Hydrogen Cooling System

Agar didapatkan energi listrik yang optimal pada unit pembangkitan, diperlukan ada suatu sistem pemeliharaanperalatan. Hal tersebut salah satunya adalah sistem pendinginan. Sistem pendinginan diperlukan agar peralatan, seperti generator tetap dalam kondisi prima saat melakukan fungsinya. Sistem pendinginan juga digunakan untuk mengurangi penurunan kualitas isolator, kerugian tembaga listrik, kerugian gesekan, dan penurunan life expentancy pada peralatan elektrik.

Hidrogen merupakan media pendingin yang terbaik di antara air, udara, nitrogen bahkan helium. Untuk itu di keberadaan H2 Plant sebagai sistem penghasil gas hidrogen. Pada H2 plant, digunakan suatu generator yang berfungsi sebagai pemisah hidrogen dan oksigen lewat proses elektrolisis. Generator ini memiliki inti yang didalamnya adalah electrolysis module yang merupakan tempat terjadinya pemisahan elemen-elemen air.

Kendala yang umumnya terjadi pada PLTU adalah waktu starting yang cukup lama. Sedangkan pada PLTG, kendala ada pada biaya karena bahan bakar yang digunakan cukup mahal. Selain itu frekuensi start-stop harus diperhitungkan karena akan memperpendek usia equipment karena ke-ausan. 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 selama proses pembangkitan tidak hanya menghasilkan energi listrik, hal ini juga menghasilkan suhu 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 dapat merusak isolasi, tetapi denganadanya sistem pendingin, panas di dalam generator dapat diserap.
3. Menaikkan efisiensi generator karena output generator akan lebih besar saat sistem pendingin digunakan.

Peralatan yang terdaat di unit pembangkit membutuhkan perawatan yang ekstra, dikarenakan hampir semua peralatanberhubungan dengan suhu 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 tembaga listrik.
3. Kerugian gesekan (friction loss).
4. Penurunan life expentancy 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 akan mengurangi kerugian gesekan.

Proses pendinginan generator 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 yang ada di dalam generator. Selama generator bekerja, dalam melakukan pendinginan, suhu gas hidrogen akan meningkat.

Di dalam generator 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 hydrogen dan udara menimbulkan peledakan (explosion) jika volume nya mencapai 5 ~ 70%. Tekanan gas H2 dalam generator kira2   2 kg/cm2. Sistem ventilasi digunakan untuk mengambil panas dari dalam   generator.

Sistem sirkulasi hidrogen didalam alternator secara konvensional dengan menggunakan  dua unit blower yang masing-masing dipasang pada bagian ujung-ujung seperti pada gambar diatas.

Seperti pada gambar diatas dapat dilihat bahwa gas hidrogen yang telah melewati pendinginan dari cooler disirkulasikan dari dua sisi ujung-ujungnya dengan blower, kemudian masuk ke celah-celah inti rotor dan stator. Setelah keluar dari celah-celah tersebut gas hidrogen panas, kemudian dari tekanan blower tersebut hidrogen melewati cooler dan keluar sudah dingin. Demikian untuk sirkulasi selanjutnya.

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 :

Ada 2 macam sistem ventilasi Ganerator yaitu :

Sistem Ventilasi Conventional Hydrogen-Cooled Machines

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

Sistem Ventilasi Inner-Cooled Machines

Gas hydrogen dalam frame stator disirkulasikan parallel dalam berbagai part dalam mesin, seperti stator core dan coil, main leads, lead bushing dan rotor coil. Sebuah multistage compressor type 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 dituntun ke lingkaran luar stator core ke stator coil vent-tubes inlet pada sisi exciter, ke gas inlet main leads and bushings dan ke kedua ujung rotor coil.

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 H2 Plant.  Proses ini membutuhkan inputan berupa air murni dan listrik.

Elektrolisis yang dilakukan pada H2 Plant ini adalah peristiwa penguraian senyawa air (H₂O) menjadi oksigen (O2) dan gas hidrogen (H2) dengan menggunakan arus listrik. Arus listrik yang diinputkan dilalui 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 OH^- mengalami netralisasi sehingga terbentuk kembali beberapa molekul air. Dalam reaksi kimia, produksi gas hidrogen di H2 Plant ini dapat digambarkan sebagai berikut:

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.

Oksigen yang dihasilkan dari proses elektrolisis ini dibuang ke udara. Hal tersebut tidak terjadi pada gas hidrogen, karena gas ini ditampung yang kemudian dialirkan ke dalam generator sebagai media pendingin.

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 sistempurging selalu siap digunakan untuk meningkatkan angka kemurnian hidrogen. Sistem purgingbiasanya 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 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.

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.