TUGAS SISTEM KONVERSI ENERGI I SISTEM KONVERSI ENERGI GEOTERMAL
A. Pendahuluan
Energi geotermal merupakan energi panas yang berasal dari inti bumi, oleh karena itu disebut juga energi panas bumi. Selama berabad-abad, energi panas bumi hanya muncul dalam bentuk fenomena-fenomena pada permukaan bumi yang melepaskan panas dari dalam bumi ke permukaan melalui celah yang dekat dengan permukaan bumi. Gunung berapi, geyser, fumarol dan mata air panas merupakan wujud dari fenomena panas bumi yang tampak secara fisik di permukaan bumi. Energi panas bumi telah dimanfaatkan oleh manusia untuk berbagai jenis keperluan seperti untuk keperluan pertambakan, rumah kaca, proses pemanasan di industri, pemanasan ruangan dan pembangkitan listrik. Energi panas bumi pertama kali digunakan sebagai sumber energi untuk pembangkitan listrik pada tahun 1904 di Tuscany, Italia. Saat ini energi panas bumi sudah banyak digunakan di negara-negara yang memiliki sumber panas bumi yang besar seperti Amerika, Filipina, Meksiko, Italia, Jepang dan Indonesia.
B. Sumber Panas Bumi
Berdasarkan dari sumbernya, panas bumi dikategorikan menjadi 3 jenis yaitu :
1. Hydrothermal Convection Systems, terbagi menjadi dua jenis sumber yaitu dominan uap
dan dominan cair
2. Hot Igneous Resources, terbagi menjadi dua jenis sistem yaitu hot dry rock dan magma
3. Conduction Dominated Resources, terbagi menjadi dua jenis sumber yaitu geopressured
dan radiogenic
Tipe sumber panas bumi diatas dibedakan berdasarkan karakteristik geologis dan cara panas tersebut berpindah ke permukaan bumi. Sampai saat ini, hanya sumber panas bumi dengan jenis hidrotermal yang digunakan secara komersil dan aktivitas riset dan pengembangan sedang dilakukan untuk memanfaatkan potensi dari sumber jenis lain terutama jenis hot dry rock. Berikut merupakan karakteristik temperatur dari berbagai jenis sumber panas bumi
Sumber Hidrotermal
Sistem konveksi hidrotermal terbentuk ketika terdapat cekungan berisi air dibawah tanah dimana terjadi sirkulasi panas secara konveksi dari uap air pada sumber dominan-uap atau dari air pada sumber dominan-cair.
Sumber Dominan-Uap
Pada sumber jenis ini terjadi proses pendidihan air tanah yang menghasilkan uap air oleh batuan panas disekitar cekungan air tersebut. Uap panas yang terbentuk memiliki kualitas yang tinggi, dengan kata lain merupakan uap superpanas sehingga dapat langsung digunakan untuk menggerakan turbin uap untuk membangkitkan listrik. Salah satu pembangkit listrik panas bumi yang menggunakan sumber jenis ini adalah PLTP The Geyser, bagian utara California. Pembangkit tersebut menggunakan uap secara langsung dari sumur uap yang memiliki kedalaman 5000-10000 kaki dengan temperatur uap yang dihasilkan diatas 230oC.
Uap air yang keluar dari sumur akan bercampur dengan zat lain dengan kadar yang relatif kecil (dibawah 5%). Campuran zat-zat tersebut berupa gas yang tidak dapat terkondensasi seperti karbon dioksida, hidrogen sulfida dan amonia. Selain The Geyser terdapat juga sumber panas bumi dengan tipe dominan-uap di Lardarello (Italia) dan Matsukawa (Jepang).
Sumber Dominan-Cair
Sumber jenis ini lebih banyak ditemukan di berbagai tempat di dunia dibandingkan sumber yang menghasilkan uap kering. Sumber jenis ini menghasilkan air panas dan/atau uap basah. Sumber ini memiliki temperatur diatas titik didih air sekitar 100-700oC dengan tekanan 50-150 psig. Uap basah tersebut dapat mengalir ke permukaan melalui sumur yang dibor oleh manusia maupun melalui celah geologis pada kerak bumi (contohnya geyser). Sumber jenis ini membutuhkan teknologi yang lebih kompleks untuk dapat memanfaatkan panas yang dihasilkan dibandingkan dengan sumber dominan-uap yang uapnya dapat secara langsung digunakan untuk menggerakkan turbin uap.
Salah satu penyebab dibutuhkannya teknologi yang lebih kompleks dalam mengelola uap basah dari sumber dominan-cair adalah tingginya kadar pengotor yang terkandung dalam uap basah. Beberapa pengotor yang dapat ditemukan pada uap basah tersebut adalah garam dan mineral yang terlarut seperti natrium, kalium, litium, klorida, sulfate, borat, bikarbonat dan silika. Kadar garam yang terlarut berkisar antara ribuan sampai ratusan ribu ppm (parts
per million). Sumur The Wairekei di New Zealand dan sumur The Cerro Prieto di Meksiko
adalah contoh dari sumur jenis dominan-cair yang digunakan untuk kebutuhan pembangkitan listrik.
Sumber Hot Dry Rock dan Magma
lapisan batuan kedap air yang disekitarnya terdapat magma. Lapisan bebatuan kedap air tersebut terletak pada kedalaman sekitar 6 mil dibawah permukaan tanah. Temperatur pada lapisan bebatuan tersebut naik seiring dengan semakin dalamnya letak batuan tersebut dan semakin dekatnya batuan tersebut dengan magma. Karena batuan tersebut bersifat kedap air, maka air tidak dapat menembus sampai bagian bawah batuan tersebut sehingga batuan tersebut menjadi sangat panas sehingga membentuk lapisan batuan panas/hot dry rock (HDR).
Beberapa cara sedang dikembangkan untuk dapat memindahkan panas dari HDR ke permukaan sehingga panas tersebut dapat dimanfaatkan. Salah satu cara agar perpindahana panas tersebut dapat terjadi adalah dengan membuat retakan buatan yang menghubungan HDR dengan sumur produksi dan sumur reinjeksi. Prinsip kerja dari teknik ini adalah dengan menginjeksikan air dingin dari permukaan ke HDR sehingga berubah menjadi uap dan uap tersebut mengalir kembali ke permukaan melalui sumur produksi. Uap tersebut kemudian dapat digunakan secara langsung untuk keperluan pembangkitan energi listrik. Berikut merupakan skema dari pemanfaatan HDR untuk menghasilkan uap
Gambar 01. Skema penghasil uap dengan retakan buatan dengan pemanfaatan panas dari HDR
Sumber Geopressured
Sumber jenis ini terbentuk akibat air pada formasi batuan yang menerima tekanan yang besar saat proses pembentukan formasi batuan tersebut. Air yang terdapat pada formasi batuan tersebut memiliki kadar garam yang rendah dan mengandung kadar metana yang tinggi. Sumber ini dipercaya oleh ahli kebumian sebagai sumber energi yang dapat diandalkan di masa yang akan datang. Sumber ini dapat menghasilkan energi dalam tiga bentuk yaitu :
1. Energi mekanik karena uap dari sumber tersebut memiliki tekanan yang tinggi 2. Energi panas yang terkandung dalam uap
C. Konversi Energi Panas Bumi
Energi panas bumi merupakan energi yang dapat diandalkan karena beberapa hal diantaranya, 1. Panas bumi dapat dimanfaatkan sampai jutaan tahun kemudian
2. Energi panas bumi tidak memberikan efek yang buruk terhadap lingkungan
3. Energi panas bumi dihasilkan secara terus menerus, tersedia baik pada siang hari dan malam hari
4. Ketersediaan energi panas bumi tidak dipengaruhi oleh musim, hanya efisiensi pembangkitan energi saja yang sedikit dipengaruhi oleh musim
5. Pembangkit listrik tenaga panas bumi tidak membutuhkan daerah yang luas Beberapa pemanfaatan dari energi panas bumi adalah sebagai berikut
Pemanfaatan panas bumi secara langsung
Pemanfaat dari panas bumi secara langsung tanpa menggunakan pompa kalor maupun digunakan untuk pembangkitan listrik. Aplikasi secara langsung tersebut umumnya menggunakan sumber panas bumi yang memiliki temperatur yang rendah untuk digunakan sebagai pemanas ruangan, keperluan pemanas pada industri proses seperti pengeringan teh dan pengolahan makanan.
Pada umumnya pemanfaatan secara langsung menggunakan penukar kalor untuk memindahkan panas dari fluida panas bumi. Fluida panas bumi yang telah diambil panasnya kemudian diinjeksi balik ke perut bumi melalui sumur reinjeksi. Penukar kalor memindahkan panas dari fluida panas bumi ke air yang disirkulasikan melalui pipa yang kemudian akan digunakan secara langsung untuk proses pemanasan.
Pemanfaatan panas bumi sebagai sumber energi untuk pembangkitan listrik
Pemanfaatan panas bumi untuk pembangkitan listrik dapat dibedakan menjadi penggunaan uap secara langsung (direct steam conversion), pemisahan uap (flashed steam conversion) dan siklus biner.
Pada sistem direct steam conversion, uap dari sumur produksi akan digunakan secara langsung untuk menggerakkan turbin uap. Pemanfaatan sistem ini memerlukan kualtias uap dari sumur produksi yang tinggi (diatas 0,88) agar tidak merusak sudu turbin. Uap air yang keluar dari turbin memiliki tekanan yang rendah karena keluaran turbin dihubungkan ke kondensor yang memiliki tekanan yang rendah. Uap air dialirkan ke kondensor untuk didinginkan dengan bantuan menara pendingin, kemudian air akan diinjeksikan kembali ke perut bumi melalui sumur reinjeksi.
Pada sistem flashed steam conversion, sumur produksi tidak menghasilka uap kering sehingga perlu dipisahkan uap air dan air sebelum memasuki turbin. Proses pemisahan tersebut dilakukan pada separator pada entalpi konstan sehingga tekanan turun dan kualitas uap naik. Uap yang telah dipisahkan dari air akan dialirkan ke turbin kemudian keluar dari turbin menuju kondesor kontak langsung yang terhubung dengan menara pendingin. Kondensat kemudian akan dipompa menuju sumur reinjeksi untuk dialirkan kembali ke dalam perut bumi. Terdapat juga jenis double-flashed steam conversion, dimana terdapat dua separator. Sebagian aliran yang keluar dari separator pertama akan dialirkan menuju turbin tekanan tinggi dan sisanya dialirkan ke separator kedua, yang selanjutnya akan dialirkan menuju turbin tekanan rendah.
Gambar 03. Diagram alir dari sistem flashed steam conversion (kiri) dan dual flashed steam conversion (kanan)
Pada sumur yang menghasilkan kualitas uap rendah, seperti temperatur uap dibawah 175oC, penggunaan separator untuk memisahkan air dari uap air tidak efisien. Proses pembangkitan listrik pada situasi ini akan lebih efisien jika digunakan siklus biner. Dimana pada siklus biner akan digunakan 2 fluida kerja yaitu campuran uap dan air dari sumur produksi dan fluida kerja lainnya yang memiliki titik didih rendah, biasanya menggunakan senyawa hidrokarbon seperti isobutana dan isopentana, sehingga siklus ini disebut juga siklus Rankine organik. Fluida hidrokarbon berfungsi untuk menerima panas dari campuran uap dan air yang kemudian akan menguap dan dialirkan untuk menggerakkan turbin. Pembangkit listrik dengan sistem biner membutuhkan biaya peralatan yang lebih mahal dari sistem flashed steam conversion.
Gambar 04. Diagram alir dari siklus biner dimana terjadi perpindahan panas dari campuran uap air (brine) dari sumur produksi ke fluida sekunder
Pemanfaatan energi panas bumi sebagai pompa kalor
Panas bumi dapat dimanfaatkan sebagai pompa kalor yang bersifat reversibel. Proses ini disebut juga sebagai pompa kalor geotermal. Pompa kalor jenis ini dapat digunakan untuk menggantikan ataupun sebagai penambahan kalor pada pemanfaatan panas bumi secara langsung untuk keperluan pemanasan ruangan ataupun keperluan pemanasan pada industri proses. Komponen yang diperlukan oleh sistem ini adalah penukar kalor refrigeran-air, sistem perpipaan dan katup pengontrol, sebuah kompressor, lilitan pipa yang berfungsi sebagai penukar kalor ke lingkungan yang dikontrol, kipas, dan peralatan kontrol. Konfigurasi sistem tersebut dapat dilihat pada skema dibawah
Gambar 05. Diagram alir dari pompa kalor geotermal Terdapat 4 jenis pompa kalor geotermal yaitu :
1. Pompa kalor horizontal, merupakan jenis paling efektif untuk pemakaian pada perumahan, terutama pada perumahan baru yang sedang dibangun dimana terdapat lahan yang cukup untuk instalasi pompa kalor horizontal, pompa kalor jenis ini dapat diinstalasi pada parit
2. Pompa kalor vertikal, digunakan pada bangunan besar dimana tidak tersedia lahan yang luas untuk instalasi pompa kalor. Pompa kalor vertikal dipasang sekitar 20 kaki dari bangunan pada kedalaman 100-400 kaki dan dihubungkan ke pipa yang diletakkan pada bagian bawah bangunan.
3. Penggunaan pompa kalor geotermal untuk menghangatkan air di kolam maupun danau untuk mencegah pembekuan air kolam/danau
