Kogenerasi Listrik dan Panas

Diposting oleh : Nur Ifan Syah
NIM               : 41407110117

Seperti yang sudah ditunjukkan oleh lembaga energi dunia, bahwa kebutuhan energi akan meningkat dari tahun ke tahun, khususnya di sektor tenaga listrik untuk memenuhi kebutuhan penduduk dunia yang makin bertambah. Di sisi lain masalah-masalah lingkungan termasuk efek rumah kaca akibat emisi karbon dioksida dan gas-gas lain dari pembakaran bahan bakar fosil, merupakan masalah yang sangat serius di mata Intergovernmental Panel on Climate Change dan lembaga-lembaga lainnya.

Energi nuklir sangat potensial untuk memecahkan masalah seperti ini dan sudah menjadi sumber energi yang sangat berharga dan menguntungkan bagi lingkungan. Dewasa ini sumbangan energi nuklir pada produk listrik dunia sekitar 17%.

Hanya sebagian dari tenaga itu yang sedang direalisasikan. Teknologi mempunyai peran yang lebih besar dalam menjamin pasokan energi yang cocok untuk menghasilkan baik listrik maupun panas untuk rumah tangga, industri serta tujuan-tujuan lainnya.

Pemanfaatan Energi Panas

Di seluruh dunia, sekitar 30% dari total energi utama digunakan untuk menghasilkan listrik. Sebagian besar dari 70% sisanya digunakan baik untuk transportasi atau dikonversi menjdai air panas, uap dan panas. Hal ini menunjukkan bahwa pasaran non listrik terutama untuk air dan uap cukup besar.

Dewasa ini energi nuklir digunakan untuk menghasilkan listrik pada lebih dari 24 negara. Sebanyak 423 pembangkit tenaga nuklir dengan total kapasitas sekitar 324 gigawatt listrik (GWe) sedang beroperasi dan sekitar 80 pembangkit tenaga nuklir dengan total kapasitas sekitar 80 GWe sedang dibangun, dan hanya sebagian kecil dari pembangkit tenaga nuklir sedang digunakan untuk memasok air panas dan uap. Total kapasitas dari pembangkit tanaga nuklir ini kurang dari 5 GW thermal (th) dan sedang dioperasikan pada beberapa negara yaitu Canada dan USSR.

Ada beberapa alasan untuk membedakan listrik dan produksi panas dari energi nuklir. Keduanya termasuk pasaran kogenerasi yang terpisah, ukuran jaringan listrik, biaya yang rendah dari sumber energi pengganti untuk produksi panas dan biaya yang tinggi untuk transportasi dan distribusi.

Untuk aplikasi-aplikasi panasnya, kebutuhan temperatur spesifik sangat bervariasi (Grafik 1). Kebutuhan temperatur spesifik mempunyai batasan mulai dari temperatur yang paling rendah yaitu sekitar temperatur kamar untuk aplikasi seperti air panas dan uap untuk agro industri, selanjutnya untuk pemanasan distrik dan desalinasi air laut, sampai dengan temperatur 1000^oC berturut-turut yaitu uap proses dan panas untuk industri kimia dan uap injeksi bertekanan tinggi untuk enhanced oil recorvery, oil shale dan oil sand processing, proses pengilangan minyak dan produksi olefin dan pengilangan batubara dan lignite. Proses pemisahan air (water splitting) untuk produksi hidrogen adalah pada ujung yang paling atas.

Panas dapat dipasok oleh uap sampai dengan temperatur sekitar 550 ^oC, di atas temperatur tersebut, kebutuhan-kebutuhan harus disediakan secara langsung oleh panas proses, karena tekanan uap menjadi lebih tinggi dari 550^o C. Batas atasnya yaitu 1000^oC untuk panas proses yang dipasok dari energi nuklir adalah diatur dengan dasar kekuatan jangka panjang dari material reaktor yang bersifat logam.

Selain itu tentu ada proses industri dengan kebutuhan temperatur di atas 1000^oC, sebagai contoh, produksi baja. Proses seperti ini dapat menggunakan energi nuklir lewat pembawa energi sekunder, seperti listrik, hidrogen dan gas sintetis.

Energi panas yang dihasilkan reaktor nuklir

Pada semua pembangkit tenaga nuklir, proses utama dalam teras reaktor adalah konversi energi nuklir menjadi panas. Karena itu pada prinsipnya, semua reaktor nuklir dapat digunakan untuk menghasilkan panas. Namun, secara praktis ada 2 kriteria yang menentukan yaitu temperatur panas yang dihasilkan (dari pendingin primer) dan tekanan uap yang dihasilkan.

Berkenan dengan faktor yang pertama, reaktor berpendingin air (water - cooled reactor) memberikan panas sampai 300^oC. Jenis reaktor ini termasuk Pressurized - Water Reactor (PWR), Boiling - Water Reactor (BWR), Pressurized Heavy - Water Reactor (PHWR) dan reaktor bermoderator grafit yang berpendingin air ringan (LWGR).

Reaktor bermoderator air berat dan berpendingin organik (OCHWR) mencapai temperatur sekitar 400^oC, sementara reaktor pembiak/ Liquid Metal Fast Breeder Reactor (LMFBR) menghasilkan panas sampai dengan 540^oC. Reaktor berpendingin gas mencapai temperatur yang lebih tinggi, sekitar 650^oC untuk reaktor bermoderator grafit yang berpendingin gas maju dan reaktor bermoderator grafit yang berpendingin gas temperatur tinggi 950^oC (HTGR). (Grafik 2)

Selanjutnya di samping temperatur maksimum dari pendingin primer, pertimbangan penting yang lainnya adalah perbedaan temperatur di antara pendingin masuk dan pendingin ke luar.

Tekanan dari uap yang dihasilkan adalah penting jika pada penggunaan dalam bidang enhanced oil recorvery: kedalaman sumber minyak, tekanan uap injeksi yang lebih tinggi. Di sini, jenis reaktor yang mempunyai pendingin primer selain air (OCHWR, LMFBR, AGR dan HTGR) mempunyai keuntungan yang mana dengan mudah dapat menghasilkan uap injeksi dengan tekanan yang lebih tinggi (sebagai contoh, 10MPa) untuk kedalaman ladang minyak sekitar 500m. Untuk reaktor berpendingin air, proses mencapai tekanan seperti ini akan membutuhkan step tambahan yaitu kompresi uap.

Kopel panas dan listrik

Seperti yang sudah disebutkan sebelumnya, proses konversi utama di dalam reaktor nuklir adalah konversi energi nuklir menjadi panas. sehingga di dalam banyak aspek, penggunaan reaktor nuklir sebagai penghasil listrik secara teknis juga dapat digunakan sebagai penghasil panas. Baik itu dalam bentuk uap panas atau air panas. Perbedaannya adalah kenyataan bahwa uap tidak dapat ditransportasikan pada jarak yang panjang secara lebih ekonomis dibandingkan untuk listrik. Tetapi akan memberikan dampak ekonomi yang baik jika digunakan untuk keperluan proses-proses di dalam industri. Untuk memberikan hasil yang optimum, penggunaan panas untuk industri harus disesuaikan dengan ukuran dan tipe reaktor nuklir. Ada beberapa alternatif kopel yang dapat dilakukan untuk memenuhi kebutuhan khusus suatu industri dan pembangkitan listrik yang diinginkan. Secara umum tiga metode dasar alternatif kopel sumber panas reaktor nuklir adalah sebagai berikut :

1. Kopel panas langsung (Direct steam coupling)
   
   Di dalam kopel panas langsung, reaktor nuklir memproduksi panas dan mensuplai langsung kebutuhan proses-proses di dalam industri tanpa ada listrik yang dihasilkan sebagai hasil samping (Gambar 1).Gambar 1
   
   
2. Kogenerasi paralel (Parallel cogeneration)
   
   Di dalam kogenerasi paralel, uap yang dihasilkan digunakan untuk listrik bersamaan untuk kebutuhan proses-proses di dalam industri. Dimana uap yang dihasilkan, secara paralel digunakan untuk produksi listrik dan memenuhi kebutuhan industri (Gambar 2). Kopel semacam ini banyak disukai dan meningkat penggunaannya karena sifatnya yang mudah disesuaikan di dalam pemanfaatan energi. Konsumsi energi total akan sama, jika uap dan listrik diproduksi secara terpisah.Gambar 2
   
   
3. Kogenerasi seri (Series cogeneration)
   
   Di dalam kogenerasi seri, uap yang dihasilkan digunakan untuk listrik kemudian digunakan untuk kebutuhan proses-proses di dalam industri. Dimana uap yang dihasilkan digunakan secara seri (Gambar 3).Gambar 3
   
   

Model yang lain adalah kogenerasi panas dan listrik. Kogenerasi paralel dicapai dengan proses ekstraksi beberapa uap dari sisi sekunder generator uap, sebelum masuk ke turbin. rangkaian kogenerasi dicapai pada saat temperatur telah sesuai aplikasi yang diinginkan yaitu proses ekstraksi dari sebagian atau seluruh uap pada beberapa waktu selama ekspansi uap dalam turbin. Selama siklus ini, uap yang sudah diekstraksi sudah digunakan untuk produksi listrik. Rangkaian kogenerasi cocok digunakan untuk proses industri yang berhubungan dengan pemanasan distrik, desalinasi dan pertanian.

Penerapan kopel panas dan listrik

Dewasa ini sejumlah negara mempunyai pembangkit tenaga nuklir yang sedang digunakan untuk produksi air panas dan uap. Jumlah total kapasitasnya kurang dari 5 GWth.

Pengalaman nyata dalam kogenerasi listrik dan panas sudah ditingkatkan di negara-negara sebagai berikut, yakni di Uni Sovit. Pengalaman ini meliputi reaktor-reaktor di Beloyarsky, Kursk, Novovoronezh, Rovno dan Kol'skaya di Uni Soviet. Universitas Tsinghua di China, Bruce Nuclear Power Development di Canada, Bohunice di Czechoslovakia, Goesgen dan Beznau di Switzerland dan Stade di Jerman.

Sebuah tinjauan teknis dari beberapa aplikasi adalah sebagai berikut :Reaktor Panas di China

Pada Institut Teknologi Energi Nuklir (INET), Universitas Tsinghua, Beijing, sebuah reaktor panas nuklir dengan kapasitas 5 MWth mulai beroperasi selama musim dingin 1989-1990. Digunakan untuk memasok panas ke pusat INET dengan pengalaman pengoperasian reaktor sudah sangat baik. Prinsip-prinsip disain reaktor tersebut mengikuti disain dari PWR. Tekanan dan kondisi temperatur pada loop primer adalah 186/146 C. Temperatur pada loop menengah adalah 160/110 pada 1,7 MPa, dan pada grid panas, 90/60.

Kogenerasi paralel dari uap proses dan panas di Canada

Satu pemakaian yang terbesar dari uap proses terjadi pada Bruce Nuclear Power Development Facility di Ontario, Canada. PHWR Candu pada lokasi ini mampu menghasilkan lebih dari 6000 MWe listrik serta uap proses dan panas yang digunakan oleh Ontario Hydro dan stasiun energi industri yang berdekatan.

Stasiun nuklir Bruce-A terdiri dari 4 unit 825 MWe yang membangkitkan listrik. Selanjutnya, pembangkit memasok uap ke alat pembangkit uap. Alat ini membangkitkan panas proses 720 MWth dan uap untuk produksi air berat, 70 MWth untuk digunakan pada pusat energi Bruce dan 3 MWth untuk pelayanan lainnya.

Siklus ini bersifat khusus untuk kogenerasi paralel. Panas nuklir yang telah dihasilkan dalam reaktor ditransfer ke dalam generator uap bersamaan dengan uap dipasok ke turbin dan kemudian secara langsung diumpankan ke alat pembangkit uap. Uap yang diekstraksi tidak digunakan untuk menghasilkan listrik.

Rangkaian kogenerasi air panas untuk pemanasan distrik di Czechoslovakia

Stasiun tenaga nuklir Bohunice terdiri dari 2 unit VVER-440/320 yang telah dirancang Soviet dan 2 unit VVER-440/213. Semua unit ini sedang dalam pelayanan. Masing-masing unit tediri dari reaktor dengan daya termal 1375 MWth, 6 generator uap horizontal dan 2 turbin kondensasi. Pembangkit kogenerasi listrik dan panas temperatur rendah untuk tujuan pemanasan, industri dan pertanian di area dekat Trnava.

Dalam rangkaian siklus kogenerasi, air dipanaskan hingga temperatur 70^oC dan 150^oC. Turbin mampu memasok 60 MWth panas (Gambar 4).Gambar 4

Rangkaian kogenerasi untuk desalinasi air laut di USSR

Pemanfaatan sumber-sumber alam pada daerah kering di Kazachstan bagian barat, USSR menjadikan masalah-masalah dalam hal memasok listrik dan air dapat dipecahkan. Penyumbang penting pada usaha ini sudah ada di kompleks Shevchenko yaitu fast breeder reactor jenis BN-350, 3 stasiun daya termal dan alat desalinasi dengan peralatan destilasi termal. Kompleks ini merupakan pembangkit uji coba pertama di dunia, dan satu-satunya untuk sementara waktu, dimana sebuah reaktor nuklir digunakan dalam desalinasi air laut.

Di dalam proses, generator uap BN-350 dan unit boiler memasok uap ke beberapa turbin yang berbeda. Uap dari unit BN-350 pada tekanan 4,5 MPa dan 450 langsung ke turbin back-pressure dan ke turbin kondensasi. Uap dari turbin back-pressure langsung ke arah unit desalinasi dan industri-industri.

Kompleks Shevchenko adalah pusat terluas dari desalinasi termal komersil di USSR. Ada 12 unit desalinasi yang beroperasi pada kompleks dengan total kapasitas 140.000 M3/ air destilat setiap hari.

Masalah ekonomi dari kogenerasi nuklir

Pembangkit listrik tenaga nuklir, maupun infrastruktur untuk transportasi dan distribusi dari air panas dan uap adalah merupakan teknologi padat modal (mahal). Sedangkan pembangkit tenaga nuklir sudah membuktikan secara ekonomis bersaing dengan pembangkit listrik itu sendiri. Perbedaan faktor-faktor biaya meliputi untuk kogenerasi dan model produksi panas.

Aturan menonjol berikut ini dapat digunakan : biaya panas kogenerasi sama dengan biaya listrik dibagi dengan koefisien kinerja alat, sebuah faktor yang tergantung pada jenis reaktor dan parameter-parameter lain sedang dipertimbangkan.*

Dengan menggunakan aturan tersebut, gambaran biaya untuk kogenerasi sudah dapat dihitung, sebagai contoh : Modular High-Temperature Gas Cooled Reactor (MHTGR) di Jerman. Dalam contoh ini, biaya listrik sama dengan 5 US cent/kilowatt-hour-electric, biaya uap sama dengan 1,7 US cent/kilowatt-hour-thermal dan biaya air panas sama dengan 0,5 US cent/kilowatt-hour-thermal. Biaya ini adalah biaya yang diperhitungkan untuk waktu hidup MHTGR selama 40 tahun.

Gabungan dari energi nuklir dan energi fosil

Lebih dari 80% dari penggunaan energi dunia didasarkan pada sumber energi fosil, yaitu batubara, minyak dan gas. Pembakaran bahan bakar ini dapat menyebabkan masalah lingkungan yang disebabkan dari emisi sulfur oksida, nitrogen oksida dan karbon dioksida.

Untuk memecahkan masalah-masalah seperti ini, satu pendekatan yang sudah diajukan adalah penggabungan sistem energi. Sebuah contoh untuk suatu sistem penggabungan di masa datang adalah aplikasi panas nuklir untuk proses reformasi gas alam (Gambar 5). Gas sintesa, methanol, hidrogen, panas dan listrik akan dihasilkan dari gas alam dan uranium dengan menggunakan proses reformasi-HTGR. Dalam proses ini, gas alam terurai menjadi hidrogen dan karbon monoksida. Hasil utama methanol, hidrokarbon cair dan hidrogen. Sedang hasil sampingnya adalah panas dan listrik.Gambar 5

Contoh lain dari pendekatan yang telah digabungkan ini adalah terlihat dalam industri minyak. Beberapa studi sudah dilakukan pada pemanfaatan tenaga nuklir sebagai sumber panas untuk eksploitasi minyak berat. Studi ini telah menunjukkan bahwa pilihan pada tenaga nuklir memberikan keuntungan pada ekonomi dan lingkungan sebagai perbandingan terhadap metode konvensional, pada kondisi pasar minyak yang menguntungkan.

Contoh ketiga adalah penggabungan dari batubara dan energi nuklir dalam industri baja. Dilihat dari sudut pandang teknologi, contoh tersebut merupakan penggabungan yang paling ambisius. Hal ini meliputi gasifikasi batubara keras yang dipanaskan oleh helium panas dari HTGR.

Hasil menengah adalah gas sintesa dan kokas yang digunakan untuk proses reduksi biji besi. Produk akhir adalah methanol dan besi glubal.

Kesimpulan

Ada suatu pemikiran yang mendalam untuk menjadikan fungsi pembangkit nuklir untuk menghasilkan uap dan panas bagi kebutuhan rumah tangga dan industri.

Di beberapa negara tertentu, kogenerasi dan produksi panas dengan reaktor nuklir sudah pada jalur yang efektif untuk mempertemukan jenis kebutuhan energi yang berbeda-beda. Potensi untuk menerapkan teknologi ini secara lebih luas memberikan suatu harapan yang baik. Perhatian internasional pada masalah-masalah lingkungan dan masalah-masalah lain muncul kembali karena meningkatnya pembakaran terahadap bahan bakar fosil.

Sejalan dengan hal tersebut, IAEA mengumpulkan ahli-ahli pada suatu pertemuan pada tahun 1990 untuk meninjau kembali status kogenerasi dan sistem produksi panas yang didasarkan pada nuklir. Dokumen teknis penerapan nuklir untuk produksi uap juga untuk mensuplai air panas sudah disiapkan untuk publikasi, sehingga menyebar luaskan pertukaran pengalaman di bidang ini.

Walaupun kebutuhan energi meningkat, pertimbangan yang lebih teliti terhadap baik buruk teknologi ini perlu dilakukan di antara teknologi yang ada.