Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA

## MODEL PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA PANAS BUMI SISTEM HYBRID FLASH-BINARY DENGAN MEMANFAATKAN PANAS TERBUANG DARI BRINE HASIL FLASHING
Muhamad Ridwan Hamdani a) , Cukup Mulyana b) , Renie Adinda Pitalokha c) , Fajar Muhammad d)
Prodi Fisika FMIPA Universitas Padjadjaran, Jl. Raya Bandung-Sumedang Km. 21, Jatinangor 45363
Email: a)hamdanimuhamad12@gmail.com, b)c.mulyana55@yahoo.com, c)renie.adinda@gmail.com, d)fajaarmuhammad@yahoo.com

## Abstrak
Potensi  panas  bumi  di  Indonesia  sangat  melimpah,  yaitu  terdapat  256  prospek  dengan  potensi  sekitar 28.617  MW.  Sumber  panas  bumi  di  Indonesia  merupakan  sumber  dengan  sistem hydrothermal yang didominasi oleh jenis dominasi air, dengan karakteristik sekitar 20% uap dan 80% air. Jenis pembangkit di  Indonesia  yang  digunakan  untuk  memanfaatkan  sumber  dominasi  air  ini  adalah  sistem single-flash . Brine hasil flashing dari  sistem  ini  masih  memiliki  temperatur  yang  tinggi  sehingga  masih  bisa digunakan  sebagai  sumber  energi  baru,  yaitu  dengan  di flash ulang  maupun  digunakan  sebagai  sumber pemanas  pada  sistem binary  cycle .  Oleh  karena  itu,  dibuatlah  model  pembangkit  listrik  tenaga  panas bumi sistem hybrid flash-binary untuk memanfaatkan brine hasil flashing sehingga diperoleh daya yang lebih  besar.  Pada  penelitian  ini  digunakan  software  HYSYS  7.0  dalam  pembuatan  modelnya  dan dibuktikan  dengan  perhitungan  termodinamik  pada  setiap  bagiannya.    Pada  penelitian  ini  telah  dibuat model  pembangkit  listrik  tenaga  panas  bumi  yang  menghasilkan  total  daya  279,178  MW  dan penambahan daya 32,91% tanpa harus membuat sumur produksi baru.
Kata-kata kunci: flashing, binary cycle, HYSYS 7.0, hybrid flash-binary

## Abstract
Indonesia has a great number of geothermal sources, there are 256 prospects with 28,617MW potential power. The sources is dominated by hydrothermal system that usually has 20% vapor and 80% liquid. The  power  plant  that  appropriate  to  used  is  single-flash  system.  In  this  system,  the  brine  which  has  a great  number  of  enthalpy  is  reinjected  to  reservoir.  This  research  was  performed  to  design  the  hybrid flash-binary system power plant model by utilizing the wasted brine to gain the greater power.  HYSYS 7.0  was  used  to  made  the  model  and  based  on  the  fundamental  thermodynamic  principles  energy  and mass  conservation  calculation  in  every  single  part  of  the  plant.  The  hybrid  flash-binary  system  model was made and resulted additional power 32.91% with 279.178MW total power without drilling the new production well.
Keywords: flashing, binary cycle, hybrid flash-binary, HYSYS 7.0

## 1. PENDAHULUAN
Potensi  panas  bumi  di  Indonesia  sangat  melimpah,  yaitu  terdapat  256  prospek  dengan  potensi daya  sekitar  28.617MW.  Sistem  panas  bumi  di  Indonesia  pada  umumnya  merupakan  sistem hydrothermal bertemperatur  tinggi,  >255 ℃ ,  dan  hanya  beberapa  diantaranya  yang  bertemperatur sedang, 150 ℃ -225 ℃ [1]. Karakteristik tersebut sangat berpotensi untuk dimanfaatkan menjadi energi
DOI: doi.org/10.21009/SPEKTRA.012.03
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
listrik.  Sistem hydrothermal yang  ada  di  Indonesia  didominasi  oleh  jenis  dominasi  air,  dengan karakteristik  fluida  panas  bumi  sekitar  20%  uap  dan  80%  air.  Jenis  pembangkit  listrik  yang  cocok digunakan  untuk  memanfaatkan  potensi  energi  ini  adalah  pembangkit  listrik  tenaga  panas  bumi sistem flashing ( single-flash ataupun multi- flash ).
Pembangkit listrik tenaga panas bumi di Indonesia yang digunakan unutk memanfaatkan sumber hydrothermal dominasi air adalah sistem single-flash . Pada sistem ini, fluida berfase cair ( brine ) hasil flashing langsung  diinjeksikan  kembali  ke  perut  bumi  ( reservoir ). Brine tersebut  masih  memiliki temperatur dan tekanan yang cukup tinggi untuk membangkitkan energi listrik. Untuk memanfaatkan potensi energi tersebut dapat digunakan jenis pembangkit listrik sistem multi- flash , binary cycle , atau dengan menggabungkan kedua sistem tersebut ( hybrid flash-binary ).
Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  membuat  model  pembangkit  listrik  tenaga  panas  bumi  sistem hybrid flash-binary dengan  memanfaatkan  panas  terbuang  dari brine hasil flashing agar  dapat diperoleh daya yang lebih besar tanpa harus membuat sumur produksi yang baru. Model pembangkit listrik  sistem  ini  dibuat  menggunakan  software  HYSYS  7.0  dan  dilakukan  perhitungan termodinamika pada setiap bagian pembangkitnya.

## A. Pembangkit Listrik Sistem Single-flash
Gambar  1.  menunjukkan  diagram  alir  dan  diagram  Temperatur-entropi(T-s)  dari  pembangkit listrik sistem single-flash . Fluida panas bumi pada titik 1 berasal dari reservoir , memiliki tekanan dan temperatur tinggi, dialirkan menuju titik 2 melewati sumur produksi dan mengalami proses flashing yang  menyebabkan  sebagian  fluida  panas  bumi  tersebut  berubah  fase  menjadi  fase  uap.  Separator digunakan  untuk  memisahkan  fase  uap  dan  fase  cair  dari  fluida  tersebut.  Fluida  cair  ( brine )  hasil flashing akan  mengalir  melalui  titik  3,  sedangkan  fluida  uap  ( steam )  akan  dialirkan  melalui  titik  5 menuju  turbin  untuk  memutar  turbin  yang  kemudian  menghasilkan  daya  listrik. Steam yang  keluar dari  turbin  (titik  6)  mengalami  penurunan  tekanan  dan  dialirkan  menuju  kondenser  untuk dikondensasi menjadi fase cair (titik 7). Brine dari titik 7 dan titik 3 diinjeksikan kembali ke sumur injeksi menggunakan pompa injeksi.
Gambar 1. Diagram alir (atas) dan diagram T-s (bawah) pembangkit listrik tenaga panas bumi sistem single-flash[2].
B. Pembangkit Listrik Sistem Double-Flash
Pembangkit jenis double-flash merupakan pengembangan atau modifikasi dari sistem single-flash untuk sumber panas bumi dominasi air. Brine hasil flashing pada sistem single-flash (titik 3), yang biasanya diinjeksikan kembali menuju sumur injeksi, di flash ulang menggunakan throttle valve untuk mendapatkan uap lebih banyak (titik 8) dan dialirkan menuju turbin untuk dapat menghasilkan daya listrik  yang  lebih  besar.  Gambar  2.  menunjukkan  diagram  T-s  dan  diagram  alir  pembangkit  listrik sistem double-flash .
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
Gambar 2. Diagram alir (atas) dan diagram T-s (bawah) pembangkit listrik tenaga panas bumi sistem double-flash[2].
Separator  yang  digunakan  setelah  proses flashing kedua  merupakan low  pressure  separator karena  tekanan  hasil flashing tersebut  jauh  lebih  kecil  dibandingkan flashing pertama. Brine hasil kondensasi  (titik  7)  dan  yang  keluar  dari  separator  kedua  (titik  10)  dialirkan  menuju  sumur  injeksi menggunakan pompa injeksi .
Selama proses flashing kedua, enthalpy fluida sebelum dan setelahnya tetap konstan[3]
8 3 h h  (1)
dengan h 3 adalah enthalpy fluida di titik 3 (sebelum flashing ) dan h 8 adalah enthalpy fluida di titik 8 (setelah flashing ). Kualitas uap yang dihasilkan dari proses flashing kedua dapat diketahui dengan menggunakan persamaan (2)
10 9 10 8 h h h h x   
(2)
dengan x adalah kualitas uap hasil flashing , h 9 dan h 10 adalah enthalpy fluida di titik 9 dan di titik 10.
C. Pembangkit Listrik Sistem Binary-Cycle
Konsep dasar pembangkit listrik sistem binary cycle , dikenal dengan siklus rankin organik (SRO), merupakan  modifikasi  dari  siklus  rankin  dimana  fluida  kerjanya  menggunakan  fluida  organik  yang memiliki temperatur didih dan tekanan uap yang lebih tinggi dibandingkan air[4]. Binary cycle pada panas bumi terdiri atas dua siklus, yaitu siklus primer yang terdiri dari fluida panas bumi, dan siklus sekunder dimana fluida kerja organik bersirkulasi.
Gambar 3. Diagram alir (atas) dan diagram T-s (bawah) pembangkit listrik tenaga panas bumi sistem binar cycle menggunakan recuperator[2].
Pengembangan dari jenis binary cycle adalah dengan menggunakan recuperator yang merupakan tipe lain dari heat exchanger . Fungsi dari alat ini adalah untuk meningkatkan temperatur fluida kerja
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
ketika  akan  memasuki vaporizer .  Selain  itu, brine yang  keluar  dari vaporizer akan  memiliki temperatur yang lebih tinggi dibandingkan tanpa adanya recuperator [5].
Gambar 3. menunjukkan diagram alir dan diagram T-s dari pembangkit listrik sistem binary cycle menggunakan recuperator . Brine dari sumur produksi (s1) dialirkan menuju vaporizer dan digunakan sebagai pemanas untuk menguapkan fluida kerja organik dan keluar menuju sumur injeksi (s2). Pada saat yang bersamaan, fluida kerja organik (titik 2) memasuki vaporizer dan fasenya berubah akibat terjadinya  pertukaran  panas  antara  fluida  kerja  dan brine .  Proses  pertukaran  panas  tersebut  dapat ditinjau secara termodinamik menggunakan persamaan (3)
) ( ) ( 2 3 2 1 h h m h h m wf s s b     
(3)
dengan b m  merupakan laju alir massa dari brine , h s1 dan h s2 adalah enthalpy brine yang masuk dan keluar vaporizer , wf m  adalah laju alir massa fluida kerja, h 3 dan h 2 adalah enthalpy fluida kerja yang masuk dan keluar vaporizer .
Fluida kerja organik yang berfase uap (titik 3) dialirkan melalui turbin sehingga dihasilkan daya turbin. Besarnya daya yang dihasilkan dapat diketahui dengan persamaan (4)
) ( 4 3 h h m W wf t     (4)
dengan t W  adalah daya turbin persatuan massa fluida yang mengalir melalui turbin, dan h 4 adalah enthalpy fluida kerja yang keluar dari turbin.
Fluida  kerja  yang  keluar  dari  turbin  mengalami  penurunan  tekanan  namun  masih  memiliki temperatur  yang  cukup  tinggi  dan  dialirkan  ke recuperator yang  kemudian  dikondensasi  di kondenser  sehingga  berubah  fase  menjadi  fluida  cair.  Proses  perubahan  fase  yang  terjadi  di kondenser dapat dihitung dengan persamaan (5)
) ( ) ( 6 5 1 2 h h m h h m wf c c cw      (5)
dengan cw m  adalah  laju  alir  massa  air  pendingin, h c2 dan h c1 merupakan enthalpy air  pendingin yang  keluar  dan  masuk  kondenser, h 5 dan h 6 adalah enthalpy fluida  kerja  organik  yang  masuk  dan keluar kondenser. Selanjutnya fluida kerja cair dialirkan menggunakan binary pump (titik 1) menuju recuperator . Fluida pada bagian ini akan bertukar panas dengan bagian fluida yang keluar dari turbin. Pada  titik  2  fluida  kerja  telah  mengalami  peningkatan  temperatur  dan  tekanan  yang  selanjutnya dialirkan  menuju vaporizer untuk  diuapkan  kembali.  Proses  pertukaran  panas  yang  terjadi  di recuperator dapat ditinjau menggunakan persamaan (6)
1 2 5 4 T T T
T   
(6)
sedangkan  efisiensi  dari recuperator dapat  dihitung  menggunakan  nilai  dari  faktor  efektivitas r  [6],
1 4 1 2 T T T T r     (7)
dengan T 4 adalah temperatur fluida kerja yang keluar dari turbin, T 5 adalah temperatur fluida kerja yang memasuki kondenser, T 2 adalah temperatur fluida kerja yang menuju vaporizer , dan T 1 adalah temperatur fluida kerja yang terkompresi dari pompa.
Jenis  fluida  organik  yang  biasa  digunakan  adalah  isopentane  (C 5 H 12 )  yang  memiliki  nilai  T c sebesar 193,9 ⁰ C, P c sebesar 3,24 MPa, titik didih sebesar 27,7 ⁰ C dan P s sebesar 0,07376 MPa[7].

## 2. METODE PENELITIAN
Metode yang digunakan dalam melakukan penelitian ini adalah studi awal yang terdiri dari studi literatur  dan  studi  lapangan.  Studi  literatur  yang  dilakukan  adalah  kajian  mengenai  karakteristik fluida  panas  bumi,  prinsip  kerja  dari  sistem  pembangkit  listrik  tenaga  panas  bumi  berdominasi  air seperti single-flash ,  multi- flash ,  dan binary  cycle .  Selain  itu  dikaji  pula  model  pembangkit  listrik tenaga  panas  bumi  terintegrasi  yang  merupakan  gabungan  dari  sistem flashing dan binary  cycle . Setelah  melakukan  studi  literatur,  dilakukan  studi  lapangan  untuk  memperoleh  informasi  mengenai keadaan  riil  dari  pembangkit  listrik  tenaga  panas  bumi  berdominasi  air  yang  telah  beroperasi  di
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
Indonesia. Dari hasil studi lapangan diperoleh data temperatur, tekanan, dan mass flow fluida panas bumi yang digunakan untuk mengoperasikan pembangkit tersebut.
Selanjutnya  dilakukan  perancangan  model  pembangkit  listrik  sistem hybrid flash-binary menggunakan software HYSYS 7.0 dengan memasukkan data input pada Tabel 1.
Tabel 1 . Karakteristik Fluida Panas Bumi Dominasi Air.
Cluster T ( o C) P (bar) m  (ton/jam) X 1 180 10 2300 0.2 2 180 10 2300 0.2 3 180 10 2300 0.2
Setelah  itu  dilakukan  pengoptimalan  parameter  dari  model  pembangkit  yang  telah  dibuat  agar diperoleh  daya  dan  efisiensi  yang  lebih  optimal  dan  dibuatlah  diagram  T-s  dengan  memasukkan parameter dari setiap bagian pembangkit tersebut.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Model  pembangkit  listrik  tenaga  panas  bumi  yang  dibuat  merupakan  pengembangan  dari  model pembangkit sistem single-flash dengan cara memanfaatkan brine hasil flashing agar dapat diperoleh daya  yang  lebih  besar  tanpa  harus  membuat  sumur  produksi  baru.  Model  yang  telah  dibuat merupakan  campuran  ( hybrid )  antara  pembangkit  sistem flashing dengan  sistem binary  cycle , sehingga  disebut  sebagai  pembangkit  listrik  sistem hybrid  flash-binary seperti  ditunjukkan  pada Gambar 7. Terdapat total 8 unit pembangkit yang terdiri dari tiga unit single-flash identik (unit 1, 2, dan 3), satu unit double-flash (unit 4), satu unit triple-flash (unit 5), dan tiga unit binary cycle identik yang dilengkapi dengan recuperator (unit 6, 7, dan 8).
Pada model ini digunakan tiga buah cluster sumur yang  memproduksi fluida panas bumi dengan karakteristik  seperti  ditunjukkan  pada  Tabel  1.  Masing-masing  cluster  digunakan  untuk membangkitkan satu unit single-flash identik (unit 1, 2, dan 3). Gambar 4. menunjukkan diagram alir pembangkit unit 1. Fluida dengan fase uap (titik 2) dialirkan menuju turbin sehingga dihasilkan daya sebesar  69,97MW  yang  kemudian  dikondensasi  di  kondenser  dan  diinjeksikan  kembali  ke  sumur injeksi (titik 15-1).
Karakteristik fluida di setiap titik aliran ditunjukkan pada Tabel 2. Oleh karena unit 2 dan unit 3 identik dengan unit 1 maka daya dan karakteristik fluidanya pun identik.
Gambar 4. Diagram alir pembangkit single-flash unit 1.
Pada  model  ini,  diasumsikan  efisiensi  isentropik  turbin  adalah  75%  untuk  semua  turbin  yang digunakan di setiap unit.
Tabel 2 . Karakteristik fluida di setiap aliran unit 1. Posisi T ( o C) P (bar) m  (ton/jam) X Sumur  1, 2, dan 3 266 50 2300 0 1 180 10 2300 0.2 2 180 10 460 1 3 180 10 1840 0 4 41,73 0,8 460 0,87 15-1 36 0,8 460 0
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
Air pendingin1 masuk 25 4 45510 0 Air pendingin1 keluar 30 4 45510 0
Brine hasil flashing pertama  (titik  3)  dimanfaatkan  kembali  dengan  cara  di flash ulang menggunakan throttle  valve  1 sehingga  diperoleh  fase  uap  sebanyak  3,39%  (titik  5).  Proses  ini merupakan proes flashing kedua. Brine hasil flashing kedua ini (titik 7) di flash ulang menggunakan throttle valve 4 sehingga diperoleh fase uap sebesar 4,58% (titik 10).
Gambar 5. Proses flashing kedua dan ketiga (brine berasal dari unit 1).
Diagram  alir  proses  flashing kedua  dan  ketiga  ditunjukkan  oleh  Gambar  5.  Fase  uap  dari  hasil flashing kedua  (titik  6)  digunakan  untuk  memutarkan  turbin  di  unit  4,  dan  fase  uap  hasil flashing ketiga (titik 11) digunakan untuk memutarkan turbin di unit 5.
Gambar 6. Diagram alir pembangkit double-flash unit 4.
Gambar  6.  menunjukkan  diagram  alir  pembangkit doubel-flash unit  4.  Fase  uap  hasil flashing kedua (titik 6 dari unit 1, titik 6’ dari unit 2, dan titik 6’’ dari unit 3) digabungkan dan digunakan untuk memutarkan turbin di unit 4. Daya yang dihasilkan adalah 26,26MW.
Gambar 7. Diagram alir pembangkit triple-flash unit 5.
Fase uap hasil flashing ketiga (titik 11 dari unit 1, titik 11’ dari unit 2, dan titik 11’’ dari unit 3) digabungkan  dan  digunakan  untuk  memutarkan  turbin  di  unit  5.  Daya  yang  dihasilkan  adalah 29,88MW. Diagram alir pembangkit unit 5 ditunjukkan oleh Gambar 7.
Brine hasil flashing ketiga  (titik  12)  masih  bisa  dimanfaatkan  sebagai  sumber  panas  pada pembangkit  sistem binary  cycle unit  6.  Pada  sistem  ini  digunakan  isopentane  sebagai  fluida  kerja oganik.  Hasil  pengujian  menggunakan  software  HYSYS  7.0  menunjukkan  bahwa  isopentane merupakan  fluida  kerja  organik  yang  paling  optimal  dibandingkan  dengan  fluida  kerja  organik lainnya  (n-pentane,  n-butane,  i-butane,  R-134).  Daya  yang  dihasilkan  oleh  pembangkit  ini  adalah 4,593MW.
Oleh karena fluida hasil flashing ketiga dari unit 2 (titik 12’) dan unit 3 (titik 12’’) identik maka pembangkit binary cycle unit 7 dan unit 8 menghasilkan daya yang sama dengan unit 6. Diagram alir
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
pembangkit  ini  ditunjukkan  oleh  Gambar  8.  Karakteristik  fluida  di  setiap  titik  unit  pembangkit ditunjukkan oleh Tabel 3.
Daya  total  yang  dihasilkan  oleh  model  pembangkit  listrik  sistem hybrid  flash-binary adalah 279,178MW. Bila dibandingkan dengan daya awalnya (unit 1, 2, dan 3 dengan daya masing-masing 69,97MW), penambahan daya yang dihasilkan adalah sebesar 32,91%.
Gambar 8. Diagram alir pembangkit unit 6 yaitu unit binary cycle yang dilengkapi dengan recuperator.
Tabel 3 . Karakteristik aliran fluida di setiap titik. (Unit 4 s.d. Unit 8).

## 4. KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  penelitian  telah  diperoleh  model  pembangkit  listrik  tenaga  panas  bumi  sistem hybrid flash-binary yang menghasilkan daya total 279,178MW dan penambahan daya 32,91% tanpa harus membuat sumur produksi baru.
Posisi T ( o C) P (bar) m  (ton/h) X 5 165 7 1840 0.034 6, 6’, 6’’ 165 7 62,29 1 7 165 7 1778 0 8 165 7 186,9 1 9 41,73 0,8 186,9 0,87 10 143,5 4 1778 0,04 11, 11’, 11’’  143,5 4 81,42 1 13 143,5 4 244,3 1 14 41,73 0,8 244,3 0,89 12 143,5 4 1696 0 15 130 4 1696 0 16 125 4 1696 0 a 125,6 12 327,7 1 b 86,37 2 327,7 1 c 53,35 2 327,7 1 d 27,46 1 327,7 0 e 28,16 12 327,7 0 f 55,15 12 327,7 0 g 100 12 327,7 0 cw in 25 4 14570 0 cw out 27 4 14570 0
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
Gambar 9. Diagram alir pembangkit listrik tenaga panas bumi sistem hybrid flash -binary.
Gambar 10. Diagram T-s pembangkit listrik tenaga panas bumi sistem hybrid flash -binary.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Ucapan  terima  kasih  kami  sampaikan  kepada  Prodi  Fisika  Universitas  Padjadjaran  yang  telah memfasilitasi kami dalam melakukan penelitian ini.

## DAFTAR ACUAN
[1] Saptadji, Nenny, Energi panas bumi (geothermal energy), Bandung. 2009
[2] P. Valdimarsson, Geothermal power plant cycles and main components, UNU-GTP,
Icelands (2011), p. 2-6
[3] Dipippo  Ronald, Geothermal  Power  Plants.  Principles,  Applications,  Case  Studies and Enviromental Impact. 2 nd ed. Massachusetts (2007), p.118
[4] A.  F.  M.  Parada,  Geothermal  binar  cycle  power  plant  principles,  operation,  and maintenance,UNU-GTPReports Number 20 (2013), p. 446-447.
[5] C.  Mulyana,  A.  H.  Saad,  M.  R.  Hamdani,  F.  Muhammad,The  development  of integrated  plant  model  by  utilizing  wasted  heat  in  water-dominated  geothermal  source,  5 th ITB International Geothermal Workshop, Bandung (2016).
[6] O.  O.  Omatete,  P.  J.  Maziasz,  B.  A.  Pint,  and  D.  P.  Stinton,  Assessment  of recuperator materials for microturbines, Oak Ridge National Laboatory (2000), p. 6.
[7] Dipippo  Ronald, Geothermal  Power  Plants.  Principles,  Applications,  Case  Studies and Enviromental Impact. 2 nd ed. Massachusetts (2007), p.165