- Turbin uap bekerja dengan uap air (air → uap) yang dihasilkan di boiler; siklus termodinamika utama adalah Rankine. Umumnya dipakai untuk pembangkit listrik besar (batubara, nuklir, panas bumi, PLTS konsentrator).
- Turbin gas menggunakan udara + produk pembakaran sebagai fluida kerja dalam satu rangkaian tertutup/terbuka; siklus termodinamika utama adalah Brayton (siklus gas). Dipakai di pesawat (jet/turbofan), pembangkit cepat/peaking, dan drive industri.
Prinsip kerja — langkah demi langkah
Turbin uap (Rankine) — proses utama
- Pemompaan (liquid feedwater): pompa menaikkan tekanan air cair dari tekanan kondensor ke tekanan boiler.
- Pemanasan & uap (boiler): air dipanaskan menjadi uap (saturasi atau superheat) dengan input panas eksternal (bahan bakar, nuklir, panas matahari).
- Ekspansi di turbin: uap bertekanan tinggi mengembang di turbin, melepaskan energi mekanik → rotor turbin berputar → generator.
- Kondensasi: uap keluar turbin dikondensasikan menjadi cairan di kondensor untuk mengulang siklus.
(Proses ideal: pump (isentropic), boiler (isobaric heat add), turbine (isentropic expansion), condenser (isobaric heat reject).)
Turbin gas (Brayton) — proses utama
- Kompresi udara: udara diisap dan dikompresi oleh kompresor (kerja input).
- Pembakaran (combustor): udara bertekanan dicampur bahan bakar dan dibakar → suhu naik; proses nominalnya dianggap pada tekanan hampir konstan (untuk siklus ideal).
- Ekspansi di turbin: gas panas mengembang melalui turbin, menghasilkan kerja yang sebagian menutupi kompresor dan sisanya berguna (generator/propulsi).
- Buang gas/pembuangan panas: gas buangan dilepaskan (siklus terbuka) atau dikondisikan (siklus tertutup).
(Proses ideal: isentropic compression, isobaric heat addition, isentropic expansion, isobaric heat rejection.)
Fluida kerja — perbedaan penting
- Turbin uap: air/uap (fase cair → uap). Sifat penting: entalpi uap, kualitas uap (x), kandungan kelembaban pada outlet turbin. Uap bisa superheated, reheated, atau siklus superkritis (di atas tekanan kritis ~22.06 MPa untuk air).
- Turbin gas: udara (sebagai oksidator) + produk pembakaran (CO₂, H₂O, N₂, sisa O₂). Sifat penting: rasio tekanan kompresor, temperatur masuk turbin (TIT), rasio panas jenis γ = cp/cv. Kadang ada juga closed Brayton dengan helium/CO₂ untuk aplikasi khusus.
Landasan termodinamika yang terkait (siklus & rumus penting)
Rankine (turbin uap)
Label titik umum:
- 1 = masuk turbin (uap panas), 2 = keluar turbin (kondensor), 3 = setelah kondensor (cair), 4 = setelah pompa (sebelum boiler).
Rumus penting (per satu kg fluida):
Catatan praktik: sering ada reheat (uap setelah sebagian turbin dipanaskan ulang sebelum ekspansi lanjut) dan regeneration (bleeding steam ke feedwater heater) untuk meningkatkan efisiensi.
Brayton (turbin gas) — asumsi cp konstan (ideal)
Label titik: 1 (masuk kompresor), 2 (keluar kompresor), 3 (masuk turbin setelah pembakaran), 4 (keluar turbin).
- Back work ratio: kompresor memakan bagian besar kerja → persentase kerja kompresor terhadap kerja turbin penting untuk performa.
Perbandingan termodinamika
- Carnot: batas atas efisiensi termal antara dua reservoir suhu; untuk keduanya berlaku (\eta_{Carnot} = 1 – T_{cold}/T_{hot}) (temperatur mutlak). Praktik: Brayton mendekati Carnot bila rasio tekanan tinggi dan TIT sangat tinggi; Rankine mendekati Carnot bila suhu uap dan tekanan kondensor dioptimalkan (mis. superkritikal, reheat, regen).
- Sumber efisiensi nyata: kehilangan isentropik (kompresor & turbin), kehilangan gesekan, kebocoran, perpindahan panas yang tidak ideal, dan batas material (membatasi suhu masuk turbin).
Komponen utama & desain turbin
Turbin uap
- Boiler/steam generator, pompa makan (feedwater pump), turbin (HP/LP/IP sections — kadang multi-cylinder), kondensor, pemanas umpan (feedwater heaters).
- Jenis tahap turbin: impulse (nozzle menghasilkan kecepatan; roda hanya menerima impuls) vs reaction (tekanan turun pada sudu bergerak → gaya reaksi). Banyak turbin uap besar menggunakan kombinasi (staging).
- Masalah desain: erosi sudu oleh uap basah, keausan dari korosi, kebutuhan bantalan dan balancing rotor besar.
Turbin gas
- Kompresor (aksial atau sentrifugal), combustor, turbin (stage axial, dengan cooling passages pada sudu), afterburner (pada pesawat), heat exchangers (pada siklus tertutup atau regeneratif).
- Tantangan: material tahan suhu tinggi, pendinginan sudu (internal cooling, film cooling), kontrol NOx, efisiensi kompresor.
Perbandingan performa & karakteristik praktis
| Aspek | Turbin Uap | Turbin Gas |
|---|---|---|
| Fluida kerja | Uap air (luar/eksternal pembakaran) | Udara + produk pembakaran (pembakaran internal) |
| Siklus | Rankine | Brayton |
| Densitas tenaga (power-to-weight) | Rendah — berat & besar | Tinggi — ringan, cocok mobilitas/aviation |
| Efisiensi (typical) | Baik untuk skala besar; meningkat dengan superkritikal/reheat/regeneration | Simple cycle lebih rendah; combined cycle (dengan turbin uap) mencapai efisiensi tertinggi |
| Start-up & respon beban | Lambat (massive thermal inertia) | Cepat (baik untuk peaking/plant fleksibel) |
| Bahan & batas suhu | Batas suhu lebih rendah, tapi working fluid tidak merusak material seperti pembakaran | Batas suhu tinggi → butuh pendinginan sudu & material canggih |
| Pemakaian bahan bakar | Fleksibel — padat, cair, gas, nuklir, panas bumi | Umumnya gas/diesel/jet fuel; juga bisa biofuel |
| Emisi langsung | Turbin uap sendiri tidak membakar (emisi tergantung sumber panas) | Ada emisi (NOx, CO2) dari pembakaran internal |
| Pemeliharaan | Komplek karena ukuran besar, tapi sangat andal untuk operasi base-load | Perlu perawatan turbin & combustor; komponennya sensitif suhu |
| Aplikasi ideal | Pembangkit listrik besar (baseload), kapal besar (nuklir), pembangkit tenaga panas terbarukan | Pesawat, pembangkit peaking, combined cycle, drive industri cepat |
Catatan efisiensi numerik: rentang efisiensi sangat bergantung desain. Secara umum, combined cycle (gas turbine topping + steam turbine bottoming) memberikan efisiensi keseluruhan jauh lebih tinggi dibanding operasi single-cycle.
Perbaikan siklus / konfigurasi lanjutan (penting)
- Reheat (Rankine): uap sebagian diekspansi → dipanaskan ulang → diekspansi lagi → mengurangi kelembaban pada akhir ekspansi dan meningkatkan efisiensi.
- Regeneration (Rankine): steam bleeding untuk memanaskan feedwater → mengurangi panas yang harus ditambahkan.
- Supercritical / Ultra-supercritical: operasi boiler > kritikal untuk air → efisiensi naik karena tidak ada transisi fase tajam.
- Intercooling, reheating, recuperation (Brayton): intercooler menurunkan kerja kompresor, reheater menambah kerja turbin, regenerator/recuperator memanfaatkan panas buang untuk meningkatkan efisiensi.
- Combined Cycle Gas Turbine (CCGT): gas turbine + HRSG (heat recovery steam generator) + steam turbine; efisiensi listrik total meningkat drastis — konfigurasi sangat umum di pembangkit modern.
Contoh aplikasi dunia nyata
- Pembangkit listrik skala besar: PLTU batubara dan PLTN → turbin uap (Rankine) sebagai generator utama.
- Pembangkit combined-cycle: fasilitas pembangkitan berbasis gas alam menggunakan gas turbine + turbin uap untuk efisiensi tinggi.
- Aviation: turbin gas di segala jenis mesin jet (turbojet, turbofan, turboshaft).
- Marine: kapal cepat dan kapal perang sering memakai turbin gas; kapal besar (termasuk kapal bertenaga nuklir) memakai turbin uap.
- Industri & mechanical drive: gas turbines menggerakkan kompresor gas alam, pompa, dan generator darurat.
- Energi terbarukan skala besar: PLTS konsentrator (CSP) sering memakai turbin uap; geothermal memakai turbin uap/ORC tergantung sumber panas.
- Cogeneration / CHP: baik turbin uap maupun gas digunakan — gas turbines sering dipakai karena start/stop cepat dan bisa memanfaatkan panas buang untuk proses industri.
Kelebihan & Kekurangan — ringkas
Turbin Uap
- Kelebihan: efisien pada skala besar; fleksibel pada sumber panas (nuklir, batubara, biomassa, panas bumi); cocok untuk operasi baseload panjang.
- Kekurangan: berat & besar, start/stop lambat, butuh kondensor dan sistem uap kompleks.
Turbin Gas
- Kelebihan: power-to-weight tinggi, start cepat, bagus untuk aplikasi mobile/aviation dan peaking; kombinasi CCGT sangat efisien.
- Kekurangan: butuh material & pendinginan canggih untuk suhu tinggi; emisi dari pembakaran di tempat.
Kapan memilih masing-masing?
- Pilih turbin uap bila: butuh generasi listrik berskala besar dan konstan; sumber panas bukan gas (nuklir, batubara, geothermal, CSP); tak masalah respon lambat.
- Pilih turbin gas bila: butuh power density tinggi, start/stop cepat, untuk propulsi (pesawat) atau peaking/pekerjaan industri; bila ingin gabungkan ke combined cycle untuk efisiensi tinggi.
Diagram T–s & p–v (deskripsi singkat)
- Siklus Rankine di T–s: titik boiler = kenaikan entropi pada tekanan tinggi → kurva di area uap, ekspansi turbin bergerak turun ke kanan → kondensasi kembali ke cairan di tekanan rendah → pompa naik sedikit ke tekanan boiler. Ciri khas: fase liquid → vapor (perubahan fase) terlihat di diagram.
- Siklus Brayton di T–s: bentuk hampir segiempat: kompresi isentropik (naik entropi kecil), penambahan panas horizontal (naik T pada hampir tekanan konstan), ekspansi isentropik turun entropy, pengembalian ke kondisi awal dengan pembuangan panas.
Contoh rumus praktis yang sering dipakai di laporan
Kesimpulan singkat (takeaways)
- Turbin uap dan turbin gas mencapai tujuan yang sama (mengubah energi termal → kerja mekanik) tetapi dengan prinsip kerja, fluida, dan siklus termodinamika yang berbeda (Rankine vs Brayton).
- Pilihan antara keduanya bergantung pada skala, kebutuhan respon, sumber panas, efisiensi yang diinginkan, dan aplikasi (pembangkit baseload vs propulsi/peaking).
- Kombinasi (gas turbine + steam turbine = combined cycle) sering kali menghadirkan kompromi terbaik: power-to-weight dari turbin gas + efisiensi tinggi dari turbin uap.
