Siklus Rankine Organik pada Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi

Indonesia merupakan negara kepulauan yang terletak pada ring of fire (Gambar 1)  memiliki potensi panas bumi sebesar 28,91 GW dari 312 area panas bumi. Kapasitas terpasang pembangkit listrik tenaga panas bumi (PLTP) hingga tahun 2013 sebesar 1,3435 GW [1]. Sistem panas bumi di Indonesia umumnya merupakan sistem hidrotermal yang mempunyai temperatur tinggi (> 225oC) dan hanya beberapa yang memiliki temperatur sedang (150o – 225o C)[2]. Lapangan panas bumi hidrotermal di Indonesia yang tersebar ke dalam 56 WKP (wilayah kerja panas bumi) memiliki karakteristik sumur produksi dominasi air. Pada sistem dominasi air jumlah kandungan uap lebih sedikit dibandingkan dengan jumlah air yang dihasilkan dari sumur produksi. Fluida keluaran dari sumur produksi panas bumi akan dipisahkan menjadi uap kering yang nantinya akan memutar turbin dan air panas (brine) yang akan diinjeksikan kembali melalui sumur injeksi. Brine yang akan diinjeksikan tersebut masih memiliki temperatur relatif tinggi sehingga berpotensi untuk dapat dimanfaatkan kembali. Salah satu pemanfaatan brine panas bumi adalah dengan pembangkit listrik dengan siklus organik Rankine (ORC).

Gambar 1. Peta daerah gunung api aktif di Indonesia [3].

Siklus ORC merupakan pembangkit listrik siklus biner yang memiliki prinsip kerja seperti siklus daya uap Rankine. Pada siklus ORC memungkinkan memanfaatkan sumber energi dengan temperatur operasi rendah. Hal yang membedakan siklus Rankine dengan ORC adalah fluida kerja serta kondisi operasinya. Pada siklus Rankine fluida kerja yang digunakan adalah air. Sedangkan untuk sistem ORC fluida yang digunakan adalah fluida organik yang memiliki titik didih yang lebih rendah dibandingkan dengan air. Sistem ORC akan menggunakan komponen evaporator sebagai pengganti steam generator atau boiler di siklus Rankine. Sistem ORC memanfaatan sumber panas dengan temperatur rendah seperti panas buang pada industri, panas matahari, biomassa serta brine dari pembangkit panas bumi. Pada temperatur rendah, fluida organik memiliki efisiensi siklus yang lebih tinggi dibandingkan air. Selain itu, ORC juga lebih efisien untuk pembangkit skala kecil. Pembangkit siklus ORC sederhana memiliki komponen utama yaitu evaporator, turbin, generator, kondenser dan pompa[4].

Gambar 2.Skema sederhana pembangkit listrik siklus Rankine organik [5]

Skema sederhana ORC diperlihatkan pada gambar 2. Fluida kerja yang berupa fluida organik akan menerima kalor dari brine panas bumi melalui heat exchanger untuk kemudian diubah fasenya menjadi uap (proses 5-6-1). Proses perpindahan panas tersebut pada tekanan konstan atau isobar. Kemudian fluida kerja yang memiliki fase uap akan memutar turbin sehingga menghasilkan energi mekanik yang selanjutnya oleh generator energi mekanik tersebut diubah menjadi energi listrik (proses 1-2). Setelah melakukan proses ekspansi di turbin, fluida kerja akan didinginkan melalui kondenser dan menara pendingin (cooling tower) (proses 2-4). Fluida kerja yang sudah didinginkan tersebut akan berada dalam kondisi saturasi cair untuk kemudian dipompa kembali memasuki heat exchanger (proses 4-5) [5]. Tahapan perancangan dari siklus ORC dengan memanfaatkan brine panas bumi sendiri mempertimbangkan beberapa hal yang salah satunya adalah pemilihan fluida kerja dan adanya efek endapan silika.

 

1.    Pemilihan Fluida Kerja

Pemilihan fluida kerja pada siklus ORC menjadi hal yang penting karena fluida kerja mempunyai dampak yang signifikan terhadap performa dari pembangkit. Ada banyak alternatif fluida organik yang dapat digunakan sebagai fluida kerja pembangkit ORC, akan tetapi terdapat beberapa batasan dalam menetukan fluida kerja. Batasan tersebut mencakup aspek kesehatan, keamanan dan dampak lingkungan. Aspek keamanan dan dampak lingkungan mencakup sifat flammability atau mudah terbakar, toxicity atau beracun, potensi penipisan lapisan ozon (ODP) serta potensi pemanasan global (GWP). Mengingat fluida kerja siklus biner terbuat dari beberapa bahan kimia, maka hal-hal tersebut menjadi bahan pertimbangan dalam menentukan medium fluida kerja [4]. Karakteristik beberapa fluida kerja yang digunakan pada pembangkit siklus biner ditunjukkan pada Tabel berikut:

2. Efek Endapan Silika

Endapan silika merupakan fenomena pada aliran brine panas bumi serta terbentuk saat konsentrasi silika pada aliran brine melebihi konsentrasi silika terlarutnya. Efek endapan silika akan mempengaruhi alat proses seperti heat exchanger serta menimbulkan kerak atau sumbatan di pipa. Efek endapan silika merupakan fungsi dari pH, salinitas dan temperatur dari brine. Saat brine dalam kondisi asam maka laju endapan silika akan melambat sehingga aliran brine dapat dipandang stabil atau tidak ada endapan silika yang terbentuk. Laju endapan silika akan meningkat secara signifikan pada saat memiliki nilai pH 6-7. Perlakuan kimia pada aliran brine dengan memberikan bahan kimia tambahan sehingga dapat mengatur kadar pH brine. Akan tetapi perlakuan kimia memerlukan biaya yang relatif besar serta kondisi asam akan menimbulkan efek korosif pipa. Oleh karena itu perlakuan lain dalam rangka menghindari adanya endapan silika adalah dengan menjaga temperatur aliran brine diatas temperatur terbentuknya endapan silika [4]. Pengaturan temperatur aliran brine dapat dilakukan dengan membatasi temperatur aliran brine pada saat direinjeksikan kembali ke dalam tanah. Pada perlakuan penjagaan nilai temperatur merupakan cara yang lebih ekonomis apabila dibandingkan dengan perlakuan kimia.

 

Salah satu metode untuk menentukan kondisi temperatur reinjeksi tersebut ialah silica saturation index (SSI). Pada metode SSI akan digunakan pendekatan empiris. Nilai SSI akan tergantung pada kondisi temperatur reservoir dan reinjeksi brine. Silika akan mulai mengendap pada saat nilai SSI > 1. Pada saat nilai SSI = 1 maka aliran brine berada dalam kondisi saturasi. Sedangkan apabila nilai SSI < 1 pada aliran brine belum terbentuk endapan silika. Secara matematis SSI dinyatakan pada persamaan berikut:

Dengan Si adalah konsentrasi silika per satuan ppm pada brine panas bumi setelah melalui proses flashing di separator. Adapun nilai Sii didapatkan dari persamaan empiris Fournier dan Marshall. Variabel Sii menunjukkan konsentrasi silika amorph atau silika terlarut per ppm yang terdapat pada aliran brine dengan fungsi temperatur reinjeksi brine (T)(Kelvin) [6].

 

Penelitian mengenai pembangkit dengan sistem ORC telah banyak diaplikasikan di dunia, salah satunya dengan memanfaatkan brine panas bumi. Meski masih dalam skala penelitian, akan tetapi teknologi ini menjadi salah satu alternatif pemanfaatan energi buang pada panas bumi.

 

(Bahrul)

Referensi:

[1] ESDM, Statistik EBTKE 2014, Jakarta: Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral, 2014.

[2] N. Saptadji, “Sekilas Tentang Panas Bumi, Materi Panas Bumi,” Institut Teknologi Bandung, Bandung.

[3] A. Fauzi, S. Bahri and H. Akuabatin, “Geothermal Development in Indonesia: An Overview of Industry Status and Future Growth,” in Proceeding World Geothermal Congress, Tohoku, 2000.

[4] R. DiPippo, Geothermal Powerplant: Principles, Applications, Case Studies and Environmental Impact 2nd de., Elsevier, 2007.

[5] F. Wakana, “Preliminary Study of Binary PowerPlant Feasibility Comparing ORC and Kalina for Low-Temperature Resources in Rusizi Valley, Burundi,” in Geothermal Training Programme, Reykjavik, 2013.

[6] A. J. Nugroho, “Evaluation of Waste Brine Utilization from LHD Unit III for Electricity Generation in Lahendong Geothermal Field, Indonesia,” in Geothermal Training Programme, Reykjavik, 2007.