Sekilas Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi

Siklus Penguapan Tunggal (Single Flash Steam Cycle)

Dalam tulisan terdahulu yaitu Geothermal, The Suitable Energy for Indonesia dan Geothermal, what is that?, saya telah memaparkan secara umum mengenai pemanfaatan panas bumi atau geothermal sebagai pembangkit tenaga listrik (PLTP). Sedangkan tentang Pengertian dan Komponen Sistem Geothermal itu sendiri dapat dibaca di link ini. Dalam tulisan kali ini, saya akan memaparkan tentang siklus pembangkit tenaga yang biasa digunakan dalam dunia panas bumi. Terdapat beberapa siklus pembangkit tenaga yang dapat digunakan untuk pembangkit listrik tenaga panas bumi, seperti: siklus uap kering, siklus penguapan tunggal, siklus penguapan ganda, siklus pemisahan, siklus kombinasi, dan siklus biner. Dalam tulisan ini hanya akan dipaparkan tentang siklus penguapan tunggal. Siklus penguapan tunggal cocok untuk sistem temperatur tinggi baik pada lingkungan reservoir dominasi air maupun pada reservoir dominasi uap.

Diagram T-s

Diagram T-s merupakan kurva yang menghubungkan temperatur (T) dengan entropi (s) dari fluida, dalam hal ini fluida panas bumi dianggap memiliki karakteristik sama dengan air murni. Apa itu entropi? Saya tidak akan menjelaskan seluk-beluk entropi yang berkaitan dengan hukum ke II Termodinamika ini. Dalam hal ini, yang penting untuk diingat adalah proses konversi energi yang terkandung dalam uap panas bumi menjadi energi listrik akan menghasilkan efisiensi paling tinggi jika tidak ada perubahan entropi sebelum dan sesudah proses (isentropic). Untuk tujuan-tujuan praktis, harga entropi pada tekanan dan temperatur tertentu dapat dilihat dengan mudah di tabel-tabel uap (Steam Table). Contoh diagram T-s diperlihatkan oleh gambar di bawah ini.

Contoh Keadaan Pada Diagram T-s

Tingkat keadaan termodinamik fluida dapat ditentukan dari diagram T-s di atas. Garis lengkung sebelah kiri menunjukkan keadaan tersaturasi air jenuh (100% berisi air) dan garis lengkung sebelah kanan menunjukkan keadaan tersaturasi uap jenuh (100% berisi uap), sedangkan di antara kedua garis tersebut menunjukkan fluida dalam keadaan dua fasa (campuran air dan uap). Misalkan terdapat fluida dalam keadaan a, b, c, dan d yang mempunyai temperatur dan entropi seperti diperlihatkan oleh gambar di atas. Maka dapat disimpulkan bahwa fluida a adalah air jenuh, fluida b adalah dua fasa, fluida c adalah dua fasa, dan fluida d adalah uap jenuh. Fluida c mempunyai kandungan uap atau fraksi uap yang lebih tinggi dibandingkan fluida b yang ditunjukkan oleh posisinya yang lebih mengarah ke garis saturasi uap di sebelah kanan.

Siklus Penguapan Tunggal (Single Flash Steam Cycle)

Sebagaimana telah disebutkan di atas, siklus ini cocok untuk reservoir dengan temperatur tinggi. Secara umum, fluida yang muncul di permukaan atau di kepala sumur adalah fluida dua fasa dengan kandungan air tinggi. Untuk mendapatkan fraksi uap yang lebih banyak, maka tekanan fluida diturunkan, proses ini dikenal dengan istilah flashing. Pada saat flashing, tekanan fluida turun bersamaan dengan penurunan temperatur, entalpi tetap, entropi naik, dan yang paling penting adalah jumlah fraksi uap meningkat. Entalpi, yang disebutkan di atas, adalah jumlah energi yang terkandung dalam fluida, lazim dinyatakan dalam ‘kilojoule/kg’. Diagram T-s untuk siklus penguapan tunggal diperlihatkan oleh gambar berikut.

Tingkat - Tingkat Keadaan Pada Siklus Penguapan Tunggal

Berikut penjelasan dari diagram T-s di atas:

1).

Titik 1 merupakan keadaan fluida di permukaan atau di kepala sumur. Terlihat pada diagram T-s di atas bahwa fluida di kepala sumur merupakan fluida dua fasa (campuran air dan uap) dengan kandungan air sangat tinggi (bisa lebih dari 90%).

2).

Titik 2 merupakan keadaan fluida di separator atau alat pemisah antara air dan uap. Fluida pada keadaan ini telah mengalami flashing dimana telah terjadi penurunan tekanan yang bersamaan juga dengan penurunan temperatur. Terlihat pada diagram T-s di atas bahwa pada titik 2, fluida merupakan fluida dua fasa dengan kandungan uap yang lebih banyak dibandingkan dengan keadaan semula di titik 1. Pada titik 2 ini, dilakukan pemisahan antara air dan uap. Air dibawa ke titik 3 untuk selanjutnya menuju sumur injeksi sedangkan uap dibawa ke titik 4 untuk selanjutnya masuk ke turbin.

3).

Titik 3 merupakan keadaan air yang telah terpisahkan dari uap, sebagai mana dijelaskan pada point 2 di atas. Air hasil pemisahan ini selanjutnya akan dikembalikan ke dalam perut bumi melalui sumur injeksi.

4).

Titik 4 merupakan keadaan uap yang telah terpisahkan dari air, sebagai mana dijelaskan pada point 2 di atas. Titik 4 ini merupakan titik masuk turbin. Adanya penurunan tekanan (pressure losses) sepanjang pipa alir dari separator ke turbin menyebabkan titik 4 jatuh tidak segaris dengan titik 2, andaikan tidak ada pressure losses maka titik masuk turbin akan jatuh segaris dengan titik 2, yaitu di titik 4’.

5).

Titik 5 merupakan titik keluar turbin. Titik ini sekaligus merupakan titik masuk ke kondensor. Adanya rugi-rugi daya yang terjadi selama uap memutar turbin, seperti heat losses akibat gesekan antar komponen, menyebabkan entropi keluar turbin lebih besar dibandingkan dengan entropi saat masuk turbin. Andaikan proses ini ideal, maka entropi keluar turbin akan sama dengan entropi saat masuk turbin (isentropic) atau titik keluar turbin akan jatuh di titik 5s. Semakin proses ini mendekati isentropic maka akan semakin tinggi efisiensi yang diperoleh.

6).
Terlihat pada diagram T-s di atas bahwa keadaan fluida keluar turbin, yaitu di titik 5, adalah fluida dua fasa. Biasanya fraksi uap pada keadaan ini di atas 80%. Fluida yang keluar dari turbin ini harus diinjeksikan kembali ke dalam perut bumi. Namun, menginjeksikan fluida dua fasa dominasi uap seperti ini bukanlah perkara mudah. Hal ini karena massa jenis uap sangat kecil dibandingkan dengan air sehingga uap lebih cenderung bergerak ke atas. Oleh karena itu, fluida di titik 5 harus dikondensasikan menjadi air jenuh terlebih dahulu sebelum diinjeksikan. Proses kondensasi ini terjadi di dalam kondensor dan keadaan fluida keluar kondensor adalah titik 6, yaitu keadaan air jenuh. Fluida di titik 6 ini selanjutnya diturunkan lagi temperaturnya di menara pendingin sebelum akhirnya diinjeksikan kembali ke dalam perut bumi melalui sumur injeksi kondensat.

Besarnya daya listrik yang dapat dibangkitkan sebanding dengan perbedaan antara temperatur masuk dan temperatur keluar turbin atau sebanding dengan (T4-T5). Temperatur keluar turbin biasanya terbatas pada kisaran 39-46 0C. Temperatur masuk turbin bergantung pada temperatur fluida panas bumi yang keluar dari reservoir. Sehingga semakin tinggi temperatur reservoir maka akan semakin besar daya listrik yang bisa dihasilkan.

Diagram skematik sederhana dari siklus penguapan tunggal diperlihatkan oleh gambar berikut ini.

Gambar Skematik Siklus Penguapan Tunggal

Pada gambar diagram skematik di atas, terlihat bahwa fluida panas bumi keluar dari perut bumi melalui sumur produksi. Fluida ini selanjutnya dialirkan dan di-flashing ke dalam separator. Di dalam separator terjadi pemisahan antara air dan uap. Air hasil pemisahan ini selanjutnya dialirkan ke sumur injeksi sedangkan uapnya dialirkan menuju turbin. Di turbin, uap selanjutnya akan memutar sudu-sudu turbin sehingga pada akhirnya akan dihasilkan energi listrik.

Fluida yang keluar dari turbin selanjutnya dialirkan ke kondensor. Di dalam kondensor, fluida yang masih dalam keadaan dua fasa ini akan dikondensasikan. Pada dasarnya, prinsip dari proses kondensasi ini adalah mengalirkan fluida dingin ke fluida dua fasa tersebut sehingga fluida dingin akan menyerap sebagian kalor dari fluida dua fasa. Kalor yang terserap ini kira-kira hampir sama dengan kalor laten pada keadaan tersebut. Kalor laten merupakan kalor yang dibutuhkan untuk mengubah air menjadi uap atau kalor yang dilepaskan ketika uap mengembun menjadi air. Akhir dari proses kondensasi ini adalah terubahnya fluida dua fasa menjadi fluida satu fasa air akibat terserapnya sebagian kalor dari fluida dua fasa oleh fluida dingin. Dalam hal ini, fluida dingin diperoleh dari air di menara pendingin yang dialirkan ke kondensor.

Fluida yang keluar dari kondensor merupakan fluida satu fasa air, namun demikian temperatur dari fluida ini relatif tidak berubah terhadap temperatur awal saat memasuki kondensor. Hal ini karena proses pelepasan kalor dari fluida tersebut hanya cukup untuk mengubah fasanya menjadi air tetapi tidak cukup untuk menurunkan temperaturnya. Oleh karena itu, fluida yang keluar dari kondensor ini selanjutnya dialirkan menuju menara pendingin untuk diturunkan temperaturnya. Setelah didinginkan di menara pendingin, sebagian dari fluida ini dialirkan kembali ke kondensor untuk mengkondensasikan fluida berikutnya yang keluar dari turbin dan sisanya diinjeksikan kembali ke dalam perut bumi. Proses seperti ini terus berulang dan mencipatakan sebuah siklus.

Demikian cerita tentang siklus penguapan tunggal pada PLTP. Dalam tulisan lain, yaitu "Fasilitas Lapangan Uap Pada Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi", saya memaparkan mengenai fasilitas-fasilitas yang terlibat pada siklus di atas, seperti; separator, menara pendingin, dan lain-lain, dilengkapi dengan foto.


Penulis: Robi Irsamukhti

Copyleft

Silahkan mengutip, mengkopi bahkan menge-teh, dan menyebarkan materi ini selama menyebutkan penulis dan sumbernya.