pressure drop pada sisi tube sebesar 0,08 MPa. Model turbin gas dan kompresor dipasang satu poros memakai tipe aksial dengan masing-masing memiliki efisiensi politropik sebesar 0,97. Pressure drop pada reaktor diasumsikan sebesar 0,12 MPa.

Parameter reaktor yang digunakan sebagai data input untuk model sistem konversi energi RGTT200K yang menggunakan ChemCAD ditunjukkan pada Tabel 1.

Tabel 1. Data input untuk model sistem konversi energi RGTT200K menggunakan ChemCAD

Parameter Nilai

Daya reaktor 200 MWt

Temperatur outlet reaktor 950 oC

Tekanan outlet reaktor 5,0 MPa

Laju alir massa helium 120 kg/s

HASIL DAN PEMBAHASAN

Desain konseptual sistem konversi energi dengan turbin gas untuk RGTT200K menerapkan siklus langsung. Fluida pendingin reaktor dalam hal ini gas helium juga digunakan sebagai penggerak turbin. Sistem konversi energi RGTT200K didesain dengan konsep kogenerasi untuk pembangkit listrik, produksi gas hidrogen dan proses desalinasi air laut. Sebagai sumber energi termal untuk sistem konversi energi adalah sistem reaktor tipe RGTT berdaya termal 200 MW. Aliran pendingin pada bagian outlet reaktor memiliki tekanan 5,0 MPa

dengan temperatur 950 oC. Unit produksi gas

hidrogen mengambil daya termal dari sisi sekunder IHX yang memiliki outlet temperatur sebesar 900

o

C. Turbin gas dikopel satu poros dengan

1 2 6 2 3 5 6 9 PBMR

IHX

Turbin Compressor Recuperator

Precooler

1 4 8 7 T 629.9 P 5.12 W 120.0 T 950.0 P 5.00 W 120.0 T 850.0 P 4.96 W 120.0 T 630.1 P 2.82 W 120.0 T 124.0 P 2.76 W 120.0 T 30.0 P 2.70 W 120.0 T 123.9 P 5.20 W 120.0 T 757.2 P 5.00 W 84.1 T 900.0 P 4.92 W 84.1 Produksi H2

Heat Sink

3 5 4

(5)

26 komp gener altern peneli komp yang denga komp Instal baik d komp terma daya GTHT sebag daya reakto aliran terseb tempe reakto pendin param pada T

Valid

energ progra perlu Prosiding Pert presor yang j ator sebagai natif konfigu itian ini, y presor dan ko terdiri dari H an dua komp presor (HPC d asi desalinasi dari precoole presor maupun Sistem rea al dalam desa ini mengacu TR300C. Par gai dasar des RGTT200K or, temperatur n pendingin da but adalah d eratur outlet or 5,0 MPa, d ngin primer meter reaktor R Tabel 1.

dasi Model

Untuk men i RGTT200K am komputer validasi 1 1

Reakt

T 587.01 P 6.99 W 439.00 T 618.78 P 3.64 W 439.00 temuan dan Pr Pus uga digunaka pembangkit urasi yang yaitu konfig onfigurasi de HPC dan LPC presor, maka dan LPC) dip i memanfaatk er yang dipas n dari intercoo aktor sebagai ain konseptu u pada kons rameter reakto ain konseptu tersebut meli r outlet, tekan ari sistem rea daya termal reaktor 950 dan laju alir g

adalah 120 RGTT200K te

l Proses Te

nganalisis mo K dan pemod r ChemCAD terhadap Gambar 3

Tu

Re

3

tor

T P W 8 0 resentasi Ilmia sat Teknologi A Y an untuk me listrik. Ada dianalisis gurasi denga ngan 2 kom C. Pada konfi a di antara pasang interc kan panas bu sang pada sis oler. pembangkit al sistem ko sep sistem r or yang digu ual sistem ko iputi : daya t nan outlet da aktor. Nilai b reaktor 200 o C, tekanan gas helium se 0 kg/s. Param ersebut ditunj

ermodinam

odel sistem ko delan menggu D pada Gamb model p 4. Model sis

urbin

ecuperator

2 4 2 850.00 6.87 W 439.00 T 168 P 3.5 W 43 ISSN 0216 -h - Penelitian D Akselerator da Yogyakarta, 4 J emutar a dua dalam an 1 mpresor igurasi kedua cooler. uangan i inlet energi onversi reaktor unakan onversi termal an laju esaran MW, outlet ebagai meter-ukkan

mika

onversi unakan bar 2, proses stem GTHTR3

r

4 8.10 7 9.00 T 136.50 P 7.10 W 439.00 - 3128

Dasar Ilmu Pen an Proses Baha Juli 2012 termodinam untuk vali termodinam ditunjukkan Gambar 3 d program C GTHTR300 dikembangk (JAEA)(9). dengan laju keluaran d parameter te untuk mode Gambar 3. 300 mengguna 4

Comp

Precooler

6 5 ngetahuan dan an - BATAN mika yang di idasi model mika GTHT n pada Gamb dimodelkan d ChemCAD s 0 adalah m kan oleh Japa

GTHTR300 u alir pendingi dari reaktor ersebut diguna el dengan Che Desain GTHTR300( akan ChemCA

pressor

r

5 Ign. D Teknologi Nuk igunakan. Se adalah m TR300(9) se bar 3. Diagra engan mengg seperti pada odel RGTT an Atomic En berdaya term in 439 kg/s da sebesar 850 akan sebagai mCAD. konseptual 9) AD.

Hea

T 27.99 P 3.55 W 439.00 Djoko Irianto klir 2012 ebagai acuan model proses eperti yang am alir pada gunakan paket Gambar 4. yang telah nergy Agency mal 600 MW an temperatur o C. Ketiga data masukan sistem

at Sink

n s g a t . h y W r a n m

(6)

27

Tabel 2. Perbandingan Parameter Keadaan (T dan P) antara GTHTR300(9) dan Model Menggunakan

ChemCAD

Parameter Satuan Nilai Parameter Kesalahan

relatif (%)

GTHTR300(9) Model

Temperatur pada inlet reaktor (T1) oC 587,00 587,01 0,00

Tekanan pada inlet reaktor (P1) MPa 6,96 6,99 0,43

Temperatur pada outlet reaktor (T2) oC 850,00 850,00 0,00

Tekanan pada outlet reaktor (P2) MPa 6,84 6,87 0,44

Temperatur pada outlet turbin (T3) oC 618,00 618,78 0,13

Tekanan pada outlet turbin (P3) MPa 3,63 3,64 0,28

Temperatur pada inlet precooler (T4) oC 167,00 168,10 0,66

Tekanan pada inlet precooler (P4) MPa 3,54 3,57 0,85

Temperatur pada inlet kompresor (T5) oC 28,00 27,99 0,04

Tekanan pada inlet kompresor (P5) MPa 3,50 3,55 1,43

Temperatur pada outlet kompresor (T6) oC 135,00 136,50 1,11

Tekanan pada outlet kompresor (P6) MPa 7,00 7,10 1,43

Laju alir masa pendingin helium kg/s 439,00 439,00 0,00

Untuk keperluan validasi model siklus termodinamika menggunakan ChemCAD, diagram alir sistem GTHTR300 Gambar 3 dan model siklus pada Gambar 4 dibagi menjadi 6 titik pengamatan. Setiap titik pengamatan ditempatkan sebelum dan sesudah perangkat/komponen utama sistem konversi energi yang terdiri dari unit reaktor, IHX, turbin gas, rekuperator, precooler dan kompresor. Turbin gas dan kompresor dipasang satu poros. Setiap titik pengamatan dihitung distribusi temperatur dan tekanannya. Sedangkan setiap perangkat/komponen utama dihitung besarnya daya yang diperlukan ataupun yang dihasilkan. Perbandingan hasil perhitungan untuk siklus GTHTR300 dengan model yang telah dibuat ditampilkan pada Tabel 2.

Dari hasil perhitungan menggunakan ChemCAD untuk keperluan validasi model termodinamika terhadap data GTHTR300 seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2, terlihat bahwa kesalahan relatif terbesar adalah 1,43%. Kesalahan terbesar tersebut terjadi di seputar kompresor. Hal ini disebabkan oleh penetapan karakteristik kompresor yang digunakan sebagai data masukan. Namun demikian, nilai kesalahan yang relatif kecil sebesar 1,43% menunjukkan bahwa pemodelan tersebut dapat diterima. Dari hasil validasi model, dapat disimpulkan bahwa model siklus Brayton – Turbin gas menggunakan paket program ChemCAD cukup memadai dan valid. Dengan cara yang sama, digunakan dalam perhitungan termodinamika sistem konversi energi RGTT200K baik yang menggunakan 2 kompresor maupun yang menggunakan 1 kompresor.

Analisis Termodinamika Sistem

Konversi Energi RGTT200K

Sistem konversi energi RGTT200K dengan satu kompresor seperti pada Gambar 1 dimodelkan menggunakan paket program komputer

ChemCAD seperti pada Gambar 5. Parameter keadaan yang telah diketahui atau ditetapkan digunakan sebagai persyaratan desain dan menjadi parameter input dalam pemodelan. Parameter keadaan sistem tersebut antara lain : daya termal reaktor 200 MW, temperatur outlet dari teras reaktor 950 oC dan tekanan outlet reaktor 5,0 MPa. Laju alir pendingin reaktor dan seluruh sistem konversi energi RGTT200K adalah 120 kg/s.

Dalam pemodelan untuk analisis perhitungan ini, seluruh penukar panas (IHX, rekuperator, precooler) dalam sistem konversi energi RGTT200K dimodelkan sebagai penukar panas tipe shell and tube. Untuk instalasi produksi gas hidrogen maupun instalasi desalinasi dimodelkan sebagai heat sink. Unit reaktor sebagai penyedia energi termal dimodelkan sebagai reaktor Gibbs. Dalam program komputer ChemCAD, reaktor Gibbs digunakan untuk simulasi neraca massa dan neraca energi. Komposisi, produk dan kondisi termal keluaran reaktor dihitung dengan minimisasi energi bebas Gibbs. Empat parameter reaktor yang telah ditetapkan sebelumnya yaitu daya termal reaktor, laju alir pendingin, temperatur dan tekanan outlet reaktor digunakan sebagai data masukan. Seluruh persyaratan komponen yang meliputi pressure drop, efisiensi politropik turbin gas dan kompresor digunakan sebagai data masukan dalam pemodelan ini. Seluruh data masukan dalam pemodelan ini ditunjukkan pada Tabel 3.

Hasil perhitungan parameter termodinamika sistem konversi energi RGTT200K dengan menggunakan satu turbin ditunjukkan pada Tabel 4 dan Tabel 5. Hasil perhitungan tersebut diperoleh dengan mengambil dasar laju alir pendingin helium sebesar 120 kg/s. Hasil perhitungan beban daya pada IHX diperoleh sebesar 62,33 MWt, daya sebesar ini digunakan untuk instalasi produksi gas hidrogen. Daya pada

(7)

precooler sebesar 58,67 MWt digunakan untuk instalasi desalinasi air laut. Daya mekanik yang tersedia untuk pembangkitan daya listrik adalah selisih beban kerja pada turbin gas dan beban kerja

pada kompresor. Dengan demikian, daya mekanik yang dihasilkan untuk pembangkit listrik sebesar 78,45 MWt.

Gambar 5. Model sistem konversi energi RGTT200K dengan 1 kompresor menggunakan ChemCAD Tabel 3. Data input untuk setiap komponen

No. Parameter Nilai

1. Daya termal reaktor 200 MW

2. Temperatur outlet reaktor 950 oC

3. Tekanan outlet reaktor 5,0 Mpa

4. Laju alir masa pendingin 120 kg/s

5. Pressure drop pada reaktor 0,12 MPa

6. Pressure drop pada sisi shell IHX 0,04 MPa

7. Pressure drop pada sisi tube IHX 0,08 MPa

8. Efisiensi politropik turbin gas 0,96

9. Efisiensi politropik kompresor 0,96

10. Pressure drop pada sisi shell rekuperator 0,06 MPa

11. Pressure drop pada sisi tube rekuperator 0,08 MPa

12. Pressure drop pada sisi shell rekuperator 0,04 MPa

13. Pressure drop pada sisi tube rekuperator 0,08 MPa

14. Temperatur heat sink 28,0 oC

15. Temperatur outlet IHX untuk produksi H2 900 oC

Tabel 4. Distribusi tekanan dan temperatur pada sistem konversi energi RGTT200K

Posisi Pengamatan Parameter Keadaan

Lokasi No Tekanan [MPa] Temperatur[oC]

Inlet Reaktor 1 5,12 629,91 Outlet Reaktor 2 5,00 950,00 Outlet IHX 3 4,96 850,01 Outlet Turbin 4 2,82 630,14 Outlet Recuperator 5 2,76 124,00 Outlet Precooler 6 2,70 29,97 Outlet Kompresor 7 5,20 123,89

Inlet IHX sisi sekunder 8 5,00 757,20

Outlet IHX sisi sekunder 9 4,92 900,00

1 2 6 2 3 5 6 9 IH Turbin Compressor Recuperator Precooler 1 4 8 7 Produksi H2 3 5 4 T 629.91 P 5.12 W T 950.00 P 5.00 W _{T 850.01} P 4.96 W 119.97 T 630.14 P 2.82 W T 124.00 P 2.76 W 119.97 T 29.97 P 2.70 W T 123.89 P 5.20 W T P 5.00 W 84.05 T 900.00 P 4.92 W 84.05 Reaktor Desalinasi

(8)

29

Gambar 6. Model sistem konversi energi RGTT200K dengan 2 kompresor menggunakan ChemCAD Efisiensi termal atau efisiensi untuk

pembangkitan listrik merupakan perkalian antara daya mekanik untuk pembangkitan listrik dengan efisiensi generator listrik. Efisiensi generator listrik

diasumsikan sebesar 98,66%(6), dengan demikian

diperoleh efisiensi termal sebesar 39,33% atau daya listrik yang dihasilkan oleh RGTT200K sebesar 77,40 MWe. Efisiensi maksimum yang dapat dihasilkan oleh instalasi produksi gas hidrogen

dengan termokimia adalah 52%(10). Dari Tabel 5,

energi termal yang ditransfer dari IHX sebesar 62,33 MW. Jika setiap MW daya termal dari IHX mampu memproduksi gas hidrogen sebanyak 6800

Nm3/hari(10), maka sistem konversi energi

kogenerasi RGTT200K akan mampu memproduksi

gas hidrogen dengan kapasitas 220,398 Nm3/hari.

Instalasi desalinasi memanfaatkan panas buangan dari precooler sebesar 58,67 MWt.

Efisiensi pemanfaatan energi termal untuk proses desalinasi dengan metode Low-Temperature Multi-Effect Evaporation (LT MEE) adalah

81,3%(11), dan setiap MW energi termal dapat

menghasilkan air bersih 5000 ton/hari(11). Dengan demikian, RGTT200K dengan satu kompresor dapat menghasilkan air bersih sebesar 0,813 x 58,67 MW x 5000 (ton/hari)/MW = 238.493 ton/hari.

Tabel 5. Distribusi daya termal pada komponen utama sistem konversi energi RGTT200K

Komponen utama sistem konversi energi RGTT200K

Daya termal [MW]

Reaktor 199,46

Intermediate Heat Exchanger 62,33

Turbin gas 137,77

Rekuperator 315,52 Precooler 58,67 Kompresor 59,32

Analisis Termodinamika Sistem

Konversi Energi RGTT200K dengan 2

Kompresor

Secara teoritis, pemasangan 2 kompresor dengan tambahan intercooler diasumsikan dapat memperoleh peningkatan efisiensi termal. Untuk menguji hal ini, sistem konversi energi RGTT200K dimodelkan ulang menggunakan ChemCAD seperti pada Gambar 6.

Dalam model ini, di antara dua kompresor HPC dan LPC dipasang intercooler. Kompresor HPC dan LPC dipasang dengan karakteristik yang

1 2 2 3 5 9

IHX

Turbin Recuperator

Precooler

1 4 8 7 6

Produksi H2

6 8 3 5 4 Desalinasi 7 12 13 T 628.10 P 5.12 W 119.97 T 950.00 P 5.00 W 119.97 T 850.01 P 4.96 W 119.97 T 628.91 P 2.81 W 119.97 T 74.00 P 2.75 W 119.97 T 29.80 P 2.69 W 119.97 T 73.36 P 5.20 W 119.97 T 757.20 P 5.00 W 84.05 T 900.00 P 4.92 W 84.05 T 74.61 P 3.76 W 119.97 T 29.00 P 3.73 W 119.97 Desalinasi HPC Intercooler LPC Reaktor

(9)

Tabel 6. Distribusi tekanan dan temperatur pada sistem konversi energi RGTT200K dengan 2 kompresor

Posisi Pengamatan Parameter Keadaan

Tekanan [MPa] Temperatur [oC]

Inlet Reaktor 1 5,12 628,10 Outlet Reaktor 2 5,00 950,00 Outlet IHX 3 4,96 850,01 Outlet Turbin 4 2,81 628,91 Outlet Recuperator 5 2,75 74,00 Outlet Precooler 6 2,69 29,80 Outlet Kompresor (LPC) 12 3,76 74,61 Outlet Intercooler 13 3,73 29,00 Outlet Kompresor (HPC) 7 5,20 73,36

Inlet IHX sisi sekunder 8 5,00 757,20

Outlet IHX sisi sekunder 9 4,92 900,0

Tabel 7. Distribusi daya termal pada komponen utama sistem konversi energi RGTT200K dengan 2 kompresor

Komponen utama sistem konversi energi RGTT200K Daya termal (MW)

Reaktor 200,58

Intermediate Heat Exchanger 62,33

Turbin gas 138,54 Rekuperator 345,94 Precooler 27,59 Kompresor - LPC 28,26 Intercooler 28,48 Kompresor - HPC 28,11

Tabel 8. Perbandingan hasil perhitungan distribusi daya dan efisiensi pada sistem konversi energi RGTT200K dengan 1 dan 2 kompresor

Komponen utama

sistem konversi energi RGTT200K 1 kompresor 2 kompresor

Daya Reaktor (MWt) 199,46 200,58

Daya pada IHX (MWt) 62,33 62,33

Daya pada Turbin gas (MWt) 137,77 138,54

Daya pada Rekuperator (MWt) 315,52 345,94

Daya pada Precooler (MWt) 58,67 27,59

Daya pada Kompresor tunggal (MWt) 59,32 -

Daya pada Kompresor LPC (MWt) - 28,26

Daya pada Kompresor HPC (MWt) - 28,11

Daya pada Intercooler (MWt) - 28,48

Daya mekanik untuk listrik (MWt) 78,45 82,18

Daya listrik (MWe) 77,40 81,08

Efisiensi termal 39,33 % 40,42 %

EUF 79,76 % 79,97 %

sama, sedangkan intercooler dipasang dengan karakteristik yang sama seperti pada precooler. Data masukan untuk model pada Gambar 6 disamakan dengan model pada Gambar 5 seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3. Hasil perhitungan distribusi temperatur, tekanan dan daya pada setiap komponen ditunjukkan pada Tabel 6 dan Tabel 7. Perbandingan hasil perhitungan antara sistem

konversi energi dengan satu kompresor dan dua kompresor ditunjukkan pada Tabel 8.

Perbandingan hasil perhitungan untuk sistem konversi energi RGTT200K dengan memasang satu dan dua turbin ditunjukkan pada Tabel 8. Nilai EUF dihitung atas dasar 3 pemanfaatan energi termal yaitu untuk produksi hidrogen, pembangkit listrik dan untuk desalinasi. Dari hasil perhitungan terlihat bahwa dengan

(10)

31

pemasangan dua kompresor dan satu intercooler dapat menaikkan efisiensi termal dan nilai EUF nya. Tetapi kenaikan efisiensi termal dan EUF dengan penambahan komponen (kompresor dan intercooler) hanya kurang dari 1%. Kenaikan ini tidak cukup signifikan dibanding dengan usaha penambahan komponen. Dengan penambahan komponen akan mengalami dampak resiko menurunnya keandalan sistem secara keseluruhan. Dengan demikian desain sistem konversi energi untuk RGTT200K cukup dengan satu kompresor.

KESIMPULAN

Kegiatan desain sebuah sistem konversi energi memerlukan beberapa tahapan penting. Salah satu di antaranya adalah menganalisis berbagai kemungkinan konfigurasi sistem konversi energi untuk memperoleh konfigurasi yang optimal. Dalam penelitian ini telah dilakukan analisis sistem konversi energi dengan cara simulasi perhitungan untuk konfigurasi sistem konversi energi dengan 1 kompresor dan 2 kompresor (HPC dan LPC). Hasil perhitungan efisiensi termal dan EUF yang diperoleh untuk konfigurasi sistem konversi energi dengan 1 kompresor masing-masing adalah 39,33% dan 79,76%. Sedangkan untuk sistem konversi energi dengan 2 kompresor diperoleh efisiensi termal sebesar 40,42% dan EUF sebesar 79,97%. Memang dengan penambahan 1 buah kompresor dan 1 buah penukar panas (intercooler) akan mampu meningkatkan efisiensi termal dan EUF, namun peningkatan efisiensi termal dan EUF tersebut tidak cukup signifikan. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa untuk desain RGTT200K dengan daya 200 MWt, laju alir pendingin helium 120 kg/s dengan tekanan 5 MPa cukup dengan satu kompresor tanpa intercooler.

UCAPAN TERIMAKASIH

Penelitian ini merupakan bagian dari kegiatan Program Insentip Peningkatan Kemampuan Peneliti dan Perekayasa (PI-PKPP) tahun 2012 dari Kemetenrian Riset dan Teknologi dengan judul “Desain Keselamatan Sistem Konversi Daya Reaktor Gas Temperatur Tinggi 200 MWt Kogenerasi”. Karena itu kami sampaikan ucapan terima kasih kepada Menteri Riset dan Teknologi dan semua pejabat terkait dengan PI-PKPP tahun 2012 atas dukungan dan fasilitas yang diberikan dalam pelaksanaan penelitian ini. Tak lupa kami ucapkan terima kasih juga kepada Dr. Ir. M. Dhandhang Purwadi yang telah memberikan saran dan masukan serta koreksi perbaikan terhadap makalah ini.

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.

3. IGN. DJOKO IRIANTO, “Desain Konseptual

Unit Konversi Daya Berbasis Kogenerasi untuk Reaktor Tipe RGTT200K”, Prosiding Seminar Teknologi Keselamatan PLTN dan Fasilitas Nuklir ke-17, Yogyakarta, 1 Oktober 2011.

4. 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).

5. PT. INGENIOUS, “ChemCAD Process

Simulation : Software Training”, BATAN – Serpong, 2011.

6. WIRANTO ARISMUNANDAR, “Pengantar

Turbin Gas dan Motor Propulsi”, Penerbit ITB, 2002

7. SAITO, S., “Nuclear Energy and Hydrogen

Production – The Japanese Situation”, Policy Debate on The Potential Contribution of Nuclear Energy to Production of Hydrogen, OECD/NEA, 15 October 2004.

8. KAZUHIKO KUNITOMI, et al., “JAEA’S

VHTR For Hydrogen And Electricity Cogeneration : GTHTR300C”, Nuclear Engineering and Technology, Vol.39 No.1., February (2007).

9. KAZUHIKO KUNITOMI, et al., “Research

and Development for Gas Turbine System in GTHTR300”, JSME International Journal, Series B, Vol.47, No.2, 2004.

10. BROWN L.C. et.al., “High Efficiency Generation of Hydrogen Fuel Using Nuclear Power”, GA-A24285, Nuclear Energy Research Initiative (NERI) Program for US-DOE, 2003.

11. YONGQING WANG, et.al., “Thermoeconomic Analysis of a

Low-Temperature Multi-Effect Thermal Desalination System Coupled with an Absorption Heat Pump”, Elsevier, 4 November 2010.

TANYAJAWAB

Prof. Syarip (PTAPB)

− Mohon penjelasan mengapa distribusi daya termal pada masing-masing komponen (IHE,

(11)

Turbin, Recuperator, Pre Cooler, dll) jika dijumlakan jauh lebih besar dari daya reaktornya (200Mwe-)

Ign. Djoko Irianto

• Daya reaktor 200 Mwe karena adanya turbin dan kompressor yang memberikan tambahan daya kerena proses kompresi dan ekspansi maka besarnya daya akan lebih besar dari daya yang dibentuk reaktor.