## Pemanfaatan Gas Buang pada Waste Heat Recovery Power Generation untuk dikonversi menjadi Energi Terbarukan di Indarung V,
PT. Semen Padang, Indonesia
Nasrul Harun 1* , Valdi Rizki Yandri 2 12 Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Padang Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Padang, Jl. Limau Manih Padang, 25164, Indonesia *Corresponding Author, email: nasrul.harun1959@gmail.com
Abstrak— Proses  pembakaran  batu  bara  yang  membutuhkan  temperatur  tinggi  akan  menghasilkan  energi  kalor terbuang yang dapat digunakan sebagai penggerak generator sehingga menghasilkan energi listrik. Oleh karena itu, P.T. Semen Padang berhasil mendapatkan pendanaan dari pemerintah Jepang, Organisasi Pengembangan Teknologi Energi  Baru  Terbarukan  (NEDO)  untuk  membangun  Pembangkit  Listrik  Tenaga  Limbah  Kalor  atau  Waste  Heat Recovery Power Generator (WHRPG) di area produksi Semen Padang, Indarung V. Pemanfaatan energi panas tidak dapat  dioperasikan  secara  manual,  sehingga  sistem  kendali  diperlukan  untuk  mengendalikan  kinerja  WHPRG  ini. Operasional WHPRG dapat menghaslikan daya listrik 196,15 MW sehingga dapat mengurangi daya listrik yang harus disuplai oleh PT. PLN (Persero). Selain itu, pengeluaran PT. Semen Padang pun dapat dihemat sejumlah Rp. 33 milyar per tahun dan emisi CO2 dapat dikurangi sejumlah 33.000 ton per tahun.
Kata kunci : Pembangkit Listrik Tenaga Limbah Kalor (WHRPG), daya listrik, energi baru terbarukan
Abstrac t— The coal combustion processes which require high temperature will produce waste heat energy. The energy can be used as generator propulsion to produce electrical energy.  Thus, Semen Padang Corporation has successfully got funding from the Japan government, New Energy Technology Development Organization (NEDO) to build the installation Waste Heat Recovery Power Generation (WHRPG) located in the production area of Semen Padang Corporation, Indarung V.  Furthermore,  heat  energy process  can  not  be operated manually, so  control system is needed to  control  this WHPRG performance. The operational of WHPRG can produce electricity power 196.15 MW  as to reduce the electric power that must be supplied by Indonesian Electricity Corporation. Besides that, the outcome of Semen Padang Corporation can be saved 33 billion Rupiah per year and CO2 emission can be declined 33,000 tons per year.
Keywords: Waste Heat Recovery Power Generation (WHRPG), electrical power, renewable energy
© 2020 Elektron Jurnal Ilmiah

## I. PENDAHULUAN
Dalam  beberapa  tahun  terakhir,  pemanfaatan sumber energi kalor seperti panas bumi, gas sisa turbin dan  limbah  kalor  dari  industri  menarik  perhatian berbagai kalangan. Hal ini bertujuan untuk mengurangi konsumsi  bahan  bakar  fosil  dan  mengurangi  limbah dari  industri  [1]–[3] . Energi  kalor  merupakan kebutuhan  yang  tidak  bisa  dihindari  pada  berbagai industri.  Namun  demikian,  limbah  kalor  yang berlebihan  tidak  dapat  dihindari  dan  tidak  dapat digunakan kembali di industry [4]–[6].
Limbah kalor dari pembangkit listrik termal berasal dari kalor pada bagian input, dan dapat mencapai 55% dari  total  kalor  dari  bahan  bakar  yang  digunakan. Pemanfaatan  kembali  limbah  kalor  merupakan  hal penting  tetapi  masih  membutuhkan  penelitian  dan pengembangan.  Pemanfaatan  limbah  kalor  dapat mengurangi  polusi  termal dan mendukung  konservasi energi  [7],  [8].  Generator  termoelektrik  dapat memanfaatkan energi termal untuk dikonversi menjadi energi listrik berdasarkan pada ketiga efek termoelektrik, yaitu efek Seebeck, efek Peltier dan efek
Thomson [9], [10]. Efek Seebeck terjadi saat potensial listrik  yang  dihasilkan  pada  rangkaian  terbuka  yang terbentuk oleh dua konduktor berbeda saat sambungan kedua  konduktor  ini  dipertahankan  pada  temperatur yang  berbeda.  Efek  Peltier  menyatakan  bahwa  kalor dapat  diserap  atau  dibebaskan  di  sambungan  dua konduktor berbeda saat adanya aliran arus listrik [11]. Efisiensi  konversi  modul  termoelektrik  yang  masih rendah  (<5%)  menjadi  faktor  utama  penyebab aplikasinya  masih  terbatas  dalam  pembangkit  tenaga listrik dan juga untuk situasi khusus dimana keandalan merupakan pertimbangan utama [12].
Oleh karena ditingkatkannya perlindungan lingkungan, aplikasi teknologi thermoelectric dipelajari secara ekstensif. Generator termoelektrik (TEG) dapat mengkonversi  energi  termoelektrik  dengan  cara  yang sederhana dan dapat diandalkan. Selain itu, modul TEG memiliki  kelebihan  ramah  lingkungan  sehingga penggunaan  TEG  untuk  mengolah  limbah  kalor  telah dibahas  secara  komprehensif  di  berbagai  industri. Selama  30  tahun  terakhir,  penerapan  teknologi termoelektrik bertambah untuk meningkatkan efisiensi pengolahan kalor limbah, dengan menggunakan
berbagai  sumber  kalor  seperti  energi  panas  bumi, pembangkit  listrik,  mobil  dan  proses  penghasil  kalor lainnya di industry [13], [14].
Generator  termoelektrik  juga  dapat  meningkatkan kemampuan ICE untuk mengubah bahan bakar menjadi daya yang bermanfaat. Dengan mengubah limbah kalor menjadi listrik, kinerja mesin, efisiensi, keandalan, dan fleksibilitas desain dapat ditingkatkan secara signifikan [15], [16]. Proses pembakaran batubara membutuhkan suhu tinggi dan akan menghasilkan limbah kalor yang dapat  dimanfaatkan  sebagai  sumber  energi  untuk pembangkit tenaga listrik. PT. Semen Padang berhasil mendapatkan  pendanaan  dari  pemerintah  Jepang, Organisasi  Pengembangan  Teknologi  Energi  Baru Terbarukan (NEDO), untuk mengembangkan Pembangkit Listrik Tenaga Limbah Kalor (WHRPG) di daerah produksi Semen Padang.

## II. TINJAUAN PUSTAKA
A.  Deskripsi Proses Produksi Semen
Semen diproduksi dengan mencampurkan alumina yang  berkapur  dengan  silika  besi  oksida,  kemudian membakarnya pada temperatur tertentu dan menggilingnya.  Untuk  memproduksi  1  ton  semen Portland, dibutuhkan sekitar 1,5 – 1,7 ton bahan baku, 0,13  ton  batu  bara.  Proses  produksi  semen  memiliki tiga  tahapan  utama.  Tahap  pertama  adalah  tahap pencampuran  dan  penghancuran  untuk  mencampur jumlah tertentu dari tanah liat dan batu kapur sehingga menjadi bentuk bubuk. Tahap kedua adalah proses pyro yang membutuhkan lebih dari 90% total energi. Tahap ini termasuk preheater, calciner, kiln dan pendinginan. Clinker adalah produk utama dari tahap ini yang  kemudian  dikirim  ke  tahap  penggilingan  dan penghancuran  akhir  di  pabrik  semen.  Selama  tahap ketiga, clinker dihancurkan  dan  digiling  menjadi butiran  kecil  dalam  bentuk  bubuk,  dicampur  dengan bahan  aditif  dan  kemudian  dilanjutkan  ke  tahap pengemasan [17].
Gambar 1. Proses Manufaktur Semen [17]
B.  Pemanfaatan  Gas  Pembuangan  dari  Proses Manufaktur Semen
Berdasarkan  proses  manufaktur  semen  tersebut, terdapat gas pembuangan pada temperatur yang cukup tinggi  yang  memiliki  energi  kalor  sehingga  dapat dimanfaatkan  untuk  dikonversi  menjadi  energi listrik. WHRPG dapat dimanfaatkan untuk proses konversi ini dan  memberikan  banyak  manfaat  bagi  PT.  Semen Padang dalam bentuk penghematan energi, pengurangan emisi CO 2 , sehingga membuat industri ini ramah lingkungan.
Pemanfaatan  WHRPG  ini  juga  bertujuan  untuk menghemat  energi  dan  meminimalkan  emisi  CO 2 melalui Clean  Development  Mechanism (CDM) sebagai implementasi  Protokol Kyoto. Terdapat ruang lingkup  yang  besar  dalam  memulihkan  limbah  kalor dari  berbagai  industri  untuk  menghasilkan  listrik melalui  proses  pada heat  recovery  steam  generator (HRSG). HRSG juga dapat digunakan dalam turbin gas
dan  pembangkit  listrik  berbasis  turbin  uap  untuk memanfaatkan limbah kalor dari gas buang turbin gas [18].

## III. METODE
Beberapa  langkah  yang  harus  dilakukan  untuk memperhitungkan  daya  yang  dapat  disuplai  oleh WHRPG di PT. Semen Padang, terdiri dari perhitungan volum tangki air, percepatan aliran air, massa air, usaha dan daya air.
A. Perhitungan volum tangki air
Bentuk  tangki  air  adalah  silinder,  maka  persamaan untuk  menghitung  volum  tangki  air  adalah  sebagai berikut :
h r V    2  (1)
dimana V adalah volume tangki air, r adalah is jari-jari tangki air dan h adalah tinggi tangki air.
B. Perhitungan akselerasi aliran air Akselerasi  aliran  air  dihitung  dengan  menggunakan persamaan berikut :
t v a  (2)
dimana a adalah  akselerasi  aliran  air, v adalah kecepatan aliran air dan t adalah waktu untuk pengisian tangki demineralizer .
C. Perhitungan massa air Massa  air  dapat  dihitung  dengan  menggunakan persamaan berikut :
V m    (3)
dimana m adalah   massa air,  adalah  massa  jenis  air dan V adalah volum tangki air.
D. Perhitungan gaya dari aliran air Gaya  akibat  aliran  air  dapat  dihitung  dengan menggunakan persamaan berikut :
a m F   (4)
dimana F adalah gaya dari air, m adalah  massa air dan a adalah akselerasi aliran air.
E. Perhitungan usaha dari aliran air
Usaha  dari  aliran  air  dapat  dihitung  dengan menggunakan persamaan berikut :
d
F W   (5)
dimana W adalah usaha dari air, F adalah gaya dari air dan d adalah jarak dari tangki air ke boiler .
F. Perhitungan daya listrik Daya  listrik  dapat  dihitung  dengan  menggunakan persamaan berikut :
t W P  (6)
dimana P adalah daya listrik, W adalah usaha dari aliran air dan t adalah waktu untuk pengisian tangki air.

## IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Berdasarkan  data  tangki  air  dan  peralatan  lainnya, maka dapat dihitung daya listrik yang dapat dihasilkan WHRPG sebagai berikut :
Jari-jari tangki air = 1,75 m Tinggi tangki air = 4 m Massa jenis air = 1.000 kg/m 3 Waktu untuk pengisian tangki demineralizer = 1,5 jam Jarak dari tangki air ke boiler = 255 m Diameter pipa = 30 cm Berdasarkan persamaan (1) : Volum tangki air =  38,46504 m 3 Kecepatan aliran air = 30 km/jam
Berdasarkan persamaan (2) :
jam jam km 5 , 1 / 30 akselerasi  2 2 m/s 556 . 555 , 5 akselerasi m/jam 0,000 2 akselerasi  
Berdasarkan persamaan (3) : Massa air = 1,000 kg/m 3 x 38.46504 m 3 Massa air = 38.465,04 kg
Berdasarkan persamaan (4) : Gaya = 38.465,04 kg x 20,000 m/jam 2 Gaya = 769.210.800 N
Berdasarkan persamaan (5) : Usaha = 769.210.800 N x 255 m
Usaha = 196.148.754 kJ Berdasarkan persamaan (6) : MW jam kJ waktu Usaha 15 , 196 Power 1 754 . 148 . 196 Daya Daya   
Artinya,  daya  listrik  yang  dapat  disuplai  dari pemanfaatan WHRPG adalah 196,15 MW. Pemanfaatan  WHPRG  di  PT.  Semen  Padang  dapat mengurangi  pengeluaran  sejumlah  Rp.  33  milyar  per tahun  dan  juga  mengurangi  konsumsi  listrik  dari  PT. PLN. Penghematan ini juga dapat mereduksi emisi CO 2 sejumlah 33.000 ton per tahun.
Jika  sistem  pembangkit  listrik  di  grup  PT.  Semen Padang sudah menerapkan WHRPG, maka energi kalor yang  sebelumnya  terbuang  ke  udara  bebas  dapat dimanfaatkan  untuk  meningkatkan  efisiensi  proses produksi  dan  laba  perusahaan.  Dengan  demikian, pemerintah Indonesia yang memiliki 51% saham di PT. Semen Padang, akan mendapatkan dividen lebih besar. Pada  tahun  2013,  Pemerintah  Indonesia  memperoleh dividen lebih dari Rp. 1,2 triliun.

## V. KESIMPULAN
Pemanfaatan  WHRPG  dapat  mensuplai  daya  listrik sebesar  196,15  MW  untuk  kebutuhan  PT.  Semen Padang. Dengan demikian daya listrik dari WHRPG ini dapat  digunakan  untuk  proses  lain,  terutama  proses produksi.  Daya  listrik  yang  dihasilkan  melalui pemanfaatan WHRPG juga dapat mengurangi konsumsi  energi  listrik  yang  harus  disuplai  PT.  PLN (Persero)  sehingga  sejumlah  daya  listrik  ini  dapat disalurkan untuk kebutuhan pelanggan listrik lainnya.

## UCAPAN TERIMA KASIH
(ACKNOWLEDGEMENT)
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada  pimpinan Politeknik Negeri Padang yang telah membantu untuk menjalin  kerjasama  dengan  PT.  Semen  Padang sehingga  dapat  mempermudah  dalam  pengumpulan data.

## REFERENSI
[1] G.  Györke,  A.  Groniewsky,  and  A.  R.  Imre,  “A  Simple Method  of  Finding  New  Dry  and  Isentropic  Working Fluids  for Organic Rankine Cycle,” MPDI Energies ,  vol. 12, no. 480, pp. 1–11, 2019.
[2] W. Xu, S. Deng, Y. Zhang, D. Zhao, and L. Zhao, “How to give  a  full  play  to  the  advantages  of  zeotropic  working fluids in organic Rankine cycle (ORC),” Energy Procedia , vol. 158, pp. 1591–1597, 2019.
[3] H. Yu, D.  Kim, and T. Gundersen, “A  Study  of Working Fluids  for  Organic  Rankine  Cycles  (ORCs)  Operating Across  and  Below  Ambient  Temperature  to  Utilize Liquefied Natural Gas (LNG) Cold Energy,” Energy , vol. 1, pp. 1–10, 2018.
[4] P.  Li,  Z.  Han,  X.  Jia,  Z.  Mei,  X.  Han,  and  Z.  Wang, “Comparative  analysis  of  an  organic  Rankine  cycle  with different  turbine  efficiency  models  based  on  multi- objective  optimization,” Energy  Convers.  Manag. ,  vol. 185, pp. 130–142, 2019.
[5] H. Yanga, C. Xua, B. Yanga, X. Yua, Y. Zhangb, and Y. Mu, “Performance analysis of an Organic Rankine Cycle system  using  evaporative  condenser  for  sewage  heat recovery in the petrochemical industry,” Energy Convers. Manag. , vol. 205, p. 112402, 2020.
[6] Lili  Wei,  Z.  Ma,  X.  Gong,  and  X.  Guo,  “Experimental investigation  and  performance  analysis  of  an  Organic Rankine  Cycle  for  low-temperature  heat  to  electricity generation,” Int. J. Low-Carbon Technol. , vol. 1, pp. 1–8, 2019.
[7] A. G.  Mohammed,  M.  Mosleh,  W. M. El-Maghlany, and N. R. Ammar, “Performance analysis of supercritical ORC utilizing  marine  diesel  engine  waste  heat  recovery,” Alexandria Eng. J. , vol. 59, pp. 893–904, 2020.
[8] Deepak  Tiwari,  A.  F.  Sherwani,  M.  Muqeem,  and  A. Goyal, “Parametric optimization of organic Rankine cycle
using  TOPSIS  integrated  with  entropy  weight  method,” Energy Sources , vol. Part A, pp. 1–18, 2019.
[9] X.  Guo et  al. ,  “Energetic  and  exergetic  analyses  of  a combined system consisting of a high-temperature polymer electrolyte  membrane  fuel  cell  and  a  thermoelectric generator with Thomson effect,” Int. J. Hydrogen Energy , vol. 44, pp. 16918–16932, 2019.
[10] M.  Kalteh  and  H.  A.  Garmejani,  “Investigating  the influence  of  Thomson  effect  on  the  performance  of  a thermoelectric generator in a waste heat recovery system,” Int. J. Green Energy , vol. 1, pp. 1–13, 2019.
[11] S.  Lan,  A.  Smith,  R.  Stobart,  and  R.  Chen,  “Feasibility study  on  a  vehicular  thermoelectric  generator  for  both waste  heat  recovery  and  engine  oil  warm-up,” Appl.
Energy , vol. 242, pp. 273–284, 2019.
[12] D. Luo, R. Wang, W. Yu, and W. Zhou, “Parametric study of a thermoelectric module used for both power generation and cooling,” Renew. Energy , vol. 154, pp. 542–552, 2020.
[13] S. P. Burugupallya, L. Weiss, and C. Depcik, “The effect of  working  fluid  properties  on  the  performance  of  a miniature free piston expander for waste heat harvesting,” Appl. Therm. Eng. , vol. 151, pp. 431–438, 2019.
[14] Z. Y. Xu, R. Z. Wang, and C. Yang, “Perspectives for low- temperature  waste  heat  recovery,” Energy ,  vol.  176,  pp. 1037–1043, 2019.
[15] N.  Jaziri,  A.  Boughamoura,  J.  Müller,  F.  Tounsi,  B. Mezghani,  and  A.  Kouki,  “TCs  Connectivities  Effect Investigation in the LTCC-based Thermoelectric Generator for  Automotive  Waste  Heat  Recovery,”  in IEEE International Conference on Design  &  Test of Integrated Micro & Nano-Systems , 2019, pp. 1–5.
[16] R.  Rodriguez,  M.  Preindl,  J.  S.  Cotton,  and  A.  Emadi, “Review  and  Trends  of  Thermoelectric  Generator  Heat Recovery in Automotive Applications,” IEEE Trans. Veh. Technol. , vol. 1, pp. 1–14, 2019.
[17] M.  Sathiyamoorthy  and  M.  Biglari,  “A  case  study :  the waste heat recovery and utilization for power generation in a cement plant (phase-1),” Adv. Res. IT Eng. , vol. 5, pp. 1– 26, 2016.
[18] H.  Gao et  al. ,  “Numerical  study  of  heat  transfer characteristics  of  semi-coke  and  steam  in  waste  heat recovery steam generator for hydrogen production,” Int. J. Hydrogen Energy , vol. 44, pp. 25160–25168, 2019.