Pembangkit Listrik Tenaga Panas – Komponen Kerja dan Pemilihan Lokasi
Apa itu Pembangkit Listrik Tenaga Panas?
Hukum konservasi energi menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan; sebaliknya, energi hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lain. Energi listrik, khususnya, dapat diperoleh dari berbagai sumber energi. Fasilitas yang dirancang untuk menghasilkan energi listrik berskala besar umumnya disebut pembangkit listrik atau stasiun tenaga.
Pembangkit listrik tenaga panas adalah jenis fasilitas pembangkitan energi yang mengubah energi panas menjadi energi listrik. Energi panas untuk pembangkit ini dapat berasal dari berbagai sumber, termasuk batu bara, solar, bahan bakar nabati, energi surya, dan energi nuklir. Meskipun istilah "pembangkit listrik tenaga panas" secara teknis mencakup pembangkit yang menggunakan berbagai sumber panas, namun paling sering dikaitkan dengan pembangkit yang mengandalkan batu bara untuk menghasilkan panas. Oleh karena itu, pembangkit listrik tenaga panas dianggap sebagai sistem pembangkitan energi konvensional. Mereka terkadang juga dikenal sebagai pembangkit uap-turbin atau pembangkit listrik tenaga batu bara, yang mencerminkan sumber bahan bakar utama dan mekanisme konversi energi kunci yang digunakan.
Cara Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Panas
Pembangkit listrik tenaga panas beroperasi berdasarkan siklus Rankine, yaitu siklus termodinamika dasar untuk mengubah panas menjadi kerja mekanik, yang kemudian digunakan untuk menghasilkan listrik. Diagram satu baris atau tata letak pembangkit listrik tenaga panas berikut memberikan representasi visual dari komponen-komponen operasional dan prosesnya.
Mekanisme Internal dan Komponen Pembangkit Listrik Tenaga Panas
Proses Operasional
Pembangkit listrik tenaga panas membutuhkan jumlah bahan bakar yang sangat besar, biasanya batu bara. Mengingat volume yang diperlukan, batu bara biasanya diangkut melalui kereta api dan disimpan di area penyimpanan bahan bakar khusus. Awalnya, batu bara mentah terlalu besar untuk digunakan langsung dalam boiler. Untuk mengatasi hal ini, batu bara dimasukkan ke dalam penghancur, yang mengurangi ukurannya menjadi potongan-potongan yang lebih kecil dan mudah dikelola sebelum dikirim ke boiler.
Selain batu bara, air dalam jumlah yang signifikan diperlukan untuk produksi uap di dalam boiler. Sebelum memasuki sistem, air tersebut melalui proses perawatan. Air melewati berbagai filter untuk menghilangkan kotoran dan udara terlarut, memastikan kebersihannya. Setelah diperlakukan, air tersebut dialirkan ke drum boiler. Di dalam drum boiler, panas yang dihasilkan oleh pembakaran batu bara ditransfer ke air. Akibatnya, air mengalami perubahan fase dan berubah menjadi uap.
Uap yang dihasilkan memiliki tekanan tinggi dan suhu tinggi, menjadikannya ideal untuk pembangkitan tenaga. Uap ini kemudian dialirkan ke superheater, di mana ia dipanaskan lebih lanjut untuk meningkatkan energi termalnya. Uap superpanas kemudian dialirkan menuju bilah-bilah turbin. Saat uap mengalir melewati bilah-bilah turbin, energi termalnya diubah menjadi energi rotasi mekanik oleh turbin.
Turbin terhubung secara mekanis ke alternator melalui poros yang sama. Ketika turbin berputar, ia mendorong rotor alternator. Alternator, pada gilirannya, mengubah energi mekanik ini menjadi energi listrik. Untuk mengirimkan energi listrik yang dihasilkan secara efisien jarak jauh, energi tersebut dialirkan melalui transformator, yang menaikkan tegangan. Listrik bertegangan tinggi kemudian dikirim melalui garis transmisi untuk mencapai pengguna akhir, atau beban, di jaringan listrik.
Setelah melewati turbin, uap, kini dengan tekanan dan suhu yang lebih rendah, dialirkan ke kondensor. Di dalam kondensor, air dingin beredar di sekitar uap, menyebabkannya menguap kembali menjadi keadaan cair. Proses kondensasi ini melepaskan panas sisa dari uap, secara efektif mengurangi tekanan dan suhunya. Dengan memulihkan air dengan cara ini, efisiensi siklus pembangkitan tenaga ditingkatkan.
Air yang telah menguap kemudian dipompa kembali ke boiler menggunakan pompa feedwater, siap untuk dipanaskan dan diubah menjadi uap sekali lagi, sehingga melengkapi siklus. Sementara itu, abu yang dihasilkan sebagai produk sampingan dari pembakaran batu bara dihilangkan dari tungku boiler. Penanganan abu yang tepat sangat penting untuk mencegah kerusakan lingkungan. Selain itu, selama pembakaran batu bara di boiler, gas buang dihasilkan dan dilepaskan ke atmosfer melalui cerobong asap.
Komponen Utama
Pembangkit listrik tenaga panas terdiri dari beberapa komponen integral yang bekerja dalam harmoni untuk memfasilitasi proses pembangkitan tenaga:
Boiler: Jantung dari pembangkit listrik tenaga panas, di mana pembakaran batu bara terjadi, dan panas ditransfer ke air untuk menghasilkan uap.
Turbin: Mengubah energi termal uap bertekanan tinggi menjadi energi putaran mekanik.
Superheater: Meningkatkan suhu uap yang dihasilkan di boiler, meningkatkan kandungan energinya untuk pembangkitan tenaga yang lebih efisien.
Kondensor: Mengkondensasi uap sisa dari turbin kembali menjadi air, memulihkan panas dan mempertahankan efisiensi siklus.
Economizer: Pemanas awal air feedwater menggunakan panas dari gas buang, mengurangi konsumsi energi boiler secara keseluruhan.
Pompa Feedwater: Mengalirkan air yang telah menguap dari kondensor kembali ke boiler, memastikan pasokan air yang terus-menerus untuk produksi uap.
Alternator: Mengubah energi mekanik dari turbin menjadi energi listrik, yang dapat didistribusikan melalui jaringan listrik.
Cerobong Asap: Menyebar gas buang yang dihasilkan selama pembakaran batu bara ke atmosfer dengan cara yang terkontrol.
Menara Pendingin: Memfasilitasi pendinginan air yang digunakan di kondensor, memungkinkannya untuk didaur ulang dan digunakan kembali dalam proses pembangkitan tenaga.
Komponen, Pemilihan Lokasi, dan Efisiensi Pembangkit Listrik Tenaga Panas
Komponen Utama Pembangkit Listrik Tenaga Panas
Boiler
Batu bara yang telah digiling, disertai dengan udara yang telah dipanaskan, dimasukkan ke dalam boiler, yang merupakan komponen inti untuk menghasilkan uap bertekanan tinggi. Fungsi utamanya adalah mengubah energi kimia yang tersimpan dalam batu bara menjadi energi termal melalui proses pembakaran. Saat batu bara dibakar di dalam boiler, ia menghasilkan panas intens, mencapai suhu yang cukup untuk mengubah air menjadi uap. Ukuran boiler ditentukan langsung oleh kebutuhan panas dari pembangkit listrik tenaga panas. Ada berbagai jenis boiler yang digunakan di pembangkit listrik tenaga panas, termasuk boiler Haycock dan wagon top, firetube boiler, cylindrical fire-tube boiler, dan water-tube boiler, masing-masing dengan karakteristik desain dan keunggulan operasionalnya sendiri.
Turbin
Uap superpanas bertekanan dan bersuhu tinggi, yang dihasilkan oleh boiler, dialirkan menuju turbin. Ketika uap ini menyerang bilah-bilah turbin, turbin mulai bergerak. Turbin adalah perangkat mekanis yang canggih yang khusus dirancang untuk mengubah energi termal uap menjadi energi kinetik putaran. Terhubung secara mekanis ke alternator melalui poros, putaran turbin menggerakkan rotor alternator. Setelah uap melewati turbin, suhunya dan tekanannya menurun, dan kemudian dialirkan ke kondensor untuk pemrosesan lebih lanjut.
Superheater
Dalam sistem pembangkitan tenaga berbasis turbin uap, uap superpanas sangat penting untuk operasi turbin yang efisien. Uap basah dan jenuh yang keluar dari boiler dimasukkan ke dalam superheater. Perangkat ini berperan penting dalam mengubah uap menjadi uap kering dan superpanas, secara signifikan meningkatkan kandungan energi termalnya. Di antara semua komponen pembangkit listrik tenaga panas, superheater beroperasi pada suhu tertinggi. Tiga jenis superheater yang umum digunakan adalah superheater konveksi, yang mentransfer panas melalui arus konveksi; superheater radiasi, yang mengandalkan transfer panas radiasi; dan superheater yang dinyalakan secara terpisah. Dengan meningkatkan suhu uap yang dihasilkan oleh boiler, superheater meningkatkan efisiensi keseluruhan proses pembangkitan tenaga.
Kondensor
Setelah uap melewati turbin dan suhunya serta tekanannya menurun, uap sisa didaur ulang kembali ke dalam siklus pembangkitan tenaga. Untuk mengoptimalkan efisiensi turbin, diperlukan untuk mengkondensasi uap ini, menciptakan dan mempertahankan vakum yang tepat. Kondensor mencapai hal ini dengan mengurangi tekanan operasional, sehingga meningkatkan tingkat vakum. Peningkatan vakum ini menyebabkan volume uap membesar, memungkinkan lebih banyak kerja diambil dari uap di turbin. Akibatnya, efisiensi keseluruhan pembangkit listrik meningkat, dengan peningkatan output turbin yang sesuai.
Economizer
Economizer adalah penukar panas khusus yang dirancang untuk meminimalkan konsumsi energi di dalam pembangkit listrik. Gas buang, yang kaya akan energi termal, dilepaskan dari boiler ke atmosfer. Economizer memanfaatkan panas dari gas buang ini untuk memanaskan air. Air yang dipulihkan dari kondensor dipompa ke economizer oleh pompa feedwater. Di sana, air tersebut menyerap panas dari gas buang, meningkatkan suhunya sebelum memasuki boiler. Dengan menggunakan kembali panas limbah dari gas buang, economizer secara signifikan meningkatkan efisiensi keseluruhan siklus pembangkitan tenaga.
Pompa Feedwater
Pompa feedwater bertanggung jawab untuk menyediakan air ke boiler. Sumber air bisa berasal dari air yang telah menguap dari kondensor atau air segar. Pompa ini meningkatkan tekanan air, memastikan pasokan yang terus-menerus dan memadai untuk memenuhi kebutuhan boiler. Umumnya, pompa feedwater adalah jenis sentrifugal atau displacement positif, masing-masing menawarkan keunggulan dalam hal kinerja dan efisiensi.
Alternator
Terhubung secara mekanis ke turbin melalui poros yang sama, alternator memainkan peran penting dalam proses pembangkitan tenaga. Ketika turbin berputar di bawah dorongan uap, ia menggerakkan rotor alternator. Putaran ini menginduksi medan elektromagnetik, menghasilkan energi listrik. Secara esensial, alternator berfungsi sebagai konverter, mengubah energi kinetik putaran turbin menjadi energi listrik yang dapat ditransmisikan dan didistribusikan melalui jaringan listrik.
Cerobong Asap
Di sebagian besar pembangkit listrik tenaga panas yang menggunakan batu bara sebagai bahan bakar, proses pembakaran di boiler menghasilkan gas buang. Cerobong asap menyediakan jalur untuk gas buang ini untuk dilepaskan ke atmosfer dengan aman. Operasinya didasarkan pada prinsip draft alami dan efek stack. Udara panas, yang kurang padat, naik, menciptakan draft yang menarik gas buang ke atas. Tinggi cerobong asap adalah faktor kritis; cerobong asap yang lebih tinggi menghasilkan draft yang lebih kuat, memfasilitasi dispersi gas yang lebih efisien.
Menara Pendingin
Seperti namanya, menara pendingin utamanya digunakan untuk mendispersikan panas limbah ke atmosfer. Menggunakan berbagai metode transfer panas, menara pendingin memungkinkan panas dari air untuk menguap, meninggalkan air yang lebih dingin yang dapat digunakan kembali dalam siklus pembangkitan tenaga. Air yang menguap dari uap di kondensor dialirkan ke menara pendingin. Menara pendingin aliran paksa umumnya digunakan di pembangkit listrik tenaga panas, di mana udara dialirkan dari bagian bawah ke bagian atas menara, meningkatkan efisiensi transfer panas.
Kriteria Pemilihan Lokasi untuk Pembangkit Listrik Tenaga Panas
Ketersediaan Bahan Bakar
Mengingat batu bara adalah bahan bakar utama di sebagian besar pembangkit listrik tenaga panas dan jumlah yang diperlukan untuk pembangkitan listrik berskala besar, menempatkan pembangkit listrik dekat dengan tambang batu bara sangat menguntungkan. Proksimitas ini secara signifikan mengurangi biaya transportasi, membuat proses pembangkitan tenaga lebih ekonomis.
Fasilitas Transportasi
Pembangkit listrik tenaga panas memiliki banyak mesin dan peralatan berukuran besar. Oleh karena itu, lokasi pembangkit harus dipilih di daerah dengan infrastruktur transportasi yang baik. Transportasi rel atau jalan raya yang andal sangat penting untuk pergerakan batu bara, serta pengiriman peralatan baru dan transportasi pekerja, teknisi, dan insinyur. Selain itu, ketersediaan transportasi publik di sekitar lokasi memastikan akses yang nyaman bagi tenaga kerja pembangkit.
Ketersediaan Air
Pembangkit listrik tenaga panas membutuhkan jumlah air yang sangat besar untuk menghasilkan uap bertekanan dan bersuhu tinggi. Oleh karena itu, pembangkit harus ditempatkan dekat dengan tepi sungai atau di lokasi dengan pasokan air yang konsisten dan melimpah untuk memenuhi permintaan air yang terus-menerus untuk produksi uap dan proses pendinginan.
Ketersediaan Lahan
Membangun pembangkit listrik tenaga panas membutuhkan luas lahan yang besar. Selain itu, biaya lahan harus masuk akal. Ketika memilih lokasi, pertimbangan untuk ekspansi masa depan juga harus dipikirkan. Karena pembangkit memiliki mesin berat, tanah harus memiliki kapasitas muatan yang cukup, dan fondasi yang kokoh diperlukan untuk menopang peralatan.
Jarak dari Area Padat Penduduk
Pembangkit listrik tenaga panas mengeluarkan gas buang, abu, debu, dan asap selama operasinya, semuanya berpotensi membahayakan kesehatan manusia dan dapat merusak lingkungan sekitarnya. Untuk meminimalkan dampak ini, pembangkit harus ditempatkan jauh dari area perkotaan, komunitas perumahan, dan peternakan. Selain itu, kebisingan yang dihasilkan oleh mesin pembangkit, seperti alternator, transformator, kipas, dan turbin, semakin memerlukan penempatan pembangkit di lokasi terpencil.
Fasilitas Penanganan Abu
Pembakaran batu bara menghasilkan abu, yang mencapai sekitar 30-40% dari total konsumsi batu bara. Penanganan abu yang tepat sangat penting. Abu dikumpulkan dari bagian bawah tungku boiler, dan sebagian besar abu dibawa oleh gas buang. Untuk mengelola abu secara efektif, dua sistem penanganan abu utama digunakan: sistem penanganan abu bawah dan sistem penanganan abu terbang. Lokasi pembangkit harus memiliki fasilitas yang sesuai untuk pembuangan abu yang aman dan ramah lingkungan.
Proksimitas ke Pusat Beban
Energi listrik yang dihasilkan oleh alternator dinaikkan tegangannya oleh transformator daya sebelum ditransmisikan ke pusat beban melalui garis transmisi. Menempatkan pembangkit listrik tenaga panas dekat dengan pusat beban mengurangi biaya transmisi dan kerugian, memastikan distribusi listrik yang lebih efisien dan hemat biaya.
Efisiensi Pembangkit Listrik Tenaga Panas
Dalam pembangkit listrik tenaga panas, pembangkitan listrik melibatkan beberapa tahap konversi energi. Pertama, energi kimia batu bara diubah menjadi energi termal. Energi termal ini kemudian diubah menjadi energi kinetik atau mekanik, yang akhirnya diubah menjadi energi listrik. Karena beberapa tahap konversi energi ini, efisiensi keseluruhan pembangkit listrik tenaga panas relatif rendah, biasanya berkisar antara 20-29%.
Efisiensi pembangkit listrik tenaga panas dipengaruhi oleh berbagai faktor, termasuk ukuran pembangkit dan kualitas batu bara yang digunakan. Sejumlah besar energi panas hilang di kondensor selama proses pembangkitan tenaga. Ada dua jenis metrik efisiensi utama yang digunakan untuk mengevaluasi pembangkit listrik tenaga panas:
Efisiensi Termal
Efisiensi termal didefinisikan sebagai rasio energi mekanik, yang dinyatakan dalam istilah setara panas, yang tersedia di turbin terhadap total energi panas yang dilepaskan selama pembakaran batu bara di boiler. Ini mengukur efektivitas konversi energi panas dari pembakaran batu bara menjadi kerja mekanik yang berguna di turbin.
Efisiensi Termal
Pembangkit listrik tenaga panas biasanya mencapai efisiensi termal sekitar 30%. Sebagian besar, sekitar 50% dari total energi panas yang dihasilkan, hilang sebagai limbah di dalam kondensor. Energi panas yang tersisa hilang melalui berbagai saluran lain, seperti gas buang yang dikeluarkan dari cerobong asap dan abu yang dihasilkan selama pembakaran batu bara. Hilangnya panas yang signifikan di kondensor dan tempat lain menunjukkan ketidakefisienan inheren dari proses pembangkitan tenaga panas tradisional.
Efisiensi Keseluruhan
Efisiensi keseluruhan pembangkit listrik tenaga panas dihitung sebagai rasio setara panas dari output listrik terhadap total panas yang dilepaskan selama pembakaran batu bara. Metrik ini memberikan ukuran komprehensif kinerja pembangkit, mencakup semua tahap konversi energi dari energi kimia yang tersimpan dalam batu bara hingga energi listrik yang disalurkan ke jaringan. Ini mencerminkan seberapa efektif pembangkit dapat mengubah energi dalam batu bara menjadi tenaga listrik yang dapat digunakan, dengan mempertimbangkan kerugian yang terjadi di setiap tahap proses pembangkitan tenaga yang kompleks.
Efisiensi Keseluruhan Pembangkit Listrik Tenaga Panas
Efisiensi keseluruhan pembangkit listrik tenaga panas mencakup semua kerugian yang terjadi sepanjang siklus pembangkitan tenaga. Ini termasuk ketidakefisienan selama pembakaran batu bara, proses transfer panas, operasi turbin uap, dan kinerja alternator, yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Setiap tahap ini berkontribusi pada kerugian energi keseluruhan, yang pada akhirnya menentukan proporsi energi awal dalam batu bara yang berhasil diubah menjadi tenaga listrik yang dapat digunakan.
Efisiensi keseluruhan pembangkit listrik tenaga panas erat kaitannya dengan ukuran dan kapasitas pembangkitan tenaga, biasanya diukur dalam megawatt (MW). Sebagai aturan umum, ada korelasi langsung antara kapasitas pembangkit listrik tenaga panas dan efisiensinya: pembangkit dengan kapasitas lebih rendah cenderung menunjukkan efisiensi keseluruhan yang lebih rendah. Pembangkit yang lebih kecil sering kali tidak memiliki skala ekonomi dan fitur desain yang dioptimalkan yang dimiliki pembangkit yang lebih besar, mengakibatkan kerugian energi relatif yang lebih tinggi di setiap tahap proses pembangkitan tenaga. Ini berarti bahwa sebagian besar energi dari bahan bakar terbuang, mengurangi jumlah listrik yang dapat dihasilkan per unit bahan bakar yang dikonsumsi.
