Analisis Eksergi di Industri Semen

Analisis penggunaan energi di industri semen merupakan hal yang umum dilakukan mengingat industri semen merupakan industri yang padat energi. Hal yang biasanya paling diperhatikan pada analisis energi tersebut adalah efisiensi penggunaan energi. Efisiensi energi ini berimbas langsung pada belanja perusahaan setiap tahunnya dan tentu saja akan sangat mempengaruhi laba perusahaan. Maklum, dari beberapa pabrikan semen mengisyarakatkan bahwa untuk belanja energi menyita setidaknya 20-30% dari total belanja perusahaan.

Beberapa tahun belakangan, kalangan analis, berusaha menawarkan bentuk analisis lain selain analisis energi. Bentuk lain tersebut adalah analisis eksergi. Kalangan akademesi di Yunani, Iran dan Turki  dan beberapa negara di belahan dunia telah mengeluarkan beberapa paper tentang analisis eksergi di perusahaan semen di beberapa unit operasi bahkan untuk seluruh unit operasi. Analisis eksergi belum dikenal luas oleh kalangan industriawan tapi menjadi obyek kajian yang menarik saat ini. Lantas apa itu analisis eksergi? Apa keuntungan dari analisis eksergi? Pada artikel kali ini, penulis berusaha untuk menyajikan selayang pandang tentang analisis eksergi di industri semen.

Eksergi

Apa yang dimaksud dengan eksergi? Sebelum menuju definisi dari eksergi, penulis akan coba me-review sedikit mengenai friksi dan mesin carnot.

Friksi

Jika seseorang naik ke gunung menggunakan sepeda kemudian turun dari ketinggian maka kecepatan turunnya hampir selalu bergantung pada ketinggiannya pada saat waktu tertentu. Dikatakan hampir selalu karena memang tidak sepenuhnya sama karena adanya faktor gesekan (friction) anatara ban sepeda yang ditumpangi orang tersebut dengan punggung gunung. Friksi ini berupa panas yang merupakan perubahan lain dari bentuk energi.

Hal yang sama juga terjadi jika kita membangkitkan listrik dari air terjun. Pada kasus ini, semua energi potensial (energi karena beda ketinggian) berubah menjadi energi kinetik (energi karena kecepatan). Energi kinetik inilah yang selanjutnya dikonversi menjadi energi listrik yang juga tidak semuanya terkonversi. Penyebabnya antara lain adalah: friksi mekanikal antara air dengan blade, friksi air dengan dinding dam, friksi pada bearing dan satu yang penting lainnya adalah friksi elektrikal di konduktor. Friksi elektrikal adalah tumbukan antara elektron dengan fixed particle dalam sebuah konduktor. Friksi elektrikal pada prinsipnya sama dengan tahanan.

Penulis mencoba mengilustrasikan peristiwa lain lagi berkaitan dengan friksi: ada sebuah balon dimusim dingin dari sebuah taman masuk  ke dalam sebuah ruangan rumah yang cukup hangat. Apa yang akan terjadi? Ya benar. Balon akan memuai karena terjadi heat flow dari ruangan yang lebih hangat ke dalam balon hingga balon tidak mengembang lagi atau terjadi kesetimbangan. Pemuaian ini disebabkan kalor dari ruangan rumah tersebut mempengaruhi internal energy (∆U) udara didalam balon. Selain memuai, pada dinding balon juga terdapat “friksi” yang menahan tension dari karet balon serta desakan dari balon terhadap ruangan. Friksi ini dikenal dengan “thermal friction”. Thermal friction dari balon dapat saja diabaikan jika perbedaan temperatur ruangan dengan temperatur di dalam balon kecil. Sehingga pengambangan balon tidak disertai friksi sama sekali.

Mesin Carnot (Heat Engine)

Seperti diketahui bahwa pada tahun 1824, Sadi Carnot mengeluarkan pertama kali text book tentang heat engine. Carnot memformulasikan  bahwa aliran kalor (heat flow) dapat menghasilkan kerja.  Heat flow ini terjadi karena perbedaan temperature dalam suatu sistem dan antara sistem dan lingkungan.

Formulasi Carnot jika diringkas merupakan nisbah antara selisih temperatur sistem dan referensi dengan temperatur sistem yang mewakili heat flow tersebut. Jika temperatur keluaran heat engine sama dengan temperatur ambient maka fraksi konversi 100 %. Namun demikian, pada kenyataannya, kita tidak dapat mencegah heat flow untuk tetap terkonversi menjadi kerja. Hal ini disebabkan berbagai rugi-rugi yang terjadi pada engine kita karena adanya bermacam-macam friksi.

Definisi Eksergi

Jika kita tuliskan persamaan internal energy dalam balon, seperti yang penulis kemukakan sebelumnya, adalah sebagai berikut:

∆U = T0∆S – (P-P₀)∆V – P₀∆V

Dimana U adalah internal energy, T₀ adalah temperature ruangan, P adalah tekanan udara di dalam balon, P₀ tekanan udara didalam ruangan, S adalah entropi dan V adalam volume udara dalam balon. Dari persamaan di atas terdapat entropi yang menggambarkan degradasi kualitas energi.  Persamaan ini menunjukkan bahwa internal energy dipengaruhi oleh heat flow karena degradasi kualitas energi ruangan karena menuju balon dikurangi dengan kerja pada balon. Heat flow ini merupakan bentuk energi yang mengalir.

Jika sisi sebelah kiri persamaan (1) dinotasikan dengan huruf A, persamaan tersebut menjadi:

A = ∆U – T0∆S + P∆V = ∆ (U-T0S+PV)

Persamaan (2) inilah digambarkan sebagai energi maksimum yang dimanfaatkan untuk memuaikan balon atau beberapa kalangan akademisi menyebutnya dengan eksergi.  Dengan kata lain, seperti yang disebutkan oleh Z. Rent pada tahun1956, eksergi didefinisikan sebagai kerja maksimal yang dapat dicapai pada referensi tertentu tanpa generalized friction. Generlized friction adalah friksi-friksi yang terdiri dari thermal friction, mechanical friction dan electrical friction. Pada sistem yang tertutup, energi terkonservasi menjadi bentuk yang lain. Pada terminologi eksergi, energi tidak terkonversi tapi terdegradasi karena generalized friction. Dengan kata lain, eksergi adalah irreversible. Sehingga, besaran energi pada terminologi eksergi merupakan besaran maksimum tanpa memperhatikan friksi atau rugi-rugi yang sebenarnya adalah bentuk energi yang sudah tidak bisa dipakai lagi.

Efisiensi Eksergi

Selanjutnya penulis akan manyajikan perbandingan perhitungan antara efisiensi energi dan eksergi yang dilakukan oleh Yantovski E, Independent Researcher, dalam makalahnya pada tahun 2004 yang berjudul What is Exergy?

Unit Operasi	Efisiensi Energi	Efisisensi Eksergi
District heating boiler	0.85 – 1.05	0.15 – 0.18
Power plant boiler	0.9	0.5
Power plant	0.40	0.39
Cogeneration of power plant and heat	0.85	0.40
Electrical water heater	0.33	0.06
Heat pump	1.20	0.2

Jika dilihat dari perbandingan tersebut diatas, tampak bahwa hasil perhitungan efisiensi eksergi lebih kecil dibandingkan dengan perhitungan efisiensi energi. Untuk heating boiler misalnya. Efisiensi energi yang dihasilkan pada kisaran 0.85 – 1.05. Dengan efisiensi energi yang cukup tinggi pertanyaan yang timbul adalah, apa yang dapat dilakukan oleh engineer energy untuk melakukan inovasi? Apakah efisiensi energi tersebut menunjukkan arti yang sesungguhnya atas pemakaian energi?

Bagi exergy engineer inovasi di heating boiler adalah hal yang bisa dilakukan. Dengan angka  0.15-0.18, banyak hal yang dilakukan. Seperti misalnya dengan memasang waste heat dari boiler atau lainnya.

Analisis Eksergi di Industri Semen

Analisis eksergi di industri semen yang akan penulis kemukakan adalah hasil analisis eksergi industri semen di Yunani yang dilakukan oleh C. Koroneos, dkk dalam makalahnya yang berjudul Exergy Analysis of Cement Production (2005). Makalah tersebut dimuat dalam International Journal Exergy, Vol. 2, No. 1, 2005.

C. Koroneos, dkk, menghitung exergy balance dari clinker production yang digambarkan sebagai berikut:

Perhitungan yang dilakukan C. Koroneos, dkk menggunakan persamaan- persamaan sebagai berikut:

1. 1.       Physical exergy

 

1. 2.       Mixing exergy

 

1. 3.       Chemical exergy

 

1. 4.       Total exergy

 

1. 5.       Exergy of heat

 

1. 6.       Exergy efficiencies

Hasil perhitungan yang didapatkan jika ditabulasikan adalah sebagai berikut:

 

Untuk melihat exergy maupun energy balance yang dihitung pada tabulasi diatas, C. Koroneos menggunakan Sankey diagram sebagai berikut:

1. 1.       Sankey diagram energy balance

 

1. 2.       Sankey diagram exergy balance

Dari diagram Sankey diatas dapat dijelaskan bahwa sekitar 68.5 % dari total energi dapat dimanfaatkan oleh sistem. Sedangkan pada diagram Sankey untuk eksergi total total eksergi yang dimanfaatkan sebesar 50 %. Hilang eksergi yang paling besar karena irreversibilities di raw feed pre-heating dan clinker cooling yaitu sebesar 30.6 %. Exhaust gas sebagai hasil dari pembakaran pet-coke menyumbang losses sebesar 15.1 %. Dari perbandingan diagram Sankey tersebut dapat dijelaskan bahwa perhitungan eksergi memberikan kesempatan untuk para engineer melakukan inovasi dari system process serta melakukan efisiensi yang lebih banyak lagi berdasarkan kondisi nyata.

Kesimpulan

Penggunaan analisis eksergi di industri semen merupakan salah satu metodologi alternatif yang bisa digunakan untuk mengetahui penggunaan energi di industri semen. Selain itu, dengan menggunakan analisis eksergi, peluang inovasi dan improvisasi system process semakin terbuka lebar dan menjadi tantangan tersendiri bagi praktisi didalamnya.

Literatur

1. C. Koroneos, G. Roumbas dan N. Moussiopoulos, 2005, Exergy analysys of cement production, Greece
2. Yantovski E, 2004, What is exergy, Germany