Tugas 2 Metode Inversi

Resume Buku Geothermal

Nova Linzai 3712100002 Innanda Rizqiani Putri 3712100021

TUGAS 2. EKSPLORASI GEOTHERMAL

Resume : Geothermal Energy System. Exploration, Development and Utilization.

PENDAHULUAN GEOTHERMAL (PANAS BUMI)

Energi panas bumi (geothermal) adalah energi panas alami dari dalam bumi yang

ditransfer ke permukaan bumi secara konduksi dan konveksi. Secara umum perubahan kenaikan

temperatur terhadap kedalaman di kerak bumi adalah sekitar 30C/km. Jika diasumsikan

temperatur rata-rata permukaan bumi adalah 15C, maka di kedalaman 3 km, temperaturnya

akan mencapai 105C. Akan tetapi temperatur tersebut kurang menguntungkan dari sisi

ekonomis untuk dimanfaatkan sebagai sumber energi panasbumi.

Sumber energi panasbumi berasal dari magma yang berada di dalam bumi. Ia berperan

seperti kompor yang menyala. Magma tersebut menghantarkan panas secara konduktif pada

batuan disekitarnya. Panas tersebut juga mengakibatkan aliran konveksi fluida hydrothermal1 di

dalam pori-pori batuan. Kemudian fluida hydrothermal ini akan bergerak ke atas namun tidak

sampai ke permukaan karena tertahan oleh lapisan batuan yang bersifat impermeable. Lokasi

tempat terakumulasinya fluida hydrothermal disebut reservoir, atau lebih tepatnya reservoir

panasbumi. Dengan adanya lapisan impermeabel tersebut, maka hydrothermal yang terdapat

pada reservoir panasbumi terpisah dengan groundwater yang berada lebih dangkal. Berdasarkan

itu semua maka secara umum sistem panasbumi terdiri atas tiga elemen:

Batuan reservoir

Fluida reservoir, yang berperan menghantarkan panas ke permukaan tanah,

Batuan panas (heat rock) atau magma sebagai sumber panas

MODEL GEOLOGI DAERAH GEOTHERMAL

Kondisi geologi sumber-sumber energi panasbumi yang telah ditemukan di dunia saat ini

amat beragam. Secara garis besar bisa dikelompokan kedalam dua model geologi daerah

panasbumi, yaitu:

sistem magmatik volkanik aktif

sistem selain magmatik volkanik aktif

Daerah panasbumi bertemperatur tinggi (lebih dari 180 C) yang bisa dimanfaatkan untuk

pembangkit listrik, sebagian besar terdapat pada sistem magmatik volkanik aktif. Sementara,

pemanfaatan energi panasbumi untuk pemanfaatan-langsung (direct use) bisa diperoleh dari

kedua sistem tersebut.

Gambar. Penampang vertical system magmatic-volkanik aktif.

Gambar diatas memperlihatkan penampang vertikal model geologi daerah magmatik

volkanik aktif. Akibat tumbukan antara lempeng samudra (oceanic crust) dan lempeng benua

(continental crust), lempeng samudra menunjam ke bawah lempeng benua. Temperatur tinggi

di kerak bumi menyebabkan lempeng samudra meleleh. Lokasi lelehan (zone of partial melting)

tersebut diperkirakan berada pada kedalaman 100 km dari permukaan bumi diantara kerak bumi

dan bagian luar mantel bumi. Densitas lelehan biasanya lebih rendah dari sumber asalnya

sehingga lelehan tersebut cenderung bergerak naik ke atas menjadi magma. Hampir tidak pernah

ditemukan magma yang berbentuk cair (liquid) murni. Semua magma merupakan lelehan batuan

panas dengan campuran yang begitu kompleks antara silikat cair dan kristal mineral ditambah

gas, karbon dioksida serta senyawa beracun lainnya. Proses kristalisasi bisa jadi terbentuk dari

komposisi liquid-nya atau bisa juga berasal dari mineral batuan yang terbawa oleh pergerakan

lelehan magma saat naik ke permukaan. Ketika magma mendekati permukaan bumi, ia

menyebabkan letusan volkanik.

Magma yang sudah dimuntahkan ke permukaan bumi disebut lava. Wujud lava masih

berupa lelehan batuan panas yang akhirnya menjadi dingin secara perlahan dan membentuk

batuan beku volkanik dipermukaan tanah. Alternatif lainnya, magma terperangkap di dalam bumi

dan perlahan menjadi dingin membentuk batuan beku yang seiring berjalannya waktu akan

tersingkap oleh erosi. Oleh karena itu, komposisi magma dapat ditentukan oleh komposisi batuan

beku. Akan tetapi karena proses volkanik melibatkan unsurunsur gas yang terkandung di magma

mengakibatkan komposisi batuan beku tidak selalu sama dengan komposisi magma aslinya.

FLUIDA PANAS BUMI

Gambar. Penampang vertical system hidrotermal-volkanik di daerah zona aktif gunung api

andesit.

Asal-usul fluida hydrothermal pada sistem volkanik aktif diperlihatkan pada gambar

diatas. Kandungan H2O yang tinggi pada batas antara lempeng benua dan lempeng samudera di

sekitar zona penunjaman yang bertemperatur sangat tinggi memicu terjadinya fenomena partial

melting yang merupakan cikal-bakal fluida panasbumi. Sementara, lapisan sedimen terdehidrasi,

yang ikut terbawa ke dalam zona penunjaman, juga ikut meleleh sehingga memperkaya

kandungan komponen fluida panasbumi tersebut. Fluida panasbumi kemudian bergerak ke atas

menerobos kerak bumi sambil terus bereaksi dengan batuan yang dilewatinya sehingga makin

menambah kandungan komponen di dalamnya. Fluida panasbumi yang paling dekat dengan

magma, biasanya mengandung uap air, CO2, SO2, H2S dan HCl. Variasi konsentrasi masing-

masing kandungan itu tergantung pada perbedaan magmatic volatile7 dan tingkat degassing8

magma. Penyerapan gas-gas tersebut ke dalam sirkulasi air tanah bagian dalam9 mendorong

terbentuknya fluida panasbumi yang bersifat asam dan sangat reaktif. Tingkat ke-asam-an fluida

panasbumi berangsur-angsur berkurang ke arah netral seiring interaksi dirinya dengan

permukaan batuan dimana kation-kation ikut terbawa oleh aliran fluida panasbumi. Ketika fluida

panasbumi terus bergerak ke atas, tekanannya makin berkurang hingga mencapai kondisi boiling,

yaitu kondisi dimana fluida panasbumi mendidih mengeluarkan gelembung gas-gas. Zona tempat

terjadinya fenomena boiling disebut boiling zone. Disinilah terjadi pemisahan antara fas liquid

dan fase gas pada fluida panasbumi. Fluida fase gas akan lebih mudah menerobos menuju ke

permukaan bumi menjadi fumaroles10 di sekitar puncak dan lereng gunung api. Namun fase gas

yang tidak bisa menerobos ke permukaan akan bercampur dengan air tanah membentuk steam-

heated acid-sulfate water. Sisa fluida panasbumi yang masih berada di posisi dalam akan

mengalir secara lateral dimana ia akan bercampur dengan air meteorik sampai mencapai pH

netral dan keluar permukaan sebagai mata air yang kaya unsur chloride-nya.

TIPE SISTEM GEOTHERMAL

Tipe dari panasbumi ada 5, diantaranya:

Sistem batuan beku muda,

Sistem tektonik

Geopressured systems

Hot dry rock systems

Magma tap systems.

Dari tipe satu sampai tipe tiga, air panas alami bisa diperoleh lewat kegiatan eksploitasi.

Karena itu, ketiganya bisa disatukan menjadi sistem hidrotermal (hydrothermal systems).

Sementara untuk tipe empat dan lima, air panas alami tidak bisa diperoleh. Justru kedua sistem

itu memerlukan air yang diinjeksikan kedalam bumi lalu air tersebut disedot kembali untuk

diambil panasnya. Secara teknik hal itu mungkin dilakukan, tetapi tidak bernilai ekonomis selama

harga bahan bakar fosil masih lebih murah.

SISTEM BATUAN BEKU MUDA

Sistem panasbumi batuan beku muda berasosiasi dengan quaternary volcanism dan

intrusi magma. Hampir 95% aktivitas volkanik terjadi disepanjang zona tumbukan lempeng

sebagaimana yang terdapat dalam jumlah melimpah di Indonesia - dan di dalam hot spot. Fluida

panasbumi pada sistem ini menerima panas dari intrusi magma dengan panas yang tertinggi (

370 C) dibanding dengan empat tipe sistem panasbumi lainnya. Kedalaman reservoir umumnya

berada 15 km, meskipun ada juga yang lebih dalam.

Gambar. Konsep panasbumi system batuan teku muda yang terdapat di andesit stratovolcano.

Reservoir panas bumi temperaturnya > 200 derajat C dengan kedalaman

terjadinya sirkulasi air panas. Dengan terjadinya sirkulasi, air panas tersebut menjadi kaya akan

unsur-unsur kimia seperti Cl, F, Br, B, SO4 , HCO3 , silika, kation, and metal yang terlarut sebagai

hasil dari reaksi dengan batuan asal. Uap-uap yang terkandung di magma seperti H2O, CO2,

senyawa sulfur, HCl, HF, Hg, and As sangat mungkin terlepas dan mengalir menjadi fluida. Fluida

tersebut secara umum menjadi "neutral-chloride" 13 dan mencoba menerobos ke atas melalui

celah-celah batuan dikarenakan densitasnya yang menurun. Alterasi mineral dan vein terbentuk

di dalam batuan reservoir. Seringkali fluida panas naik ke atas melalui rekahan hingga mencapai

level kedalaman titik didih dimana vapor phase yang berisi steam dan gas non-condensible14

terbentuk. Gas-gas inilah yang muncul ke permukaan sebagai fumarole. Ketika steam mengalami

kondensasi15 dan bercampur dengan air meteorik dangkal, H2S mengalami oksidasi menjadi

asam sulfat (H2SO4) yang mana secara kimiawi mengalterasi batuan dan membentuk mata air

"asam sulfat". Air neutral-chloride biasanya berada lebih dalam dibandingkan air asam sulfat, dan

jika keduanya bertemu dan bercampur akan menghasilkan air asam-sulfat-chloride. Kondisi

topografi dan hydrologic gradient menyebabkan fluida cenderung mengalir secara lateral

menjauhi puncak gunung membentuk aliran outflow. Mata air neutral-chloride biasanya muncul

beberapa kilometer dari sumber panas dan reservoir utama. Jika temperatur batuan intrusi telah

menurun karena usia; atau karena ukurannya yang kecil; atau terletak terlalu dalam, maka

kontribusi uap magma terhadap sistem panasbumi relatif kecil dan bisa jadi tidak terdeteksi.

MANIFESTASI PANAS BUMI

Hampir semua daerah panasbumi selalu ditandai oleh keberadaan manifestasi

panasbumi. Adanya manifestasi pastinya disebabkan oleh adanya sumber panas bumi dibawah

manifestasi tersebut. Namun letak pastinya dimana kita belum tahu. Walaupun tidak ditemukan

sumber mata air panas, tapi permukaan tanah yang dirasakan lebih panas daripada sekelilingnya

sudah cukup mengindikasikan keberadaan sumber panasbumi dibawahnya. Tanpa adanya

sumber panasbumi, permukaan tanah tidak mungkin akan menjadi panas.

Volume reservoir berikut permeabilitas batuan reservoir perlu diketahui agar

kemampuan sumur untuk memproduksi atau mengalirkan fluida bisa diperhitungkan. Jika

volumenya kecil dan permeabilitasnya rendah, maka kemampuan produksi akan rendah dan

besar kemungkinan umur sumur tersebut pun akan singkat sekali. Demikian juga dengan

temperatur fluida reservoir panasbumi. Temperatur fluida reservoir yang terlalu rendah tidak

akan mengundang investasi proyek panasbumi untuk dimanfaatkan sebagai sumber energi listrik.

Reservoir panasbumi dikategorian menjadi 4, yaitu:

1. Temperatur tinggi, bila temperatur fluida > 250C

2. Temperatur medium, bila temperatur fluida berkisar antara 150C- 250C

3. Temperatur didih rendah, bila temperatur fluida berkisar antara 100C- 150C

4. Temperatur rendah, bila temperatur fluida berkisar antara 50C- 100C

Dari 4 kategori tersebut, hanya reservoir temperatur medium dan reservoir temperatur

tinggi yang bisa menggairahkan investasi proyek pembangkit listrik energi panasbumi.

TAHAPAN EKSPLORASI PANAS BUMI

Terdapat 5 survey lapangan pada kegiatan eksplorasi panas bumi ini, yaitu antara lain:

1. Survey penginderaan jauh

2. Survey geologi

3. Survey hidrologi

4. Survey geokimia

5. Survey Geofisika

METODE GEOFISIKA UNTUK EKSPLORASI GEOTHERMAL

Metode Geofisika Target Pengamatan

Metode Termal Survey temperatur dangkal (kedalaman

Garam (brine) panas, daerah dengan alterasi fluida terinduksi, patahan.

Garam (brine) panas, daerah dengan alterasi fluida terinduksi, patahan.

Struktur, garam (brine) panas, daerah leburan parsial (partial melt).

Metode Gravitasi Survey Gravitasi dan microgravitasi Dapur magma yang dalam

Metode Magnetik Suvey airbone and ground magnetic Struktur, intrusi, daerah alterasi, anomaly densitas, perindahan fluida.

Metode Seismik Microseismic, Microearthquake

Teleseismik

Seismik refraksi

Seismic refleksi

Struktur, zona alterasi, anomaly sifat magnetic, jenis batuan.

Proses hydrothermal aktif.

Patahan dan rekahan aktid, distribusi kecepatan dan atenuasi.

Dapur magma yang dalam

Radiometrik Radioelemental (K,U dan Th) dan survey produksi panas

Patahan dan rekahan aktif, distribusi kecepatan dan atenuasi.

Pengeboran Well Logging

Vertical Seismic Profiling

Kelistrikan

Patahan dan rekahan aktif, distribusi kecepatan dan atenuasi

Daerah dengan anomaly radio aktif (222 radium dan 226 Radon)

Anomali temperature, porositas, permeabilitas dan jenis batuan

Distribusi kecepatan, rekahan

Garam (brine) panas, daerah alterasi, patahan.

TEKNOLOGI KONVERSI GEOTHERMAL

Sistem konversi untuk fluida uap langsung merupakan sistem konversi yang paling

sederhana dan paling murah. Uap dari turbin dialirkan ke kondensor untuk dikondensasikan

(condensing turbine). Dari kondensor, kondensat kemudian dialirkan ke menara pendingin atau

cooling tower dan selanjutnya diinjeksikan kembali ke bawah permukaan. Sebagian dari air

kondensat ini dialirkan ke kondensor.

Gambar. Skema system pembangkit litrik panas bumi.

Apabila fluida panas bumi keluar dari kepala sumur sebagai campuran fluida dua fasa

(fasa uap dan fasa cair) maka terlebih dahulu dilakukan proses pemisahan pada fluida. Hal ini

dimungkinkan dengan melewatkan fluida ke dalam separator, sehingga fasa uap akan

terpisahkan dari fasa cairnya. Fraksi uap yang dihasilkan dari separator inilah yang kemudian

dialirkan ke turbin. Oleh karena uap yang digunakan adalah hasil pemisahan maka, sistem

konversi energi ini dinamakan siklus uap hasil pemisahan atau separated steam cycle. Siklus

pembangkitan listrik ini telah digunakan di lapangan Wairakei (New Zealand) sejak 50 tahun yang

lalu dan dibeberapa lapangan lain termasuk di Indonesia, yaitu antara lain di lapangan

Awibengkok Gunung Salak (Jawa Barat) sejak tahun 1994, Wayang Windu (Jawa Barat) sejak

tahun 2000, Lahendong (Sulawesi Utara), Dieng (Jawa Tengah) dan Sibayak (Sumatera Utara).

Apabila sumberdaya panasbumi mempunyai temperatur sedang, fluida panas bumi masih

dapat dimanfaatkan untuk pembangkit listrik dengan menggunakan pembangkit listrik siklus

binari (binary plant). Dalam siklus pembangkit ini (Gambar 37), fluida sekunder (isobutane,

isopentane or ammonia) dipanasi oleh fluida panasbumi melalui mesin penukar kalor atau heat

exchanger. Fluida sekunder menguap pada temperatur lebih rendah dari temperatur titik didih

air pada tekanan yang sama. Fluida sekunder mengalir ke turbin dan setelah dimanfaatkan

dikondensasikan sebelum dipanaskan kembali oleh fluida panas bumi. Siklus ini merupakan

tertutup dimana fluida panas bumi tidak diambil masanya, tetapi hanya panasnya saja yang

diekstraksi oleh fluida kedua, sementara fluida panas bumi diinjeksikan kembali kedalam

reservoir. Siklus binari telah digunakan dibeberapa negara, antara lain di Parantuka, Kamchatka

Peninsula (USSR) dan Otake (Jepang). Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit

listrik panasbumi siklus binari berkapasitas 2,5 MW, namun sejak akhir tahun 1980an karena

masalah teknis, unit pembangkit tersebut tidak dapat dioperasikan.

Gambar. Skema system pembangkit listrik panas bumi dengan siklus binary

Disamping sistem pembangkit listrik tersebut diatas, masih ada beberapa sistem

pembangkit listrik dari fluida panas bumi lainnya yang telah diterapkan di lapangan, diantaranya

siklus uap hasil penguapan (single flash steam), siklus uap hasil pemisahan dan penguapan

(double flash steam), siklus uap hasil pemisahan dan penguapan dengan dua turbin terpisah

(Flashing Multi Flash Steam) dan siklus kombinasi (combined cycle). Pemilihan jenis siklus

pembangkit tergantung dari banyak faktor, antara lain jenis fluida, tekanan dan temperatur fluida

di kepala sumur serta keekonomian.

Sistem pembangkit listrik siklus uap hasil penguapan atau single flash steam (Gambar 38)

digunakan bilamana fluida dikepala sumur dalam kondisi air jenuh (saturated liquid). Fluida

dialirkan ke sebuah flasher agar menguap. Banyaknya uap yang dihasilkan tergantung dari

tekanan flasher. Fraksi uap yang dihasilkan kemudian dialirkan ke turbin. Sistem pembangkit jenis

ini digunakan dibeberapa lapangan, antara lain di Unit 1 Mindanao (Philipina) sejak tahun 1997,

di Cerro Prieto (Mexico) sejak tahun 2000, di Nesjavellir Iceland sejak tahun 2001.

Gambar. Skema system pembangkit listrik panas bumi siklus uap hasil penguapan.

Pada sistem pembangkit listrik siklus uap hasil pemisahan dan penguapan atau double

flash steam cycle (Gambar 39) uap yang digunakan adalah uap dari hasil pemisahan fluida dalam

separator dan uap dari flasher yang merupakan hasil penguapan air yang keluar dari separator.

Uap dari separator dialirkan ke turbin pertama (HP-turbine) dan dan uap dari flasher dialirkan ke

turbin lain yang mempunyai tekanan lebih rendah (LP-turbine). Siklus pembangkit ini telah

digunakan dibeberapa negara, antara lain di lapangan Hatchobaru (Jepang), dan Krafla (Iceland).

Gambar. Skema pembangkit listrik untuk system double plash steam.