Perancangan Siklus Rankine Organik Untuk Pemanfaatan Gas Buang Pada PLTU di Indonesia
Mohammad Azis M
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Industri, ITENAS, Bandung Email : m.azis.mahardika@gmail.com

## ABSTRAK
Energi  merupakan  kebutuhan  pada  kehidupan  manusia.  Sumber  energi  fossil  yang  digunakan  untuk memenuhi  kebutuhan  energi  semakin  lama  semakin  menipis.  Sehingga  diperlukan  sumber  energi  alternatif atau  peningkatan  efisiensi  dalam  pemanfaatan  energi.  Panas  buang  merupakan  salah  satu  sumber  energi alternatif.  Pemanfaatan  panas  buang  salah  satunya  adalah  dengan  menggunakan  siklus  rankine  organik. PLTU memiliki panas buang yang berpotensi untuk dimanfaatkan. Temperatur gas buang pada PLTU yang rata-rata  sebesar  150 o C.  Proses  perancangan  dilakukan  untuk  memanfaatkan  panas  buang  hasil pembakaran.  Hasil perancangan sistem siklus rankine organik mampu menghasilkan daya sebesar 6053 kW (R142b), 5705 kW (R123), dan 5502 (Isopentane) serta efisiensi sebesar 18.54%, 18.51%, dan 17.85% untuk fluida kerja R142b, R123, dan Isopentane.

## Kata kunci:siklus rankine organik, gas buang, panas sisa

## ABSTRACT
Energy is needeed for human life. Fossil energy which used to fulfill our needs is diminished. So, alternative energy source is used. Waste heat are one of a kind energy alternative source. Organic rankine cycle can be used to utilitze waste heat. Coal power plant which have flue gas to utilized. Average flue gas temperature in coal power plant are 150 o C. Design process to utilize waste heat has been conducted. The power produced in the system are 6053 kW, 5705 kW, and 5502 kWalso the efficiency are 18.54%, 18,51%, and 17,85%  for working fluid R142b, R123, and Isopentane respectively.
Keyword: organic rankine cycle, waste heat, flue gas

## 1. PENDAHULUAN
Energi  merupakan  kebutuhan  pada  kehidupan  manusia.  Semakin  bertambah  jumlah  penduduk, maka  kebutuhan  energi  juga  meningkat.  Sumber  energi  fossil  yang  digunakan  untuk  memenuhi kebutuhan  energi  semakin  lama  semakin  menipis.  Sehingga  diperlukan  sumber  energi  alternatif atau  peningkatan  efisiensi  dalam  pemanfaatan  energi.  Panas  buang  merupakan  salah  satu  sumber energi alternatif. Panas buang adalah  panas yang dibangkitkan dari pembakaran bahan bakar atau reaksi  kimia  yang  kemudian  dibuang  ke  lingkungan  walaupun  masih  dapat  digunakan  [1]. Pemanfaatan  panas  buang  bermanfaat  untuk  mengurangi  polusi,  konsumsi  energi  untuk  peralatan bantu (kipas, pompa, dll).
Indonesia memiliki mayoritas pembangkit listrik tenaga uap [2]. PLTU memiliki panas buang yang berpotensi  untuk  dimanfaatkan.  Temperatur  gas  buang  pada  PLTU  yang  rata-rata  sebesar  150  C mampu  dimanfaatkan  [3].  Pemanfaatan  panas  buang  salah  satunya  adalah  dengan  menggunakan siklus rankine organik.
Saat ini, teknologi ORC ( Organic Rankine Cycle ) berkembang semakin pesat, sehingga limbah – limbah panas yang awalnya dibuang begitu saja, sekarang menjadi  potensi  untuk membangkitkan listrik dengan ORC. Prinsip kerja ORC sama dengan RC ( Rankine Cycle ) hanya saja berbeda pada fluida  kerjanya.  ORC  dapat  memanfaatkan  sumber  panas  dengan  temperatur  sekitar  80 o C, dikarenakan  titik  didih  fluida  organik  yang  rendah.  Kelebihan  dari  siklus  ORC  adalah  mampu bekerja pada temperatur rendah. Pemanfaatan limbah panas ini mampu menghasilkan energi listrik tambahan  yang  dapat  meningkatkan  efisiensi,  dan  meminimalisir  panas  yang  terbuang  ke lingkungan serta penghematan bahan bakar[4].
Dengan  memanfaatkan  gas  buang  hasil  pembakaran  pada  PLTU,  diharapkan  hasil  perancangan siklus  ORC  dari  paper  ini  dapat  meningkatkan  efisiensi  dan  menghemat  bahan  bakar  dari  PLTU. Selain itu, pemilihan fluida kerja organik juga mempengaruhi efisiensi siklus organik, pada paper ini  juga  dibahas  pengaruh  dari  pemilihan  fluida  kerja  organik  terhadap  performa  siklus  rankine organik.

## 2. METODOLOGI

## 2.1 Metodologi Penelitian
Proses perancangan dimulai dari  menentukan parameter desain  dari  data-data  yang  diperoleh  dari literatur  dan  lapangan.  Selanjutnya  sistem  dirancang  sesuai  dengan  parameter  yang  diinginkan. Perangkat  lunak  REFPROP  digunakan  untuk  memperoleh  sifat-sifat  termodinamika  dari  fluida kerja organik. Pada proses ini fluida organik yang digunakan hanya 3 macam yaitu R142b, R123, dan Iso-pentane. Diagram alir proses perancangan dapat dilihat pada gambar 1

## Gambar 1. Flow chart desain siklus rankine organik

## 2.2 Deskripsi Siklus Rankine Organik
Perancangan  sistem  akan  dijelaskan  secara  berurutan.  Secara  keseluruhan  sistem  memiliki  skema sebagai berikut

## Gambar 2. Sistem siklus organik
Gas  buang  hasil  pembakaran  dimanfaatkan  untuk  memanaskan  udara.  Proses  ini  terjadi  pada komponen air  preheater. Setelah  proses  ini  gas  buang  sudah  tidak  dimanfaatkan  lagi  panasnya. Setelah  proses  tersebut  gas  buang  akan  dialirakan  ke  lingkungan  melalui stack. Gas  buang  pada bagian  ini  masih  memiliki  panas  yang  dapat  dimanfatkan.  Temperatur  gas  buang  yang  mencapai 120-150 o C  pada  proses  gas  buang  masih  memiliki  potensi  untuk  pemanfaatan  panas  [5].  Salah satu  cara  pemanfaatanya  adalah  dengan  menggunakan  siklus  rankine  organik.  Siklus  rankine
8 8 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 7 6 5 4 3 2 1 H Start Parameter desain: Fluida kerja Temperatur flue gas
Tekanan evaporator dan kondenser Pemilihan turbin/ekspander
Desain sistem : Daya Laju massa Efisiensi optimal Selesai Ya Tidak
organik  memanfaatkan  panas  dengan  temperatur  rendah,  untuk  menguapkan  fluida  kerja  organik yang memiliki temperatur didih rendah. Dalam pemanfaatan fluida kerja organik, terdapat beberapa faktor  yang  harus  diperhatikan  seperti  sumber  panas,  pengaruh  terhadap  lingkungan,  dan  sifat termodinamika.[6].  Pada  desain  siklus  rankine  organik  ini  digunakan  3  macam  fluida  organik dalam  perancangan  siklus  rankine  organik.  Fluida  kerja  yang  digunakan  memiliki  sifat  yang berbeda-beda. Sifat dari fluida kerja ditunjukkan pada tabel 1.
Tabel 1. Sifat fluida kerja organik
Fluida Formula T kritik (K) P kritik (atm) ODP GWP Karakteristik R142b C 2 ClF 2 H 3 410.26 40.59 0.07 2130 Kering R123 CHCl 2 CF 3 456.83 36.61 0.06 77 Isentropic Isopentane  (CH 3 ) 2 CHCH 2 CH 3 460.35 33.78 0 4.6 Kering
R142b dan isopentane memiliki karakteristirk kering, karakteristik ini menunjukkan hasil ekspansi dari  fluida  akan  tetap  berfasa  kering  (kurva  memiliki  kemiringan  positif)  sedangkan  fluida  R123 memiliki  karakteristik  isentropik  (kurva  memiliki  kemiringan  tidak  terhingga).  Contoh  kurva dengan karakteristik basah, kering, dan isentropik ditunjukkan pada gambar 3
Gambar 3. Karakteristik fluida kerja organik a) isentropik b) kering c) basah [7]
Pada  pemanfaatan  panas  buang  PLTU,  penurunan  temperatur  gas  buang  dibatasi  sampai  100 o C. Hal ini bertjuan untuk menghindari kondensasi uap air dan sulfur yang terkandung pada gas buang. Fenomena  ini  dapat  mengganggu  kinerja  komponen-komponen  PLTU  pada  bagian gas  treatment (FGD, stack , dll).
Diagram  T-s  siklus  rankine  organik  ditunjukkan  pada  gambar  4.  Tekanan  evaporator  merupakan parameter utama dari sistem. Tekanan evaporator ditentukan dari temperatur pinch dari gas buang dengan fluida kerja. Temperatur pinch dirancang sebesar 5 o C. Temperatur pinch berpengaruh pada luas area evaporator, semakin kecil temperatur pinch maka luas area yang dibutuhkan dari penukar panas akan semakin besar.
Gambar 4. Diagram T-s siklus rankine organik

## 2.3 Analisis Sistem
Untuk menganalisis sistem maka digunakan perhitungan kesetimbangan energi pada masing- masing komponen
 Pompa
ɳ 𝑝 = ℎ 1𝑠 −ℎ 4 ℎ 1 −ℎ 4 (1)
𝑊 𝑝 = 𝑚̇ 𝑓𝑜 (ℎ 2 − ℎ 1 ) (2)
 Turbin
ɳ 𝑡 = ℎ 3𝑠 −ℎ 2 ℎ 3 −ℎ 2 (3)
𝑊 𝑡 = 𝑚̇ 𝑓𝑜 (ℎ 3 − ℎ 2 ) (4)
 Evaporator
𝑄̇ 𝑓𝑜,𝑒𝑣𝑎 = 𝑚̇ 𝑓𝑜 (ℎ 2 − ℎ 1 ) (5)
𝑄̇ 𝑓𝑔,𝑒𝑣𝑎 = 𝑚̇ 𝑓𝑔 (ℎ 5 − ℎ 6 ) (6)
𝑄̇ 𝑓𝑜,𝑒𝑣𝑎 =   𝑄̇ 𝑓𝑔,𝑒𝑣𝑎 (7)
Untuk menghitung enthalpy dari gas buang sama dengan enthalpy parsial dari masing masing komponen.[8]
ℎ 𝑓𝑔 = ℎ 𝑓𝑔 (𝑇) + 𝑤. ℎ 𝑤 (𝑇)   = (𝑦 𝑜 2 ℎ 𝑜 2 (𝑇) + 𝑦 𝑐𝑜 2 ℎ 𝑐𝑜 2 (𝑇) + 𝑦 𝑛 2 ℎ 𝑛 2 (𝑇)) + 𝑤. ℎ 𝑤 (𝑇) (8)
𝑦 𝑜 2 + 𝑦 𝑐𝑜 2 + 𝑦 𝑛 2 = 1 (9)
 Kondensor 𝑄̇ 𝑓𝑜,𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝑚̇ 𝑓𝑜 (ℎ 3 − ℎ 4 ) (10)
𝑄̇ 𝑤,𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝑚̇ 𝑤,𝑐𝑜𝑛𝑑 (11)
𝑄̇ 𝑓𝑜 =   𝑄̇ 𝑓𝑔 (12)
Optimasi dilakukan dengan memvariasikan  tekanan evaporator sehingga didapatkan efisiensi yang optimal. Tabel 2 menunjukkan tingkat keadaan dan parameter perancangan siklus rankine organik.

## Tabel 2. Parameter perancangan sistem rankine organik
Parameter Nilai Satuan Temperatur gas buang 423 K Temperatur pinch 5 K Tekanan evaporator 0.8-2.8  MPa Temperatur air pendingin 298 K Efisiensi isentropik turbin 60 % Efisiensi isentropik pompa  60 % Laju massa gas buang 277.77  kg/s

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  perancangan  dapat  dilihat  pada  gambar  5,6,  dan  7.  Fluida  kerja  R142b  memiliki  efisiensi maksimum  ketika  sistem  bekerja  dengan    tekanan  evaporator  sebesar  3.7  MPa  dengan  efisiensi sebesar 18.54%. Hal ini dikarenakan  ketika tekanan evaporator dinaikkan peningkatan kerja yang dihasilkan  tidak  terlalu  besar  sehingga  menyebabkan  efisiensi  menurun.  Sedangkan  fluida  kerja lain  (isopentane  dan  R123)  menunjukkan  tren  peningkatan  efisiensi  seiring  dengan  kenaikan tekanan  evaporator.  Namun  terdapat  batas  untuk  peningkatan  tekanan  evaporator  yaitu  dari temperatur  pinch  antara  gas  buang  dengan  fluida  kerja.  R123  menghasilkan  efisiensi  sebesar 18.51%  dengan  tekanan  evaporator  sebesar  1.12  Mpa.  Isopentane  menghasilkan  efisiensi  sebesar 17.84 dengan tekanan evaporator 1.02 Mpa.
Gambar 5 kurva efisiensi sistem terhadap tekanan evaporator R142b Gambar 6 kurva efisiensi sistem terhadap tekanan evaporator R123 16.8% 17.2% 17.6% 18.0% 18.4% 18.8% 2 2.5 3 3.5 4 4.5 Efisiensi (%) Tekanan evaportator (MPa) 0.0% 4.0% 8.0% 12.0% 16.0% 20.0% 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 Efisiensi (%)
Tekanan evaporator (MPa)

## Gambar 7 kurva efisiensi sistem terhadap tekanan evaporator Isopentane
Gambar  8  menunjukkan  grafik  temperatur  pinch  antara  fluida  organik  dan  gas  buang.  Grafik  ini menunjukkan  proses  perpindahan  panas  antara  gas  buang  dan  fluida  kerja.  Semakin  kecil temperatur  pinch  maka  akan  semakin  kecil  rugi-rugi  yang  terjadi  namun  akan  menghasilkan komponen  penukar  kalor  yang  besar.  Semakin  besar  temperatur  pinch  maka  akan  semakin  besar rugi-rugi  akibat  perbedaan  temperatur  yang  cukup  tinggi,  namun  komponen  penukar  kalor  yang diperlukan akan semakin kecil. Pada perancangan temperatur pinch dibatasi sebesar 5 o C.

## Gambar 8 Grafik temperatur pinch antara fluida organik dengan gas buang
Hasil perancangan untuk masing-masing fluida kerja ditunjukkan pada tabel 3.
Tabel 3 Parameter hasil perancangan Parameter Satuan R142b R123 Isopentane Massa fluegas kg/s 277.77 277.77 277.77 Massa fluida organik kg/s 126.7 138.7 64.6 W Turbin kW 6053 5705 5502 W pompa kW 399 96 94 Q evaporator kW 30498 30296 30294.9 Q kondensor kW 24844 24687.4 24887.3 Efisiensi % 18.54 18.51 17.85
15.6% 16.0% 16.4% 16.8% 17.2% 17.6% 18.0% 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 Efisiensi (%) Tekanan evaporator (MPa) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 Tem pera tu r (K) Pertukaran Panas ( kJ ) R123 Gas buang Isopentane R142b

## 4. KESIMPULAN
Siklus  rankine  organik  pada  PLTU  dengan  pemanfaatan  panas  dari  gas  buang  yang  memiliki temperatur sebesar 150 o C. Panas gas buang ini digunakan untuk menguapkan fluida kerja organik yang  memiliki  temperatur  didih  yang  rendah.  Hasil  perancangan  sistem  siklus  rankine  organik mampu  menghasilkan  daya  sebesar  6053  kW  (R142b),  5705  kW  (R123),  dan  5502  (Isopentane) serta  efisiensi  sebesar  18.54%,  18.51%,  dan  17.85%  untuk  fluida  kerja  R142b,  R123,  dan Isopentane.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  R. Tucker, “Waste heat recovery system at Farleigh Hospital.,” Hosp. Eng. , vol. 33, no. 8, pp. 12–14, 1979.
[2]  Ministry of Energy and Mineral Resources of Indonesia, “Rencana Usaha Penyediaan Tenaga Listrik PT. PLN (Persero) 2016-2025.” 2016.
[3]  C. Wang et al. , “Application of a low pressure economizer for waste heat recovery from the exhaust flue gas in a 600 MW power plant,” Energy , vol. 48, no. 1, pp. 196–202, 2012.
[4]  B. F. Tchanche, G. Lambrinos, A. Frangoudakis, and G. Papadakis, “Low-grade heat conversion into power using organic Rankine cycles - A review of various applications,” Renew. Sustain. Energy Rev. , vol. 15, no. 8, pp. 3963–3979, 2011.
[5]  T. K. Zhelev and K. A. Semkov, “Cleaner flue gas and energy recovery through pinch analysis,” J. Clean. Prod. , vol. 12, no. 2, pp. 165–170, 2004.
[6]  M. Khennich and N. Galanis, “Optimal design of ORC systems with a low-temperature heat source,” Entropy , vol. 14, no. 2, pp. 370–389, 2012.
[7]  J. Nouman, “Comparative studies and analyses of working fluids for Organic Rankine Cycles -ORC,” 2012.
[8]  S. Maalouf, E. Boulawz Ksayer, and D. Clodic, “Investigation of direct contact condensation for wet flue-gas waste heat recovery using Organic Rankine Cycle,” Energy Convers. Manag. , vol. 107, pp. 96–102, 2016.