Turbin Gas Sebagai Sistem Pembangkit Energi yg Powerfull

Turbin gas merupakan salah satu teknologi konversi energi yang banyak digunakan pada bidang penerbangan, pembangkit listrik, industri minyak dan gas, hingga sistem propulsi kapal. Prinsip kerja utama turbin gas adalah menghasilkan daya mekanik atau dorongan (thrust) melalui aliran fluida kerja berupa gas panas bertekanan tinggi. Dibandingkan pembangkit uap, efisiensi turbin gas berkisar antara 20–30%, sedangkan pembangkit uap dapat mencapai 38–48%. Fleksibilitas, bobot yang ringan, serta kebutuhan peralatan pendukung yang minimal membuat turbin gas memiliki keunggulan aplikatif.

1. Prinsip Kerja Turbin Gas

Secara umum, proses kerja turbin gas berlangsung dalam tiga tahap utama:

1. Kompresi Udara (Isentropik)
   Udara lingkungan dikompresi di dalam kompresor sehingga tekanan dan temperaturnya meningkat.

2. Pembakaran Tekanan Konstan
   Bahan bakar dicampur dengan udara bertekanan di ruang bakar, kemudian dibakar pada tekanan konstan sehingga menghasilkan gas panas dengan temperatur sangat tinggi.

3. Ekspansi Isentropik di Turbin
   Gas panas diekspansikan di dalam turbin untuk menghasilkan kerja mekanik. Sebagian daya digunakan untuk menggerakkan kompresor, dan sisanya dapat dimanfaatkan sebagai keluaran daya atau dorongan.

Komponen utama turbin gas meliputi:

• Kompresor udara

• Ruang bakar (combustion chamber)

• Turbin

2. Keuntungan dan Keterbatasan Turbin Gas

2.1 Keuntungan

• Penyimpanan dan penanganan bahan bakar relatif mudah.

• Konstruksi sistem sederhana dan biaya perawatan lebih rendah.

• Tidak membutuhkan boiler atau kondensor seperti pada sistem uap.

• Dapat menggunakan berbagai jenis bahan bakar murah (kerosin, parafin, gas alam, batubara bubuk).

• Cocok untuk daerah minim air.

• Emisi polutan relatif rendah.

2.2 Keterbatasan

• Sekitar 66% daya turbin digunakan untuk menggerakkan kompresor.

• Efisiensi termal rendah pada kondisi operasi standar.

• Kecepatan rotasi sangat tinggi (40.000–100.000 rpm) dan temperatur operasi ekstrem (1100–1260 °C), sehingga membutuhkan material khusus.

• Kebisingan kompresor cukup tinggi.

3. Terminologi Kinerja Turbin Gas

Beberapa parameter penting dalam analisis turbin gas antara lain:

• Pressure Ratio: Perbandingan tekanan maksimum terhadap tekanan minimum siklus.

• Work Ratio: Perbandingan kerja bersih keluaran terhadap total kerja turbin.

• Compression Efficiency: Efisiensi kerja kompresor dibandingkan kondisi ideal.

• Engine Efficiency: Efisiensi turbin dalam menghasilkan kerja dari ekspansi gas panas.

• Thermal Efficiency: Persentase energi input yang menjadi kerja bersih.

• Combustion Efficiency: Efisiensi pelepasan panas akibat pembakaran.

4. Klasifikasi Turbin Gas

4.1 Sistem Siklus Terbuka (Open Cycle)

Pada sistem ini:

• Udara masuk dari lingkungan ke kompresor.

• Gas buang dari turbin dilepas kembali ke atmosfer.

• Digunakan pada pesawat terbang dan pembangkit listrik sederhana.

4.2 Sistem Siklus Tertutup (Closed Cycle)

• Fluida kerja (udara atau gas lain) bersirkulasi secara tertutup.

• Proses pembakaran digantikan oleh pemanas eksternal bertekanan konstan.

• Lebih efisien, bersih, dan tidak kehilangan fluida kerja.

5. Siklus Brayton

Siklus ideal turbin gas mengikuti siklus Brayton, terdiri dari:

1. 1–2: Kompresi isentropik

2. 2–3: Penambahan panas tekanan konstan

3. 3–4: Ekspansi isentropik

4. 4–1: Pembuangan panas tekanan konstan

Siklus ini direpresentasikan dalam diagram T-s (Temperature–entropy).

6. Metode Peningkatan Efisiensi Turbin Gas

6.1 Intercooling

Udara dikompresi dalam dua tahap, dengan intercooler di antaranya untuk menurunkan temperatur, sehingga kerja kompresor berkurang.

• Keuntungan: work ratio meningkat

• Kekurangan: efisiensi termal turun pada rasio tekanan rendah, tetapi meningkat pada rasio tekanan tinggi.

6.2 Reheating

Gas panas diekspansi dalam dua turbin dengan reheater di antaranya.

• Turbin bertekanan tinggi (HP) menggerakkan kompresor.

• Turbin bertekanan rendah (LP) menghasilkan daya bersih.

6.3 Regeneration

Gas buang turbin digunakan untuk memanaskan udara keluar kompresor.

• Mengurangi kebutuhan bahan bakar.

• Meningkatkan efisiensi termal sistem.

7. Turbin Gas Siklus Tertutup: Karakteristik

• Proses kompresi dan ekspansi sama seperti siklus terbuka.

• Penambahan panas dan pembuangan panas berlangsung pada tekanan tetap.

• Tidak ada gas yang dibuang ke lingkungan.

• Mampu menghasilkan efisiensi lebih tinggi dan emisi lebih rendah.

8. Keunggulan dan Kelemahan Siklus Tertutup

Keunggulan

• Efisiensi termal lebih tinggi.

• Ukuran peralatan lebih kecil.

• Tidak terjadi kontaminasi fluida kerja.

• Friksi fluida lebih kecil.

• Memungkinkan pemakaian bahan bakar murah.

Kelemahan

• Sistem lebih kompleks.

• Membutuhkan pendingin yang sangat besar.

• Kurang ekonomis untuk kendaraan bergerak karena rasio berat terhadap daya tinggi.

9. Kombinasi Siklus Turbin Gas

10.1 Kombinasi Turbin Gas dan Pembangkit Uap (Combined Cycle Power Plant / CCPP)

Gas buang turbin digunakan untuk menghasilkan uap melalui Heat Recovery Steam Generator (HRSG).

• Efisiensi total dapat mencapai 60% atau lebih.

• Aplikasi umum: pembangkit listrik modern.

9.2 Kombinasi Turbin Gas dan Mesin Diesel

Terdapat tiga pendekatan:

1. Turbocharging

2. Gas Generator

3. Compound Engine

Turbin gas merupakan sistem konversi energi yang sangat penting dalam dunia industri modern. Dengan prinsip kerja yang sederhana, fleksibilitas bahan bakar, serta potensi efisiensi yang tinggi melalui rekayasa siklus, turbin gas menjadi pilihan utama untuk pembangkitan daya dan propulsi. Pemahaman tentang siklus Brayton, karakteristik operasi, serta metode peningkatan efisiensi sangat diperlukan bagi mahasiswa Teknik Mesin untuk menguasai teknologi energi masa depan.