Pemanfaatan Langsung Energi Panas Bumi

Penggunaan energi panas bumi secara langsung sudah dilakukan sejak ribuan tahun yang lalu. Pemanfaatannya selain untuk pemandian air panas, juga untuk memasak bahan makanan. Sedangkan untuk pemanfaatan panas bumi untuk pengering bahan pangan skala industri pertama kali dilakukan di Amerika Serikat, Nevada. Pemanfaatan langsung dalam bidang pertanian ini digunakan untuk mengeringkan bawang merah dan bawang putih dengan total produksi lebih dari 3 – 4 ton bawang basah setiap jam. Sesuai dengan perkembanganya, pemanfaatan langsung panas bumi mulai digunakan untuk berbagai keperluan serta meluas di berbagai daerah, semisal ekstraksi asam boric di Italia, pengeringan ikan di Iceland, pengeringan tomat di Yunani, pengeringan gandum di Hongaria, pemanasan ruangan di Jerman. Dan pemanfaatan langsung fluida panas bumi itu pun terus berkembang pada zaman modern ini di berbagai bidang. Namun pemanfaatan energi panas bumi secara persentase distribusi pemanfatan langsung panas bumi di dunia masih berkisar pada porsi 0,02%.

                                                                                                         Sumber: GeoHeat

Negara Indonesia memiliki peluang yang sangat besar di bidang panas bumi. Potensi cadangan energi panas bumi di Indonesia sebesar 40% dari total cadangan energi panas bumi seluruh dunia, atau setara dengan 28.000 MWe. Potensi panas bumi ini tersebar dari Aceh sampai Sulawesi. Untuk memanfaatkan kesempatan ini perlu dilakukan kajian yang mendalam agar perkembangan pemanfaatan panas bumi untuk pembangkit listrik juga diimbangi dengan kajian pemanfaatan langsung fluida panas bumi, seperti untuk pertanian, perikanan, pariwisata dan bahkan untuk proses kimia.

Berdasarkan data Departemen ESDM bulan juli 2010, pemanfaatan panas bumi untuk listrik di Indonesia telah mencapai 1189 MWe yang tersebar di wilayah Indonesia. Sedangkan untuk pemanfaatan panas bumi secara langsung masih terbatas untuk pemandian air panas yang digunakan pada tempat-tempat wisata, seperti Ciwidey, Cipanas, dan tempat-tempat pemandian umum di daerah Garut.

Pemanfaatan fluida panas bumi selain untuk pembangkit listrik dapat mengikuti alur pemanfaatan yang sesuai dengan diagram Lyndal (Lyndal Chart) yang mengelompokkan jenis pemanfaatan panas bumi berdasarkan urutan temperatur yang sesuai dengan pemanfaatannya. Dengan diagram ini akan diperoleh suatu gambaran mengenai pemanfaatan fluida panas bumi dan aplikasi apa yang sesuai di lapangan. Menurut diagram Lindall (D.N. Anderson, 1979) yang ditunjukkan pada gambar, sumber energi yang memiliki entalpi tinggi (temperatur > 200 ⁰C), pemanfaatanya adalah untuk pembangkit listrik, sedangkan yang memiliki entalpi sedang hingga rendah (temperatur < 200 ⁰C), pemanfaatanya sebagai media pengeringan produk pertanian dan perikanan serta kebutuhan industri dan pariwisata.

Diagram Lindall (D.N. Anderson, 1979)

Pada umumnya karakteristik sumber energi panas bumi di Indonesia letaknya di sekitar daerah pegunungan dengan tanah-tanah pertanian, perkebunan, kehutanan, peternakan, perikanan, dan tempat wisata. Di daerah-daerah seperti ini, energi panas bumi dapat dimanfaatkan misalnya untuk proses pengawetan dan pengeringan produk pertanian, strelisasi media tanam, pasteurisasi produk peternakan, pemanas ruangan, pemandian air panas, penyamak kulit, dan lain-lain. (ASHARE, 1987).

                                                                                (Ilustrasi Kawasan PLTP, sb: ESDM Jabar)

Dengan meningkatnya pengelolaan panas bumi di Indonesia untuk pembangkit listrik, seharusnya akan meningkatkan pula pemanfaatan panas bumi selain listrik, sehingga pemanfaatan panas bumi di Indonesia menjadi lebih efektif.

Seperti yang sudah dilakukan di Iceland, Amerika Serikat, Belanda, Rusia, serta Jepang. Negara-negara tersebut telah memanfaatkan energi panas bumi untuk kegiatan industri, pertanian, penangkaran hewan air, budidaya ikan, green house, bahkan digunakan sebagai pencair salju di jalan raya apabila musim salju tiba. Di daerah Oregon, Klamath fall Amerika Serikat, air panas bumi digunakan untuk memenuhi kebutuhan air panas dari sekolah dasar sampai universitas menggunakan sistem pompa (Jhon Lund, WGC 2010). Contoh Beberapa pemanfaatan di berbagai negara:

1. Penerapan Holtikultura (Flint Greenhouse di Idaho Mountain State Plants)

                                                                                                    Sumber: GeoHeat

2. Pengembang biakan ikan di Idaho

3. Pemanas Ruangan di Idaho

4.  Pengembangbiakan buaya di Idaho

5.  Pemandian Air Hangat di Tauhara New Zealand

6. Tentunya masih banyak lagi… 🙂

Untuk memanfaatkan sumber-sumber fluida panas bumi misalnya dari sumur yang kurang ekonomis untuk pembangkit listrik, fluida manifestasi yang bertemperatur tinggi, air sisa pembangkitan, atau bahkan pemboran sumur dangkal perlu dirancang sebuah alat yang dapat mengekstrak panas dari sumur tersebut menjadi lebih berdaya guna. Salah satu caranya adalah membuat alat yang mampu mengkonversi panas fluida tersebut menjadi udara panas untuk pengering produk pertanian. Sistem kerja alat ini adalah mengalirkan fluida panas bumi melalui sebuah alat penukar panas. Secara bersamaan dialirkan fluida udara dengan bantuan blower melewati alat penukar panas tersebut. Setelah terjadi pertukaran panas antara fluida air panas bumi dan udara dari lingkungan, maka udara tersebut digunakan untuk menguapkan kandungan air dari bahan yang akan dikeringkan.

Daftar Pustaka

Ambriz-Díaz, V.M., C. Rubio-Maya, J.J.P. Ibarra, S.R.G. González, J.M. Patiño, 2017, Analysis of a sequential production of electricity, ice and drying of agricultural products by cascading geothermal energy,International Journal of Hydrogen Energy, 42

Amponsah, N. Y., M. Troldborg, B. Kington, I. Aalders, R. L. Hough. (2014) ‘Greenhouse gas emissions from renewable energy sources: A review of lifecycle considerations’, Renewable and Sustainable Energy Reviews. Elsevier, 39, pp. 461–475. doi: 10.1016/j.rser.2014.07.087

Pemanfaatan Tidak Langsung Energi Panas Bumi

Teknologi pembangkit listrik panas bumi ini telah berumur lebih dari seratus tahun sejak Italy pertama kali membangunnya di Lardarello pada tahun 1904. Keberhasilan Italy membangkitkan pembangkit listrik panas bumi diikuti oleh Negara-negara lain seperti New Zealand dengan PLTP Wairakei pada tahun 1958 dan Amerika dengan PLTP the Geyser pada tahun 1960an. Produksi PLTP di dunia dapat dilihat pada gambar II.6, tercatat ada 24 negara yang membangun pembangkit listrik panas bumi dengan kapasitas listrik total 10,715 MW membangkitkan listrik sekitar 67,246 GWh per tahunnya (GEA 2010).

                                                                                                          Sumber: Geo-Heat

Semua PLTP yang telah dipasang diatas menggunakan berbagai macam tipe konversi energi yang disesuaikan terutama dengan temperatur fluida panas dari setiap reservoirnya. Diantara tipe-tipe pembangkit PLTP tersebut yaitu, Dry-Steam Power Plant, Single-Flash Power Plant, Double-Flash Power Plant, Binary Cycle Power Plant, dan Combined-Cycle Power Plant.

a.     Dry Steam Power Plant

Sistem konversi fluida uap kering merupakan sistem konversi yang paling sederhana dan paling murah. Uap kering langsung dialirkan menuju turbin kemudian setelah dimanfaatkan, uap dapat dibuang ke atmosfir (atmospheric exhaust turbine atau dialirkan ke kondensor (condensing turbine).

                                                                                         Sumber: Geo-Heat (modifikasi)

b.     Single-Flash Power Plant

Power plant jenis single-flash merupakan jenis power plant yang paling banyak digunakan di industri geothermal. Pada bulan juli 2004, terdapat 135 unit yang menggunakan operasi power plant jenis tersebut yang digunakan di 18 negara. Pada September 2006,  12 unit power plant jenis single flash dioperasikan di Indonesia dengan kapasitas total 660 MW. Sistem ini digunakan ketika fluida di kepala sumur dalam kondisi air jenuh (saturated liquid). Fluida dialirkan ke sebuah flasher agar terjadi pemisahan antara fluida berfasa cair dan uap. Banyaknya uap yang dihasilkan tergantung dari tekanan flasher. Fraksi uap, sesuai kualitas uap yang masuk yang kemudian dialirkan ke turbin. Untuk membangkitkan 60 MW power plant single flash membutuhkan 10-12 sumur produksi dan 3-4 sumur injeksi. Masalah yang biasanya dihadapi jika menggunakan jenis power plant ini diantaranya:

• —  Laju aliran massa di sumur sangat besar.
• —  Kemungkinan penurunan permukaan tanah (land subsidence) besar.
• —  Pengendapan mineral pada sistem perpipaan besar.
• —  Kemungkinan korosi pada sistem perpipaan dan peralatan besar.

                                                                                        Sumber: Geo-Heat (modifikasi)

c.     Double-Flash Power Plant

Power plant tipe double flash merupakan perbaikan dari tipe single flash dimana dapat menghasilkan output power 15-25%  lebih banyak dengan kondisi fluida yang sama. Double Flash pun lebih kompleks, lebih mahal, dan memerlukan pemeliharaan yang lebih. Sekitar pertengahan 2004, terdapat 70 unit power plant  jenis ini yaitu 15% dari keseluruhan power plant yang diguanakan di geothermal. Pada sistem ini digunakan dua pemisahan fluida yaitu separator dan flasher dan digunakan komposisi 2 turbin, yaitu HP-turbine dan LP-turbine yang disusun tandem.

                                                                                          Sumber: Geo-Heat (modifikasi)

d.     Binary Cycle Power Plant

Pembangkit listrik jenis ini digunakan jika fluida panas bumi bertemperatur sedang (100-200⁰C) dimana digunakan untuk memanasi fluida organik yang mempunyai titik didih rendah seperti isobutana (C₄H₁₀), amonia atau propana. Uap dari fluida organik ini digunakan untuk menggerakan turbin dan fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar kalor

Keuntungan dari siklus biner diantaranya yaitu:

•  Dapat mengambil lebih banyak panas dari cairan panas bumi dengan membuangnya ke temperatur yang lebih rendah.
•  Dapat menggunakan cairan panas bumi bertemperatur rendah, daripada melakukan flash.
•  Dapat menggunakan  tekanan uap yang lebih tinggi sehingga sistem menjadi lebih kompak dan self starting.
•  Masalah kimia terisolasi di penukar panas.
•  Dapat menggunakan fluida panas bumi yang sangat korosif dan mempunyai NCG tinggi.
•  Tidak memerlukan pemisahan uap dan air.

Dan kerugianya diantaranya yaitu:

• Perlu menggunakan penukar panas yang mahal, yang menurunkan temperatur, dan sumber pengerakan.
• Perlu menggunakan surface condenser yang mahal dibanding jet condenser.
• Perlu feed pump yang mahal dan mengambil banyak daya.
• Cairan biner umumnya volatile, beracun dan mudah terbakar. Harus ekstra hati-hati saat sealing.
• Pembuat umumnya masih belum ahli sehingga umumnya mahal karena untuk biaya pengembangan.
• Memerlukan air pendingin yang banyak.

                                                                                        Sumber: Geo-Heat (modifikasi)

Peralatan pada Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi

1   Separator

Sumur-sumur panas bumi umumnya memproduksikan fluida campuran, uap dan air, sedangkan turbin di PLTP digerakkan oleh fluida kerja berupa uap kering atau hampir superheated (uap air). Pemisahan uap dan air ini dilakukan di separator. Karakteristik operasional separator yang harus dicapai pada pemisahan fluida panas bumi yang paling penting adalah efisiensi pemisahan fluida yang harus tinggi dan penurunan tekanan yang kecil selama di separator untuk mencegah terjadi endapan (scaling) dan korosi di sudu turbin (blade) serta menghasilkan output listrik yang tinggi.

Pemisahan uap atau gas dari fluida panas bumi menggunakan prinsip pemisahan dan pengumpulan partikel (the dust separation and collection). Banyak alat yang digunakan pada pemisahan partikel kering diadaptasi untuk pemisahan liquid. Karena faktor ekonomi dan sifat fluida panas bumi yang berbeda, metoda interical impaction (termasuk sentrifugal dimana merupakan salah satu metoda pemisahan) umum dipakai pada fluida panas bumi.

2.   Demister

Demister adalah sebuah alat yang berbentuk tabung silinder yang pada umumnya berukuran 14.5 m³ yang didalamnya terdapat kisi-kisi baja yang berfungsi untuk mengeliminasi butir – butir air yang terbawa oleh uap dari sumur-sumur panas bumi. Demister ini dipasang pada jalur uap utama setelah alat pemisah akhir (final separator) yang ditempatkan pada bangunan rangka besi yang sangat kokoh dan terletak di luar gedung pembangkit.

3.  Turbin-Generator

Turbin adalah suatu mesin penggerak dimana energi fluida kerja, dalam hal ini adalah uap, dipergunakan langsung untuk memutar roda turbin. Bagian turbin yang berputar dinamakan roda turbin. Roda turbin ini terletak didalam rumah turbin. Roda turbin memutar poros yang menggerakan atau memutar bebannya, yang dalam hal ini adalah generator listrik. Generator disini berfungsi untuk mengubah energi mekanis menjadi energi listrik.

sumber: http://www.geothermal.marin .org

Secara umum, terdapat dua jenis turbin yaitu turbin tanpa kondenser (Atmospheric Exhaust/Back Pressure Turbine) dimana yang keluar dari turbin langsung dibuang ke udara dan turbin dengan kondenser dimana fluida yang keluar dari turbin dialirkan ke kondenser untuk dikondensasikan. Turbin kondensor dilengkapi dengan kondensor (condensing unit). Uap (baik yang berupa uap kering ataupun uap hasil separasi) yang keluar dari turbin dimasukkan ke dalam kondensor dengan tekanan vakum sehingga output power yang dihasilkan menjadi lebih tinggi dan menjadi lebih efisien. Uap keluaran dari turbin diubah menjadi kondensat di dalam kondensor. Kondensat dapat dikembalikan atau direinjeksikan ke dalam reservoar.

4.  Kondenser

Kondensor adalah suatu alat untuk mengkondensasikan uap dari turbin dengan kondisi tekanan yang hampa. Uap bekas dari turbin masuk dari sisi atas kondensor, kemudian mengalami kondensasi sebagai akibat penyerapan panas oleh air pendingin yang diinjeksikan melalui spray nozzle. Ada dua jenis kondensor, yaitu direct contact or jet condenser dan surface condenser. Pada direct contact condenser, uap yang keluar dari turbin langsung bersentuhan dengan fluida pendingin. Sedangkan pada surface condenser, uap yang keluar dari turbin tidak bersentuhan langsung dengan fluida pendingin. Proses pendinginannya terjadi pada alat penukar kalor (heat exchanger) yang umumnya berupa Shell and Tube Heat Exchanger.

5.  Gas Removal System 

Uap panas bumi mengandung kotoran seperti zat padat yang terlarut dan non-condensable gases (NCG). Kandungan NCG di dalam uap panas bumi bervariasi dari hampir nol hingga 15 % berat tergantung lokasi dari sumur. Pada suatu PLTP, setelah diekspansi di dalam turbin, uap panas bumi dikondensasi oleh air pendingin di dalam kondensor, sementara NCG tetap dalam kondisi gas. Akumulasi dari NCG di dalam kondensor menyebabkan tekanan kondensor naik, yang pada gilirannya mengurangi output power dari turbin. Untuk menjaga tekanan kondensor tetap rendah, NCG harus dikeluarkan secara terus menerus dari kondensor dengan menggunakan gas removal system. Dengan demikian, gas removal system merupakan peralatan penting pada sistem PLTP, karena berfungsi untuk mempertahankan kondisi vakum di dalam kondensor dengan cara mengeluarkan NCG dan kondenser dan membuangnya langsung ke atmosfir.

Peralatan ekstraksi gas yang biasa digunakan di PLTP-PLTP di Indonesia adalah steam jet ejector dan Liquid ring Vacuum pump (LRVP). Pemilihan tipe gas removal system sangat penting mengingat cukup tingginya kandungan non-condensable gas (NCG) dalam uap. Kriteria utama dalam pemilihan peralatan gas removal system sebagai berikut:

•    Tekanan kondenser (derajat kevakuman kondenser)
•    Jumlah laju alir massa gas yang akan diambil dari kondenser
•    Konsumsi energi yang dibutuhkan oleh peralatan gas ekstraksi
•    Jumlah massa dan temperatur air pendingin yang dibutuhkan dalam kondenser

A.                Steam Jet Ejector

Steam jet ejector pertama kali ditemukan oleh Le Blance dan Charles Parsons. Steam ejector bekerja dengan memanfaatkan panas buang dari sistem pembangkit daya, ruang pembakaran dan pada mesin industri untuk menghasilkan proses refrigerasi. Steam jet ejector secara umum terdiri empat bagian yaitu: divergen nosel (primary nozzle), ruang hisap (suction chamber), constan area duct atau throat section atau mixing tube dan diffuser.

Prosesnya dapat dilihat pada gambar dibawah yaitu dimulai dengan uap bertekanan dan temperatur tinggi dari boiler (disebut dengan primary fluid atau motive fluid) masuk ke primary nozzle dan keluar mencapai kecepatan supersonic sehingga akan menarik secondary fliud yang bertekanan dan temperatur rendah dari suction chamber bercampur di mixing chamber, kemudian kecepatannya akan turun menjadi subsonik seiring laju aliran ke diffuser dan tekanan akan meningkat. Jadi peran steam jet ejector disini adalah sebagai pengganti kompresor pada siklus kompresi uap yaitu menaikkan tekanan aliran dari evaporator melalui suction chamber. (Fahris, 2010)

Tingkat kevakuman atau tekanan yang dapat dicapai oleh steam jet ejector bervariasi antara 0,13 bar a untuk single stage sampai dengan 0,03 bar a untuk two stage steam jet ejector. Kebutuhan uap untuk motive steam tergantung dari jumlah aliran gas yang akan diekstraksi. Kondisi motive steam harus uap kering dan jenuh. Jika terdapat moisture dalam steam, separator dan steam trap dapat ditambahkan untuk meningkatkan kualitas steam. Minimum dryness steam yang dianjurkan adalah 99.5%. Kualitas uap yang buruk tidak akan membahayakan sistem, tetapi dapat menyebabkan erosi di steam nozzle dan diffuser.

B.  Liquid ring Vacuum pump (LRVP)

LRVP merupakan kelompok pompa positive displacement. Karakteristik pompa ini adalah menyalurkan energi dari impeler ke fluida yang dipompakan melalui cincin cairan. LRVP terdiri atas rotor tunggal dengan satu set baling-baling di bagian depannya seperti terlihat pada gambar dibawah:

Prinsip kerja LRVP adalah menaikkan tekanan gas dengan memutar baling-baling impeler (impeller vanes) dalam sebuah silinder casing yang eksentris. Ketika impeler dari pompa berputar, gaya sentrifugal akan melempar liquid membentuk lingkaran konsentris di sekeliling casing dan melakukan kerja kompresi. Fluida yang biasanya air akan membentuk cincin silinder pada bagian dalam casing. Cincin air ini menghasilkan sealing di bagian antara baling-baling impeler yang membentuk ruang bertekanan. Posisi impeler terhadap casing menyebabkan melebarnya jarak antara blade impeler dengan casing di sisi inlet dan menyempitnya jarak di sisi keluaran. Eccentricity antara perputaran sumbu impeler dengan sumbu geometris casing menghasilkan sebuah siklus volume ditutup oleh baling-baling dan liquid ring. Kemudian gas ditarik masuk ke dalam pompa melalui inlet port di bagian akhir casing. Gas selanjutnya terjebak di dalam ruang kompresi yang terbentuk oleh impeller vanes dan liquid ring. Kemudian adanya putaran impeler, Liquid ring akan menekan gas dan mendorongnya ke luar ke outlet port. Cairan yang ada di bagian keluaran gas kemudian dipisahkan yang selanjutnya didinginkan atau disirkulasikan dalam sebuah sistem pemisahan. (Lehmann, 1995). LRVP memiliki kapasitas antara 3 s.d 27 m³/jam dan pada umumnya digunakan untuk tekanan antara 0,13 s.d. 5,5 bar a bahkan adakalanya digunakan sampai pada tekanan 7 bara a. LRVP biasanya digunakan sebagai peralatan gas removal system pada tekanan tingkat kedua mengikuti steam ejector tingkat pertama bila kapasitas fluida dari sumur yang masuk relatif rendah. (HEI, 2011).

C.  Intercondenser dan Aftercondenser

Intercondenser merupakan kondenser yang dipasang setelah stage pertama steam jet ejector, sementara aftercondenser dipasang setelah stage kedua steam jet ejector untuk ejector system. Tujuan dari pemasangan intercondenser dan aftercondenser ini adalah untuk mengkondensasi motive steam dan steam yang terikut dengan NCG pada proses pembuangan NCG. Kondensat yang dihasilkan lalu dialirkan ke kondenser utama sedangkan NCG dibuang melalui cooling tower stack.

6.  Hot Well Pump (HWP)

Hot Well Pump adalah pompa pendingin utama yang berfungsi untuk memompakan air kondensat dari kondensor ke cooling tower untuk kemudian didinginkan. Jenis pompa yang sering digunakan adalah Vertical Barriel type 1 Stage Double Suction Centrifugal Pump, dengan jumlah dua buah pompa untuk setiap unit.

7.   Cooling tower

Cooling tower berfungsi untuk mendinginkan kondensat dari pompa HWP agar selanjutnya kondesat ini dapat disirkulasikan sebagai air pendingin. Cooling tower yang biasa digunakan adalah di PLTP adalah jenis mechanical draft cross flow tower . Cooling tower ini menggunakan kipas untuk mengalirkan udara sebagai pendingin. Pada mechanical draft cooling tower air panas dari kondensor disemprotkan pada struktur kayu yang berlapis-lapis yang disebut fill. Pada saat air mengalir melalui fill, perpindahan panas akan terjadi dari air panas ke udara (dibagian atas dari cooling tower ini terdapat kipas angin/fan). Air kemudian dipompakan kembali ke kondensor.

Cooling tower jenis ini relatif murah dan fleksibel karena kecepatan kipas angin dapat diubah-ubah disesuaikan dengan kondisi udara luar dan beban turbin. Kelemahannya adalah konsumsi energi untuk menggerakan kipas angin relatif besar dan biaya perawatannya relatif tinggi. Selain itu, ada tipe lain yaitu Natural Draught Cooling tower yang pada dasarnya bekerja dengan prinsip yang sama dengan mechanical draft cooling tower, kecuali disini aliran udara pendingin tidak berasal dari fan, tapi dikarenakan bentuk dan tingginya cooling tower. Aliran bisa diatur searah maupun berlawanan arah. Cooling tower jenis ini relatif mahal dan dan tidak sefleksibel mechanical draft cooling tower. Salah satu keuntungannya adalah biaya perawatannya relatif rendah.

dari berbagai sumber