1 1.1 Latar Belakang
Sistem kogenerasi merupakan salah satu alternatif yang ada untuk mengatasi masalah ketersediaan energi yang memanfaatkan energi terbuang dari cerobong. Prinsip kerja dari kogenerasi adalah dengan memanfaatkan kembali energi panas yang terbuang dari gas buang cerobong. Penggunaan energi termal tersebut dimanfaatkan untuk menyediakan energi pemanas (heating energy) ataupun untuk energi pendingin (cooling energy). Dengan memanfaatkan sistem kogenerasi, dapat menghemat lebih dari 35% biaya listrik (Kolanovski, 2008).
Pemanfaatan energi termal di sistem kogenerasi digunakan untuk district cooling (suplai pendingin) atau pada district heating (suplai panas), dimana energinya dihasilkan oleh HRSG (Heat Recovery Steam Generator) yang menghasilkan steam dengan memanfaatkan panas terbuang dari cerobong (Horlock,1987). Untuk aplikasinya di district cooling menggunakan absorption chiller dengan menghasilkan suatu energi pendingin yang murah. Sebaliknya untuk memenuhi kebutuhan suplai panas maka steam berfungsi sebagai district heating yang biasanya digunakan untuk daerah yang bermusim dingin.
Pada sistem kogenarasi supplay dan demand harus seimbang, maka digunakanlah PET (Penyimpan Energi Termal). Sistem PET digunakan untuk memberikan pasokan yang sesuai dengan kebutuhan. Hal ini dapat dicapai dengan pengisian tangki PET selama periode beban rendah dan digunakan kembali pada periode beban tinggi. Penggunaan PET ini memiliki nilai yang sangat ekonomis karena pengoperasiannya dilakukan dengan memanfaatkan sumber panas dari cerobong. Selain dapat mengatasi permasalahan pada pemenuhan kebutuhan energi, tangki PET juga lebih efisien dalam menurunkan ukuran peralatan pendukung (Dincer dan Rosen, 2008).
Berdasarkan media penyimpanan tangki PET bisa dibedakan menjadi dua yaitu sensible dan latent PET (Saito, 2001). Untuk PET jenis sensible, penyimpanan energi dilakukan dengan pengubahan temperatur media penyimpan tanpa mengubah fase media. Sedangkan untuk jenis latent, energi disimpan dengan pengubahan fase media penyimpannya. Dari jenis pemisahannnya tangki PET sensible dibedakan dengan pemisahan alami (stratifikasi) dan pemisahan dengan penambahan sekat atau pemisah. Model pemisahan dengan menggunakan sekat atau pemisah ini menggunakan beberapa lapisan untuk memisahkan air dingin dan air panas. Model pemisahan stratifikasi memanfaatkan perbedaan massa jenis air untuk memisahkan air panas dan air dingin tanpa menggunakan sekat pemisah sehingga hemat biaya dan juga lebih baik dalam unjuk kerjanya dibanding dengan model lain karena distribusi temperatur yang terjadi selama berlangsungnya proses charging (pengisian) atau discharging (pengosongan) berlangsung secara alami (Macki dan Reeves, 1988).
Tangki PET stratifikasi adalah sistem penyimpanan termal sensibel yang memanfaatkan gaya apung termal (thermal buoyancy) dari media penyimpanan karena adanya temperatur air dingin dan air panas sehingga air panas akan mengapung di atas air dingin. Sistem PET stratifikasi merupakan tipe PET sensible berbentuk silindris vertikal yang memanfaatkan air sebagai media penyimpanan dengan 2 nosel pada bagian atas dan bawah tangki, dimana difuser diletakkan pada bagian ujungnya. Pada PET stratifikasi ini berlangsung proses pengisian (charging) dan pengosongan (discharging) tangki PET stratifikasi. Nosel atas untuk mengisi air panas dan nosel bawah untuk memasukkan air dingin dan juga difuser digunakan untuk mengurangi turbulensi saat pencampuran air panas dan air dingin.
Unjuk kerja tangki PET stratifikasi tergantung dari mekanisme pemisahan air panas dan air dingin yang tersimpan didalam tangki PET stratifikasi, hal ini dilakukan dengan membuat area pencampuran menjadi setipis mungkin. Beberapa metode yang dilakukan pada penelitian terakhir adalah dengan menggunakan difuser agar pencampurannya steady (Bahnfleth dan Jing song, 2005). Kajian
untuk meningkatkan unjuk kerja dari tangki PET stratifikasi masih perlu dilakukan untuk mendapatkan cara agar pencampuran air dingin dan air panas bisa berlangsung secara terus menerus.
Hal utama yang disoroti di dalam penggunaan PET adalah penghitungan unjuk kerja berdasarkan ketebalan area percampuran air panas dan air dingin atau yang disebut area termoklin. Adapun kemiringan (slope gradient) area termoklin yang memisahkan air panas dan air dingin disebut sebagai S-factor, semakin curam kemiringannya maka semakin meningkat pula unjuk kerja dari tangki. Difase awal penentuan area termoklin ini dilakukan dengan cara estimasi saja Homan (1996), Musser dan Bahnfleth (1998), dan Walmsley (2009). Dengan cara estimasi ini dilakukan dengan cara melakukan prediksi ujung area termoklin dengan menggunakan interpolasi. Metode estimasi ini memiliki kelemahan hasil yang tidak akurat dan kesulitan dalam implementasinya karena harus menggunakan prediksi dari capturing dari data distribusi temperatur. Pada tahap selanjutnya metode perhitungan unjuk kerja diperbaiki dengan cara formulasi matematis berdasarkan analisa distribusi temperatur (Waluyo, 2011). Dengan cara formulasi ini bisa diperoleh manfaat penentuan parameter unjuk kerja PET stratifikasi antara lain ketebalan termoklin, perhitungan energi yang tersimpan kumulatif (Qcum), Half-cycle Figure of Merit (FoM1/2), dan beberapa parameter unjuk kerja penting lainnya.
Dalam penelitian ini dilakukan pengujian dan pengamatan terhadap penggunaan bentuk konfigurasi tangki baru untuk stabilisasi area termoklin. Hal ini dilakukan menggunakan area stabiliser yang berupa kepala tangki yang lebih besar di bagian atas atau lebih besar dari tangki utama diharapkan distribusi temperatur dapat terbentuk dengan baik sehingga mengurangi ketebalan termoklin. Salah satu faktor yang berpotensi besar mempengaruhi unjuk kerja tangki PET antara lain adalah geometri tangki. Geometri tangki digunakan untuk menstabilisasi pencampuran air dingin dan air panas. Pada penelitian ini modifikasi dari geometri tangki dibagi menjadi dua bagian yaitu tangki utama (tangki yang terletak di bagian bawah) digunakan untuk menyimpan panas dan
kepala tangki (perubahan geometri tangki yang lebih besar dari diameter tangki utama) untuk stabilisasi aliran yang masuk ke dalam tangki. Metode karakterisasi terhadap fenomena pencampuran air dingin dan air panas dilakukan dengan cara formulasi matematis berdasarkan analisa distribusi temperatur dengan menggunakan Sigmoid Dose Response. Di dalam penelitian ini juga dilakukan visualisasi pengisian tangki PET stratifikasi dengan menggunakan tangki transparan untuk mengklarifikasi hasil karakterisasi unjuk kerja dan mengetahui fenomena yang terjadi di dalam tangki karena adanya perubahan geometri tangki.
1.2 Rumusan Masalah
Rumusan masalah pada penelitian ini :
a. Bagaimana karakteristik pencampuran air dingin dan air panas pada tangki PET stratifikasi dengan kepala tangki yang berbeda?
b. Bagaimana unjuk kerja PET stratifikasi meliputi ketebalan termoklin, energi tersimpan kumulatif dan efisiensi termal?
c. Bagaimana validasi atau perbandingan unjuk kerja tangki PET stratifikasi berupa ketebalan termoklin yang dihitung menggunakan formulasi dengan yang didapat menggunakan visualisasi?
1.3 Batasan Masalah
Penelitian ini menggunakan tangki PET stratifikasi dengan variasi bentuk geometri kepala tangki dengan batasan sebagai berikut:
a. Menggunakan tangki PET stratifikasi yang tidak terisolasi.
b. Pengamatan dilakukan pada proses pengisian PET stratifikasi untuk district heating yaitu memasukkan air panas dari nosel atas dan air dingin dari nosel bawah.
c. Pengamatan dilakukan pada satu jenis difuser yang berbentuk ring dengan arah semburan ke dinding dan menggunakan 3 kepala tangki yang berdiameter 200 mm, 300 mm dan 400 mm.
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
1. Mengetahui karakteristik pengisian tangki PET stratifikasi dengan konfigurasi tangki yang dilengkapi dengan stabiliser.
2. Menentukan unjuk kerja PET stratifikasi dengan variasi konfigurasi bentuk kepala dan debit aliran, meliputi : ketebalan termoklin, energi tersimpan kumulatif, dan efisiensi termal dengan formulasi matematis. 3. Mendapatkan visualisasi aliran area pencampuran untuk validasi hasil perhitungan unjuk kerja PET stratifikasi yang berupa ketebalan termoklin. Serta menentukan ujung termoklin yang tepat untuk menghitung ketebalan termoklin.
1.5 Keaslian Penelitian
Penelitian ini menggunakan bentuk baru PET stratifikasi dengan penambahan area stabilisasi campuran air panas dan air dingin. Area stabilisasi ini dilakukan dengan pembuatan bentuk kepala tangki yang bertingkat dimana diameter tangki bagian atas lebih besar daripada bagian bawah atau tangki utama. Penentuan unjuk kerjanya dilakukan dengan formulasi matematis berdasarkan analisa distribusi temperatur. Pada penelitian ini juga dilakukan visualisasi area pencampuran air panas dan air dingin dengan menggunakan cairan pewarna.
1.6 Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah :
1. Memberikan kajian sebagai acuan untuk perancangan PET stratifikasi yang dilengkapi dengan area stabilisasi di kepala tangki bagian atas. 2. Memberikan dasar kajian dalam menentukan unjuk kerja PET
3. Memberikan visualisasi karakter pencampuran air dingin dan air panas, dan validasi unjuk kerja tangki PET stratifikasi pada penentuan tebal termoklin, serta dapat menentukan ujung termoklin yang tepat.
