## Pemilihan Fluida Kerja pada Pengembangan Organic Rankine Cycle
Yogi Sirodz Gaos1, Mulya Juarsa1, Edi Marzuki1, Muhamad Yulianto1,2
1Engineering Development for Energy Conversion and Conservation
(EDfEC) Research Laboratory,
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik UIKA Bogor 2Departemen Teknik Mesin dan Biosistem Fakultas Teknologi Pertanian, IPB Bogor *Corresponding author: yogi@ft.uika-bogor.ac.id

## Abstrak
Studi  ini  menjelaskan  perbandingan  3  fluida  kerja  yang  digunakan  dalam  pengembangan  Siklus Rankine  Cycle.  Menurut  Tabel  refrigerant  yang  sering  digunakan,  makalah  ini  menggunakan  fluida kerja  R134a,  R141b  dan  n-penthane.  Analisis  menggunakan  fluida  kerja  untuk  pengembangan  ORC berdasarkan  kreteria  termodinamika,  lingkungan  dan  ekonomi  seperti  efesiensi,  non-flammability, toksin  rendah,  tidak  ada  penipisan  ozon  dan  cost  yang  rendah.  Metode  penelitian  untuk  analisis menggunakan  software  Cycle  Tempo  dan  penentuan  sifat-sifat  fluida  kerjanya  dengan  software Refprop. Hasil analisis menunjukkan bahwa efisiensi sistem adalah 8,42%, 11,79% dan 16,92% secara berturut-turut  untuk  R134a,  R141b  dan  n-penthane  pada  temperature  inlet  160oC.  Sehingga  dapat disimpulkan bahawa penggunaan fluida kerja terbaik adalah fluida R134.
Kata kunci: ORC, fluida kerja, Cycle tempo, efisiensi
Pendahuluan Organic
Rankine
Cycle (ORC)
merupakan salah satu pembangkit listrik dengan temperatur  rendah.  Definisi  ORC  oleh  peneliti lain yaitu pembangkit listrik dengan karakteristik  fluida  yang  menguap  pada temperature  lebih  rendah  dari  pembangkit listrik  tenaga  uap  konvensional  [1].  ORC  saat ini  banyak  diminati  untuk  dikembangkan  dan diaplikasikan karena penggunaan turbin konvensional  digerakan  dengan  bahan  bakar fossil  yang  dapat  menyebabkan  permasalahan lingkungan. Permasalah lingkungan  yang dapat disebabkan  karena  polusi  udara,  pemanasan global, kebocoran lapisan ozon, dan juga Hujan asam [2].
Berbagai  penelitian  terkait  ORC  baik secara  simulasi  maupun  eksperimen  sudah banyak dilakukan berdasarkan analisis terhadap sumber  energi  panas,  fluida  kerja  maupun pengembangan  design  turbin.  Salah  satu penelitian  tersebut  adalah  penggunaan  sumber panas  dari  sinar  matahari  dengan  panel  plat datar,  sedangkan  fluida  kerjanya  menggunakan R245fa dan R123. Hasil penelitian tersebut menunjukkan  bahwa  refrigeran  R245fa  dan R123  mempunyai  performansi  effisiensi  lebih baik  dibandingkan  penggunaan  refrigerasi Isobutane  dan  R134a  [3].  Kemudian,  simulasi dengan  perbandingan  optimasi  untuk  8  fluida kerja,  yaitu  HFE7000,  HFE7100,  PF5050, R123, n-pentane, R245fa, R134a dan Isobutane,
dimana  simulasi  ini  ditunjukan  untuk  sumber panas  dari  panas  matahari,  panas  bumi, biomass,  dan  recovery  dari  panas  buang ( thermal  waste ).  Hasil  dari  penelitian  berupa susunan effisiensi berdasarkan  methode  spinal  point  dari  yang tertinggi secara berturut-turut adalah HFE7000, HFE7100,  PF5050,  R123,  n-pentane,  R245fa, R134a,  Isobuthane  [2].  Sedangkan  urutan efisiensi  yang  dikemukakan  oleh  peneliti lainnya  menyebutkan  effisiensi  tertinggi  secara berturt-turut adalah : n-buthane, R245fa, R123, n-pentane, HFE7000, SES 36, R134a, R1234yf [4]. Penelitian terkait perubahan geometri turbin juga  dilakukan  peneliti  lainnya,  yaitu  dengan mengubah  design  turbin  radial  pada  blade  dan nozle  seperti  yang  ditunjukan  pada  Gambar  1 dan  Gambar  2  dengan  fluida  kerja  R245fa  dan pemanas dari heater. Hasil penelitian  menunjukkan  bahwa  effisiensi  rata- rata  siklus,  efisiensi  turbin,  serta  daya  listrik yang  dihasilkan  secara  berturut-turut  adalah 5,22%, 78,7%, 32,7 kW [5].
Penelitian dengan membandingkan antara Kalina  dengan  ORC  menggunakan  fluida  kerja Hexa methyldisiloxane dan pemanas dari panas buang  diesel  menghasilkan  perfomansi  dengan menggunakan siklus kalina lebih kecil dibandingkan  dengan  menggunakan  siklus ORC  [6].  Penelitian  dengan  menggunakan fluida  kerja  R245a  dengan  pemanas  dari  panas matahari  yang  menghasilkan  daya  maksimum 2250W dengan temperatur 60 o C [7].
Gambar 1. Blade turbin : a. Drawing, b. Photograph [5]
Gambar 2 Nozzle Turbin : a. Drawing, b. Photograph [5]
Penelitian yang dilakukan lainnya adalah ORC  yang  dihubungkan  dengan  pemanas  dari pompa pemanas dengan fluida kerja HFC-134a, hasil  dari  penelitian  ini  menunjukkan  bahwa daya  yang  dibutuhkan  dari  heat  pump  untuk dapat  menguapkan  HFC  134a  sebesar  20kW dengan  diameter  kompresor  dan  turbin  adalah 20 mm dan 18 mm [8]. Penelitian
dengan pemanas menggunakan gas panas buang diesel  dengan  fluida  kerja  R245fa  yang
menghasilkan daya ORC sebesar 15.5 kW, 14.5 kW  dan  13.7  kW  menunjukkan  nilai  effisiensi secara  berturut-turut  adalah  9.1%,  9.2%  dan 9.4%  [9].  Penelitian  dengan  menggunakan fluida  kerja  R245fa  dengan  pemanas  dari recovery  panas  buang  yang  manghasilkan bahwa  temperatur  masuk  turbin  mempengaruhi effisiensi  dari  sistem  ORC  dengan  fluida  kerja 245fa  [10].  Secara  umum  siklus  Organic Rankine  Cycle  digambarkan  pada  Gambar  3 dimana  terdiri  dari  Turbin  generator,  Heat Exchanger, Pompa, kondenser [11]
Gambar 3. Skematik siklus ORC. TG : Turbin
Generator, HE : Heat Exchanger Evaporator+Preheater, P : Pompa, C : Condenser [11]
Kemudian  perlu  menampilkan  kondisi kota  Bogor  dengan  potensi  penggunaan  panas dari  tenaga  matahari  yang  dipaparkan  dengan itensitas  cahaya  matahari  di  daerah  Bogor seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4[12].
Gambar 4. Intensitas cahaya daerah Bogor [12]
Dari  pemaparan  diatas  maka,  pada penelitian  ini  akan  dibahas  tentang  pemilihan fluida  kerja  dari  R134a,  R141b  dan  n-pentane dengan  rencana  penggunaan  pemanas  dari
panas matahari. Analisis penelitian ini menggunakan  alat  bantu  software  Cycle  tempo dan Refprop sebagai analisis thermodinamik.

## Metode Simulasi
Penelitian ini merupakan
analisis
thermodinamika  dengan  menggunakan  bantuan software  cycle  tempo  yang  terlebih  dahulu mendapatkan  sifat  refrigeran  menggunakan software Refprop.

## Tipe fluida kerja
Siklus  uap  air  menghasilkan  rasio tekanan tinggi dan sifat perpindahan panas yang baik tetapi mempunyai kelemahan pada kondisi masuk  turbin  pada  tekanan  100  bar  dan temperatur  450oC[2]  hal  ini  mempunyai kelemahan  dalam  permasalahan  keselamatan dan  efektivitasnya.  Sehingga  penerapan  ORC yang  menggunakan  fuida  refrigeran  tidak menjadi  masalah  mengingat  fluida  kerja  yang digunakan  menguap  pada  temperatur  rendah. Gambar  5  menunjukkan  diagram  P-H  yang didapat dari Refprop. Diagram tersebut memperlihatkan  dengan  jelas  bahwa  untuk menguapkan  air  diperlukan  tekanan  dan enthaply  lebih  besar  dibanding  3  fluida  kerja yang  lain  (R134a,  R141b  dan  n-pentane).  Hal inilah  yang  mejadi  salah  satu  dasar  dalam pemilihan  fluida  kerja  organic  bertemepratur didih  rendah  pada  system  ORC.  Kemudian langkah  selanjutnya  adalah  melakukan  analisis thermodinamika  untuk  mengetahui  effisiensi dari sistem ORC tersebut.
Gambar 5. Diagram P-H fluida kerja R134a, R141b, air dan n-Pentane

## Sifat fuida kerja
Sifat  fluida  yang  akan  dianalisa  pada penelitian  ini  sesuai  dengan  tekanan  dan temperatur  yang  dapat  dilihat  pada  Tabel  1.
Dimanan  Tabel  1,  untuk  memastikan  bahwa fluida kerja tersebut pada kondisi fase uap agar dapat  menggerakan  turbin  dilakukan  simulasi dengan menggunakan Refprop.

## 2.3. Pembuatan Cycle tempo
Gambar  6  merupakan  skema  diagram  yang digunakan untuk analisa thermodinamika menggunakan  Cycle  tempo.  Pada  cycle  tempo tersebut komponen-komponennya terdiri dari :
1. Pompa
2. Heater
3. Pre-Heater 4. Turbin
5. Generator
6. Kondenser
7. Cooling Tower
8. Pompa Cooling Tower

## Hasil dan Diskusi
Gambar  7  memperlihatkan  bahwa  untuk masing  masing  fluida  kerja  n-pentane,  R141b dan  R134a  mempunyai  nilai  enthalpy  yang maksimum  pada  n-Pentane  pada  tekanan  yang paling rendah dibandingkan dengan fluida kerja lainnya. Sehingga energi yang digunakan untuk menguapkan fluida kerja lebih kecil dibandingkan  dengan  dengan  fluida  kerja R141b  dan  R134a  seperti  yang  terlihat  pada Gambar  8.  Aspek  lainnya  adalah  effisiensi maksimum seperti yang terlihat pada Gambar 9 yang bisa dicapai oleh ORC yang pada simulasi ini terjadi pada penggunaan n – pentane sebesar 16,92%  kemudian  R141b  sebesar  11,79%  dan yang terakhir adalah R134a sebesar 8,42%. Hal ini  dikarenakan  penggunaan  energi  minimum yang dibutuhkan ada di n-pentane.
Gambar 7. Nilai enthalpy pada 3 fluida kerja pada tekanan dan temperature tertentu
Sehingga  jika  diurutkan,  maka  fluida  yang membutuh  energi  input  paling  kecil  dan effisiensi terbesar  adalah  n-pentane,  R141b  dan  R134a. Tetapi  hal  ini  sangat  bertolak  belakang  dengan tujuan  pengembangan  ORC  karena  ORC bertujuan  agar  dapat  menguapkan  fluida  pada temperatur  rendah,  sehingga  jika  dilihat  pada Tabel 1, maka temperatur paling rendah masuk turbin dimana fluida kerja sudah dalam keadaan uap  superheated  adalah  R134a  baru  kemudian n-pentane  dan  yang  terakhir  adalah  R141b. Perimbangan  lainnya  adalah  secara  ekonomis, dimana  n-pentane  merupakan  fluida  kerja  yang tergolong lebih mahal dari R134a.
Secara  keamanan  juga  menjadi  pertimbangan karena n-pentane bersifat flammable .
Gambar 8. Daya input dan output yang dihasilkan
Gambar 9. Effisiensi Organic Rankine Cycle

## Kesimpulan
Kesimpulan  yang  didapat  dari  pengujian ini adalah :
1. Secara analisa thermodinamik, urutan fluida kerja  yang  mempunyai  effisiensi  tertinggi adalah n-pentane, R141b, dan R134a karena n-pentane mempunyai nilai effisiensi yangtertingga dengan energy yang dibutuhkan  untuk  menguapkan  fluida  kerja lebih sedikit.
2. Jika  dilihat  dari  temperatur  yang  paling rendah, maka R134a mempunyai temperaturepenguapan  yang  paling  rendah yaitu 90oC dan memungkinkan penggunaan panas matahari sebagai sumber panasnya
3. Secara  ekonomis  dan  faktor  keselamatan maka  R134a  merupakan  fluida  kerja  yang paling  ekonomis  dan  tidak  flammable  jika dibandingkan  dengan  n-pentane  sehingga pada  paper  ini  lebih  disarankan  untuk menggunakan  R134a  sebagai  fluida  kerja dibandingkan dengan n-pentane dan R141b

## Daftar Pustaka
1. Torres. Agustin M. Delgado, Lourdes Garcia-Rodriquez. Journal of Energy Conversion and Management 51 (2010) 2846 – 2856 2. Qiu. Guoquan. Journal of Renewable Energy 48 (2012) 565 – 570 3. Wang. Man, Jiangfeng. Wang, Yuzhu. Zhao, Pan. Zhao, Yiping. Dai. Journal of Applied Thermal Engineering 50 (2010) 816 – 825
4. Quoilin, S. Declay. S, Tchance.B.F, Lemort. V. Journal of Therm Eng 31 (2011) 2885 – 2895
5. Kang,  Seok  Hun.  Journal  of  Energy  41 (2012) : 514 – 524.
6. Bombarda.  Paola,  Costante.  M.  Invernizzi, Claudio. Pietra. Journal of Applied Thermal Engineering 30 (2010) 212-219.
7. Ksayer.  E.  Bou.  Lawz.  Journal  of  Energy Procedia 6 (2011) 389 – 395.
8. Demierre.  J,  S.  Hechoz,  D.  Favrat.  Journal of Energy 41 (2012) 10 – 17.
9. Yu.  Guepeng,  Gequn.  Shu,  Hua.  Tian, Haiqiao.  Wei,  Lina.  Liu.  Journal  of  Energy 51 (2013) 281 – 290.
10. Bracco.  Roberto,  Stefano. Clemente,  Diego. Micheli,  Mauro.  Reini.  Journal  of  Energy xxx (2013) 1 – 10
11. Gozdur,  Aleksandra  Borsukiewics.  Journal of  Applied  Thermal  Engineering  56  (2013)
126 – 133
12. Wijayanto,  Nurheni.  Nurunnajah.  Jurnal
Silvikultur Tropika 03 (2012) 8 – 13.