Silahkan subscribe email Anda untuk mendapatkan informasi dari kami, artikel terbaru, dokumen PDF, Flipbook, e-Book dan informasi penting lainnya.

Email Anda akan kami jaga kerahasiaannya dan tidak akan kami gunakan untuk spamming

Hydrogen Cooling System

Proses Pendinginan dengan Hydrogen

Hydrogen Cooling – Agar dihasilkan energi listrik yang optimal dari suatu unit pembangkit, diperlukan sistem pemeliharaan peralatan, salah satunya adalah mengenai sistem pendinginan. Sistem pendinginan diperlukan agar peralatan, seperti pada generator listrik tetap dalam kondisi terbaik saat melakukan fungsinya. Sistem pendinginan juga digunakan untuk mengurangi penurunan kualitas isolator, kerugian hambatan tembaga listrik, kerugian gesekan, dan penurunan lifetime pada peralatan elektrik.

Gas hidrogen menjadi pilihan terbaik untuk menggantikan udara, nitrogen bahkan helium sebagai media pendingin generator terutama pada generator-generator berukuran besar. Hidrogen dipilih karena karakteristik-karakteristiknya yang sangat baik jika digunakan sebagai pendingin, sebut saja konduktivitas termalnya yang tinggi (0,168 W/m·K), massa jenisnya yang sangat ringan, dan juga kalor spesifik yang tinggi. Dengan karakteristik tersebut, menjadikan hidrogen 7-10 kali lebih baik daripada udara jika digunakan sebagai pendingin. Hal ini bisa diibaratkan, untuk membangkitkan daya listrik yang sama, generator berpendingin udara akan berukuran 7-10 kali kebih besar dibandingkan dengan generator berpendingin hidrogen. Oleh karena itulah, untuk generator-generator berukuran besar, sistem pendingin hidrogen akan menjadi lebih ekonomis jika dibandingkan dengan menggunakan pendingin udara. Sebenarnya gas helium memiliki konduktivitas termal yang baik pula (0,142 W/m·K), namun karena harganya yang jauh lebih mahal ketimbang hidrogen, maka helium tidak digunakan.

Untuk mendapatkan gas hydrogen, diperlukan keberadaan hydrogen plant. Pada hydrogen plant, digunakan suatu generator hidrogen yang berfungsi sebagai pemisah antara hidrogen dan oksigen lewat proses elektrolisis. Generator ini memiliki inti yang di dalamnya adalah electrolysis module yang merupakan tempat terjadinya pemisahan elemen-elemen air.

Kendala yang umum terjadi pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) adalah waktu starting yang cukup lama. Sedangkan pada Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG), kendala ada pada biaya karena bahan bakar yang digunakan cukup mahal. Selain itu frekuensi start-stop harus diperhitungkan karena akan memperpendek usia peralatan karena meningkatnya keausan. Mengingat suhu pada saat operasi sangat tinggi, oleh karena itu perlu dilakukan upaya pendinginan untuk mengoptimalkan operasi dan mengurangi rugi-rugi karena pemanasan.

Operasi generator listrik selama proses pembangkitan tidak hanya menghasilkan energi listrik, hal ini juga menghasilkan panas dalam generator. Kenaikan temperatur tidak dapat dihindari karena merupakan efek dari proses konversi energi.

Sistem pendinginan generator dibutuhkan diantaranya :

  1. Menyerap panas yang timbul di dalam generator.
  2. Melindungi isolasi. Hal ini karena panas yang lebih tinggi dapat merusak isolasi, tetapi dengan adanya sistem pendingin, panas di dalam generator dapat diserap.
  3. Menaikkan efisiensi generator karena output generator akan lebih besar saat sistem pendingin digunakan.

Peralatan yang terdapat di unit pembangkit membutuhkan perawatan yang ekstra, karena hampir semua peralatan berhubungan temperature tinggi, baik secara langsung maupun tidak langsung. Sehingga, diperlukan suatu sistem pendingin agar suhu peralatan dapat terjaga dari kondisi overheating.

Untuk menjaga peralatan dari kondisi overheating, sistem pendingin peralatan juga harus memiliki kemampuan yang tinggi dalam mempertahankan keadaan konstan baik untuk tekanan maupun suhu. Dikarenakan, keadaan yang tidak stabil dapat mengakibatkan peralatan otomatis shutdown. Apabila sistem pendingin tidak bekerja dengan baik, maka rugi-rugi yang akan timbul semakin besar.

Kerugian yang dapat ditimbulkan oleh panas di dalam generator diantaranya :

  1. Penurunan kualitas isolator
  2. Kerugian hambatan tembaga listrik
  3. Kerugian gesekan (friction loss)
  4. Penurunan lifetime pada peralatan elektrik

Hidrogen memiliki keunggulan sebagai media pendingin dibandingkan dengan udara dan air. Keunggulan yang utama dari hidrogen adalah karena gas ini memiliki daya hantar panas yang lebih tinggi sehingga dapat menyerap panas lebih banyak, selain itu gas ini mempunyai kerapatan (berat jenis) yang jauh lebih kecil daripada udara dengan demikian dapat mengurangi kerugian gesekan.

Proses pendinginan generator listrik dengan menggunakan gas hidrogen sebagai media pendingin langsung mengenai bagian dalam generator/ kontak langsung dengan generator. Gas hidrogen masuk melewati sebuah valve ke body generator yang kemudian disirkulasikan oleh fan/ blower yang ada di dalam generator listrik. Selama generator listrik bekerja, dalam melakukan pendinginan, temperatur gas hidrogen akan meningkat.

hydrogen

Di dalam generator listrik tersebut, terdapat pula hydrogen cooling yang berfungsi untuk menjaga suhu gas hidrogen agar tetap dingin sehingga dapat menjalankan fungsinya secara optimal. Apabila tidak beroperasi, gas hidrogen akan terus terjaga di dalam generator, tetapi tidak memerlukan pendinginan oleh hydrogen cooling.

Campuran gas hidrogen dan udara menimbulkan peledakan (explosion) jika volume nya mencapai 5 ~ 70%. Tekanan gas hidrogen dalam generator listrik kira-kira 2 kg/cm2. Sistem ventilasi digunakan untuk mengambil panas dari dalam generator listrik.

Sistem sirkulasi hidrogen di dalam alternator secara konvensional dengan menggunakan dua unit blower aksial yang masing-masing dipasang pada bagian ujung-ujung seperti pada gambar diatas, dimana blower terpasang satu shaft dengan generator yang bertugas mensirkulasikan hidrogen tersebut agar terus berputar menjangkau segala sisi generator.

Seperti pada gambar diatas dapat dilihat bahwa gas hidrogen yang telah melewati pendinginan dari hydrogen cooler disirkulasikan dari dua sisi ujung-ujungnya menggunakan blower, kemudian masuk ke celah-celah inti rotor dan stator. Hidrogen yang telah menyerap panas dari komponen-komponen generator, kemudian masuk ke cooler untuk didinginkan dengan menggunakan media air yang juga terus bersirkulasi dan membuang panas ke luar sistem.

Disamping sistem seperti dijelaskan terdapat sistem sirkulasi hidrogen pendingin alternator dengan sistem” Hydrogen Inner Cooling “, yaitu sistem sirkulasi hidrogen melewati sisi-sisi kumparan langsung sehingga panas yang timbul pada kumparan langsung dapat diserap oleh hidrogen disamping juga ada celah-celah pada inti. Sistem ini biasanya cukup dengan satu unit blower (rotor blade). Adapun konstruksi dan sistem sirkulasi hidrogen adalah seperti pada gambar berikut :

hydrogen-sirkulasi

 

Ada 2 macam sistem ventilasi Generator yaitu :

1. Sistem Ventilasi Conventional Hydrogen-Cooled Machines

Frame stator diisi hidrogen dengan tekanan 2,0 kg/cm2-g. Gas disirkulasikan oleh blower untuk mendinginkan semua bagian komponen. Sirkulasi gas dipengaruhi oleh dua propeller-type blower yang dipasang pada setiap ujung poros rotor.

hydrogen-cooler1

Stator and Rotor Ventilation.

 

2. Sistem Ventilasi Inner-Cooled Machines

Gas hidrogen dalam stator frame disirkulasikan paralel dalam berbagai komponen dalam mesin, seperti core stator dan coil, main leads, lead bushing dan rotor coil. Pada tipe kompresor multistage, blower dipasang pada ujung sisi turbin dari frame stator. Tekanan hidrogen 3-5 kg/cm2-g. Dua set hydrogen cooler dipasang vertikal pada outlet blower. Gas dari cooler diarahkan ke lingkaran luar core stator ke coil stator vent-tubes inlet pada sisi exciter, gas inlet main leads and bushings, serta ke kedua ujung coil rotor.

hydrogen-cooler

Ventilasi inner-cooled machines

 

Prinsip Kerja Hydrogen Plant

Proses produksi hidrogen membutuhkan dua peralatan atau bagian utama, yaitu hydrogen generator dan power supply. Keduanya digunakan untuk dapat melakukan proses elektrolisis. Proses elektrolisis merupakan inti dari sistem produksi gas hidrogen pada hydrogen plant. Proses ini membutuhkan input berupa air murni dan listrik.

Elektrolisis yang dilakukan pada hydrogen plant ini adalah peristiwa penguraian senyawa air (H2O) menjadi oksigen (O2) dan gas hidrogen (H2) dengan menggunakan arus listrik. Arus listrik yang dialirkan ke dalam air. Pada katoda, dua molekul air bereaksi dengan menangkap dua elektron, kemudian tereduksi menjadi gas H2 dan ion hidroksida (OH). Pada annoda, dua molekul air lain terurai menjadi gas oksigen (O2), melepaskan 4 ion H+ dan mengalirkan elektron ke katoda. Ion H+ dan OHmengalami netralisasi sehingga terbentuk kembali beberapa molekul air. Dalam reaksi kimia, produksi gas hidrogen pada hydrogen plant ini dapat digambarkan sebagai berikut:

hydrogen-rumus

Dalam reaksi di atas, digunakan KOH sebagai katalis. KOH yang memiliki nama lain Kalium Hidroksida (IUPAC name: Potassium Hidroxide) dapat mempercepat proses atau reaksi kimia dalam memproduksi gas hidrogen.

hydrogen_process

Oksigen yang dihasilkan dari proses elektrolisis ini dibuang ke udara. Sedangkan  gas hidrogen ditampung dan dialirkan ke dalam generator sebagai media pendingin.

hydrogen-plant

Hydrogen Plant

 Hidrogen merupakan gas yang sangat mudah terbakar atau meledak. Namun ingatkah Anda tentang segitiga api? Sekalipun hidrogen pada generator bekerja pada temperatur tinggi, jika kita dapat menjauhkan hidrogen dari oksigen, maka segitiga api akan terputus, dan hidrogen menjadi aman dari resiko terbakar. Untuk mengatasi masalah ini, ada beberapa sistem pendukung yang digunakan untuk mencegah agar hidrogen selalu dalam keadaan murni (dijaga sekitar 99%), serta tidak akan kontak langsung dengan udara atmosfer. Sebuah sensor purity meter digunakan untuk memonitor secara real-time tingkat kemurnian hidrogen. Dengan alat ini, sekecil apapun hidrogen tercampur dengan gas lain akan mudah diketahui. Jika pembacaan kemurnian hidrogen turun, sebuah sistem purging selalu siap digunakan untuk meningkatkan angka kemurnian hidrogen. Sistem purging biasanya juga termasuk di dalamnya sistem kontrol tekanan hidrogen agar selalu terjaga pada tekanan tertentu. Di sisi lain, ada sebuah sistem bernama hydrogen dryer yang juga berfungsi untuk menjaga kemurnian hidrogen dari kelembaban yang jika dibiarkan berpotensi memicu adanya percikan api di dalam generator. Satu sistem pendukung lain bernama sistem Seal Oil yang akan dibahas pada artikel lain, berfungsi untuk mencegah adanya kebocoran hidrogen ke udara bebas mengingat media pendingin hidrogen digunakan pada sisi rotor generator yang tentunya ada sisi potensial kontak (pada bearing generator) antara udara dengan hidrogen. Sistem-sistem pendukung generator berpendingin hidrogen tersebut akan dibahas lebih detail pada artikel selanjutnya.

Generator terbentuk dari jutaan lilitan kawat yang tersusun menjadi kumparan di dua sisi sektor yang berbeda yakni rotor dan stator. Kumparan-kumparan tersebut akan menghasilkan panas yang sangat tinggi pada saat generator beroperasi. Hidrogen sebagai pendingin generator akan mengalir menyelubungi kumparan-kumparan tersebut, menyerap panasnya, dan membuangnya di pendingin heat exchanger. Ada dua jenis sistem pendinginan hidrogen pada generator yang lazim digunakan yakni hidrogen mendinginkan generator rotor sekaligus stator, serta generator dengan pendingin hidrogen untuk sisi rotor dan air pada sisi stator. Generator yang menggunakan pendingin hidrogen pada rotor dan air pada sisi stator biasanya berukuran besar dan menghasilkan Megawatt listrik di atas 500 MW.

hydrogen1

Generator berpendingin hidrogen mensirkulasikan hidrogen ke seluruh sisi kumparan generator baik itu rotor maupun stator. Sebuah kipas aksial yang terpasang satu shaft dengan generator bertugas mensirkulasikan hidrogen tersebut agar terus berputar menjangkau segala sisi generator. Namun demikian, aliran hidrogen tidak menjangkau sisi dalam kumparan rotor, ia hanya mendinginkan sisi luarnya saja sehingga bisa dikatakan kumparan stator didinginkan hanya secara tak langsung (indirect cooler). Di beberapa titik sesuai dengan gambar di atas terdapat pendingin heat exchanger yang berfungsi untuk mendinginkan hidrogen yang telah menyerap panas komponen-komponen generator. Media pendingin hidrogen tersebut adalah air yang juga terus bersirkulasi dan membuang panas ke luar sistem.

hydrogen2

Untuk generator berpendingin hidrogen dan air, hidrogen menjadi media pendingin rotor sedangkan air bertugas mendinginkan kumparan stator. Seperti sistem sebelumnya, hidrogen bersirkulasi dengan bantuan kipas yang ikut berputar dengan rotor sehingga dapat menjangkau seluruh bagian rotor. Pada akhir sistem sirkulasi, hidrogen tersebut masuk ke dalam pendingin heat exchanger untuk membuang panasnya ke media air. Sedangkan pada sisi stator, air menjadi pendingin yang mampu menjangkau seluruh bagian dalam kumparan yang tidak kita dapatkan pada sistem sebelumnya. Dengan sistem pendinginan seperti ini, tercatat desain generator terbesar yakni mampu menghasilkan listrik 858 Megawatt.

Hydrogen Cooling

|
|
|
| Endurra Indonesia