ANALISA KESETIMBANGAN EKSERGI PADA SISTEM PEMBANGKIT KOGENERASI PLTG 5,2 MW

ABSTRACT
ANALYSIS OF EQUILIBRIUM EXERGY IN
COGENERATION POWER PLANT SYSTEM 5,2 MW
By
ADI NURYANSYAH
Cogeneration technology has been recognized and put to good use in many
developed countries and some developing countries. Cogeneration is the
sequential generation of two different forms of energy (mechanical energy and
thermal energy) from a single fuel source. Thus, the concept of cogeneration can
increase the overall energy efficiency of the system significantly.
Exergy analysis is a method to identify the type, location and magnitude of
thermal losses. Identification of these losses is aimed at improving the design and
evaluation of a thermal system. Thus exergy analysis provide information needed
to improve the performance of the power generation system systematically and
efficiently. The method in this study is to collect data during the generation
process, then analyze the efficiency of thermal energy and analyze exergy to
determine the location of the degradation of energy.
As a case study, this method is applied to the gas-fired combined cycle steam
is in PT. Dian Swastatika Sentosa, Tanggerang. Study results showed that the
largest component that contributes to the destruction of the exergy is the
combustion chamber. The percentage ratio of the destruction of exergy on each

component of the destruction of the maximum total eksergi accrue on combustion
chamber (44,22 %), followed by gas turbines (10,87%), compressor (0,15%),
economizer (0,03 %), HRSG (1,79 %), and then the pump (0,24 %). While the
magnitude of the overall exergetic efficiency of the cycle gas turbine-steam
combination is still relatively low (15,1%).

Keywords : analysis of exergy, Cogeneration, PLTG, HRSG, exergetic efficiency

ABSTRAK

ANALISA KESETIMBANGAN EKSERGI PADA SISTEM
PEMBANGKIT KOGENERASI PLTG 5,2 MW
Oleh
ADI NURYANSYAH
Teknologi kogenerasi telah dikenal dan dimanfaatkan dengan baik di
berbagai negara maju dan sebagian negara berkembang. Kogenerasi merupakan
suatu pembangkitan berurutan dua bentuk energi berbeda (energi mekanik dan
energi termal) dari satu sumber bahan bakar. Dengan demikian, konsep
kogenerasi dapat meningkatkan efisiensi energi secara keseluruhan dalam suatu
sistem secara signifikan.

Analisa eksergi merupakan metode untuk mengidentifikasi jenis, lokasi dan
besarnya kerugian termal pada sistem pembangkit. Identifikasi kerugian ini
bertujuan untuk evaluasi serta perbaikan desain suatu sistem termal. Analisa
eksergi dapat memberikan informasi yang diperlukan untuk meningkatkan
performa sistem pembangkitan daya secara sistematis dan efisien. Adapun metode
dalam penelitian ini yaitu mengumpulkan data selama proses pembangkitan,
kemudian menganalisa secara energi untuk mendapatkan efisiensi termal, dan
menganalisa secara eksergi untuk menetukan lokasi degradasi energi.
Sebagai studi kasus, metoda ini diterapkan pada siklus pembangkit
kombinasi gas-uap yang ada di PT. Dian Swastatika Sentosa, Tanggerang. Hasil
studi memperlihatkan bahwa komponen yang memberikan kontribusi terbesar
terhadap pemusnahan eksergi adalah ruang bakar. Persentase rasio pemusnahan
eksergi pada masing-masing komponen terhadap pemusnahan eksergi total,
maksimum diperoleh pada ruang bakar (44,42%), diikuti turbin gas (10,87%),
kompresor (0,15%), ekonomizer (0,03%), HRSG (1,79%), dan kemudian pompa
(0,24%). Sedangkan besarnya efisiensi eksergetik keseluruhan dari siklus
kombinasi turbin gas-uap masih relatif rendah (15,1%).
Kata kunci : Analisa eksergi, Kogenerasi PLTG, HRSG, Efisiensi eksergetik

ANALISA KESETIMBANGAN EKSERGI PADA SISTEM

PEMBANGKIT KOGENERASI PLTG 5,2 MW

Oleh

ADI NURYANSYAH

Skripsi
Sebagai salah satu syarat untuk mencapai gelar
SARJANA TEKNIK
pada
Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Lampung

FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS LAMPUNG
BANDAR LAMPUNG
2014

RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Dusun Gunung Sari pada tanggal 05 juli

tahun 1992, sebagai anak bungsu dari sebelas bersaudara dari
pasangan Sukarno (Alm) dan Parjiyem. Penulis menyelesaikan
pendidikan Sekolah Dasar di SD Negeri 01 Dadapan
Kecamatan

Sumberejo,

Tanggamus

pada

tahun

2003,

Pendidikan Sekolah Menengah Pertama di SMP Negeri 1 Sumberejo, Tanggamus
pada tahun 2006, Pendidikan Sekolah Menengah Atas di SMA Negeri 1
Sumberejo, Tanggamus pada tahun 2009, dan pada tahun 2009 penulis terdaftar
sebagai Mahasiswa Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung melalui
Seleksi Nasional Masuk Perguruan Tinggi Negeri (SNMPTN).

Selama menjadi mahasiswa, penulis juga aktif dalam organisasi internal kampus,
yaitu pengurus Himpunan Mahasiswa Teknik Mesin (HIMATEM) periode 20112012 sebagai Kepala Bidang Humas, pengurus Majlis Permusyawaratan
Mahasiswa Fakultas Teknik sebagai Wakil Ketua 1 periode 2012-2013, dan
pengurus UKM-U Pencak Silat Setia Hati Terate sebagai Ketua Umum 20132014. Kemudian pada bidang akademik, penulis melaksanakan kerja praktek di
PT Dian Swastatika Sentosa yang berlokasi di Wisma Indah Kiat, Jl. Raya
Serpong Km 8 Tanggerang tahun 2012, dengan judul “Analisis Efisiensi Thermal
Studi Kasus Pada Sistem Pembangkit Kogenerasi PT. Dian Swatatika Sentosa” di
bawah bimbingan Bapak Harmen Burhanuddin, S.T.,M.T.

PERSEMBAHAN
Bismillahirrohmanirrohim ……..
Dengan penuh rasa syukur kepada Alloh Swt atas terselesaikannya
penulisan skripsi ini, kupersembahkan karya ilmiah ini untuk :
Bapak Alm. Sukarno dan Ibu Parjiyem yang selalu mendoakanku dalam
setiap sujudnya. Terimakasih atas segala dukungan yang luar biasa
sehingga menjadi sumber motivasiku dan kepada seluruh keluarga besarku,
terimakasih atas dukungan yang diberikan.
Seseorang yang selalu menemaniku yang kehadirannya melebihi sosok
sahabat, rekan-rekan Teknik Mesin ‘09, serta almamaterku tercinta.

Aku mencintai kalian karena Alloh.

SAN WACANA

Segala puji dan syukur hanya milik Allah SWT yang dengan rahmat dan
pertolongan-Nya sematalah tugas akhir ini dapat diselesaikan. Sholawat dan salam
selalu tercurah kepada Nabi Muhammad SAW, sahabatnya, serta para
pengikutnya yang selalu istiqomah diatas kebenaran agama islam hingga hari ajal
menjemput.
Dalam penyusunan skripsi ini Penulis banyak mendapat bantuan baik moral
maupun material dari berbagai pihak. Untuk itu pada kesempatan ini, Penulis
ingin menyampaikan ucapan terima kasih kepada:
1.

Prof. Dr. Ir. Sugeng P. Harianto, M.S., selaku Rektor Universitas Lampung.

2.

Prof. Dr. Suharno, M.Sc. selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas
Lampung.

3.

Bapak Harmen Burhanudin, S.T,M.T., selaku ketua jurusan teknik mesin
Universitas Lampung dan pembimbing utama tugas akhir, atas banyak waktu,
ide, dan perhatian yang telah diberikan untuk membimbing penulis dalam
menyelesaikan Tugas Akhir ini.

4.

Bapak A. Yudi Eka Risano, S.T., M.Eng., selaku pembimbing kedua tugas
akhir ini, yang telah banyak mencurahkan waktu dan fikirannya bagi Penulis.

5.

Bapak Dr. Amrizal, selaku pembahas tugas akhir ini, yang telah banyak
meberikan masukan, kritik dan saran yang sangat bermanfaan bagi penulis.

6.

Seluruh dosen Jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung, semoga ilmu
yang disampaikan menjadi amal jariyah bapak/ibu sekalian.

7.

Kedua Orang Tua ,serta untuk kakak-kakak ku yang selalu memberikan
dukungan secara moral dan material, semoga allah SWT selalu memberikan
limpahan rahmatnya untuk kita sekeluarga.

8.

Untuk adinda tercinta Hesti Nur Asiani, S.pd, yang selama pembuatan tugas
akhir ini selalu memberikan motivasi dan dorongan yang luar biasa untuk
segera lulus.

9.

Rekan-rekan PES lovers Asrama 41, Bowo (KomTi), Ijal, Riski, Mei, Budi,
Todi, Lingga, Hendi, Fergi, Iqbal, dan khususnya seluruh keluarga besar-ku
teknik mesin angkatan 2009.

10. Dan semua pihak yang telah membantu dalam penyusunan tugas akhir ini
yang tidak bisa penulis sebutkan satu-persatu.
Akhir kata, Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan,
akan tetapi sedikit harapan semoga yang sederhana ini dapat berguna dan
bermanfaat bagi kita semua.

Bandar Lampung, November 2014
Penulis

Adi Nuryansyah

ii

DAFTAR ISI

Halaman
HALAMAN JUDUL
LEMBAR PENGESAHAN
SAN WACANA ..............................................................................................

DAFTAR ISI ...................................................................................................
DAFTAR TABEL ...........................................................................................
DAFTAR LAMPIRAN ....................................................................................
DAFTAR GAMBAR .....................................................................................
DAFTAR SIMBOL ........................................................................................

i
iii
vi
vii
viii
x

I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang ....................................................................................
B. Rumusan Masalah ..............................................................................
C. Tujuan .................................................................................................
D. Batasan Masalah ..................................................................................
E. Sistematika Penulisan ..........................................................................

1
3
4
4
5

II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Kogenerasi (Cogeneration) ................................................................. 6
1. Prinsip dasar kogenerasi .................................................................. 6
2. Keuntungan kogenerasi ................................................................... 8
B. Klasifikasi Sistem Kogenerasi ............................................................
1. Berdasarkan urutan penggunaan energi ...........................................
a. Siklus atas ...................................................................................
b. Siklus bawah ................................................................................
2. Berdasarkan jenis steam (fluida) ......................................................
a. Sistem kogenerasi turbin uap .......................................................
b. Sistem kogenerasi mesin reciprocating ......................................
c. Sistem kogenerasi turbin gas .......................................................

10
10
10
12
13
13
14
15

C. Sistem Kogenerasi Turbin Gas ........................................................... 16

1. Klasifikasi sistem kogenerasi turbin gas .........................................
a. Sistem kogenerasi turbin gas siklus terbuka ................................
b. Sistem kogenerasi turbin gas siklus tertutup ...............................
2. Komponen Sistem Kogenerasi Turbin Gas .....................................

17
17
18
19

D. Turbin Gas ............................................................................................
1. Sejarah turbin gas .............................................................................
2. Dasar turbin gas ...............................................................................
3. Thermodinamika turbin gas .............................................................
4. Thermodinamika reaksi pembakaran ..............................................

19
19
20
22
23

E. Heat Recovery Steam Generator (HRSG) ......................................... 25
1. Definisi HRSG ................................................................................ 25
2. Komponen-komponen HRSG .......................................................... 29
F. Analisia Eksergi ..................................................................................
1. Konsep Dasar Eksergi .....................................................................
2. Dead state .......................................................................................
3. Komponen Eksergi ...........................................................................
a. Eksergi fisik .................................................................................
b. Eksergi kimia ..............................................................................
c. Laju Destruksi dan Rasio Destruksi ...........................................
d. Efisiensi Eksergetik ....................................................................
G. EES (Engineering Equation Software) ................................................

32
32
32
33
33
34
35
36
37

III. METODOLOGI PENELITIAN
A. Waktu dan Tempat Penelitian .............................................................
B. Tahapan Penelitian ..............................................................................
C. Prosedur Pengolahan Data .................................................................
D. Diagram Alir Metodologi Penelitian....................................................

38
38
39
48

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Hasil .................................................................................................... 49
1. Spesifikasi alat ................................................................................ 49
2. Data record....................................................................................... 50
B. Analisa Data dan Perhitungan ............................................................. 51
1. Analisa data ..................................................................................... 51
2, Perhitungan ...................................................................................... 51
C. Pembahasan ......................................................................................... 66
1. Analisa kesetimbangan energi ......................................................... 66
iv

2. Analisa eksergi ................................................................................
a. Laju eksergi pada setiap state dan setiap komponen ..................
b. Laju destruksi eksergi pada setiap komponen ............................
c. Rasio destruksi eksergi dan efisiensi eksergi ..............................
d. Efisiensi eksergetik sistem .........................................................

68
68
70
72
73

V. SIMPULAN DAN SARAN
A. Simpulan ............................................................................................. 75
B. Saran ................................................................................................... 76
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN

v

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Tipe kogenerasi dari beberapa model pembangkitan energi ........ 9
Table 3.1 Eksergi dari masing-masing state.................................................. 43
Tabel 3.2 Eksergi fuel dan eksergi produk setiap komponen ........................ 43
Table 3.3 Destruksi eksergi dari masing-masing komponen sistem ............. 45
Table 3.4 Perbandingan hasil perhitungan .................................................... 46
Tabel 4.1 Data temperatur, tekanan dan laju aliran massa berbagai state ..... 50
Tabel 4.2 Komposisi Bahan Bakar ................................................................ 51
Tabel 4.3 Kebutuhan udara pembakaran ....................................................... 53
Tabel 4.4 Produksi energi listrik dan steam dan efisiensi kogenerasi ........... 61
Tabel 4.5 Kesetimbangan energi per – load yang dibangkitkan ................... 62
Tabel 4.6 Data Perhitungan Berbagai Komponen Eksergi ............................ 62
Tabel 4.7 Eksergi Masing-masing state ........................................................ 63
Tabel 4.8 Eksergi Masing-masing komponen .............................................. 64
Tabel 4.9 Eksergi yang dimusnahkan pada masing-masing komponen ........ 64
Tabel 4.10 Perbandingan hasil perhitungan .................................................... 65

I. PENDAHULUAN

A. Latar Belakang dan Masalah
Dewasa ini besarnya jumlah konsumsi energi di Indonesia terus mengalami
peningkatan setiap tahunnya. Berdasarkan data outlook pengelolaan energi
nasional tahun 2012-2025, total konsumsi energi final pada tahun 2012
mencapai 1.017 juta SBM dengan laju pertumbuhan antara tahun 2012-2025
sebesar 4,5% per tahun. Penggunaan energi minyak bumi di tahun 2012
mencapai 37%, sedangkan konsumsi energi biomassa berupa kayu bakar dan
arang mencapai 28%, pemanfaatan energi gas dan batubara sekitar 13%
(BPPT, 2012). Sektor industri hingga saat ini merupakan sektor yang
mendominasi konsumsi energi di Indonesia, di mana porsinya mencapai
49,4% dari total konsumsi energi nasional (Kementerian ESDM, 2012).
Dalam sektor industri itu sendiri, terdapat beberapa industri yang dinilai
paling padat menggunakan energi, baik yang digunakan sebagai bahan bakar
ataupun yang digunakan sebagai bahan baku. Diantaranya adalah industri baja,
industri semen, industri pupuk, industri keramik, industri pulp dan kertas,
industri tekstil dan industri pengolahan kelapa sawit (Biro Perancangan RI,
2012).

2

Seperti yang diuraikan diatas, sektor industri seharusnya menjadi pemeran
utama dalam konteks penghematan energi. Akan tetapi, dalam dunia industri
kebutuhan energi terutama energi listrik merupakan pokok permasalahan yang
mendasar. Tersedianya energi listrik merupakan salah satu faktor yang
menentukan jalannya roda perusahaan. Dimana sumber utama pasokan energi
listrik di Indonesia berasal dari bahan bakar yang tidak dapat diperbaharui
yaitu berupa minyak bumi (54.78%), disusul gas bumi (22,2%), batubara
(16,77%), air (3,72%) dan geothermal (2,46%) (Biro Perancangan RI, 2012).
Upaya penghematan energi terus dilakukan oleh pemerintah guna mengatasi
ketersediaan sumber energi yang semakin menipis seiring dengan peningkatan
kebutuhan energi di Indonesia. Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi
(BPPT) menerangkan bahwa teknologi kogenerasi merupakan salah satu cara
untuk melakukan penghematan energi. Kogenerasi adalah sistem konversi
energi termal yang secara simultan menghasilkan energi listrik dan panas
dalam satu siklus dengan meanfaatkan panas dari gas buang. Dengan demikian
pemanfaatan gas buang selain menigkatkan efisiensi termal sistem secara
keseluruhan, juga dapat berperan dalam upaya penghematan sumber energi
(UNEP, 2006). Namun demikian, dalam hukum kedua termodinamika
menyatakan bahwa tidak ada proses pengubahan energi yang efisien dan pasti
terjadi penurunan kualitas energi didalamnya (Moran, 2006). Hal tersebut juga
berlaku pada sistem pembangkit kogenerasi. Untuk itu perlu dilakukan
identifikasi dengan tujuan mengoptimalkan sistem pembangkit kogenerasi
tersebut.

3

Salah satu cara yang dapat digunakan untuk mengoptimalkan sistem
pembangkit kogenerasi adalah dengan melakukan analisis eksergi. Metode
analisis eksergi digunakan dalam menghitung pemusnahan dan rugi-rugi
eksergi serta mengkaji efisiensi proses. Pada beberapa tahun terakhir ini
analisis eksergi telah menjadi metode penting yang komprehensif dan
mutakhir dalam studi tentang desain, analisis dan optimasi suatu sistem
termal. Analisis eksergi juga dapat digunakan untuk mengidentifikasikan
jenis, penyebab dan lokasi terjadinya kerugian pada sistem dan sub-sistem
termal, sehingga perbaikan-perbaikan serta peningkatan kualitas dapat
dilakukan (Bejan, 1996).
Oleh karena itu, penelitian ini dilakukan sebagai evaluasi sistem pembangkit
kogenerasi dengan metode analisis eksergi yang bertujuan untuk menghitung
rugi-rugi, pemusnahan, serta mengidentifikasikan penyebab dan lokasi
terjadinya kerugian eksergi pada setiap komponen. Sehingga efektifitas dari
sistem pembangkit kogenerasi ini dapat dioptimalkan. Adapun studi kasus
akan dilaksanakan pada sistem pembagkit kogenerasi turbin gas milik PT.
Dian Swastatika Sentosa Tbk. Unit pembangkit Tanggerang.
B. Perumusan Masalah
Masalah yang dirumuskan pada penelitian ini adalah:
Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa tidak ada proses perubahan
energi yang ideal. Hal ini terjadi karena terdapat penurunan kualitas energi
(eksergi) yang disebabkan rugi-rugi (losses) yang berasal dari faktor internal
maupun eksternal sistem. Sehingga analisis eksergi diperlukan dalam upaya

4

peningkatan optimalisasi sistem termal, untuk meminimalisir rugi-rugi (losses)
sehingga mendapatkan efisiensi termal yang lebih baik pada pembangkit
kogenerasi ini.
C. an
TujPenelitian
u
Adapun tujuan dilaksanakannya penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Menghitung nilai kesetimbangan energi dari kalor yang terbuang.
2. Menghitung kerja dari setiap komponen untuk mendapatkan efisiensi
termal yang dihasilkan pada sisem kogenerasi.
3. Menghitung kesetimbangan eksergi, untuk mengetahui laju destruksi dan
laju kehilangan eksergi pada setiap komponen instalasi sistem kogenerasi.
4. Mengidentifikasi lokasi dimana eksergi terbuang atau hilang yang bisa
mengurangi performansi dari sistem dan komponen-komponennya.
5. Membuat subrutin program aplikasi perhitungan eksergi dengan
menggunakan software Engineering Equation Solver (EES).
D. Batasan Masalah
Ruang lingkup pada skripsi ini agar lebih terarah, maka diberikan batasan
masalah sebagai berikut:
1. Pembahasan dalam skripsi ini membahas perhitungan efisiensi, neraca
kesetimbangan energi dan analisis perhitungan kesetimbangan eksergi dari
setiap komponen dari sistem kogenerasi.
2. Data yang digunakan dalam penelitian ini adalah data operasi harian dari
perangkat kogenerasi yang diperoleh dari PT. Dian Swastatika Sentosa
yang diambil dari bulan Maret 2013 hingga April 2013.

5

E. Sistematika Penulisan
Penulisan Tugas Akhir ini disusun menjadi lima bab. Adapun sistematika
penulisannya adalah sebagai berikut.
I.

PENDAHULUAN
Pada bab ini mengulas secara singkat masalah yang diambil dengan jelas,
tujuan, batasan masalah, dan sistematika penulisan.

II. TINJAUAN PUSTAKA
Pada bab ini menguraikan tinjauan pustaka yang dijadikan sebagai
landasan teori untuk mendukung penelitian ini.
III. METODOLOGI PENELITIAN
Pada bab ini berisi tentang langkah-langkah, alat dan bahan, yang
digunakan guna mencapai hasil yang diharapkan.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada bab ini menguraikan hasil dan membahas yang diperoleh dari
penelitian yang telah dilakukan.
V. SIMPULAN DAN SARAN
Pada bab ini menyimpulkan dari hasil dan pembahasan sekaligus
memberikan saran yang dapat menyempurnakan penelitian ini.
DAFTAR PUSTAKA
Berisikan tentang literatur-literatur referensi yang digunakan dalam
penulisan dan penyusunan dalam laporan ini.
LAMPIRAN
Berisikan data-data yang mendukung dalam penyusunan laporan ini.

II. TINJAUAN PUSTAKA

A.

SISTEM KOGENERASI
1. Prinsip dasar kogenerasi
Kogenerasi merupakan suatu pembangkitan berurutan dua bentuk energi
berbeda (biasanya energi mekanik dan energi termal) dari satu sumber bahan
bakar. Energi mekanik yang dihasilkan selanjutnya dikonversi menjadi energi
listrik, sedangkan energi termalnya dapat digunakan langsung untuk suatu
proses ataupun secara tidak langsung untuk menghasilkan uap, air panas atau
sumber panas pada alat pendingin. Teknologi kogenerasi telah dikenal dan
dimanfaatkan dengan baik di berbagai negara maju dan sebagian negara
berkembang. Beberapa sektor industri yang berpotensi untuk menerapkan
teknologi ini diantaranya adalah pabrik pulp dan kertas, pupuk, baja, semen,
keramik, gelas, tekstil, pengolahan makanan, penyulingan kelapa sawit
maupun minyak bumi.
Pada sektor komersial maupun fasilitas pabrik, kogenerasi dapat diterapkan
antara lain sebagai fasilitas kompleks industri, pusat perkantoran, hotel,
universitas dan rumah sakit. Jenis industri tersebut mempunyai kebutuhan
listrik dan uap atau panas bersamaan, mempunyai panas buang yang cukup
besar untuk dapat dimanfaatkan, sehingga dapat berpotensi untuk

7

menerapkan teknologi kogenerasi. Dengan konsep kogenerasi, efisiensi
energi secara keseluruhan dalam suatu sistem energi bertambah secara
signifikan. Dalam beberapa kasus bisa bertambah lebih dari 30%,
dibandingkan sistem energi konvensional. Gambaran sederhana perbandingan
efisiensi antara sistem energi konvensional dengan sistem kogenerasi, seperti
ditunjukan pada gambar 2.1 dibawah ini (UNESCAP, 2000).

1. Sistem Kogenerasi

2. Sistem konvensional

Gambar 2.1 Perbandingan Efisiensi Sistem Konvensional dan Kogenerasi
(UNESCAP, 2000)
Dalam perspektif mikro yaitu bagi industri yang relevan, penerapan
kogenerasi akan merupakan suatu investasi yang menguntungkan industri
tersebut secara ekonomi maupun teknis dari sistem energi yang dimiliki
sendiri. Sedangkan dalam perspektif makro, beban anggaran pemerintah
dalam penyediaan listrik nasional akan dipikul bersama sektor swasta.
Disamping terjadi penghematan sumber-sumber energi yang tidak dapat
diperbaharui (minyak, gas alam dan batubara) dan juga peran aktif dalam
penurunan emisi gas-gas rumah kaca.

8

Pada sistem kogenerasi, efisiensi keluaran listrik didefinisikan sebagai
perbandingan kapasitas keluaran energi listrik terhadap besar input bahan
bakar ,sehingga (Boyce, 2000) :
ɳe = ( Ec/Ef ) x 100%

(2.1)

dimana :
ɳe = Efisiensi keluaran listrik (%)
Ec = Kapasitas keluaran energi listrik (MW)
Ef = Besar energi input bahan bakar (MW)
Kapasitas energi termal uap (Etr) didefinisikan sebagai massa produk (uap)
dikalikan dengan entalpi pada suhu tertentu.
Etr = ̇ x h@Tc

(2.2)

Efisiensi kogenerasi (ɳco) merupakan perbandingan total energi output
terhadap input bahan bakar, sehingga :
ɳco = ( Ec + Etr )/Ef

(2.3)

Sementara jika sistem menggunakan pembakaran tambahan (Supplementary
Firing), maka efisiensi kogenerasi menjadi :
ɳco = ( Ec + Etr)/Ef + Esu

(2.4)

dimana : Ef = Input bahan bakar
Esu = input bahan bakar pada Supplementary Firring (burner)
2. Keuntungan Kogenerasi
Seperti yang digambarkan diatas, keuntungan penggunaan sistem kogenerasi
adalah sebagai berikut (UNEP, 2006):
a. Meningkatkan efisiensi konversi energi dan penggunaannya.

9

b. Emisi lebih rendah terhadap lingkungan, khususnya CO2, dan gas-gas
rumah kaca lainnya.
c. Penghematan biaya yang besar menjadikan industri atau sektor komersial
lebih kompetitif dan juga dapat memberikan tambahan energi termal
untuk pengguna domestik.
d. Memberikan kesempatan lebih lanjut untuk membangkitkan listrik lokal
yang didesain sesuai kebutuhan konsumen lokal dengan efisiensi tinggi,
menghindari rugi-rugi transmisi dan meningkatkan fleksibilitas pada
sistem penggunaan. Hal ini khususnya untuk penggunaan bahan bakar gas
alam.
e. Suatu kesempatan untuk meningkatkan diversifikasi plant pembangkit,
dan menjadikan persaingan pembangkitan.
Tabel 2.1 Macam-macam tipe kogenerasi dari beberapa model pembangkitan
energi (BPPT, 2012):

Model Pembangkit

Daya
Pembangkitan

Efisiensi %
Konversi
Listrik

Kogenerasi

10 - 100 MW

17 – 34

Diatas 80

Smaller Gas Turbine

800 - 10,000 KW

24 – 31

74 – 81

Larger Gas Turbine

10 - 20 MW

26 – 31

78 – 81

Smaller Reciprocating
Engines

10 - 500 KW

20 – 32

74 – 82

Larger Reciprocating
Engines

500 - 3000 KW

26 – 36

76 – 86

Steam Turbines

10

B. Klasifikasi Sistem Kogenerasi
Sistem kogenerasi biasanya diklasifikasikan menurut jenis steam (fluida),
urutan penggunaan energi dan skema operasi yang diambil.
1. Klasifikasi sistem kogenerasi berdasarkan urutan energi yang digunakan
adalah sebagai berikut (UNEP, 2006):
a. Siklus atas
Dalam siklus atas bahan bakar yang dipasok digunakan untuk
memproduksi daya terlebih dahulu dan kemudian energi panas yang
merupakan produk samping siklus digunakan untuk memenuhi
permintaan proses panas lainnya. Penerapan sistem kogenerasi pada
siklus atas antara lain yaitu pada sistem pembangkit listrik.
Terdapat empat jenis sistem kogenerasi siklus atas:
1) Sistem atas siklus kombinasi
Sebuah turbin gas memproduksi listrik atau daya mekanis diikuti
oleh boiler pemanfaat panas untuk menghasilkan steam yang
digunakan untuk menggerakan turbin uap sekunder seperti yang
terlihat pada gambar berikut:

Gambar 2.2 Sistem atas siklus kombinasi (UNEP, 2006)

11

2) Sistem atas turbin uap
Pada jenis sistem atas tubin uap (jenis apapun) bahan bakar dibakar
untuk menghasilkan steam tekanan tinggi yang kemudian melewati
turbin uap untuk menghasilkan daya dengan buangan steam dari
proses merupakan steam bertekanan rendah.

Gambar 2.3 Sistem atas turbin uap (UNEP, 2006)
3) Sistem atas pemanfaatan kembali panas
Jenis ini memanfaatkan panas yang diambil dari buangan mesin
dan/atau sistem pendingin yang mengalir menuju boiler pemanfaat
panas, dimana panas ini diubah menjadi steam untuk proses
penggunaan lebih lanjut.

Gambar 2.4 Sistem atas pemanfaatan kembali panas (UNEP, 2006)

12

4) Sistem atas turbin gas
Turbin gas menggerakan sebuah generator dan gas buang mengalir
ke boiler pemanfaat panas (HRSG) yang membuat steam dan panas
untuk proses.

Gambar 2.5 Sistem atas turbin gas (UNEP, 2006)
b. Siklus bawah
Dalam siklus bawah, bahan bakar primer digunakan untuk
memproduksi energi panas bertemperatur tinggi dan panas yang
keluar dari proses digunakan untuk membangkitkan daya melalui
boiler pemanfaat panas kembali (HRSG) dan sebuah generator turbin.
Siklus bawah cocok untuk proses manufakturing yang memerlukan
panas pada temperatur tinggi dalam tungku. Areal penerapannya
termasuk industri semen, baja, kertas, keramik, gas, dan petrokimia.

13

Gambar 2.6 Siklus bawah (UNEP, 2006)
Plant siklus bawah kurang umum digunakan daripada siklus atas.
Gambar 2.6

menggambarkan siklus bawah dimana bahan bakar

dibakar dalam furnace untuk menghasilkan rutile sintetik. Limbah gas
yang keluar dari furnace digunakan dalam boiler untuk menghasilkan
steam yang menggerakan turbin untuk menghasilkan listrik.
2. Berdasarkan jenis steam (fluida) sistem kogenerasi diklasifikasikan atas
(UNEP, 2006):
a. Sistem kogenerasi turbin uap
Turbin uap merupakan salah satu teknologi mesin penggerak yang multi
fungsi dan tertua yang masih diproduksi secara umum. Pembangkitan
energi dengan menggunakan turbin uap telah berlangsung sekitar 100
tahun, ketika alat tersebut menggantikan mesin steam reciprocating
karena efisiensinya yang tinggi dan biayanya yang murah. Kapasitas
turbin uap dapat berkisar dari 50 kW hingga ratusan MW untuk plant
utilitas energi yang besar. Turbin uap digunakan secara luas untuk
penerapan gabungan panas dan daya (Combine Heat Power/CHP).

14

Siklus termodinamika untuk turbin uap merupakan siklus Rankine.
Siklus Rankine merupakan dasar bagi stasiun pembangkitan daya
konvensional dan terdiri dari sumber panas (boiler) yang mengubah air
menjadi steam bertekanan tinggi. Dalam siklus uap, air pertama- tama
dipompa ketekanan sedang hingga tinggi, kemudian dipanaskan hingga
temperatur didih yang sesuai dengan tekanannya, dan kemudian
biasanya diberikan panas berlebih (superheated). Turbin multi tahap
mengekspansi steam bertekanan sampai ke tekanan rendah dan steam
kemudian dikeluarkan ke kondensor pengembun pada kondisi vakum
atau menuju sistem distribusi suhu menengah yang mengirimkan steam
ke penggunaan industri atau komersial. Kondensat dari kondensor atau
dari sistem penggunaan steam dikembalikan ke pompa air umpan untuk
keberlanjutan siklus.
b. Sistem kogenerasi mesin reciprocating
Mesin-mesin

reciprocating

cocok

untuk

berbagai

penggunaan

pembangkitan yang terdistribusi, industri, komersial, dan fasilitas
institusional untuk pembangkitan daya dan CHP. Mesin reciprocating
mudah menyalakannya, memiliki efisiensi beban yang baik, dan
umumnya memiliki kehandalan yang tinggi. Dalam beberapa kasus,
unit mesin multiple reciprocating dapat meningkatkan kapasitas total.
Mesin reciprocating memiliki efisiensi listrik lebih tinggi dibanding
turbin gas dengan ukuran yang sebanding, dengan demikian
merendahkan biaya operasi yang berhubungan dengan bahan bakar.
Disamping itu, biaya awal genset mesin reciprocating umumnya lebih

15

rendah dari genset turbin gas hingga ukuran 3-5 MW. Biaya perawatan
mesin reciprocating umumnya lebih tinggi dari turbin gas.
Potensi penerapan pembangkitan yang terdistribusi untuk mesin
reciprocating terdiri dari stand-by, pemangkasan beban puncak,
penyangga grid, dan penerapan CHP dimana diperlukan air panas,
steam tekanan rendah, atau limbah absorpsi panas pembakaran pada
pendingin. Mesin reciprocating juga digunakan secara luas sebagai
penggerak mekanik langsung dalam berbagai penerapan seperti pompa
air, kompresi udara dan gas, dan pendinginan.
c. Sistem kogenerasi turbin gas
Sistem kogenerasi turbin gas beroperasi pada siklus termodinamika
yang dikenal dengan siklus Brayton. Pada siklus Brayton, udara
atmosfir dikompresi, dipanaskan, diekspansikan, dan kemudian gas
berlebih yang dihasilkan oleh turbin atau ekspander yang dipakai oleh
kompresor digunakan untuk pembangkitan energi seperti yang
ditunjukan pada gambar 2.7 Sistem kogenerasi turbin gas dapat
menghasilkan seluruh atau sebagian permintaan energi setempat, dan
energi yang dilepas pada suhu tinggi pada cerobong pengeluaran dapat
dimanfaatkan kembali untuk berbagai pengunaan pemanasan dan
pendinginan.

16

C. Sistem Kogenerasi Turbin Gas
Ketersediaan bahan bakar dan efisiensi yang tinggi menjadi pilihan yang tepat
dalam menentukan model kogenerasi. Oleh karena itu sistem kogenerasi
turbin gas menjadi pilihan dan banyak diaplikasikan dalam bidang industri.
Sistem kogenerasi turbin gas beroperasi pada siklus termodinamika gabungan
yang dikenal dengan combine cycle atau gabungan dari siklus Bryton pada
turbin gas dan siklus Rankine pada boiler. Pada siklus Brayton, udara
atmosfer dikompresi di dalam kompressor, kemudian dipanaskan didalam
ruang bakar dan gas hasil pembakaran diekspansikan ke turbin, dengan
kemudian panas tersisa dari turbin tersebut digunakan kembali untuk
pembangkitan energi termal pada boiler. Konversi energi dari gas sisa hasil
pembakaran terjadi didalam boiler dengan menggunakan konsep pada siklus
Rankine (Cangel, 2006). Gambaran dari sistem kogenerasi turbin gas dapat
dilihat pada gambar 2.7 berikut:

Gambar 2.7 Skema sistem kogenerasi turbin gas (UNESCAP, 2000)

17

1. Klasifikasi sistem kogenerasi pada turbin gas
Sistem kogenerasi pada turbin gas dibagi menjadi dua jenis yaitu (UNEP,
2006) :
a. Sistem kogenerasi turbin gas siklus terbuka
Hampir seluruh sistem turbin gas yang tersedia saat ini, pada berbagai
sektor penggunaan beroperasi pada siklus Brayton terbuka (bila ketidak
dapat baliknya diabaikan) dimana kompresor mengambil udara dari
atmosfer dan membawanya pada tekanan yang lebih tinggi ke pembakar.
Suhu udara juga meningkat karena kompresi. Unit yang lebih tua dan lebih
kecil beroperasi pada perbandingan tekanan sekitar 15:1, sementara unit
yang lebih baru dan lebih besar beroperasi pada perbandingan tekanan
mendekati 30:1.

Gambar 2.8 Sistem turbin gas kogenerasi siklus terbuka (UNEP, 2006)

18

Gambar 2.8 diatas menunjukan sistem turbin gas kogenerasi siklus
terbuka. Udara dikirimkan melalui sebuah diffuser ke ruang pembakaran
yang bertekanan konstan, dimana bahan bakar diinjeksi dan dibakar.
Diffuser menurunkan kecepatan udara ke nilai yang dapat diterima dalam
pembakar. Pembakaran berlangsung dengan udara berlebih, gas buang
keluar pembakar pada suhu tinggi dengan konsentrasi oksigen sampai 1516%. Semakin tinggi suhu pada siklus ini, akan semakin tinggi efisiensi
siklusnya. Batas atas temperature ditentukan dari daya tahan material
turbin terhadap suhu, juga oleh efisiensi sudu-sudu pendingin. Batasan
suhu pada teknologi terbaru adalah sekitar 1300°C. Gas buang yang
bersuhu dan bertekanan tinggi ini menuju turbin gas menghasilkan kerja
mekanis untuk menggerakan kompresor dan beban (generator listrik). Gas
buang meninggalkan turbin pada suhu yang cukup besar (450-600°C),
yang ideal untuk dimanfaatkan kembali. Panas yang bersuhu tinggi untuk
pemanfaatan yang lebih efisien, dipengaruhi oleh boiler bertekanan
tunggal atau ganda. Uap yang dihasilkan dapat memiliki tekanan dan suhu
yang tinggi, yang cocok digunakan untuk menggerakkan turbin uap
ataupun untuk keperluan produksi dalam industri.
b. Sistem kogenerasi turbin gas siklus tertutup
Dalam sistem siklus tertutup, fluida kerja (biasanya gas helium atau udara)
bersirkulasi dalam suatu sirkuit tertutup. Fluida ini dipanaskan dalam suatu
penukar panas sebelum masuk menuju turbin, dan didinginkan setelah
keluar turbin dan melepaskan panas yang berguna. Sehingga fluida
kerjanya bersih dan tidak menyebabkan korosi ataupun erosi.

19

2. Komponen Sistem Kogenerasi Turbin Gas
Komponen utama yang digunakan sistem kogenerasi terutama kogenerasi
gas-uap adalah (BPPT, 2012) :
a. Turbin Gas
b. Generator
c. Heat Recovery Steeam Generator (HRSG)
d. Komponen-komponen penunjang ( pompa, kondensor, deaerator, dll)
D.

Turbin Gas
1. Sejarah Turbin Gas
Menurut Dr. J. T. Retaliatta, sistem turbin gas ternyata sudah dikenal
pada jaman “Hero of Alexanderia”. Disain pertama turbin gas dibuat oleh
John Barber seorang Inggris pada tahun 1791. Sistem tersebut bekerja
dengan gas hasil pembakaran batu bara, kayu atau minyak, kompresornya
digerakkan oleh turbin dengan perantaraan rantai roda gigi. Pada tahun
1872, Dr. F. Stolze merancang sistem turbin gas yang menggunakan
kompresor aksial bertingkat ganda yang digerakkan langsung oleh turbin
reaksi tingkat ganda. tahun 1908, sesuai dengan konsepsi H. Holzworth,
dibuat suatu sistem turbin gas yang mencoba menggunakan proses
pembakaran pada volume konstan. Tetapi usaha tersebut dihentikan
karena terbentur pada masalah konstruksi ruang bakar dan tekanan gas
pembakaran yang berubah sesuai beban. Tahun 1904, “Societe des
Turbomoteurs” di Paris membuat suatu sistem turbin gas yang
konstruksinya berdasarkan desain Armengaud dan Lemate yang
menggunakan bahan bakar cair. Temperatur gas pembakaran yang masuk

20

o

sekitar 450 C dengan tekanan 45 atm dan kompresornya langsung
digerakkan oleh turbin.

Selanjutnya, perkembangan sistem turbin gas berjalan lambat hingga
pada tahun 1935 sistem turbin gas mengalami perkembangan yang pesat
dimana diperoleh efisiensi sebesar lebih kurang 15 %. Pesawat pancar
gas yang pertama diselesaikan oleh “British Thomson Houston Co” pada
tahun 1937 sesuai dengan konsepsi Frank Whittle (tahun 1930). Saat ini
sistem turbin gas telah banyak diterapkan untuk berbagai keperluan
seperti mesin penggerak generator listrik, mesin industri, pesawat terbang
dan lainnya. Sistem turbin gas dapat dipasang dengan cepat dan biaya
investasi yang relatif rendah jika dibandingkan dengan instalasi turbin
uap dan motor diesel untuk pusat tenaga listrik (Wikipedia, 2013).
2. Dasar Turbin Gas
Turbin gas adalah suatu alat yang memanfaatkan gas sebagai fluida untuk
memutar turbin dengan pembakaran internal. Di dalam turbin gas, energi
kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik melalui udara bertekanan
yang memutar roda turbin sehingga menghasilkan daya. Sistem turbin
gas

yang

paling

sederhana

terdiri

(Cangel,2006):
a.

Kompresor (Compressor)

b.

Ruang bakar (Combustor) dan

c.

Turbin (Turbine).

dari

tiga

komponen

yaitu

21

Gambar 2.9 Bagian-bagian utama turbin gas (UNESCAP, 2000)
Udara masuk ke dalam kompresor melalui saluran masuk udara (air
inlet). Kompresor berfungsi untuk menghisap dan menaikkan tekanan
udara tersebut, sehingga temperatur udara juga meningkat. Kemudian
udara bertekanan ini masuk ke dalam ruang bakar dimana di dalam ruang
bakar dilakukan proses pembakaran dengan cara mencampurkan udara
bertekanan tinggi dan bahan bakar. Proses pembakaran tersebut
berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehingga dapat dikatakan
ruang bakar hanya untuk menaikkan temperatur udara.
Gas hasil pembakaran yang memiliki enthalpi tinggi inilah yang
selanjutnya dialirkan ke turbin gas melalui suatu sudu tetap (stator) yang
berfungsi untuk mengarahkan aliran gas panas tersebut menuju sudusudu putar (rotor) turbin. Daya yang dihasilkan oleh turbin gas tersebut
selain untuk memutar generator, sebagian dayanya akan digunakan untuk
memutar kompresornya sendiri. Setelah melewati turbin ini gas tersebut
akan dibuang keluar melalui saluran buang.

22

3. Thermodinamika Turbin Gas
Turbin gas bekerja berdasarkan siklus Bryton, dimana terdapat hubungan
antara tekanan-volume (P-V) dan temperatur-entropi (T-S). Skema instalasi
dari turbin gas tersebut digambarkan sebagai siklus Bryton ideal. Udara
luar dihisap oleh kompresor dan dimanfaatkan hingga tekanan dan
temperaturnya naik. Dalam ruang bakar terjadi proses pencampuran bahan
bakar dengan udara bertemperatur dan bertekanan tinggi yang berasal dari
kompresor sehingga terjadi proses pembakaran. Gas hasil pembakaran
diekspansikan untuk memutar sudu-sudu turbin, gas tersebut dialirkan ke
udar luar atau dimanfaatkan kembali untuk memanaskan ketel uap pada
siklus kombinasi. Gambar 2.10 di bawah ini menjelaskan tentang proses
kerja dari pembangkit listrik tenaga gas dalam diagram P-V dan T-S siklus
Bryton.

Gambar 2.10 Diagram P-V dan T-S pada Siklus Bryton udara standar
(UNESCAP, 2000)
Proses yang terjadi pada gambar siklus di atas adalah sebagai berikut :

23

1→2 Merupakan proses kompresi insentropik yaitu kerja yang dibutuhkan
kompresor:
2→3 Merupakan proses pemasukan bahan bakar pada tekanan konstan.
Dan terjadi proses pembakaran didalam combustor.
3→4 Merupakan proses ekspansi isentropik didalam turbin. Daya dari
turbin digunakan untuk menggerakan kompresor dan generator
4→1 Pembuangan panas pada tekanan konstan ke udara. Pada sistem
kogenerasi, gas sisa ini digunakan untuk pembangkitan kalor.
Dari gambar siklus brayton dan diagram T-S diatas maka akan diambil
asumsi bahwa siklus steady state, perbedaan energi potensial dan
energi

kinetik diabaikan karena terlalu kecil, maka akan diperoleh

persamaan efisiensi insentropik turbin gas sebagai berikut (Cangel,2006):
Proses 1-2 dan 3-4 adalah proses isentropik dimana P2 = P1 dan P4 = P1
sehingga :
=

(

)

(

=

)

=

(2.5)

Persamaan diatas dapat disubtitusikan ke dalam bentuk persamaan
efisiensi termal yang lebih sederhana :
η

,

=1−

1
(

)

=1−

1

(2.6)

4. Thermodinamika Reaksi Pembakaran
Sebagai salah satu mesin konversi energi, didalam turbin gas juga terjadi
reaksi pembakaran. Reaksi pembakaran pada turbin gas terjadi pada ruang

24

bakar atau combustor. Dalam reaksi pembakaran oksidasi cepat oleh
elemen yang mudah terbakar yang menghasilkan energi termal akan
terbentuk. Bahan bakar dikatakan terbakar sempurna jika unsur karbon
yang terkandung dalam bahan bakar terbakar menjadi karbon dioksida,
atau semua hidrogen terbakar menjadi air, dan sulfur menjadi sulfur
dioksida. Sebagai ilustrasi dari jumlah teoritis udara pada pembakaran
metan,

pada

reaksi

ini

hasil

pembakaran

hanya

mengandung

karbondioksida, air, dan nitrogen.
Hal-hal yang berhubungan dengan reaksi kimia

perlu

mengingat

bahwa massa dikonservasi sehingga massa hasil pembakaran sama dengan
massa pereaksi. Massa total dari masing-masing elemen kimia harus sama
pada kedua sisi persamaan. Walau elemen yang ada berbeda senyawa
kimianya dalam pereaksi dan hasil reaksi, akan tetapi jumlah mol pereaksi
dengan hasil pembakaran dapat berbeda, jumlah udara minimum yang
mensuplai oksigen secukupnya untuk pembakaran sempurna semua
karbon, hidrogen, dan sulfur yang terkandung dalam bahan bakar disebut
dengan stoikhiometrik jumlah udara (Moran, 2006).
Untuk bahan bakar hidrokarbon dengan rumus molekul (
pembakarannya adalah (Moran, 2006):
+ (

dimana :

+ 3,76

)→

+

+

) reaksi
(2.7)

a,b,c,d = Koefisien Reaksi
m,n

= Jumlah unsur Karbon dan Hidrogen pada hidrokarbon

25

Laju aliran massa bahan bakar (

) dapat dihitung persamaan sebagai

berikut :

Dengan

̇

.

=

.
3600

merupakan volume bahan bakar,

gravity bahan bakar dan

(2.8)

merupakan spesifik

adalah massa jenis udara.

Untuk menghitung air fuel ratio AFR berdasarkan massa:
=

dimana :

=

=

kg (udara)

kg (bahan bakar)

kmol(udara)

(2.9)

kmol(bahan bakar)

E. Heat Recovery Steam Generator (HRSG)
1.

Definisi HRSG
HRSG (Heat Recovery Steam Generator) adalah ketel uap atau boiler yang
memanfaatkan energi panas sisa gas buang suatu unit turbin gas untuk
memanaskan air dan mengubahnya menjadi uap, dan kemudian uap
tersebut dipergunakan untuk menggerakkan turbin uap atau digunakan
untuk keperluan industri. Pada umumnya boiler HRSG tidak dilengkapi
pembakar (burner) dan tidak mengkonsumsi bahan bakar, sehingga tidak
terjadi proses perpindahan atau penyerapan panas radiasi. Proses
perpindahan atau penyerapan yang terjadi hanyalah proses konveksi dan
konduksi dari gas buang turbin gas ke dalam air yang akan di proses
menjadi uap melalui elemen-elemen pemanas di dalam ruang boiler HRSG
(Boyce, 2002).

26

Gambar 2.11 Instalasi Turbin Gas dan HRSG Tekanan Tunggal
(UNESCAP, 2000)

Gambar 2.12 Diagram Turbin Gas dan HRSG Tekanan Tunggal
(Bambang, 2006)

27

I

II

Gambar 2.13 Diagram T-S Combine Cycle (Bambang,2006)
Diagram T-S yang menggambarkan keseluruhan proses ditunjukkan pada
Gambar 2.13, Diagram I menyatakan siklus Brayton untuk turbin gas dan
diagram II menyatakan siklus Rankine untuk turbin uap. Kapasitas
produksi uap yang dapat dihasilkan HRSG tergantung pada kapasitas
energi panas yang masih dikandung gas buang dari unit turbin gas, yang
berarti tergantung pada beban unit turbin gas. Pada dasarnya, turbin gas
yang beroperasi pada putaran tetap, aliran udara masuk kompresor juga
tetap, perubahan beban turbin yang tidak konstan dengan aliran bahan
bakar tetap mengakibatkan suhu gas buang juga berubah-ubah mengikuti
perubahan beban turbin gas.

28

Gambar 2.14 Diagram Alir HRSG (UNESCAP, 2000)
Suhu gas buang unit turbin gas tetap konstan diperoleh dengan cara
mengatur pembukaan sirip-sirip pemandu aliran udara masuk (IGV, Inlet
Guide Vane) guna mengatur laju aliran udara masuk ke kompressor,
dimana suhu gas buang sebagai umpan baliknya.
Sebagian boiler HRSG dapat dilengkapi dengan pembakaran tambahan
(burner) untuk meningkatkan kapasitas produksi uapnya. Dan sebagian
produksi uapnya dapat digunakan untuk keperluan pemanasan aplikasi
lainnya (cogeneration). Dengan pembakaran tambahan ini, kestabilan
produksi uap HRSG dapat di pertahankan, sehingga kestabilan turbin uap
yang menggunakan uap ini dapat dijaga, walaupun beban turbin gas
berubah-ubah dan juga suhu gas buang turbin gas (aliran udara masuk
kompressor) tidak harus dijaga tetap konstan.

29

2.

Komponen-komponen HRSG
Heat Recovery Steam Generator terdiri dari beberapa elemen yaitu
Superheater, Evaporator dan Economizer yang masing-masing memiliki
fungsi yang berbeda. Pada sub-bab di bawah akan dijelaskan fungsi dari
masing-masing elemen (UNESCAP, 2000).
a. Superheater
Superheater merupakan alat yang berfungsi untuk menaikan temperatur
uap jenuh sampai menjadi uap panas lanjut (superheat vapor). Uap
panas lanjut bila digunakan untuk melakukan kerja dengan jalan
ekspansi di dalam turbin atau mesin uap tidak akan mengembun,
sehingga mengurangi kemungkinan timbulnya bahaya yang disebabkan
terjadinya

pukulan

balik

atau

back

stroke

yang

diakibatkan

mengembunya uap belum pada waktunya sehingga menimbulkan
vakum di tempat yang tidak semestinya didaerah ekspansi.
b. Evaporator
Evaporator merupakan elemen HRSG yang berfungsi untuk mengubah
air hingga menjadi uap jenuh, pipa-pipa evaporator pada ketel uap
biasanya terletak pada lantai (water floor) dan juga pada dinding (water
wall). Pada pipa ini uap jenuh pada kualitas 0,80 – 0,98, sehingga
sebagian masih berbentuk fase cair. Evaporator akan memanaskan uap
air yang turun dari drum uap (steam drum) yang masih dalam fase cair
agar berbentuk uap jenuh sehingga bisa diteruskan menuju Superheater.

30

Gambar 2.15 Superheater dan Evaporator pada HRSG (UNESCAP, 2000)
c. Economizer
Economizer terdiri dari pipa-pipa air yang di tempatkan pada lintasan
gas asap setelah pipa evaporator. Pipa-pipa economizer dibuat dari
bahan baja atau besi tuang yang sanggup untuk menahan panas dan
tekanan tinggi. Economizer berfungsi untuk memanaskan air pengisi
sebelum memasuki steam drum dan evaporator sehingga proses
penguapan lebih ringan dengan memanfaatkan gas buang dari HRSG
yang masih tinggi sehingga memperbesar efisiensi HRSG karena dapat
memperkecil kerugian panas pada HRSG tersebut. Air yang masuk
pada evaporator sudah pada temperatur tinggi sehingga pipa-pipa
evaporator tidak mudah rusak karena perbedaan temperatur tidak
terlalu tinggi.

31

Gambar 2.16 Susunan Pipa economizer dan evaporator
(UNESCAP, 2000)
d. Preheater
Preheater merupakan pemanas awal air yang dipompakan dari
kondensor sebelum masuk tangki air umpan (feed water tank). Pada
HRSG preheater bertujuan menaikan suhu sebelum masuk tangki air
umpan, yang nantinya akan diteruskan ke economizer. Umumnya
preheater ini menempati posisi lintasan gas asap sebelum meninggalkan
ketel.

32

F. Analisa Eksergi
1. Konsep Dasar Eksergi
Eksergi merupakan energi yang dapat dimanfaatkan (available energi)
atau ukuran ketersediaan energi untuk melakukan kerja teoritik maksimum
yang dapat diperoleh hingga sistem tersebut mencapai kesetimbangan
dengan lingkungannya (Moran, 2006).
Konsep eksergi memperlihatkan kegunaan (kualitas) suatu energi dan zat
sebagai tambahan selain apa yang dikonsumsi dalam tahapan-tahapan
pengkonversian atau transfer energi. Salah satu kegunaan utama dari
konsep eksergi adalah keseimbangan energi dalam analisis sistem termal.
Analisis eksergi merupakan metode untuk mengidentifikasi jenis, lokasi
dan besarnya kerugian termal. Identifikasi kerugian ini memungkinkan
untuk evaluasi dan perbaikan desain suatu sistem termal. Metode analisis
eksergi dapat menunjukan kualitas dan kuantitas kerugian panas dan lokasi
degradasi energi (mengukur dan mengidentifikasi penyebab degradasi
energi). Sebagian kasus ketidaksempurnaan suatu proses termodinamika
tidak dapat dideteksi dengan analisis energi. Oleh karena itu, persamaan
kerja aktual dan kerja reversible sering diformulasikan dalam persamaan
fungsi eksergi untuk sebuah sistem terbuka dan sistem tertutup.
2. Dead State
Ketika suatu sistem dan lingkungan berada pada titik kesetimbangan, tidak
ada perubahan state pada sistem secara mendadak yang bisa terjadi, dan
dengan demikian tidak ada kerja yang dilakukan. Karena proses yang telah

33

dijelaskan diatas memberikan kerja reversible maksimum atau kerja
potensial