Pembangkit listrik tenaga panas bumi

Sejarah dan pengembangan

Pada abad ke-20, permintaan akan listrik membuat tenaga panas bumi dipertimbangkan sebagai sumber penghasil listrik. Pangeran Piero Ginori Conti menguji coba pembangkit listrik tenaga panas bumi yang pertama pada tanggal 4 Juli 1904 di Larderello, Italia. Pembangkit tersebut berhasil menyalakan empat buah bola lampu. Kemudian pada tahun 1911 pembangkit listrik tenaga panas bumi komersial pertama dibangun pula di situ. Pembangkit-pembangkit uji coba dibangun di Beppu, Jepang dan di Kalifornia, Amerika Serikat pada tahun 1920, namun hingga tahun 1958 hanya Italia satu-satunya pemilik industri pembangkit listrik tenaga panas bumi.
Pada tahun 1958, Selandia Baru menjadi penghasil listrik tenaga panas bumi terbesar kedua setelah Pembangkit Wairakei dioperasikan. Wairakei merupakan pembangkit pertama yang menggunakan teknologi flash steam.
Pada tahun 1960, Pacific Gas and Electric mulai mengoperasikan pembangkit listrik tenaga panas bumi pertama di Amerika Serikat di The Geysers, Kalifornia. Turbin aslinya bertahan hingga 30 tahun dan menghasilkan daya bersih 11 megawatt.
Pembangkit listrik tenaga panas bumi dengan sistem siklus biner pertama kali diuji coba di Rusia dan kemudian diperkenalkan ke Amerika Serikat pada tahun 1981, akibat krisis energi tahun 1970-an dan perubahan-perubahan penting dalam kebijakan regulasi. Teknologi ini memungkinkan penggunaan sumber panas yang bersuhu lebih rendah dari sebelumnya. Pada tahun 2006, sebuah pembangkit dengan sistem siklus biner di mata air panas Chena, Alaska, Amerika Serikat mulai beroperasi, menghasilkan listrik dari sumber dengan rekor suhu terendah 57 °C.
Pembangkit listrik tenaga panas bumi sampai dengan baru-baru ini hanya dapat dibangun pada sumber panas bumi dengan suhu yang tinggi dan berada dekat dengan permukaan tanah. Pengembangan pembangkit dengan sistem siklus biner dan peningkatan dalam teknologi pengeboran dan penggalian memungkinkan dibuatnya Sistem Panas Bumi yang Ditingkatkan (Enhanced Geothermal Systems) dalam rentang geografis yang lebih besar. Proyek demostrasi sudah beroperasi di Landau-Pfalz, Jerman, and Soultz-sous-Forêts, Prancis, sementara percobaan awal di Basel, Swiss dibatalkan setelah mengakibatkan gempa bumi. Proyek-proyek demonstrasi lainnya sedang dibangun di Australia, Inggris, dan Amerika Serikat.Efisiensi termal pembangkit listrik tenaga panas bumi pada umumnya rendah, berkisar 10-23%, karena fluida panas bumi bersuhu lebih rendah dibandingkan dengan uap dari ketel uap. Berdasarkan hukum termodinamika suhu yang rendah ini membatasi efisiensi mesin kalor dalam memanfaatkan energi saat menghasilkan listrik. Panas sisa menjadi terbuang, kecuali jika dapat dipergunakan langsung secara lokal, misalnya untuk rumah kaca, kilang gergaji, atau sistem pemanasan distrik. Efisiensi sistem tidak memengaruhi biaya operasional sebagaimana pada pembangkit batubara atau pembangkit bahan bakar fosil lainnya, namun tetap berpengaruh terhadap kelangsungan hidup pembangkit. Untuk dapat menghasilkan energi lebih dari yang dipakai oleh pompa pembangkit, dibutuhkan ladang panas bumi bersuhu tinggi dan siklus termodinakmika khusus. Karena pembangkit listrik tenaga panas bumi tidak bergantung pada sumber energi yang berubah-ubah, seperti misalnya tenaga angin atau surya, faktor kapasitasnya (capacity factor) bisa cukup besar, pernah ditunjukkan dapat mencapai hingga 96%. Namun, rata-rata global faktor kapasitas pembangkit listrik tenaga panas bumi adalah 74,5% pada tahun 2008 menurut IPCC.

Sumber daya

Muatan panas bumi adalah sekitar 10³¹ Joule. Panas ini secara alami akan mengalir ke permukaan lewat konduksi dengan laju 44.2 terawatt (TW) dan diisi kembali oleh peluruhan radioaktif dengan laju 30 TW. Laju tenaga ini lebih dari dua kali konsumsi energi manusia saat ini yang berasal dari sumber utama, tapi sebagian besarnya terlalu tersebar (perkiraan rata-rata 0.1 W/m²) untuk dapat dipulihkan. Kerak bumi secara efektif bertindak sebagai selimut isolasi tebal yang harus ditembus dengan saluran fluida (mis. magma, air atau lainnya) untuk melepaskan panas di bawahnya.
Pembangkit listrik tenaga panas bumi membutuhkan sumber panas bersuhu tinggi yang hanya dapat berasal dari jauh di bawah tanah. Panas tersebut harus dibawa ke permukaan lewat sirkulasi fluida, baik melalui saluran magma, mata air panas, sirkulasi hidrotermal, sumur minyak, sumur bor, atau gabungan dari contoh-contoh tersebut. Sirkulasi ini terkadang muncul secara alami pada tempat dimana kerak bumi tipis. Saluran magma membawa panas dekat ke permukaan, dan mata air panas membawanya ke permukaan. Jika tidak tersedia mata air panas maka sumur harus dibor untuk menjadi akuifer air panas. Jika jauh dari batas lempeng tektonik, gradien panas bumi di sebagian besar tempat adalah 25-30 °C per kilometer kedalaman, sehingga membuat sumur menjadi harus beberapa kilometer dalamnya untuk dapat membangkitkan listrik. Jumlah dan mutu sumber daya panas yang dapat dipulihkan meningkat sebanding dengan kedalaman pengeboran dan kedekatan dengan batas lempeng tektonik.
Pada tanah yang panas dan kering, atau dimana tekanan air tidak memadai, fluida dapat disuntikkan untuk merangsang produksi. Pengembang akan menggali dua lubang di calon lokasi, dan memecah batu di antara keduanya dengan bahan peledak atau air bertekanan tinggi. Kemudian memompakan air atau karbon dioksida cair ke salah satu lubang galian, sehingga keluar di lubang galian lainnya dalam bentuk gas. Pendekatan ini disebut hot dry rock geothermal energy di Eropa atau enhanced geothermal systems di Amerika Utara. Pendekatan ini dapat menghasilkan potensi yang jauh lebih besar dibandingkan dengan jika dihubungkan secara konvensional ke akuifer alami.
Perkiraan potensi pembangkit listrik dari tenaga panas bumi bervariasi dari 35-2000 GW tergantung pada skala penanaman modal. Ini tidak termasuk panas non-listrik yang dipulihkan oleh pembangkit co-generation, pompa kalor panas bumi atau penggunaan langsung lainnya. Sebuah laporan tahun 2006 oleh Institut Teknologi Massachusetts (MIT), yang mengikutsertakan potensi dari sistem panas bumi yang ditingkatkan (enhanced geothermal systems), memperkirakan bahwa investasi sebesar 1 miliar dolar AS untuk penelitian dan pengembangan selama 15 tahun lebih akan memungkinkan tercapainya kapasitas pembangkitan listrik sebesar 100 GW pada tahun 2050 di Amerika Serikat saja. Laporan MIT memperkirakan bahwa lebih dari 200 zettajoule (ZJ) akan dapat dihasilkan, dengan potensi untuk ditingkatkan hingga lebih dari 2.000 ZJ dengan perbaikan teknologi - cukup untuk memenuhi kebutuhan energi seluruh dunia saat ini selama beberapa milenium.
Saat ini sumur panas bumi jarang lebih dari 3 km dalamnya. Taksiran tertinggi atas potensi sumber daya panas bumi memperkirakan kedalaman sumur 10 km. Penggalian hingga mendekati kedalaman ini sekarang sudah dapat dilakukan dalam industri perminyakan, walaupun biayanya sangat mahal. Sumur penelitian terdalam di dunia, Kola superdeep borehole, dalamnya 12,3 km. Rekor tersebut baru-baru ini sudah dapat ditiru oleh sumur minyak komersial seperti sumur Z-12 milik Exxon di ladang Chayvo, Sakhalin. Sumur dengan kedalaman lebih dari 4 km umumnya menanggung biaya pengeboran hingga puluhan juta dolar. Tantangan teknologinya adalah untuk menggali lubang yang lebar dengan biaya rendah dan untuk memecahkan volume batu yang lebih banyak.
Tenaga panas bumi dianggap sebagai sumber energi terbarukan karena ekstraksi panasnya jauh lebih kecil dibandingkan dengan muatan panas bumi. Namun pemanfaatannya harus tetap diawasi untuk menghindari kekosongan lokal. Meski situs panas bumi mampu menyediakan panas selama puluhan tahun, tiap-tiap sumur dapat mendingin atau kehabisan air. Ketiga situs tertua yakni Larderello, Wairakei, dan The Geysers, semuanya sudah mengalami penurunan produksi. Tidak jelas apakah pembangkit-pembangkit ini memakai tenaga panas bumi lebih cepat daripada diisi kembali dari kedalaman yang lebih jauh, atau apakah akuifer yang menyediakannya mulai kehabisan. Jika produksi dikurangi dan air disuntikkan kembali, sumur-sumur ini secara teori dapat kembali memenuhi potensinya. Strategi penanganan yang demikian sudah diterapkan pada beberapa situs. Keberlanjutan jangka panjang energi panas bumi telah dibuktikan di ladang Lardarello di Italia sejak 1913, di ladang Wairakei di Selandia Baru sejak 1958, dan di ladang The Geysers di Kalifornia sejak 1960.

Jenis pembangkit

Pembangkit listrik tenaga panas bumi sama prinsipnya dengan pembangkit listrik termal berturbin uap lainnya - panas dari bahan bakar (dalam hal ini adalah inti bumi) digunakan untuk memanaskan air atau fluida lainnya yang sesuai. Fluida yang sudah berjalan lalu digunakan untuk memutar turbin generator sehingga menghasilkan listrik. Fluida tersebut lalu didinginkan dan dikembalikan ke sumber panas.

Pembangkit uap kering

Pembangkit dengan sistem uap kering merupakan rancangan paling tua dan sederhana. Dalam sistem ini uap panas bumi bersuhu 150 °C atau lebih langsung digunakan untuk memutar turbin.

Pembangkit flash steam

Pembangkit dengan sistem flash steam mengambil air panas bertekanan tinggi dari kedalaman bumi masuk ke tangki bertekanan rendah lalu menggunakan uap yang dihasilkan untuk memutar turbin. Sistem ini membutuhkan fluida bersuhu sekurang-kurangnya 180 °C;biasanya lebih. Ini adalah jenis yang paling umum dioperasikan saat ini.

Pembangkit siklus biner

Pembangkit dengan sistem siklus biner adalah pengembangan terbaru dan memungkinkan suhu terendah fluida hingga 57 °C. Air panas bumi yang tidak terlalu panas tersebut dialirkan melewati fluida sekunder yang memiliki titik didih jauh di bawah titik didih air. Hal ini menyebabkan fluida sekunder menguap yang lalu digunakan untuk memutar turbin. Ini adalah jenis yang paling umum dibangun saat ini. Siklus Rankine Organik maupun siklus Kalina keduanya digunakan. Efisiensi termal pembangkit jenis ini biasanya sekitar 10-13%.

Produksi sedunia

Asosiasi Panas Bumi Internasional (IGA) melaporkan pada tahun 2010 bahwa 10.715 megawatt (MW) daya pembangkit listrik tenaga panas bumi terpasang di 24 negara dan diharapkan dapat membangkitkan 67.246 GWh energi listrik. Angka ini menunjukkan peningkatan sebesar 20% dari tahun 2005. IGA memproyeksikan pertumbuhan hingga 18.500 MW pada tahun 2015, dikarenakan banyaknya proyek yang saat ini sedang dalam pertimbangan dan sering kali di daerah yang sebelumnya dikira hanya dapat sedikit dieksploitasi sumber dayanya.
Pada tahun 2010, Amerika Serikat memimpin produksi listrik panas bumi dunia dengan kapasitas 3.086 MW dari 77 pembangkit; gugusan pembangkit listrik tenaga panas bumi terbesar di dunia terletak di The Geysers, ladang panas bumi di Kalifornia. Filipina mengikuti AS sebagai produsen kedua tertinggi listrik tenaga panas bumi di dunia. Dengan kapasitas 1.904 MW, tenaga panas bumi menghasilkan hingga sekitar 27% listrik yang dibangkitkan Filipina.
Januari 2011: Al Gore mengatakan dalam KTT Asia Pasifik untuk Proyek Iklim bahwa Indonesia bisa menjadi negara adidaya energi panas bumi dunia.
Kanada adalah satu-satunya negara besar di Cincin Api Pasifik yang belum mengembangkan tenaga panas bumi. Wilayah dengan potensi terbesar adalah Cordillera Kanada, yang membentang dari British Columbia hingga ke Yukon, dengan taksiran output berkisar antara 1.550 MW hingga 5.000 MW.

Dampak terhadap lingkungan

Fluida yang ditarik dari dalam bumi membawa campuran beberapa gas, diantaranya karbon dioksida (CO₂), hidrogen sulfida (H₂S), metana (CH₄), dan amonia (NH₃). Pencemar-pencemar ini jika lepas ikut memiliki andil pada pemanasan global, hujan asam, dan bau yang tidak sedap serta beracun. Pembangkit listrik tenaga panas bumi yang ada saat ini mengeluarkan rata-rata 40 kg CO₂ per megawatt-jam (MWh), hanya sebagian kecil dari emisi pembangkit berbahan bakar fosil konvensional. Pembangkit yang berada pada lokasi dengan tingkat asam tinggi dan memiliki bahan kimia yang mudah menguap, biasanya dilengkapi dengan sistem kontrol emisi untuk mengurangi gas buangannya. Pembangkit listrik tenaga panas bumi secara teoretis dapat menyuntikkan kembali gas-gas ini ke dalam bumi sebagai bentuk penangkapan dan penyimpanan karbon.
Selain gas-gas terlarut, air panas dari sumber panas bumi mungkin juga mengandung sejumlah kecil bahan kimia beracun, seperti merkuri, arsenik, boron, antimon, dan garam-garam kimia. Bahan-bahan kimia ini keluar dari larutan saat air mendingin dan dapat menyebabkan kerusakan lingkungan jika dilepaskan. Praktik modern menyuntikkan kembali fluida panas bumi ke dalam bumi untuk merangsang produksi, memiliki manfaat sampingan mengurangi bahaya lingkungan ini.
Pembangunan pembangkit dapat juga merusak stabilitas tanah. Tanah amblas pernah terjadi di ladang Wairakei di Selandia Baru. Sistem panas bumi yang ditingkatkan juga dapat memicu gempa akibat rekah hidrolik. Proyek di Basel, Swiss dihentikan karena lebih dari 10.000 gempa berkekuatan hingga 3,4 Skala Richter terjadi selama 6 hari pertama penyuntikan air. Bahaya pengeboran panas bumi yang dapat mengakibatkan pengangkatan tektonik pernah dialami di Staufen im Breisgau, Jerman.
Pembangkit listrik tenaga panas bumi membutuhkan luas lahan dan jumlah air tawar minimal. Pembangkit ini hanya memerlukan lahan seluas 404 meter persegi per GWh dibandingkan dengan 3.632 dan 1.335 meter persegi untuk fasilitas batubara dan ladang angin. Pembangkit ini juga hanya menggunakan 20 liter air tawar per MWh dibandingkan dengan lebih dari 1000 liter per MWh untuk pembangkit listrik tenaga nuklir, batubara, atau minyak.

Ekonomi

Pembangkit listrik tenaga panas bumi tidak memerlukan bahan bakar, karena itu tidak terpengaruh gejolak harga bahan bakar. Namun biaya modal cenderung tinggi. Pengeboran menyumbang lebih dari setengah biaya keseluruhan, dan eksplorasi terhadap sumber panas bumi yang dalam akan menambah risiko yang cukup besar. Sepasang sumur pembangkit biasa di Nevada yang dapat mebangkitkan 4.5 MW listrik memerlukan biaya sekitar 10 juta dolar untuk pengeboran, dengan tingkat kegagalan 20%. Secara keseluruhan, biaya pembangunan pembangkit listrik tenaga panas bumi dan pengeboran sumur berkisar antara 2-5 juta euro per MW kapasitas, sedangkan biaya energi rata-rata-nya berkisar antara 0,04-0,10 euro per kWh. Sistem panas bumi yang ditingkatkan cenderung berada di sisi tertinggi dari kisaran tersebut, dengan biaya modal di atas 4 juta dolar per MW dan biaya energi rata-rata diatas 0,054 dolar per kWh pada tahun 2007.
Listrik panas bumi sangat skalabel: pembangkit kecil dapat menyediakan listrik untuk sebuah pedesaan, meski dapat membutuhkan modal tinggi.
Chevron Corporation merupakan swasta penghasil listrik panas bumi terbesar di dunia. Ladang panas bumi yang paling berkembang adalah The Geyser di California. Pada tahun 2008 ladang ini menampung 15 unit pembangkit, yang semuanya dimiliki oleh Calpine, dengan kapasitas total 725 MW.