Uap Air dan Aplikasinya di Pembangkit Tenaga Listrik

Uap air merupakan fluida yang paling banyak digunakan dalam berbagai industri, seperti manufaktur, pemrosesan atau pun pembangkitan daya. Uap air di industri-industri tersebut digunakan sebagai media pembawa energi panas yang akan disalurkan ke titik-titik pengguna. Penggunaan uap air sebagai fluida proses memiliki keunggulan di antaranya:

1. Bahan baku yang melimpah
2. Pengaturan yang relatif mudah dalam pemanfaatannya
3. Relatif aman untuk lingkungan
4. Dapat digunakan dalam berbagai skala operasi

Banyak contoh yang bisa diberikan terkait pemanfaatan uap air ini di dalam industri. Misal dalam industri kelapa sawit, uap air (steam) digunakan untuk melunakkan daging buah sawit sebelum digiling menjadi CPO dan sekaligus untuk memudahkan perontokkan buah dari tandannya. Kemudian pada industri pemrosesan, misal pengalengan ikan. Selain itu, uap juga digunakan di pembangkitan daya. Ada beberapa macam pembangkitan daya yang memanfaatkan uap sebagai fluida kerjanya, di antaranya:

• PLTU (batu bara, minyak dsb)
• PLTN
• PLTP
• PLTGU

Dalam artikel ini, akan dibahas mengenai terminologi uap dan aplikasinya di pembangkitan daya. Dan hal-hal yang berkaitan dengan pemanfaatannya di industri pembangkitan daya.

Terminologi Uap

Uap merupakan wujud gas dari air yang telah dididihkan. Untuk menghasilkan uap, dibutuhkan energi panas yang akan mengubah fasa/ wujud air menjadi uap (steam). Pada aplikasinya di industri, uap dihasilkan dari sebuah ketel uap (boiler) yang besar. Air yang memperoleh panas akan menjadi uap dengan mencapai titik didihnya pada tekanan air tersebut dipanaskan. Misal, air yang dipanaskan pada tekanan 1,01325 barA akan menguap pada temperatur 100^oC. Apabila air dipanaskan di bawah kondisi tekanan yang lebih tinggi maka titik didihnya juga akan meningkat. Begitu pula sebaliknya, pada tekanan yang lebih rendah air akan mendidih pada temperatur yang lebih rendah.

Terdapat dua (2) macam pemanasan pada proses perubahan fasa dari air menjadi uap:

1. Panas sensibel: panas yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur hingga tercapai titik didihnya (pada tekanan tertentu). Maka hal ini disebut "entalpi spesifik dari saturasi cair (the specific enthalpy of saturated liquid)". Apabila pemberian panas diteruskan temperatur akan berhenti naik dan air akan menguap. Nilai entalpi pada titik ini ditunjukkan pada tabel uap dengan simbol "hf".
2. Panas laten: panas yang dibutuhkan untuk mengubah fasa air menjadi uap. Nilai energi panas pada proses ini dinamakan "kenaikan entalpi pada proses evaporasi (the increment of enthalpy for evaporation)". Nilai entalpi ini ditunjukkan dengan simbol "hfg" pada tabel uap.

Pada titik ini berarti energi panas diberikan melalui dua fase, nilainya dinamakan "entalpi spesifik pada uap saturasi (the spesific enthalpy of the saturated vapour)" dan ditunjukkan pada steam table dengan simbol "hg". Maka hf + hfg = hg dalam satuan kJ/kg.

Uap dalam kondisi saturasi tersebut masih dapat mengandung energi lebih besar lagi dengan terus memberikannya panas. Pemberian panas akan menaikkan temperaturnya di atas temperatur saturasi pada tekanan tersebut. Dan fasa uap akan berubah kering (seperti fatamorgana). Ini yang dinamakan dengan uap panas lanjut (superheated steam). Entalpi dari uap superheated ini semakin besar sebanding dengan kenaikan temperaturnya.

Jika diilustrasikan dengan 1 kg air, bersuhu 0 degC dengan tekanan di bawah atmosfer, maka sekitar 4,2 kJ panas sensibel dibutuhkan untuk menaikkan temperatur air 1 degC sampai mencapai titik didih air yaitu 100 degC. Jadi panas sensible yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur air tersebut sampai ke titik didihnya yaitu 420 kJ (4,2 x 100). Dan untuk membuat air dengan temperatur 100 degC tersebut menjadi uap 100 degC, dibutuhkan 2,264 kJ panas laten. Sehingga energi panas total yang dibutuhkan untuk mengubah 1 kg air bertemperatur 0 degC menjadi 1 kg uap bertemperatur 100 degC yaitu 422,624 kJ.

Kemudian kita bandingkan dengan 1 kg air, temperatur 20 degC dan bertekanan 0,7 MPa. Air akan diubah menjadi 1 kg uap dengan temperatur 170 degC, maka dibutuhkan panas sensibel sekitar 638 kJ dan panas laten sekitar 2,054 kJ (total panas 640,054 kJ). Dari dua kondisi yang berbeda, bisa dilihat bahwa panas sensibel yang dibutuhkan air pada tekanan 0,7 MPa lebih tinggi dari pada tekanan atmosfer. Namun panas laten yang dibutuhkan malah sebaliknya, dan ini akan semakin kecil seiring naiknya tekanan air yang dipanaskan hingga pada suatu titik kirtis perubahan air menjadi uap terjadi seketika. Dan bisa disimpulkan bahwa pada tekanan yang lebih tinggi air memerlukan panas yang lebih tinggi untuk berubah menjadi uap.

Jenis-jenis Uap

Jenis-jenis uap ini ditentukan berdasarkan kondisi fasanya, hubungan tekanan-temperatur dan proses terjadinya. Ada 3 jenis uap yaitu:

1. Uap basah (wet steam), yaitu uap yang masih bercampur air di dalamnya, yang mana fraksi uapnya masih di bawah 100%. Dan temperaturnya masih berada di bawah temperatur saturasinya (titik didihnya). Biasanya uap jenis ini merupakan uap awal saat proses evaporasi terjadi.
2. Uap saturasi/ kering (saturated steam), yaitu uap yang sudah tidak lagi bercampur air di dalamnya, yang artinya fraksi uapnya sudah 100%. Temperatur uapnya merupakan temperatur saturasi pada tekanan uapnya. Fase uap saturasi terjadi setelah proses evaporasi.
3. Uap panas-lanjut (superheated steam), yaitu uap yang fraksi uapnya sudah 100% (kering). Namun termperaturnya di atas temperatur saturasi pada tekanan uapnya. Fase uap panas lanjut terjadi setelah fase uap saturasi, yaitu temperatur yang terus naik dengan tekanan yang konstan. Yang membedakan antara uap saturasi dan uap panas-lanjut adalah kandungan energinya, yang mana uap panas-lanjut memiliki kandungan energi (entalpi) lebih tinggi dari pada uap saturasi.

Dalam proses pembangkitan daya yang menggunakan uap, seyogianya uap yang digunakan adalah uap panas-lanjut. Ini karena di dalam sistem perpipaan uap pasti terjadi heat-loss, sehingga mencegah terjadinya kondensasi uap sebelum mencapai turbin dan setelah keluar turbin (untuk pembangkit yang menggunakan siklus reheating).

Titik Kritis

Pada diagram temperatur-entropi (T-s diagram) terpapar suatu grafik yang berisi kondisi air/uap pada berbagai variasi tekanan, dimana ditunjukkan temperatur uap saturasinya, nilai entropi, kandungan entalpi, volume spesifik dan densitas dari berbagai tekanannya. Sehingga dapat dikatakan bahwa diagram T-s merupakan suatu proses memahami titik mendidihnya air dan titik saturasi keringnya dalam bungkus diagram.

Garis melengkung yang menyerupai kerucut merupakan garis tekanan. Sisi kiri adalah sisi air (water line) dan sisi kanan adalah sisi uap (dry steam line). Sedangkan jarak antara ke dua sisi tersebut merupakan garis evaporasi, yang menggambarkan perbandingan uap dan air per satuan massa tertentu atau biasa disebut “kualitas uap”. Dari grafik bisa dilihat, jika tekanan air semakin dinaikkan, maka garis-garis evaporasi akan semakin pendek. Sampai pada suatu titik dimana sisi air dan sisi uap tidak terpisah oleh garis evaporasi, maka dalam hal ini terjadi perubahan dari air menjadi uap seketika tanpa proses evaporasi. Titik inilah yang disebut sebagai “titik kritis”. Titik kritis pada air ini terjadi pada tekanan 221,2 barA, temperatur 374,15 degC (647,15 K), dan volume spesifiknya 3,17 dm³/kg.

Pada tekanan lebih tinggi dari 221,2 barA dinamakan supercritical. Jika air pada kondisi tekanan supercritical dipanaskan, temperatur air akan naik sampai ia akan mengalami "flashes", yaitu kondisi dimana air secara instan berubah menjadi uap dan mulai menjadi uap superheated. Volume spesifik uap kering sama tidak ada perbedaan dengan volume spesifik air. Nah, untuk temperatur kapan air mulai "flushing" pada tekanan supercritical tidak dapat diketahui secara pasti.

Konsep entalpi, entropi dan kualitas uap

Pada pembangkitan tenaga uap dikenal istilah entalpi, entropi dan kualitas/ fraksi uap. Semua istilah tersebut berhubungan erat dengan uap sebagai fluida kerja, dimana entalpi, entropi dan fraksi uap menggambarkan kondisi uap itu sendiri. Dan entitas-entitas tersebut digunakan dalam pengukuran kinerja suatu pembangkit tenaga uap.

Entalpi, dalam pengertian termodinamika menyatakan jumlah energi dari suatu sistem termodinamika ditambah dengan jumlah energi yang digunakan untuk melakukan aktivitas pada suatu materi. Entalpi terdiri dari energi dalam sistem, volume dan tekanannya. Secara matematis ditulis sebagai berikut:

H= U + pV

H= entalpi sistem (Joule)

U= energi dalam suatu sistem (Joule)

p= tekanan sistem/ sekeliling sistem (Pa)

V= volume sistem (m³)

Harga entalpi tidak dapat diukur langsung, namun bisa dari perubahan entalpi (ΔH) yang terjadi pada sistem dengan menentukan titik referensinya terlebih dahulu. Dalam pengukuran dan perhitungan kinerja pembangkit tenaga uap, digunakan nilai entalpi spesifik (h) dari uap tersebut yang telah tersedia pada tabel uap. Misal untuk menghitung kerja suatu turbin uap, maka entalpi spesifik uap yang akan dikonversi di turbin dan entalpi spesifik setelah keluar dari turbin dapat ditentukan dengan melihat parameter tekanan dan temperaturnya. Sehingga hasil yang didapat merupakan selisih dari entalpi spesifik masuk turbin dengan keluaran turbin. Ini disebut perubahan nilai entalpi spesifik (Δh), sedangkan dengan mengalikannya dengan massa uap tersebut diperolehlah nilai perubahan entalpi total (ΔH).

Entropi, salah satu besaran termodinamika yang mengukur energi dalam sistem per satuan temperatur yang tak dapat digunakan untuk melakukan usaha. Jika sistem kemasukan kalor, maka entropi bertambah, dan sebaliknya jika kalor keluar entropi berkurang. Menentukan entropi (S) suatu sistem tidak mudah karena menyangkut energi yang di kandungnya. Akan tetapi besarnya peribahan entropi (ΔS) dalam suatu peristiwa dapat di hitung dari besarnya kalor yang masuk atau yang keluar. Seperti energi dalam (U) dan entalpi (H), entropi adalah besaran termodinamika yang nilainya tergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir dan tidak di pengaruhi oleh jalan yang di tempuh. Oleh sebab itu, ΔS proses reversibel sama dengan irreversibel walaupun kalor yang di serap tidak sama. Pada tabel uap sudah terdapat nilai entropi spesifik untuk tekanan dan temperatur tertentu.

Kualitas uap, merupakan fraksi atau kandungan uap dari suatu campuran antara fluida uap dan air. Campuran uap dan air ini terjadi saat proses evaporasi. Kualitas uap (x) sangat berpengaruh terhadap kandungan energi suatu massa uap. Dari satuan massa uap, kualitas uap dapat dihitung dengan formula sebagai berikut:

Kualitas uap juga dapat dihitung dengan menggunakan parameter entalpi spesifik (h), entropi spesifik (s) dan volume spesifik (v) uap.

Keterangan:

Penentuan nilai entalpi spesifik, entropi spesifik dan volume spesifik tergantung tekanan atau temperatur uap tersebut.

Uap Sebagai Fluida Kerja Pembangkit Energi Listrik

Uap yang digunakan sebagai penggerak turbin uap berasal dari air laut. Laut sebagai sumber air terbesar dimanfaatkan menjadi air baku untuk uap. Makanya hampir semua pembangkit tenaga uap berlokasi di tepi pantai. Selain dimanfaatkan sebagai bahan dasar air baku juga sebagai pendingin untuk kondensasi uap keluaran turbin dan bahan baku zat klorin.

Sebelum digunakan sebagai fluida kerja, air laut akan diubah menjadi air tawar yang disebut proses desalinasi. Proses desalinasi dilakukan oleh suatu unit “Desalination Plant”, yang prinsip kerjanya yaitu memanasi air laut dengan uap bertekanan dan bertemperatur tertentu untuk memisahkan garam dan airnya. Dan setelahnya, air yang ikut menguap akan didinginkan dengan air laut sehingga terjadinya kondensasi. Air kondensasi ini disebut air distilat (distillate water), dan inilah yang disebut air baku (raw water).

Tapi air baku ini belum bisa digunakan sebagai air pengisi di siklus pembangkit karena kualitasnya masih belum memenuhi syarat. Masih terdapat beberapa kandungan mineral dan sifat konduktivitas yang cukup tinggi, dan ini harus dihindari dengan tujuan mencegah kerusakan peralatan-peralatan yang akan dilalui oleh uap nanti. Maka langkah selanjutnya dilakukan treatment air baku tersebut untuk menghilangkan kandungan mineral, seperti klorin, magnesium, kalsium dan natrium, dan menurunkan konduktivitas air tersebut dengan peralatan yang disebut “Water Treatment Plant”. Prinsip kerja peralatan ini yaitu menyaring air baku dengan bahan yang disebut resin. Resin ini yang menangkap mineral-mineral tersebut dan menurunkan konduktivitasnya. Air yang dihasilkan oleh proses ini disebut air demin (demineralized water).

Air demin inilah yang digunakan sebagai air pengisi di siklus pembangkit tenaga uap. Air ini didistribusikan ke kondensor, drum-drum boiler, tube-tube boiler dan sistem pendingin. Selanjutnya terjadilah pemanasan air di tube-tube boiler dan drum-drum sampai mencapai tekanan dan temperatur kerja yang diperlukan. Selanjutnya uap masuk ke turbin memutar sudu-sudunya, lalu dikondensasi di kondensor. Kemudian dari kondensor air kondensat dipompa kembali ke drum-drum dan begitu seterusnya siklusnya berulang.

Dalam penggunaannya pada siklus pembangkit uap, air demin tetap diberikan injeksi kimia untuk memperbaiki kualitas airnya. Di antara penggunaan bahan kimia tersebut adalah:

• Hydrazine: Berfungsi mengikat oksigen, menaikkan pH dan membentuk lapisan feromagnetik
• Phospate: Berfungsi menaikkan pH, melunakkan kesadahan
• Ammonia: Menaikkan pH

Injeksi-injeksi kimia tersebut dilakukan dengan tujuan agar air demin/ uap tidak merusak peralatan-peralatan yang dilaluinya, seperti drum, sistem perpipaan, tube-tube, pompa-pompa dan tentunya turbin. Selain itu juga untuk menjaga kualitas perpindahan panas dari tube-tube ke fluida kerja tersebut.

Daftar Pustaka:

1. https://artikel-teknologi.com/sifat-sifat-uap-air/
2. http://www.yoshitake.jp/ys/ys01_1_1.html
3. https://www.nuclear-power.net/nuclear-engineering/materials-nuclear-engineering/properties-steam-what-is-steam/
4. https://kliksma.com/2015/03/perbedaan-entalpi-dan-entropi.html
5. https://id.wikipedia.org/wiki/Entropi