PLTP - Ok [PDF]

Citation preview

Gedung Pembangkit PLTP Wayang Windu Wayang Windu Plant House



PLTP Pusat Listrik Tenaga Panas Bumi Geothermal Power Plant



Pembangkit PLTP (Pusat Listrik Tenaga Panas Bumi) adalah instalasi pembangkit listrik memanfaatkan uap panas bumi menggunakan turbin uap memutar generator menghasilkan listrik arus bolak-balik AC (alternating current) 3 fasa 50 Hz yang dapat dihubungkan (synchronized) ke jaringan listrik yang ada (existing grid).



PLTP digunakan sebagai: Central Station kapasitas rendah hingga sedang, sebagai base load. PLTP adalah Siklus Rankine tekanan rendah dengan bumi sebagai sumber uap (boiler)nya.



Pembangkit PLTP (Geothermal power plants) memanfaatkan sumber energi alami yang bersih dari dalam tanah untuk menghasilkan listrik. Pada kondisi geologikal yang benar, panas bumi terkumpul dalam wadah uap atau air panas di bawah tanah. Energi ini disadap dengan dengan sumur bor ke wadah reservoir, dan mengalirkan lewat pipa uap atau air panas tersebut ke pembangkit PLTP yang mengubahnya menjadi listrik. Uap atau air panas bumi yang telah digunakan diinjeksikan kembali wadah reservoir untuk menjaga tekanan dan mempertahankan isi wadah reservoir tersebut.



Areal Pembangkit PLTP Wayang Windu Wayang Windu Plant Area



PLTP Gunung Salak



Jenis Panas bumi (Geothermal) Panas bumi dikelompokkan menjadi: • near-surface or shallow geothermal energy • deep geothermal energy (untuk PLTP) Deep geothermal energy dibedakan antara: • hydrothermal systems (sistem hidrotermal) • petrothermal systems Petrothermal systems, juga disebut Enhanced atau Engineered Geothermal Systems (EGS) atau Hot Rock Energy proses ekstraksi panas hingga kedalaman reservoir 5 km.



Jenis Panas bumi lainnya adalah:



Geopressurized water – yaitu air yang terperangkap pada wadah reservoir raksasa dalam di bawah dekat kerak bumi, bertekanan dan temperatur sangat tinggi. Wadah reservoir ini tidak dapat diinjeksi ulang. Panas bumi yang dimanfaatkan pada PLTP adalah sistem hidrotermal, yaitu panas yang diekstrak dari batuan (rocks) bawah tanah berpori dan celah berisi uap atau air panas. Uap atau air panas dialirkan lewat sumur ke turbin uap memutar generator pembangkit listrik. Uap atau air bekas dari turbin,didinginkan dan diinjeksikan kembali ke bawah tanah melalui sumur injeksi



Berdasarkan dominasi fasa, sistim panas bumi dibedakan menjadi:



1 Sistim dominasi uap, sumur memproduksi uap kering atau basah karena rongga batuan reservoir berisi uap panas. Uap mengisi rongga dan rekahan, sedangkan air mengisi pori batuan. Karena jumlah air dalam pori relatif sedikit, maka saturasi air sama atau lebih besar, sehingga air terperangkap dalam pori batuan dan tidak bergerak. 2 Sistim dominasi air, sumur menghasilkan fluida fasa campuran uap air. Air mengisi rongga dan rekahan. Pada sistim dominasi air, baik tekanan maupun temperatur tidak konstant terhadap kedalaman.



Berdasarkan temperatur, sistim panas bumi dibedakan menjadi tiga, yaitu: 1 Sistem panas bumi bertemperatur rendah, yaitu suatu sistim yang reservoirnya mengandung fluida dengan temperatur < 125 oC. – entalpi rendah.



2 Sistem panas bumi bertemperatur sedang, yaitu suatu sistim yang reservoirnya mengandung fluida dengan temperatur < 225 oC. – entalpi sedang. 3 Sistem panas bumi bertemperatur tinggi, yaitu suatu sistim yang reservoirnya mengandung fluida dengan temperatur > 225 oC. – entalpi tinggi.



Komponen panas bumi adalah untuk sistem hidrotermal, dimana transfer menuju permukaan adalah konveksi bebas melibatkan fluida meteorik dengan atau tanpa jejak fluida magnetik. Contoh fluida meteorik adalah hujan yang meresap ke dalam bumi jauh ke bawah permukaan. Komponen penting sistem hidrotermal adalah: sumber panas, reservoir dan daerah recharge serta daerah discharge. 1. Sumber panas Panas dari dalam bumi (magma) mengkonveksi menuju permukaan bumi yang menjadi heat sink. Pada beberapa lokasi energi panas terkonsentrasi besar, contohnya gunung berapi.



Areal komponen panas bumi



2. Reservoir Reservoir panas bumi adalah batuan di bawah permukaan yang menyimpan dan mengalirkan fluida termal. Biasanya batuan dengan porosit dan permeabilitas yang baik. Porositi menyimpan dan permeabilitas mengalirkan fluida termal. Reservoir mengandung Cl tinggi dan pH normal.



3. Daerah Resapan (Recharge) Daerah resapan dimana air bergerak ke bawah menuju reservoir. Pada area panas bumi, elevasi daerah resapan lebihtinggi dari sumur produksi. menjaga kelestarian dan hutan daerah resapan sangat penting demi kelanjutan produksi reservoir panas bumi.



Daerah discharge



4. Daerah Discharge Daerah discharge dimana air bergerak ke atas menuju permukaan bumi, ditandai adanya kolam air panas atau semburan uap (fumarola) di permukaan, atau permukaan tanah yang panas (warm ground) dan mengeluarkan uap (steaming ground). Solfatara adalah uap air melalui rekahan batu bercampur H2S, CO2 dan SO2 yang mengendapkan sulfur di sekitarnya. Batuan alterasi terjadi karena reaksi antara batuan tersebut dengan fluida panas.



Mata air panas dari panas bumi



Komponen Lapangan Permukaan Tanah Komponen lapangan permukaan tanah (SAGS steamfield above groung system) disebut juga Fluid Transportation System FTS.



1. Sumur Produksi Sumur produksi adalah komponen utama yang menga-lirkan uap panas bumi dari reservoir ke permukaan tanah. Sumur produksi panas bumi memiliki kedalaman 2 hingga 3 km dibawah permukaan tanah. Sumur dibor vertikal dan ada yang berbelok dan arah tertentu (directional well). Saluran sumur dilindungi selubung (casing) dari pipa baja khusus berdiameter hingga 40 cm, dan isolasi semen.



Sumur-sumur produksi ada di sekitar lokasi area pembangkit PLTP, satu unit PLTP mungkin dicatu dari beberapa sumur. Produksi uap dari sumur-sumur produksi disalurkan dengan pipa-pipa berisolasi panas (fluid transportation) ke gedung PLTP (power house)



2. Kepala Sumur (wellhead). Kepala sumur terdiri dari serangkaian katup dipasang di atas sumur produksi, terletak di atas tanah dimana sumur produksi berada. Kepala sumur adalah outlet sumur produksi. Rangkaian katup di tas kepala sumur: • master valve • wing valve • service valve • bleed valve Master valve untuk membuka dan menutup aliran dari lubang sumur. Wing valve ada dua, 1 mengatur aliran uap ke PLTP, 1 sebagai by-pass pengalih aliran ke silencer atau rock muffler.



Well head



Well head



3. Wellpad. Wellpad adalah area terbatas di atas permukaan tanah sebagai tempat untuk meletakkan 3 - 6 kepala sumur.



4. Pipa Alir. Pipa alir berfungsi untuk mengalirkan (fluid transportation) uap atau air panas dari kepala sumur ke separator menuju turbin. Mengalirkan air separator (brine) menuju sumur injeksi dan mengalirkan air kondensat dari turbin atau pendingin ke sumur injeksi. Diameter pipa uap lebih besar dari pipa air. semua pipa diisolasi mencegah rugi panas. 5. Steam Reciving Header SRH. SRH adalah station sebagai pengumpul uap dari beberapa sumur produksi sebelum dialirkan menuju turbin.



Steam Receiving Header + Silencer



Steam separators (Steam Driers): Steam Separator (Steam Dryer atau Moisture Separator) memisahkan butir-butir air dan partikel padat dari uap. Steam separator menciptakan pusaran "spin" uap sehingga butiran air terlempar karena gaya sentrifugal, jatuh kebawah dan dikumpulkan.



Butiran air harus dipisah dari uap, karena: • uap basah (mengandung butir air) menurunkan efisiensi turbin uap



• butir air dalan uap kecepatan akan membentur dan mengikis sudu-sudu turbin uap.



Steam Separator Dryer



Separator air uap pada PLTP



Demister



Condensate Trap Condensate Trap menangkap dan membuang air kondensat yang terbentuk di sepanjang pipa alir uap. Condensate Trap dipasang pada tiap jarak tertentu sepanjang pipa lair uap Scrubber Scrubber digunakan menggantikan Condensate trap, dipasang dekat ke turbin. Bentuk seperti separator, berfungsi membuang air kondensat yang terbentuk sebelum uap masuk turbin. Sumur injeksi (Injection well) Sumur injeksi memompakan seluruh air kondensat kembali ke dalam bumi daerah recharge agar ketersediaan air di reservoir terjaga.



Scrubber pada PLTP



Turbin uap memanfaatkan uap panas bumi menjadi energi mekanikal untuk memutar generator dengan putaran tetap n=3000 rpm agar generator membangkitkan tenaga listrik arus bolak-balok AC 3ϕ dengan frekuensi f=50 Hz Dengan mengacu pada kondisi uap produksi panas bumi, siklus pembangkit PLTP dibagi menjadi: 1. Siklus binari (binary cycle) 2. Siklus flash (flash cycle) 3. Siklus kering (dry cycle)



Binary Cycle Siklus ini menggunakan uap panas bumi entalpi rendah atau sedang. Cara kerjanya adalah uap panas dialirkan ke salah satu pipa di heat exchanger untuk menguapkan cairan di pipa lainnya yang disebut pipa kerja. Pipa kerja adalah pipa yang langsung terhubung ke turbin, uap ini akan menggerakan turbin yang tersambung dengan generator untuk membangkitkan energi listrik. Fluida kerja turbin di pipa kerja bisa memakai cairan dengan titik didih rendah seperti Iso-butana atau Iso-pentana.



Keuntungan teknologi binary cycle adalah dapat dimanfaatkan pada sumber panas bumi bersuhu rendah. Teknologi ini tidak mengeluarkan emisi.



Flash Cycle Siklus ini menggunakan uap panas bumi entalpi rendah atau sedang, yang mengandung air panas. untuk itu, perlu menggunakan suatu separator yang memisahkan air dan uap dengan menyemprotkan panas bumi dari sumur produksi ke dalam suatu tangki yang bertekanan lebih rendah sehingga cairan tersebut menguap dengan cepat menjadi uap jenuh yang memutar turbin dan generator untuk menghasilkan listrik. Air panas yang tidak menjadi uap akan dikembalikan ke reservoir melalui injection wells ke daerah recharge.



Siklus flash



Siklus flash ganda



Siklus Kering (dry cycle) Siklus ini menggunakan uap panas bumi entalpi tinggi, dengan kodisi uap kering (superheated steam – dry steam). Cara kerjanya adalah uap dari sumber panas bumi langsung masuk ke turbin melalui pipa. Kemudian turbin akan memutar generator untuk menghasil listrik. Jenis ini cocok untuk PLTP kapasitas kecil dan untuk kandungan gas yang tinggi. Teknologi ini menghasilkan emisi carbondioksida, nitritoksida dansulfur, namun 50x lebih rendah dibanding emisi yang dihasilkan pembangkit minyak.



Processes of high temperature geothermal power plants



Condensing single and twin pressure t/g unit



Komponen Utama Turbin & Generator (Main Geothermal Power)



Komponen Utama pembangkit PLTP adalah: 1. Turbin Uap 2. Generator 3. Kondenser 4. Pendingin 5. BOP



Turbin & Generator



Turbin uap Generator



Turbin Uap Jenis turbin uap yang digunakan adalah turbin uap konden-sasi tekanan rendah (LP condensed turbine) aliran ganda (double flow) dimana gaya aksial saling menghilangkan. Turbin mengkonversi energi panas uap menjadi energi mekanik (daya turbin = torque T) memutar generator p1 = 6 bar, aliran uap m = 150 kg/s O t1 = 200 C, entalpi h1= 2756,2 kJ/kg p2 = - 0,9 bar (saturated) entalpi: h2g = 2583,9 kJ/kg - (uap) h2f = 191,81 kJ/kg - (air)



Daya turbin T = m (h1 - h2g) .ηturb = 24035,85 kW = 24 MW



1



T



ηturb = 0,93 2



Turbin & Generator PLTP



Turbin & Generator Bed-plate



Generator Jenis generator yang digunakan pada PLTP adalah generator AC 3 fasa dengan putaran rotor 3000 rpm. Generator mengkonversi energi mekanik (torque T) menjadi energi listrik (daya listrik generator Pg)



Daya listrik generator Pgen = T .ηgen = 24 MW x 0,97 = 23,3 MW 1



T



Stator winding Exciter rotor Stator winding



ηgen = 0,97



ηturb = 0,93 2



Pg



Efisiensi Turbo-generator Daya turbin T, efisiensi turbin ηturb dan generator ηgen hanya dapat dihitung, sulit untuk diukur, sehingga sulit diketahui. Kondisi uap masuk dan keluar turbin serta daya listrik generator Pgen dapat diukur dan mudah diketahui. Sehingga yang dapat dihitung adalah efisiensi pasangan turbin generator (turbine & generator set) ηtg - (tg = turbo-generator).



ηtg



Pgen = ------- x 100% T



23,31 MW x 100%



23.310 kW x 100%



= ----------------- ----------- = ------------------------------



m (h1 - h2g)



= 6,1 %



150(2756,2 - 2583,9)



Condenser Condenser berfungsi mendinginkan uap jenuh keluar turbin untuk kembali menjadi air kondensat, dengan cara perpindahan panas melalui condenser tubes ke air pendingin atau udara pendingin. Air kondensat dapat digunakan kembali dengan cara diinjeksikan kembali ke reservoir (recharge area) Jumlah energi panas (kalori) yang dilepaskan (heat rejected) oleh uap menjadi air kondensat di kondenser Qc sama dengan jumlah kalori yang diserap oleh air pendingin Qw



Qc = m(h2g - h2f)



aliran uap = 150 kg/s entalpi: h2g = 2583,9 kJ/kg - (uap) h2f = 191,81 kJ/kg - (air) Qc = 150kg/s (2583,9 - 191,81) kJ/kg = 358813,5kJ/s ≈ 358,81 MW



Water Cooled Condenser WCC ACC mendinginkan uap menjadi air melalui perpindahan panas pada condenser tubes ke air pendingin



Condenser tubes



Air Cooled Condenser ACC ACC mendinginkan uap menjadi air melalui perpindahan panas pada pipa (finned tubes) ke udara pendingin/blowing



Efisiensi PLTP Jumlah kalori yang digunakan pada sistem PLTP (energi input) adalah jumlah kalori uap masuk turbin Qin dikurangi jumlah kalori air keluar kondenser Qout (dapat diukur, sehingga dapat diketahui).



Daya listrik generator Pgen dapat diukur dan mudah diketahui. Sehingga dapat dihitung efisiensi sistem PLTP ηsys - (sys = system PLTP).



ηsys



Pgen = ------------ x 100%



Qin - Qout 23,31 MW x 100%



23.310 kW x 100%



= ----------------- ---------- = ------------------------------



m (h1 - h2f)



= 89 %



150(2756,2 - 191,81)



Efisiensi PLTP Rugi-rugi (losses) energi pada unit PLTP adalah: • Generator losses • Turbine losses • Condenser losses (heat rejected)



Rugi-rugi (losses) energi lainnya pada unit PLTP adalah: • Fuid transportation losses • Condensate trap losses Listrik produksi generator harus dikurangi konsumsi listrik untuk peralatan bantu unit PLTP = PS (pemakaian sendiri) – Aux power supply. Sehingga produksi netto PLTP Pnet adalah:



Pnet = Pg - PS



Air Pedingin Kondenser Air pendingin kondenser berfungsi untuk penyerap panas yang dilepas oleh uap (heat rejected) yang keluar dari turbin menjadi air kondensat di kondenser Qc. Jumlah kalori yang diserap oleh air pendingin Qw = Qc o



Jika kondisi air pendingin: - temperatur masuk tin = 23 C o - temperatur keluar tout = 43 C - tekanan (ambient) = 0 atm maka entalpi hin = 96,56 kJ/kg dan hout = 180,16 kJ/kg Qw = Qc = mcw (hout - hin)



- mcw = aliran air pendingin = 358813,5kJ/s ≈ 358,81 MW



mcw = Qc / (hout - hin) = (358813,5kJ/s)/(180,16 – 96,56)kJ/kg = 4292 kg/s



Cooling Tower Cooling tower adalah menara untuk mendinginkan air pendingin kondenser dengan cara menyemprotkan (sprayed) air pendingin dalam menara, sehingga beberapa air akan terkabutkan (evaporated) menjadi uap jenuh dan hilang menguap bersama udara yang mengalir ke atas dalam menara. Jika udara mengalir secara alami disebut natural draft, jika udara dialirkan dengan kipas disebut induced draft. Air yang menguap mengambil panas (kalori) dari air pendingin sehingga menjadi dingin dan jumlahnya berkurang sejumlah penguapan. Jumlah kalori yang terbawa uap Qeva sebanding dengan jumlah kalori yang diserap air pendingin dari kondenser.



Qeva = Qc = Qw . Jumlah air yang menguap harus diganti dengan menambah jumlah air pendingin secara terus menerus selama operasi PLTP.



Penambah air pendingin Jumlah air penambah meva air pendingin kondenser dapat dihitung, karena jumlah kalorinya diketahui (dengan asumsi o penguapan terjadi pada temperatur evaporasi teva = 33 C antara temp. air pendingin keluar tout dan masuk tin), dimana entalpi evaporasi hfg = 2501,09 kJ/kg Qeva = meva (hfg)



- mevw = aliran air penambah = 358813,5kJ/s ≈ 358,81 MW



mcw = Qeva / (hfg) = (358813,5kJ/s)/(2501,09)kJ/kg = 143,46 kg/s Hal ini terutama pada PLTP siklus binari. Air penambah air pendingin dari pompa tanah; ditambah air kondensat dari kondenser, sehingga air re-injeksi menjadi berkurang



Alatbantu PLTP meliputi: • Sistem minyak pelumas • Sistem hidrolik • Sistem vakum kondenser • Sistem air penambah • Sistem air pendingin alat bantu (closed cooling system) • System pemutar poros (turning/barring gear) atau ratchet system.



Lube and Hydraulic Oil System



Polusi udara Polusi udara akibat PLTP sangat rendah, CO2, SO2, H2S dan lainnya di bawah normal, NOx hampir tidak ada. Hampir tidak ada polusi udara pada PLTP. Polusi air Air tanah mengandung beberapa mineral dan garam yang banyak; jika pipa sumur patah atau pipa re-injeksi patah bocor dilapisan permukaan atas, ini aka merusak tanaman dan sistem ekologi. Solusinya adalah pemurnian/penormalan air atau air diinjeksikan lebih dalam ke reservoir.



Permukaan tanah Ketika air disedot dari dasar bumi, and uap yang disadap menghilangkan tekanan di bawah tanah, hal ni memungkinkan tanah permukaan retak dan amblas (permukaan tanah turun). PLTP dengan cooling tower mengkonsumsi air, memungkinkan air tanah berkurang. Solusinya, kajian geologikal meyakinkan kekuatan/kepadatan struktur bawah tanah sebelum dibor, dan tidak menempatkan peralatan PLTP dekat di atas reservoir. Catu uap berasal dari beberapa sumur di sekitar areal PLTP yang luas.



Limbah padat Air geotermal banyak mengandung garam korosif yang berbahaya bagi lingkungan. Garam harus dipisah dari air dengan cara kristalisasi, menjadi limbah padat. Solusinya adalah pemurnian/penormalan air atau air diinjeksikan lebih dalam ke reservoir. Limbah padat ini kadang mengandung logam berat yang perlu pengendapan, airnya dapat diinjeksikan.