Organic Rankine Cycle

Organic Rankine Cycle (ORC)

Organic Rankine Cycle adalah solusi untuk pembangkitan listrik dari sumber panas bertemperatur rendah atau medium dengan range 80 sampai 350 ^oC. Teknologi ini mampu mengeksploitasi panas yang biasanya terbuang begitu saja. ORC dapat juga menjadi solusi ideal ketika sumber panas terlalu kecil untuk dibuatkan Pembangkit Listrik Tenaga Uap.

Prinsip kerja dari Organic Rankine Cycle sama dengan yang kebanyakan digunakan dari pembangkit listrik yaitu siklus Clausius Rankine. Perbedaan utamanya adalah penggunakan substansi organik untuk menggantikan air atau uap air sebagai fluida kerja. Fluida kerja organik ini memiliki titik didik yang lebih tinggi dan tekanan uap yang lebih besar, sehingga mampu memanfaatkan sumber panas bertemperatur rendah untuk menghasilkan tenaga listrik.

Keuntungan dari ORC dibandingan siklus rankine tradisional

• -          Sesuai untuk aplikasi dengan temperatur rendah
• -          Fluida kerja bisa disesuaikan untuk mencapai efisiensi optimal

Applikasi

• -          Pembangkit listrik tenaga geothermal dan biogass
• -          Heat recovery pada proses industri dan pembangkit listrik

CBM (Coal Bed Methane)

CBM (Coal Bed Methane)

Coal Bed Methane atau CBM adalah natural gas tidak konvensional yang mengandung 100% methane (CH4). Selama proses coalification (proses terbentuknya batu bara), metana dalam jumlah besar terbentuk dan tersimpan didalam rongga pada batu bara (coal). Karena batu bara memiliki rongga yang besar, ia dapat menyimpan metana dalam jumlah banyak bahkan mencapai 6 atau 7 kali lebih banyak dari reservoir natural gas konvensional. Dikarenakan metana sudah menjadi sumber bahan bakar yang menguntungkan, CBM didapat dari tambang batu bara yang sudah ada, tambang batu bara yang belum beroperasi, atau dari lapisan batu bara diperut bumi yang tidak ekonomis untuk ditambang.

CBM hampir identik dengan natural gas konvensional dan digunakan untuk keperluan yang sama, seperti penghangat ruangan, memasak, dan keperluan elektikal.

CBM vs Natural Gas

Pada sumur gas konvensional, tekanan gas di reservoir lah yang menggerakkan gas menuju sumur bor dan naik ke permukaan. Disisi lain, CBM tertahan didalam lapisan batu bara oleh tekanan yang ditimbulkan oleh air. Oleh karena itu, untuk CBM mengalir keluar lapisan batu bara, air yang berlebih ini harus dihilangkan. Ini dapat dilakukan dengan menggunakan teknik open hole completion, dimana pompa penyedot berada dibagian bawah dari sumur. Pompa penyedot akan menghilangkan air dari lapisan batu bara, mengurangi tekanan di lapiran tersebut, dan menyebabkan metana mengalir bebas ke permukaan.

Perbedaan lainnya dari natural gas konvensional dan CBM adalah kedalaman dari sumurnya. Produksi dari CBM umumnya menargetkan lapisan batu bara yang tidak terlalu dalam atau umumnya sekitar 1000 ft sampai 2000 ft, sedangkan sumur dari natural gas konvensional bisa mencapai 8000 ft sampai 12000 ft

(Sumur CBM)

CBM di Indonesia

CBM mulai dikembangkan tahun 2008 di Indonesia.  Tahun 2011 sudah ada listrik yang dihasilkan dari  CBM yaitu didaerah Sanga – Sanga, Kalimantan Timur dibawah kelola Virgina Indonesia Co. CBM Limited (VICO).

Cadangan CBM Indonesia tersebar dalam 11 cekungan. Dengan cadangan 453.3 TCF, Indonesia termasuk nomor 6 di dunia, berdasarkan evaluasi yang dilakukan Advanced Resources International, Inc (ARI) tahun 2003. Berikut hasil evaluasi ARI mengenai cadangan CBM di dunia :

1. Rusia:  450-2.000 TCF
2. China: 700-1.270 TCF
3. Amerika Serikat:  500-1.500 TCF
4. Australia/New Zealand:  500-1.000 TCF
5. Kanada:  360-460 TCF
6. Indonesia:  400-453 TCF
7. Afrika bagian Selatan:  90-220 TCF
8. Eropa bagian Barat:  200 TCF
9. Ukraina:  170 TCF
10. Turki:  50-110 TCF
11. India:  70-90 TCF
12. Kazakhstan:  40-60 TCF
13. Amerika bagian Selatan/Meksiko:  50 TCF
14. Polandia:  20-50 TCF.

Cadangan CBM Indonesia terutama berlokasi di Sumatera Selatan sebesar 183 TCF, Barito 101.6 TCF, Kutai 80.4 TCF dan Sumatera Tengah 52.5 TCF

Fuel Cell

Apa itu Fuel cell?

Fuel cell adalah suatu alat yang menghasilkan listrik dari reaksi kimia. Setiap fuel cell memiliki dua elektroda, satu positif (anoda) dan satu negatif (katoda). Reaksi yang menghasilkan listrik terjadi di elektroda – elektroda tersebut.

Setiap fuel cell juga memiliki elektrolite, yang membawa partikel listrik dari satu elektroda ke elektroda lainnya, dan sebuah katalis yang mempercepat reaksi pada elektroda.

Hidrogen adalah bahan bakar utama, tetapi fuel cell juga membutuhkan oksigen. Satu hal yang menarik dari fuel cell adalah ia dapat menghasilkan listrik dengan angka polusi yang sangat kecil.

Sebuah fuel cell memproduksi listrik DC dengan jumlah yang sedikit sehingga pada prakteknya, fuel cell biasanya digabungkan.

Bagaimana fuel cell bekerja?

Tujuan dari fuel cell adalah untuk menghasilkan arus listrik yang bisa digunakan untuk menghasilkan kerja, seperti memberi daya pada motor, lampu bohlam, atau bahkan kebutuhan listrik di kota. Karena sifat listrik, arus listrik kembali ke fuel cell, menyelesaikan circuit listrik. Reaksi kimia yang memproduksi arus ini merupakan kunci bagaimana fuel cell bekerja.

Terdapat beberapa jenis fuel cell, dan setiap fuel cell bekerja dengan cara yang sedikit berbeda. Namun secara umum, atom hidrogen masuk ke fuel cell pada anoda dimana reaksi kimia membuat elektron pada hidrogen terlepas. Ini menyebabkan atom hidrogen menjadi terionisasi dan membawa muatan positif. Elektron bermuatan negatif melewati kawat sehingga terjadinya kerja. Jika arus AC (Alternating Current) dibutuhkan, output DC pada fuel cell harus diubah menggunakan alat pengkonversi  yang disebut converter.

Oksigen memasuki fuel cell pada katoda dan pada beberapa tipe fuel cell, disana oksigen bertemu dengan elektron yang kembali dari circuit elektrik dan juga bertemu ion hidrogen berasal dari anoda yang sudah melewati elektrolite. Pada tipe fuel cell lain, oksigen membawa elektron dan kemudian melewati elektrolyte menuju anoda, dimana ia bertemu dengan ion hidrogen.

Electryolyte memiliki peranan penting. Electrolyte harus mengijinkan hanya ion yang sesuai untuk lewat antara anoda dan katoda. Jika elektron bebas atau substansi lain dapat melewati electrolyte, mereka akan mengganggu reaksi kimia.

Selama fuel cell disupplai oleh hidrogen dan oksigen, fuel cell akan menghasilkan listrik.

Bahkan, dikarenakan fuel cell menghasilkan listrik secara kimia, bukan secara pembakaran atau combustion, ia tidak terpengaruh oleh hukum termodinamika yang membatasi pembangkit listrik konvensional. Terlebih lagi, fuel cell lebih efisien dalam mengekstrak energi dari bahan bakar. Panas yang terbuang dari beberapa cell juga dapat dimanfaatkan, sehingga meningkatkan efisiensi sistem.

Beberapa tipe fuel cell

Alkali Fuel cell

Alkali Fuel cell beroperasi pada hindrogen dan oksigen yang terkompres. Ia umumnya menggunakan potassium hydroxide  (KOH) pada air sebagai elektrolitenya. Efisiensinya sekitar 70 persen dan temperatur ketika beroperasi adalah 150 sampai 200^oC. Output dari cell berkisar antara 300 watt sampai 5 kilowatt. Cell alkasi digunakan pada penerbangan apollo untuk menyediakan energi listrik dan air minum. Fuel cell jenis ini membutuhkan hidrogen murni sebagai fuel. Namun, Platinumnya yang berfusing sebagai Katalis elektroda sangat mahal. Dan dikarenakan elektrolitenya bersifat cair, fuel cell ini bisa bocor.

(Gambar 1. Alkali Fuel Cell)

Molten Carbonate Fuel cell (MCFC)

MCFC menggunakan temperatur tinggi senyawa garam (seperti sodium atau magnesium, CO₃) sebagai elektrolitenya. Rentang efisiensinya adalah 60 sampai 80 % dan temperatur operasinya sekitar 650 ^oC. Unit bisa menghasilkan output 2 MW sampai 100 MW. Panas yang terbuang dapat didaur ulang untuk menghasilkan tambahan energi listrik. Elektroda nikel yang berfungsi sebagai katalis tidak mahal jika dibandingkan jenis lain yang menggunakan katalis platinum. Namun, temperatur yang tinggi menjadi batasan untuk material dan keamanan. Cell jenis ini mungkin terlalu panas untuk penggunaan di rumah

(Gambar 2. Molten Carbonate Fuel Cell)

Phosporic Acid Fuel cell (PAFC)

PAFC menggunakan phosporic acid sebagai elektrolitenya. Rentang efisiensi berkisar antara 40 sampai 80 % dan temperatur operasi antara 150 sampai 200 ^oC. PAFC mampu memberi output berkisar dari 200kW sampai 11MW. PAFC memiliki toleransi terhadap karbon monokside sekitar 1,5 %, sehingga memperbanyak pilihan fuel yang bisa digunakan. Jika minyak bumi (gasoline) digunakan, sulfur harus dihilangkan. Elektroda platinum dibutuhkan sebagai katalis , dan seluruh internal part harus tahan terhadap korosi.

Proton Exchange Membrane (PEM)

PEM fuel cell bekerja dengan elektrolite polimer yang berbentuk lembaran yang tipis dan berpori. Efisiensi sekitar 40 sampai 50 %, dan temperatur operasi sekitar 80 ^oC. Range output umumnya berkisar antara 50 sampai 250 kW. Elektrolite yang solid dan fleksibel tidak akan menyebabkan terjadinya kebocoran dan keretakan. Cell ini beroperasi pada temperatur kerja yang sangat rendah sehingga menyebabkan  cell ini cocok untuk digunakan dirumah atau dimobil. Tetapi fuelnya harus dimurnikan, dan katalis platinum digunakan dikedua sisi membran (meninggkatkan biaya).

(Gambar 3. Phosporic Acid dan PEM Fuel Cell)

Solid Oxide Fuel cell

SOFC menggunakan senyawa keramik pada metal (seperti kalsium atau zirconium). Efisiensinya sekitar 60 persen dan temperatur operasinya sekitar 1000 ^oC. Output cell mencapai 100 kW. Pada temperatur yang tinggi, reformer tidak dibutuhkan untuk mengekstrak hidrogen dari fuel. Panas yang terbuang juga bisa didaur ulang kembali untuk menciptakan tambahan energi listrik. Namun, temperatur yang tinggi membatasi applikasi unit SOFC. Ditambah lagi ukurannya yang cenderung besar. Meskipun elektrolite merupakan benda padat yang tidak bisa bocor, elektrolite bisa retak.  

(Gambar 4. Solid Oxide Fuel Cell)

Hukum Dasar Termodinamika

4 Hukum Dasar Termodinamika

Terdapat 4 hukum yang mendasari ilmu termodinamika. Hukum – hukum tersebut ialah:

1. Hukum Termodinamika 0
   “If two thermodynamic systems are each in thermal equalibrium with a third, then they are in thermal equilibrium with each other”
2. Hukum Termodinamika 1“Energy can neither be created nor destroyed. It can only change forms. In any process, the total energy of the universe remains the same. For a thermodynamic cycle the net heat supplied to the system equals the net work done by the system.”
3. Hukum Termodinamika 2
   “The entropy of an isolated system not in equilibrium will tend to increase over time, approaching a maximum value at equilibrium.”
4. Hukum Termodinamika 3“As temperature approaches absolute zero, the entropy of a system approaches a constant minimum”

To be continued

Pembangkit Listrik Tenaga Tidal (Air Laut)

Pembangkit Listrik Tenaga Tidal  (Air Laut)

(Tidal Power Plants)

Beberapa dekade terakhir, manusia terus berusaha menemukan sumber energi untuk memenuhi kebutuhan hidupnya. Berdasarkan penelitian, energi tidal mampu memberikan suplai energi dengan jumlah besar. Bahkan beberapa sumber menyatakan potensi energi ini mencapai 450 TWh.

Pengertian Energi Tidal

Energi tidal dapat didefinisikan sebagai energi yang merupakan akibat dari pengaruh gravitasi bulan dan matahari terhadap laut. Perbedaan ketinggian antara pasang dan surut membuat adanya arus laut di daerah pantai. Arus yang kuat berpotensi memutar turbin.

Dimana Energi Tidal Digunakan

Walaupun  jumlahnya tidak sebanyak pembangkit jenis lain, sudah terdapat beberapa pembangkit tenaga tidal yang beroperasi didunia. Salah satunya adalah Pembangkit Listrik Tenaga Tidal La Rance, pembangkit tenaga tidal berskala besar pertama yang sudah dibangun sejak 1966. Pembangkit ini  memanfaatkan  air sungai Rance di Barat Laut Prancis. Pembangkit ini memiliki kapasitas instalasi 240 MW yang didapat dari 24 turbin dengan produksi listrik tahunan mencapai 600 GWh. Jenis pembangkit listrik tenaga tidal di La Rance ini dikenal dengan istilah “tidal barrage power plant”

(Gambar 1. La Rance Tidal Barrage Power Plant)

Jenis Jenis Pembangkit Listrik Tenaga Tidal

Tidal Barrage Energy

Prinsip kerja pembangkit tenaga tidal jenis ini mirip dengan PLTA (Pembangkit Listrik Tenaga Air), dimana harus ada bendungan (barrage) terlebih dahulu. Tidal Barrage power plant terdiri dari tiga bagian utama, pertama adalah bendungannya (barrage) yang berfungsi menahan air atau menjebak air. Bagian kedua adalah pintu air yang berfungsi untuk membiarkan air masuk dan menuju ke bagian ketiga, yakni turbin dan generator.

Pintu air dibiarkan terbukan selama air laut pasang dan tertutup ketika air laut surut. Ini membuat perbedaan energi potensi yang menghasilkan daya ke turbin ketika air dilepaskan.

(Gambar 2. Prinsip kerja Tidal Barrage Power Plant)

 Tidal Stream Generator

Prinsipnya mirip seperti turbin angin atau pembangkit listrik tenaga angin, namun berada dibawah permukaan air. Turbin mengkonversi energi kinetik pada air akibat gelombang laut. Air memiliki densitas 830 kali lebih besar dari udara sehingga mampu menghasilkan lsitrik pada kecepatan yang lebih rendah dari turbin angin

(Gambar 3. Tidal Stream Generator)

Kelebihan dan Kekurangan

Kelebihan

• Sumber energi dapat diperbarui
• Bebas dari emisi
• Pasang surut air laut dapat diprediksi dengan mudah

Kekurangan

• Kontruksi bisa merusak ekosistem laut dan pantai
• Biaya kontruksi mahal
• Hanya menghasilkan listrik ketika arus masuk atau keluar (10 jam sehari)
• Perlengkapan dapat rusak akibat arus atau ombak yang terlalu dasyat

Termodinamika

Termodinamika

(Thermodynamics)

Pendahuluan

Termodinamika adalah ilmu pengetahuan yang sekaligus merupakan engineering tool yang digunakan untuk mendeskripsikan  proses – proses yang mempengaruhi perubahan temperatur, perubahan energi, dan hubungan antara heat (panas) dan work (kerja). Ini digunakan untuk mendeskripsikan performa pada sistem propulsi, power generation (pembangkitan energi), refregerasi, dan untuk  mendeskripsikan aliran fluida, combustion (pembakaran) dan fenomena lainnya.

Definisi dan Dasar dari Termodinamika

Seperti ilmu pengetahuan lain, termodinamika memodelkan dunia nyata dengan matematika.  Agar dapat dimodelkan secara matematika  dan ditarik kesimpulan, kita memerlukan definisi yang tepat terhadap konsep dasar.  Berikut beberapa konsep dasar yang wajib diketahui :

The Continuum Model

Permasalahan umumnya dideskripsikan pada level molecular (mikroskopic) menggunakan teknik statistical mechanics dan kinetic theory. Namun untuk keperluan engineering, kita ingin untuk merata – ratakan informasi (mementingkan informasi makroskopik dibandingkan mikroskopik). Terdapat 2 alasan yakni, pertama, deskripsi mikroskopik pada engineering bisa menimbulkan terlalu banyak informasi untuk diolah. Misal pada 1 mm³ udara pada temperatur dan tekanan standar mengandung 10¹⁶ molekul (VW,S & B:2.2), dan setiap molekul memiliki posisi dan kecepatan masing - masing. Akan sangat susah jika kita melakukan perhitungan dengan mempertibangkan seluruh variabel di setiap molekul ini. Alasan kedua, informasi mikroskopik tidak berguna untuk menentukan bagaimana sistem makroskopik bekerja dan bereaksi, kecuali, efek total dari informasi mikro ini terintegrasi. Ditambah lagi kita mengabaikan fakta bahwa suatu substansi sebenarnya terdiri dari molekul diskrit. Informasi yang kita miliki tentang continuum model (model dalam satu kesatuan) kita anggap sudah mewakili rata –rata  informasi mikroskopik terhadap volume.

The Concept of a “System”

Sistem termodinamika adalah jumlah persoalan pada identitas tetap  dengan batas tertentu (liat gambar 1 sebagai contoh). Batas atau boundaries bisa bersifat tetap atau dapat bergerak. Kerja atau kalor bisa ditransfer melewati batas sistem. Segalanya yang diluar boundary disebut surrounding.

Ketika berhadapan dengan peralatan seperti engine, sangat penting menentukan sistem untuk menjadi sebuah volume yang teridentifikasi dengan aliran masuk (flow in) dan aliran keluar (flow out).  Ini disebut juga control volume (gambar 1)

Suatu sistem tertutup adalah jenis khusus pada sistem dengan boundary yang tidak bisa ditembus. Sistem ini juga kadang – kadang disebut control mass   

(Gambar 1. Control Volume)

The Concept of a “State”

“Thermodynamic state” atau keadaan pada suatu sistem didefinisikan dengan menentukan nilai pada serangkaian properties (sifat) terukur untuk menentukan properties lainnya. Untuk sistem fluida, properties yang umum adalah tekanan, volume, dan temperatur. Sistem yang lebih kompleks mungkin membutuhkan nilai properties lainnya.

Properties mungkin bersifat extensive atau intensive. Extensive Property bersifat additive (tambahan). Sehingga, jika sistem dibagai menjadi beberapa sub system, nilai property dari kesuluruhan sistem adalah sama dengan jumlah dari nilai property di tiap part. Volume adalah extensive property. Intensive property tidak tergantung pada jumlah suatu persoalan yang hadir. Temperatur dan tekanan adalah intensive properties.

Spesific properties adalah extensive properties dibagi per unit massa dan dinotasikan / disimbolkan sebagai huruf kecil.

Contoh :

Spesific properties bersifat intensive karena ia tidak tergantung pada massa sistem

Properties dalam suatu sistem sederhana bersifat seragam. Namun, sering kali kita berhadapan dengan suatu sistem yang propertiesnya bervariasisi dari titik ke titik. Kita dapat menganalisa sistem secara keseluruhan dengan membagi sistem menjadi beberapa sistem sederhana yang masing masing propertiesnya bersifat seragam.

Sangat penting untuk mencatat properties hanya ketika sistem dalam keadaan seimbang (equilibrium).

The Concept of “Equilibrium”

Suatu keadaan (“state”) pada sistem dimana properties sudah terdefinisi dan nilainya tidak berubah selama kondisi eksternal  berubah disebut keadaan seimbang (equiblirium state)

(Gambar 2. Equilibrium)

Sebuah sistem memenuhi kesetimbangan termodinamika jika :

•  Kesetimbangan mekanikal (tidak ada gaya yang tidak seimbang)
•  Kesetimbangan thermal (tidak ada perbedaan temperatur)
• Kesetimbangan kimia

The Concept of a “Process”

Jika suatu keadaan atau “state” pada sistem berubah, maka sistem itu sedang mengalami suatu proses. Urutan keadaan dalam suatu sistem yang berjalan didefinisikan sebagai jalur dari proses (Path of the process). Jika pada akhir proses, property kembali menjadi nilai semula, sistem merupan proses cyclic atau siklus. Namun walaupun sistem kembali ke keadaannya semula dan menyelesaikan siklus, keadaan sekitar mungkin berubah.

Quasi Enguilibrium Processes

Sering kali kita tertarik dalam menggambarkan proses termodinamika antara keadaan pada kordinat termodinamika. Namun, sesuai dengan yang sudah dibahas sebelumnya, properties hanya mendefinisikan keadaan jika sistem dalam keadaan seimbang. Jika proses memiliki unbalanced force, kita tidak bisa menanganinya. Namun sebuah idealisasi dapat dilakukan jika unbalanced force tersebut sangat kecil, sehingga proses dapat dilihat sebagai serangkaian kondisi yang quasi equilbrium (seakan akan seimbang). Agar hal ini dapat dilakukan, proses harus memiliki hubungan yang lambat terhadap variabel waktu yang dibutuh sistem untuk menuju keseimbangan internal. 

Gambar dibawah mendemostrasikan kegunakan kordinat termodinamik untuk memplot isolines (garis memiliki property konstan). Diagram diagram dibawah meliputi, garis temperatur konstan atau isotherms pada diagram p – v, garis volume konstan atau isochors pada diagram T – p, dan garis tekanan konstan atau isobars pada diagram T – v untuk gas ideal.

(Gambar 3. diagram P-v, P-T, dan T-v)

Equation of State

Fakta secara eksperimen menyatakan bahwa dua properties dibutuhkan untuk mendefinisikan suatu keadaan substansi murni pada keseimbangan atau proses yang steady atau quasi – steady.  Untuk gas kompresibel yang sederhana seperti air, berlaku :

P = P(v,T), atau v = v(P,T), atau T = T(P,v),

Dimana v adalah volume per unit massa, P adalah tekanan dan T adalah Temperatur. Hal ini juga menjelaskan bahwa jika kita mengetahui variabel v dan T, kita otomatis mengetahui nilai variabel P. Dan begitu seterusnya.

Hal diatas adalah sama dengan persamaan f(P,v,T) = 0, yang dimana dikenal sebagai equation of state atau persamaan suatu keadaan. 

PLTB (Pembangkit Listrik Tenaga Banyu / Angin)

PLTB (Pembangkit Listrik Tenaga Banyu / Angin)(Wind Turbine atau Turbin Angin)

Kita semua mengetahui bahwa energi angin dikonversi menjadi listrik oleh turbin angin. Tetapi hal yang menarik adalah bagaimana turbin angin mengkonversi energi kinetik pada nagin menjadi energi listrik  dan apa saja bagian utama pada turbin angin.

Bagian utama pada turbin angin

Tower of wind turbine

Tower atau tiang penyangga adalah bagian yang penting dari turbin angin dimana bagian ini menyangga bagian lainnya. Bagian ini tidak hanya sebagai tempat penyangga melainkan menaikkan posisi turbin angin sehingga dapat memperoleh angin yang lebih kuat dan sudu – sudunya aman dari benturan tanah. Tinggi dari tiang penyangga tergantung pada kapasitas turbin angin. Tinggi tiang penyangga dengan kapasitas besar biasanya sekitar 40 sampai 100 meter.

Nacelle of wind turbine

Nacelle adalah kotak besar yang menempel pada ujung tower dan juga merupakan tempat (rumah) untuk seluruh komponen turbin angin. Di dalamnya terdapat power converter, shaft, gearbox, genearator, turbine controller, cable, yaw drive

Rotor Blades of Wind Turbine

Blades atau sudu merupakan bagian mekanikal dari turbin angin yang mengkonversi energi kinetik pada angin menjadi energi mekanikal. Ketika sudu sudu berputar, energi mekanikal diteruskan oleh shaft dan gear sehingga menggerakkan generator dan menghasilkan listrik. Bentuk sudu / blades menyerupai sayap pesawat dengan panjang bisa mencapai 150 ft atau 45 m.

Gambar 1. Kompen Turbin Angin

Shaft of wind turbine

Shaft terkoneksi ke rotor. Ketika rotor berputar, shaft ikut berputar. Pada kondisi ini, rotor mentransfer energi mekanikalnya ke shaft yang terhubung ke generator di bagian ujungnya.

Gearbox

Umumnya, rotor memutar shaft pada kecepatan rendah, namun generator memerlukan kecepatan putar lebih tinggi untuk menghasilkan listrik. Gearbox mampu meningkatkan kecepatan putar menjadi lebih tinggi sesuai dengan yang dibutuhkan generator untuk menghasilkan energi listrik.

Generator

Generator adalah komponen elektrikal yang berfungsi untuk mengkonversi energi mekanikal yang diterima dari shaft menjadi energi listrik. Ia bekerja menggunakan prinsi induksi elektromagnetik untuk menghasilkan perbedaan tegangan. Sebuah generator sederhana terdiri dari magnet dan konduktor. Konduktor umumnya kawat yang melingkar. Didalam generator, shaft terhubung ke gabungan permanen magnet yang dikelilingi oleh magnet dan satu dari bagian tersebut berputar relatif bagian lainnya, sehingga menginduksi voltase pada konduktor. Ketika rotor berputar terhadap shaft, shaft tersebut memutar gabungan magnet dan menghasilkan voltase pada gulungan kawat.

Power converter

Dikarenakan angin tidak selalu konsisten maka potensial listrik yang dihasilkan dari generator tidaklah konstan. Padahal kita memerlukan tegangan yang sangat konstan untuk disalurkan ke grid (jaringan listrik). Power converter adalah komponen elektrikal yang berfungsi menstabilkan output listrik yang dikirim ke grid

Turbine controller

Turbine controller adalah computer (PLC) yang mengontrol keseluruhan turbin. Benda ini memberi perintah start dan stop pada turbin dan menjalankan selft diagnostic ketika terdapat error pada turbin

Anemometer

Benda ini bertujuan untuk mengukur kecepatan angin dan mengirim informasi tersebut ke PLC.

Wind Vane

Benda ini bertujuan untuk mengetahui arah angin dan mengirim informasi tersebut ke PLC. PLC kemudian mengarahkan sudu – sudu ke arah yang mendapatkan angin secara optimal.

Pitch Drive

Motor pitch drive berfungsi untuk mengontrol sudut sudu sehingga angin mengenai sudu dengan sudut optimal

Yaw drive

Sudu – sudu (blades) dan komponen lainnya yang berada di nacelle juga harus bergerak ketika arah angin berubah supaya energi yang dihasilkan maksimal. Oleh karena itu terdapat Yaw  drive yang berguna untuk memutar nacelle. Yaw drive dikontrol oleh PLC yang mendapatkan informasi arah angin dari wind vane

Prinsip Kerja Turbin Angin

 

Gambar 2. Prinsip Kerja Turbin Angin

Ketika angin mengenai sudu - sudu pada rotor, sudu – sudu mulai berputar. Ketika sudu sudu berputar, komponen mekanikal di nacelle (shaft dan gearbox) meneruskan energi mekanikal ini sampai ke generator. Output keluaran dari generator adalah energi listrik. 

Listrik keluaran dari generator diberikan ke rectifier dan output rectifier diberikan ke line converter yang berfungsi untuk menstabilkan output AC yang akan disalurkan ke grid. Listrik berlebih digunakan sebagai ISU (internal supply unit) atau mensupplai kebutuhan listrik pada komponen internal turbin angin (seperti motor dan driver lainnya).   

Siklus Rankine

Siklus Rankine

(Rankine Cycle)

Prinsip termodinamik sangat berguna dalam mengetahui siklus energi pada pembangkit listrik (misal, keluaran daya netto) atau pada system refrigerasi atau heat pump (mengetahui kebutuhan daya masuk)

Siklus Rankine Ideal

(Ideal Rankine Cycle)

Siklus Rankine adalah siklus dasar untuk seluruh jenis pembangkitan yang fuilda kerjanya secara terus menerus merubah fasenya dari liquid (cair) ke vapor (uap) dan sebaliknya

Berikut diagram (p-h) dan (T-s) pada siklus Rankine :

(Gambar 1. Diagram (P-h) dan (T-s) pada siklus Rankine)

1-2-3. Proses penambahan kalor dengan tekanan konstan

Boiler adalah tempat pertukaran panas besar dimana panas atau kalor dari pembakaran batu bara atau minyak berpindah ke air pada tekanan konstan. Air memasuki boiler setelah keluar dari pompa (boiler feed pump) sebagai liquid bertekanan tinggi (titik 1) dan dipanskan sampai menjadi uap jenuh (titik 3).

Persamaan energi diboiler atau energi yang masuk ke system adalah,

Q_in = h₃ – h₁

3-4. Ekspansi isentropic pada turbin

Uap bertekanan tinggi keluaran dari boiler masuk ke turbin (titik 3) dan mengalami ekspansi isentropic yang menyebabkan sudu turbin berputar sehingga generator juga ikut berputar dan kemudian menghasilkan energi listrik. Uap yang sudah mengalami ekspansi mengalami penurunan tekanan (titik 4)

Kerja turbin mengikuti persamaan,

W_turbine = h₃-h₄

4-5. Pelepasan kalor dengan tekanan konstan di kondensor

Pada titik 4, uap bertekanan rendah memasuki kondensor dan mengalami kondensasi sehingga berubah fase menjadi cari (titik 5). Pada langkah ini terjadi pelepasan kalor yang mengikuti persamaan,

Q_out = h₄ – h₅

5-1. Kompresi isentropic pada pompa   

Fluida cair keluaran dari kondensor masuk ke pompa kembali untuk dinaikkan tekanannya kembali sebelum masuk ke boiler (titik 1)

Kerja pompa sesuai dengan persamaan :

W_{pump in} = h₁-h₅

Efisiensi Thermal Untuk Siklus Rankine

Ket : 

 = Efisiensi

Q_in = Kalor / energi masuk ke system

Q_out = kalor atau energi keluar dari sistem

W₃₄ = kerja pada langkah 3 -4

W₅₁ = kerja pada langkah 5 - 1

Q₁₃ = kalor masuk pada langkah 1 - 3

PLTD (Pembangkit Listrik Tenaga Diesel)

PLTD (Pembangkit Listrik Tenaga Diesel)

(Diesel Power Plant)

Untuk membangkitkan energi listrik, sangatlah penting untuk bisa menggerakkan rotor pada altenator. Rotor dapat digerakkan dengan beberapa metode, salah satunya adalah dengan memanfaatkan tenaga hasil pembakaran pada mesin diesel. Ketika penggerak alternator adalah mesin diesel, maka pembangkit tersebut disebut PLTD (Pembangkit Listrik Tenaga Diesel) atau Diesel Power Plant.

PLTD memerlukan biaya investasi yang besar karena harga mesin dieselnya tidak murah, sehingga pembangkit tipe ini tidak cocok untuk memproduksi energi listrik dengan skala besar. Namun untuk skala kecil dan lokasi yang susah dijangkau (misal tidak ada sungai atau jalur transport memadai) pembangkit ini sangat sesuai.

PLTD juga sering digunakan sebagai sumber energi stand by di beberapa industri. Ketika sedang mati listrik atau suplai listrik terputus, mesin diesel dijalankan untuk memenuhi kebutuhan.

Keuntungan dan Kekurangan

Keuntungan :

• Simpel dalam desain
• Membutuhkan tempat yang kecil
• Dapat didesain portable
• Proses starting cepat
• Pendinginan gampang, dan membutuhkan jumlah air yang sedikit
• Initial cost lebih rendah dari tipe pembangkit lainnya
• Efisiensi thermal lebih tinggi dari pada pembangkit yang menggunakan batu bara

Kekurangan :

• Bahan bakar diesel lebih mahal dibandingkan batu bara (running cost lebih besar daripada PLTA ataupun PLTU)
• Kapasitas pembangkitan umumnya kecil
• Biaya untuk pelumasan tinggi
• Maintenance rumit dan cenderung memerlukan biaya besar
• Pembangkit tidak cocok untuk kondisi overload pada periode yang lama

PLTS (Pembangkit Listrik Tenaga Surya)

PLTS (Pembangkit Listrik Tenaga Surya)

(Solar Power Plant) 

Energi Surya

Taukah kamu seberapa besar matahari? Matahari sekitar 333 ribu kali lebih besar dari bumi. Matahari juga terletak sangat jauh, yaitu sekitar 93 juta mil dari kita. Temperatur permukaan matahari mencapai 5.600 ^oC dan bagian inti mencapai 15.000.000 ^oC .

Reaksi nuklir secara terus menerus terjadi di matahari.  Hanya matahari sumber dari berbagai energi yang ada di muka bumi ini, dan bahkan menyediakan energi yang dibutuhkan untuk seluruh makhluk hidup untuk bertahan hidup. Matahari mengatur iklim dan cuaca di bumi.

Sangatlah jelas bahwa energi listrik yang kita gunakan sehari hari juga secara tidak langsung berasal dari matahari. Jadi jika matahari merupakan sumber dari sumber energi yang biasa kita gunakan, maka dengan kata lain cahaya matahari sendiri dapat menjadi sumber langsung untuk menghasilkan energi listrik.

Prinsip PLTS

Pembangkitan listrik menggunakan energi matahari bergantung pada efek photovoltaic pada material. Terdapat beberapa material yang memproduksi arus listrik ketika material ini terkena sinar matahari secara langsung. Efek ini dapat terlihat pada 2 lapisan tipis pada material semikonduktor. Ketika cahaya matahari menyinari lapisan pertama pada material semikonduktor, lapisan tersebut menyerap photon pada cahaya matahari dan menyebabkan electron berpindah ke lapisan berikutnya. Fenomena ini menyebabkan adanya arus yang mengalir sehingga menimbulkan perbedaan tegangan antara kedua lapisan. Unit yang merupakan kombinasi dari 2 lapisan semikonduktor ini disebut solar cell dan umumnya menggunakan silicon.

Sebuah sel surya (solar cell atau photovoltaic cell) hanya menghasilkan energi listrik dalam jumlah yang sedikit, sehingga untuk memenuhi kebutuhan listrik dengan jumlah tertentu, dibutuhkan banyak sel surya yang terhubung baik secara seri ataupun paralel yang membentuk solar module (panel surya).

(Gambar 1. Panel Surya)

Aplikasi pada Pembangkit Listrik Tenaga Surya

Sistem pembangkitan listrik menggunakan tenaga surya sangatlah berguna untuk menghasilkan jumlah energi listrik dengan jumlah menengah. Sistem bekerja selama terdapat intensitas cahaya  yang memadai. Untuk hasil yang optimal, panel surya atau pembangkit tenaga surya seharusnya di install yang bebas dari penghalang seperti pohon atau bangunan tinggi.

(Gambar 2. Aplikasi Pembangkit Listik Tenaga Surya)

PLTN (Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir)

PLTN (Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir)

Listrik bisa dihasilkan dengan menggunakan energi nuklir atau reaksi nuklir. PLTN (Pembangkit listrik tenaga nuklir) atau Nuclear Power Plant secara umum memiliki 4 elemen utama yaitu : Reaktor Nuklir (nuclear reactor), Heat Exchanger, Turbin Uap (steam turbine) dan Alternator.

Prinsip Kerja

Prinsip dasar pada pembangkit listrik tenaga nuklir adalah sama dengan pembangkit listrik tenaga uap. Perbedaannya adalah pada sumber panas yang digunakan untuk menghasilkan uap (pada PLTU umumnya menggunakan batu bara, namun pada PLTN menggunakan panas akibat reaksi fisi).  Uap panas akan digunakan untuk memutar turbin uap yang terhubung dengan altenator. Altenator menghasilkan energi listrik.

Meskipun ketersediaan bahan bakar nuklir (nuclear fuel) untuk PLTN tidaklah banyak, tapi dengan sedikit  bahan bakar nuklir mampu menghasilkan energi listrik dengan jumlah yang besar. 1 kg uranium mampu menghasilkan panas sebanyak pembakaran pada 4500 metric tons batu bara (grade coal). Inilah alasannya mengapa walaupun bahan bakar nuklir (nuclear fuel) lebih mahal,  tapi biaya bahan bakar per unit energi listrik yang dihasilkan lebih rendah daripada pembangkit dengan berbahan bakar batu bara atau minyak bumi. Untuk mengatasi era krisis bahan bakar saat ini, pembangkit listrik tenaga nuklir mampu menjadi alternatif yang menjanjikan.

Reaksi Fisi

Elemen radioaktif seperti Uranium (U₂₃₅) atau Thorium (Th₂₃₂) digunakan pada reaksi fisi. Reaksi fisi dilakukan di alat khusus yang disebut reaktor.

Pada reaksi fisi, inti dari atom radioaktif pecah menjadi 2 bagian yang sama. Pada proses pecahnya inti atom ini, energi dalam jumlah besar dihasilkan. Energi yang dihasilkan adalah karena mass defect. Ini berarti total massa atom awal akan menjadi berkurang selama reaksi fisi. Masa yang hilang selama reaksi fisi akan dikonversi menjadi energi panas mengikuti persamaan temuan Albert Einstein, E= mc²  .

Keuntungan dan Kekurangan

Keuntungan :

• Konsumsi bahan bakar per unit energi listrik yang dihasilkan rendah
• Tempat yang diperlukan lebih kecil dibandingkan dengan pembangkit konvensional lain dengan kapasitas yang sama
• Tidak perlu repot masalah pengiriman bahan bakar
• Ketersediaan bahan bakar nuklir (nuclear fuel) yang masih berlimpah di perut bumi, bahkan sampai ribuan tahun lagi

Kerugian :

• Bahan bakar tidak dapat diperoleh dengan mudah
•  Initial cost tinggi
• Menyebabkan polusi radioaktif ke lingkungan
• Biaya maintenance lebih tinggi
• Membutuhkan operator dan tenaga pekerja yang terlatih dikarenakan sangat beresiko
• Tidak sesuai untuk daerah dengan beban listrik yang berfluktuasi secara mendadak
• Limbah yang dihasilkan sangat berbahaya. Hanya bisa dibuang jauh dibawah tanah atau jauh ketengah laut.
• Dampak yang dihasilkan jika terjadi kecelakaan sangat besar (Misal : kecelakaan pada rektor di Fukushima)

PLTU (Pembangkit Listrik Tenaga Uap)

PLTU (Pembangkit Listrik Tenaga Uap)

Definisi

PLTU (pembangkit listrik tenaga uap) adalah jenis pembangkitan yang paling konvensional di dunia pembangkitan listrik.  Pembangkitan jenis ini masuk kategori pembangkitan menggunakan tenaga panas (thermal power generation).

Prinsip Kerja PLTU (Pembangkit Listrik Tenaga Uap)

Teori membangkitkan listrik menggunakan panas sangatlah simpel. Pembangkit listrik secara umum terdiri dari alternator dan turbin. Turbin yang terhubung dengan alternator digerakkan oleh uap bertekan tinggi yang dihasilkan dari boiler. Umumnya di Indonesia, batu bara, gas bumi atau minyak bumi merupakan bahan bakar untuk memanaskan boiler tersebut.

Pada pembangkit berbahan bakar batu bara, uap bertekan tinggi dihasilkan dikarenakan adanya panas akibat pembakaran batu bara di tungku pembakaran (boiler furnace). Uap keluaran dari boiler berada pada fase super heated. Uap berfase super heated ini memasuki turbin dan memukul sudu pada turbin (turbine blades) sehingga menyebabkan turbin berotasi. Secara mekanikal turbin terhubung dengan generator yang rotornya akan berputar akibat rotasi dari turbin. Setelah memasuki turbin, tekanan uap berkurang secara drastis, dan uap bertekanan rendah ini memasuki condenser. Uap bertekanan rendah ini akan bertemu dengan air dingin sehingga terjadi peristiwa perpindahan panas yang menyebabkan uap berkondensasi menjadi air kembali. Air akan kembali masuk ke boiler untuk dipanaskan, dan begitu seterusnya.    

Line Diagram of Steam Power Plant

Keuntungan dan Kekurangan PLTU (Pembangkit listrik Tenaga Uap)

Keuntungan :

-          Initial cost relatif lebih rendah dibandingkan pembangkit listrik lain

-          Lahan yang dibutuhkan lebih sedikit dibandingkan Pembangkit Listrik Tenaga Air

-          Maintenance atau proses perawatan lebih mudah

-          Lokasi pembangkit bisa dimana saja

Kekurangan :

-          Running cost relatif lebih tinggi dikarenakan bahan bakar dan maintenance

-          Polusi lingkungan (asap)

-          Bahan bakar (batu bara, minyak bumi, atau gas bumi) bersifat tidak dapat diperbarui (non renewable energy)

-          Overall efficency pada pembangkit jenis ini umumnya dibawah 30%

Jenis - Jenis Pembangkitan Listrik

Jenis – Jenis Pembangkitan Listrik

(Overview singkat)

Berdasarkan tipe bahan bakar / energi penggerak turbin, terpada 3 tipe pembangkit listrik yang sudah umum beroperasi (conventional power generation)

1. Thermal Power Generation  (panas) PLTU (pembangkit listrik tenaga uap) atau steam power plant dan PLTG (pembangkit listrik tenaga gas) atau gas power plant merupakan contoh pembangkitan jenis ini.  Secara sederhana prinsip kerja pembangkit jenis ini adalah dengan memutar turbin menggunakan uap atau gas panas yang bertekanan tinggi.
2. Nuclear Power Generation  (nuklir)
   Contoh pembangkit jenis ini adalah PLTN (pembangkit listrik tenaga nuklir). Prinsipnya sama dengan thermal power generation yaitu memutar turbin menggunakan tenaga dari uap bertekanan tinggi. Namun sumber panas pada pembangkit jenis ini adalah reaksi fusi pada uranium , bukan dari bahan bakar fosil (gas bumi, minyak bumi ataupun batu bara).
3. Hydro – electric Power Generation (air)PLTA (pembangkit listrik tenaga air) atau hydro power plant adalah contoh pembangkit dengan jenis ini. Tidak seperti dua jenis pembangkit diatas, pembangkitan jenis ini memanfaatkan energi potensial pada air untuk memutar turbin.

Selain tiga tipe umum ini  terdapat juga beberapa teknik lain membangkitkan listrik atau sering disebut alternative methods atau non conventional energy of power production, yaitu:

•  Solar Power Generation (Panas Matahari)
• Geo Thermal Power Generation (Panas Bumi)
• Tidal Power Generation (Gelombang laut)
• Wind Power Generation (angin)

Sumber pembangkitan alternatif ini menjadi pusat perhatian di beberapa dekade terakhir. Ini dikarenakan sumber – sumber ini bersifat lebih ramah lingkungan dan dapat diperbarui (renewable)

Apa itu Pembangkit Listrik?

Apa itu Pembangkit Listrik?

(Pengertian dan Definisi Pembangkit Listrik)

Pembangkit listrik atau Power Plant adalah sesuatu fasilitas untuk menghasilkan energi listrik.  Pembangkit listrik (power plant) menghasilkan energi listrik dengan mengkonversi energi lain. Tipe dari energi yang dikonversi tergantung pada tipe pembangkit listrik. Setiap tipe pembangkit listrik memiliki kelebihan dan kekurangannya masing masing.

Energi dari pembangkit listrik dari dari berbagai sumber. Beberapa sumber tidak dapat diperbarui (nonrenewable energy), seperti Gas Bumi (natural gas), Minyak Bumi (oil), batu bara (coal) dan nuklir. Namun beberapa sumber juga bersifat bisa diperbarui (renewable energy), seperti, biomassa (kayu, kotoran hewan). Biaya dan efisiensi pembangkit tergantung pada kualitas sumber dan kualitas perangkat elektrikal maupun mekanikal pada unit pembangkitan.

Bahan bakar yang paling banyak digunakan sampai saat ini adalah : bahan bakar fosil (Minyak bumi, gas bumi dan batu bara), nuklir, dan biomass.

Setiap sumber bahan bakar memiliki kekurangan. Contoh, bahan bakar fosil bersifat terbatas dan tidak dapat diperbarui. Fosil juga menghasilkan karbon dioksida sehingga menimbulkan polusi ke lingkungan. Sama seperti bahan bakar fosil, bahan bakar nuklir juga tidak bisa diperbarui. Ditambah lagi nuklir sangatlah berbahaya. Kecelakaan pada pembangkit listrik tenaga nuklir dapat menyebabkan terlepasnya zat radioaktif ke lingkungan dan menimbulkan efek kerusakan jangka panjang. Namun pembangkit listrik tenaga nuklir mampu menghasilkan energi listrik dalam jumlah besar tanpa terlalu banyak memakan sumber daya (uranium).