TUGAS SISTEM COGENERATION
ANALISIS KONVERSI ENERGI TERBARUKAN
SISTEM COGENERATION PADA INDUSTRI PERTANIAN STUDI KASUS: SISTEM COGENERATION PADA INDUSTRI GULA DI
INDIA
Oleh:
Ali Usman (F1501231002)
Dosen Pengampu :
Dr. Leopold Oscar Nelwan, S.T.P., M.Si.
PROGRAM STUDI TEKNIK PERTANIAN DAN BIOSISTEM SEKOLAH PASCASARJANA
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR 2024
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Industri gula membutuhkan sejumlah besar energi untuk memproses produksinya. Dalam beberapa tahun terakhir, kebutuhan energi industri gula telah meningkat seiring dengan pertumbuhan produksi dan permintaan pasar. Namun, peningkatan ini juga membawa dampak pada biaya operasional yang lebih tinggi dan meningkatnya beban lingkungan. Oleh karena itu, industri gula membutuhkan solusi yang efektif untuk mengatasi tantangan ini.
Salah satu solusi yang dapat digunakan adalah sistem cogeneration, juga dikenal sebagai combined heat and power (CHP). Teknologi ini efektif dalam menghemat energi dan mengurangi emisi gas rumah kaca. Sistem cogeneration bekerja dengan menghasilkan listrik dan panas secara bersamaan dari sumber energi yang sama, seperti bahan bakar fosil, biomassa, atau energi terbarukan.
Dengan demikian, industri gula dapat mengurangi ketergantungannya pada sumber energi eksternal, mengurangi biaya operasional, dan mengurangi dampak lingkungan.
Dalam industri gula, sistem cogeneration dapat diterapkan dalam berbagai tahapan produksi, termasuk pengolahan bahan baku, penggilingan, dan pengeringan. Selain itu, sistem ini juga dapat digunakan untuk menyediakan panas yang diperlukan dalam proses produksi, seperti pengeringan dan pengawetan produk. Dengan demikian, penggunaan sistem cogeneration membantu industri gula mengoptimalkan penggunaan energi, mengurangi biaya operasional, dan mengurangi emisi gas rumah kaca serta polusi udara secara keseluruhan.
1.2 Tujuan
Adapun tujuan dari paper ini adalah untuk menjelaskan mengenai sistem cogeneration pada industri gula terkhusus mengenai penjelasan sistem keseluruhan, komponen cogeneration, dan kinerja dari sistem cogeneration.
BAB 2 PEMBAHASAN 2.1 Sistem Cogeneration Pada Industri Gula
Pembangkit listrik tenaga panas adalah sumber utama pasokan listrik di India.
Namun, metode konvensional yang digunakan dalam pembangkitan dan distribusi listrik ke pelanggan cenderung boros, dimana hanya sekitar sepertiga dari energi primer yang masuk ke pembangkit listrik yang benar-benar tersedia bagi pengguna sebagai listrik.
Efisiensi pembangkit listrik konvensional hanya sekitar sepertiga, dengan dua pertiga energinya hilang. Salah satu penyebab utama kerugian ini adalah panas yang terbuang ke air atau udara sekitarnya karena kendala yang terkait dengan berbagai siklus termodinamika yang digunakan dalam pembangkit listrik. Sebagian besar kerugian, sekitar 10–15%, terjadi selama transmisi dan distribusi listrik melalui jaringan listrik.
Kogenerasi, atau Combined Heat and Power (CHP), merupakan pendekatan yang menarik dengan menggunakan sumber daya biomassa terbarukan untuk produksi bahan kimia (biorefining). Ini adalah salah satu aplikasi di mana industri berkolaborasi dengan universitas dalam penelitian Bersama dengan harapan dapat berkontribusi pada peningkatan dan komersialisasi teknologi tersebut.
CHP didefinisikan sebagai pembangkitan dua bentuk energi berguna yang berbeda secara berurutan dari satu sumber energi primer, biasanya energi mekanik dan energi panas. Energi mekanik dapat digunakan untuk menggerakkan alternator yang menghasilkan listrik, atau mengoperasikan peralatan seperti motor, kompresor, pompa, atau kipas angin. Sementara energi panas dapat dimanfaatkan langsung untuk aplikasi proses, atau digunakan tidak langsung untuk menghasilkan uap, air panas, udara panas untuk pengeringan, atau air dingin untuk proses pendinginan.
Kogenerasi menawarkan beragam teknologi yang dapat diterapkan di berbagai sektor kegiatan ekonomi. Efisiensi penggunaan energi secara keseluruhan dalam mode kogenerasi dapat mencapai 85%, sementara panas dan daya terpisah telah berkurang hingga 10 unit dalam mode ini. Selain menghemat bahan bakar fosil, kogenerasi juga memungkinkan pengurangan emisi gas rumah kaca, terutama
emisi CO2. Produksi listrik yang dilakukan di lokasi mengurangi beban pada jaringan utilitas dan menghilangkan kerugian saluran transmisi. Dari perspektif makro, kogenerasi memiliki manfaat ekonomi yang signifikan dengan memungkinkan sebagian beban keuangan perusahaan listrik nasional ditanggung oleh sektor swasta. Dengan demikian, kogenerasi merupakan pilihan yang masuk akal baik dari segi makro maupun mikro.
Gambar 1. Perhitungan CHP
Gambar 1 mengilustrasikan perhitungan sederhana yang menyoroti efektivitas Combined Heat and Power (CHP) dalam suatu pembangkit yang membutuhkan listrik sebesar 24 kJ dan panas sebesar 34 kJ sebagai kebutuhan beban dasar. Dalam pendekatan konvensional dengan jalur panas dan listrik yang terpisah, total input energi primer pada pembangkit listrik mencapai 60 unit dengan mempertimbangkan efisiensi sebesar 40%. Jika menggunakan ketel terpisah untuk pembangkitan uap, input bahan bakar ke ketel adalah 40 unit dengan efisiensi sebesar 85%. Namun, dengan menerapkan sistem CHP, input bahan bakar yang diperlukan hanya 68 unit karena efisiensi CHP yang mencapai 85% dapat memenuhi kebutuhan energi listrik dan panas secara bersamaan.
Selain menghasilkan efisiensi energi yang lebih baik, pendekatan CHP juga mengurangi kerugian yang ditanggung oleh pihak swasta, sebesar 42 unit, sementara sumber energi dalam negeri dilestarikan. Pada tingkat mikro, implementasi CHP memungkinkan pengurangan total tagihan energi pengguna, terutama ketika terdapat kebutuhan listrik dan panas secara bersamaan di lokasi tersebut. Oleh karena itu, perhitungan ini menunjukkan bahwa penerapan CHP
memiliki potensi untuk meningkatkan efisiensi energi dan mengurangi kerugian dalam pembangkitan energi, baik dari segi ekonomi maupun lingkungan.
2.2 Komponen Cogeneration
Teknologi kogenerasi yang telah banyak dikomersialkan meliputi turbin uap ekstraksi/tekanan balik, turbin gas dengan ketel pemulihan panas (dengan atau tanpa turbin uap terbawah), dan mesin bolak-balik dengan ketel pemulihan panas.
Adapun sistem kogenerasi hanya dengan tekanan balik dapat dilihat pada Gambar 2, sedangkan sistem kogenerasi tipe ekstraksi dan tekanan balik dapat dilihat pada Gambar 3 berikut.
Gambar 2. Sistem Kogenerasi Tipe Tekanan Balik
Gambar 3. Sistem Kogenerasi Tipe Ekstraksi dan Tekanan Balik
Dua jenis turbin uap yang paling umum digunakan dalam sistem kogenerasi adalah turbin tekanan balik dan turbin ekstraksi-tekanan balik. Turbin tekanan ekstraksi-balik juga merupakan variasi lain dari siklus topping turbin uap, yang berguna ketika pengguna akhir membutuhkan energi panas pada dua tingkat suhu yang berbeda. Turbin uap kondensasi penuh biasanya dipilih untuk dipasang di lokasi di mana panas yang dibuang dari proses dapat digunakan untuk menghasilkan tenaga.
Salah satu keuntungan utama penggunaan turbin uap adalah fleksibilitasnya dalam menggunakan berbagai jenis bahan bakar, termasuk batu bara, gas alam, bahan bakar minyak, dan biomassa. Turbin uap juga dikenal memiliki efisiensi yang tinggi dalam pembangkitan listrik, cocok untuk kebutuhan listrik yang bervariasi dari satu megawatt hingga beberapa ratus megawatt. Namun, karena inersia sistemnya, pengoperasian turbin uap tidak cocok untuk lokasi dengan kebutuhan energi yang sering terputus-putus.
2.3 Kinerja Sistem Cogeneration
Sistem cogeneration yang digunakan menunjukkan kinerja yang baik dengan efisiensi energi dan eksergi yang tinggi. Pada kondisi optimal, sistem turbin uap backpressure mencapai efisiensi energi sebesar 0,863 dan eksergi sebesar 0,307,
sedangkan sistem turbin uap kondensasi mencapai efisiensi energi sebesar 0,682 dan eksergi sebesar 0,260.
Kogenerasi mungkin menjadi pilihan yang paling menarik dalam kondisi- kondisi tertentu. Pertama, ketika permintaan akan uap dan tenaga listrik seimbang, ini menandakan adanya konsistensi antara kisaran rasio uap dengan output tenaga yang dapat dihasilkan dari pembangkit kogenerasi yang sesuai. Selanjutnya, kogenerasi dapat menjadi pilihan yang optimal ketika sebuah pembangkit listrik atau sekelompok pembangkit memiliki kebutuhan yang cukup baik untuk kedua jenis energi tersebut, memungkinkan tercapainya skala ekonomi yang lebih efisien.
Terakhir, kemampuan untuk mengelola fluktuasi puncak dan penurunan permintaan, atau memastikan tersedianya pasokan cadangan yang memadai dari perusahaan utilitas, terutama dalam hal pasokan listrik, juga menjadi pertimbangan penting dalam keputusan untuk menerapkan kogenerasi. Dengan memenuhi
kondisi-kondisi ini, kogenerasi dapat menjadi solusi yang efisien dan efektif bagi berbagai jenis industri dan pabrik.
Rasio antara kebutuhan panas dan daya listrik suatu lokasi dapat mengalami variasi yang signifikan sepanjang waktu, terutama tergantung pada perubahan musim dalam setahun. Ketika permintaan akan panas melebihi permintaan akan daya listrik, impor daya dari jaringan listrik eksternal bisa menjadi solusi untuk mengatasi kekurangan output listrik dari unit kogenerasi.
Sebaliknya, ketika ada kebutuhan tambahan untuk panas, penggunaan boiler siaga dapat diaktifkan untuk memenuhi kebutuhan panas yang lebih besar dari biasanya. Dengan memanfaatkan strategi ini, sistem kogenerasi mampu secara fleksibel menyesuaikan diri dengan fluktuasi permintaan energi, menjaga ketersediaan energi yang stabil dan andal di seluruh waktu, dan memastikan efisiensi operasional yang optimal.
Sistem kogenerasi merupakan teknologi yang menghasilkan energi listrik dan panas dari sumber energi primer yang sama. Di India, industri gula memiliki potensi yang signifikan untuk menghasilkan energi berlimpah, sekitar 3500 MW yang dapat diekspor ke jaringan listrik. Namun, dalam menganalisis neraca energi untuk pabrik gula dengan kapasitas aktual 5000 TCD, ditemukan bahwa kebutuhan utilitas panas minimum lebih rendah dari kebutuhan aktual sebesar 9%. Sebagai solusi, sebuah desain evaporator yang dimodifikasi diusulkan untuk mengoptimalkan konsumsi uap dan luas permukaan evaporator.
Meskipun potensi kogenerasi ampas tebu di India besar, implementasinya masih di bawah potensi teoritisnya. Kendala utama adalah biaya investasi yang tinggi. Clean Development Mechanism (CDM) menjadi penting dalam mendorong proyek-proyek energi terbarukan seperti kogenerasi ampas tebu. CDM memberikan insentif kepada negara-negara industri untuk berinvestasi dalam proyek pengurangan emisi di negara berkembang, yang pada gilirannya berkontribusi pada pembangunan berkelanjutan. Proyek kogenerasi ampas tebu menarik dalam CDM karena dapat mengurangi emisi gas rumah kaca dan mendukung pembangunan pedesaan yang berkelanjutan.
Meskipun potensi ketersediaan ampas tebu di India mencapai 67 juta ton per tahun, pemanfaatannya masih di bawah potensi maksimum. Potensi pembangkit
listrik melalui kogenerasi ampas tebu diperkirakan mencapai sekitar 34 TWh, dengan potensi pemanfaatan yang dapat memberikan kontribusi signifikan terhadap pengurangan emisi. Namun, proyeksi tren penyebaran menunjukkan bahwa peningkatan pemanfaatan kogenerasi ampas tebu mungkin tidak akan mencapai potensi maksimumnya dalam waktu dekat tanpa kebijakan yang mendukung.
Dengan penerapan kebijakan yang tepat dan dukungan CDM, pemanfaatan kogenerasi ampas tebu di India dapat dipercepat menuju potensi maksimumnya dengan lebih cepat.
Life cycle assessment (LCA) adalah alat analisis penting yang mencakup
proses atau sistem dari awal hingga akhir. Teknik ini sangat berguna dalam memperkirakan penggunaan energi dan dampak lingkungan dari suatu produk atau sistem. Permintaan gula di pasar dunia sangat tinggi, sehingga industri gula menjadi industri unggulan yang dominan, terutama dalam produksi gula dari tebu. Dalam industri gula, proses produksi menghasilkan kristal gula dalam berbagai ukuran, serta beberapa produk sampingan seperti ampas tebu, molase, blotong, dan abu.
Melalui LCA, dapat dievaluasi secara holistik tentang bagaimana produksi gula mempengaruhi lingkungan sepanjang siklus hidupnya, termasuk efek dari produk-produk sampingannya. Dengan pemahaman yang lebih baik tentang dampak lingkungan dari industri gula, langkah-langkah dapat diambil untuk mengurangi jejak lingkungan dan meningkatkan keberlanjutan proses produksi secara keseluruhan.
Analisis eksergi telah terbukti sebagai alat yang sangat berguna dalam mengevaluasi efisiensi termodinamika proses kimia, serta dalam mengidentifikasi sumber-sumber kerugian yang menyebabkan inefisiensi dalam sebuah pabrik.
Dengan memilih parameter optimal untuk operasi sistem, dapat dicapai pengurangan total kehilangan energi pembangkit sebesar 4,21%.
Selanjutnya, untuk mengevaluasi kinerja berbagai sistem kogenerasi, analisis dilakukan melalui efisiensi energi dan eksergi. Sistem-sistem yang dipertimbangkan termasuk turbin uap, turbin gas, mesin diesel, dan panas bumi.
Data operasional aktual digunakan untuk menganalisis kinerja, dengan mempertimbangkan jumlah output listrik dan termal yang sama untuk memfasilitasi
perbandingan. Selain itu, pengaruh parameter operasional tertentu terhadap efisiensi energi dan eksergi juga diselidiki, seperti tekanan uap dan suhu air.
Hasil analisis menunjukkan bahwa sistem mesin diesel dan panas bumi menonjol secara termodinamika karena memiliki efisiensi eksergi yang lebih tinggi daripada sistem turbin uap dan turbin gas. Analisis eksergi memberikan pemahaman yang mendalam tentang kinerja sistem kogenerasi, memungkinkan perbandingan yang bermakna antara berbagai sistem berdasarkan keunggulannya masing-masing. Temuan ini membuka peluang untuk meningkatkan efisiensi sistem kogenerasi dan memperluas penggunaan kogenerasi dalam konfigurasi sistem energi yang lebih besar, yang pada gilirannya dapat mengurangi penggunaan bahan bakar dan emisi lingkungan.
Analisis eksergi dilakukan pada pabrik kogenerasi yang terintegrasi dengan pabrik gula, menggunakan ampas tebu sebagai bahan bakar, dengan kapasitas 2500 TCD. Metode ini bertujuan untuk mengevaluasi efisiensi keseluruhan sistem dan komponennya serta untuk mengidentifikasi dan menilai kerugian termodinamika.
Analisis ini mempertimbangkan berbagai kondisi masukan uap yang umumnya ditemukan di sekitar industri gula eksportir.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada kondisi masukan uap optimal, yaitu tekanan 61 bar dan suhu 475°C, pembangkit kogenerasi menggunakan turbin uap tekanan balik mencapai efisiensi energi dan eksergi berturut-turut sebesar 0,863 dan 0,307. Di sisi lain, pembangkit yang menggunakan turbin uap kondensasi mencapai efisiensi energi dan eksergi berturut-turut sebesar 0,682 dan 0,260.
Temuan ini mengindikasikan bahwa boiler merupakan komponen yang paling tidak efisien, sedangkan turbin merupakan komponen pembangkit yang paling efisien dalam sistem kogenerasi ini.
Analisis tersebut memberikan wawasan yang penting untuk meningkatkan efisiensi sistem dan mengidentifikasi area-area yang dapat dioptimalkan dalam operasi kogenerasi ampas tebu di industri gula. Perbandingan berbagai skenario sistem kogenerasi untuk produksi energi yang efisien dari bahan bakar ampas tebu di pabrik gula dan etanol di Indonesia telah mengungkapkan beragam pilihan konservasi energi. Ini meliputi penggunaan turbin uap ekstraksi kondensasi,
penggerak listrik berkecepatan variabel untuk peralatan proses, langkah-langkah pengurangan kebutuhan uap bertekanan rendah, dan dua sistem kogenerasi canggih.
Salah satu sistem canggih menggunakan siklus Rankine uap pembakaran langsung bertekanan tinggi 80 bar (SRC tingkat lanjut), sedangkan sistem lainnya menggunakan biomass integrated gasifier combined cycle (BIGCC); keduanya menggunakan pengering bahan bakar. Dengan menggunakan model termodinamika kondisi tunak, diperkirakan bahwa potensi pembangkitan listrik bersih dari sistem BIGCC dan sistem SRC canggih masing-masing sekitar tujuh dan lima kali lipat potensi pembangkitan listrik yang ada. Potensi pembangkitan listrik bersih maksimum untuk masing-masing sistem adalah 170 kWh/tc (BIGCC) dan 140 kWh/tc (SRC lanjutan). Temuan ini menyoroti potensi besar untuk meningkatkan efisiensi energi dan menghasilkan listrik yang lebih bersih melalui penerapan sistem kogenerasi canggih dalam industri ampas tebu di Indonesia.
India, sebagai negara yang mayoritas penduduknya bergantung pada sektor pertanian, telah menunjukkan keahlian yang luar biasa dalam menerapkan teknologi kogenerasi di industri gula. Sebagian besar unit industri gula yang sudah tua telah mengadopsi kembali sistem Combined Heat and Power (CHP) untuk meningkatkan efisiensi keseluruhan operasi mereka. Namun, ada dua tantangan besar yang perlu diatasi. Pertama, adalah investasi awal yang signifikan yang dibutuhkan untuk melakukan retrofitting atau penggunaan teknologi baru. Kedua, adalah ketersediaan bahan bakar alternatif, terutama selama musim sepi. Dengan mengatasi hambatan ini, India bisa terus mengoptimalkan potensi kogenerasi untuk meningkatkan efisiensi energi dan mengurangi dampak lingkungan di sektor industri gula.
BAB 3 PENUTUP 3.1 Kesimpulan
Cogeneration, juga dikenal sebagai Combined Heat and Power (CHP) adalah
proses yang menghasilkan listrik dan panas dari satu sumber energi primer. Sistem cogeneration, terutama pada turbin uap backpressure dan turbin uap kondensasi, menunjukkan kinerja yang baik dengan efisiensi energi dan eksergi yang tinggi.
Komponen-komponen dalam sistem cogeneration, seperti boiler dan turbin, memiliki peran yang berbeda dalam efisiensi keseluruhan sistem. Analisis exergy dapat membantu dalam mengevaluasi kinerja sistem cogeneration dan memungkinkan perbandingan yang bermakna antara sistem-sistem cogeneration yang berbeda.
3.2 Saran
Adapun saran untuk artikel ini agar lebih baik dan komprehensif diperlukan pembahasan yang lebih mendalam mengenai analisis eksergi dalam mengevaluasi kinerja sistem cogeneration. Selain itu, diperlukan juga untuk mempertimbangkan faktor-faktor lain yang dapat mempengaruhi efisiensi dan keberlanjutan sistem cogeneration, seperti keberlanjutan sumber daya dan dampak lingkungan secara menyeluruh.
DAFTAR PUSTAKA
Mane, Suresh D. 2016. Cogeneration in Indian Sugar Industry: A Review.
International Journal of Scientific Engineering and Applied Science (IJSEAS), Volume 2, Nomor 10, 30-40.
