Optimasi Sistem Energi (Klp. 1) [PDF]

Citation preview

BAB I PENDAHULUAN A.



LATAR BELAKANG Teknik optimasi merupakan suatu cara yang dilakukan untuk memberikan hasil terbaik yang diinginkan. Teknik optimasi ini banyak memberikan menfaat dalam mengambil keputusan dan dapat diterapkan dalam berbagai bidang ilmu baik ilmu teknik, ekonomi, kepolisian, politik, social dan lain sebagainya. Bentuk contoh penerapan ini diantaranya adalah dalam ilmu disain konstruksi sipil atau mesin, pemeliharaan jaringan, system kendali dan pengoperasian mesin listrik, penyaluran daya listrik dan lain sebagainya yang membutuhkan pengambilan keputusan yang tepat agar diperoleh pengeluaran biaya minimum dengan pemanfaatan yang paling maksimal (optimal). Dilain pihak bisa juga untuk mendapatkan keuntungan maksimal dengan biaya dan kerja atau pembuatan alat yang semurah dan se-efisien mungkin (optimal). Optimasi sistem energi di sini dapat diartikan adalah sebagai proses mengevaluasi, menentukan desain, dan setting parameter operasi dari setiap komponen



sebuah



sistem



pengguna



energi.



Target



minimum



adalah



menyeimbangkan pasokan energi dengan permintaan energi. Tujuan utama optimasi di sini adalah untuk memaksimalkan output dengan menggunakan lebih sedikit energi. Energi memainkan peran penting hampir semua proses. Energi ada dalam beberapa bentuk, misalnya, cahaya, panas, dan listrik. Ketika seorang engineer melakukan analisis sistem energi ataupun penerapannya,harus memahami dasar energi yaitu termodinamika. Digunakannya hukum Termodinamika karena Termodinamika merupakan cabang ilmu fisika yang mempelajari segala sesuatu tentang temperatur,panas dan pertukaran energi. B.



RUMUSAN MASALAH 1. Apa itu termodinamika? 2. Apa bunyi hukum termodinamika yang pertama? 3. Bagaimana mencari energi dengan menggunakan hukum termodinamika yang pertama? 1



4. Apa itu hukum termodinamika yang kedua? 5. Apa yang dimaksud dari reversibilitas dan irreversibilitas? 6. Apa itu hukum termodinamika ketiga? 7. Bagaimana cara menghitung nilai eksergi? C.



TUJUAN 1. Mengetahui arti dari termodinamika. 2. Mengetahui hukum termodinamika yang pertama. 3. Mengetahui cara untuk mencari energi dengan menggunakan hukum termodinamika yang pertama. 4. Mengetahui hukum termodinamika yang kedua. 5. Mengetahui hukum termodinamika ketiga 6. Mengetahui cara menghitung nilai eksergi 7. Mengetahui arti dari reversibilitas dan irreversibilitas



2



BAB II PEMBAHASAN A.



PENGERTIAN TERMODINAMIKA Termodinamika berasal dari bahasa Yunani yaitu thermos “panas”dan dynamic “perubahan”dan dapat kita ambil kesimpulan bahwa termodinamika merupakan cabang fisika yang mempelajari temperatur, panas, dan pertukaran energi.Termodinamika adalah ilmu tentang energi, yang secara spesific membahas tentang hubungan antara energi panas dengan kerja.



B.



DASAR TERMODINAMIKA Dalam melakukan pengamatan mengenai aliran energi antara panas dan usaha dikenal dengan sistem dan lingkungan. Sistem adalah segala sesuatu yang ingin diamati, dapat berupa sebuah benda bebas atau sebuah kilang pengolahan bahan kimia yang kompleks. Sedangkan lingkungan adalah segala yang berada diluar sistem. Contohnya pada saat kita mengamati bola yang mengapung dalam gelas air, bola dan air yang kita amati adalah sistem, sedangkan gelas dan lingkungan disekitar adalah lingkungan. Macam – macam sistem dalam termodinamika ada tiga yaitu : 1.



Sistem terbuka adalah sistem yang mengakibatkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda (materi) dengan lingkungannya. Sistem terbuka ini meliputi peralatan yang melibatkan adanya aliran massa kedalam atau keluar sistem seperti pada kompresor, turbin, dan nozel. Sistem mesin motor bakar yaitu ruang didalam silinder mesin, dimana campuran bahan bahan bakar dan udara masuk kedalam silinder, dan gas buang keluar sistem. Pada sistem terbuka ini, baik massa maupun energi bisa melintasi batas sistem.



2.



Sistem tertutup adalah sistem yang mengakibatkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran zat dengan lingkungan. Sistem tertutup terdiri atas suatu jumlah massa yang tertentu dimana massa tidak dapat melintasi lapis batas sistem. Tetapi, energi baik dalam bentuk panas (heat) maupun usaha (work) dapat melintasi lapis batas sistem tersebut. Dalam sistem tertutup, walaupun massa tidak bisa berubah



3



selama proses berlangsung, tapi volume bisa saja berubah disebabkan adanya lapis batas yang bisa bergerak (moving boundary) pada salah satu bagian dari lapis batas sistem tersebut. 3.



Sistem terisolasi adalah sistem yang menyebabkan tidak terjadinya pertukaran panas, zat atau kerja dengan lingkungannya. Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak bisa terisolasi sepenuhnya dari lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pencampuran, walaupun hanya penerimaan sedikit penarikan gravitasi. Contohnya : air yang disimpan dalam termos dan tabung gas yang terisolasi.



Contoh sederhana dari ketiga sistem termodinamika.



C.



HUKUM TERMODINAMIKA Ada tiga hukum termodinamika yaitu : 1.



Hukum termodinamika yang pertama Hukum pertama ini dirumuskan oleh Claussius yang menyatakan energi alam semesta adalah tetap. Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, meskipun energi dapat dirubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Untuk menganalisis sistem energi, kita membutuhkan rumus untuk menghitung keseimbangan energi yaitu keseimbangan antara energi yang masuk dan energi yang meninggalkan sistem dengan perubahan energi total dari sistem.



4



Bila kita berikan panas (dQ) pada suatu sistem, maka sistem akan berekspansi dan melakukan kerja sebesar (dW), tetapi disamping itu pemanasan terhadap sistem juga akan menimbulkan hal – hal : 1. Penambahan kecepatan molekul dari sistem 2. Pertambahan jarak antara molekul – molekul sistem karena sistem berekspansi. Energi yang diperlukan untuk ini disebut penambahan energi dalam (internal energi). Energi dalam ini merupakan energi kinetik, energi potensial translasi yang dimiliki oleh suatu senyawa atau zat. Energi dalam adalah fungsi keadaan karena hanya tergantung pada keadaan awal dan akhir suatu sistem. Bila : - dU = perubahan energi dalam - dEk = perubahan energi kinetik - dEp = perubahan energi potensial Maka persamaan energi untuk sistem adalah dQ = dW + dU + dEk + dEp, persamaan ini menyatakan prinsip konversi energi dari suatu sistem dan menjadi hukum pertama termodinamika secara matematika. Energi dapat mencakup energi dalam (U), energi kinetik (EK), dan energi potensial dengan ketentuan sebagai berikut.



Tetapi dalam termodinamika sistem-sistem sebagian besar mengalami energi kinetik dan energi potensial yang konstan terutama pada sistem yang diisolasi atau dEk = 0 dan dEp = 0, maka hukum pertama termodinamika menjadi dQ = dW + dU



5



Kerja W pada perubahan keadaan istimewa : a.



Perubahan keadaan dengan temperatur konstan (isotermal) Kerja yang dilakukan sistem pada isotermal : v2



dW =∫ PdV , gas ideal P= v1 v2



dW =∫ nRT v1



n . R .T , maka : V



V dV ,maka hargaW =nRT 2 V V1



Karena berlangsung dalam suhu konstan, tidak terjadi perubahan energi dalam (∆U = 0) dan berdasarkan hukum I termodinamika kalor yang diberikan sama dengan usaha yang dilakukan sistemd Q=d W . b.



Perubahan keadaan dengan tekanan konstan (isobar) Isobarik adalah proses termodinamika yang tidak mengubah nilai tekanan sistem (∆P = 0). Jika gas melakukan proses termodinamika dengan menjaga tekanan tetap konstan, gas dikatakan melakukan proses isobarik. Karena gas berada dalam tekanan konstan gas melakukan



usaha



W =P× ∆ V ,



W =P(V 2−V 1 ).



Bila



sistem



merupakan gas ideal, maka W =m R( T 2−T 1). c.



Perubahan keadaan dengan volume konstan (isometrik) Isometrik adalah proses termodinamika yang tidak mengubah nilai volume sistem (∆V = 0). Jika gas melakukan proses termodinamika dengan volume konstan, gas dikatakan melakukan proses isometrik. Karena gas berada dalam volume konstan (∆V = 0), gas tidak melakukan usaha (W = 0) dan kalor yang diberikan sama dengan perubahan energi dalamnya Q = ∆U.



2.



Hukum termodinamika kedua Prinsip hukum termodinamika kedua ini yaitu kalor mengalir secara alami dari benda panas ke benda yang dingin, kalor tidak akan mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas. Contoh siklus hukum termodinamika kedua yaitu 



Siklus daya dengan dua reservoir Pernyataan Kelvin-Planck untuk hukum kedua termodinamika yaitu



tidak mungkin menggunakan proses siklus untuk memindahkan panas dari



6



benda panas dan mengubahnya menjadi kerja tanpa memindahkan sebagian panasnya kepada benda dingin pada saat yang sama.



Sebuah



reservoir



panas



dan



sebuah



reservoir



dingin



serta



menghasilkan kerja netto Wsiklus. Efisiensi termal dari siklus : η=



QC Wsiklus , … … … … η=1− QH QH



QH adalah jumlah energi yang diterima sistem dari reservoir panas melalui perpindahan panas dan QC adalah jumlah energi yang dilepas dari sistem ke reservoir dingin melalui perpindahan kalor 



Siklus Carnot Siklus Carnot merupakan dasar dari mesin ideal yaitu mesin yang



memiliki efisiensi tinggi yang selanjutnya disebut mesin Carnot. Siklus Carnot terdiri atas empat proses yaitu dua proses adiabatis dan dua proses isotermis.



7







Proses D-C gas diekspansi secara isotermal (TD = TC = Tin)







Proses C-B gas diekspansi secara adiabatis (dW = - ∆U = -W(TB - TC).







Proses B-A gas dikompresi secara isotermal (TB = TA = Tin)







Proses A-C gas dikompresi secara adiabatis (dW = - ∆U = Cv(TB - TC).



Pada efek Carnot efisiensi termal dapat dihitung dengan menggunakan rumus, η= 3.



W , W =Q1−Q2 Q1



Hukum termodinamika ketiga Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Entropi dari setiap zat murni (unsur atau senyawa) dalam keadaan kesetimbangan mendekati nol pada temperatur nol absolut. Hukum



termodinamika



ketiga



berkaitan



dengan



entropi.



Termodinamika menyatakan bahwa proses alami cenderung bergerak menuju



ke



keadaan



ketidakteraturan



yang



lebih



besar.



Ukuran



ketidakteraturan inilah yang dikenal dengan entropi. Entropi



merupakan



besaran



termodinamika



yang



menyerupai



perubahan setiap keadaan, dari keadaan awal hingga keadaan akhir sistem. Semakin tinggi entropi suatu sistem menunjukkan sistem tersebut semakin tidak teratur. Entropi spesifik dari campuran komponen cairan dan uap dituliskan sebagai berikut.



8



D.



SIKLUS RANKINE Jika fluida kerja mengalir melalui berbagai komponen dari sebuah siklus tenaga uap sederhana tanpa irreversibilitas, penurunan tekanan secara fraksional tidak akan terjadi di dalam boiler dan kondenser, dan fluida kerja akan mengalir melalui komponen-komponen pada tekanan konstan. Selain itu dengan tidak adanya irreversibilitas dan perpindahan kalor dengan lingkungan sekitar, proses yang melalui turbin dan pompa adalah isentropik.







Proses 1 – 2 : Ekspansi isentropik dari fluida kerja melalui turbin dari uap jenuh pada kondisi 1 hingga mencapai tekanan kondenser.







Proses 2 – 3 : Perpindahan kalor dari fluida kerja ketika mengalir pada tekanan konstan melalui kondenser dengan cairan jenuh pada kondisi 3.







Proses 3 – 4 : Kompresi isentropik di dalam pompa menuju ke kondisi 4 dalam daerah cair hasil kompresi







Proses 4 – 1 : Perpindahan kalor ke fluida kerja ketika mengalir pada tekanan konstan melalui boiler



Perhitungan panas dan efisiensi pada siklus rankine sebagai berikut. Q−W =∆ h+∆ Ek +∆ Ep 



Turbin (Ditunjukkan pada titik 1 dan titik 2). Uap dari boiler pada kondisi 1 yang berada pada temperatur dan tekanan yang sudah dinaikkan berekspansi didalam turbin untuk menghasilkan kerja



9



dan kemudian didinginkan di kondenser pada kondisi 2 dengan tekanan yang relatif rendah. Dengan mengabaikan perpindahan kalor dengan sekelilingnya, kesetimbangan laju energi disekitar turbin pada kondisi tunak yaitu : Q−W t=∆ h+ ∆ Ek + ∆ E p Q−W t=∆ h+ ∆ Ek + ∆ E p , ..........Q = 0, Ek = 0, Ep = 0 −Wt=∆ h −Wt=h2−h1 Wt=h 1−h2 



Kondenser (ditunjukkan pada titik 2 dan 3). Terjadi perpindahan kalor dari uap ke air pendingin yang mengalir dalam aliran yang terpisah. Uap terkondensasi dari temperatur air pendingin meningkat. Pada kondisi tunak pertukaran kalor yang terjadi yaitu : Q−W =∆ h+∆ Ek +∆ E p Q−W =∆ h+∆ Ek +∆ Ep, .......... W = 0, Ek = 0, Ep = 0 Q=∆ h Q=h3−h 2 Pada kondisi unsteady state maka : ∆ h=U +V . P ∆ h=dU + P dV +V dP ∆ h=Cpwater . dT +V . dP Q−W =∆ h+∆ Ek +∆ E p Q=∆ h Q=Cp water .dT +V . dP Q=Cp water .dT +V . dP Q=Cp water .d T







Pompa (ditunjukkan pada titik 3 dan 4)



10



Kondensat cair yang meninggalkan kondenser di kondisi 3 dipompa dari kondenser ke dalam boiler yang bertekanan lebih tinggi, dengan menggunakan volume atur dan mengansumsi tidak ada perpindahan kalor dengan sekitarnya, Q−W =∆ h+∆ Ek +∆ E p Q−W =∆ h+∆ Ek +∆ E p −W =∆ h −W =h3−h4 W =h4 −h3 



Boiler (ditunjukkan pada titik 4 dan 1) Fluida kerja yang meninggalkan pompa pada kondisi 4 disebut air pengisian, dipanaskan sampai jenuh dan diuapkan di dalam boiler dengan menggunakan volume atur dari kondisi 4 ke kondisi 1, maka Q−W =∆ h+∆ Ek +∆ E p Q=∆ h Q=h1−h 4







Efisiensi termal Efisiensi termal mengukur seberapa banyak energi yang masuk ke dalam fluida kerja melalui boiler yang dikonversi menjadi keluaran kerja netto merupakan efisiensi termal, Wt W p − m m ( h1−h2 )−(h4 −h3 ) η= = Q¿ h1 −h4 m η=1−







( h2−h3 ) h1−h 4



Back work ratio (BWR) Laju kalor adalah jumlah energi yang ditambahkan melalui perpindahan kalor ke dalam siklus, untuk menghasilkan satu unit keluaran kerja netto, biasannya dalam Kwh. Parameter lain yang digunakan untuk mengukur



11



kinerja pembangkit tenaga adalah rasio kerja bali atau bwr yang didefinisikan sebagai rasio masukkan kerja pompa terhadap kerja yang dihasilkan turbin. Wt m (h 4−h3 ) BWR= = Q¿ h 1−h2 E.



SIKLUS BRAYTON Pembangkit tenaga turbin gas dapat dioperasikan pada sistem terbuka maupun sistem tertutup. Sistem terbuka (terlihat pada gambar a) lebih banyak digunakan, didalam sistem ini mesin menarik udara atmosfer secara terus menerus kedalam kompresor, dimana udara dikompresi sehingga memiliki tekanan tinggi. Udara yang telah dikompresi kemudian masuk ke dalam ruang pembakaran, dimana udara dicampur dengan bahan bakar dan akan terjadi proses pembakaran pada temperature tinggi. Udara hasil pembakaran melakukan ekspansi di turbin dan pada akhirnya dibuang ke lingkungan. Sebagian dari kerja yang dihasilkan turbin digunakan untuk menggerakkan kompresor, sisanya digunakan untuk membangkitkan listrik.



Pada sistem tertutup (terlihat pada gambar b) fluida kerja menerima masukkan energi melalui perpindahan kalor dari sumber eksternal, gas yang keluar dari turbin melewati alat penukar kalor, kemudian didinginkan sebelum masuk kompresor.



12



Diasumsikan bahwa turbin dioperasikan secara adiabatik dengan efek-efek energi kinetik dan potensial diabaikan, 



Turbin Wt =h 3−h 4 m







Kompresor Wc =h2−h1 m˙







Boiler (penambahan kalor kedalam siklus) Q¿ =h3 −h2 m˙







Kalor yang dikeluarkan persatuan massa Qout =h4 −h1 m˙







Efisiensi termal siklus Wt W c − m m ( h3−h 4 ) −(h 2−h1 ) η= = Q¿ h3 −h2







Back Work Ratio dari siklus. Back work yang umumnya dimiliki turbin gas berada pada kisaran 40% sampai 80%. Wc m (h 2−h1 ) bwr= = Wt h3 −h4 m



F.



EKSERGI Eksergi (Availibility) didefinisikan sebagai jumlah kerja maksimum yang dapat dihasilkan oleh aliran energi pada fasa kesetimbangan dengan lingkungan referensi. Analisis eksergi ini sangat diperlukan untuk menunjukkan efisiensi energi yang digunakan. Karena eksergi menghitung dari besarnya energi yang terbuang hingga kehilangan energi dan kerugiannya.



13



Eksergi (Potensi Kerja) terkait dengan energi kinetik dan energi potensial. Energi kinetik adalah bentuk energi mekanik, dan dengan demikian dapat dikonversi untuk bekerja sepenuhnya. Potensi kerja atau exergi dari energi kinetik dari sistem adalah sama dengan energi kinetik itu sendiri terlepas dari suhu dan tekanan lingkungan. Energi potensial juga merupakan bentuk energi mekanik, dan dengan demikian dapat dikonversi untuk bekerja sepenuhnya. Eksergi dari energi potensial dari sebuah sistem sama dengan energi potensial itu sendiri terlepas dari suhu dan tekanan dari lingkungan. Oleh karena itu, eksergi pada energi kinetik dan potensial yang sama dengan diri mereka sendiri, dan mereka sepenuhnya tersedia untuk bekerja. ex pe =g . Z



Perhitungan nilai eksergi :



Perbedaan antara energi dan eksergi sebagai berikut. Energi Bergantung



pada



parameter



Eksergi aliran Tergantung pada keduanya, parameter



energi saja, dan tidak bergantung pada aliran parameter lingkungan.



energi



dan



parameter



lingkungan.



Memiliki nilai yang berbeda dari nol Bisa sama dengan nol (dead state, (termasuk mc2 sesuai dengan rumus berdasarkan Enstein). Mengacu



keseimbangan



lingkungan). pada



hukum



pertama Mengacu pada hukum pertama dan 14



termodinamika untuk semua proses.



hukum kedua termodinamika untuk proses revesibel dan irreversibel.



Dibatasi



oleh



hukum



kedua Tidak dibatasi, untuk proses reversibel



termodinamika untuk semua proses karena menggunakan hukum kedua (termasuk pada proses reversibel)



G.



termodinamika.



REVERSIBILITAS DAN IRREVERSIBILITAS Proses dimana sistem dan semua bagian dari sekelilingnya tidak dapat kembali tepat pada keadaan awal setelah berlangsungnya suatu proses. Contohnya Melepaskan volume gas tertentu kedalam ruang hampa. Proses termodinamika reversibel jika proses tersebut dapat kembali ke keadaan semula sehingga sistem dan lingkungan kembali ke keadaan semula, tanpa perubahan lain di tempat lain di alam semesta. Contohnya aliran gas yang melalui nosel atau difuser.



15



BAB III KESIMPULAN Optimasi sistem energi di sini dapat diartikan adalah sebagai proses mengevaluasi, menentukan desain, dan setting parameter operasi dari setiap komponen sebuah sistem pengguna energi. Tujuan utama optimasi di sini adalah untuk memaksimalkan output dengan menggunakan lebih sedikit energi. Energi memainkan peran penting hampir semua



proses. Digunakannya



hukum Termodinamika



merupakan cabang ilmu fisika



karena



Termodinamika



yang mempelajari segala sesuatu tentang



temperatur,panas dan pertukaran energi. Macam – macam sistem dalam termodinamika ada tiga yaitu sistem terbuka, sistem tertutup, sistem terisolasi. Pada termodinamika terdapat tiga hukum dimana, hukum pertama dirumuskan oleh Claussius yang menyatakan energi alam semesta adalah tetap. Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, meskipun



energi dapat dirubah dari satu bentuk ke



bentuk lainnya. Prinsip hukum termodinamika kedua ini yaitu kalor mengalir secara alami dari benda panas ke benda yang dingin, kalor tidak akan mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Eksergi (Availibility) didefinisikan sebagai jumlah kerja maksimum yang dapat dihasilkan oleh aliran energi pada fasa kesetimbangan dengan lingkungan referensi. Analisis eksergi ini sangat diperlukan untuk menunjukkan efisiensi energi yang digunakan. Karena eksergi menghitung dari besarnya energi yang terbuang hingga kehilangan energi dan kerugiannya. Proses dimana sistem dan semua bagian dari sekelilingnya tidak dapat kembali tepat pada keadaan awal setelah berlangsungnya suatu proses. Contohnya Melepaskan volume gas tertentu kedalam ruang hampa. Proses termodinamika reversibel jika proses tersebut dapat kembali ke keadaan semula sehingga sistem dan lingkungan kembali ke keadaan semula, tanpa perubahan lain di tempat lain di alam semesta. Contohnya aliran gas yang melalui nosel atau difuser. 16



DAFTAR PUSTAKA Dincer, I. (2017). Optimization of energy system. University of Ontario Institute of Technology. Canada. Lestari, S. Trisnaliani, L.2018. Modul kuliah termodinamika I. Politeknik Negeri Sriwijaya. Palembang. Lestari, S. Trisnaliani, L.2019. Modul kuliah termodinamika II. Politeknik Negeri Sriwijaya. Palembang. Marques, J. (2017). Energy and exergy analyses of Angra 2 nuclear power plant. Universidade Federal de Minas Gerais. Brasil. http://putriwidp.blogspot.com/2015/11/exergy-work-potential-of-energy.html



diakses



pada tanggal 2 Maret 2020 https://www.gurupendidikan.co.id/termodinamika/ diakses pada tanggal 2 Maret 2020 https://sangpencariilmu.wordpress.com/tag/siklus-brayton/ diakses pada tanggal 8 Maret 2020 https://slideplayer.info/slide/13778630/ diakses pada tanggal 8 Maret 2020 https://adoc.tips/1-siklus-hukum-termodinamika-ii-dan-mesin-kalor-pada-gambar-.html diakses pada tanggal 8 Maret 2020



17