Sistem Pendingin Hidrogen pada Generator Listrik

Tidak dapat dipungkiri bahwa generator listrik wajib memiliki sistem pendingin yang sangat baik untuk membuang panas yang tercipta di dalamnya. Jika panas di dalam generator tidak secepatnya dibuang, ia akan secara langsung merusak generator itu sendiri. Panas berlebih dapat secara ekstrim merusak kumparan rotor, stator, bahkan akan membakar komponen-komponen generator tersebut.

Udara menjadi satu media populer yang digunakan untuk mendinginkan generator. Jumlahnya yang melimpah dan murah menjadi alasan kuat untuk terus menggunakannya. Namun demikian sistem pendingin udara yang digunakan pada generator ternyata menyimpan kelemahan. Udara tidak mampu mendinginkan generator dengan kapasitas di atas 425 Megawatt. Selain konduktivitas kalornya yang tidak mencukupi, massa jenisnya yang terlalu berat juga menjadi kerugian lain. Untuk itulah dibutuhkan gas jenis lain yang lebih baik di sisi konduktivitas termal maupun karakteristik lainnya.

Gas hidrogen menjadi pilihan terbaik untuk menggantikan udara 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 swbagai 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 ia tidak digunakan.

Tetapi bukankah hidrogen adalah gas yang sangat mudah terbakar? Ya, hidrogen memang 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 masalah inipun sudah 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 kemurnian hidrogen (purity meter) digunakan untuk selalu 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 angka 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 kami perkenalkan lebih lanjut nantinya, 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 kita bahas lebih detail pada kesempatan 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.

Generator Berpendingin Hidrogen



Generator hanya 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.

Generator Berpendingin Hidrogen dan Air

Untuk generator berpendingin hidrogen dan air, mereka berbagi tugas sehingga hidrogen menjadi media pendingin rotor sedangkan air bertugas untuk mendinginkan kumparan stator. Selayaknya sistem sebelumnya, hidrogen bersirkulasi dengan bantun 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.

Credit: Wikipedia: Hydrogen Cooled Generator, Electrical Engineering Design

Sistem Pendingin Udara pada Generator Listrik

Telah kita bahas pada kesempatan sebelumnya bagaimana sebuah generator listrik dapat menghasilkan panas yang bersifat merugikan proses konversi energi gerak menjadi listrik. Jika hal ini dibiarkan begitu saja, panas yang timbul dapat mengurangi performa generator secara signifikan, menciptakan keausan dan kerusakan yang parah, bahkan dapat melelehkan kumparan tembaga yang ada. Tentu saja hal-hal tersebut sangat dihindari pada sebuah generator listrik. Maka di sinilah peran penting sistem pendingin generator berada. Sistem pendingin ini bertugas untuk menyerap panas yang timbul pada setiap sudut komponen generator dan membuangnya ke luar sistem.

Secara umum sistem pendingin pada generator dikelompokkan menjadi tiga berdasarkan beban listrik yang ditanggungnya. Generator dengan beban hingga 300 MW dapat didinginkan hanya dengan udara sirkulasi saja. Untuk generator berbeban 250 hingga 450 MW perlu menggunakan pendingin gas hidrogen. Sedangkan generator berukuran besar dengan beban listrik hingga 1800 MW, wajib menggunakan sistem pendingin hidrogen dan air bersirkulasi sekaligus. Akan tetapi pengklasifikasian tersebut tidaklah baku, sebab inovasi sistem pendinginan generator terus dilakukan. Bahkan saat ini generator 425 MW sudah mampu didinginkan dengan hanya sistem pendingin udara saja.

 photo FBCC60FF-891B-466D-A5B5-29A25F70D485.png.jpeg
Perkembangan Sistem Pendingin Generator

Generator Bersistem Pendingin Udara

Sejak awal diaplikasikannya generator untuk kebutuhan industri di tahun 1844, udara telah menjadi fluida yang paling lazim digunakan sebagai pendingin generator. Jumlahnya yang melimpah serta konduktifitas termalnya yang cukup baik menjadi alasan utama mengapa udara digunakan sebagai media pendingin generator. Menggunakan udara sebagai coolant juga tidak memerlukan sistem seal yang rumit seperti pada generator berpendingin hidrogen. Alhasil, generator dengan pendingin udara memiliki harga yang lebih murah ketimbang tipe lainnya.

Harga yang relatif murah menjadi dasar utama dikembangkannya generator berpendingin udara hingga mampu menghasilkan daya semu (MVA) energi listrik semaksimal mungkin. Generator berpendingin udara terbesar saat ini yang diketahui, mampu menghasilkan energi listrik hingga 400 MVA. Hingga saat ini angka 400 MVA tersebut masih yang paling maksimum. Mengapa bisa demikian? Mengapa generator berpendingin udara tidak (atau mungkin belum) mampu mencapai angka lebih tinggi lagi?

Secara teoritis, daya semu (S) yang dihasilkan oleh generator dipengaruhi oleh beberapa faktor sesuai dengan rumusan berikut:

S = k D2 L B A n

Dimana:

k = konstanta

D = diameter rotor

L = panjang aktif

B = induksi gap-udara

A = kerapatan arus linear

n = kecepatan putaran

Berdasarkan rumusan di atas nampak bahwa untuk meningkatkan produksi listrik sebuah generator, ada beberapa parameter yang dapat "dimainkan". Tapi perlu diingat pula bahwa ada batasan-batasan spesifik sehingga beberapa parameter tidak mungkin dipermainkan secara ekstrim. Seperti induksi gap-udara misalnya tentu tidak mungkin dibuat terlalu besar, mengingat kekuatan induksi magnet yang juga ada batasnya. Begitu pula dengan meningkatkan kerapatan arus linier, sebab besar arus linier berkaitan langsung dengan panas yang dihasilkan oleh kumparan. Semakin besar arus kumparan memang akan membuat induksi magnet semakin besar, namun juga akan meningkatkan kerugian panas pada kumparan, yang tentunya menuntut sistem pendinginan yang lebih besar.

 photo F58FA68F-BE2A-4144-BE59-168FAED9B683.png.jpeg

Telah diketahui bahwa memperbesar ukuran generator 10% saja, mampu menaikkan kemampuan produksi listrik generator 225 MVA hingga 30% menjadi 300 MVA. Namun memperpanjang ukuran generator juga tidak mudah, sebab kekuatan material inti rotor juga harus sangat diperhatikan. Bahaya bending dan momen puntir harus sangat diperhatikan jika ingin memperpanjang ukuran generator. Parameter lain seperti diameter rotor juga tidak memungkinkan untuk terlalu ekstrim diperbesar, sebab akan diperlukan momen torsi yang terlalu besar untuk memutar generator tersebut. Resiko vibrasi dan tegangan mekanis yang berpotensi terhadap kerusakan parah juga siap mengincar.

Batasan-batasan inilah yang menjadi alasan mengapa ukuran generator dengan pendingin udara tidak mampu melebihi ukuran di atas 400 MW. Namun demikian, kemajuan teknik desain generator saat ini telah berhasil membuat generator berpendingin udara terbesar yang mampu memproduksi energi listrik hingga 425 MW. Dengan sistem sirkulasi udara khusus, proses pendinginan generator dapat berjalan dengan efisien.

 photo EAB15928-430A-4228-9617-00EA347ECAC5.png.jpeg

Pengertian Daya Semu, Daya Nyata, dan Daya Reaktif

Daya semu, daya nyata, dan daya reaktif dianggap sebagian engineer sebagai sesuatu yang sulit untuk dipahami. Terutama karena sulitnya untuk mengimajinasikan daya-daya tersebut. Namun sebenarnya cukup mudah untuk memahami apa itu daya semu, daya nyata, dan daya reaktif. Hanya dibutuhkan sebuah pandangan yang lebih luas mengenai sistem jaringan listrik AC.

Memahami daya semu, daya nyata, dan daya reaktif tidak mungkin dapat kita lakukan jika kita tidak terlebih dahulu memahami tiga macam beban listrik AC yaitu beban resistif, induktif, dan kapasitif. Jika Anda belum memahami ketiga jenis beban tersebut, silahkan Anda baca pembahasan kami di artikel Pengertian Beban Resistif, Induktif, dan Kapasitif Pada Jaringan Listrik AC.

Daya listrik didefinisikan sebagai kecepatan aliran energi listrik pada satu titik jaringan listrik tiap satu satuan waktu. Dengan satuan watt atau Joule per detik dalam SI, daya listrik menjadi besaran terukur adanya produksi energi listrik oleh pembangkit, maupun adanya penyerapan energi listrik oleh beban listrik. 

Daya listrik menjadi pembeda antara beban dengan pembangkit listrik, dimana beban listrik bersifat menyerap daya sedangkan pembangkit listrik bersifat mengeluarkan daya. Berdasarkan kesepakatan universal, daya listrik yang mengalir dari rangkaian masuk ke komponen listrik bernilai positif. Sedangkan daya listrik yang masuk ke rangkaian listrik dan berasal dari komponen listrik, maka daya tersebut bernilai negatif.

Daya Nyata

Secara sederhana, daya nyata adalah daya yang dibutuhkan oleh beban resistif. Daya nyata menunjukkan adanya aliran energi listrik dari pembangkit listrik ke jaringan beban untuk dapat dikonversikan menjadi energi lain. Sebagai contoh, daya nyata yang digunakan untuk menyalakan kompor listrik. Energi listrik yang mengalir dari jaringan dan masuk ke kompor listrik, dikonversikan menjadi energi panas oleh elemen pemanas kompor tersebut. 

Daya listrik pada arus listrik DC, dirumuskan sebagai perkalian arus listrik dengan tegangan.

P = I x V

Namun pada listrik AC perhitungan daya menjadi sedikit berbeda karena melibatkan faktor daya (cos ∅). 

P = I x V x cos 

Untuk lebih jelasnya mari kita perhatikan grafik sinusoidal berikut. 



  

Gelombang Arus, Tegangan, dan Daya Listrik AC

Grafik di atas adalah grafik gelombang listrik AC dengan beban murni resistif. Nampak bahwa gelombang arus dan tegangan berada pada fase yang sama (0°) dan tidak ada yang saling mendahului seperti pada beban induktif dan kapasitif. Dengan kata lain nilai dari faktor daya (cos ∅) adalah 1. Sehingga dengan menggunakan rumus daya di atas maka nilai dari daya listrik pada satu titik posisi jaringan tertentu memiliki nilai yang selalu positif serta membentuk gelombang seperti pada gambar tersebut. 

Nilai daya yang selalu positif ini menunjukkan bahwa 100% daya mengalir ke arah beban listrik dan tidak ada aliran balik ke arah pembangkit. Inilah daya nyata, daya yang murni diserap oleh beban resistif, daya yang menandai adanya energi listrik terkonversi menjadi energi lain pada beban resistif. Daya nyata secara efektif menghasilkan kerja yang nyata di sisi beban listrik. 

Daya Reaktif

Daya reaktif menjadi tema bahasan yang dianggap cukup sulit bagi sebagian orang. Berbagai bentuk ilustrasi dan pengandaian digunakan untuk memudahkan kita memahami daya reaktif. Kali ini kita akan membahas daya reaktif menggunakan dua pendekatan, yakni pendekatan sederhana dan pendekatan ilmiah. Kita akan cukup dalam membahas daya reaktif secara ilmiah agar kita memahaminya dengan lebih total dan 'menancap' di kepala kita. 



Secara sederhana, daya reaktif adalah daya yang dibutuhkan untuk membangkitkan medan magnet di kumparan-kumparan beban induktif. Seperti pada motor listrik induksi misalnya, medan magnet yang dibangkitkan oleh daya reaktif di kumparan stator berfungsi untuk menginduksi rotor sehingga tercipta medan magnet induksi pada komponen rotor. Pada trafo, daya reaktif berfungsi untuk membangkitkan medan magnet pada kumparan primer, sehingga medan magnet primer tersebut menginduksi kumparan sekunder. 

 

Ilustrasi Daya Reaktif
(Sumber)

Daya reaktif diserap oleh beban-beban induktif, namun justru dihasilkan oleh beban kapasitif. Peralatan-peralatan kapasitif seperti lampu neon, bank kapasitor, bersifat menghasilkan daya reaktif ini. Daya reaktif juga ditanggung oleh pembangkit listrik. Nampak pada ilustrasi di atas bahwa pada gambar pertama daya reaktif yang dibutuhkan oleh motor listrik disupply oleh sistem pembangkit (utility). Sedangkan pada gambar kedua, kebutuhan daya reaktif dicukupi oleh kapasitor, sehingga daya total yang ditanggung oleh jaringan listrik berkurang. 

Satuan daya reaktif adalah volt-ampere reactive dan disingkat dengan var. Mengapa satuan daya reaktif adalah var dan bukannya watt, disinilah bahasan mendalam mengenai daya reaktif kita butuhkan. Daya reaktif, sebenarnya bukanlah sebuah daya yang sesungguhnya. Sesuai dengan definisi dari daya listrik yang telah kita singgung di atas, bahwa daya listrik merupakan bilangan yang menunjukkan adanya perpindahan energi listrik dari sumber energi listrik (pembangkit) ke komponen beban listrik. Daya reaktif tidak menunjukkan adanya perpindahan energi listrik, daya nyata-lah yang menjadi bilangan penunjuk adanya perpindahan energi listrik. Lalu, apa sebenarnya yang dimaksud dengan daya reaktif?



Daya reaktif adalah daya imajiner yang menunjukkan adanya pergeseran grafik sinusoidal arus dan tegangan listrik AC akibat adanya beban reaktif. Daya reaktif memiliki fungsi yang sama dengan faktor daya atau juga bilangan cos Ø. Daya reaktif ataupun faktor daya akan memiliki nilai (≠0) jika terjadi pergeseran grafik sinusoidal tegangan ataupun arus listrik AC, yakni pada saat beban listrik AC bersifat induktif ataupun kapasitif. Sedangkan jika beban listrik AC bersifat murni resistif, maka nilai dari daya reaktif akan nol (=0).

Sekalipun daya reaktif hanya merupakan daya 'khayalan', pengendalian daya reaktif pada sistem jaringan distribusi listrik AC sangat penting untuk diperhatikan. Hal ini tidak lepas dari pengaruh beban reaktif terhadap kondisi jaringan listrik AC. Beban kapasitif yang bersifat menyimpan tegangan sementara, cenderung mengakibatkan nilai tegangan jaringan menjadi lebih tinggi daripada yang seharusnya. Sedangkan beban induktif yang bersifat menyerap arus listrik, cenderung membuat tegangan listrik jaringan turun. Berubah-ubahnya tegangan listrik jaringan tersebut sangat mengganggu proses distribusi energi listrik dari pembangkit ke konsumen. Perubahan tegangan jaringan berkaitan langsung dengan kerugian-kerugian distribusi listrik seperti kerugian panas dan emisi elektromagnetik yang terbentuk sepanjang jaringan distribusi. Semakin jauh nilai tegangan jaringan dari angka yang seharusnya, akan semakin besar kerugian distribusi listriknya dan akan semakin mengganggu proses distribusi daya nyata listrik. Di sinilah peran kontrol daya reaktif jaringan listrik sangat perlu diperhatikan. 

 

Capacitor Bank Jaringan Listrik
(Sumber)

Beban induktif, yang dominan terjadi di siang hari, dapat dikompensasi dengan dua cara. Cara pertama adalah digunakannya bank kapasitor sehingga penurunan tegangan listrik jaringan akibat beban induktif dapat dikompensasi oleh kapasitor. Cara kedua adalah dengan menaikkan tegangan listrik keluaran generator pembangkit dengan jalan menaikkan arus eksitasi generator, sehingga tegangan keluaran generator naik. 

Contoh Rangkaian Pengkompensasi Beban AC Jaringan
(Sumber

Kompensasi juga dilakukan jika beban jaringan bersifat kapasitif sehingga menyebabkan tegangan jaringan melebihi nilai normalnya. Generator akan menurunkan tegangan keluarannya dengan jalan mengurangi arus eksitasi. Penggunaan inductor bank juga digunakan untuk meredam kenaikan tegangan jaringan agar tidak melampaui batas. 



Daya Semu

Daya semu atau daya total (S), ataupun juga dikenal dalam Bahasa Inggris Apparent Power, adalah hasil perkalian antara tegangan efektif (root-mean-square) dengan arus efektif (root-mean-square).
    S = VRMS x IRMS

Tegangan RMS (VRMS) adalah nilai tegangan listrik AC yang akan menghasilkan daya yang sama dengan daya listrik DC ekuivalen pada suatu beban resistif yang sama. Pengertian tersebut juga berlaku pada arus RMS. 220 volt tegangan listrik rumah kita adalah tegangan RMS (tegangan efektif). Secara sederhana, 220 volt tersebut adalah 0,707 bagian dari tegangan maksimum sinusoidal AC. Berikut adalah rumus sederhana perhitungan tegangan RMS:
    V_{RMS}=\dfrac {V_{max}}{\sqrt {2}}
Demikian pula dengan rumus perhitungan arus RMS:
    I_{RMS}=\dfrac {I_{max}}{\sqrt {2}}
Dimana Vmax dan Imax adalah nilai tegangan maupun arus listrik pada titik tertinggi di grafik gelombang sinusoidal listrik AC.

  

Nilai Tegangan RMS pada Grafik Sinusoidal Tegangan Listrik AC
(Sumber)



Pada kondisi beban resistif dimana tidak terjadi pergeseran grafik sinusoidal arus maupun tegangan, keseluruhan daya total akan tersalurkan ke beban listrik sebagai daya nyata. Dapat dikatakan jika beban listrik bersifat resistif, maka nilai daya semu (S) adalah sama dengan daya nyata (P). Lain halnya jika beban jaringan bersifat induktif ataupun kapasitif (beban reaktif), nilai dari daya nyata akan menjadi sebesar cos Ø dari daya total.
    P = S cos Ø
    P = VRMS IRMS cos Ø

Ø adalah besar sudut pergeseran nilai arus maupun tegangan pada grafik sinusoidal listrik AC. Ø bernilai positif jika grafik arus tertinggal tegangan (beban induktif), dan akan bernilai negatif jika arus mendahului tegangan (beban kapasitif).

Pada kondisi beban reaktif, sebagian daya nyata juga terkonversi sebagai daya reaktif untuk mengkompensasi adanya beban reaktif tersebut. Nilai dari dari daya reaktif (Q) adalah sebesar sin Ø dari daya total.
    Q = S sin Ø
    Q = VRMS IRMS sin Ø

Hubungan antara daya nyata, daya reaktif dan daya semu dapat diilustrasikan ke dalam sebuah segitiga siku-siku dengan sisi miring sebagai daya semu, salah satu sisi siku sebagai daya nyata, dan sisi siku lainnya sebagai daya reaktif.

 

Segitiga Daya
(Sumber)

Sesuai dengan hubungan segitiga di atas maka hubungan antara daya nyata, daya reaktif dan daya semu dapat diekspresikan ke dalam sebuah persamaan pitagoras.
     S = \sqrt {P^{2}+Q^{2}}

Referensi: