Makalah Termodinamika Terapan

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal

MAKALAH

TERMODINAMIKA TERAPAN LNG RECEIVING TERMINAL

KELOMPOK 1 , 2 dan 3

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK - UNIVERSITAS INDONESIA DEPOK 2007 DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 1

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal

DAFTAR ISI DAFTAR ISI ......................................................................................................................................... 1 BAB I ................................................................................................................................................... 4 PENDAHULUAN................................................................................................................................. 4 I.1 Latar Belakang Pembangunan LNG Receiving Terminal................................................ 5 I.2 Penggunaan Energi Listrik dalam Pembangkit Tenaga Listrik ........................................ 8 I.2.1. Teknologi Konvensional ................................................................................................. 9 I.2.2. Teknologi Inovatif..........................................................................................................11 I.3 Manfaat dari pembangunan LNG receiving terminal ..................................................12 BAB II ................................................................................................................................................15 PEMBAHASAN.................................................................................................................................15 II.1. Mesin Kalor, Siklus Carnot, dan Siklus Rankine ...............................................................15 II.1.1 Mesin Kalor (Heat Engine) ...........................................................................................15 II.1.2 Siklus Carnot...................................................................................................................17 II.1.3 Siklus Rankine .................................................................................................................20 II.1.4 Analisa Energi pada Siklus Rankine............................................................................21 II.1.5 Solusi Penyimpangan Siklus Rankine..........................................................................23 II.2 Sifat-sifat dan Kinerja Refrigeran (R134A dan Propana)...............................................25 II.2.1 Sifat-Sifat Refrigeran yang Wajib................................................................................25 II.2.2 Kelompok-Kelompok Refrigeran ................................................................................27 II.2.3 Pemanfaatan Hidrokarbon sebagai Alternatif Refrijeran Alternatif ....................29 II.2.4 Pemilihan Fluida Kerja pada LNG Receiving Terminal ...........................................30 II.3. Gas Material, Processing and Power Technologies di Osaka Gas ............................33 II.3.1

IPP Plant of Osaka Gas (Torishima Energy Centre) ...........................................33

II.3.2

Flow System ..............................................................................................................33

II.3.3

Cara Kerja Sistem Pembangkit Listrik...................................................................34

II.3.3 Kelebihan dan Kekurangan LNG Cold Utilizing Power Generation System .......35 BAB III ...............................................................................................................................................37

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 2

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal JAWABAN PEMICU ........................................................................................................................37 BAB IV KESIMPULAN ......................................................................................................................50 DAFTAR PUSTAKA ...........................................................................................................................52

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 3

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal

BAB I PENDAHULUAN Indonesia sebagai negara dengan jumlah penduduk yang besar, dimana tingkat pertambahan penduduk sebesar 4.2% per tahunnya dan tingkat permintaan listrik sebesar 1.6% per tahun, mengakibatkan diperlukannya diversifikasi sumber energi pembangkit listrik. Seperti diketahui, sampai saat ini Indonesia masih bertumpu pada pemanfaatan minyak bumi sebagai sumber energi, dimana sumber energi fosil tersebut saat ini telah menipis jumlahnya, dan diprediksi Indonesia akan menjadi negara pengimport minyak pada tahun 2015. Selain dari permasalahan krisis minyak, dengan diberlangsungkannya berbagai konvensi internasional mengenai pemanasan global, dimana tahun 2007 ini Indonesia bertindak sebagai tuan rumah, memaksa negara ini untuk melakukan pembaharuan lebih jelas dan tegas untuk menggunakan bahan bakar yang ramah lingkungan. Salah satu solusi dari kedua permasalahan di atas adalah dengan mensubtitusi penggunaan minyak bumi dengan gas alam. Seperti diketahui, Indonesia memiliki sumber gas alam yang cukup sebesar 20 TCF (tanpa mempertimbangkan dari CBM Indonesia), namun yang baru digunakan secara optimal masih sekita 10 TCF. Sehingga masih besar peluang negara kita untuk mengembangkan pemanfaatan gas alam. Salah satu bentuk dari penggunaan gas alam adalah dalam bentuk LNG. Namun sayangnya, hingga saat ini LNG lebih besar dalam jumlah ekspor daripada untuk konsumsi dalam negeri. Hal ini lebih dikarenakan harga di dalam negeri yang terlalu murah, dibanding jika diekspor, misalnya ke Jepang. Dengan kebijakan pemerintah yang lebih berpihak pada pemanfaatan LNG dari segi harga, peluang LNG sebagai pemain andalan dalam energi Indonesia akan terbuka lebar. Sebagai salah satu pengembangan dari transportasi gas alam dalam bentuk LNG adalah melalui LNG receiving terminal. Kelebihan dari proyek ini adalah : •

Mendukung fasilitas supply gas alam dengan volume besar dan pemenuhan kebutuhan listrik terutama untuk Pulau Jawa

•

Melengkapi transportasi gas dengan pipa

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 4

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal •

Mengurangi ketergantungan dengan minyak bumi

•

Penerapan dari kebijakan migas 2001 yang melarang bentuk monopoli dalam industri migas

•

Membuka peluang bisnis baru pada bagian hilir

Dengan berbagai pertimbangan tersebut, Indonesia sedang mengembangkan pendirian LNG receiving terminal sebagai salah satu potensi untuk lebih menguatkan eksistensi gas alam Indonesia sebagai sumber energi.

I.1 Latar Belakang Pembangunan LNG Receiving Terminal Sistem transportasi gas bumi dalam bentuk LNG membutuhkan kapal tanker pengangkut LNG dan LNG Receiving Terminal. Dilihat dari fungsinya LNG Receiving Terminal sering disebut regas facility. Secara umum memang merupakan tempat regasifikasi dimana fungsinya adalah menerima gas alam cair dari kapal LNG, menyimpan LNG tersebut kedalam tangki, menguapkan LNG, dan selanjutnya menghantarkan gas alam ke distribution pipeline. Dalam hal ini, LNG Receiving Terminal berfungsi memasok gas ke PLN sebagai tenaga pembangkit listrik. Indonesia diperkirakan memiliki cadangan gas alam sekitar 20 TCF (triliun kaki kubik) namun yang hingga kini baru dimanfaatkan sekitar 8 – 9 TCF. Solusi yang dimaksud adalah adanya rencana Pemerintah untuk melarang pemakaian bahan bakar minyak (BBM) pada unitunit industri atau pembangkit baru. Larangan tersebut berlaku bagi mesin-mesin penggerak atau pemberi panas pada unit-unit industri baru. Unit-unit pembangkit itu diharuskan untuk memakai energi alternatif di antaranya yang cukup dominan adalah gas alam dan batu bara. Energi lain seperti panas bumi, air, dan lain-lain juga dapat dimanfaatkan namun dari sisi keekonomian gas alam dan batubara adalah yang paling mungkin untuk saat ini. Larangan itu nantinya akan diluncurkan dalam suatu Peraturan Presiden (Perpres) tentang kebijakan energi nasional. Di dalam Perpres tersebut terdapat strategi untuk menurunkan volume pemakaian minyak mentah yang saat ini merupakan salah satu energi yang tidak terbarukan (unrenewable), akan tetapi cadangan di Indonesia sudah semakin menipis. Peraturan yang baru nantinya secara tegas melarang ekspor gas ke luar negeri, kecuali yang sudah terikat kontrak jual beli. Dengan demikian langkah itu dapat menekan pemakaian BBM khususnya di sektor transportasi, industri dan rumah tangga.

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 5

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal Perlu diingat bahwa Indonesia sudah sejak lama tercatat sebagai pionir dalam pengembangan gas alam cair atau LNG (Liquified Natural Gas). Negara kita juga pernah tercatat sebagai eksportir LNG terbesar di dunia. Namun, pemerintah terlena dengan ekspor dan lupa mengembangkan potensi pasar gas di dalam negeri. PT PLN (Persero) adalah salah satu pasar dalam negeri yang tidak dilirik selama bertahun-tahun. Terbukti, pemakaian gas untuk pembangkit PLN tidak didorong dan justru BBM yang harganya kian mahal dan semakin terbatas, menjadi bahan baku andalan bagi unit-unit pembangkit milik BUMN tersebut. Belakangan ini, kebutuhan akan gas alam di dalam negeri kian meningkat, sedangkan di sisi lain cadangannya makin menipis. PLN dan anak perusahaannya seperti PT Indonesia Power dan PT Pembangkit Jawa Bali (PJB) adalah contohnya. Dalam beberapa tahun terakhir merasakan sekali akibatnya. Kurangnya pasokan gas alam ke beberapa unit PLTG atau PLTGU memaksa unit-unit pembangkit tersebut menggunakan BBM. Seharusnya.bisa dipasok dari lapangan gas lain tetapi belum memiliki terminal sehingga sulit menampung pasokan gas alam. Kelangkaan gas di dalam negeri selama ini disinyalir akibat Pemerintah Indonesia belum memiliki kebijakan energi nasional. Padahal, adanya kebijakan tersebut diperkirakan akan mendorong

pemanfaatan

potensi

gas

alam

secara

lebih

maksimal.

Dua hal yang kini tengah dilakukan untuk mendorong pemakaian gas alam di dalam negeri. Pertama adalah rencana PLN membangun LNG Terminal berkapasitas 4 juta metrik ton yang bisa ditingkatkan hingga 8 juta metrik ton. Kedua, adalah pembangunan jaringan pipa atau pipanisasi gas alam seperti pipanisasi dari Sumatra dan Kalimantan ke Jawa. LNG Terminal berisi : 1. LNG unloading system (termasuk jetty dan berth) LNG ditransfer ke onshore tangki LNG menggunakan pompa kapal. Tanker penerima biasanya berukuran 75.000 m3 sampai 135.000 m3 serta waktu untuk mengkosongkannya sekitar 12-14 jam per 135.000 m3 kapal. 2. LNG storage tanks Dua atau

lebih tangki di daratan digunakan untuk menerima dan mensortir LNG,

melewati terminal dengan single tank. Reduksi biaya dilakukan dengan meminimalkan jumlah tangki serta memaksimalkan daya tampungnya. 3. Vapour handling system

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 6

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal Pada operasi standar, boil-off vapor diproduksi di tangki dan liquid-filled lines oleh transfer panas dari sekitarnya. Sebuah Boil-off gas (BOG) recondenser juga diperlukan, dimana berguna untuk me-recover BOG sebagai produk dan menyediakan surge capacity untuk pompa LNG tahap 2. Sistem baru yang digunakan adalah menggunakan tekanan 0.9 MPa oleh kompresor bertekanan rendah dan pencairan menggunakan LNG sebagai pencampur. Karena tekanan sistem pencairan BOG dinaikkan bersamaan dengan tekanan keluaran maka sistem ini dapat menghemat 30-60% dibandingkan menggunakan conventional high-pressure system. Sistem ini mengadopsi teknologi cold energy storage (CES) untuk mencairkan BOG pada volume konstan dibawah fluktuasi dari LNG pada flow rate keseharian. 4. LNG vaporizers Fasilitas LNG terminals memiliki multiple parallel operating vaporizer with spares. • Open rack vaporizers dan menggunakan air laut untuk memanaskan dan menguapkan LNG. • Submerged combustion vaporizer (SCV) menggunakan sendout gas sebagai bahan bakar untuk membakar, dan menyediakan panas penguapan. 5. Open rack vaporizers Air laut menguapkan LNG melewati tube dengan laju unit sekitar 200 sampai 250 MMSCFD. 6. Submerged combustion vaporizer Berguna untuk membakar gas alam yang diambil dari sendout gas stream dan melewati panas gas pembakaran kedalam bak air yang berisi heating tubes untuk LNG. Lajunya sekitar 150 MMSCFD. 7. First stage sendout pump Beberapa pompa keluaran LNG low-head terpasang di setiap LNG storage tank. Terminal penerima yang sangat besar memiliki laju alir keluar sebesar 2 BSCFD dan laju pengeluaran kapal adalah 5 BSCFD, serta tekanan keluaran pompa sekitar 8 barg. 8. Second stage sendout pump

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 7

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal Gas keluaran biasanya diinjeksi dengan sistem distribusi tekanan gas tinggi sekitar 80 barg maka diperlukan multistaged sendout pumps. Berikut ini beberapa gambar – gambar dari LNG Receiving Terminal di beberapa wilayah :

Gambar 1. 1 LNG Receiving Terminal

I.2 Penggunaan Energi Listrik dalam Pembangkit Tenaga Listrik Energi dingin disini diartikan sebagai energi yang dihasilkan dari proses penguapan LNG. Energi ini digunakan untuk pembangkit listrik, proses pencairan dan pemisahan gas menjadi liquid, dan produksi pencairan H2CO3. Penggunaan energy dingin dari LNG menyebabkan penghematan energi untuk pencairan gas sebesar 40 – 50 %, 30 – 40% untuk manufaktur H2CO3 cair dan dry ice, dan 10% untuk industri kriogenik.

Gambar 1. 2 Aplikasi Energi dingin dari LNG

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 8

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal Aplikasi teknologi energi dingin dapat dibagi dua, yakni teknologi konvensional dan inovatif.

I.2.1. Teknologi Konvensional a. Generator Kriogenik Pada proses ini, aliran listrik dihasilkan melalui siklus Rankin berupa siklus ekpansi turbin yang diintegrasikan dengan proses penguapan LNG ( lihat Error! Reference source not found. ). Proses ini juga menggunakan Tri – Ex Vaporizer, yaitu dengan menggunakan fluida intermediet yang dapat diaplikasikan pada air laut dingin dan dapat menggunakan energi kriogenik LNG. Proses digambarkan sebagai berikut. Air laut yang merupakan fluida panas dialirkan menggunakan pompa menuju heater, dimana pada saat yang sama dialirkan gas alam yang berasal dari vaporizer II. Pada tahap ini, suhu air laut akan turun dan suhu gas alam akan naik. Kemudian air laut akan mengalir menuju vaporizer I untuk memanaskan propane yang telah dicairkan pada vaporizer II. Suhu air laut akan turun dan dikembalikan ke laut, sedangkan suhu propane akan naik dan dialirkan bersaman dengan gas alam menuju turbin. Pada turbin, gas alam akan memutar turbin I dan propane akan memutar turbin II. Propane yang telah digunakan untuk memutar turbin akan mengalir kembali menuju vaporizer II untuk dikondensasikan kembali.

Gambar 1. 3 Proses Generator Kriogenik

Separasi Udara Separasi udara menggunakan energi dingin LNG ( lihat Error! Reference source not found. ). Proses digambarkan sebagai berikut. Udara akan masuk ke dalam HP rectifier, sehingga mengalami kenaikan tekanan. Setelah itu, hasilnya akan mengalir menuju LP rectifier

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 9

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal menjadi argon, oksigen, dan nitrogen cair. Nitrogen yang tidak tercairkan akan digunakan untuk sirkulasi proses, dimana nitrogen akan mengalir menuju HE untuk bertukar panas dengan LNG.

Gambar 2. 1 Proses Separasi Udara

Pencairan Boil – Off Gas Proses pencairan BOG ( boil – off gas ) dapat menghemat energi listrik sebesar 30 – 60% yang dibutuhkan untuk mengirim BOG, dibandingkan dengan sistem kompresi konvensional bertekanan tinggi. Teknologi penyimpanan energi dingin digunakan untuk sistem pencairan BOG yang kontinu dan stabil walaupun terdapat fluktuasi laju alir LNG ( lihat Gambar 2. 2 Proses Pencairan BOG

). Proses yang terjadi adalah pada siang hari, BOG akan dicairkan bersamaan dengan LNG, namun LNG tidak ikut tercairkan, LNG akan diuapkan menggunakan vaporizer menjadi gas alam dan BOG menjadi energi dingin yang digunakan untuk mendinginkan PCM, dimana PCM ini akan dicairkan pada malam hari untuk proses pencairan LNG.

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 10

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal

Gambar 2. 2 Proses Pencairan BOG

Perbandingan Sistem Pengiriman BOG Sistem Pengiriman Konvensional

Sistem Pencairan BOG dengan Penyimpanan Energi Dingin

BOG dikompres dengan tekanan tinggi ( 2 – 7.5 BOG dikompres dengan tekanan 0.9 MPa dengan MPa ) untuk mempertahankan tekanan tangki, kompresor tekanan rendah dan dicampur dengan dan dikirim bersamaan dengan gas yang telah LNG, kemudian dipisahkan dengan separator, tervaporisasi. Dibutuhkan energi listrik yang dan LNG dialirkan menuju vaporizer untuk besar untuk menaikkan tekanan BOG.

diuapkan.

Tekanan

yang

digunakan

untuk

menaikkan tekanan BOG berasal dari pompa, sistem ini dapat menghemat energi listrik kompresor

BOG.

Volume

BOG

konstan

walaupun terjadi volume alir LNG yang fluktuatif akibat gas harian yang masuk menuju tangki CES.

I.2.2. Teknologi Inovatif Proses Energi Kriogenik LNG Cascade

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 11

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal Proses ini mampu menukarkan panas antara sumber panas dengan sumber energi dingin (LNG) dari suhu kriogenik menjadi suhu normal, yang dapat menyuplai energi kriogenik pada empat macam industri atau lebih dalam satu kompleks. Proses dapat dilihat pada Gambar 1. 4 Proses energy kriogenik pada LNG Cascade. Dibandingkan dengan sistem non – cascade, sistem

baru ini lebih efisien, hanya membutuhkan 77% energi LNG untuk menghasilkan energi kriogenik yang sama. Proses yang terjadi adalah pencairan LNG secara berulang. Tahap pertama adalah proses pencairan CO2, yang berasal dari kilang minyak, pada suhu -1600C, dimana CO2 akan ditampung pada tangki penyimpanan dan hasilnya adalah NG dan LNG yang akan digunakan pada tahap kedua. Tahap kedua adalah proses pendinginan butane yang berasal dari kilang minyak. Butane yang bersuhu 30 – 40oC akan didinginkan dengan LNG dan NG. butane yang sudah didinginkan akan disimpan dalam tangki penyimpanan dan menjadi umpan untuk pabrik petrokimia. Tahap ketiga adalah proses pendinginan air, yang akan digunakan untuk gas turbin, dimana pada gas turbin akan mengalami perubahan fasa menjadi uap. Sisa air yang tidak digunakan untuk gas turbin akan dialirkan menuju perairan perkotaan. Gas sisa akan digunakan untuk gas perkotaan. Gas ini bersuhu 10oC.

Gambar 1. 4 Proses energy kriogenik pada LNG Cascade

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 12

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal

I.3 Manfaat dari pembangunan LNG receiving terminal •

Membangun fasilitas penyediaan gas yang terpercaya, yang dapat menyediakan gas dalam volume yang besar kepada Pembangkit Listrik Tenaga Gas yang dimiliki PLN, terutama pembangkit listrik di daerah Jakarta dan Jawa Barat (hampir 60% kebutuhan listrik di Pulau Jawa berlokasi di daerah tersebut).

•

Melengkapi gas pipeline terutama selama penyediaan gas tidak stabil sehingga dapat menghindari terganggunya pembangkit listrik akibat tidak menentunya pasokan gas.

•

Mengurangi konsumsi bahan bakar minyak untuk pembangkit listrik PLN dan untuk menghindari biaya tak tersaingi dari pembangkitan listrik.

•

Mendukung pembangunan pembangkit listrik bertenaga gas sehingga kedua proyek ini (PLTG dan LNG receiving terminal) merupakan proyek yang terintegrasi dan memiliki efisiensi yang lebih baik.

•

Membawa manfaat untuk ekonomi nasional karena LNG receiving terminal merupakan rantai terakhir yang diperlukan sebagai nilai tambah LNG di Indonesia.

•

Merespon hukum baru tentang minyak bumi dan gas alam yang dibuat pada tahun 2001 yang bermaksud menghentikan monopli minyak bumi dan gas alam, serta untuk membuka kesempatan adanya bisnis baru pada industry ini. Namun, timbul permasalahan tentang pengadaan LNG receiving terminal, di antaranya

adalah adanya penolakan dari penduduk local untuk membangun fasilitas tersebut di sekitar lingkungan mereka. Selain itu, nilai heating value tiap LNG berbeda-beda tergantung tempat produksinya. Tabel 1. 1 LNG Calorific Value by Gas Producing Country

Gas Producing Country

LNG Calorific Value (Btu/cf)

Alaska

1,009

Trinidad

1,075

Algeria

1,113

Nigeria

1,125 – 1,150

Abu Dhabi

1,136

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 13

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal Oman

1,100 – 1,150

Qatar

1,075 – 1,130

Australia

1,127

Brunei

1,127

Indonesia (Bontang)

1,114

Indonesia (Tangguh)

1,050

Malaysia

1,117

(Sumber World Gas Intelligence) Dari data tersebut, dapat dilihat bahwa pada LNG receiving terminal harus sesuai dengan kriteria pengontrol/penyesuaian heating value sehingga membatasi penerimaan LNG. Hal ini berarti meskipun ada LNG yang sudah sesuai baik harga maupun kualitasnya, ada kemungkinan tidak sesuai dengan criteria atau spesifikasi. Namun, walaupun ada keterbatasan dalam heating value, ada fasilitas yang dapat ditambahkan untuk menyesuaikan heating value (misalnya, dicampur dengan LNG dengan heating value yang lebih rendah ataupun dengan menambahkan nitrogen) sehingga memungkinkan menerima LNG dengan jenis yang lebih banyak. Permasalahan yang paling penting adalah adanya kompetisi harga antara LNG dengan gas pipeline.

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 14

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal

BAB II PEMBAHASAN II.1. Mesin Kalor, Siklus Carnot, dan Siklus Rankine II.1.1 Mesin Kalor (Heat Engine) Pendekatan klasik dari hukum kedua Thermodinamika adalah berdasarkan pada tinjauan makroskopik dari sifat-sifat bebas tentang struktur material atau sifat-sifat dari fluida dan molekulnya. Hal ini mengarahkan kita kepada mesin kalor, sebuah mesin yang menghasilkan kerja dari panas melalui siklus proses, contohnya adalah pembangkit tenaga (power plant) yang menggunakan steam, dimana fluida kerjanya (steam) secara periodik kembali ke keadaan awalnya. Pada power plant , secara sederhana terdapat beberapa proses berikut ini : 1. Air pada T ambient dipompa ke boiler dengan tekanan tinggi. 2. Panas dari bahan bakar (panas pembakaran dari bahan bakar fosil ataupun hasil dari reaksi kimia misalnya) dipindahkan oleh boiler ke air, sehingga mengakibatkan air berubah menjadi steam bersuhu tinggi pada P boiler. 3. Energi di-transfer sebagai kerja mesin dari steam ke sekelilingnya. Proses ini dilakukan oleh turbin misalnya, dimana steam diekspansi, diambil energi berupa suhu dan tekanannya sehingga P dan T turun. 4. Steam keluaran dari turbin ini dikondensasikan pada P dan T rendah melalui transfer panas dengan air pendingin. Hal ini sekaligus melengkapi berjalannya siklus ini. Hal yang esensial dalam semua siklus mesin kalor adalah penyerapan panas pada T tinggi dan pelepasan panas pada T yang lebih rendah yang diiringi dengan proses penghasilan kerja. Secara teoritis treatment dari mesin kalor ini memiliki dua tingkat temperatur yang menjadi karakteristik operasi dan diatur oleh reservoar kalor. Reservoar ini merupakan suatu bentuk imajiner untuk menggambarkan 2 kondisi dimana terjadi penyerapan dan pelepasan panas secara isothermal.

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 15

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal Pada operasinya, fluida kerja dari mesin kalor menyerap panas (QH) dari reservoar panas, kemudian menghasilkan sejumlah kerja bersih (W), melepaskan panas (QC) dari reservoar dingin dan akhirnya kembali pada kondisi awalnya. Dengan kondisi ini, hukum I Thermodinamika menjadi :

W = QH − QC Dan efisiensi thermal η = Maka : η =

W QH

=

net work input heat input

QH − QC QH

= 1−

QC QH

= 1−

TC TH

Untuk mendapatkan efisiensi thermal 100%, QC haruslah nol. Sayangnya tidak ada satupun mesin yang mampu mencapai kondisi ini, pasti akan selalu ada panas yang dibuang ke reservoar dingin. Hal yang menentukan limit atas efisiensi adalah derajat reversibilitas dari operasinya. Dengan demikian, mesin kalor yang beroperasi secara benar-benar reversibel adalah mesin yang ideal dan disebut dengan mesin Carnot. Empat tahapan pada mesin Carnot : 1. Sebuah sistem pada awalnya berada pada kesetimbangan thermal dengan reservoar dingin pada suhu TC. Sistem ini kemudian mengalami proses adiabatik reversibel yang menyebabkan suhunya meningkat menjadi suhu di reservoar panas pada suhu TH. 2. Sistem mempertahankan kontak dengan reservoar panas pada TH dan mengalami proses isothermal reversibel. Selama panas (QH) di ambil dari reservoar panas. 3. Sistem mengalami proses adiabatik reversibel pada arah berlawanan dari tahap 1 yang membawa temperaturnya kembali pada reservoar dingin (TC). 4. Sistem mempertahankan kontak dengan reservoar pada TC dan mengalami proses isothermal reversibel pada arah yang berlawanan dengan tahap 2 dan kembali pada keadaan awalnya melalui proses pelepasan kalor (QC) ke reservoar dingin. Mesin Carnot beroperasi diantara 2 reservoir panas pada suatu cara sedemikian hingga dimana semua panas diambil pada T konstan dari reservoar panas dan semua kalor dilepas dari reservoar dingin pada T konstan pula. Semua mesin yang beroperasi diantara dua reservoar kalor adalah termasuk mesin Carnot.

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 16

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal

Gambar 2. 3 Mesin Carnot

Oleh karena mesin Carnot bekerja secara reversibel, maka tentu saja dapat beroperasi pada arah balikannya. Siklus balik ini disebut siklus refrijerasi reversibel, dimana kuantitas QH, QC¸ dan W adalah sama dengan siklus Carnot biasa hanya saja memiliki arah yang berlawanan. Theorema carnot menyatakan bahwa untuk dua reservoar kalor tertentu tidak ada mesin yang memiliki efisiensi thermal lebih tinggi daripada mesin Carnot.

II.1.2 Siklus Carnot Sebagaimana telah disebutkan sebelumnya, siklus Carnot adalah siklus yang paling efisien dari operasi diantara dua tingkat temperatur yang spesifik. Dengan demikian siklus ini sangatlah cocok untuk digunakan sebagai model prospektif siklus ideal untuk pembangkit tenaga uap (vapour power plant). Seandainya bisa, tentu saja siklus ini yang akan digunakan untuk siklus pada praktek dilapangan. Namun, ada banyak kesulitan yang menyebabkan siklus ini tidak bisa diaplikasikan. Dengan mempertimbangkan menjalankan siklus Carnot dengan aliran steady pada kurva saturasi zat murni, air misalnya sebagaimana tampak pada gambar dibawah ini :

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 17

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal

Gambar 2. 4 Diagram T – s siklus uap Carnot

Secara ringkas proses yang terjadi adalah, air dipanaskan secara reversibel dan isothermal didalam boiler (proses 1 - 2), ekspansi secara adiabatik didalam turbin (proses 2 - 3), pengkondensasian secara isothermal dan reversibel didalam kondensor (proses 3 – 4) dan diakhiri dengan pengkompresian secara isentropik oleh kompresor menuju kondisi awal dari proses ini (proses 4 – 1). Beberapa kesulitan yang berhubungan dengan siklus ini, antara lain : •

Transfer panas menuju atau dari sistem dua fasa tidaklah sulit untuk dicapai pada prakteknya, karena mempertahankan tekanan konstan pada peralatan secara otomatis akan mem-fix kan temperatur pada titik jenuhnya. Oleh karena itu, proses 1 – 2, dan 3 – 4 dapat dicapai dengan menggunakan boiler dan kondenser. Membatasi proses transfer panas menuju sistem dua fasa menyebabkan temperatur yang dapat digunakan pada siklus menjadi terbatasi. Membatasi temperatur maksimum pada siklus juga berarti membatasi efisiensi thermal. Usaha apapun untuk meningkatkan Tmax pada siklus panas akan melibatkan transfer panas menuju fluida kerja pada fasa tunggal yang tidak akan mudah untuk dicapai secara isothermal.

•

Proses ekspansi isentropik (2 – 3) dapat didekati/ditunjukkkan oleh turbin yang bagus. Namun demikan, kualitas steam akan terus menurun selama proses ini seperti ditunjukkan pada gambar sebelumnya. Jadi turbin harus bisa bekerja dengan steam yang memiliki kualitas rendah. Dengan kata lain, steam dengan kelembaban tinggi yang tentunya akan merusak turbin akibat dari terjadinya erosi oleh butir-butir air pada balingbaling turbin. Steam dengan kualitas kurang dari 90% tidak akan bisa dijalankan oleh

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 18

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal turbin di power plant. Masalah ini dapat diatasi dengan menggunakan fluida kerja yang memiliki garis uap jenuh sangat curam. •

Proses kompresi isentropik (proses 4 – 1) melibatkan komposisi dari campuran cair - uap menuju kondisi cair jenuh. Ada dua kesulitan dalam proses ini, pertama bukanlah hal yang mudah untuk mengontrol proses kondensasi sedemikian hingga untuk memperoleh kualitas campuran cair – uap tertentu pada kondisi uap. Kedua tentu saja tidak praktis dan amatlah sulit untuk mendesain kompresor yang dapat bekerja pada dua fasa. Beberapa dari masalah-masalah ini dapat dieliminasi dengan menggunakan siklus Carnot

pada jalan yang berbeda, misalnya pada gambar dibawah ini:

Gambar 2. 5 T – s diagram siklus Carnot modifikasi

Namun, siklus ini-pun memiliki kesulitan yakni kompresi isentropik pada tekanan yang sangat tinggi dan transfer panas isothermal pada variabel tekanan. Oleh karena itulah dapat disimpulkan bahwa siklus Carnot tidak dapat direpresentasikan oleh alat – alat yang sebenarnya, bukan merupakan model yang realistis untuk siklus tenaga uap, namun dapat digunakan untuk membantu memahami tentang siklus tenaga uap.

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 19

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal

II.1.3 Siklus Rankine Siklus Rankine merupakan siklus ideal untuk siklus tenaga uap. Beberapa kesulitan pada siklus Carnot dapat diatasi dengan memanaskan steam di reboiler sampai mencapai kondisi superheated dan mengkondensasikannya secara keseluruhan dikondenser. Hal ini bisa dilihat pada gambar berikut ini :

Gambar 2. 6 Siklus Rankine Sederhana

Siklus Rankine ideal tidak melibatkan irreversibel internal dan terdiri dari 4 tahapan proses : •

1 – 2 merupakan proses kompresi isentropik dengan pompa.

•

2 – 3 Penambahan panas dalam boiler pada P = konstan.

•

3 – 4 Ekspansi isentropik kedalam turbin.

•

4 – 1 Pelepasan panas didalam kondenser pada P = konstan.

Berikut ini lay-out fisik dari siklus Rankine :

Gambar 2. 7 Lay-out Fisik dari Siklus Rankine

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 20

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal Air masuk pompa pada kondisi 1 sebagai cairan jenuh dan dikompresi sampai tekanan operasi boiler. Temperatur air akan meningkat selama kompresi isentropik ini melalui sedikit pengurangan dari volume spesifik air. Jarak vertikal antara 1 – 2 pada T – s diagram ini biasanya dilebihkan untuk lebih amannya proses. Air memasuki boiler sebagai cairan terkompresi pada kondisi 2 dan akan menjadi uap superheated pada kondisi 3. Dimana panas diberikan oleh boiler ke air pada T tetap. Boiler dan seluruh bagian yang menghasilkan steam ini disebut sebagai steam generator. Uap superheated pada kondisi 3 kemudian akan memasuki turbin untuk diekspansi secara isentropik dan akan menghasilkan kerja untuk memutar shaft yang terhubung dengan generator listrik sehingga dihasilkanlah listrik. P dan T dari steam akan turun selama proses ini menuju keadaan 4 dimana steam akan masuk kondenser dan biasanya sudah berupa uap jenuh. Steam ini akan dicairkan pada P konstan didalam kondenser dan akan meninggalkan kondenser sebagai cairan jenuh yang akan masuk pompa untuk melengkapi siklus ini. Ingat bahwa data dibawah kurva proses pada diagram T – s menunjukkan transfer panas untuk proses reversibel internal. Area dibawah kurva proses 2 – 3 menunjukkan panas yang ditransfer ke boiler, dan area dibawah kurva proses 4 – 1 menunjukkan panas yang dilepaskan di kondenser. Perbedaan dari kedua aliran ini adalah kerja netto yang dihasilkan selama siklus.

II.1.4 Analisa Energi pada Siklus Rankine Analisis energi ini dilihat dari tiap komponen (alat-alat) yang terdapat pada siklus Rankine dengan menggunakan asumsi bahwa komponen-komponen tersebut bekerja pada aliran steady. Persamaan energi untuk system yang alirannya steady yaitu: ∆E = m(h+Ep+Ek)i – m(h+Ek+Ep)e + Q – W 0 = hi – he + Q – W Q - W = he – h i Persamaan energi untuk masing-masing komponen dapat ditulis: 9 Pompa (Q = 0) Æ Wpompa,in = h2 – h1 9 Boiler (W = 0) Æ Qin = h3 – h2 9 Turbin (Q = 0) Æ Wturb,out = h3 – h4

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 21

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal 9 Condenser (W = 0) Æ Qout = h4 – h1 Berdasarkan hal diatas diperoleh Wnet yaitu : Wnet = Qin – Qout = Wturb,out – Wpompa,in Efisiensi termal siklus Rankine dapat ditulis :

η=

Wnet Q = 1 − out Qin Qin

Pada kenyataannya terdapat penyimpangan dalam siklus Rankine yang terjadi karena: 1. adanya friksi fluida yang menyebabkan turunnya tekanan di boiler dan condenser sehingga tekanan steam saat keluar boiler sangat rendah sehingga kerja yang dihasilkan turbin (Wout) menurun dan efisiensinya menurun. Hal ini dapat diatasi dengan meningkatkan tekanan fluida yang masuk. 2. adanya kalor yang hilang ke lingkungan sehingga kalor yang diperlukan (Qin) dalam proses bertambah sehingga efisiensi termalnya berkurang Penyimpangan pada siklus Rankine ditunjukkan oleh gambar dibawah ini:

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 22

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal Penyimpangan ini terjadi karena adanya irreversibilitas yang terjadi pada pompa dan turbin sehingga pompa membutuhkan kerja (Win) yang lebih besar dan turbin menghasilkan kerja (Wout) yang lebih rendah seperti pada grafik dibawah ini:

Efisiensi pompa dan turbin yang mengalami irreversibilitas dapat dihitung dengan:

ηP =

Ws h2 s − h1 = Wa h2 a − h1

ηT =

Wa h3 − h4 a = Ws h3 − h4 s

Dimana: 9 2a & 4a Æ menyatakan keadaan yang sebenarnya pada turbin dan pompa 9 2a & 4s Æ menyatakan keadaan isentropic. II.1.5 Solusi Penyimpangan Siklus Rankine Peningkatan Efisiensi 1. Menurunkan tekanan kondensor Æ Batasan : P < Psat Æ Kelemahan : ~ Timbul kebocoran udara ~ x steam masuk turbin rendah ~ Menurunkan efisiensi turbin ~ Mengerosi bagian turbin.

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 23

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal Memanaskan steam hingga kondisi superheated pada temperatur yang tinggi Æ Meningkatkan Trata-rata Æ Kadar air dalam steam keluar turbin ↓ Æ Batasan : T > 6200C Meningkatkan tekanan boiler Æ T dalam boiler ↑ Æ Kelemahan : kadar air dalam steam keluar turbin ↑ Æ Solusi : dengan pemanasan kembali Pemanasan Ulang •

Meningkatkan P boiler sehingga akan dengan meningkatkan efisiensi siklus dan melembabkan keluaran turbin.

•

Solusi: Memanaskan steam hingga suhu sangat tinggi sebelum masuk turbin.

Mengekspansi 2 tahap pada turbin dimana diantara tahapan tersebut, steam dipanaskan. •

Tahap : steam masuk turbin Æ ekspansi 1 (HP turbin, sampai P menengah) Æ pemanasan ulang (boiler, pada P tetap) Æ ekspansi 2 (LP turbin)

•

Proses single reheat (satu kali pemanasan kembali) dapat meningkatkan efisiensi sebesar 4 - 5%.

Gambar 2. 8 Solusi penyimpangan siklus Rankine

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 24

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal

Regenerasi •

Cara meningkatkan T liquid yang meninggalkan pompa: –

Mengkompres liquid secara isentropik hingga memiliki suhu yang tinggi.

–

Mentransfer panas dari steam yang telah diekspansi kepada air umpan boiler yang digunakan untuk regenerasi.

•

Regenerasi: mengeluarkan steam sedikit dari dari turbin pada titik-titik yang berbeda. Steam ini digunakan untuk memanaskan air umpan.

•

Peralatan dimana air umpan dipanaskan melalui proses regenerasi disebut regenerator atau pemanas air. Dengan regenerasi, efisiensi termal dari siklus Rankine akan meningkat. Hal ini karena

adanya kenaikan temperatur rata-rata dari kalor yang diberi untuk steam di boiler dengan cara peningkatan suhu dari air sebelum masuk ke boiler. Dimana efiensi akan meningkat jika pemanasan air umpan ditingkatkan.

II.2 Sifat-sifat dan Kinerja Refrigeran (R134A dan Propana) Refrigeran adalah suatu medium yang fungsinya sebagai pengangkut panas, sehingga panas tersebut diserap dari evaporator ( temperatur rendah ) dan dilepaskan ke kondensor ( temperatur tinggi ). Pemilihan refrigeran pada mesin pendingin merupakan faktor yang menentukan karena dapat mempengaruhi efisiensi dari mesin itu sendiri. Unit-unit refrigerasi banyak dipergunakan untuk daerah temperatur yang luas, dari unit untuk keperluan pendinginan udara sampai refrigerasi. Untuk unit refrigerasi tersebut diatas, hendaknya dapat dipilih jenis refrigeran yang paling sesuai dengan jenis kompresor yang dipakai dan karakteristik thermodinamikanya yang antara lain meliputi temperatur penguapan dan tekanan penguapan serta temperatur pengembunan dan tekanan pengembunan.

II.2.1 Sifat-Sifat Refrigeran yang Wajib a. Tekanan penguapan harus cukup tinggi. Sebaiknya refrigeran memiliki temperatur pada tekanan yang lebih tinggi, sehingga dapat dihindari kemungkinan terjadinya vakum pada evaporator dan turunnya efisiensi volumetrik karena naiknya perbandingan kompresi.

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 25

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal b. Tekanan pengembunan yang tidak terlampau tinggi. Apabila tekanan pengembunannya terlalu rendah, maka perbandingan kompresinya menjadi lebih rendah, sehingga penurunan prestasi kondensor dapat dihindarkan, selain itu dengan tekanan kerja yang lebih rendah, mesin dapat bekerja lebih aman karena kemungkinan terjadinya kebocoran, kerusakan, ledakan dan sebagainya menjadi lebih kecil. c. Kalor laten penguapan harus tinggi. Refrigeran yang mempunyai kalor laten penguapan yang tinggi lebih menguntungkan karena untuk kapasitas refrigerasi yang sama, jumlah refrigeran yang bersirkulasi menjadi lebih kecil. d. Volume spesifik ( terutama dalam fasa gas ) yang cukup kecil. Refrigeran dengan kalor laten penguapan yang besar dan volume spesifik gas yang kecil ( berat jenis yang besar ) akan memungkinkan penggunaan kompresor dengan volume langkah torak yang lebih kecil. Dengan demikian untuk kapasitas refrigerasi yang sama ukuran unit refrigerasi yang bersangkutan menjadi lebih kecil. Namun, untuk unit pendingin air sentrifugal yang kecil lebih dikehendaki refrigeran dengan volume spesifik yang agak besar. Hal tersebut diperlukan untuk menaikkan jumlah gas yang bersirkulasi, sehingga dapat mencegah menurunnya efisiensi kompresor sentrifugal. e. Koefisien prestasi harus tinggi. Dari segi karakteristik thermodinamika dari refrigeran, koefisien prestasi merupakan parameter yang terpenting untuk menentukan biaya operasi. f. Konduktivitas termal yang tinggi. Konduktivitas termal sangat penting untuk menentukan karakteristik perpindahan kalor. g. Viskositas yang rendah dalam fasa cair maupun fasa gas. Dengan turunnya tahanan aliran refrigeran dalam pipa, kerugian tekanannya akan berkurang. h. Konstanta dielektrika dari refrigeran yang kecil, tahanan listrik yang besar, serta tidak menyebabkan korosi pada material isolator listrik. Sifat-sifat tersebut dibawah ini sangat penting, terutama untuk refrigeran yang akan dipergunakan pada kompresor hermetik. i. Refrigeran hendaknya stabil dan tidak bereaksi dengan material yang dipakai, jadi juga tidak menyebabkan korosi. j. Refrigeran tidak boleh beracun dan berbau merangsang. k. Refrigeran tidak boleh mudah terbakar dan mudah meledak.

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 26

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal Sebaiknya refrigeran menguap pada tekanan sedikit lebih tinggi dari pada tekanan atmosfir. Dengan demikian dapat dicegah terjadinya kebocoran udara luar masuk sistem refrigeran karena kemungkinan adanya vakum pada seksi masuk kompresor (pada tekanan rendah). Selain itu dapat dicegah turunnya efisiensi volumetrik karena naiknya perbandingan kompresi, yang dapat disebabkan karena berkurangnya tekanan dibagian tekanan rendah. Itulah sebabnya mengapa titik didih refrigeran merupakan salah satu faktor yang sangat penting. Boleh dikatakan bahwa refrigeran yang memiliki titik didih rendah biasannya dipakai untuk keperluan operasi pendinginan temperatur rendah (refrigerasi), sedangkan refrigeran yang memiliki titik didih tinggi digunakan untuk keperluan pendinginan temperatur tinggi (pendinginan udara). Jadi titik didih refrigeran merupakan indikator yang menyatakan apakah refrigeran dapat menguap pada temperatur rendah yang diinginkan, tetapi pada tekanan yang tidak terlalu rendah. Dari segi termodinamika R12, R22, R500, R502, ammonia dan sebagainya dapat dipakai untuk daerah temperatur yang luas, dari keperluan pendinginan udara sampai ke refrigerasi.

II.2.2 Kelompok-Kelompok Refrigeran Senyawa kimia sintetis yang tidak beracun dan tidak mudah terbakar disebut halogenated hydrocarbon, atau lebih sederhananya disebut dengan halocarbons, dimana penggunaannya hanya untuk kepentingan sistem pendinginan kompresi uap untuk kenyamanan sistem pengkondisian udara semenjak tahun 1986. Disebabkan oleh Chlorofluorcarbons (CFCs) menipiskan lapisan ozon dan pemanasan global, dan ini harus dihindari. Klasifikasi utama dari refrigeran adalah :

• Hydroflurocarbons (HFCs). Hanya berisi atom hydrogen, fluorine dan carbon, tidak menyebabkan lapisan ozon menipis. Kelompok HFCs adalah : R134a, R32, R125, dan R245ca.

• HFCs campuran azeotropic atau HFCs azeotropic. Azeotropic adalah suatu zat campuran multi komponen dari refrigeran yang mudah menguap dan mengembun dan tidak berubah komposisi volumetriknya atau temperatur jenuh jika zat tersebut menguap atau mengembun pada tekanan konstan. HFCs azeotropic dapat bercampur dengan refrigeran HFCs. ASHRAE menetapkan angka antara 500 dan 599 untuk azeotropic. HFCs azeotropic R507, campuran dari R125/R143, biasa dipergunakan untuk refrigeran pada sistem pengkondisian udara kompresi uap temperatur rendah.

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 27

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal

• HFCs hampir berupa azeotropic. Adalah campuran refrigeran yang karakteristiknya

hampir berupa azeotropic. Sebab perubahan komposisi volumtrik atau temperatur jenuh cukup kecil untuk mendekati azeotropic, seperti yang demikian, pada temperatur 1 – 2 oF, dan itu dinamakan HFCs mendekati azeotropic. ASHRAE menetapkan angka antara 400 dan 499 untuk zeotropic. R404A (R125/R134a) dan R407B(R32/R125/R134a) adalah kelompok yang mendekati HFCs azeotropic. Refrigeran ini secara luas digunakan pada sistem pendingin kompresi uap.

• Zeotropic atau nonazeotropic, termasuk kedalamnya hampir berupa azeotropic, seharusnya menunjukkan perubahan komposisi pada perbedaan antara cairan dan phase uap, kebocoran atau kehilangan, perbedaan antara isi dan sirkulasi. HFCs mendekati azeotropic memiliki gerakan yang lambat dari pada zeotropic. Titik pertengahan antara titik embun dan titik gelembung seringkali diambil sebagai campuran refrigeran selama temperatur penguapan dan pengembunan berlangsung.

• Hydrochlorofluorocarbons (HCFCs) dan Zeotropic. HCFCs mengandung atom hydrogen, chlorine, fluorine, dan carbon dan tidak sepenuhnya halogeneted. HCFCs memiliki waktu yang lama untuk hidup di atmosfir (selama hampir satu dasawarsa atau sepuluh tahun) sehingga dapat menyebabkan menipisnya lapisan ozon (ODP 0,02 – 0,1). R22, R123, R124 dan seterusnya adalah kelompok HCFCs. HCFCs secara umum dimana-mana selalu digunakan. HCFCs hampir berupa azeotropic dan HCFCs zeotropic adalah campuran dari HCFCs dengan HFCs. Kelompok refrigeran ini penggunaannya dibatasi sampai tahun 2004.

• Campuran inorganic. Campuran ini digunakan pada tahun 1931, seperti ammonia R717, water R718 dan udara R729. Kelompok ini masih digunakan karena tidak mengakibatkan tipisnya lapisan ozon. Amoniak hanya digunakan untuk keperluan industri saja karena sifat beracun dan mudah terbakar dilarang untuk digunakan secara umum. Campuran inorganic oleh ASHRAE ditetapkan dengan nomor 700 dan 799.

• Chlorofluorocarbons, Halon dan Azeotropic. CFCs hanya memiliki kandungan atom chlorine, fluorine dan carbon. CFCs memiliki waktu yanglama untuk hidup di atmosfir dan menyebabkan tipisnya lapisan ozon (ODP 0,6 – 1). Kelompok refrigeran ini adalah : R11, R12, R113, R114, R115 dan sejenisnya. Halon atau BFCs terdiri dari atom bromide, fluorine dan carbon. Termasuk kedalam kelompok ini adalah : R13B1 dan R12B1. Jenis ini sangat tinggi untuk merusak dan mengakibatkan tipisnya lapisan ozon (ODP untuk R13B1 adalah

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 28

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal 10). Sejak tahun 1995, R13B1 digunakan untuk sistem pengkondisi udara kompresi uap dengan temperatur yang sangat rendah.

II.2.3 Pemanfaatan Hidrokarbon sebagai Alternatif Refrijeran Alternatif Issue pengaruh dampak lingkungan yang ditimbulkan oleh penggunaan refrigeran begitu marak pada saat ini. Pada awalnya mengenai ODS (Ozone Depleting Substance), dan berlanjut pada saat ini mengenai GWP (Global Warming Potenisial). Issue-issue tersebut mendorong berbagai pihak terutama kalangan peneliti maupun produsen mencari refrigeran yang aman terhadap lingkungan. Dengan latar belakang ini mereka mencoba kembali menggunakan refrigeran hidrokarbon, seperti kita ketahui bahwa pada awal mesin refrigerasi kompresi uap ditemukan hidrokarbon sudah digunakan. Pada saat ini refrigeran hidrokarbon dipersiapkan sebagai refrigeran alternatif untuk digunkan sebagai pengganti CFC12, HFC134a dan HCFC22. Powell (2002) menerangkan bebeapa syarat yang harus dimiliki oleh refrigeran pengganti, yakni: 1. Memiliki sifat-sifat termodinamika yang berdekatan dengan refrigeran yang hendak digantikannya, utamanya pada tekanan maksimum operasi refrigeran baru yang diharapkan tidak terlalu jauh berbeda dibandingkan dengan tekanan refrigeran lama yang ber-klorin. 2. Tidak mudah terbakar. 3. Tidak beracun. 4. Bisa bercampur (miscible) dengan pelumas yang umum digunakan dalam mesin refrigerasi. 5. Setiap refrigeran CFC hendaknya digantikan oleh satu jenis refrigeran ramah lingkungan. Setelah periode CFCs, R22 (HCFC) merupakan refrigeran yang paling banyak digunakan di dalam mesin refrigerasi dan pengkondisian udara. Saat ini beberapa perusahaan pembuat mesin-mesin refrigerasi masih menggunakan refrigeran R22 dalam produk-produk mereka. Meski refrigeran ini, termasuk juga refrigeran jenis HCFCs lainnya, dijadwalkan untuk dihapuskan pada tahun 2030 (untuk negara maju), namun beberapa negara Eropa telah mencanangkan jadwal yang lebih progresif, misalnya Swedia telah melarang penggunaan R22 dan HCFCs lainnya pada mesin refrigerasi baru sejak tahun 1998, sedangkan Denmark dan

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 29

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal Jerman mengijinkan penggunaan HCFCs pada mesin-mesin baru hanya hingga 31 Desember 1999. Protokol Montreal memaksa para peneliti dan industri refrigerasi membuat refrigeran sintetis baru, HFCs (Hydro Fluoro Carbons) untuk menggantikan refrigeran lama yang ber-klorin yang dituduh menjadi penyebab rusaknya lapisan ozon. Saat ini, HCFCs (yang pada dasarnya merupakan pengganti transisional untuk CFCs) telah memiliki 2 kandidat pengganti, yakni R410A (campuran dengan sifat mendekati zeotrop) dan R407C (campuran azeotrop) Hidrokarbon Propana (R290) juga berpotensi menjadi pengganti R22. R407C merupakan campuran antara R32/125/132a dengan komposisi 23/25/52, sedangkan R410A adalah campuran R32/125 dengan komposisi 50/50. Saat ini, beberapa perusahaan terkemuka di bidang refrigerasi dan pengkonsian udara telah menggunakan R410A dalam produk mereka.

II.2.4 Pemilihan Fluida Kerja pada LNG Receiving Terminal Pada siklus Rankine, fluida kerja adalah fluida yang digunakan sebagai medium perpindahan energi pada proses yang berulang (siklus). Seperti yang terdapat pada gambar di atas, di dalam siklus Rankine fluida kerja digunakan kembali secara terus-menerus Karen aterdapat dalam suatu siklus. Hal ini menyebabkan penggunaan fluida kerja dapat berfungsi optimal dan seefisien mungkin. Selain sebagai medium perpindahan energi, fluida kerja yang digunakan suatu siklus juga berperan dalam mempengaruhi efisiensi dari sebuah siklus Rankine. Hal ini dikarenakan jangkauan temperatur yang dapat dicapai oleh tiap fluida berbeda-beda. Apabila yang digunakan sebagai fluida kerja adalah air, jangkauan temperaturnya dapat mencapai 565 0C pada masukan turbin (harga temperatur yang sama dengan creep limit dari bahan stainless steel) dan 30 0C pada kondenser. Pada jangkauan ini, efisiensi Carnot teoritisnya berkisar pada nilai 63%. Dengan efisiensi yang cukup tinggi ini, siklus Rankine merupakan pilihan yang paling reasonable dan digemari dalam pembuatan power plant. Meskipun pada beberapa negara power plant berbasis bahan bakar batu bara masih menjadi pilihan utama dikarenakan sumber daya batu bara mereka yang melimpah. Beberapa negara juga menggunakan

power plant berbasis teknologi nuklir sebagai pilihan utama karena dapat menghasilkan daya listrik yang lebih besar. Mengenai pilihan penggunaan fluida kerja sendiri dapat disesuaikan sesuai dengan kebutuhan serta kondisi operasi dari siklus Rankine yang akan dijalankan. Air menjadi pilihan

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 30

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal yang paling umum pada proses-proses konvensional. Akan tetapi, pada penggunaan temperatur turbin yang tinggi, penggunaan air cukup dihindari karena uap air pada suhu yang tinggi memiliki tingkat korosifitas yang lebih tinggi. Berikut adalah beberapa pilihan fluida kerja yang biasa dipakai dalam siklus Rankine.

•

Air (H2O). Di antara semua fluida kerja yang tersedia, air merupakan fluida kerja yang paling ekonomis. Perubahan wujud air menjadi uap (steam) pada suhu 100 0C dapat menyebabkan tingkat energi antara kondensor dan evaporator menjadi lebih tinggi (dengan kalor laten penguapannya 40,65 kJ/g mol). Selain itu, karena kebanyakan alat yang terlibat di dalam siklus Rankine (seperti pompa, kondensor, evaporator maupun turbin) umumnya didisain untuk penggunaan air atau steam, penggunaan air maupun

steam menjadi lebih disukai karena untuk spesifikasi siklus yang berbeda alat yang dibutuhkan lebih mudah ditemukan. Akan tetapi, sifat korosif air pada suhu yang terlalu tinggi menyebabkan penggunaan air ataupun steam sebagai fluida kerja sering dibatasi pada suhu yang tidak telalu tinggi.

•

Ammonia (NH3). Meskipun fluida kerja ini memiliki nilai kalor laten penguapan yang lebih kecil dari air (23,35 kJ/g mol), ammonia sering digunakan untuk kondisi operasi temperatur yang lebih rendah, di mana pada kondisi tersebut air telah mengalami pembekuan. Titik leleh ammonia yang relatif rendah (191,7 K) menjadikan ammonia fluida kerja yang umumnya digunakan untuk kondisi operasi temperatur rendah.

•

Refrigeran haloalkana. Refrigeran jenis ini merupakan refrigeran yang umum ditemui pada berbagai jenis siklus Carnot maupun siklus Rankine, sampai beberapa tahun yang lalu. Akan tetapi, efek negatif sebagian besar senyawa jenis ini terhadap lapisan ozon dan merupakan kontibutor pemanasan global menjadikan penggunaan refrigeran haloalkana mulai ditinggalkan. Diantara refrigeran haloalkana yang masih cukup luas digunakan adalah 1,1,1,2-Tetrafluoroethane (R-134a). Senyawa ini dikatakan tidak memiliki potensi deplesi ozon, serta memiliki properti termodinamik yang mirip dengan R-12 CFC yang dulu amat umum digunakan sebagai zat refrigeran. Tetapi banyak yang mengatakan bahwa R-134a masih memiliki peran yang cukup besar pada pemanasan global dengan potensi pemanasan global (GWP100) sebesar 1300 dan secara teoritis berkontribusi pada perubahan iklim. Selain itu R-134a juga diklaim dapat menyebabkan hujan asam karena terkonversi menjadi asam trifloroasetat melalui reaksi radikal pada atmosfer.

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 31

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal

•

Fluida organik. Berbeda dengan siklus Rankine terdapat pada umumnya, siklus Rankine yang menggunakan fluida kerja organik yang memiliki massa molekul tinggi biasanya disebut dengan ORC (Organic Rankine Cycle). ORC memungkinkan terjadinya recovery panas dari temperatur temperatur rendah seperti industrial waste heat, panas geotermal, dsb.

Untuk dapat memilih fluida kerja yang sesuai dengan siklus yang akan dijalankan, serta agar fluida kerja dapat beroperasi secara optimal, beberapa hal berikut perlu dipertimbangkan.

•

Kurva Saturation Vapor Isentropik dari fluida tersebut. Dikarenakan LNG power

generator yang menggunakan ORC dengan fluida kerja seperti propane, iso-pentana atau toluena bertujuan untuk men-recovery energi panas tingkat rendah, pendekatan superheated seperti siklus Rankine sederhana tidak sesuai. Untuk itu, superheating kecil pada exhaust evaporator selalui dipersiapkan, Karena adanya kekurangan berupa wet

fluid (yang berbentuk 2 fasa pada akhir ekspansi). Untuk mendapatkan dry fluid, regenerator harus digunakan.

•

Titik beku dan stabilitas fluida kerja pada temperatur operasi yang diinginkan. Dimana titik beku seharusnya lebih rendah dari temperatur terendah pada siklus. Fluida kerja harus stabil pada suhu tinggi atau minimum pada suhu operasi yang diinginkan, fluida kerja organik cenderung terdekomposisi pada suhu tinggi.

•

Panas penguapan serta densitas yang tinggi. Fluida dengan kalor laten dan densitas yang tinggi akan mengabsorb lebih banyak energi dari sumber pada bagian evaporasi dan karenanya mengurangi kebutuhan laju alir.

•

Dampak lingkungan yang minimal. Parameter yang dilihat pada dampak lingkungan suatu fluida kerja adalah pengaruhnya terhadap deplesi ozon dan pemanasan global.

•

Tingkat keamanan fluida kerja, terutama pada kondisi operasi yang diinginkan dan sifat korosifitasnya terhadap bahan. Fluida kerja disaran tidak korosif, tidak mengandung racun dan tidak mudah terbakar.

•

Ketersediaan fluida kerja serta biaya yang rendah.

•

Tekanan yang dapat diterima pada sistem operasi dan peralatan.

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 32

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal

II.3. Gas Material, Processing and Power Technologies di Osaka Gas II.3.1 IPP Plant of Osaka Gas (Torishima Energy Centre) Osaka Gas telah membuat kontrak dengan Kansai Elektronik Co. pada tahun 1996 dalam hal pembangkit listrik. Kontrak ini akan berlangsung selama 15 tahun dan berlangsung dari tahun 2002 hingga 2016. Pembangkit listrik ini mampu membangkitkan daya hingga 150 MW. Sistem terdiri dari 145 MW gas turbin yang dikombinasikan secara siklus dan 5 MW gas pressure

recovery. Efisiensi produk ini adalah 50 %. Sistem ini amat ramah terhadap lingkungan karena emisi NOx yang dihasilkan hanya sebesar 4 ppm (O2 = 16 %).

II.3.2 Flow System

Gambar 2. 9 Sistem flow IPP Plant

Osaka gas mengimpor gas alam (LNG). LNG berwujud cair dengan temperatur -160 oC. Jika energi dingin yang dimiliki oleh LNG dimanfaatkan untuk membangkitkan energi listrik, akan mungkin menghasilkan energi listrik sebesar 240 KWh setiap ton LNG yang digunakan.

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 33

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal Sistem yang merubah LNG cair ini menjadi energi listrik melalui turbin adalah sistem pembangkit listrik menggunakan LNG dingin. Karena terdapat perbedaan permintaan LNG antara musim panas dan dingin maka rata-rata penggunaan LNG dalam hal ini sebesar 20 % dari jumlah yang diimpor setiap tahunnya. Dalam rangka melakukan penghematan energi, Osaka Gas menilai penggunaan energi dingin untuk pembangkit listrik ini amatlah esensial.

II.3.3 Cara Kerja Sistem Pembangkit Listrik

Gambar 2. 10 Diagram alir proses pembangkit listrik dengan memanfaatkan energi LNG dingin

Pada sistem ini terdapat tiga jenis sistem yang sedang dioperasikan. Sistem yang pertama adalah sistem siklus Rankine dimana fluida intermediet digunakan untuk menggunakan turbin. Yang kedua adalah sistem NG direct expansion yang menguapkan gas alam yang akan

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 34

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal menggerakkan turbin. Yang ketiga adalah kombinasi dari siklus Rankine dan NG direct

expansion. Osaka Gas menggunakan propane atau freon sebagai fluida intermediet sistem untuk siklus Rankine. Sekarang, Osaka Gas sudah mensubtitusi freon yang digunakan. LNG ditekan hingga tekanannya mencapai 35-45 Kgf/cm2g dengan pompa LNG. Panas akan ditukar dengan gas propana pada LNG vaporizer. LNG ini akan dipanaskan hingga suhunya mencapi -50 oC. Dan panas ditukar dengan air laut untuk dipanaskan di NG trim heater. Propana yang dikondensasikan di LNG vaporizer dinaikkan tekanannya dengan pompa propana dan dikirim ke propane vaporizer untuk diuapkan pada tekanan yang berhubungan dengan tekanan air laut. Gas propana yang sudah diuapkan digunakan untuk menggerakkan turbin, mengalami proses ekspansi dan menciptakan energi listrik. Propana keluaran turbin dikirimkan ke LNG vaporizer kembali dan dikondensasikan dengan LNG dingin.

II.3.3 Kelebihan dan Kekurangan LNG Cold Utilizing Power Generation System Kelebihan utama pada LNG power generation system umumnya pada kemudahan pengoperasian sistem sementara kekurangan utamanya adalah daya listrik yang dihasilkannya tidak terlalu besar. Berikut ini detail kelebihan dan kekurangannya : Kelebihan:

•

Efisiensi energi, dimana dingin yang dilepaskan ke air laut tidak tersia-siakan begitu saja. Energi dingin ini dapat dimanfaatkan untuk nilai ekonomis yang lebih besar.

•

Penggunan air laut sebagai medium pemanas memungkinkan biaya operasi pada NG

Trim Heater dapat diminimumkan atau bahkan diabaikan. •

Sistem yang tersusun dari jumlah unit yang sedikit menyebabkan secara ekonomi sistem ini tidak mengkonsumsi banyak energi pada pengoperasiannya.

•

Prinsip kerja dari sistem ini adalah siklus Rankine yang telah umum digunakan, sehingga proses troubleshooting lebih mudah dilakukan.

•

Jika karena suatu hal power generation system tidak dapat dijalankan, fasilitas penguapan LNG tidak perlu mengalami shutdown karena fluida intermediat dapat dialirkan melalui katup bypass.

•

Sistem dapat dioperasikan bahkan jika permintaan gas mengalami short peak load time.

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 35

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal Kekurangan:

•

Pada stasiun LNG yang tidak terlalu besar, jumlah energi listrik yang dihasilkan mungkin tidak terlalu signifikan. Hal ini dapat menjadikan proses menjadi tidak efisien.

•

Dingin yang dilepaskan ke air laut (panas yang diambil dari air laut) dapat mengganggu keseimbangan ekosistem pada situs tempat air laut pemanas tersebut diambil. Hal ini dikarenakan sebagian besar fitoplankton akan berada dalam kondisi dorman apabila mereka berada dalam kondisi suhu yang terlalu dingin (umumnya berada dibawah 4 0C).

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 36

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal

BAB III JAWABAN PEMICU 1. Perkiraan kondisi (suhu, tekanan, dan fasa) aliran fluida pada gambar 2.6

Gambar 3. 1 Siklus Propana

Berikut adalah alur pengerjaan yang akan dilakukan : Ada dua aliran pada LNG receiving terminal. Yang pertama adalah aliran LNG dan yang kedua adalah propana. Karena basis yang diketahui adalah laju alir LNG, maka perhitungan dimulai dengan proses dari LNG storage. Perhitungan siklus propana bergantung pada aliran LNG karena kalor yang diterima LNG berasal dari kalor yang dilepaskan propana. Perhitungan keseluruhan proses dilakukan secara simultan dengan diawali perhitungan pada aliran LNG.

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 37

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal Aliran masuk dari LNG storage Suhu

-160 oC

Tekanan

1,153 bar

Fasa

Liquid

LNG keluaran LNG vaporizer Suhu

-50 oC

Tekanan

6.5 bar

Fasa

1 fasa (vapor)

Propana keluaran LNG vaporizer Suhu

-48.16 0C

Tekanan

0.5 bar

Fasa

Liquid

Propana keluaran propane vaporizer Suhu

48.76 0C

Tekanan

12.4 bar

Fasa

Gas (vapour)

Propana keluaran turbin (masukan LNG vaporizer) Suhu

-42.49 0C

Tekanan

1 bar

Fasa

Steam 90 %

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 38

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal

P = 300 kPa T= 13,7 C Sat

P = 300 kPa T= 13,7 C Sat

P = 500 kPaT= 32,56 C P = 150 kPa T= -32,84 C Sat liquid

2. Perkiraan daya dalam kW yang dapat dihasilkan sistem turbin/generator bila laju alir LNG 150 ton/jam dan tekanan keluaran LNG pump adalah 35 – 45 kgf/cm2gauge. Algoritma perhitungan :

•

Mengasumsikan tekanan dan temperatur turbin Æ didapat nilai entalpi dan entropi dari hysis

•

Menghitung fraksi uap pada kondisi isentropik dimana S2 = S3 (kondisi 2 dan 3 dilihat pada siklus Rankine)

•

Mencari entalpi H3

•

Mencari selisih entalpi kondisi 2 dan kondisi 3

•

Mengasumsikan tekanan pada kondisi 4 (saturated liquid) Æ didapat nilai H4 dari Hysis

•

Menghitung Q kondenser

•

Mengasumsikan properti propana (liquid) ke pompa berupa temperatur dan tekanan Æ didapat nilai laju alir volumetrik (Perry’s)

•

Menghitung entalpi kondisi 1

•

Menghitung Q boiler

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 39

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal

•

Mencari laju alir propana dengan mengasumsikan power rating turbin (yang biasa digunakan dalam stasiun pembangkit, kami menggunakan dari Geothermal)

•

Menghitung daya yang dihasilkan turbin

a.

Perhitungan dengan Piranti Lunak Hysys 3.1 Asumsi yang digunakan dalam melakukan simulasi perhitungan :

•

Laju alir propana dan air laut yang digunakan sama dengan laju alir LNG yakni 150 ton/jam.

•

Tekanan propana hasil keluaran turbin adalah 1 bar dengan kualitas 90 % steam.

•

Air laut yang digunakan sudah dipisahkan dari garam – garamnya sehingga hanya H2O, memiliki suhu 320C dan tekanan atmosferik.

•

Tekanan keluaran pompa sirkulasi propana adalah 12 bar.

•

Fluida kerja yang masuk ke turbin tidak semuanya berubah menjadi liquid ketika keluar dari turbin (asumsi masih ada 30% uap pada fluida keluaran turbin).

Berikut ini hasil perhitungan dengan menggunakan simulator Hysys 3.1 :

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 40

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal Dari hasil simulasi ini diperoleh daya listrik yang dihasilkan sebesar 1.037 x 104 kW, atau setara dengan 10.37 MW (lebih kecil sedikit dibanding daya listrik yang dihasilkan dari satu sumur Geothermal terbesar di Indonesia). 3. Hasil perhitungan anda apabila fluida kerja adalah R-134a. Asumsi yang digunakan dalam melakukan simulasi perhitungan :

•

Laju alir R-134a dan air laut yang digunakan sama dengan laju alir LNG yakni 150 ton/jam.

•

Tekanan R-134a hasil keluaran turbin adalah 1 bar dengan kualitas 90 % steam.

•

Air laut yang digunakan sudah dipisahkan dari garam – garamnya sehingga hanya H2O, memiliki suhu 320C dan tekanan atmosferik.

•

Tekanan keluaran pompa sirkulasi propana adalah 12 bar.

•

Fluida kerja yang masuk ke turbin tidak semuanya berubah menjadi liquid ketika keluar dari turbin (asumsi masih ada 30% uap pada fluida keluaran turbin).

Berikut ini hasil perhitungan dengan menggunakan simulator Hysys 3.1 :

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 41

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal Dari hasil simulasi ini diperoleh daya listrik yang dihasilkan sebesar 5128 kW, atau setara dengan 5.13 MW. Dari kedua penggunaaan fluida kerja yang berbeda ini didapatkan hasil keluaran energi listrik yang berbeda. Hasil energi listrik dengan menggunakan propana lebih tinggi daripada dengan menggunakan R-134a. Hal ini terjadi karena adanya perbedaan properti dari masing-masing fluida kerja. Berikut ini beberapa analisisnya :

•

Kapasitas panas, LNG yang dikeluarkan dari tanki penyimpanan menuju LNG vaporizer memiliki energi dingin yang sangat besar. Suhu target yang ingin dicapai LNG setelah keluar dari LNG vaporizer adalah -50oC. Untuk mencapai suhu ini, propana dibutuhkan laju alir sebesar 280 ton/jam sedangkan untuk R134-a dibutuhkan 250 ton/jam. Kapasitas panas didefinisikan sebagai jumlah energi panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu suatu fluida sebesar 10C. Menurut persamaan energi panas Q = m. c. ∆T , dengan Q dan delta T yang sama, sedangkan c adalah kapasitas panas masing-masing fluida, dalam hal ini R-134a dan propane yang nilainya adalah spesifik untuk masing-masing fluida. Maka lebih besarnya laju alir propana yang dibutuhkan dibanding R-134a, dengan perpindahan kalor yang sama dari LNG, dapat disimpulkan bahwa kapasitas panas propana lebih rendah dibandingkan kapasitas panas R-134a. Dengan demikian, untuk menaikkan/menurunkan suhu propana 10C dibutuhkan lebih sedikit/akan dilepaskan lebih sedikit kalor dibandingkan R-134a. Berarti dengan laju alir LNG tertentu, dengan jumlah energi dingin yang sama, bisa digunakan fluida kerja yang lebih banyak jika digunakan propana, Tentunya semakin banyak fluida kerja yang mengalir dalam sistem akan menghasilkan listrik yang lebih besar.

•

Titik didih Titik didih propana yang relatif lebih rendah dibadingkan dengan R-134a yaitu sebesar -42oC dan R134a sebesar -26,22 oC. Suhu ini menunjukkan bahwa pada keadaan atmosferik, suhu dimana propana berwujud cair lebih rendah dibandingkan suhu R-134a berbentuk cair. Sehingga hanya dibutuhkan energi lebih sedikit untuk menguapkan propana dibandingkan untuk menguapkan R-134a. Apabila energi kalor yang diberikan untuk menguapkan propana pada propana vaporizer sama dengan energi kalor yang diberikan oleh

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 42

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal R-134a, maka suhu dan enthalpi dari propana akan lebih besar daripada R-134a, akibatnya listrik yang dihasilkan propana juga akan lebih besar karena pada prinsipnya energi yang dirubah menjadi listrik oleh turbin adalah energi dalam bentuk panas dan entalphi dari fluida kerja.

•

Kalor Laten Penguapan (Lv) Jika dihubungkan dengan kalor laten, kalor laten penguapan propana yang lebih kecil daripada kalor laten penguapan R-134a menunjukkan bahwa dengan jumlah energi kalor yang diberikan oleh Propana / R-134a vaporizer sama , maka akan ada lebih banyak energi tersisa untuk menaikkan temperatur dari propana dibandingkan dengan R-134a. Konsekuensinya, sama seperti sebelumnya, propana akan menghasilkan energi listrik yang lebih besar dibandingkan dengan R-134a karena memiliki suhu dan enthalpi yang lebih tinggi.

b. Algoritma Perhitungan jika Melakukan Perhitungan Manual Pembuatan algoritma ini berdasarkan pada neraca massa dan energi dengan acuan Hukum Thermodinamika 1 dan ,2 pada sistem pembangkit listrik tenaga dingin ini. Tujuannya adalah lebih kepada mengetahui logika berpikir secara kualitatif untuk mengetahui secara lebih mendalam seperti apa alur perhitungan yang terjadi didalam Hysys sebagaimana yang telah dilakukan diatas. Algoritma perhitungan manual ini dibatasi pada pertukaran kalor yang terjadi antara LNG dengan fluida kerja, kemudian fluida kerja mengalami proses selanjutnya sehingga menghasilkan listrik. Algoritma ini tidak membahas aliran LNG keluaran LNG vaporizer yang menuju NG Trim Heater, karena proses ini hanya memanaskan lebih lanjut LNG hasil LNG vaporizer untuk dialirkan melalui gas pipeline, sehingga sudah tidak berhubungan secara langsung dengan siklus tenaga listrik yang dibahas pada pemicu ini. Berikut ini alur logika-nya : 1.

Aliran dari tanki timbun LNG melalui pompa ke LNG vaporizer

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 43

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal Pompa akan memberikan energi berupa energi tekanan kepada LNG, sehingga LNG yang akan masuk ke LNG vaporizer akan memiliki tekanan yang tinggi. Tujuan dari penggunaan pompa selain untuk meningkatkan tekanan LNG adalah agar laju alir dari LNG menuju LNG vaporizer bisa diatur konstan, biasanya pada bagian keluaran pompa akan ada control valve untuk mengatur laju alir dari LNG yang akan diuapkan di LNG vaporizer. Transfer energi yang akan terjadi disini adalah dari energi listrik yang diberikan pada pompa, berubah menjadi energi gerak motor pada impeller pompa yang dikenal dengan BHP (Brake Horse Power) dan dari impeller ini akan ditransfer ke fluida yang ingin dipompa, dalam hal ini LNG sehingga LNG akan menerima energi berupa FHP (Fluid Horse Power) atau LHP (Liquid Horse Power) yang merupakan energi impeller pompa yang dapat diterima oleh LNG setelah mengalami hydraulic loss didalam shaft pompa serta berupa head. Persamaan neraca energi yang terjadi adalah, sebagai berikut : Epompa = Editerima LNG + Hidraulic Loss V I t = η . BHP + Hidraulic Loss V I t = FHP + Hidraulic Loss

Dimana :

•

LHP (Liquid Horse Power) dalam kW

•

Q adalah kapasitas dalam (m3/jam)

•

r adalah spesifik gravity dari fluida

•

H adalah total head dalam meter Apabila besarnya energi listrik yang diberikan ke pompa diketahui atau jika spesifikasi

daya pompa diketahui, maka untuk satuan waktu tertentu (dalam hal ini digunakan basis 1 jam sesuai pada soal di pemicu) akan bisa diketahui energi listrik yang akan dikonversi menjadi energi tekanan oleh pompa akan diberikan kepada LNG. Dari data ini, bisa diketahui berapa tekanan LNG keluaran dari fluida, berupa head keluaran pompa dalam hal ini telah diketahui dari pemicu bahwa tekanan keluaran pompa adalah 35 – 45 kgf/cm2g. Untuk perhitungan hidraulic loss sendiri bisa dihubungkan dengan efisiensi, karena merupakan kehilangan energi dari listrik ke pompa menjadi energi panas.

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 44

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal Maka, hidraulic loss bisa dihitung dengan : 2. Pertukaran kalor antara LNG dengan fluida kerja (propana / R-134a)

Untuk menyederhanakan perhitungan pada LNG vaporizer ini, bisa dilakukan dengan menggunakan azas Black, dimana kalor yang dilepaskan oleh propana sama dengan kalor yang diterima oleh LNG. Persamaan neraca energi :

•

Kecepatan fluida masuk dan keluar dari dalam Heat Exchanger diasumsikan sama, sehingga tidak ada perubahan energi. Maka

•

Tidak ada perbedaan elevasi yang cukup berarti antara titik aliran masukan baik dari shell maupun tube dari HE, sehingga

•

= 0.

= 0.

Tidak ada kerja yang diberikan dari luar sistem, ataupun dari sistem HE ke lingkungan sehingga tidak ada kerja yang terjadi pada sistem ini akibatnya W = 0.

•

Sistem Heat Exchanger dapat diasumsikan bekerja dalam keadaan adiabatis, dimana tidak ada perpindahan kalor dari sistem HE ke lingkungannya. Pertukaran kalor dapat dianggap sempurna terjadi antara fluida dingin (LNG) dan fluida panas (Propana ataupun R-134a). Didalam proses adiabatis

•

= 0.

Enthalpi merupakan fungsi dari suhu dan tekanan, yang dinyatakan dalam bentuk persamaan :

, karena tidak ada kerja dan tidak ada perubahan dalam energi dalam.

Maka perubahan enthalpi juga tidak terjadi, sehingga

= 0.

Dengan demikian, persamaan energi yang tersisa adalah pertukaran panas antara fluida panas dan fluida dingin, yang dapat disimplifikasi dengan menggunakan azas Black.

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 45

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal

Sehingga Dalam perhitungan perpindahan panas ini, perlu diperhitungkan kalor laten, karena ada perubahan fasa yang terjadi baik pada fluida dingin (LNG akan menguap) dan pada fluida panas (Propana ataupun R-134a keseluruhannya akan mencair).

Informasi yang diberikan di soal pemicu adalah laju alir dari LNG yaitu aliran dingin sebesar 150 ton/jam berupa fasa cair bersuhu -1600C dan akan keluar berupa fasa uap seluruhnya dengan suhu -500C. Kapasitas kalor dan kalor laten pada fluida dingin dan fluida panas sudah diketahui dari literatur. Dengan menyamakan ruas kiri dan kanan menggunakan trial error, maka kondisi laju alir, dan suhu dari fluida kerja yang akan masuk ke pompa sirkulasi bisa diketahui. 3. LNG menuju NG trim heater Algoritma perhitungan hampir sama dengan pada HE sebelumnya, dimana persamaan energi yang terjadi adalah pertukaran kalor antara fluida panas (air laut), dengan fluida dingin (LNG yang akan dinaikkan suhunya) LNG inilah yang nantinya akan ditransportasian melalui gas pipeline. Air laut diasumsikan memiliki tekanan atmosfer dengan suhu didaerah tepi laut sebesar 320C. Sedangkan suhu dari LNG keluaran LNG vaporizer adalah -500C. 4. Propana menuju propana circulation pump

Sama seperti kerja pompa sebelumnya, dimana akan memberikan energi berupa energi tekanan kepada Propana yang sudah diondensasian dengan memanfaatan energi dingin dari LNG. Tujuan dari penggunaan pompa selain untuk meningkatkan tekanan propana adalah agar laju alir dari propana menuju Propana vaporizer bisa diatur konstan, biasanya pada bagian

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 46

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal keluaran pompa akan ada control valve untuk mengatur laju alir dari propana yang akan diuapkan di propana vaporizer. Transfer energi yang akan terjadi disini adalah dari energi listrik yang diberikan pada pompa, berubah menjadi energi gerak motor pada impeller pompa yang dikenal dengan BHP (Brake Horse Power) dan dari impeller ini akan ditransfer ke fluida yang ingin dipompa, dalam hal ini LNG sehingga LNG akan menerima energi berupa FHP (Fluid Horse Power) atau LHP (Liquid Horse Power) yang merupakan energi impeller pompa yang dapat diterima oleh LNG setelah mengalami hydraulic loss didalam shaft pompa serta berupa head. Persamaan neraca energi yang terjadi adalah, sebagai berikut : Epompa = Editerima LNG + Hidraulic Loss V I t = η . BHP + Hidraulic Loss V I t = FHP + Hidraulic Loss

Dimana :

•

LHP (Liquid Horse Power) dalam kW

•

Q adalah kapasitas dalam (m3/jam)

•

r adalah spesifik gravity dari fluida

•

H adalah total head dalam meter Apabila besarnya energi listrik yang diberikan ke pompa diketahui atau jika spesifikasi

daya pompa diketahui, maka untuk satuan waktu tertentu (dalam hal ini digunakan basis 1 jam sesuai pada soal di pemicu) akan bisa diketahui energi listrik yang akan dikonversi menjadi energi tekanan oleh pompa akan diberikan kepada propana. Tekanan keluaran pompa ini belum diketahui oleh karena itu akan digunakan asumsi rasio tekanan discharge dibanding suction adalah 10. Untuk perhitungan hidraulic loss sendiri bisa dihubungkan dengan efisiensi, karena merupakan kehilangan energi dari listrik ke pompa menjadi energi panas. Maka, hidraulic loss bisa dihitung dengan : 5. Propana Menuju Propana Heater

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 47

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal

Dari soal pemicu tidak diketahui apa fluida pemanas yang akan digunakan untuk menguapkan propana. Oleh karena itu, diasumsikan penguapan terjadi dengan menggunakan koil pemanas yang ada pada sebuah heater dengan menggunakan energi listrik. Persamaan dasarnya adalah perubahan energi listrik menjadi energi panas yang akan ditransfer kedalam propana, dalam perhitungan ini tentu saja tidak semua energi kalor bisa diterima oleh propana karena pasti ada energi loss pada koil pemanasnya.

Pada simulasi hysys, semua cairan propana akan berubah menjadi uap pada heater ini, oleh karena itu akan ada peningkatan tekanan yang terjadi didalam aliran propana ini. 6. Propana Menuju Turbin

Propana yang telah diuapkan sehingga memiliki suhu dan tekanan yang tinggi, dialirkan menuju turbin untuk mengalami ekspansi secara isentropik agar energi berupa suhu dan tekanan bisa dikonversi menjadi energi listrik. Persamaan energi yang terjadi pada turbin adalah :

Dimana Ws adalah kerja pada shaft turbin yang akan digunakan untuk menghasilkan listrik pada generator. Kerja shaft yang dihasilkan berbanding lurus dengan laju alir massa dan enthalpi yang dimiliki oleh fluida yang masuk kedalam turbin. Dengan demikian, semakin besar laju alir massa semakin besar pula energi shaft yang dihasilkan. Semakin besar suhu dan tekanan, berarti semakin besar pula enthalpi yang dimiliki oleh fluida kerja. Dua hal ini merupakan kunci

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 48

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal penting untuk menghasilkan energi shaft yang besar, semakin besar kerja shaft maka listrik yang dihasilkan oleh generator akan semakin besar pula.

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 49

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal

BAB IV KESIMPULAN •

LNG Receiving Terminal merupakan tempat regasifikasi dimana fungsinya adalah menerima gas alam cair dari kapal LNG, menyimpan LNG tersebut kedalam tangki, menguapkan LNG, dan selanjutnya menghantarkan gas alam ke distribution pipeline.

•

LNG Receiving Terminal terdiri dari LNG unloading system (termasuk jetty dan berth), LNG storage tanks, Vapour handling system, LNG vaporizers, Open rack vaporizers

Submerged combustion vaporizer (SCV), Open rack vaporizers, Submerged combustion vaporizer, First stage sendout pump, Second stage sendout pump •

Manfaat dari pembangunan LNG receiving terminal : o Membangun fasilitas penyediaan gas yang terpercaya, yang dapat menyediakan gas dalam volume yang besar kepada Pembangkit Listrik Tenaga Gas. o Melengkapi gas pipeline terutama selama penyediaan gas tidak stabil sehingga dapat menghindari terganggunya pembangkit listrik akibat tidak menentunya pasokan gas. o Mengurangi konsumsi bahan bakar minyak untuk pembangkit listrik PLN dan untuk menghindari biaya tak tersaingi dari pembangkitan listrik. o Mendukung pembangunan pembangkit listrik bertenaga gas sehingga kedua proyek ini (PLTG dan LNG receiving terminal) merupakan proyek yang terintegrasi dan memiliki efisiensi yang lebih baik. o Membawa manfaat untuk ekonomi nasional karena LNG receiving terminal merupakan rantai terakhir yang diperlukan sebagai nilai tambah LNG di Indonesia. o Merespon hukum baru tentang minyak bumi dan gas alam yang dibuat pada tahun 2001 yang bermaksud menghentikan monopoli minyak bumi dan gas alam, serta untuk membuka kesempatan adanya bisnis baru pada industry ini.

•

Siklus Carnot merupakan model pendekatan yang paling ideal untuk mempelajari siklus energy, namun demikian tidak dapat diaplikasikan untuk keadaan yang sesuai kenyataan.

•

Ada beberapa kelemahan dari siklus Carnot :

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 50

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal o Usaha apapun untuk meningkatkan Tmax pada siklus panas akan melibatkan transfer panas menuju fluida kerja pada fasa tunggal yang tidak akan mudah untuk dicapai secara isothermal. o Kualitas steam akan terus menurun selama proses ekspansi isentropik, hal ini dapat merusak turbin karena erosi pada cairan pada fluida dapat mengikis baling – baling dari turbin. o Proses kompresi isentropik (proses 4 – 1) memungkinkan timbulnya dua fasa (cair dan uap) , kompresor bisa rusak jika ada fasa cair pada fluidanya

•

Siklus Rankine merupakan modifikasi dari siklus Carnot dan merupakan siklus yang ideal untuk tenaga uap.

•

Refrigeran adalah suatu medium yang fungsinya sebagai pengangkut panas, sehingga panas tersebut diserap dari evaporator (temperatur rendah) dan dilepaskan ke kondensor (temperatur tinggi).

•

Terkait dengan isu pemanasan global, penggunaan CFC sebagai refrijeran mulai digantikan oleh refrijeran alternatif lain, seperti hidrokarbon yang lebih ramah lingkungan.

•

Jika energi dingin yang dimiliki oleh LNG dimanfaatkan untuk membangkitkan energi listrik, akan mungkin menghasilkan energi listrik sebesar 240 KWh setiap ton LNG yang digunakan.

•

Tiga jenis sistem yang dioperasikan pada pemanfaatan energy dingin LNG untuk keperluan pembangkit listrik adalah siklus Rankine, NG direct expansion, dan kombinasi dari siklus Rankine dan NG direct expansion.

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 51

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal

DAFTAR PUSTAKA •

Cengel, A Yunus, Boles, A Michael “Thermodynamics An Engineering Approach” Mc-

Graw Hill International Edition, : New York 1994

•

Van Ness H, et al “Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics” Mc-Graw

Hill International Edition – Chemical Engineering Series , fifth edition : New York 1996

• Nasution,

Henry.

REFRIGERAN

DAN

SIFAT-SIFATNYA.

http://www.he4si.com/Pendingin/BAB3.pdf •

Sarwono.Pemanfaatan

Hidrokarbon

Sebagai

Refrigeran

Alternatif

http://pwww.btmp-bppt.net/Html/detail_rd.php •

http://strategis.ic.gc.ca/epic/site/imr-ri.nsf/en/gr125052e.html

•

http://www.gasandoil.com/goc/company/cnm73942.htm

•

http://www.detikinet.com/index.php/detik.read/tahun/2004/bulan/06/tgl/03/time/181403/i dnews/160091/idkanal/4

•

http://www.mediaindo.co.id/berita.asp?id=140440

•

http://www.proyeksi.com/berita/investasi/0011104_satu.htm

• http://www.sinarharapan.co.id/berita/0701/18/eko03.html

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 52

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal

LAMPIRAN

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 53

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 54

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 55

Makalah Termodinamika Terapan_LNG Receiving Terminal

Converting Volumes of Gas (CFH to CFH or CFM to CFM)

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA – FTUI 56