Uji Heat Rate, Bedah Inefisiensi Pembangkit Listrik

Heat rate pada pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) adalah jumlah pasokan energi yang diperlukan untuk menghasilkan listrik sebesar 1 kWh. Artinya apa ? Jika nilai kalor bahan bakar batubara sebesar 5.000 kcal/ kg dan heat rate suatu PLTU 2.500 kcal/ kWh, maka 1 kg bahan bakar batubara akan menghasilkan listrik sebanyak 2 kWh.
 

Nilai heat rate sangat penting untuk menghitung biaya operasi dan laba PLTU. Jika nilai heat rate pada contoh di atas turun sebesar 4 % menjadi 2.400 kcal/ kWh, maka untuk menghasilkan energi listrik yang sama hanya memerlukan batubara seberat 0,96 kg. Sedikit memang bedanya, kalau hanya penghematan sebesar 0,04 kg. Tapi kalau kapasitas PLTU sebesar 1.000 MW, akan memerlukan batubara dengan nilai kalori 5.000 kcal/ kg sebanyak 3,5 juta ton per tahun.  Jika terdapat efisiensi heat rate sebesar 4 %, maka jumlah batubara yang dapat dihemat per tahun adalah sebesar 140.000 ton. Kalikan dengan harga batubara di lokasi PLTU yang sebesar Rp 600.000,- per ton, nilai efisiensi biaya bahan bakar atau tambahan laba yang diperoleh adalah sebesar Rp 84 milyar.

Mungkinkah efisiensi biaya bahan bakar sebesar 4 % tersebut dicapai ? Apakah semudah itu hanya dengan melakukan uji heat rate ? Tentu tidak. Uji heat rate bertujuan untuk mengidentifikasi terjadinya penurunan kinerja thermal (thermal performance) pembangkit serta menentukan penyebab dan bagian pembangkit yang menyebabkan losses daya dan efisiensi lebih rendah dari seharusnya. Dengan mengetahui kondisi pembangkit yang losses nya melebihi normal, serta bagian mana dari pembangkit yang losses di atas seharusnya, maka dapat dilakukan langkah-langkah perbaikan untuk mengatasinya.

Tentu saja perbaikan dan penyempurnaan kondisi pembangkit tersebut akan memerlukan biaya, namun dengan sendirinya akan terbayar plus keuntungan besar dengan kembalinya efisiensi pembangkit listrik sesuai dengan desain. Ibarat dokter bedah, uji heat rate adalah langkah awal untuk melihat penurunan kinerja organ tubuh pembangkit listrik. Pengujian tersebut dapat dilakukan dengan mudah dan murah. Namun sangat besar manfaatnya untuk meningkatkan efisiensi pembangkit, mengurangi emisi gas rumah kaca, meningkatkan ketersediaan pembangkit, mengurangi biaya operasi dan pemeliharaan, serta pada ujungnya meningkatkan laba.

PLTU

Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) digolongkan sebagai pembangkit listrik pembangkit listrik tenaga thermal yang mengubah energi kimia dalam bahan bakar menjadi energi listrik. Bahan bakar pada PLTU dapat berupa bahan bakar padat (batubara), cair (BBM) serta gas. Namun pada tulisan ini hanya akan dibahas tentang PLTU dengan bahan bakar batubara. Proses konversi energi berlangsung dari batubara menjadi listrik tersebut dapat dibagi dalam 3 tahap :

1. Tahap pertama, terjadi pada boiler yang merubah  energi kimia batubara menjadi uap bertekanan dan temperature tinggi.
2. Tahap kedua berlangsung pada turbin uap yang merubah energi uap menjadi energi putaran mekanik.
3. Tahap ketiga pada generator yang mengubah energi putaran menjadi listrik.

Secara skematis proses konversi energi yang berlangsung pada PLTU dapat dilihat pada bagan berikut :

  Gambar : bagan konversi energi pada PLTU 

Pada setiap tahap perubahan bentuk energi di atas, selain menghasilkan bentuk energi lain sebagai output, juga akan terdapat losses, sehingga tidak energi yang diperoleh tidak sebanyak input energi yang diberikan. Karena sebagian berubah sebagai losses. Secara typical nilai efisiensi pada setiap komponen PLTU adalah sebagai bagan berikut :

 

Gambar : Neraca energi dan tipical efisiensi PLTU (Reference : ASME PTC PM-2002)

Dari bagan tersebut dapat dilihat bahwa pada proses di boiler terjadi losses sebesar 11 %, selanjutnya pada siklus uap-air terjadi losses sebesar 44,7 % , pada turbin dan generator sebesar 2 %, dan untuk keperluan sendiri (station auxiliary) sebesar 2,0 %. Dengan demikian dari input energi pada bahan bakar sebesar  100 %, akan menghasilkan listrik netto sebesar 36,2 %.

Uji Heat Rate

Uji heat rate adalah pengujian yang dilakukan pada PLTU dengan tujuan untuk mengetahui berapa besar input energi panas dari bahan bakar yang dibutuhkan untuk menghasilkan listrik sebesar 1 kWh. Uji heat rate dilakukan pada kondisi yang spesifik, baik bahan bakar, lokasi pembangkit listrik, kapasitas pembangkit maupun variasi beban pembangkit.

Tujuan uji heat rate adalah untuk mengidentifikasi besarnya penurunan kinerja thermal pembangkit, serta menentukan penyebab dan bagian dari pembangkit yang tingkat efisiensi (kinerja) nya menurun dibandingkan dengan kondisi oprimal. Dengan demikian jika terjadi penurunan efisiensi maka dapat dilakukan langkah-langkah perbaikan untuk mengembalikan kinerja pembangkit sehingga mencapai titik optimal.

Terdapat 2 metoda uji heat rate, yaitu : a. Metode Input-Output , dan b. Metoda Energy-Balance. Metoda input-output adalah metode yang sederhana, cepat dan murah, karena hanya mengukur jumlah energi input bahan bakar batubara yang dikonsumsi selama waktu pengujian, yang selanjutnya dibagi dengan jumlah energi listrik yang dihasilkan. Sedangkan pada metode energy-balance memerlukan banyak pengukuran proses konversi energi serta losses yang timbul pada masing-masing bagian pembangkit, selanjutnya dilakukan proses perhitungan yang rumit. Namun proses tersebut juga memiliki keuntungan-keuntungan yang tidak didapat jika kita melaksanakan pengujian dengan metoda input-output.

Keuntungan dan kerugian pada masing-masing metode uji heat rate adalah sebagai berikut :

METODE UJI	KEUNTUNGAN	KERUGIAN
METODE INPUT-OUTPUT	Parameter utama dari efficiency  (output, input) diukur langsung	Aliran bahan bakar, nilai kalor, serta sifat-sifat uap harus diukur secara akurat untuk mengurangi kesalahan
	Memerlukan sedikit pengukuran	Tidak dapat menentukan bagian pembangkit yang menjadi sumber inefisiensi
	Tidak perlu memperkirakan besar losses yang tidak dapat diukur	Tidak dapat dipakai untuk menjadi acuan bagi standar performance masing-masing komponen seperti boiler, turbin atau generator.
METODE ENERGY BALANCE	Pengukuran data primer (analisa flue gas dan temperature flue gas) dapat dibuat secara teliti	Memerlukan banyak pengukuran
	Hasil pengujian dapat dipakai sebagai standar atau kondisi garansi masing-masing komponen.	Tidak langsung mendapat data kapasitas dan output
	Nilai tes efisiensi lebih teliti karena pengukuran dilakukan banyak bagian yang lebih kecil.	Beberapa losses tidak dapat diukur dan harus diperkirakan
	Sumber terjadinya losses pembangkit dapat diidentifikasi

Contoh Perhitungan Uji Heat Rate

Berikut adalah contoh pengujian heat rate dengan metode input-output sesuai ASME PTC PM-2010 , ”Performance Monitoring Guidelines for Power Plants”

Misalnya suatu pembangkit listrik tenaga uap batubara berkapasitas 50 MW diuji heat rate masing-masing selama durasi 2 jam dengan besar beban bervariasi : 50 %, 75 %, 90 % dan 100 %. Selama pengetesan dilakukan pengukuran konsumsi batubara serta produksi energi listrik yang dihasilkan. Diperoleh data berikut :

No.	Beban (%)	Waktu	Konsumsi batubara (kg)	Power Output (kWh)
				Gross	Nett
1	50	08.00-10.00	32.310	47.850	45.300
2	75	11.00 – 13.00	47.100	73.200	69.500
3	90	14.00 – 16.00	56.705	88.475	84.100
4	100	17.00 – 19.00	62.525	98.510	93.900

Sampel batubara yang dipakai diambil masing-masingnya 1 kg untuk diuji di laboratorium.  Dari hasil uji laboratorium didapat nilai HHV batubara yang dipakai =  4.100 kcal/ kg, maka dihitung nilai heat rate dengan rumus sebagai berikut :

1. Gross Heat Rate : ratio energi input to the gross electricity generation

                                   (kcal/kWh or kJ/kWh)

2. Net Heat Rate : ratio energi input to the net electricity generation

                                   (kcal/kWh or kJ/kWh)

Energi input : fuel consumption x Heating value of fuel

Net electricity generation = gross electricity generation – auxiliary power

Hasil uji dan perhitungan heat rate selanjutnya dimasukkan pada table berikut :

No.	Beban (%)	Waktu	Konsumsi batubara (ton)	Power Output (kWh)		Nilai Kalori/ HHV (kcal/kg)	Plant Heat Rate (kCal/kWh)
				Gross	Net		Gross	Nett
1	50	08.00-10.00	32.310	47.850	45.300	4.100	2.768	2.924
2	75	11.00 – 13.00	47.100	73.200	69.500	4.100	2.638	2.778
3	90	14.00 – 16.00	56.705	88.475	84.100	4.100	2.627	2.764
4	100	17.00 – 19.00	62.525	98.510	93.900	4.100	2.602	2.730

Dari angka-angka di atas dapat diketahui bahwa  secara umum nilai heat rate akan meningkat jika pembangkit dioperasikan pada kapasitas rendah. Nilai heat rate tersebut juga akan bervariasi untuk  kapasitas pembangkit yang berbeda. Pembangkit berkapasitas besar umumnya memiliki heat rate yang lebih rendah atau tingkat konversi energy dan efisiensinya lebih baik.

Manfaat Uji Heat Rate

Dengan melaksanakan uji heat rate secara rutin, maka akan diperoleh kondisi kesehatan serta kinerja dari pembangkit listrik. Hal tersebut sangat penting karena angka-angka yang diperoleh pada uji heat rate menunjukkan besar energi thermal yang diperlukan untuk menghasilkan listrik sebesar 1 kWh.  Semakin besar hasil uji heat rate berarti semakin besar bahan bakar batubara yang dipakai untuk menghasilkan energi listrik yang sama, yang berarti biaya bahan bakar meningkat. Jika heat rate secara rutin diuji maka pemborosan bahan bakar dapat dihindari karena gejalanya langsung terdeteksi dan dapat segera dilakukan perbaikan.

Bagi perusahaan hasil uji heat rate dapat dimanfaatkan untuk mengetahui apakah pembangkit listrik yang ada memiliki kinerja yang baik, normal atau kurang baik dengan pembangkit sejenis. Perbandingan nilai heat rate memang perlu dibandingkan dengan pembangkit listrik yang sejenis serta dengan kondisi operasi yang sama, karena nilai heat rate akan berbeda jika kapasitas pembangkit berbeda. Demikian juga akan beda nilainya jika pembangkit tersebut mempunyai kelas kualitas yang berbeda atau beban operasi yang berbeda.

Misalnya data uji heat rate berbagai PLTU batubara dari seluruh dunia dikumpulkan. PLTU batubara tersebut dikelompokkan pada kapasitas terpasang per unit mulai dari 10, 25, 50, 100, 250 dan 500 MW. Selanjutnya PLTU yang ada juga dikelompokkan atas kelas kualitas pembangkit, mulai dari yang terbaik kelas A, normal kelas B, dan yang kurang kelas C. Hasil uji heat rate pada kondisi pembebanan 100 %, disusun pada table berikut :

No.	Kapasitas PLTU (MW)	Net Plant Heat Rate (kCal/ kWh)
		Kelas A	Kelas B	Kelas C
1.	10	3.100	3.300	3.500
2.	25	2.900	3.100	3.300
3.	50	2.750	2.850	3.000
4.	100	2.600	2.700	2.800
5.	250	2.500	2.600	2.700
6.	500	2.400	2.500	2.600

Dengan melakukan uji heat rate dan membandingkannya dengan data berbagai PLTU yang ada, dapat diketahui apakah suatu PLTU telah beroperasi secara optimal, normal, atau di bawah normal. Misalnya hasil uji heat rate suatu PLTU dengan kapasitas 100 MW dari kelas A menunjukkan angka 2.650 kCal/ kWh, maka berarti secara rata-rata nilainya melebihi kondisi normal yang pada table di atas 2.600 kCal/ kWh. Dengan indikasi awal tersebut dapatlah dilakukan berbagai pengujian untuk mengetahui bagian pembangkit yang tidak optimal kinerjanya, sehingga dapat dilakukan perbaikan untuk mengembalikan ke kondisi optimum.

Sumber : http://jonny-havianto.blogspot.com/2013/01/bedah-inefisiensi-pembangkit-listrik.html