”Modifikasi Kompresor menjadi Turbin Uap dalam Organic Rankine Cycle Sebagai Pembangkit Energi Listrik Alternatif ”

Bernardie Ridwan, Rachmad Ramadan, Soni Edi Setiawan, Ramadi Ken Permana, Ardyan Agun Mardhanu

Abstrak
Meningkatnya populasi penduduk dunia berdampak langsung terhadap tingginya kebutuhan energi. Hal ini menjadi masalah yang sangat serius dengan realita bahwa sumber energi tak terbarukan (bahan bakar fosil) semakin terbatas ketersediannya, sehingga diperlukan pemanfaatan sumber energi terbarukan misalnya sumber panas bumi. Karena tekanan yang dihasilkan oleh sumber panas bumi sangat rendah yaitu hanya sekitar 4-5 bar, dimana tekanan ini kurang ideal untuk menggerakan turbin. Oleh karena itu diperlukan sebuah inovasi untuk memanfaatkan sumber panas bumi tersebut diantaranya adalah dengan Organik Rankine Cycle yang merupakan modifikasi siklus rankine dengan fluida kerja dari bahan organik (Refrigeran).
Pada penelitian ini dilakukan sebuah perancangan turbin uap hasil modifikasi dari kompresor untuk digunakan pada sistem organic rankine cycle. Sistem Organic Rankine Cycle tersebut memanfaatkan sumber panas dari elemen pemanas (heater) dengan refrigeran yang digunakan sebagai fluida kerja. Pada penelitian ini dilakukan suatu pengujian untuk mengetahui daya dan putaran turbin hasil modifikasi dari kompresor.
Penelitian ini diharapkan mampu menghasilkan sebuah turbin uap untuk sistem organic rankine cycle. Melalui uji eksperimen juga diharapkan dapat diketahui daya listrik yang dihasilkan, efisiensi turbin dan karakteristik dari organic rankine cycle.

Pendahuluan
Organic Rankine Cycle (ORC) yang merupakan modifikasi dari siklus Rankine dimana refrigeran digunakan sebagai fluida kerja untuk menghasilkan energi listrik adalah salah satu contoh inovasi yang memanfaatkan energi terbuang (waste energy) seperti gas buang PLTG, PLTD maupun sumber panas bumi. Sistem ini terdiri dari empat komponen utama yaitu evaporator, turbin uap, kondensor, dan pompa. Sistem ini menggunakan temperatur dan tekanan rendah untuk menghasilkan uap refrigeran yang digunakan untuk menggerakkan turbin yang selanjutnya akan mampu menghasilkan energi listrik. Instalasi sistem Organic Rankine Cycle (ORC) dapat dilihat pada Gambar 1.

Gambar 1 Skema Geothermal Power Plant
Oleh karena itu diperlukan sebuah inovasi untuk tetap memenuhi kebutuhan akan ketersediaan listrik salah satunya adalah dengan memanfaatkan sumber panas bumi yang tersedia dalam jangka waktu yang cukup lama, misalnya dengan memanfaatkan sumber panas bertemperatur dan tekanan rendah. Sehingga digunakan sistem Organic Rankine Cycle (ORC). Namun sistem ini sendiri membutuhkan turbin yang harus memiliki konstruksi yang resisten terhadap sifat refrigeran serta benar-benar tidak terjadi kebocoran, dimana refrigeran adalah substansi kerja dari sistem refrigerasi. Untuk itu usulan program dengan judul ”Modifikasi Kompresor menjadi Turbin Uap dalam Organic Rankine Cycle
Sebagai Pembangkit Energi Listrik Alternatif ” sangat ideal diterapkan untuk dapat mengoptimalkan sumber panas yang disediakan oleh alam.
Organic Rankine Cycle
Organic Rankine Cycle (ORC) merupakan proses pengkonversi energi hasil modifikasi siklus Rankine. Dengan menggunakan bahan organik yang memiliki titik didih yang rendah, ORC dapat digunakan untuk mengekstrak energi dari sumber panas bertemperatur rendah. siklus dasar ORC ditunjukkan pada gambar 2.
Gambar 2 Sistem Komponen ORC
ORC merupakan suatu siklus uap dimana siklus ini menggunakan fluida kerja organik (refrigeran). Siklus ini merupakan siklus sederhana yang terdiri dari empat komponen utama yang terdiri dari Evaporator yang berfungsi untuk mengevaporasi fluida organik dari fase liquid menjadi uap panas lanjut sebelum masuk kedalam turbin. Turbin berfungsi untuk mengekspansi atau menurunkan tekanan dari fluida organik dan yang akan menghasilkan energi listrik bila di sambungkan dengan generator, Kondensor berfungsi untuk mengkondensasikan uap dari fluida kerja organik menjadi cairan dimana pada proses ini berlangsung pada tekanan dan temperatur konstan dan Pompa berfungsi untuk menaikkan
Evaporator
4
3
2
1
tekanan dari fluida organik sesuai dengan tekanan yang di perlukan oleh evaporator sebelum masuk kembali ke evaporator, dimana di masing-masing komponen terjadi proses termodinamika seperti pada siklus Rankine. Perbedaan utama siklus Rankine dan ORC yaitu pada siklus Rankine menggunakan fluida kerja air untuk menghasilkan uap sedang pada ORC menggunakan fluida kerja organik.
Pada Siklus Rankine menggunakan boiler sebagai tempat penambahan panas sedangkan pada sistem ORC menggunakan evaporator sebagai tempat penyerapan panas sehingga pada siklus ini kita tidak menggunakan suatu wadah untuk proses pembakaran sehingga tidak menghasilkan polusi udara akibat dari proses pembakaran. Untuk diagram T-s, h-s dan P-h dari ORC di tunjukkan pada gambar 3 dibawah ini.
Gambar 3 T-s diagram organic rankine cycle
Persamaan yang digunakan untuk menentukan performa dari ORC yaitu dengan menggunakan hukum pertama dan kedua termodinamika. Untuk mendapatkan kerja output dan panas yang ditambahkan dapat ditentukan dengan menggunakan hukum kesetimbangan energi.
eeeeeeiiiiiigzVpumgzVpumWQdtdE222.2...cv (1)
METODOLOGI PELAKSANAAN PROGRAM
I. Studi literatur
Tahap ini merupakan proses pencarian data dan referensi yang digunakan sebagai acuan untuk membuat program ini. Data yang diambil antara lain adalah data properti dari fluida organik dan fluida pendingin maupun fluida pemanas.
II. Survey
Survey dilakukan untuk menentukan persyaratan produk (refrigerant yang akan digunakan) serta mekanisme kerja dari kompresor yang akan dimodifikasi.
III. Perancangan
Pada tahap ini dilakukan sebuah perancangan terhadap sistem organic rankine cycle secara keseluruhan dimana dari perancangan ini didapatkan hasil analitis mengenai kapasitas sistem dan daya yang dapat dihasilkan melalui kajian termodinamika.
Gambar 7 T-s diagram kondisi perancangan
IV. Modifikasi
Setelah perencanaan selesai, hasil rancangan tersebut digunakan sebagai acuan dalam proses modifikasi. Modifikasi ini menggunakan kompresor untuk dijadikan turbin agar dapat menghasilkan listrik.
Gambar 8 Pemampang kompresor yang akan di modifikasi
V. Uji performa.
Uji performa dilakukan untuk mengetahui karakteristik turbin hasil modifikasi dan mengevaluasi efisiensi dari energi listrik yang dihasilkan. Variabel yang didapatkan berupa daya poros, daya listrik (berupa kuat arus dan tegangan) serta energi fluida yang diekspansikan ke dalam turbin.
Silinder luar
Silinder dalam
Saluran keluar
Bladeeeee
Saluran masuk
Poros*Po
Gambar 9 Skema uji performa turbin
V.1. Peralatan Uji Performa
1. Kompresor
2. Tangmeter
3. Tachometer
4. Kabel dan lampu sebagai beban
5. Turbin yang akan diuji
V.2. Metodologi Uji Performa
1. Persiapan peralatan pengujian.
1. Mempersiapkan peralatan penguji seperti lampu, kabel, kompresor dan lain-lain.
2. Mempersiapkan kompresor untuk menyemprotkan udara untuk memutar turbin hasil modifikasi kompresor.
3. Mempersiapkan turbin hasil modifikasi kompresor yang akan di uji.
4. Mempersiapkan alat-alat ukur seperti Tangmeter dan Tacometer.
5. Merangkai sistem pengujian.
2. Pelaksanaan pengujian.
1. Kompresor dinyalakan dan diatur tekanannya sesuai dengan yang diinginkan.
2. Bukaan katup pada kompresor dibuka setengah fully open.
3. Setelah turbin hasil modifikasi kompresor berputar beberapa saat data siap diambil.
3. Pengambilan data
1. Pangambilan data berupa voltase, ampere, dan RPM.
V.3. Hasil Dari Uji Performa
Dari pelaksanaan pengujian didapatkan hasil sebagai berikut:
Tekanan(P)Putaran(n) Rata2BarRPM3,5432424430426441430,64445467481475495472,64,5526546547601536551,25622590588611623606,85,5640598597626635619,2Putarn(n) RPM
Tekanan(P)Voltase Rata2BarVolt(v)3,5384140424340,844345444246444,54446474845465505652525452,85,5555260635857,6Tegangan (V) Volt
Tekanan(P)Arus Rata2BarAmpere(A)3,50,10,10,10,10,10,09440,10,10,10,10,10,0964,50,090,20,10,20,20,13850,20,20,20,20,10,185,50,150,20,20,20,20,18Arus (A) Ampere
Kemudian setelah dilakukan perhitungan maka didapatkan hasil uji performasi sebagai berikut:
Grafik uji performasi:
Grafik 1. Hubungan Pressure dan RPM
Grafik 2. Hubungan Pressure dan Daya
Tekanan(P)
Daya Pada Turbin
Bar
Dengan Beban
3,5
3,8352
4
4,224
4,5
6,348
5
9,504
5,5
10,368
0,18
0,18
Voltase Rata2
Volt(v)
40,8
44
46
52,8
57,6
Arus Rata2
Ampere(A)
0,094
0,096
0,138
Grafik 3. Hubungan Putaran dan Daya
V.4. Analisa Uji Performasi
Dari uji performasi yang telah dilakukan dengan memvariasikan tekanan, didapatkan putaran dan daya yang bervariasi juga. Dari Grafik 1 dapat dilihat bahwa semakin besar tekanan maka putaran turbin juga semakin besar. Hal ini dikarenakan Momentum yang dihasilkan semakin besar jika tekanannya juga semakin besar, sehingga dengan adanya momentum yang semakin besar maka putaran dari turbin juga semakin tinggi. Momentum adalah energi yang menumbuk sudu-sudu turbin akibat perubahan energi tekanan menjadi energi kinetik.
Dari grafik 2 (pressure vs daya) dapat diketahui bahwa semakin besar tekanan maka daya yang dihasilkan juga semakin besar. Hal ini dikarenakan dengan tekanan yang besar maka putaran turbin juga semakin tinggi, arus dan tegangan listrik yang dihasilkan semakin besar juga, sehingga daya yang dihasilkan semakin besar pula.
Dari grafik 3 (RPM vs daya) dapat diketahui bahwa dengan semakin tingginya nilai putaran turbin, maka daya yang
dihasilkan juga semakin besar. Hal ini dikarenakan dengan putaran turbin juga semakin tinggi, arus dan tegangan listrik yang dihasilkan semakin besar juga, sehingga daya yang dihasilkan semakin besar pula.
Pada pengujian ini hanya divariasikan tekanan dari tekanan 3,5 bar – 5,5 bar. Pada tekanan dibawah 3,5 bar putaran turbin tidak mampu membangkitkan daya yang cukup dan putarannya tidak stabil dan sering berhenti. Hal ini dikarenakan dengan tekanan dibawah 3,5 bar energinya belum cukup besar untuk menggerakan turbin. Sedangkan untuk tekanan diatas 5,5 bar sudah terjadi getaran yang mengakibatkan putaran turbin tidak stabil dan terjadi tumbukan antara rotor dan stator turbin. Sedangkan untuk debit pada pengujian ini tidak divariasikan karena keterbatasan peralatan antara lain tidak adanya alat pengukur debit aliran, dan variasi bukaan valve tidak terlalu besar (jaraknya terlalu kecil). Sehingga pada pengujian ini hanya memvariasikan tekanan pada kompresor saja.
Gambar 10. Kompresor yang sudah dimodifikasi menjadi turbin