KAJIAN TERMOEKONOMI SISTEM PEMBANGKIT KOGENERASI TURBIN GAS: STUDI KASUS PADA SISTEM PEMBAGKIT KOGENERASI PT. DIAN SWASTATIKA SENTOSA

ABSTRAK
KAJIAN TERMOEKONOMI SISTEM PEMBANGKIT
KOGENERASI TURBIN GAS:
STUDI KASUS PADA SISTEM PEMBAGKIT KOGENERASI
PT. DIAN SWASTATIKA SENTOSA
Oleh
RIZKI RISDIONO
Dalam hukum kedua termodinamika dinyatakan bahwa tidak ada proses
pengubahan energi yang efisien dan pasti terjadi penurunan kualitas energi di
dalamnya. Hal tersebut juga berlaku pada sistem pembangkit kogenerasi. Untuk
itu perlu dilakukan kajian dengan tujuan mengoptimalkan sistem pembangkit
kogenerasi tersebut dengan cara mengidentifikasi lokasi dan besar terjadinya
penurunan kualitas energi pada sistem kogenerasi tersebut.
Metode yang digunakan yaitu berdasarkan penetapan biaya eksergi yang
sering dikenal dengan analisis termoekonomi. Termoekonomi adalah cabang dari
ilmu rekayasa teknik yang mengkombinasikan analisis eksergi dan prinsip-prinsip
ekonomi. Dimana biaya ditentukan untuk masing-masing aliran eksergi.
Kemudian menghitung secara terpisah biaya dari setiap produk yang dihasilkan
oleh sebuah sistem.
Hasil dari analisis eksergi didapat bahwa combustion chamber merupakan
lokasi dimana terjadi pemusnahan eksergi terbesar yaitu 44,50%. Dengan analisis

ekonomi, lokasi kerugian eksergi terbesar terjadi pada combustion chamber yaitu
Rp8.569.021,39/jam. Kedua analisis tersebut perlu dilakukan mengingat
perbedaan harga spesifik antara gas, listrik, dan steam. Sementara untuk beda
biaya relatif terbesar terdapat pada HRSG yaitu sebesar 10,76 yang menunjukan
bahwa peningkatan biaya untuk komponen HRSG masih sangat tinggi dan perlu
dikaji kembali. Dan faktor termoekonomi terendah terjadi pada combustion
chamber yaitu 0,014 sehingga bisa disimpulkan bahwa biaya kerugian akibat
kehilangan eksergi lebih besar dibandingkan dengan laju biaya operasional dan
kapital.
Kata kunci: termoekonomi, kogenerasi, eksergi, efisiensi

ABSTRACT

TERMOECONOMICS STUDY OF THE GAS TURBINE
COGENERATION POWER PLANT SYSTEM:
CASE STUDY ON COGENERATION POWER PLANT SYSTEM
OF PT. DIAN SWASTATIKA SENTOSA
By

RIZKI RISDIONO

In the second law of thermodynamics expressed that there is no efficient
energy conversion process and surely occured quality drop of energy in it. It also
obtained to cogeneration power plant system. It is necessary for the case study
with the purpose to optimizing the cogeneration power plant system by identifying
the location and value of quality drop of energy in the cogeneration power plant
system.
The method of the analysis is based on exergy costing which often known
as termoeconomics analysis. Termoeconomcs is the substation of engineering
science that combines exergy analysis and economic principles. Where the cost is
determined for each flow exergy. Then, calculate separately the cost of each
product which produced by a system.
The results of the analysis exergy obtained that combustion chamber is the
location where the most occurred destruction of exergy with 44.50%. With the
economic analysis, the location of the most occured economics losses is
combustion chamber with Rp8.569.021,39/h. Both of these analyzes required
because of the price difference between the specific gas, electricity, and steam.
While the relative cost differences are the most occured in the HRSG with 10.76
which indicates an increase in costs for the components of the HRSG is still very
high and needs to be reassessed. And termoeconomics factor was lowest in the
combustion chamber that is 0,014 so it can be concluded that the cost of losses

due to lost exergy greater than the rate of capital and operating costs.
Keywords: termoeconomics, exergy, cogeneration, efficiency

KAJIAN TERMOEKONOMI SISTEM PEMBANGKIT
KOGENERASI TURBIN GAS:
STUDI KASUS PADA SISTEM PEMBAGKIT KOGENERASI
PT. DIAN SWASTATIKA SENTOSA
Oleh

RIZKI RISDIONO

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 Kesumajaya pada tanggal 01 November
tahun 1990, sebagai anak ketiga dari tiga bersaudara dari
pasangan

Suharto

dan

Rosneli.

Penulis

menyelesaikan

pendidikan Sekolah Dasar di SD Negeri 01 Kesumajaya
Kecamatan Bekeri Lampung Tengah pada tahun 2002, pendidikan Sekolah

Menengah Pertama di MTs GUPPI Kesumadadi Kecamatan Bekri Lampung
Tengah pada tahun 2005, Pendidikan Sekolah Menengah Akhir di SMA Yadika
Natar Lampung Selatan pada tahun 2008, 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) sebagai Kepala
Divisi Advokasi. Kemudian pada bidang akademik, penulis melaksanakan kerja
praktek di PT Dirgantara Indonesia yang berlokasi di Jalan Pajajaran No. 54
Bandung Jawa Barat pada tahun 2012. Pada 2013 penulis melakukan penelitian
pada bidang konsentrasi konversi energi sebagai tugas akhir dengan judul “Kajian
Termoekonomi Sistem Pembangkit Kogenerasi Turbin Gas: Studi Kasus pada
Sistem Pembangkit Kogenerasi PT. Dian Swastatika Sentosa” di bawah
bimbingan Bapak Harmen Burhanuddin, S.T.,M.T. dan A. Yudi Eka Risano, S.T.,
M.Eng.

PERSEMBAHAN

KARYA INI KUPERSEMBAHKAN UNTUK:

Kedua Orang Tua dan Keluarga ku Tercinta

Rekan-rekan seperjuangan teknik mesin unila 2009

Almamater Tercinta
Teknik Mesin Universitas Lampung

KEBERSAMAAN membuat PERBEDAAN
menjadi lebih INDAH dan BERWARNA
Seperti ATOM yang akan lebih bermanfaat
ketika berbentuk suatu SENYAWA

salam
“solidarity forever”

SAN WACANA

Segala puji dan syukur hanya milik Allah SWT yang dengan rahmat dan
pertolongan-Nya tugas akhir ini dapat diselesaikan. Sholawat dan salam selalu
tercurah kepada Nabi Muhammad SAW, sahabatnya, serta para pengikutnya yang

selalu istiqomah di atas kebenaran agama islam hingga hari ajal menjemput.
Dalam penyusunan tugas akhir 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 Jorfri B. Sinaga, S.T., M.T. selaku penguji tugas akhir ini, yang telah
banyak memberikan kritik dan saran yang sangat bermanfaat bagi penulis.

6.

Seluruh dosen Jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung berkat ilmu yang
diajarkan kepada penulis selama penulis menjalani masa studi.

7.

Kedua Orang Tua dan Saudara-saudaraku tercinta yang selalu memberikan
dukungan baik berupa doa maupun materil dan sekaligus menjadi inspirator
bagi penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini.

8.

Rekan-rekan Asrama 41 Rizal, Mei, Bowo, Acong, Todi, Budi, Iqbal, dan
semua penghuni asrama yang selalu memberikan kritik, saran, dan semangat
bagi penulis.

9.

Semua rekan di teknik mesin khususnya rekan seperjuangan angkatan 2009
untuk kebersamaannya “Salam Solidarity Forever”.

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, Agustus 2014
Penulis

Rizki Risdiono

ii

DAFTAR ISI

Halaman
SANWACANA ...............................................................................................
DAFTAR ISI ...................................................................................................
DAFTAR TABEL ...........................................................................................
DAFTAR LAMPIRAN ...................................................................................
DAFTAR GAMBAR .....................................................................................
DAFTAR SIMBOL ........................................................................................

i
iii
v
vi
vii

ix

I. PENDAHULUAN
A.
B.
C.
D.
E.

Latar Belakang ....................................................................................
Rumusan Masalah ..............................................................................
Tujuan .................................................................................................
Batasan Masalah ..................................................................................
Sistematika Penulisan ..........................................................................

1
3
4
4
5

II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Kogenerasi (Cogeneration) .................................................................
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 .......................................................
C. Komponen Sistem Kogenerasi Turbin Gas .........................................
1. Turbin Gas ........................................................................................
2.Kompresor .........................................................................................
3.Combustion chamber ........................................................................
4. HRSG ...............................................................................................
D. Eksergi..................................................................................................
1. Definisi eksergi ................................................................................

6
7
7
7
10
11
11
12
12
16
16
17
18
19
20
20

2. Dead State ........................................................................................
3.Aspek eksergi ....................................................................................
4.Analisis eksergi .................................................................................
E. Termoekonomi .....................................................................................
1.Definisi termoekonomi......................................................................
2.Analisis termoekonomi .....................................................................
3.Evaluasi termoekonomi.....................................................................
4. Aanalisis ekonomi konvensional......................................................

21
22
23
26
26
26
27
29

III. METODOLOGI PENELITIAN
A.
B.
C.
D.

Waktu dan Tempat Penelitian .............................................................
Tahapan Penelitian ..............................................................................
Prosedur Pengolahan Data .................................................................
Diagram alir Metodologi Penelitian .....................................................

30
30
31
39

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Hasil .................................................................................................... 41
1. Spesifikasi alat ................................................................................ 41
2. Data record....................................................................................... 42
B. Analisis Data dan Perhitungan ............................................................. 44
1. Analisis Data ................................................................................... 44
2. Perhitungan ..................................................................................... 45
C. Pembahasan ......................................................................................... 60
1. Hubungan produksi listrik dan steam terhadap konsumsi bahan bakar
...... .................................................................................................... 60
2. Hubungan eksergi, destruksi eksergi, dan efisiensi eksergi ............ 62
3. Analisis destruksi eksergi dalam biaya eksergi ............................. 65
4. Analisis termoekonomi dan ekonomi “konvensional”..................... 67
5. Analisis beda biaya relatif dan faktor termoekonomi ..................... 69
V. SIMPULAN DAN SARAN
A. Simpulan ............................................................................................. 72
B. Saran ................................................................................................... 74
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN

iv

DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Eksergi dari masing-masing state.................................................... 35
Table 3.2 Eksergi fuel dan eksergi produk setiap komponen .......................... 35
Tabel 3.3 Laju destruksi dan rasio eksergi setiap komponen .......................... 36
Tabel 3.4 Biaya eksergi setiap komponen ....................................................... 37
Tabel 3.5 Biaya per unit eksergi masing-masing state .................................... 37
Tabel 3.6 Tingkat biaya berbagai destruksi eksergi ........................................ 38
Tabel 3.7 Beda biaya relatif dan faktor termoekonomi ................................... 38
Tabel 4.1 Data Temperatur dan Tekanan berbagai state ................................. 42
Tabel 4.2 Produksi dan Konsumsi rata-rata Listrik dan steam ....................... 43
Tabel 4.3 Komposisi Bahan Bakar .................................................................. 47
Tabel 4.4 Kebutuhan udara pembakaran ......................................................... 48
Tabel 4.5 Data Perhitungan Berbagai Komoponen Eksergi Berdasarkan
Software CATT 3 ............................................................................ 56
Tabel 4.6 Eksergi Masing-masing state .......................................................... 56
Tabel 4.7 Eksergi masing-masing komponen dan efisiensi eksergi ................ 57
Tabel 4.8 Destruksi eksergi beserta rasio destruksi eksergi ............................ 57
Tabel 4.9 Biaya per unit eksergi masing-masing state .................................... 58
Tabel 4.10 Tingkat biaya eksergi .................................................................... 58
Tabel 4.10 Biaya destruksi eksergi .................................................................. 59
Tabel 4.10 Beda biaya relatif dan faktor termoekonomi ................................. 59

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran
1.

Gambar Skematik Sistem

2.

Data Produksi Listrik dan Steam

3.

Kurs Transaksi Bank Indonesia per September 2013

4.

Contoh Hasil Perhitungan Program CATT 3

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Perbandingan efisiensi sistem pembangkit konvensional dan
kogenerasi ................................................................................... 7
Gambar 2.2 Sistem atas siklus kombinasi ...................................................... 8
Gambar 2.3 Sistem atas turbin uap ................................................................ 8
Gambar 2.4 Sistem atas pemanfaatan kembali panas ..................................... 9
Gambar 2.5 Sistem atas turbin gas ............................................................... 9
Gambar 2.6 Siklus bawah ............................................................................... 10
Gambar 2.7 Diagram P-v dan T-s ................................................................... 13
Gambar 2.8 Sistem kogenerasi turbin gas siklus terbuka ............................... 14
Gambar 2.9 Sistem kogenerasi turbin gas siklus tertutup .............................. 16
Gambar 3.1 Skematik insatalasi pembangkit kogenerasi turbin gas PT. Dian
Swastatika Sentosa ...................................................................... 32
Gambar 3.2 Diagram alir energi dan eksergi .................................................. 39
Gambar 3.3 Diagram alir termoekonomi ........................................................ 40
Gambar 4.1 Grafik Hubungan Produksi Listrik dan Steam serta Konsumsi
Bahan Bakar .............................................................................. 45
Gambar 4.2 Tampilan Software CATT 3 ....................................................... 55
Gambar 4.3 Grafik rata-rata produksi listrik dan steam terhadap fuel
consumtion ................................................................................ 60
Gambar 4.4 Hubungan Destruksi eksergi dan Eksergi produk ..................... 62

Gambar 4.5 Hubungan Destruksi terhadap Efisiensi eksergi ......................... 63
Gambar 4.6 Grafik destruksi eksergi .............................................................. 65
Gambar 4.7 Grafik biaya destruksi eksergi .................................................... 65
Gambar 4.8 Grafik Berbagai Biaya Eksergi ................................................... 67
Gambar 4.9 Grafik Beda Biaya Relatif ......................................................... 69
Gambar 4.10 Grafik Termoekonomi .............................................................. 70

viii

VAFTAR SIMBOL

c
cp
̇
̇

f
g
h
LHV
̇
M
n
P
Q
s
T
U
V
W
X
Z

Biaya per unit eksergi
Kalor spesifik
Laju biaya eksergi
Eksergi per unit massa
Laju eksergi
Faktor termoekonomi
Percepatan gravitasi
Entalpi
Nilai pembakaran bawah
Laju aliran massa
Massa molar
Jumlah mol
Tekanan
Kalor
Konstanta gas ideal
Entropi
Temperatur
Energi dalam
Volume
Kerja
Fraksi mol
Tingkat biaya total

Simbol-simbol Yunani
∆
Perbedaan
Massa jenis
ɳ
Efisiensi kogenerasi
Efisiensi eksergetik
Subskrip-subskrib
a
Udara (atmosphere)
avg
rata-rata
bb
Bahan bakar

($/kWh, $/kJ)
(kJ/kg.K)
($/h)
(kW/kg, kW/kmol)
(kW)
(m/s2)
(kJ/kg)
(kJ/kmol)
(kg/s)
(kg/kmol)
(kmol)
(Bar)
(kJ)
(kJ/kg.K)
(kJ/kg.K)
(K)
(MJ)
(m3)
(kW)
($)

(kg/m3)
(%)
(%)

c
cogen
comp
cv
D
e
eko
f
g
gt
i
k
l
o
P
pm
s
th
ud
w
0,1,2,3,...

Kombinasi
Kogenerasi
Kompresor
Kontrol volume
Destruksi
Listrik (Electricity), aliran keluar
Ekonomizer
Bahan bakar (Fuel)
Gas
Turbin gas
Aliran masuk
Berbagai produk pembakaran (komponen)
Losses
Output
Produk
Paper mill
Uap (Steam)
Thermal (Steam)
Udara
Air (Water)
state

Superskrip-superskrip
CH
Eksergi kimia
CI
Biaya investasi kapital total
e
Lingkungan
KE
Eksergi kinetik
OM
Biaya operasional dan perawatan
PH
Eksergi fisik
PT
Eksergi potensial
o
nilai keadaan standar

x

I.

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang
Energi listrik merupakan salah satu energi penting yang dibutuhkan dalam
pembangunan suatu negara. Hal ini terlihat dari besarnya jumlah konsumsi
listrik yang diperlukan setiap tahunnya. Pertumbuhan pemakaian listrik
tentunya disertai dengan peningkatan jumlah penduduk di Indonesia. Jumlah
penduduk di Indonesia tahun 2010 mencapai 237 juta jiwa atau meningkat
rata-rata 1,48% per tahun sejak tahun 2000. Dengan total konsumsi energi
final pada tahun 2010 mencapai 1.012 juta SBM dengan laju pertumbuhan
antara tahun 2000 – 2010 sebesar 3,09% per tahun yang didominasi oleh
pengguna BBM di tahun 2010 mencapai 31%, sedangkan konsumsi biomassa
berupa kayu bakar dan arang mencapai 28%, pemanfaatan gas dan batubara
sekitar 13%. Dimana perkembangan penggunaan energi untuk pembangkit
listrik di tahun 2010 masih didominasi batubara sebesar 23,96 juta ton atau
96,32 juta SBM. Selama tahun 2000 – 2010 pemakaian BBM meningkat
sebesar 6,38% per tahun, batubara meningkat 6,19% per tahun, sementara
penggunaan gas meningkat sekitar 2,16% per tahun (Boedoyo, 2012).
PT. PLN (persero) sebagai perusahaan negara yang mengelola pendistribusian
listrik sering mengalami masalah dengan peningkatan konsumsi listrik itu
sendiri. Sehingga sering kita dengar pemadaman listrik bergilir dan kendalakendala lainnya. Seiring dengan peningkatan konsumsi listrik tersebut,

2

masalah baru yang dihadapi adalah menipisnya sumber daya alam yang
dijadikan sebagai sumber energi khususnya sumber daya alam yang tak dapat
diperbaharui (fosil). Hal ini dikarenakan pemakaian sumber energi tersebut
secara terus menerus dalam pengoperasian sistem termal pada pembangkit
listrik (Basri, 2011).
Berbagai solusi dan alternatif telah ditawarkan oleh banyak para ahli guna
memperbaiki dan mengoptimalkan sistem termal tersebut baik berupa
pengembangan alat–alat hemat energi, penggunaan energi alternatif, ataupun
dengan pemanfaatan sistem pembangkit kogenerasi (Boedoyo, 2012). Sistem
pembangkit kogenerasi memiliki perkembangan yang pesat akhir-akhir ini
karena besarnya ketersediaan gas alam, kemajuan teknologi yang cepat,
penurunan biaya pemasangan yang cukup berarti, dan kinerja yang lebih baik.
Selain itu sistem pembangkit kogenerasi juga dapat menghasilkan seluruh
atau sebagian permintaan energi, dan energi yang dilepas pada suhu tinggi
pada cerobong pengeluaran dapat dimanfaatkan kembali untuk berbagai
pengunaan pemanasan dan pendinginan.
Namun demikian, dalam hukum kedua termodinamika dinyatakan bahwa
tidak ada proses pengubahan energi yang efisien dan pasti terjadi penurunan
kualitas energi di dalamnya (Cengel, 2006). Hal tersebut juga berlaku pada
sistem pembangkit kogenerasi. Untuk itu perlu dilakukan identifikasi dengan
tujuan mengoptimalkan sistem pembangkit kogenerasi tersebut.
Salah satu cara yang dapat digunakan untuk mengoptimalkan sistem
pembangkit kogenerasi adalah dengan melakukan analisis termoekonomi.

3

Termoekonomi adalah cabang dari ilmu rekaya teknik (engineering) yang
mengkombinasikan analisis eksergi dan prinsip-prinsip ekonomi untuk
memberikan informasi bagi perancang atau operator sistem yang tidak
tersedia melalui analisis energi atau berbagai evaluasi ekonomi konvensional
(Bejan, 1996).
Oleh Karena itu, penelitian ini dilakukan sebagai evaluasi sistem pembangkit
kogenerasi

dengan

konsep

termoekonomi

yang

bertujuan

untuk

mengidentifikasi beda biaya relatif dan faktor termoekonomi setiap
komponen sehingga efektifitas dari sistem pembangkit kogenerasi ini dapat
ditingkatkan. Adapun studi kasus akan dilaksanakan pada sistem pembagkit
kogenerasi turbin gas milik PT. Dian Swastatika Sentosa unit pembangkit
Tanggerang.
B. Rumusan Masalah
Sistem pembangkit kogonerasi merupakan sistem pembangkit yang memiliki
efisiensi tertinggi. Namun diketahui bahwa tidak ada proses pengubahan
energi yang efisien dan pasti terjadi penurunan kualitas energi di dalamnya
yang mengakibatkan menurunnya efektifitas suatu sistem termal sehingga
perlu dikaji kelayakannya baik dari segi termodinamika (analisis eksergi)
maupun dari segi biaya (ekonomi) yang keduanya sering disebut sebagai
analisis termoekonomi.

4

.
C

Tujuan Penelitian
Adapun tujuan umum penelitian ini adalah menghitung berbagai tingkat biaya
eksergi dari sistem pembangkit kogenerasi turbin gas yang melibatkan biaya
investasi, operasional dan perawatan, serta kesetimbangan biaya setiap
komponennya. Sedangkan tujuan khusus dari penelitian ini adalah:
1. Membandingkan evaluasi termoekonomi terhadap evaluasi ekonomi
“konvensional”.
2. Menghitung beda biaya relatif dan faktor termoekonomi.

D. Batasan Masalah
Agar pembahasan lebih terarah, maka ruang lingkup penelitian ini diberikan
batasan-batasan masalah sebagai berikut :
1. Objek penelitian adalah sistem pembangkit kogenerasi turbin gas milik
PT. Dian Swastatika Sentosa unit pembangkit Tanggerang.
2. Perhitungan setiap bagian sistem hanya diperhitungkan masalah
perhitungan

termal

dan

tidak

memperhitungkan

tentang

desain

dimensional setiap bagian sistem.
3. Evaluasi ekonomi “konvensional’ meliputi evaluasi biaya secara
keseluruhan tanpa meninjau dari segi termodinamika.
4. Evaluasi termoekonomi meliputi evaluasi pada beda biaya relatif dan
faktor termoekonomi.
5. Data yang digunakan dalam perhitungan merupakan data record milik PT
Dian Swastatika Sentosa.

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
untuk 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. Kogenerasi (Cogeneration)
Kogenerasi adalah nama baru untuk teknologi yang sudah dimanfaatkan sejak
tahun 1800-an. Dalam pengertian yang lebih luas, kogenerasi adalah produksi
bersamaan dari uap (fluida panas lainnya) dan listrik dengan satu peralatan
konversi energi (BPPT, 2012). Perbedaan fundamental antara alat konversi
energi

konvesional

dengan

kogenerasi

adalah

bahwa pada sistem

konvensional hasil yang diproduksi hanya listrik atau uap saja, sedangkan
pada sistem kogenerasi keduanya diproduksi sekaligus secara bersamaan
dengan penghematan energi. Kogenerasi adalah sumber alternatif energi yang
dapat bertahan terus karena potensi penghematan energi yang dihasilkan.
Konsep ini membutuhkan pengaturan kerja teknis, ekonomis, dan
kelembagaan antara industri serta penyedia utilitas.
Suatu peralatan kogenerasi dalam memproduksi listrik dan uap dengan bahan
bakar kurang dari 10-30% yang dibutuhkan untuk suatu pembangkit energi
konvensional. Perbandingan efisiensi sistem pembangkit konvensional dan
kogenerasi dapat dilihat pada gambar 2.1 yang menunjukkan bahwa sistem
kogenerasi mampu membangkitkan listrik dan uap dengan jumlah yang sama
seperti pembangkit konvensional dimana konsumsi bahan bakar yang
dibutuhkan lebih kecil (UNESCAP, 2000).

7

Gambar 2.1 Perbandingan efisiensi sistem pembangkit konvensional dan
kogenerasi (UNESCAP, 2000)
.
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. 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

8

digunakan untuk menggerakan turbin uap sekunder seperti yang
terlihat pada gambar berikut:

Gambar 2.2 Sistem atas siklus kombinasi (UNEP, 2006)
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)

9

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)
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)

10

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, keramik, gas, dan petrokimia.

Gambar 2.6 Siklus bawah (UNEP, 2006)
Plant siklus bawah kurang umum digunakan daripada siklus atas.
Gambar 2.8 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.

11

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
dengan kebutuhan energi yang besar. Turbin uap digunakan secara luas
untuk penerapan gabungan panas dan daya (CHP).
Siklus termodinamika untuk turbin uap merupakan siklus Rankine.
Siklus Rankine merupakan dasar bagi sistem pembangkitan daya
konvensional dan terdiri dari sumber pemanas (boiler) yang mengubah
air menjadi steam bertekanan tinggi. Dalam siklus uap, air pertamatama 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. Kondensat dari kondensor atau
dari sistem penggunaan steam dikembalikan ke pompa air umpan untuk
keberlanjutan siklus.

12

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
memiliki efisiensi listrik lebih tinggi dibandingkan dengan turbin gas
dengan ukuran yang sebanding, dengan demikian mesin reciprocating
mampu menurunkan biaya operasi yang berhubungan dengan bahan
bakar. Disamping itu, biaya awal genset mesin reciprocating umumnya
lebih rendah dari genset turbin gas hingga ukuran 3-5 MW. Namun
biaya perawatan mesin reciprocating umumnya lebih tinggi dari turbin
gas.
Potensi penerapan pembangkitan untuk mesin reciprocating terdiri dari
standby, 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

13

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.

Gambar 2.7 Diagram P-v dan T-s (Nugroho, 2012)
Siklus seperti gambar di atas terdapat empat langkah:
 Langkah 1-2: Udara luar dihisap dan ditekan di dalam kompresor,
menghasilkan udara bertekanan (langkah kompresi)
 Langkah 2-3: Udara bertekanan dari kompresor dicampur dengan
bahan bakar, terjadi reaksi pembakaran yang menghasilkan gas
panas (langkah pemberian panas)
 Langkah 3-4: Gas panas hasil pembakaran dialirkan untuk memutar
turbin (langkah ekspansi)
 Langkah 4-1: Gas panas dari turbin dibuang ke udara luar (langkah
pembuangan)

14

Terdapat dua macam sistem kogenerasi turbin gas yaitu (UNEP, 2006):
1) Sistem kogenerasi turbin gas siklus terbuka

Gambar 2.8 Sistem kogenerasi turbin gas siklus terbuka (UNEP, 2006)
Hampir seluruh sistem turbin gas yang tersedia saat ini beroperasi pada
siklus Brayton terbuka (juga dikenal dengan siklus Joule bila
ketidakmampuan baliknya diabaikan) dimana kompresor mengambil
udara dari atmosfir dan membawanya pada tekanan yang lebih tinggi ke
ruang bakar sehingga suhu udara juga meningkat karena kompresi.
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.
Terdapat penurunan tekanan (pressure drop) di dalam pembakar sekitar
1.2%. Pembakaran berlangsung dengan udara berlebih. Gas buang
keluar pembakar pada suhu tinggi dengan konsentrasi oksigen sampai
15-16%. Semakin tinggi suhu pada siklus ini, akan semakin tinggi

15

efisiensi siklusnya. Batas atasnya ditentukan dengan daya tahan
material turbin terhadap suhu, juga oleh efisiensi sudu-sudu pendingin.
Batasan suhu pada teknologi terbaru adalah sekitar 1300°C.
Gas buang yang bertemperatur dan bertekanan tinggi ini menuju turbin
gas dan menghasilkan kerja mekanis untuk menggerakan kompresor
dan beban (generator listrik). Gas buang meninggalkan turbin pada
temperatur yang cukup besar (450-600°C) yang ideal untuk
dimanfaatkan kembali. Untuk pemanfaatan yang lebih efisien,
dipengaruhi oleh boiler pemanfat kembali panas (HRSG). Steam yang
dihasilkan dapat memiliki tekanan dan suhu yang tinggi, yang
menjadikannya cocok tidak hanya untuk proses termal saja namun juga
untuk menggerakkan turbin uap sehingga menghasilkan energi
tambahan.
2) Sistem kogenerasi turbin gas siklus tertutup
Dalam sistem kogenerasi turbin gas 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 dengan
melepaskan panas yang berguna. Sumber panas dapat berasal dari
pembakaran eksternal berbagai bahan bakar dan juga dapat digunakan
energi nuklir atau energi matahari.

16

Gambar 2.9 Sistem kogenerasi turbin gas siklus tertutup
(UNEP, 2006)
C. Komponen Sistem Kogenerasi Turbin Gas
Adapun komponen utama sistem kogenerasi turbin gas adalah sebagai
berikut:
1. Turbin Gas
Turbin merubah energi kinetik dari pembakaran gas yang mengalir dari
ruang pembakaran, kemudian merubah energi ini menjadi shaft
horsepower untuk menggerakkan kompresor. Berdasarkan alirannya
turbin gas terdiri dari dua tipe yaitu turbin aliran aksial (axial-flow
turbine) dan turbin aliran radial (radial-inflow turbine).
Turbin aliran aksial (axial-flow turbine) terdiri dari nozzle stasioner
(baling-baling) dan pisau pemutar (buckets) yang melekat pada piringan
turbin (disc). Turbin dibagi menjadi tiga jenis yaitu impuls, reaksi dan
kombinasi dari turbin impuls dan reaksi. Energi menurun ke setiap tahap
yang merupakan fungsi dari konfigurasi area nozzle dan airfoil. Area
nozzle pada turbin adalah bagian penting dari turbin jika terlalu kecil

17

maka nozzle akan memiliki kecenderungan untuk memberikan tekanan
dibawah kondisi aliran maksimum, dan jika terlalu besar maka turbin
tidak akan beroperasi pada efisiensi terbaik (Giampaolo, 2006)
Turbin aliran radial (radial-inflow turbine) telah digunakan selama
bertahun-tahun. Pertama muncul sebagai unit penghasil daya praktis di
bidang turbin hidrolik. Keuntungan terbesar turbin aliran radial adalah
bahwa kerja yang dihasilkan oleh satu tahap setara dengan dua tahap atau
lebih dalam turbin aksial. Turbin aliran radial (radial-inflow turbine)
memiliki keuntungan lain yaitu harganya jauh lebih rendah dibandingkan
dengan satu atau beberapa tahap pada turbin aliran aksial. Akan tetapi
turbin aliran radial memiliki efisiensi turbin lebih rendah dibandingkan
dengan turbin aliran aksial (Boyce, 2002).
2. Compressor
Kompresor terdiri dari pisau putar pada cakram dan baling-baling
stasioner yang mengarahkan udara ke baris pisau berikutnya. Tahap
pertama kompresor baling-baling mempercepat udara menuju ujungujungnya dan menuju tahap baling-baling pertama. Pada tahap balingbaling pertama berfungsi memperlambat udara ke bawah dan langsung
menuju tahap kompresor baling-baling kedua, dan seterusnya melalui
tahapan rotor kompresor. Kompresor memberikan tekanan tinggi
sehingga udara dengan volume yang tinggi bila dipanaskan dan diperluas
melalui bagian turbin, memberikan output daya yang diperlukan oleh

18

proses. Kinerja kompresor umumnya ditunjukkan sebagai rasio tekanan
yang diplot terhadap aliran udara (Soares, 1998).
3. Combustion chamber
Ada tiga jenis ruang pembakaran (Combustion chamber) utama yang
digunakan saat ini (Boyce, 2002):
a. Tubular (single can)
Tubular (single can) lebih dipilih oleh banyak desainer industri turbin
gas dari eropa. Hal tersebut dikarenakan ruang bakar tunggal dengan
ukuran yang besar ini menawarkan keuntungan dari kesederhanaan
desain dan umur yang panjang karena tingkat pelepasan panas yang
rendah. Tubular untuk unit besar biasanya memiliki lebih dari satu
nozzle. Dalam banyak kasus, cincin nozzle ditempatkan di daerah zona
primer.
b. Tubo-annluar (can-annular)
Tubo-annular adalah jenis paling umum dari combustion chamber
yang digunakan pada turbin gas. Turbin gas industri yang dirancang
oleh perusahaan-perusahaan Amerika Serikat menggunakan jenis
tubo-annular atau can-annular. Keuntungan untuk jenis ini adalah
kemudahan pemeliharaan dan juga memiliki distribusi temperatur
yang lebih baik dari sisi single-can combustor.
c. Annular
Annular Combustion Chamber digunakan terutama pada jenis turbin
gas untuk pesawat. Jenis ruang bakar ini biasanya memiliki tipe searah
aliran. Radius ruang bakar luar sama dengan casing kompresor,

19

sehingga menghasilkan desain aliran garis. Annular Combustion
Chamber membutuhkan udara pendinginan kurang dari ruang bakar
tubo-annular, dan karena itu semakin penting untuk aplikasi suhu
tinggi. Di sisi lain, ruang bakar annular jauh lebih sulit untuk
mendapatkan pemeliharaan dan cenderung menghasilkan profil radial
dan melingkar sehingga kurang menguntungkan dibandingkan dengan
pembakar tubo-annular.
4. Heat Recovery Steam Generator (HRSG)
Konsep pemanfaatan kembali limbah panas bukanlah hal baru. Pada
tahun 1948, Westinghouse membangun turbin gas untuk lokomotif kereta
api yang ditujukan untuk layanan penumpang cepat. Awalnya, boiler
disebut boiler pemulih panas, dan fungsinya adalah menghasilkan uap
jenuh untuk keperluan sekunder. Sejak saat itu, banyak usaha dihabiskan
untuk mencoba memaksimalkan kinerja turbin gas, dan sedikit perhatian
yang diberikan ke ujung belakang siklus.
Pada akhir tahun 1960, penekanan berubah menjadi memaksimalkan
efisiensi siklus, dan engineer mulai merancang turbin gas dengan boiler
limbah panas. Ketika superheater besar ditambahkan, nama berubah
menjadi Heat Recovery Steam Generator (HRSG). Casing dari HRSG
dirancang untuk menangani tekanan termal yang signifikan yang
disebabkan oleh suhu transien selama start-up dan shutdown. Sebuah
diffuser besar dipasang di inlet untuk mengurangi kecepatan tinggi.
Bahan bakar tambahan dapat ditambahkan ke diffuser untuk memberikan

20

tambahan produksi uap dalam operasi off-desaign dan/atau uap
superheated.
HRSG beroperasi normal dengan dua tekanan yaitu satu substansial
superheated dan satu (tekanan rendah) bagian dengan sedikit atau tanpa
superheated. Sebuah set turbin uap generator dapat diinstal untuk
menyeimbangkan arus uap di pabrik. HRSG dapat dirancang untuk
menangani beberapa tekanan, tetapi tidak ekonomis untuk menggunakan
lebih dari tiga (Boyce, 2002).
D. Eksergi
1. Definisi eksergi
Dasar dari analisis eksergi pertama kali dikenalkan oleh Carnot pada
tahun 1824 dan Clausius pada tahun 1865. Penelitian menggunakan
analisis eksergi itu sendiri telah dilakukan pada akhir abad ke-18. Pada
tahun 1889 Gouy meneliti tentang konsep eksergi dari useable energi
(energi yang berguna) untuk sistem tertutup. Dalam konsep ini juga
dinyatakan bahwa energi yang hilang selama proses sama dengan
perubahan entropi proses itu. Kemudian konsep ini terus dikembangkan
melalui penelitian-penelitian selanjutnya. Baru pada tahun 1939
Bosjankovic mulai mengembangkannya dengan mempublikasikan dua
paper yang mengembangkan konsep Hukum Kedua Termodinamika.
Paper ini menjadi begitu penting bagi perkembangan konsep eksergi.
Penggunaan kata exergy itu sendiri dikenalkan pertama kali oleh
Bosjankovic pada tahun 1960, Trepp pada tahun 1961, dan Baehr tahun

21

1962, dan sejak itu exergy mulai dikenalkan sebagai work capacity atau
available work (Basri, 2011).
Metode analisis eksergi (analisis kemanfaatan) sangat tepat digunakan
untuk mendorong tercapainya penggunaan sumber daya energi dengan
lebih efektif, karena eksergi memungkinkan untuk menentukan lokasi,
penyebab, dan besar sebenarnya dari kerugian dan pemborosan suatu
sistem termal. Dengan demikian eksergi dapat digunakan dalam sistem
baru yang lebih efeisien dan dapat meningkatkan efisiensi dari sistem
yang sudah ada.
Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa selain memiliki
kuantitas, energi juga memiliki kualitas, dan suatu proses yang riil akan
berlangsung pada arah kualitas energi yang semakin menurun. Jadi
walaupun tidak ada kuantitas energi yang hilang, kualitas energi selalu
berkurang selama proses. Besaran dari kualitas energi ini disebut eksergi.
2. Dead state
Ketika tekanan, temperatur, komposisi, kecepatan, atau elevasi dari
sebuah sistem berbeda dari lingkungan, maka ada kesempatan untuk
melakukan kerja. Bila kemudian sistem berubah kondisi menuju kondisi
lingkungan, maka kesempatan kerja tersebut berkurang. Dan kesempatan
itu akan hilang sama sekali ketika satu sama lain relatif berada pada
kondisi kestimbangan (equilibrium). Kondisi dari sistem ini disebut dead
state. Pada dead state, kondisi kesetimbangan mekanik, termal, dan kimia
anatara sistem dan lingkungan terpenuhi (Bejan, 1996).

22

3. Aspek eksergi
Beberapa aspek penting dari konsep eksergi adalah sebagai berikut
(Moran, 2006):
a. Eksergi adalah ukuran tingkat menjauhnya keadaan sistem dari
keadaan lingkungan. Oleh karena itu eksergi merupakan atribut dari
sistem dan lingkungan bersama. Namun, setelah lingkungan
ditentukan, suatu nilai dapat ditentukan untuk eksergi dalam hal nilai
properti untuk sistem saja, jadi eksergi dapat dianggap sebagai
properti dari sistem.
b. Nilai eksergi tidak bisa bernilai negatif. Karena jika sistem berada
pada keadaan lain selain keadaan mati, sistem akan dapat mengubah
kondisi secara spontan menuju ke keadaan mati. Kecenderungan ini
terjadi jika keadaan mati tercapai dan tidak diperlukan kerja untuk
melakukan perubahan spontan. Oleh karena itu, setiap perubahan
keadaan sistem ke keadaan mati dapat dicapai dengan sedikitnya zero
work, dan dengan demikian kerja maksimal (eksergi) tidak dapat
bernilai negatif.
c. Eksergi

tidak

irreversibilitas.

dapat
Sebuah

dikekalkan
batas

tetapi

adalah

dihancurkan

jika

seluruh

oleh
eksergi

dimusnahkan, seperti yang akan terjadi jika sistem yang diizinkan
untuk mengalami perubahan spontan ke keadaan mati dengan tidak
ada

kemampuan

untuk

memperoleh

kerja.

Potensi

untuk

mengembangkan kerja yang ada awalnya akan benar-benar terbuang
dalam proses spontan tersebut.

23

d. Eksergi dilihat sebagai kerja teoritis maksimum yang diperoleh dari
suatu sistem kombinasi ditambah lingkungan sebagai suatu sistem
yang

bergerak

dari

keadaan

menuju

ke

keadaan

mati

(kesetimbangan). Atau, eksergi dapat dianggap sebagai kerja teoritis
minimum yang diperlukan untuk membawa sistem dari keadaan mati
(kesetimbangan) menuju ke keadaan lain.
4. Analisis eksergi
a. Komponen eksergi
Eksergi total suatu sistem dapat dibagi menjadi empat komponen yaitu
(Bejan, 1996):
E = EPH + EKN + EPT + ECH

(2.1)

Dimana:
EPH

: Eksergi fisik

EKN

: Eksergi kinetik

EPT

: Eksergi potensial

ECH

: Eksergi kimia

Walaupun eksergi merupakan sebuah sifat yang ektensif, kerap kali
eksergi bekerja berdasarkan unit massa. Dan eksergi spesifik total
berdasarkan unit massa dapat ditulis sebagai (Bejan, 1996):
e = ePH + eKN + ePT +eCH

(2.2)

dengan
eKN =
ePT = gz

V2

(2.3)
(2.4)

24

dimana V dan z menunjukan kecepatan dan elevasi relatif terhadap
koordinat di dalam lingkungan. Dengan menelaah dalam sistem yang
diam relatif terhadap lingkungan (eKN = ePT = 0), eksergi fisik adalah
kerja berguna teoritis maksimum yang dapat diperoleh sewaktu sistem
berlalu dari status mulanya dimana temperatur T dan takanan P ke
status mati diamana temperatur To dan tekanan Po.
ePH = (hi – ho) + To (si – so)

(2.5)

Sedangakan eksergi kimia dimana penggunaan istilih kimia di sini
tidak berarti sebuah reaksi kimia melainkan komponen yang tertaut
dengan deviasi komposisi kimia sebuah sistem dari komposisi kimia
terhadap lingkungan. Laju eksergi kimia dapat dtulis dengan
persamaan berikut (Bejan, 1996):

Dimana

̇

= ̇ (

)

(2.6)

merupakan eksergi kimia standar, dimana tabel eksergi

kimia molar standar tersedia pada beberapa literatur yaitu salah
satunya dari Tabel C.1 dan C.2 dalam buku Thermal Design and
Optimation oleh Adrian Bejan.
b. Balans eksergi
Balans laju eksergi untuk sistem kogenerasi dapat ditulis dengan
persamaan (Bejan, 1996):
Ė i = Ė e + Ė D

Dimana Ė i adalah laju pemasukan eksergi i (Ė i = ̇
laju keluaran eksergi e (Ė e = ̇

destruksi (pemusnahan) eksergi.

(2.7)
) dan Ė e adalah

). Sedangkan Ė D menunjukan laju

25

c. Destruksi eksergi
Destruksi eksergi secara umum dapat ditulis dengan persamaan
(Bejan, 1996):
ED,k =

(2.8)

−

Sehingga rasio destruksi eksergi yang merupakan perbandingan laju
destruksi eksergi di dalam komponen sebuah sistem terhadap laju
eksergi dari bahan bakar yang diberikan ke seluruh sistem ( ̇
dapat dirumuskan dengan (Bejan, 1996):
=

d. Efisiensi eksergetik

̇

̇ ,

,

)

(2.9)

Efisiensi eksergetik (efisiensi hukum kedua, efektivitas, atau
efisiensi rasional) memberi sebuah ukuran sebenarnya dari kinerja
sebuah sistem energi dari sudut pandang termodinamika. Dalam
mendefinisikan efisiensi eksergetik perlu diidentifikasi anatara
produk dengan bahan bakar dari sistem termodinamika yang
dianalisis. Produk mempresentasikan hasil yang diproduksi oleh
sistem. Sedangkan bahan bakar mempresentasikan berbagai sumber
daya yang dihabiskan oleh produk. Efisiensi eksergetik adalah rasio
dari produk terhadap bahan bakar yang dapat dituliskan dengan
persamaan (Bejan, 1996):
=

Ė P
Ė F

=1-

(2.10)

dimana ε merupakan Efisiensi eksergeti, Ė F merupakan bahan bakar

yang disuplai, Ė P merupakan produk yang dbangkitkan.

26

E. Termoekonomi
1. Definisi termoekonomi
Termoekonomi adalah cabang dari ilmu rekayasa teknik (engineering)
yang mengkombinasikan analisis eksergi dengan prinsip-prinsip ekonomi
untuk memberikan informasi bagi desainer atau operator sistem yang tidak
tersedia

melalui

analisis

energi

atau

berbagai

evaluasi

eknomi

konvensional. Termoekonomi dapat dipandang sebagai bentuk eksergi
dengan biaya minimum. Tujuan dari melakukan analisis termoekonomi
adalah untuk meminimalkan biaya eksergi. Dalam penetapan biaya eksergi
biaya ditentukan untuk masing-masing aliran eksergi. Kemudian untuk
menghitung secara terpisah biaya dari setiap produk yang dihasilkan oleh
sebuah sistem, dan untuk mengoptimalkan berbagai variabel spesifik
dalam sebuah komponen tunggal atau sistem secara keseluruhan (Bejan,
1996).
2. Analisis termoekonomi
Penentuan biaya eksergi memerlukan berbagai balans biaya yang biasanya
diformulasikan untuk setiap komponen secara terpisah. Sebuah balans
biaya diaplikasikan terhadap komponen k menunjukan bahwa jumlah biaya
yang terkait dengan semua laju eksergi keluar adalah sama dengan jumlah
dari tingkat biaya dari semua laju eksergi masuk ditambah berbagai
pembiayaan tetap yang disebabkan investasi capital ( ̇ kCl) dan berbagai
pembiayaan untuk pengoperasian dan pemeliharaan ( ̇ kOM). Jumlah dari

dua pembiayaan tersebut dapat ditulis dengan ̇ k. Sehingga untuk sistem

27

yang menerima panas dan menghasilkan kerja, kesetimbangan eksergetik
dapat ditulis sebagai berikut (Bejan, 1996):
∑

̇ e.k + ̇ w.k = ∑

̇ i.k + ̇ k

(2.11)

Dimana biaya investasi kapital dapat ditulis dengan persamaan:
̇ k = ̇ kCl +

̇ kOM

(2.12)

Perasamaan tersebut secara sederhana menyatakan bahwa biaya total dari
bebagai laju eksergi keluar sama dengan pengeluaran total untuk
menghasilkan eksergi tersebut yaitu biaya dari berbagai laju eksergi masuk
ditambah berbagai biaya kapital dan yang lain. Berbagai laju eksergi ( ̇ i,

̇ , dan ̇ e) yang masuk dan keluar dari komponen k dikalkulasi dalam

sebuah analisis eksergi yang dilakukan pada tahap sebelumnya. Sehingga
persamaan 2.22 dapat ditulis sebagai (Bejan, 1996):
∑ ( e ̇ e)k + ̇ w.k ̇ k = ∑ ( i ̇ i)k + ̇ k

(2.13)

Dengan men