Analisis Termodinamika dan Potensi Retrofit Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) Batubara Indonesia untuk Operasi dengan Bahan Bakar Besi

ILHAM ANJASMORO, Dr. Ir. Akmal Irfan Majid. S.T., M.Eng.

2026 | Tesis | S2 Teknik Mesin

Sistem ketenagalistrikan Indonesia masih sangat bergantung pada pembangkit listrik tenaga batu bara, yang merupakan salah satu kontributor utama emisi karbon. Penelitian ini mengevaluasi potensi retrofit pada pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) batu bara eksisting berkapasitas 54 MW di Indonesia melalui substitusi batu bara dengan serbuk besi sebagai bahan bakar padat bebas karbon. Analisis difokuskan pada efisiensi boiler, kinerja siklus Rankine, emisi gas buang, serta dampak ekonomi yang ditinjau berdasarkan belanja modal (Capital Expenditure atau CAPEX), biaya operasional (Operating Expenditure atau OPEX), dan LCOE (Levelized Cost of Electricity).

Simulasi dilakukan menggunakan Aspen Plus pada kondisi tunak dengan reaktor RGibbs. Substitusi serbuk besi dievaluasi menggunakan pendekatan masukan energi ekuivalen, dengan total energi bahan bakar dipertahankan sekitar 223,10 MW. Dua konfigurasi retrofit dianalisis, yaitu pembakaran bersama Fe secara langsung (direct Fe co-firing) dan pembakaran Fe secara eksternal (external Fe combustion). EVAP-FEOX dimodelkan sebagai unit pemulihan panas konseptual untuk memanfaatkan kalor sensibel dari oksida Fe bersuhu tinggi.

Hasil Penelitian menunjukkan bahwa substitusi serbuk besi mampu mempertahankan kinerja termal sistem, dengan efisiensi boiler berkisar sekitar 85,20% - 85,45?n efisiensi siklus rankine sekitar 28,16% - 28,22%. Peningkatan fraksi Fe secara signifikan menurunkan emisi CO dan SO hingga mencapai nol pada skenario 100%. Namun, konfigurasi direct Fe co-firing meningkatkan emisi CO dan NO pada skenario substitusi parsial akibat pengaruh kesetimbangan pada temperatur tinggi serta berlangsungnya oksidasi batu bara dan Fe secara simultan. Sebaliknya, konfigurasi external Fe combustion menghasilkan karakteristik emisi yang lebih stabil karena proses oksidasi Fe dipisahkan dari ruang bakar utama.

Dari aspek ekonomi, nilai LCOE meningkat seiring dengan peningkatan fraksi Fe. Pada konfigurasi direct co-firing, LCOE meningkat dari 0,1091 USD/kWh pada fraksi Fe 5% menjadi 0,1529 USD/kWh pada fraksi Fe 75%, sedangkan pada konfigurasi external combustion, LCOE meningkat dari 0,1117 menjadi 0,1582 USD/kWh. Dengan demikian, retrofit menggunakan serbuk besi berpotensi menjadi salah satu opsi transisi dekarbonisasi bagi PLTU batu bara eksisting, terutama apabila sistem pemulihan oksida Fe, pemulihan panas, biaya sirkulasi Fe, serta teknologi regenerasi rendah karbon dapat dioptimalkan lebih lanjut.

Indonesia's power system still relies heavily on coal-fired power plants, which are major contributors to carbon emissions. This study evaluates the retrofit potential of an existing 54 MW coal-fired power plant in Indonesia by substituting coal with iron powder as a carbon-free solid fuel. The analysis focuses on boiler efficiency, Rankine cycle performance, flue gas emissions, and economic impacts through CAPEX, OPEX, and Levelized Cost of Electricity (LCOE).

The simulation was conducted using Aspen Plus under steady-state conditions with an RGibbs reactor. Iron powder substitution was evaluated using an equivalent energy input approach, with total fuel energy maintained at approximately 223.10 MW. Two retrofit configurations were analyzed: direct Fe co-firing and external Fe combustion. EVAP-FEOX was modeled as a conceptual heat recovery unit to utilize sensible heat from hot Fe oxide.

The results show that iron powder substitution maintains system thermal performance, with boiler efficieny around 85.20% - 85.45% and Rankine cycle efficiency around 28.16% - 28.22%. Increasing the Fe fraction significantly reduces CO and SO emissions, reaching zero in the 100% scenario. However, direct Fe co-firing increases CO and NO in partial substitution scenarios due to high-temperature equilibrium effects and simultaneous coal - Fe oxidation. External Fe combustion provides more stable emission characteristics because Fe oxidation is separated from the main furnace.

Economically, LCOE increases with Fe fraction. Direct co-firing increases from 0.1091 USD/kWh at 5% to 0.1529 USD/kWh at 75%, while external combustion increases from 0.1117 to 0.1582 USD/kWh. Therefore, iron powder retrofit can be considered a transitional decarbonization option for existing coal-fired power plants, particularly if Fe oxide recovery, heat recovery, Fe circulation cost, and low-carbon regeneration systems are improved.

Kata Kunci : coal-fired power plant, iron powder, PC boiler retrofit, , thermal efficiency, CO/NO emissions, LCOE