Abstrak —  Aplikasi Power  Turbine merupakan  salah  satu aplikasi PTO  (Power  Take-Off) yang  mampu  meningkatkan produksi energi listrik dengan memanfaatkan aliran gas buang dari  motor  bakar  (diesel  maupun  bensin)  yang  mengandung energi  kalor  (panas)  yang  digunakan  untuk  memutar  turbin dan  generator.  Penelitian  ini  bertujuan mencari besar potensi daya  listik  yang  bisa  dihasilkan power  turbine .  Hal ini dicapai dengan  cara  menganalisa  pengaruh  pembebanan power  turbin terhadap  kinerja  motor  diesel  sehingga  kita  dapat  melihat seberapa  jauh power  turbine tersebut  dapat  diaplikasikan pada motor bakar. Dari hasil analisa dan perhitungan, didapat bahwa power  turbine tersebut  dapat  menghasilkan  energi  listrik sebesar 250 kW pada continuous rating (93,23%).
Kata  Kunci — Power  Turbine,  Power  Take  Off  (PTO), Turbin, Turbo Generator.

## I. PENDAHULUAN
i  Indonesia,  terdapat  berbagai  jenis  pembangkit  listrik yang menggunakan  energi  terbarukan  dan  tidak terbarukan. Pembangkit listrik dengan energi terbarukan terdiri dari 18% dari total energi listrik yang dihasilkan secara nasional dan  energi  tidak  terbarukan  (batu  bara,  gas,  minyak  fos il) sebesar 82% [1]. Dari data tersebut, dapat kita tarik kesimpulan bahwa  pembangkit  listrik  dengan  energi  tak terbarukan masih mendominasi  pembangkit  listrik  di  Indonesia.  Hal  ini dikarenakan  teknologi  untuk  mengolah  energi  tak  terbarukan sudah  ada  dan  mudah  untuk  diimplementasikan.  Salah  satu jenis  pembangkit  listrik  yang  terdapat  di  Indonesia  yaitu pembangkit  listrik  tenaga  diesel  (PLTD)  yang  memanfaatkan motor diesel (diesel generator) untuk menghasilkan listrik. Pada umumnya,  motor  diesel  dengan  kapas itas  power  yang  besar dilengkapi  dengan turbocharger untuk  meningkatkan  power output dan efisiensi dari motor diesel.
Pada penelitian ini, akan membahas bagaimana mengoptimalkan energi listrik yang dapat dihasilkan dari diesel generator, yaitu dengan mengimplementasikan Power Turbine yang  dihubungkan  dengan  Generator . Power  Turbine merupakan  aplikasi  turbin  tambahan  yang  akan  dihubungkan dengan generator dalam satu shaft . Aplikasi Power Turbine ini mengambil  konsep  kerja  dari turbocharger dimana  turbin
tersebut  memanfaatkan  tekanan  dan  panas  dari exhaust  gas untuk  memutar  turbin  tersebut  dan  kemudian  mengaktifkan generator  sehingga  dapat  dihasilkan  energi  listrik.  aplikasi Power  Turbine ini  diharapkan  dapat  mengurangi  konsumsi bahan  bakar,  meningkatkan  potensi  energi  listrik  yang  dapat dihasilkan ,dan mengurangi tingkat polusi yang dihasilkan dari motor diesel, baik dari mesin utama maupun mesin bantu.
Aplikasi Power Turbine merupakan salah satu aplikasi PTO (Power  Tak e-Off) yang  memanfaatkan  aliran  gas  buang  dari motor bakar (diesel maupun bensin) yang mengandung energi kalor  (panas)  yang  digunakan  untuk  memutar  turbin   dan generator.  Aplikasi Power  Turbine ini  terinspirasi  dari penelitian  mengenai Prediction  on  Power  Produced  from Power  Turbine  as  a  Waste  Heat  Recovery  Mechanism  on Naturally  Aspirated  Spark   Ignition  Engine  Using  Artificial Neural  Network [2]  dan  aplikasi hybrid  turbocharger [3][4] yang  memiliki  konsep  kerja  hampir  sama  dengan Power Turbine yang dimana hybrid turbocharger tersebut menghubungkan  antara turbocharger dengan generator . Aplikasi Power  Turbine ini  sangat  berpotensi  karena  mudah untuk  diaplikasikan  ke  motor  diesel,  tidak  berpotensi mengganggu  kinerja  motor  diesel  secara keseluruhan (dimana pada hybrid  turbocharger,  turbocharger tersebut  mendapat tambahan  beban  dari  generator)  dan  tidak  hanya  dapat diaplikasikan di motor diesel laut, tetapi juga pada motor diesel darat untuk produksi, pembangkit listrik, dan lain — lain.

## II. URAIAN PENELITIAN

## A. Perencanaan Sk emSa istem
Perencanaan  skema  sistem  diperlukan  untuk  memudahkan dalam  menganalisa  sistem  seperti  apa  yang  tepat  untuk diaplikasikan.  Pada  penelitian  ini,  komponen  utama  yang digunakan  yakni  motor  diesel  pada  diesel-generator,  power turbine,  dan  generator  tambahan  yang  akan  dihubungkan dengan  power  turbine.  Skema  tersebut  dapat  dilihat  pada gambar 1.

## Implementasi Power Turbine pada Diesel-Generator di Sistem Pembankit Listrik Tenaga Diesel untuk Meningkatkan Produksi Energi Listrik
Aditya Wahyu Sapura dan Dr. I Made Ariana, ST., M.T.,
Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail : ariana@its.ac.id
D
Gambar. 1.  Skema Sistem Power Turbine .
B. Perghitungan Pressure Loss pada Exhaust Gas
Pressure  Loss merupakan  fenomena  penurunan  tekanan pada  fluida  kerja  dari  satu  tempat  menuju  tempat  lain  karena adanya losses berupa  faktor  gesekan  material  pipa. Berdasarkan persamaan Darcy-Weisbach pada Fluid
Mechanics [5], dapat dirumuskan.
1) ∆Pressure = 𝜌 x g x ∆Head (1)
∆Head = f x L x V 2 / 2g x D (2)
2) F = 1.325/[ln(e/D) + 5.74/Re^0.9)]^2 (3)
Dimana  ∆Pressure  merupakan  pressure  loss  (kPa), 𝜌 merupakan  massa  jenis  (kg/m 3 ),  g  merupakan  percepatan gravitasi (m/s 2 ), ∆Head merupakan head loss (m), f merupakan friction factor, L merupakan panjang saluran (m),  V merupakan kecepaan  fluida  (m/s),  D  merupakan  diameter  pipa  (m),  e merupakan  faktor  kekasaran  material  (mm), dan Re merupakan bilangan  Reynold.  Pada  penelitian  ini,  digunakan  saluran exhaust  gas  sepanjang  16 m dengan faktor kekasaran material 0,26 mm.

## C. Sk ema Pembebanan Daya pada Power Turbine
Skema  pembebanan  generator  yang  digunakan  sebagai dasar  perhitungan  adalah  250  kW .  Hal  ini  didasarkan  pada hipotesa penelitian sebelumnya bahwa potensi daya yang bisa dihasilkan  sekitar  5%  dari  besar  daya engine Kemudian dilakukan  juga  pembebanan  pada range atas  dan  bawah dari 250 kW, yakni sebesar 400 kW, 350 kW, 300 kW, 200 kW, 150 kW,  dan  100  kW.  Skema  tersebut  dijalankan  masing-masing pada tiga kondisi engine, yaitu sebesar 100% (4920 kW), 97,1% (4775,4  kW),  93,2  %  (4587  kW),  86,69%  (4363,4  kW),  84,17% (4141,1  kW),  dan  76,57%  (3767  kW).  Dimana  pembebanan 93,23%  menjadi  dasar  perhitungan,  karena  merupakan  titik service rate engine.
Langkah  pertama  yakni mengkonversi daya elektris menjadi daya  aktual  mekanis.  Konversi  tersebut  menggunakan persamaan sebagai berikut
Pa= Pe / G Eff (4)
Dimana  Pa  merupakan  daya  mekanis  aktual  (kW),  Pe
merupakan  daya  elektris,  dan G Eff merupakan  efisiensi generator .  Efisiensi  generator  yang  digunakan  berada di nlai 94% - 90%.
Setelah itu mencari nilai daya mekanis dari turbin. Persamaan daya  pada  turbin  berdasarkan  [5]  dan  [6]  terlampir  sebagai berikut:
Pa= ƞ T . ṁ T . C p . T3 (1- ([P4/P3]^([k -1]/k ))) (5)
Dimana Pa  merupakan daya mekanis (kW), ƞ T merupakan Turbine Efficiency , ṁ T merupakan  laju  aliran  massa Exhaust Gas (kg/s), C p merupakan  panas  spesifik  pada  tekanan  kon stan (kJ/Kg.C), T3 meupakan Temperature sebelum Turbin ( ⁰ C), P3  merupakan  tekanan  sebelum  Turbin  (kPa),  P4merupakan tekanan  setelah  Turbine  (kPa),  dan  K  merupakan  nilai  ratio kapasitas panas (1,359)
Dari  persamaan  tersebut,  akan  didapat  nilai  tekanan  akhir gas  setelah  turbin  dan  efisiensi  turbin.  Nilai  efisiensi  turbin tersebut didapat dari ratio antara tekanan sebelum dan sesudah turbin,  yang dimana nilai efisiensi itu juga mempengaruhi nilai daya  teoritis  mekanis.  Oleh  karena  itu,  dilakukan  iterasi sehingga  mencapai  nilai  yang  sama  antara  tekanan  setelah turbin  (P4),  efisiensi  turbin,  dan  daya  teoritis  mekanis  tubin. Grafik  Efiseinsi  Turbin  terdapat  pada  gambar  2.Berikut  tabel Perhitungan Pembebanan power turbine pada 93,23%.
Gambar. 2.  Grafik Efisiensi Power Turbin

## D. Perhitungan Exhaust Back pressure
Exhaust  Back pressure merupakan  gaya  tekan  yang  timbul berlawanan  arah  dari  arus  utama fluida yang disebabkan oleh panjang  saluran exhaust dan  juga  adanya  rancang  bangun pada  sistem exhaust yang  menghambat  laju  aliran  fluida  dan menimbulkan  arah  (tekanan)  yang  berlawanan  arah  dari  arah (tekanan)  utama  fluida.  Perhitungan back pressure dibagi menjadi  dua  macam,  yaitu  berdasarkan  panjang  saluran exhaust  gas dan  berdasarkan  komponen  tambahan  pada saluran exhaust  gas .    Berdasarkan Project  Guide CAT  3616, perhitungan  berdasarkan  panjang  saluran  menggunakan
persamaan sebagai berikut.
BP= L x S x Q 2 x 3,6 x 10 6 / D 5 (6)
Dimana  BP  merupakan back pressure (kPa),  L  merupakan panjang  saluran  (m),  S  merupakan  massa  jenis  (kg/m 3 ),  Q merupakan  debit exhaust  gas (m 3 /s),  dan  D  meruapakan diameter saluran (m)
Perhitungan
back pressure berdasarkan komponen tambahan  pada  saluran exhaust  gas sistem  ini  terdiri  dari power turbine itu sendiri, standard radius elbow (0,1 kPa) , 18- inch bellows (0,05 kPa) , exhaust silencer (0,2 kPa), dan exhaust opener (0,2 kPa). Maksimum back pressure yang diperbolehkan  untuk engine CAT  3616  ini  sebesar  4,0  kPa. Perhitungan back pressure akibat  pembebanan power turbine menggunakan persamaan sebagai berikut
P= (MF x V1 – MF x V2)/A (7)
Dimana  P  merupakan Back pressure (kPa),  MF  merupakan laju  aliran  massa  (kg/s),  V1  merupakan  kecepatan  aliran sebelum  turbin  (m/s), V2 merupakan kecepatan aliran sesudah turbin  (m/s),  dan  A  merupakan luas saluran exhaust gas (m 2 ). Hasil  dari  perhitungan back pressure berdasarkan  panjang saluran exhaust  gas , back pressure dari komponen-komponen di  saluran exhaust gas , dan back pressure dari power turbine , yang kemudian ditotal akan menjadi nilai back pressure sistem.

## E. Perhitungan Efek  Kondensasi pada Saluran Exhaust Gas
Kondensasi  pada exhaust  gas dapat  timbul  karena penurunan tekanan dan  suhu gas akibat ekspansi dari saluran exhaust gas menuju udara luar (atmosfir). Senyawa kimia yang berpotensi  mengalami  kondensasi  adalah  SO 3 dan  H 2 O,  yang kemudian  interaksi  antara  dua  s enyawa  tersebut  akan membentuk asam sulfat ( H 2 O + SO 3 → H 2 SO 4 ). Pada penelitian ini  perlu  diketahui  titik  pengembunan  ( dew  point )  pada  SO 3 dan  H 2 O,  lalu  suhu  akhir exhaust  gas saat  di  atmosfir.  Suhu exhaust  gas tidak  boleh  lebih  kecil  daripada  suhu  titik pengembunan,  jika  tidak  akan  terjadi  kondensasiasam  sulfat yang  mengkakibatkan  korosi,  dan  merusak  saluran exhaust gas .  Persamaan  yang  digunakan  untuk  mencari  titik pengembunan asam sulfat berdasarkan [7] sebagai berikut
Vx / Vtot = Px / Ptot (8)
Td=  1000  /  (3,9526  -    (0,1863  *  LN(P  H 2 O))  + =1 (0,000867*LN(PSO 3 ))+(0,000913*LN(H =1 2O)*LN(PSO 3 ) aa ))
– 273 (9)
Dimana  Vx  merupakan  volume  substans,  Vtot  merupakan Volume  total gas, Px merupakan tekanan parsial dari senyawa, Ptot  merupakan  tekanan  total  gas,  P  H 2 O  merupakan tekanan parsial H 2 O, dan P SO 3 merupakan tekanan parsial PSO 3 . Sedangkan persamaan untuk menghitung suhu exhaust gas pada tekanan atmosfir terlampir berikut:
P2 / P1 = (T2 / T1)^[(k-1)/k]
(10)
Dimana  P2  merupakan  tekanan  awal  gas,  P1  merupakan tekanan  atmosfir  (1  bar),  T2  merupakan  suhu  awal  gas,  T1 merupakan  suhu  gas  saat  di  atmosfir,  dan  k  merupakan rasio kapasitas panas (1,359)

## F. Perhitungan dan Pemilihan Generator AC
Setelah  dilakukan  perhitungan  pembebanan  pada Power Turbine dan  pengaruhnya  terhadap  kinerja engine ,  lalu dilakukan  pencarian  data  spesifikasi  Generator  AC  yang sesuai.  Pemilihan  tersebut  berpatokan  pada  hasil  yang diperoleh dari analisa dikondisi 93,23% engine yang notabene merupakan service rate engine .

## III. HASIL PENELITIAN
Setelah  dilakukan  perhitungan  terhadap  beberbagai  aspek pada  sistem power  turbine tersebut,  maka  dilakukan  analisa efek  pembebanan power  turbine terhadap kinerja engine. Hal ini  dilakukan  untuk  melihat  apakah power  turbine tersebut dapat  diaplikasikan  dan  sejauh  mana power  turbine tersebut dapat dioperasikan jika dapat diaplikasikan.

## A. Pembebanan Power Turbine
Dari  pembebanan power  turbine terhadap engine ,  akan didapat besaran tekanan akhir exhaust gas dan efisiensi turbin. Tekanan  akhir exhaust  gas ini  akan  menjadi  patokan  dalam menentukan  besaran  suhu  akhir exhaust  gas, besar back pressure dan ada tidaknya kondensasi pada exhaust gas. Berikut  merupakan  hasil  perhitungan  pembebanan power turbine pada 93,23% Engine: T abel 2. Pembebanan Power Turbine pada 92,23% Engine P .Elektris P . Aktual P 3 P 4 P 3/P 4 Η Turbine kW kW kP a kP a 400 425,53 321,91 186,30 1,73 0,78 350 376,34 321,91 198,26 1,62 0,77 300 322,58 321,91 212,33 1,52 0,77 250 271,74 321,91 226,07 1,42 0,76 200 219,78 321,91 242,36 1,33 0,75 150 166,67 321,91 259,58 1,24 0,74 100 111,11 321,91 278,93 1,15 0,74 B. Pengaruh Pembebanan Power Turbine terhadap Back pressure
Besarnya pembebanan pada power turbine berbanding lurus dengan besarnya back pressure pada sistem. Dari perhitungan pembebanan power turbin  yang  menghasilkan  nilai  tekanan akhir back pressure, maka  kita  dapat  menentukan  besar  total back pressure.  Back pressure maksimal  yang  boleh  diterima oleh  sistem  yaitu  <  4,0  kPa Berikut  ditampilkan  hasil perhitungan besar backpressure berdasarkan panjang pipa dan komponen  pada  tabel 3, serta hasil perhitungan back pressur e power turbine dan totalnya pada 93,23% engine pada tabel 4:
T abel 3. Backpressure berdasarkan panjang pipa dan komponen Percent Backpressure by Pipe Backpressure by Component T otal % kPa kPa kPa 100,00 1,74232 0,600 2,342
97,06 1,63246 0,600 2,232 93,23 1,52584 0,600 2,126 88,69 1,42041 0,600 2,020 84,17 1,31835 0,600 1,918 76,57 1,17902 0,600 1,779 T abel 4. Backpressure Power Turbine dan totalnya pada 93,23% Engine Daya Density V Before V after BP T otal kW Kg/m3 m/s m/s kPa kPa 400 0,851 103,48 60,991 2,339 4,682 350 0,800 103,48 64,908 2,124 4,466 300 0,747 103,48 69,516 1,870 4,212 250 0,702 103,48 74,014 1,622 3,965 200 0,654 103,48 79,346 1,329 3,671 150 0,611 103,48 84,985 1,018 3,361 100 0,569 103,48 91,317 0,670 3,012
*BP - Backpressure
Pada  kondisi  93,23%,  pembebanan  yang  memenuhi  kondisi adalah  pada  pembebanan  250  kW.  Setelah  itu  kita    melihat pengaruh  pembebanan  250  kW  pada  setiap  kondisi engine . Hasilnya terdapat pada grafik berikut:
Gambar. 3.  Grafik backpressure pada pembebanan 250 kW
C. Pengaruh Pembebanan Power Turbine terhadap Kondensasi asam
Setelah  mendapatkan  nilai  tekanan  akhir exhaust  gas, kitadapat  menentukan  suhu  akhir exhaust gas,  suhu exhasut gas  di  atmosfir,  dan  titik  pengembunan  asam  sulfat  (H 2 SO 4 ). Berikut akan ditampilkan grafik perbandingan titik pengembunan  asam  sulfat  (H 2 SO 4 )  dan  suhu  gas  di  atmosfir pada 93,23% engine:
170 190 210 230 250 270 290 400 350 300 250 200 150 100 Te mpe ra tu re ( C ) Beban power turbine (kW) H2SO4 Exhaust Gas
Gambar.  4.  perbandingan  titik  pengembunan  asam  sulfat  (H 2 SO 4 )  dan suhu gas di atmosfir pada 93,23% engine
Dapat  dilihat  dari  grafik  tersebut  pada  titik  250  kW,  yang dimana  memenuhi  dari  segi back pressure, tidak  mengalami kondensasi.

## D. Analisa Hasil Perhitungan
Secara  garis  besar,  dari  perhitungan  yang  telah  dilakukan, kondisi  minimum  yang  harus  dipenuhi  agar  sistem  berjalan dengan normal adalah back pressure tidak boleh lebih dari 4,0 kPa  dan  tidak  mengalami  kondensasi  (suhu  gas  di  atmosfit > titik  embun  asam  sulfat).  Dari  situ  dapat  kita  lihat  bahwa kondisi service  rate engine 93,23%,  pembebanan power turbine yang bisa diterima oleh engine adalah 250 kW. Setelah kia  melihat  pada kondisi service rate, kita melihat besar beban power  turbin yang  bisa  diaplikasikan  pada  kondisi  diatas (100%  dan  97%)  maupun  bawah  (88,69%,  84,17%,  76,57%). Berikut hasil perhitungan final pada semua kondisi engine:
T abel 5. Pembebanan Power Turbin di tiap kondisi Engine Engine P. Elektris P. T urbin Press. After η T urbine BP % kW kW kPa kPa 100 250 271,739 283,933835 1 0,,754 3,936 97 250 219, 780 263,203929 1 0,7449 3,654 93,23 250 166,667 259,583103 2 0,744 3,361 86,69 250 219,780 220,,18976 17 0,753 3,977 84,17 250 166,667 215,600787 6 0,747 3,966 76,57 250 111,111 207,886567 7 0,740 3,917

## E. Penentuan Spesifik asi Generator dan Power Turbine
Pemilihan  generator  yang  nanti  akan  dihubungkan  pada power  turbine didasarkan  pada  beban power  turbine yang bisa diterima oleh engine pada kondisi 93,23% yang notabene merupakan service  rate  engine .  Berikut  sepsifikasi power turbine dan generator yang sesuai:
Spesifikasi Generator Merk         : Stamford Type         : EC-385-50Hz
Capacity : 380 kVA/280 kW Phase : 3
Poles : 4
Power Factor : 0,8
Efficiency : 93,5 Frequncy : 50Hz
Spesifikasi Power Turbine
Merk                : ABB Type                : PTL500
Daya Maksimal : 500 kW
Pressure Ratio Max : 3,5 Efisiensi : 73% - 78%

## IV. KESIMPULAN
Dari hasil perhitungan tersebut, dapat disimpulkan:
1) Power  Turbine dapat  diaplikasikan  pada  beban  tertentu dengan  baik  tanpa  mengganggu  kinerja engine secara umum,  baik  pada service  rate  engine di  93,23%,  diatas service rate engine (100% dan 97%), dan dibawah service rate engine (88,69%; 84,17%; dan 76,57%)
2) Dari  hasil  perhitungan  pada  penelitian  ini,  didapatkan bahwa  daya  listrik  yang  bisa  dihasilkan  oleh power turbine dari  motor  diesel  CAT  3616-V  dengan daya 4920 kW  pada continuous  rating yakni  sebesar, 250  kW (5,08%  dari  daya engine utama) pada kondisi 100%, 97%, dan  93,23% engine ; 200  kW (4,07%  dari  daya engine utama)  pada  kondisi 86,69% engine ; 150 kW (3,05% dari daya Engine utama) pada kondisi 84,17% engine , dan 100 kW (2,03% dari daya Engine utama) pada kondisi 76,57% engine . 3) Spesifikasi  sistem power  turbine yang  tepat  untuk diaplikasikan  pada  penelitian  ini  yakni, power  turbine PTL500  dengan  daya  maksimal  500  kW  dan  putaran efisiensi 73% - 78% dan generator STAMFORD 380 kVa / 280 kW at 50 Hz dengan kutub 4 dan efisiensi 93,5%

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Rasio
jenis
pembangkit listrik
di
Indonesia
< http://www.djk.esdm.go.id> , Desember, 2015
[2] Safarudin  Gazali  Herawan ;  Ahmad  Faris  Ismail;  Azma  Putra, “ Prediction  on  Power  Produced  from   Power  Turbine  as  a  Waste Heat  Recovery  Mechanism   on  Naturally  Aspirated  Spark  Ignition Engine Using Artificial Neural Network”, Research Gate, 2016
[3] Keiichi  Shiraishi;  Yoshihisa Ono; Kiyoko Sugishita, “Developm ent of  Large  Marine  Hybrid  Turbocharger  for  Generating  Electric Power  with  Exhaust  Gas  from   the  Main  Engine” ,  Mitsubishi Heavy Industry T echnical Review Vol 47 No. 3, September, 2010. [4] Keiichi  Shiraishi;  Yoshihisa  Ono,  “ Hybrid  Turbocharger  with Intregated  High  Speed  Generator”, Mitsubishi  Heavy  Industry
T echnical Review Vol 44 No. 1, Maret, 2007.
[5] Dixon,  Hall,  “ Fluid  Mechanics  and  Therm odynam ics  of Turbomachinery” , Elsevier Inc., 2014
[6] Aungier, R.H., “ Turbine Aerodynamics”, ASME Press, 2006
[7] Verhoff  F.H.,  Branchero  J.,  “ Predicting  Dew  Points  of  Flue Gasses ”, Chem. Eng. Prog, August 1974.