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