ANALISIS THERMODINAMILA KETEL PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA OTEC (OCEAN THERMAL ENERGI CONVERSION)
Andi Hendrawan, Aris Sasongko, Sigit Sukmono Staf Pengajar Akademi Maritim Nusantara
Abtracts
Oceans cover 71 percent of the earth’s surface. They constitute a natural solar energy collection and storage system, and the resulting thermal energy can be drown off 24 hours a day by OTEC Plant.
OTEC (ocean thermal energy conversion) power plant is one candidate to produce electric energy. OTEC transforms the heat stored in surface water of tropical oceans into mechanical work to produce useful energy. The aim of this paper was to investigate the equation of boiler in OTEC technology.
Keyword; OTEC, equation, boiler
PENDAHULUAN
Energi terbaru menjadi sangat tidak populer karena keberadaan yang dipandang kurang ekonomis dan teknologi yang digunakan kurang efisien. Energi yang laut yang melimpah dibiarkan begitu saja, hal ini bisa dimengerti karena keberadaan energi fosil yang masih mencukup hingga saat ini. Energi terbarukan menjadi sangat dibutuhkan mungkin jika energi fosil mencapai ambang kelangkaan.
Budiono C (2003) mengutarakan Indonesia negara kepulauan sehingga transportasi energi komersial akan tetap menjadi kendala bagi penyediaan energi yang murah. Dilain pihak indonesia memilki potensi sumber energi terbarukan yang sangat besar. Di massa mendatang, potensi pengembangan sumber energi terbarukan mempunyai peluang besar dan bersifat strategis mengingat energi terbarukan merupakan sumber energi bersih, ramah lingkungan dan berkelanjutan.
atau boiler. Beda panas yang begitu kecil menjadikan ketel harus didisain secara ketat dan benar.
TINJAUAN PUSTAKA
Di Jepang, studi penelitian tentang OTEC telah dimulai sejak tahun 1977. Para ahli yang dibentuk pada tahun 1974 telah memulai studi intensif tentang hal ini dalam proyek yang diberi nama “Sunshine”.
Ahli di Perancis, Amerika dan Jepang serta negara lain sekarang masih terus meneliti dan mengembangkan potensi OTEC, yang diharapkan nantinya dapat lebih efisien dan makin murah(Gordon, 1979).
Pada tahun 1981 OTEC di Nauru dibangun oleh Tokyo Electric Power Service Company dan Tokyo Electric Company. Sedangkan Kyusu Elektrik Company mengembangkan OTEC yang berdaya keluaran 50 kW. Pada Tahun 1985 Universitas Saga mengadakan percobaan dengan mengoperasikan OTEC yang berkekuatan 75 kW. Herue, Carmelo [1988] pada tahun 1988 Pilipina mengadakan penelitian tentang studi kelayakan pembangunan OTEC di Pilipina dan merancang OTEC dengan metoda daur terbuka. Khan, Kenneth [2003] mengatakan bahwa penggunaan zalir campuran antara propana dan amoniak meningkatkan efisiensi pembangkitan hinggga 7 %.
Pnentuan jenis dan rancang boiler menjadi masalah khusus dalam disain pembangkit OTEC, hal ini dikarenakan panas yang tersedia relatif kecil dan keberadaan air laut yang korosif juga menjadi perhatian yang utama (Gordon, 1979). Bahan logam seperti Litium dan stainless banyak dipergunakan dalam desain OTEC untuk menanggulangi tingkat korositas.
INSTALASI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA PANAS LAUT
menggunakan bahan bakar atau media air hangat permukaan laut dan fluida kerja berupa zat yang mudah menguap sepeti amoniak. Pada Gambar 1 diperlihatkan Skema OTEC.
Gambar 1. skema OTEC daur tertutup
Pada sistem daur tertutup dipergunakan amonia sebagai zalir kerja. Pada sistem menggunakan prinsip siklus Rankine. Pada gambar 1 diperlihatkan skema OTEC daur tertutup. Siklus energi pada sistem daur tertutup sebagai berikut:
1. Penambahan panas (J/kg) qA h1h4
2. Kerja turbin wT h1h2
3. Panas sisa qR h3 h2
4. Kerja pompa wP h4 h3
5. Kerja siklus net wnet h1h2 h4 h3
6. Efisiensi panas
1 4 3 4 2 1
h h
h h h h q w
A net
untuk diuapkan kembali menggunakan air permukaan laut yang hangat, demikian seterusnya.
PEMBAHASAN
Analisis thermodinamika pada ketel ditentukan oleh nilai-nilai yang cukup banyak, seperti diketahui bahwa ketel terdiri atas dua bagian yaitu:
1. Bagian shell (kulit) yang terdiri dari diameter dalam (inside diameter) ID, Bafle space dan passes.
2. Bagian tube: jumlah tube, OD (out diameter), BWG, pith.
Hal yang menentukan perhitungan antara lain neraca bahang, suhu masuk dan keluar pada aliran panas dan aliran dingin. Langkah pertama perhitungan dengan menentukan nilai LMTD (Log Mean Temperature Difference) (Kam Wi Li, 1985)..
Aliran panas Aliran dingin Beda
T1 Suhu tinggi t_2 td1 T1t_2
LMTD = Log Mean Temperature Difference; td2 = beda temperatur pada suhu rendah (oF); td1 = beda temperatur pada suhu tinggi (oF); kemudian kita menghitung grup suhu:
1
t_1 = temperatur pada suhu rendah aliran dingin (oF); t_2 = temperatur pada suhu tinggi aliran dingin (oF);
Dengan nilai R dan S (temperatur Grup) ditentukan FT untuk menghitung delta t.
t = FT X LMTD
FT berdasar pembacaan grafik (Kern, 1950).
Zalir panas pada shell (kulit) dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
Pt B C ID as
144 ……..(4)
dengan :
as = luas aliran pada (shell) kulit (ft2); ID = diameter dalam (indside diamater) (in); C = rongga antar tube (clereance) (in); B = Baffle spacing (in);
Pt = tube Pith (in);
Gambar 2. Penampang Baffle
……
t t a
W
G ……….(5)
dengan :
Gs = kecepatan masa (lbm/dt);
kemudian dihitung bilangan Reynold dengan rumus:
Res = bilangan Reynold; De = diameter ekivelen (ft)
= viskositas (lb/ft.hr)
Hasil perhitungan bilangan Reynold ini digunakan untuk menghitung nilai JH dengan membaca grafik (Kern, 1950).
Kemudian ditentukan ho dengan rumus:
h J k
k = konduktivitas panas (BTU/hr.ft2.oF/ft)
ho = koefisien film (film coefficient outside bundle)(BTU/hr.ft2.oF/ft) D = diameter (ft)
c = panas jenis (BTU/lb.oF)
= viskositas (lb/ft.hr)
w = viskositas pada dinding tabung(lb/ft.hr)
jH = nilai pembacaan pada kurva perpindahan panas (Kern, 1955) Untuk zalir dingin pada tube :
n
Gambar 3. Pith dan Clereance
t t a
W
G ……….(9)
dengan :
Gt = kecepatan massa pada tabung (lb/ft2.hr); W = kecepatan aliran berat pada zalir panas(lb/hr); kemudian dihitung bilangan Reynold dengan rumus:
s e t
G
D
Re ………….(10)
dengan:
Res = bilangan Reynold; De = diameter ekivelen (ft)
= viskositas (lb/ft.hr)
hasil perhitungan bilangan Reynold ini digunakan untuk menghitung nilai JH dengan membaca grafik (Kern, 1950).
14
k = konduktivitas panas (BTU/hr.ft2.oF/ft) ho = koefisien film (BTU/hr.ft2.oF/ft) D = diameter (ft)
c = panas jenis (BTU/lb.oF)
= viskositas (lb/ft.hr)
w = viskositas pada dinding tabung(lb/ft.hr)
Setelah ho dan hi diketahui kemudian menentukan hoi dengan menggunakan rumus:
h h ID
Kemudian ditentukan faktor Uo :
U h h
A = Luas permukaan pemindahan panas (ft2);
Untuk menghitung UD digunakan persamaan sebagai berikut:
t
UD = Overal Koefisien(BTU/ft2.oF); Q = keseimbangan panas (BTU);
t = perbedaan suhu (oF).
D C
D C D
U U
U U R
……….(15)
Harga faktor dirk inilah yang menentukan sebuah rancangan itu layak atau tidak, untuk OTEC nilai RD yang dikehendaki < 0,0002 jam ft20F/Btu.(Sunarno, 1978)
PENUTUP
Keberadaan energi fossil yang terbatas menuntut adanya energi alternatif demi kesinambungan ketersediaan energi bagi umat manusia. Sebuah sistem pembangkit merupakan integrasi dari sistem konversi energi dari panas menjadi mekanik dan mekanik menjadi listrik. Ketel merupakan salah satu komponen pembangkit yang bertugas mengkonversikan panas menjadi mekanik sehingga bisa menggerakan turbin.
Desain ketel; menjadi sangat urgen apalagi pada sistem pembangkit OTEC, panas yang tersedia kecil sehingga sistem memerlukan zalir kerja yang dapat menguap pada suhu rendah, misalkan amoniak. Pehitungan ketel yang terpenting adalah perhitungan pada tube, dan shell. Aliran panas pada keduanya harus benar-benar diperhitungan untuk menentukan dimensi atau ukuran komponen ketel.
DAFTAR PUSTAKA
Bethel.M. , Netz.E, Ocean Thermal Energy Conversion, Proceeding Energy, New York,2000
Budiono, C., Tantangan dan Peluang Usaha Pengembangan Sistem Energi Terbarukan di Indonesia, Konvensi Kelistrikan Indonesia, Jakarta, 2003
Cengel, Thermodynamic An Engineering Approach , McGraw-Hill Book Company, New York, 1989
El-Wekil, Power Plant Technology, John Wiley and Sons, New York, 1995
Gordon, Ocean Thermal Energy Conversion, Hand Book of Energy, John Wiley and Sons, New York, 1979
Hendrawan A, Konsep Desain Pembangkit Listrik Tenaga Panas Laut, Laporan Penelitian , Lembaga Penelitian Unila, 1999
Hendrawan A, Penentuan Debit Pada Pembangkit Listrik Tenaga OTEC, Jurnal POROS Vol. 7 Nomor 2, Jakarta, 2004
Herue, Carmelo, Conceptual Desigen of Ocean Thermal Energy Conversion, Solar Energy Vol.41, New York, 1988
Kam Wi Li, Power Plant System Design, John Wiley and Sons, New York, 1985 Kern. D, Process Heat Transfer, McGraw-Hill Book Company, New York, 1950
Khan.Z, KennethbES, Use Mixture As Working Fluids In Oceans Thermal Energy
Conversions Cycles, Proceeding Oklahoma Academic No.56, Norman, 2003
Krauhuar, Energy and Problem of Technical Society, John Wiley and Sons, New York, 1989
Michel, G, Oceans Thermal Energy Conversion, www.nrel.com , accesed juli 2000 Pontes.TM, Falcho.A, Ocean Energy Conversion, Instuto National De Enginhario,
Lisboa, Portugal, 2002
