## OPTIMALISASI UNTUK MENGHASILKAN EFISIENSI IDEAL TURBIN UAP PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BIOMASSA KAPASITAS 20 MW
Habibi Santoso Program Studi Teknik Industri, Universitas Indraprasta PGRI Jl. Nangka No.58C (TB Simatupang) Tanjung Barat, Jagakarsa
Jakarta Selatan habibisantoso@yahoo.com

## Abstrak
Krisis  energi  merupakan  salah  satu  permasalahan  yang  dialami  Indonesia.  Salah  satu  solusi  untuk mengatasi  permasalahan  tersebut  adalah  dengan  memanfaatan  sampah  menjadi  energi  listrik,  serta dapat  menjadi  solusi  untuk  permasalahan  sampah  yang  sekian  lama  semakin  menumpuk  di  banyak area  di  Indosesia.  Penelitian  ini  adalah  bagian  dari  perancangan  awal  PLTU  dengan  sumber  energi Biomassa (sampah). Penelitian ini mencakup perancangan awal siklus rankine , antara lain menentuan jenis  turbin  apa  yang  digunakan  apakah  turbin  reaksi  atau  impuls,  berapa  posos  turbin,  menentukan siklus  sederhana, regeneratif atau  siklus  termodifikasi  yang  lain.  Langkah-langkah  yang  dilakukan adalah  membandingkan  secara  termodinamika  kelebihan  dan  kekurangan  siklus rankine sederhana dengan  siklus regeneratif .  Parameter  yang  digunakan  sebagai  pembanding  adalah  efisiensi  termal, kerja netto dan  rasio  kerja.  Dari  hasil  perhitungan  didapatkan  turbin  uap  dengan  jenis  turbin  impuls satu  poros,  siklus  yang  digunakan regeneratif dengan  3 feedwater  Heater karena  dapat  menaikkan efisiensi menjadi 50% jika dibandingkan dengan siklus regeneratif sederhana yang efisiensinya hanya 37%.
Kata kunci : siklus rankine, regeneratif, kerja netto

## Abstract
The energy crisis is one of the problems facing by Indonesia. One solution to overcome this problem  is  turning  waste  into  electricity,  leading  to  a  solution  to  the  long-standing  waste problems in many areas in Indonesia. This research is part of the initial design of PLTU with Biomassa (Waste) energy sources. This research covers the initial design of the rankine cycle that  includes  determining  the  type  of  turbine  to  be  used,  whether  the  reaction  turbine  or impulse turbine and the number of turbine shaft and determining a simple, regenerative cycle or  another  modified  cycle.  The  step  taken  is  comparing  thermodinamically  the  advantages and  disadvantages  of  the  simple  rankine  cycle  with  the  regenerative  cycle.  The  parameters used as the standard of comparison are thermal efficiency, net work and work ratio. From the calculation results, it is determined to use a steam turbine with the type of one-shaft impulse turbine using a regenerative cycle with 3 feedwater heaters because it can increase efficiency up  to  50%  when  compared  to  a  simple  regenerative  cycle    with  efficiency  of  37%. Keywords : Renkine cycle, regenerative cycle, net work

## 1. PENDAHULUAN
Energi listrik adalah kebutuhan utama yang tidak  dapat  diabaikan  dalam  kehidupan sehari-hari,  baik  di  sektor  rumah  tangga, sektor  industri  atau  swasta  dan  sektor pemerintahan. Dengan meningkatnya
jumlah  penduduk  semakin  bertambah  pula kebutuhan energi listrik. Bahan  bakar  fosil  baik  berupa  minyak, batubara  dan  gas  alam  terus  menjadi sumber utama energi di dunia. Meningkatnya  kebutuhan  energi  akan
mempercepat  habisnya  bahan  bakar  fosil terbatas.
Permasalah  lingkungan  dan  ekonomi merupakan  alasan  utama  yang  mendorong pemanfaatan energi baru dan terbarukan di seluruh  dunia.  Oleh  karena  itu  sebagian negara  yang  memaksimalkan  potensi energi  terbarukan  di  wilayahnya  dengan melakukan  pengembangan-pengembangan di bidang teknologi.
Biomassa adalah  bahan  organik  yang dihasilkan melalui proses fotosintetik, baik berupa  produk  maupun  limbah,  seperti tanaman, rumput, dedaunan, limbah pertanian, limbah hutandan kotoran ternak.
Konsep  Pengolahan  Sampah  menjadi Energi  ( Waste  to  Energy )  atau  PLTBM (Pembangkit  Listrik  Tenaga biomassa ) secara ringkas adalah sebagai berikut :
A. Pemilahan sampah Sampah  dipilah  untuk  memisahkan sampah  yang  dapat  didaur  ulang.  sisa sampahdimasukkan  kedalam  sebuah alat, yaitu Insinerator untuk dibakar.
B. Pembakaran sampah Proses  pembakaran  sampah    dapat menggunakan  teknologi  pembakaran yang  dapat  dilakukan  dengan  efektif dan aman  bagi  lingkungan.  Pada proses ini, suhu pembakaran harus dipertahankan  dalam  temperatur  yang tinggi.  Asap  hasil  pembakaran  yang keluar  juga  dilakukan  penanganan khusus  agar  asap  yang  keluar  dapat memenuhi  standar  mutu  emisi  gas buang yang aman.
C. Pemanfaatan panas Pembakaran sampah ini akan
menghasilkan  temperatur  yang  tinggi dan  dapat  digunakan  sebagai  pemanas pada  Boiler  atau  ketel  uap.  Uap bertekanan  yang  dihasilkan  tersebut digunakan  untuk  memutar  sudu-sudu tubin  dan  diteruskan  untuk  memutar generator litrik.
Berdasarkan data TPA
(Tempat Pembuangan  Akhir)  dari  Dirjen  EBTKE (Energi  Baru  Terbarukan  dan  Konservasi Energi) dan potensi energi yang dihasilkan dihitung  dengan  ketentuan  1  ton  sampah dapat digunakan untuk pembangkit 18 kW, sehingga  sampah  yang  dibutuhkan  untuk pembangkit  listrik  dengan  kapasitas  20 MW sebanyak 1111 Ton

## A. Pengertian Optimasi
Secara umum optimasi berarti pencarian nilai terbaik (minimum atau maksimum) dari  beberapa  fungsi  yang  diberikan pada  suatu  konteks.  Optimasi  dapat diartikan  usaha  untuk  meningkatkan kinerja,  sehingga  mampu  dihasilkan kualitas  yang  baik  dan  hasil  kerja  yang tinggi.  Pada  penelitian  ini,  optimasi diartikan pemaksimalan nilai :
1) Efisiensi (η) berhubungan dengan  pemakaian  bahan  bakar. Semakin  besar  nilainya  maka pemakaian  bahan  bakar  lebih sedikit  dan  efisien,  sehingga lebih menguntungkan,
2) Kerja  netto  ( W net )  berhubungan dengan  ukuran  turbin, jika nilainya lebih besar maka dimensi turbin lebih kecil
3) Work  ratio berhubungan  dengan stabilan  operasi.  Jika  penurunan efisiensi  dan  beban  kecil  maka stabil. Jika mengalami penurunan  yang  tidak  terlalu jauh/penurunannya terlalu
drastis maka stabil.
Sehingga  dengan  hasil  optimasi tersebut  dapat  didesain  turbin  uap  yang optimal dan menguntungkan.

## B. Pembangkit Listrik Biomassa
Proses  kerja  PLTB  (Pembangkit  Listrik Tenaga Biomassa )  terdapat  dua  macam yaitu:  proses  pembakaran  dan  proses teknologi fermentasi metana.
e-ISSN: 2549  - 2837
1) Proses pembakaran Pembangkit  listrik  tenaga  biomassa dengan proses pembakaran menggunakan proses konversi Thermal  saat  pengolahan  sampah menjadi energi. Proses kerja tersebut dilaksanakan dalam beberapa tahap yaitu: a) Pemilahan  dan  Penyimpanan Sampah Limbah sampah kota dikumpulkan  pada  suatu  tempat yang dinamakan Tempat Pengolahan Akhir (TPA). Pemilahan sampah sesuai dengan  kriteria  yang  dibutuhkan PLTB.  Sampah  yang  sudah dipilah tersebut
disimpan didalam  tempat  penampungan yang  menggunakan  teknologi RDF  ( Refused  Derived  Fuel ). Teknologi RDF digunakan untuk  memadatkan sampah atau imbah  kota,  sehingga  nilai  kalor yang dihasilkan tinggi. Penyimpanan  dilakukan  selama 5  hari,  hingga  kadar  air  45  %. Lalu dilanjutkan dengan pembakaran. b) Pembakaran Sampah a) Tungku  PLTB  pada  awal pengoperasiannya akan digunakan bahan bakar minyak.
b) Ketika temperatur mencapai
850 o C  –  900 o C,  sampah dimasukkan kedalam tungku pembakaran ( insenerator ) yang berjalan 7800 jam.
c) Pemanasan Boiler Panas yang digunakan sebagai pemanas boiler berasal dari pembakaran sampah.  Proses  pemanasan pada boiler tersebut, mengubah  air  yang  ada  pada boiler berubah menjadi uap.
d) Penggerakan Turbin dan Generator Serta Hasil. Uap didistribusikan menuju
turbin  hingga  turbin  berputar.
Turbin  yang  berputar  tersebut telah dihubungkan dengan generator.  Maka  ketika  turbin berputar  generator  juga  akan berputar.  Putaran  dari  Generator tersebut,  mengahasilkan  listrik yang akan didistribusikan.

## C. Turbin Uap Pembangkit Listrik
Turbin  adalah  sebuah  alat  yang  berputar dan  merubah  energi  dari  aliran  fluida. Turbin  sederhana  memiliki  satu  bagian yang  bergerak,  “ assembly  rotor-blade “. Fluida  yang  dialirkan  menuju  turbin mengakibatkan  sudu-sudu  turbin  berputar, sehingga menghasilkan energi untuk menggerakkan rotor.
D. Analisa thermodinamika pada
sistem Turbin Uap [5]
Siklus  turbin  uap  adalah  siklus  Rankine  , yang terdiri dari 2 jenis siklus yaitu:
1) Siklus  terbuka,  dimana    sisa  uap dari  turbin  langsung  dipakai  untuk keperluan proses.
2) Siklus  tertutup,  dimana  uap  bekas dari tubin dapat digunakan kembali dengan cara mendinginkannya dengan  menggundakan  kondensor, kemudian akan dihasilkan titik-titik air  yang  dialirkan  menuju  kolam penampungan  untuk  dipompakan menuju boiler kembali.
Sumber: Cengel, Yunus A., Boles, Michael A (2007)
Gambar  1. Diagram  Temperatur (T)  - Enthalpy (s)  siklus Rankine sederhana
Terdapat beberapa proses pada
Siklus Rankine sederhana, yaitu: 1–2  :  Proses  pemompaan  isentropic pada pompa 2  –  3  :  Proses  pemanasan  pada tekanan konstan dalam ketel uap 3–4  :  Proses  ekspansi  isentropik didalam turbin 4–1  : Proses pengeluaran kalor pada tekanan konstan

## E. Meningkatkan efisiensi Thermal
Secara  ideal  efisiensi  termal dari siklus rankine berkisar di angka 37%. Beberapa cara untuk meningkatkan efisiensi termal siklus renkine,  yaitu  dengan  memodifikasi siklusnya. 1) Preheater atau Regenerative
Pada Siklus Renkine Salah satu cara untuk meningkatkan efisiensi siklus renkine adalah dengan menggunakan preheater atau pemanasan  awal  dari  fluida  kerja sebelum  masuk  kedalam  boiler. Cara ini disebut dengan Regenerative Renkine Cycle. Sumber  panas  yang  digunakan
untuk  preheater  dari  uap  yang diambil  dari  turbin  uap  pada  stage tertentu  ( Extraction  Steam ).  Steam bekas  ini  dialirkan  melalui  pipa menuju heat exchanger dan
bertemu  dengan  air  kondensat  atau
feed  water. Air  kondensat  yang keluar dari kondensator, dipompakan  dengan  menggunakan pompa  extraksi  kondensat  menuju heat exchanger. [5] Ada  dua  cara  untuk  proses perpindahan  panas  yang  terjadi, juga heat  exchanger yang  biasa digunakan.  Yang  pertama  adalah tipe Open Feed Water Heater, sifat untuk tipe ini terbuka dan perpindahan panasnya secara konveksi. extraction steam akan bercampur  langsung  dengan  fluida kerja  disebuah  wadah  tertentu. Kelemahan  sistem  ini,  tidak  dapat digunakan apabila antara extraction steam dengan  fluida  kerja  terdapat perbedaan  tekanan  teralu  besar, tetapi  memiliki  kelebihan  dalam sisi  ekonomis  dan  perpindahan panas yang maksimal, karena kedua media tersebut langsung bertemu.
Sumber: Fajar.A.F&Bachtiar.A (2014) Gambar 2. Siklus Rankine dengan Regenerative Open Feed Water Heater
Referensi  [5]  menunjukkan  bahwa Kadar uap dalam campuran ini disebut faktor  kebasahan  (X)  dapat  dihitung dengan mengunakan rumus:
Keterangan : X   : faktor kebasahan (%) uap h g(t) :  entalphi  uap  pada  temperatur fluida tertentu (Kj/kg) h f : entalpi cair (Kj/kg)
h fg : entalpi perubahan dari cair ke gas (Kj/kg) s g(t) :  entropi  uap  pada  temperatur fluida tertentu (Kj/kg.K) s f : entropi cair entropi cair Kj/kg.K) s fg :  entropi  perubahan  dari  cair  ke gas (kJ/kg.K)
Beberapa proses yang terjadi pada alat, adalah:
Kerja pompa :
ν adalah volume spesifik yang besarnya:
Kalor masuk ke boiler :
Kerja yang dihasilkan turbin uap :
Kalor yang dibuang oleh kondensor : Efisiensi  thermal  siklus  Rankine  ideal sederhana dapat dihitung :
Dimana : Untuk menghitung kinerja siklus Rankine, diperlukan tabel sifat-sifat air dan uap
2. METODE PENELITIAN
Adapun langkah-langkah yang harus dilakukan  selama  melakukan  penelitian ilmiah ini adalah sebagai berikut:
1. Menentukan tekanan masuk, temperatur  masuk,  tekanan  keluar turbin  uap  20  MW  dan  tekanan kondensor
2. Menentukan jenis turbin uap impuls atau reaksi, dengan melakukan  perbandingan  grafik tekanan  uap  dan  kecepatan  uap antara turbin impuls dan reaksi 3. Menentukan siklus yang digunakan dengan melakukan perhitungan dan membandingkan nilai :
a) Efisiensi (η) berhubungan dengan pemakaian bahan bakar,  jika  lebih  besar  nilainya maka  pemakaian  bahan  bakar lebih sedikit dan efisien, sehingga lebih menguntungkan
b) Kerja netto ( W net ) berhubungan dengan  ukuran  turbin,  jika nilainya lebih besar maka lebih kecil. c) Work ratio berhubungan dengan  stabilan  operasi.  Jika penurunan  efisiensi  dan  beban kecil maka stabil. Jika mengalami  penurunan  yang tidak terlalu jauh/ penurunannya  terlalu  drastis maka stabil.
Pada  turbin  uap  siklus rankine sederhana,  regeneratif  (1 feedwater heater ,  2 feedwater  heater dan  3 feedwater heater )
4. Membuat grafik perbandingan
turbin uap siklus rankine sederhana dan regeneratif
5. Merumuskan  hasil  penelitian  dan pembahasan

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Perbandingan  efisiensi, W net dan work  ratio antara  turbin  dengan siklus  rankine  sederhan  dengan siklus regeneratif
Dalam    perencanaan    sebuah    turbin uap  telah    diketahui  parameter- parameter    uap    sebagai    fluida kerjanya    dan    parameter-parameter lain yang dibutuhkan antara lain:
a) Tekanan  uap  masuk  turbin  (Pot)
: 100 bar
b) Temperatur uap masuk turbin (Tot)
: 500 °C
c) Tekanan  uap  keluar  turbin  (PIt) : 10 bar
d) Tekanan Kondensor
: 0,08 bar
3 2 h h WT  
in P T in net th Q W W Q W     P T net W W W  
Ef is ie n si (η) 1) Perhitungan siklus rankine sederhana
Sumber: Cengel, Yunus A., Boles, Michael A (2007)
Gambar 3. Siklus Rankine Sederhana
Dari hasil perhitungan didapatkan : W net = 1163.56 kJ/kg
η th = 37.62%
2) Perhitungan  siklus regeneratif dengan 1 feed water
Sumber: Wakil, E.M.M (1992) Gambar 4. Sistem Turbin Regenerstif dengan  1Feed  water heater
Dari hasil perhitungan didapatkan: W net = 1590.346 kJ/kg η th = 39%
3) Perhitungan  siklus regeneratif
dengan 2 feed water
Sumber: Wakil, E.M.M (1992)
Gambar 5. Sistem Turbin Regeneratif dengan  2  Feed  water
heater
Dari hasil perhitungan didapatkan:
W net =  1676.509 kJ/kg η th = 47%
4) Perhitungan  siklus regeneratif
dengan 3 feed water Sumber: Wakil, E.M.M (1992) Gambar 6. Sistem Turbin
Regeneratif dengan  3  Feed  water heater
Dari hasil perhitungan didapatkan:
W net = 1173.33 kJ/kg η th = 50% Sehingga kurva yang dihasilkan 37% 39% 47% 50% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% STD 1 2 3 Efisiensi (η)
Gambar 7. Grafik perbedaan efisiensi pada siklus rankine
sederhana dengan regeneneratif Berdasarkan grafik diatas terlihat peningkatan  efisiensi  dari  siklus  rankine sederhana  yang  hanya  37%  dengan menggunakan  siklus  regeneratif    naik menjadi  50%    sehingga  dengan  sistem regeneratif sangat menguntungkan.
Jumlah Feedwater Heater
Gambar  8 Grafik  perbedaan Kerja  netto pada  siklus rankine sederhana  dengan regeneneratif
Pada  gambar  8  menunjukkan  bahwa  kerja netto pada  siklus regeneratif dengan  3 f eedwater lebih  tinggi  daripada  siklus rankine sederhana sehingga dimensi turbin siklus regeneratif dengan 3 feedwater lebih kecil daripada siklus rankine sederhana
Perbandingan  turbin  Impuls  dengan Reaksi

## i. Turbin Impuls
Sumber: Wakil, E.M.M (1990) Gambar 9 . Grafik tekanan dan
kecepatan uap turbin Impulse
Prinsip  kerja  turbin  impuls  yaitu proses  ekspansi  lengkap  uapnya hanya  terjadi  pada  sudu  tetap  saja, dan energi kecepatan diubah menjadi  kerja  mekanis  pada  sudu- sudu turbin.
ii. Turbin Reaksi
Sumber: Wakil, E.M.M (1990) Gambar  10 .  Grafik  tekanan  dan kecepatan uap turbin Reaksi
Berdasarkan  perbandingan  kedua  jenis turbin  diatas  maka  untuk  mendapatkan design turbin uap yang ekonomis dipilihlah turbin uap jenis Impuls dengan 1 shaft

## 4. SIMPULAN Simpulan
Berdasar  hasil  perhitungan  dan  analisa, maka dapat diambil  simpulan: 1. Turbin  uap  yang  digunakan  untuk pembangkit listrik tenaga biomassa  adalah  turbin  Impuls dengan  1 shaft karena  sudu  gerak dan  sudu  tetap  pada  turbin  jenis ini  memiliki  fungsi  yang  berbeda, yaitu  sudu  tetap  hanya  berfungsi sebagai pengarah tekanan uap saja dan sudu gerak mengubah menjadi energi  mekanis,  sehingga gaya  aksial  yang  dihasilkan  lebih rendah  jika  dibandingkan  dengan turbin  reaksi  yang  mana  sudu tetap  dan  geraknya  berfungsi sebagai  nosel  sehingga  gaya aksial yang dihasilkan lebih besar.
2. Berdasarkan  Perhitungan  dapat disimpul  bahwa  turbin  uap  yang optimal  untuk  pembangkit  listrik
tenaga  biomassa  20  MW  dengan siklus  yang  digunakan  adalah
siklus regeneratif dengan 3 Feedwater Heater didapatkan W net = 1173.33 kJ/kg, η th = 50%

## Saran
Dalam  menentukan  jenis  turbin  uap  dan siklus  yang  digunakan  untuk  turbin  uap yang  optimal  harus  diperhatikan  efisiensi yang  tertinggi,  harus  diperhatikan  juga faktor  ekonomi  sehingga  biaya  yang diperlukan untuk pembangunan
pembangkit  listrik  tersebut  tidak  terlalu besar sehingga dapat direalisasikan

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  Wakil, E.M.M. Instalasi Pembangkit Daya . Jakarta : Erlangga. 1992
[2]  General Electric. Steam Turbines for industrial applications . Atlanta :
General Electric. 2013
[3]  Fajar.A.F&Bachtiar.A.Pengaruh
Feedwater  Heater  Terhadap  Efisiensi Sistem  Pembangkit  410  MW  dengan Pemodelan Gate  Cycle , paper  and
Presentations of Mechanical Engineering  RSM  621.402  5  Faj  p, 2014 [4]  Cengel, Yunus A., Boles, Michael A., Thermodynamics an Engineering
Approach in SI Units, 6th Edition,
McGraw-Hill, inc United States of America. 2007. [5]  Shlyakin, P. Turbin Uap Teori dan
Perancangan . Jakarta : Erlangga. 1990