11
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1. SISTEM KOGENERASI
Untuk memenuhi kebutuhan energi listrik dan energi panas di industri, biasa mengggunakan generator untuk membangkitkan listrik dan boiler untuk membangkitkan panas. Hal ini merupakan cara konvensional yang dipakai dunia industri. Dengan cara tersebut, banyak energi panas yang terbuang ke atmosfer melalui sistem maupun melalui gas buang. Besarnya energi panas yang terbuang ini ternyata dapat digunakan atau dimanfaatkan kembali untuk memenuhi energi termal ataupun sebagai pendingin.
Menurut definisi, kogenerasi adalah suatu proses pembangkitan dan pemanfaatan energi dalam bentuk yang berbeda secara serempak dari energi bahan bakar untuk menghasilkan tingkat efisiensi maksimum, ekonomis dan ramah lingkungan. Sistem kogenerasi biasa diaplikasikan pada pembangkitan energi listrik dan pembangkitan energi termal, dimana energi listrik digunakan untuk membangkitkan uap, air panas maupun pendinginan pada absorption chiller. Sistem kogenerasi biasa disebut sistem kombinasi panas dan daya
(Combine Heat and Power/CHP) yang terintegrasi. Sistem CHP (Combine Heat and Power) terdiri dari mesin penggerak, generator, pemanfaatan kembali panas dan sambungan listrik yang tergabung menjadi satu kesatuan yang terintegrasi.
Mesin penggerak yang digunakan sistem CHP terdiri dari mesin reciprocating, pembakaran atau turbin gas, turbin uap, turbin mikro dan sel bahan bakar. Mesin penggerak ini dapat membakar berbagai bahan bakar, yaitu gas alam, batubara, minyak bakar dan bahan bakar alternatif untuk memproduksi daya poros atau energi mekanis. Energi termal yang dihasikan dari sistem ini dapat digunakan langsung dalam proses atau tidak langsung untuk memproduksi uap, air panas, udara panas untuk pengeringan atau air dingin (chilled water) untuk proses pendinginan.
Gambar 4. Perbandingan Pembangkit Listrik Konvensional dan Pembangkit Listrik dengan Sistem Kogenerasi
(Sumber : IntelliGen Power System LLC)
2.1.1. KEUNTUNGAN SISTEM KOGENERASI
Keuntungan yang bisa didapat dalam penggunaan sistem kogenerasi adalah sebagai berikut :
13
o Emisi lebih rendah terhadap lingkungan, khususnya CO2, gas rumah kaca
utama. Penghematan biaya yang besar menjadikan industri atau sektor komersial lebih kompetitif dan juga dapat memberikan tambahan panas untuk pengguna domestik.
o Memberikan kesempatan lebih lanjut untuk membangkitkan listrik lokal yang didesain sesuai kebutuhan konsumen lokal dengan efisiensi tinggi, menghindari kehilangan transmisi dan meningkatkan fleksibilitas pada sistem penggunaan. Hal ini khususnya untuk penggunaan bahan bakar gas alam. o Suatu kesempatan untuk meningkatkan diversifikasi plant pembangkit dan
menjadikan persaingan pembangkitan.
2.1.2. MESIN RECIPROCATING PADA SISTEM KOGENERASI
Pada umumnya mesin-mesin reciprocating biasa diaplikasikan untuk penggunaan pembangkitan yang terdistribusi, industri, komersial, fasilitas institusional untuk pembangkitan daya dan CHP. Mesin reciprocating dapat mengikuti beban dengan baik, memiliki efisiensi beban yang bagus dan umumnya memiliki kehandalan yang tinggi. Mesin reciprocating memiliki efisiensi listrik lebih tinggi dibanding turbin gas dengan ukuran yang sebanding, dengan demikian merendahkan biaya operasi yang berhubungan dengan bahan bakar. Disamping itu, biaya awal genset mesin reciprocating umumnya lebih rendah dari genset turbin gas hingga ukuran 3-5 MW. Sedangkan untuk biaya perawatan mesin reciprocating umumnya lebih tinggi dari turbin gas, namun perawatan kadang dapat ditangani oleh karyawan setempat atau disediakan oleh organisasi layanan setempat.
Potensi penerapan pembangkitan yang terdistribusi untuk mesin reciprocating terdiri dari standby, pemangkasan beban puncak, penyangga grid, dan penerapan CHP dimana diperlukan air panas, uap tekanan rendah atau limbah absorpsi panas pembakaran pada pendingin sangat menunjang.
Gambar 5. Sistem Kogenerasi Mesin Reciprocating (Sumber : Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia –
www.energyefficiencyasia.org)
Sementara penggunaan mesin reciprocating tumbuh di berbagai penerapan pembangkitan yang terdistribusi, penerapan pembangkitan yang paling umum di lokasi untuk mesin yang menggunakan bahan bakar gas alam secara tradisional dan kecenderungan ini nampaknya akan berlanjut terus. Dari segi ekonomi, mesin yang menggunakan bahan bakar gas alam pada penerapan pembangkitan di tempat, diperbaiki dengan penggunaan energi panas yang efektif dari energi panas yang terkandung dalam sistem gas buang dan pendinginan, yang biasanya sebesar 60 - 70% dari energi bahan bakar masuk.
Terdapat empat sumber limbah panas yang dapat digunakan dari mesin reciprocating, antara lain gas buang, air pendingin jaket mesin, air pendingin minyak pelumas, dan pendingin turbocharger. Panas yang termanfaatkan umumnya dalam bentuk air panas atau uap tekanan rendah (<30 psig). Suhu gas buang yang tinggi dapat menghasilkan uap tekanan sedang (hingga sekitar 150
15
psig), namun gas buang mengandung hanya sekitar separuh dari energi panas yang tersedia dari mesin reciprocating. Beberapa penerapan CHP di industri dengan menggunakan sisa gas buang secara langsung untuk proses pengeringan. Pada umumnya, air panas dan uap tekanan rendah yang dihasilkan oleh mesin reciprocating, sehingga sistem CHP sangat cocok untuk kebutuhan proses bersuhu rendah, pemanasan ruangan, pemanasan air kran, dan untuk menggerakan pendingin absorbsi penyedia air dingin, AC, atau pendinginan.
2.1.3. RASIO PANAS TERHADAP LISTRIK
Rasio panas terhadap listrik adalah salah satu parameter teknis yang paling penting yang mempengaruhi pemilihan sistem kogenerasi. Jika rasio panas dengan listrik industri dapat sejalan dengan karakteristik sistem kogenerasi maka optimisasi pemanfaatan energi pun akan tercapai. Secara umum rasio panas dengan listrik adalah perbandingan energi termal menjadi energi listrik yang dibutuhkan oleh industri.
Sistem Kogenerasi Kisaran Nominal (Listrik) kW Laju Panas Pembangkitan Listrik (kkal/kWh) Efisiensi (%) Konversi Listrik Pemanfaatan Panas Kogenerasi Keseluruhan
Mesin Reciprocating Kecil 10-500 2650-6300 20-32 50 74-82
Mesin Reciprocating Besar 500-3000 2400-3275 26-36 50 76-86
Mesin Diesel 10-3000 2770-3775 23-38 50 73-88
Turbin Gas Kecil 800-10000 2770-3525 24-31 50 74-81
Turbin Gas Besar 10-20 MW 2770-3275 26-31 50 78-81
Turbin Uap 10-100 MW 2520-5040 17-34 - -
Tabel 2. Parameter Kinerja Sistem Kogenerasi (Sumber : Komisi Energi California, 1982)
2.2. ABSORPTION CHILLER
Dalam berbagai proses industri, dimana banyak sekali menghasilkan panas buang dengan suhu tinggi, siklus refrigerasi absorpsi merupakan metode menarik dan ekonomis. Sistem ini menggunakan lithium bromida (LiBr) sebagai absorber dan air murni (H2O) sebagai refrigeran. Panas dibutuhkan untuk memisahkan kedua fluida tersebut.
Gambar 6. Siklus Dasar Absorption Chiller
(Sumber : Stoecker, Wilbert F. et al. 2008. Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, Jakarta : Erlangga)
Ketika kedua fluida tersebut bercampur kembali pada tekanan tertentu, air akan berubah fase bercampur dengan garam pada suhu yang sangat rendah. Pada tekanan normal, air akan menguap pada temperatur 100°C, sedangkan di dalam absorber, air dapat menguap pada suhu 7°C, sehingga dapat mendinginkan air untuk keperluan AC. Panas yang dibutuhkan dalam proses termokimia ini secara
17
langsung dapat diperoleh dari pembakaran gas alam atau secara tidak langsung dari sebuah boiler atau sumber panas buang yang lain seperti teknologi kogenerasi.
2.2.1. HUBUNGAN SIKLUS ABSORPSI DAN SIKLUS KOMPRESI UAP Siklus absorpsi pada prinsipnya hampir sama dalam beberapa hal dengan siklus kompresi uap. Dalam prinsipnya, siklus refrigerasi beroperasi dengan condensor, katup ekspansi dan evaporator. Dalam siklus kompresi uap menggunakan kompresor untuk keperluan transformasi uap dengan tekanan rendah dari evaporator menjadi uap dengan tekanan tinggi dan dialirkan ke condensor. Sedangkan dalam siklus absorpsi, pertama-tama meyerap uap dengan tekanan rendah ke dalam suatu zat cair penyerap (absorbing liquid) yang cocok. Yang terkandung di dalam proses absorpsi yaitu perubahan dari uap menjadi cair karena proses ini sama dengan kondensasi, maka selama proses berjalan, kalor dilepaskan. Tahap berikutnya yaitu menaikkan tekanan zat cair dengan pompa lalu membebaskan uap zat cair penyerap dengan pemberian kalor.
Siklus kompresi uap sering disebut dengan siklus yang dioperasikan oleh kerja (work operated cycle) karena penarikan tekanan refrigeran dilakukan oleh kompresor yang memerlukan kerja. Sedangkan untuk siklus absorpsi sering disebut dengan siklus yang dioperasikan oleh kalor (heat operated cycle) karena sebagian besar biaya operasi berkaitan dengan pemberian kalor yang diperlukan untuk melepaskan uap (refrigeran) dari zat cair bertekanan tinggi. Sebenarnya dalam siklus absorpsi dibutuhkan kerja untuk menggerakkan pompa, tetapi jumlah
kerja tersebut sangat kecil dibandingkan dengan yang diperlukan pada siklus kompresi uap.
Gambar 7. Metode Pengubahan Uap Tekanan Rendah menjadi Uap Tekanan Tinggi pada Siklus Refrigerasi
(Sumber : Stoecker, Wilbert F. et al. 2008. Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, Jakarta : Erlangga)
2.2.2. SIKLUS PENDINGINAN ABSORPTION CHILLER
Ketika cairan menyerap panas dari sekitarnya menguap misalnya, ketika Anda menyebarkan alkohol di tangan Anda, tangan Anda akan merasa sangat dingin seperti alkohol menyerap panas dari tangan Anda dan menguap ke udara. Peralatan pendingin udara dirancang sesuai dengan prinsip ini. Air menguap pada 100°C di bawah tekanan atmosfir normal (760 mmHg), namun air juga bisa menguap pada suhu yang sangat rendah di bawah kondisi vakum. Dengan menciptakan vakum (6 mmHg) dalam bejana kedap udara, air bisa menguap bahkan pada 4°C. Uap air kemudian berpindah ke evaporator dan absorber dimana solution lithium bromida (penyerap sangat kuat air) menyerap uap sekitarnya sehingga kondisi tekanan rendah di vessel evaporator/absorber. Semua absorption chiller dirancang sesuai teori bahwa air menghilangkan panas dari
19
sistem pendingin udara karena menguap dalam kondisi vakum. solution lithium bromida menyerap uap (mentransfer panas dari penyerapan air pendingin) dalam larutan encer yang dipompa ke tekanan yang lebih tinggi di mana panas yang ditambahkan untuk kembali menguapkan air. Pengembalian larutan pekat LiBr ke absorber dan uap air ke kondensor untuk memulai proses dari awal lagi. Bagian-bagian Absorption Chiller, antara lain :
Gambar 8. Siklus BROAD Absorption Chiller (Sumber : DFA BROAD User’s Manual)
3.2.2.1. EVAPORATOR
Chilled Water pada 12°C memasuki tubing tembaga evaporator melalui water box, 4°C refrigeran cair disemprotkan melalui tube (di bawah vakum). Refrigeran cair menguap dan menyerap panas, suhu chilled water berkurang menjadi 7°C. Refrigeran cair menyerap panas dari chilled water dan menjadi uap, memasuki absorber dan diserap.
3.2.2.2. ABSORBER
64% LiBr solusi pada 41°C memiliki afinitas yang kuat untuk air. Ketika menyerap air, uap berpindah dari evaporator, suhu meningkat (reaksi eksotermis) dan solution menjadi diencerkan. Cooling water dari cooling tower melewati tubing tembaga penyerap dan menghilangkan panas penyerapan. Solution LiBr diencerkan 57% dipompa ke HTG dan LTG secara terpisah untuk dipanaskan dan terkonsentrasi. Evaporator dan absorber berbagi ruang yang sama. Tekanan adalah sekitar 6 vakum mmHg.
3.2.2.3. HIGH TEMPERATURE GENERATOR (HTG)
Solution LiBr di HTG yang dipanaskan oleh burner 1400°C sehingga menghasilkan uap banyak dengan suhu 160°C kemudian masuk ke LTG. Konsentrasi larutan meningkat 57-64% dan kembali ke absorber. Tekanan internal HTG sekitar 690 mmHg vakum.
3.2.2.4. LOW TEMPERATURE GENERATOR (LTG)
Uap dari HTG memasuki tubing tembaga di LTG dan memanaskan diluted solution luar tabung sampai 90°C. Solution menghasilkan uap yang masuk condenser. Solution menjadi terkonsentrasi 57-63% dan kembali ke absorber. Uap dari HTG melepaskan panasnya, menjadi kondensat dan masuk ke condenser juga.
21 3.2.2.5. CONDENSER
Cooling water dari absorber melewati tubing tembaga di condenser yang mana mengembun tabung luar uap ke dalam air dan menghilangkan panas LTG ke cooling tower. Kondensat memasuki evaporator sebagai refrigeran. LTG dan condenser berbagi ruang yang sama, tekanannya sekitar 57 mmHg vakum.
3.2.2.6. HIGH TEMPERATURE HEAT EXCHANGER (HTHE)
160°C solution dari pertukaran panas HTG dengan solution 38°C dari absorber. Suhu diluted solution naik sedangkan concentrated solution turun. 160°C solution melewati heat exchanger, memasuki absorber pada 42°C dan mengembalikan panas dari 118°C perbedaan suhu.
3.2.2.7. LOW TEMPERATURE HEAT EXCHANGER (LTHE)
90°C solution dari pertukaran panas LTG dengan solusi 38°C dari absorber. Suhu diluted solution naik sedangkan concentrated solution turun. 90°C solution melewati heat exchanger, memasuki absorber pada 41°C dan memulihkan panas yang setara dengan 49°C perbedaan suhu. Heat exchanger sangat mengurangi kebutuhan pemanasan suhu tinggi untuk HTG dan LTG, dan mengurangi laju aliran cooling water untuk pendinginan solution. Kinerja ini merupakan penghematan energi faktor kunci dalam absorption chiller.
3.2.2.8. LITHIUM BROMIDE
Lithium bromide (LiBr), juga dikenal sebagai monobromide lithium, adalah senyawa elemen lithium dan bromine, yang memiliki satu atom lithium
terikat pada satu atom bromine. Ini adalah senyawa ionik, yang berarti bahwa atom lithium "memberikan" satu elektron pada atom bromine, dengan hasil bahwa atom lithium menjadi bermuatan positif dan atom bromine bermuatan negatif, atom tersebut kemudian terikat bersama oleh daya tarik elektrostatik. Ikatan ion adalah fitur umum dari logam sederhana / senyawa non-logam. Lithium merupakan logam milik sekelompok elemen yang dikenal sebagai logam alkali karena mereka bereaksi dengan air untuk menghasilkan alkalis kuat. Bromine milik sekelompok reaktif unsur non-logam yang dikenal sebagai halogen, yang juga termasuk fluor, klorin dan yodium.
Air digunakan sebagai refrigeran dalam siklus absorption chiller. Sistem absorption chiller berbeda dari mesin pendingin sistem kompresi uap. Siklus absorption chiller menggunakan energi panas bukan energi mekanik untuk menyebabkan perubahan kondisi yang diperlukan untuk siklus pendinginan. Dengan kata lain, kompresor digantikan oleh uap panas. Berikut ini adalah dua prinsip yang menjadi dasar pemakaian Lithium Bromide sebagai refrigeran dalam sistem Absorption Chiller :
1. Lithium Bromide (LiBr) memiliki kemampuan untuk menyerap sejumlah besar uap air.
2. Ketika di bawah pada kondisi vakum tinggi, Lithium Bromide (LiBr) mudah menguap pada suhu rendah dan menyerap panas
Dalam operasionalnya, sistem Absorption Chiller dikenal dua istilah untuk solution (LiBr), yaitu :
23 2.2.2.8.1. Diluted Solution
Merupakan solution LiBr yang mempunyai konsentrasi 55-57 %. Hal ini berarti kandungan garam dalam LiBr rendah dan tercampur dengan H2O.
2.2.2.8.2. Concentrated Solution
Merupakan solution LiBr yang mempunyai konsentrasi 63-64 %. Hal ini berarti LiBr mempunyai kandungan garam tinggi dan larutan H2O
sudah menguap.
Grafik 2. Sifat Suhu-Tekanan-Konsentrasi Larutan LiBr Jenuh
(Sumber : http://en.wikipedia.org/wiki/Diagram_Konsentrasi_Larutan_ LiBr)
3.2.2.9. KRISTALISASI
Pada grafik sifat untuk larutan LiBr, garis-garis kristalisasi tampak pada bagian bawah sebelah kanan. Daerah hingga ke sebelah kanan dan di bawah garis-garis ini menunjukkan pemadatan LiBr. Prosesnya mirip dengan proses
pemadatan bahan antibeku, dimana selama LiBr memadat, akan mengencerkan larutan air sedemikian sehingga keadaan larutan tersebut terus diwakili oleh kurva kristalisasi. Masuk ke dalam daerah kristalisasi berarti terjadi pembentukan kristal-kristal (slush) yang dapat menutup aliran di dalam pipa dan menghentikan kerja unit absorpsi.
3.2.2.10. PENGENDALIAN KAPASITAS
Maksud dari pengendalian kapasitas yaitu penurunan kapasitas, karena operasi tanpa pengendali kapasitas akan menghasilkan kapasitas refrigerasi maksimum. Kebutuhan pengendalian kapasitas bertambah pada saat beban refrigerasi turun, yang ditandai oleh penurunan suhu Chilled Water yang kembali ke unit absorpsi (dengan menganggap laju aliran (flow rate) Chilled Water adalah konstan). Tanpa pengendalian kapasitas, suhu Chilled Water yang meninggalkan evaporator akan turun, begitu juga tekanan pada sisi rendah unit absorpsi. Tekanan sisi rendah dapat turun sampai suatu titik dimana air refrigeran membeku.
Kebanyakan sistem pengendalian pada unit-unit absorpsi mengatur suhu Chilled Water yang meninggalkan evaporator agar tetap konstan. Karena itu, pada beban-beban refrigerasi yang kurang dari beban penuhnya, kapasitas refrigerasi unit absorpsi harus dikurangi. Ada beberapa metode untuk mengatasi pengurangan ini, namun dampak akhir metode-metode tersebut semuanya adalah untuk mengurangi laju aliran air refrigeran pada Main Shell. Tiga metode untuk mengurangi aliran air refrigeran yaitu :
25
2. Menurunkan suhu generator. 3. Menaikkan suhu pengembunan.
2.3. PENERAPAN SISTEM KOGENERASI PADA INDUSTRI PUSAT PERBELANJAAN
Pertumbuhan Real Estate kelas menengah Indonesia yang pesat berkontribusi besar terhadap peningkatan kegiatan belanja di pasar-pasar modern. Hal ini membuat pusat perbelanjaan modern tumbuh untuk memenuhi permintaan. Dengan berkembangnya pembangunan pusat perbelanjaan ini, para pengembang mulai berpikir untuk mengadakan sistem pembangkit mandiri yang dikarenakan pasokan kebutuhan energi listrik yang tidak mampu ditanggung oleh pihak pemerintah dalam hal ini PT PLN. Namun disisi lain lonjakan kenaikan harga bahan bakar minyak membuat pengembang mulai berpikir untuk menggunakan pembangkit listrik mandiri (Genset) berbahan bakar gas. Oleh sebab itu, diperlukan skema penggunaan bahan bakar yang lebih hemat dan efisien. Teknologi kogenerasi dapat menjadi salah satu solusinya.
Sistem kogenerasi ini menggunakan bahan bakar untuk memenuhi pasokan energi listrik dasar kebutuhan operasional pusat perbelanjaan seperti penerangan, pompa-pompa, serta peralatan listrik lainnya. Sedangkan kebutuhan energi untuk pendingin ruangan akan diambil dari panas buang yang dihasilkan oleh genset berbahan bakar gas. Panas buang dialirkan dari jalur pembuangan genset menuju absorption chiller. Secara sederhana absorption chiller akan mengubah panas menjadi pendingin. Sistem kogenerasi yang sederhana ini tampak seperti terlihat pada Gambar 10.
Gambar 9. Sistem Kogenerasi Gas Engine dengan Absorption Chiller (Sumber : As Built Drawing Summarecon Mal Serpong)
2.4. PENERAPAN HUKUM TERMODINAMIKA DALAM SISTEM KOGENERASI
Sebelum membahas mengenai hukum termodinamika II, perlu diketahui istilah reservoir energi panas (Thermal Energy Reservoir) atau lebih umum disebut dengan reservoir. Reservoir mempunyai pengertian adalah suatu benda/zat yang mempunyai kapasitas energi panas (massa x panas jenis) yang besar. Artinya reservoir dapat menyerap/menyuplai sejumlah panas yang tidak terbatas tanpa mengalami perubahan temperature. Reservoir yang menyuplai energi disebut dengan source dan reservoir yang menyerap energi disebut dengan sink.
2.4.1. SIFAT TERMODINAMIKA
Bagian penting dalam menganalisis sistem termal adalah penentuan sifat termodinamika yang bersangkutan. Suatu sifat adalah setiap karakteristik atau ciri
27
dari bahan yang dapat dijajaki secara kuantitatif, seperti suhu, tekanan dan rapat massa kerja dan perpindahan kalor adalah hal yang dilakukan terhadap suatu sistem untuk mengubah sifat-sifatnya. Kerja dan kalor dapat diukur hanya pada pembatas sistem dan jumlah energi yang dipindahkan tergantung pada cara terjadinya perubahan.
3.4.1.1. SUHU
Suhu (t) dari suatu bahan menyatakan keadaan termalnya dan kemampuannya untuk bertukar energi dengan bahan lain yang bersentuhan dengannya. Jadi suatu bahan yang bersuhu lebih tinggi akan memberikan energi kepada bahan lain yang suhunya lebih rendah. Suhu absolut (T) adalah derajat dia atas suhu nol absolut yang dinyatakan dengan Kelvin (K), yaitu T = t oC + 273. Oleh karena interval suhu pada kedua skala suhu tersebut identik, maka beda suhu pada Celcius dinyatakan dengan Kelvin.
3.4.1.2. TEKANAN
Tekanan (p) adalah gaya normal (tegak lurus) yang diberikan oleh suatu fluida persatuan luas benda yang terkena gaya tersebut. Tekanan absolut adalah ukuran tekanan di atas nol (tekanan yang sebenarnya yang berada di atas nol). Tekanan pengukuran (pressure gauge) diukur di atas tekanan atmosfir suatu tempat (nol tekanan pengukuran = tekanan atmosfir di tempat tersebut). Satuan tekanan yang dipakai adalah Newton per meter kuadrat (N/m2), juga disebut pascal (Pa).
3.4.1.3. RAPAT MASSA DAN VOLUME SPESIFIK
Rapat massa (ρ) dari suatu fluida adalah massa yang mengisi satu satuan volume, sebaliknya volume spesifik (υ) adalah volume yang diisi oleh satu satuan massa. Rapat massa dan volume spesifik saling berkaitan satu sama lain. Rapat massa udara pada tekanan atmosfir standar dengan suhu 25oC mendekati 1,2 kg/m3.
3.4.1.4. KALOR SPESIFIK
Kalor spesifik dari suatu bahan adalah jumlah energi yang diperlukan untuk menaikkan suhu satu satuan massa bahan tersebut sebesar 1oK. oleh karena besaran ini dipengaruhi oleh cara proses berlangsung, maka cara kalor ditambahkan atau dilepaskan harus disebutkan. Dua besaran yang umum adalah kalor spesifik pada volume tetap (cv) dan kalor
spesifik pada tekanan tetap (cp). Besaran yang kedua lebih banyak
berguna bagi kita karena banyak dipakai pada proses pemanasan dan pendinginan dalam teknik refrigerasi dan pengkondisian udara.
TABEL KALOR SPESIFIK PADA TEKANAN TETAP (cp)
BAHAN cp SATUAN
Udara kering 1,0 kJ/kgoK
Air 4,19 kJ/kgoK
Uap Air 1,88 kJ/kgoK
Tabel 3. Kalor Spesifik Beberapa Bahan pada Tekanan Tetap (Sumber : Stoecker, Wilbert F. et al. 2008. Refrigerasi dan
29 2.4.2. HEAT ENGINE (MESIN KALOR)
Seperti kita ketahui kerja dapat dikonversi langsung menjadi panas. Seperti misalnya pengaduk air. Kerja dapat kita berikan pada poros pengaduk sehingga temperatur naik. Tetapi sebaliknya, jika kita memberikan panas pada air, maka poros tidak akan berputar. Atau dengan kata lain, jika memberikan panas pada air, maka tidak akan tercipta kerja (poros). Dari pengamatan di atas, konversi panas menjadi kerja bisa dilakukan tetapi diperlukan sebuah alat yang dinamakan dengan mesin kalor (heat engines)
Gambar 10. Proses Heat Engine
(Sumber : Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org)
2.4.3. ANALISA TERMAL DAN KINERJA ABSORPTION CHILLER 3.4.3.1. HEAT BALANCE
Ketika absorption chiller dioperasikan dalam kondisi Steady, analisa kesetimbangan panas untuk sistem utama nya dalam in Btu /h_ ton, ditunjukkan sebagai berikut :
con ab evap
gen Q Q Q
Exhaust gen m cp t Q Water Chilled evap m cp t Q Water Cooling con m cp t Q Solution Diluted ab m cp t Q
(Sumber : ASHRAE Handbook Fundamental, 2009) Keterangan :
o Qevap :
m flow rate Chilled water : 67,2 liter/second
cp air : 4,2 kJ/kgoC
Δt : selisih suhu inlet dan outlet
chilled water o Qgen :
m flowrate exhaust : 2,92 kg/second
cp Carbondioksida pada suhu 500oC : 1,126 kJ/kgoC
Δt : selisih suhu inlet dan outlet
exhaust generator o Qab :
m flowrate solution : 10,3 liter/second
cp LiBr : 95,55 kJ/kgoC
Δt : selisih suhu inlet dan outlet
31
o Qcon :
m flow rate Cooling water : 71,1 liter/second
cp air : 4,2 kJ/kgoC
Δt : selisih suhu inlet dan outlet
cooling water
3.4.3.2. COP (COEFFICIENT OF PERFORMANCE)
Coefficient of performance (COP) merupakan ukuran standar efisiensi untuk sistem refrigerasi yang ideal. COP hanyalah merupakan perbandingan suhu, tanpa memperdulikan jenis kompresornya. Jadi COP yang biasanya digunakan di industri dihitung sebagai berikut :
kW compressor to input Power kW Effect Cooling COP (Sumber : Stoecker, Wilbert F. et al. 2008. Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, Jakarta : Erlangga)
Namun dalam sikus absorpsi kerja kompresor tidak ada dikarenakan siklus absorpsi merupakan sistem yang dioperasikan oleh kalor, maka COP absorpsi merupakan perbandingan antara laju refrigerasi dan laju penambahan kalor pada generator.
generator pada kalor penambahan laju i refrigeras laju COPabs
(Sumber : Stoecker, Wilbert F. et al. 2008. Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, Jakarta : Erlangga)
Dalam hal-hal tertentu pemakaian istilah COP untuk sistem absorpsi kurang menguntungkan karena harganya agak lebih rendah dibandingkan
dengan harga dari siklus kompresi uap (misalnya 0,6 berbanding 3). Harga COPabs yang cukup rendah tidak harus dianggap merugikan
dibanding COP siklus kompresi uap, dikarenakan energi dalam bentuk kerja biasanya jauh lebih berharga dan mahal daripada energi dalam bentuk kalor.
3.4.3.3. DAYA SPESIFIK
Pemakaian daya spesifik kW/TR merupakan indikator yang bermanfaat dari kinerja sistem refrigerasi. Dengan mengukur tugas refrigerasi yang ditampilkan dalam TR dan input kW, kW/TR digunakan sebagai indikator kinerja energi.
Dalam sistem chilled water terpusat, terpisah dari unit kompresor, daya juga dipakai oleh pompa refrigeran chilled water (sekunder), pompa air kondenser (untuk pembuangan panas ke menara pendingin) dan fan pada menara pendingin. Secara efektif, pemakaian energi keseluruhan merupakan penjumlahan dari :
o Kompresor kW o Pompa air dingin kW o Pompa air kondensor kW
o Fan menara pendingin kW, untuk menara induksi/ forced draft
kW/TR, atau pemakaian spesifik energi untuk keluaran tertentu TR adalah jumlah dari :
o Kompresor kW/TR
33
o Pompa air kondenser kW/TR o Fan menara pendingin kW/TR
TR kW spesifik
Daya
(Sumber : Daily Performance BROAD Abs. Chiller)
Dengan pemakaian daya yang dikonsumsi oleh : o Chilled Water Pump (CHWP) 75 kW o Cooling Water Pump (CWP) 55 kW
o Motor Fan Cooling Tower (terdiri dari 4 Motor Fan, @ 5,5 kW) o Solution Pump (S-Pump) 5,5 kW
o Refrigerant Pump (R-Pump) 0,75 kW
Data ampere diambil setiap satu jam sekali selama chiller running dan diambil rata-rata per hari, dengan cos phi 0,9 dan voltage 390 volt.
Rumus Cooling Capacity yang dipakai dalam perhitungan :
5 , 3 evap Q Capacity Cooling dengan t cp m Qevap Keterangan :
m flow rate Chilled water : 67,2 liter/second
cp air : 4,2 kJ/kgoC
Δt : selisih suhu inlet dan outlet chilled water (Sumber : Daily Performance BROAD Abs. Chiller)
2.5. KONFIGURASI DAN SPESIFIKASI UNIT 2.5.1. KONFIGURASI UNIT
Sistem kogenerasi yang digunakan dalam penelitian ini, Genset Gas menggunakan Natural Gas (NG) sebagai bahan bakar untuk membangkitkan tenaga listrik. Dalam operasionalnya, pembangkitan listrik dihasilkan oleh 3 genset gas berkapasitas 1920 kW yang digunakan untuk memenuhi kebutuhan power/listrik sebesar 4,2 MW, dimana untuk satu genset gas dapat menghasilkan power/listrik sebesar ± 1300 kW. Suhu panas buang yang dihasilkan dari sistem genset gas ini sebesar ± 500oC. Panas buang yang dihasilkan genset gas dimanfaatkan kembali oleh Absorption Chiller untuk memanaskan High Temperature Generator (HTG).
Selain memanfaatkan panas buang dari genset gas, Absorption Chiller dalam tipe ini juga memanfaatkan air panas (hot water) dari sistem sirkulasi radiator genset gas. Suhu dari air panas radiator yang masuk ke dalam Low Temperature Generator (LTG) sekitar 80-100oC. Selain menggunakan panas buang dan air panas dari radiator genset gas, sistem dalam Absorption Chiller bisa menggunakan burner dengan bahan bakar gas atau solar sebagai altenatif sumber panas yang digunakan. Dalam operasionalnya, burner digunakan hanya bila genset gas mengalami trouble. Dengan menggunakan sistem kogenerasi ini, tipe Absorption Chiller Exhaust, Hot Water and Direct Fired, Efisiensi energi = Electricity + Cooling 104 % .
35
Gambar 11. Sistem Kogenerasi Genset Gas dan Absorption Chiller (Sumber : BROAD CHP (Distributed Energy) Case Studies, September 2009)
2.5.2. SPESIFIKASI UNIT 3.5.2.1. GENSET GAS
Gambar 12. Genset Gas DEUTZ TCG 2020 V20 (Sumber : DEUTZ Operating Instructions TCG 2020)
Engine Manufaktur : DEUTZ GmbH Engine Type : TCG 2020 V20 Power : 2025 kVA / 1920 kW Speed : 1500 rpm Gas Consumption : 115,7 m3/h
Fuel : Natural Gas
Barometric : 1024 mbar
Heating Value : 9,966 kWh/ m3
Ambient Air Temperature : 28 oC Ignition System : Altronic ZS2
Ignition Point : 25,0 obTDC
Governor : TEM EVO / E 30
Turbo Charger Type : TPS 48 (01)
Generator Manufaktur : AVK Tipe : DIG 130 1/4 Power : 2025 kVA / 1920 kW Speed : 1500 rpm 3.5.2.2. ABSORPTION CHILLER
Gambar 13. BROAD Absorption Chiller BZHE 125-400 TR (Sumber : Asset Register PH-HVAC)
Specification
37 Cooling Capacity : 400 TR / 1407 kW
Chilled Water
Chilled Water Outlet Temp. : 7oC Chilled Water Inlet Temp. : 12 oC
Flow Rate : 242 m3/h
Static Pressure : 0,8 MPa
Pressure Drop : 0,045 MPa
Pipe Connection : 200 mm
Cooling Water
Cooling Water Outlet Temp. : 36 oC Cooling Water Inlet Temp. : 31 oC
Flow Rate : 456 m3/h
Static Pressure : 0,8 MPa
Pressure Drop : 0,1 MPa
Pipe Connection : 250 mm
Exhaust Source
Exhaust Outlet Temp. : 170 oC Exhaust Inlet Temp. : 421oC
Flow Rate : 10515 kg/h
Pressure Drop : < 0,001 MPa TR Generated from Exhaust : 310
Jacket Water Source
Jacket Water Outlet Temp. : 80 oC Jacket Water Inlet Temp. : 90 oC
Flow Rate : 40 m3/h Pressure Drop. : < 0,1 MPa TR Generated fr. Jacket Wtr : 91 Inlet / Outlet Dimension : 80 mm
Fuel
Natural Gas : 104 m3/h
Pipe Connection : 250 mm
Pressure : < 500 mbar
Diesel Oil / Solar : 104 L/h
Pipe Connection : 32 mm
Weight and Power
Operation Weight : 23,4 Ton
Electricity : 3 Phase / 380 V / 50 Hz / 9 kW
3.5.2.3. PUMPING SYSTEM 2.5.2.3.1. CHWP
Gambar 14. Armstrong CHWP 75 kW (Sumber : Asset Register PH-HVAC)
Merk : Armstrong
39 Capacity : 1065 USGPM Total Head : 50 M Seal : Mechanical Power (kW/V/Hz/Phase) : 75 / 380 / 50 / 3 Speed : 1480 rpm 2.5.2.3.2. CWP Gambar 15. Armstrong CWP 55 kW (Sumber : Asset Register PH-HVAC)
Merk : Armstrong
Type : Vertical In Line
Capacity : 1065 USGPM
Total Head : 50 M
Seal : Mechanical
Power (kW/V/Hz/Phase) : 55 / 380 / 50 / 3
Speed : 1470 rpm
3.5.2.4. COOLING TOWER SYSTEM
Merk : Kuken
Model : SKB - 800 R
Gambar 16. Kuken Cooling Tower 800 USRT (Sumber : Asset Register PH-HVAC)
Spesification
Nominal Capacity : 800 USRT
Inlet Water Temperature : 36 oC Outlet Water Temperature : 31 oC Ambient Wet Bulb Temp : 27,5 oC Water Flow Rate : 456 m3/h
Water Quality : City Water
Outline
Length : 3430 mm
Width : 8160 mm
Body Height : 2630 mm
Total Height : 3630 mm
Pressure Loss : 2,5 MPa
Weight : 4510 / 11230 kg
Seismic Load : 0,3 G
Water Loss (Evaporation Drift) : 0,83 / 0,005 % against water Noise Level : 70,5 dB 2 m away from louver side
41
Piping
Water Inlet : 125 A x 4 JIS Kgf/cm2 Flange (HDG) Water Outlet : 125 A x 4 JIS Kgf/cm2 Flange (HDG)
Overflow : 50 A x 4 Socket (Bronze)
Make Up (Auto) : 50 A x 4 Socket (Bronze) Make Up (Manual) : 32 A x 4 Socket (Bronze)
Equalizing : 125 A x 4 JIS Kgf/cm2 Flange (HDG)
Fan
Model / Type of Drive : KFB – 1 – 800 / Belt Drive
Diameter : 1800 mm
Quantity : 4 sets
Motor
Merk : Toshiba
Type : 3 Phase Induction Motor
Power Source : 3 Phase / 380 Volt / 50 Hz
Output : 5,5 kW
Poles : 4 Poles
Insulation Class : F
Starting Methode : Star – Delta
Quantity : 4 sets
2.6. COST CONSUMPTION
Untuk mengetahui besar efisiensi yang dihasilkan oleh absorption chiller, maka penelitian mengambil perhitungan Cost Consumption dari tarif dasar listrik
yang ditentukan oleh PLN untuk industri. Berikut dijelaskan komponen perhitungan yang dipakai :
2.6.1. ABONEMEN (BEBAN)
Pada TDL 2010 Biaya beban akan dikenakan apabila pemakaian ≤ 40 jam, dan apabila pemakaian > 40 jam maka biaya beban dianggap 0 (nol)
Rumus Perhitungan : 40 jam x Daya terpasang x Rp. 28.400
2.6.2. KONSUMSI (KWH)
LWBP (Luar Waktu Beban Puncak pkl. 22:00 s/d 18:00) = Rp 800/Kwh WBP (Waktu Beban Puncak pkl. 18:00 s/d 22:00) = Rp. 1200/Kwh
2.6.3. PAJAK PENERANGAN (PPJU) 3% dari total konsumsi biaya konsumsi
Jadi biaya yang dikeluarkan untuk pemakaian satu hari adalah sebagai berikut :
800 1200
3% Abonemen kWhLWBP Rp kWhWBP Rp
n Consumptio
Cost
(Sumber : Per-Men No.13 Tahun 2012)
2.7. COOLING CAPACITY ACTUAL
Dalam penelitian ini, siklus absorpsi dipengaruhi oleh cara kerja dari genset gas. Beban daya yang selalu berubah-ubah dapat mempengaruhi cooling capacity
tubing efisiensi Cap Cooling phi engine Daya actual daya Output Actual Cap Cooling cos % 80
43
Keterangan :
Daya Engine : 2000 kVA (kapasitas dari pabrikan) Cooling Cap : 400 USRT (kapasitas dari pabrikan)
Cos phi : 0,9
Efisiensi tubing 95% (Bahan dari tubing telah diganti dengan bahan Cooper Nickel, sehingga menurunkan efisiensi heat transfer dari tubing sebesar 5 %. Absorption Chiller pada Commisioning awal di setting pada 100 % pada aktual beban tersalur genset gas 80%.
