Chapter II Studi Prakiraan Potensi Plta Pumped Storage Danau Sidihoni Kabupaten Samosir
BAB II
DASAR TEORI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR
PUMPED STORAGE
2.1
Pengertian PLTA Pumped Storage
Pembangkit Listrik Tenaga Pompa (Pumped Storage) adalah sebuah tipe
khusus dari pembangkit listrik konvensional.Dimana keistimewaan dari
pembangkit listrik ini terletak pada keadaannya apabila pembangkit demikian
tidak memproduksi tenaga listrik, maka dapat dipergunakan sebagai stasiun
pompa yang memompa air dari waduk bawah ke waduk atas saat cadangan air
tinggi, Pada saat demikian, stasiun pembangkit mempergunakan persediaan
tenaga listrik untuk dialirkan ke unit pompa.
2.2
Prinsip Pembangkitan Listrik Tenaga Air
Pembangkit listrik tenaga air memiliki tiga komponen utama yaitu air
(sumber energi), turbin dan generator.Air yang mengalir dengan kapasitas tertentu
disalurkan dengan ketinggian tertentu menuju rumah pembangkit. Di rumah
pembangkit air akan menumbuk turbin dimana turbin sendiri dipastikan akan
menerima energi air tersebut dan mengubahnya menjadi energi mekanik berupa
berputarnya poros turbin. Poros yang berputar ditransmisikan ke generator dengan
menggunakan kopling, dan dari generator akan menghasilkan energi listrik yang
akan masuk ke sistem kontol. Energi yang dibangkitkan dapat digunakan secara
langsung, disimpan dalam baterai ataupun digunakan untuk memperbaiki kualitas
listrik pada jaringan.
6
Sebagaimana yang dapat dipahami adalah daya yang dihasilkan adalah
hasil kali dari tinggi jatuh dan debit air, oleh karena itu berhasilnya pembangkitan
tenaga air tergantung daripada usaha untuk mendapatkan tinggi jatuh air dan debit
yang besar secara efektif dan ekonomis.
Gambar 2.1
2.3
Pusat Pembangkit Listrik Tenaga Air Pada Umumnya
Prinsip Pembangkitan Listrik Tenaga Air Pumped Storage
Secara teknis,PLTA Pompa memiliki dua buah waduk, yaitu waduk bawah
dan waduk atas, waduk ini berfungsi menampung air sebagai cadangan pada saat
dibutuhkan untuk membangkitkanenergi listrik . Pada saat beban listrik rendah,
pompa akan berfungsi untuk memompa air dari waduk bawah ke waduk atas dan
juga sebaliknya, pada saat beban puncak air yang berada pada waduk atas akan
dijatuhkan melalui pipa pesat hingga menuju turbin, lalu turbin akan memutar
poros generator hingga menghasilkan energi listrik seperti yang ditunjukkan pada
Gambar di bawah ini.
7
Gambar 2.2 Prinsip Kerja PLTA Pompa
Untuk menghitung daya listrik sebelum masuk ke turbin atau daya teoritisnya
dalam satuan kW dapat menggunakan rumus di bawah ini :
:
Dimana :
P =
9,8 x Q x h
( kW ) ……………………
P =
Daya Teoritis
k =
Konstanta
( 9,8 m/detik2)
Q =
Debit air
( m3 / detik )
h =
Tinggi jatuh air ( meter )
( 2.1 )
( kW )
Dengan menggunakan efisiensi Turbin ηTurbin(
ηT ), maka didapatkan daya
mekanik turbin dengan persamaan dibawah ini :
P =
9,8 x Q x h x ηT
( kW ) ……………………
( 2.2 )
Untuk mendapatkan daya keluaran generator perlu mempertimbangkan efisiensi
generator η Generator( ηG )sesuai persamaan dibawah ini :
P =
9,8 x Q x h x ηG x η T ( kW ) ………………..
( 2.3 )
Pada umumnya Daya keluaran generator disebut juga sebagai daya keluaran dari
PLTA tersebut.
8
Pembangkitan energi per tahun dapat dihasilkan dari perhitungan hasil
perkalian jumlah daya dibangkitkan (kW) dengan waktu yang diperlukan (t)
selama satu tahun (8760 jam) dengan factor daya (PF). Secara teori dapat
dipergunakan persamaan
:
E = P x 8760 x PF (kWh)
Dimana
…………………… ( 2.4 )
:
E
= Energi per tahun ( kWh )
P
= Kapasitas Terpasang ( Kw )
PF
= Faktor Daya
8760
= Waktu pembangkitan dalam satu tahun
Bilamana satuan waktu yang ditentukan adalah satu bulan maka (t) adalah
30 hari x 24 jam = 720 jam, sedangkan bilamana satuan waktu itu ditentukan
dalam satu tahun, maka (t) adalah 365 hari x 24 jam = 8760 jam.Dan untuk faktor
daya yang digunakan bisa dimisalkan 70 %.
2.4
Komponen – komponen PLTA
Secara garis besar komponen – kompnen PLTA berupa waduk, valve
chamber, surge tank,
pipa pesat (penstock), Pompa, turbin, generator, dan
transmisi. Adapun penjelasan beberapa macam komponen PLTA tersebut
disajikan dalam penjelasan berikut ini :
2.4.1
Waduk / Bendungan (Dam)
Dam berfungsi untuk menampung air dalam jumlah besar karena turbin
memerlukan pasokan air yang cukup dan stabil.Selain itu dam juga berfungsi
untuk pengendalian banjir.
2.4.2
Saluran Penyadap (Intake)
9
Saluran penyadap adalah bagian dari konstruksi sipil yang digunakan
untuk masuknya air dari danau menuju bak penenang dengan dilengkapi
penghalang sampah.
2.4.3
Saluran Pembawa (Head Race Tunnel)
Saluran pembawa berfungsi untuk mengalirkan air dari intake sampai ke
bak penenang. Perencanaan saluran penghantar berdasarkan pada kriteria: nilai
ekonomis yang tinggi, Efisiensi fungsi, Aman terhadap tinjauan teknis, Mudah
pengerjaannya, Mudah pemeliharaannya, Struktur bangunan yang memadai ,
dan Kehilangan tinggi tekan (head losses) yang kecil.
2.4.4
Kolam Penenang (Forebay Tank)
Kolam penenang berfungsi untuk mengendapkan dan menyaring kembali
air agar kotoran tidak masuk dan merusak turbin. Selain itu kolam penenang ini
juga berfungsi untuk menenangkan aliran air yang akan masuk ke dalam pipa
pesat.
2.4.5
Pintu Pengatur (Valve Chamber)
Pintu pengatur berfungsi untuk mengatur volume air yang akan masuk dari
kolam penenang ke pipa pesat.
2.4.6
Pipa Pesat (Penstock)
Pipa pesat (penstock) adalah pipa yang yang berfungsi untuk mengalirkan
air dari bak penenang (forebay tank).
2.4.7
Pipa Penghisap
Pipa penghisap digunakan untuk mengalirkan air dari waduk bawah ke
waduk atas dengan menggunakan pompa.
10
2.4.8
Pompa (Pumped)
Pompa berfungsi untuk memompa air dari waduk bawah ke waduk atas.
2.4.9
Rumah Pembangkit (Power House)
Pada rumah pembangkit ini terdapat turbin, generator dan peralatan
lainnya.Bangunan ini menyerupai rumah dan diberi atap untuk melindungi
peralatan dari hujan dan gangguan-gangguan lainnya.
2.4.10 Saluran Buang (Tail Race)
Saluran buang berfungsi mengalirkan air keluar setelah memutar turbin.
2.4.11 Turbin
Turbin berfungsi untuk mengubah energi potensial menjadi energi
mekanik. Air akan memukul sudu-sudu dari turbin sehingga turbin berputar.
Perputaran turbin ini di hubungkan ke generator. Turbin terdiri dari berbagai jenis
seperti turbin Francis, Kaplan, Pelton, dan lain-lain.
2.4.11.1
Pengelompokkan Turbin
Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air
menjadi energi mekanis, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin
impuls dan turbin reaksi.
•
Turbin Impuls
Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar
dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua
energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah
11
menjadi energi kecepatan. Adapun jenis – jenis turbin impuls adalah sebagai
berikut :
a. Turbin Pelton
Turbin Pelton adalah Turbin yang digunakan untuk tinggi terjun yang
tinggi, yaitu di atas 300 meter. Teknik mengkonversikan energi potensial air
menjadi energi mekanik pada roda air turbin dilakukan melalui proses impuls,
sehingga turbin pelton disebut juga sebagai turbin impuls.
Gambar 2.3
Turbin Pelton
b. Turbin Turgo
Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbin
pelton, turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda.Dan
kecepatan putar turbin turgo lebih besar dari turbin Pelton, akibatnya
dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan
efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan.
12
Gambar 2.4
Turbin Turgo
c. Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow (Turbin MichellBanki)
Turbin cross-flow merupakan jenis turbin yang dikembangkan oleh
Anthony Michell (Australia), Donat Banki (Hongaria) dan Fritz Ossberger
(Jerman).Michell memperoleh hak paten atas desainnya pada 1903. Turbin
crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 liter/s hingga 10 m3/s dan head antara
1 m s/d 200 m. Turbin crossflow menggunakan nozle persegi panjang yang
lebarnya sesuai dengan lebar runner.
Gambar 2.5
Turbin crossflow
2. .Turbin Reaksi
13
Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan
terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini
memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat
berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai
turbin reaksi.Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada
dalam rumah turbin.
a. Turbin Francis
Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang
diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di
bagian keluar.Turbin Francis menggunakan sudu pengarah.Sudu pengarah
mengarahkan air masuk secara tangensial.
Sudu pengarah pada turbin francis dapat merupakan suatu sudu pengarah
yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Untuk penggunaan
pada berbagai kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur
merupakan pilihan yang tepat.
Gambar 2.6
Turbin Francis
14
b. Turbin Kaplan & propeller
Turbin Kaplan dan propeller merupakan turbin rekasi aliran aksial.Turbin
ini tersusun dari propeller seperti pada perahu.Propeller tersebut biasanya
mempunyai tiga hingga enam sudu.
Gambar 2.7
Turbin Kaplan
Diagram klasifikasi turbin air dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
2.4.11.2
Pemilihan Turbin
Daerah aplikasi berbagai jenis turbin air relatif spesifik. Pada beberapa
daerah operasi memungkinkan digunakan beberapa jenis turbin. Pemilihan jenis
turbin pada daerah operasi yang overlaping ini memerlukan perhitungan yang
lebih mendalam.
15
Gambar 2.8 Grafik Klasifikasi turbin
Aplikasi penggunaan turbin berdasarkan tinggi head yang didapatkan
adalah sebagai berikut ini :
1)
Turbin Kaplan & Propeller
: 2 < H
DASAR TEORI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR
PUMPED STORAGE
2.1
Pengertian PLTA Pumped Storage
Pembangkit Listrik Tenaga Pompa (Pumped Storage) adalah sebuah tipe
khusus dari pembangkit listrik konvensional.Dimana keistimewaan dari
pembangkit listrik ini terletak pada keadaannya apabila pembangkit demikian
tidak memproduksi tenaga listrik, maka dapat dipergunakan sebagai stasiun
pompa yang memompa air dari waduk bawah ke waduk atas saat cadangan air
tinggi, Pada saat demikian, stasiun pembangkit mempergunakan persediaan
tenaga listrik untuk dialirkan ke unit pompa.
2.2
Prinsip Pembangkitan Listrik Tenaga Air
Pembangkit listrik tenaga air memiliki tiga komponen utama yaitu air
(sumber energi), turbin dan generator.Air yang mengalir dengan kapasitas tertentu
disalurkan dengan ketinggian tertentu menuju rumah pembangkit. Di rumah
pembangkit air akan menumbuk turbin dimana turbin sendiri dipastikan akan
menerima energi air tersebut dan mengubahnya menjadi energi mekanik berupa
berputarnya poros turbin. Poros yang berputar ditransmisikan ke generator dengan
menggunakan kopling, dan dari generator akan menghasilkan energi listrik yang
akan masuk ke sistem kontol. Energi yang dibangkitkan dapat digunakan secara
langsung, disimpan dalam baterai ataupun digunakan untuk memperbaiki kualitas
listrik pada jaringan.
6
Sebagaimana yang dapat dipahami adalah daya yang dihasilkan adalah
hasil kali dari tinggi jatuh dan debit air, oleh karena itu berhasilnya pembangkitan
tenaga air tergantung daripada usaha untuk mendapatkan tinggi jatuh air dan debit
yang besar secara efektif dan ekonomis.
Gambar 2.1
2.3
Pusat Pembangkit Listrik Tenaga Air Pada Umumnya
Prinsip Pembangkitan Listrik Tenaga Air Pumped Storage
Secara teknis,PLTA Pompa memiliki dua buah waduk, yaitu waduk bawah
dan waduk atas, waduk ini berfungsi menampung air sebagai cadangan pada saat
dibutuhkan untuk membangkitkanenergi listrik . Pada saat beban listrik rendah,
pompa akan berfungsi untuk memompa air dari waduk bawah ke waduk atas dan
juga sebaliknya, pada saat beban puncak air yang berada pada waduk atas akan
dijatuhkan melalui pipa pesat hingga menuju turbin, lalu turbin akan memutar
poros generator hingga menghasilkan energi listrik seperti yang ditunjukkan pada
Gambar di bawah ini.
7
Gambar 2.2 Prinsip Kerja PLTA Pompa
Untuk menghitung daya listrik sebelum masuk ke turbin atau daya teoritisnya
dalam satuan kW dapat menggunakan rumus di bawah ini :
:
Dimana :
P =
9,8 x Q x h
( kW ) ……………………
P =
Daya Teoritis
k =
Konstanta
( 9,8 m/detik2)
Q =
Debit air
( m3 / detik )
h =
Tinggi jatuh air ( meter )
( 2.1 )
( kW )
Dengan menggunakan efisiensi Turbin ηTurbin(
ηT ), maka didapatkan daya
mekanik turbin dengan persamaan dibawah ini :
P =
9,8 x Q x h x ηT
( kW ) ……………………
( 2.2 )
Untuk mendapatkan daya keluaran generator perlu mempertimbangkan efisiensi
generator η Generator( ηG )sesuai persamaan dibawah ini :
P =
9,8 x Q x h x ηG x η T ( kW ) ………………..
( 2.3 )
Pada umumnya Daya keluaran generator disebut juga sebagai daya keluaran dari
PLTA tersebut.
8
Pembangkitan energi per tahun dapat dihasilkan dari perhitungan hasil
perkalian jumlah daya dibangkitkan (kW) dengan waktu yang diperlukan (t)
selama satu tahun (8760 jam) dengan factor daya (PF). Secara teori dapat
dipergunakan persamaan
:
E = P x 8760 x PF (kWh)
Dimana
…………………… ( 2.4 )
:
E
= Energi per tahun ( kWh )
P
= Kapasitas Terpasang ( Kw )
PF
= Faktor Daya
8760
= Waktu pembangkitan dalam satu tahun
Bilamana satuan waktu yang ditentukan adalah satu bulan maka (t) adalah
30 hari x 24 jam = 720 jam, sedangkan bilamana satuan waktu itu ditentukan
dalam satu tahun, maka (t) adalah 365 hari x 24 jam = 8760 jam.Dan untuk faktor
daya yang digunakan bisa dimisalkan 70 %.
2.4
Komponen – komponen PLTA
Secara garis besar komponen – kompnen PLTA berupa waduk, valve
chamber, surge tank,
pipa pesat (penstock), Pompa, turbin, generator, dan
transmisi. Adapun penjelasan beberapa macam komponen PLTA tersebut
disajikan dalam penjelasan berikut ini :
2.4.1
Waduk / Bendungan (Dam)
Dam berfungsi untuk menampung air dalam jumlah besar karena turbin
memerlukan pasokan air yang cukup dan stabil.Selain itu dam juga berfungsi
untuk pengendalian banjir.
2.4.2
Saluran Penyadap (Intake)
9
Saluran penyadap adalah bagian dari konstruksi sipil yang digunakan
untuk masuknya air dari danau menuju bak penenang dengan dilengkapi
penghalang sampah.
2.4.3
Saluran Pembawa (Head Race Tunnel)
Saluran pembawa berfungsi untuk mengalirkan air dari intake sampai ke
bak penenang. Perencanaan saluran penghantar berdasarkan pada kriteria: nilai
ekonomis yang tinggi, Efisiensi fungsi, Aman terhadap tinjauan teknis, Mudah
pengerjaannya, Mudah pemeliharaannya, Struktur bangunan yang memadai ,
dan Kehilangan tinggi tekan (head losses) yang kecil.
2.4.4
Kolam Penenang (Forebay Tank)
Kolam penenang berfungsi untuk mengendapkan dan menyaring kembali
air agar kotoran tidak masuk dan merusak turbin. Selain itu kolam penenang ini
juga berfungsi untuk menenangkan aliran air yang akan masuk ke dalam pipa
pesat.
2.4.5
Pintu Pengatur (Valve Chamber)
Pintu pengatur berfungsi untuk mengatur volume air yang akan masuk dari
kolam penenang ke pipa pesat.
2.4.6
Pipa Pesat (Penstock)
Pipa pesat (penstock) adalah pipa yang yang berfungsi untuk mengalirkan
air dari bak penenang (forebay tank).
2.4.7
Pipa Penghisap
Pipa penghisap digunakan untuk mengalirkan air dari waduk bawah ke
waduk atas dengan menggunakan pompa.
10
2.4.8
Pompa (Pumped)
Pompa berfungsi untuk memompa air dari waduk bawah ke waduk atas.
2.4.9
Rumah Pembangkit (Power House)
Pada rumah pembangkit ini terdapat turbin, generator dan peralatan
lainnya.Bangunan ini menyerupai rumah dan diberi atap untuk melindungi
peralatan dari hujan dan gangguan-gangguan lainnya.
2.4.10 Saluran Buang (Tail Race)
Saluran buang berfungsi mengalirkan air keluar setelah memutar turbin.
2.4.11 Turbin
Turbin berfungsi untuk mengubah energi potensial menjadi energi
mekanik. Air akan memukul sudu-sudu dari turbin sehingga turbin berputar.
Perputaran turbin ini di hubungkan ke generator. Turbin terdiri dari berbagai jenis
seperti turbin Francis, Kaplan, Pelton, dan lain-lain.
2.4.11.1
Pengelompokkan Turbin
Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air
menjadi energi mekanis, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin
impuls dan turbin reaksi.
•
Turbin Impuls
Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar
dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua
energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah
11
menjadi energi kecepatan. Adapun jenis – jenis turbin impuls adalah sebagai
berikut :
a. Turbin Pelton
Turbin Pelton adalah Turbin yang digunakan untuk tinggi terjun yang
tinggi, yaitu di atas 300 meter. Teknik mengkonversikan energi potensial air
menjadi energi mekanik pada roda air turbin dilakukan melalui proses impuls,
sehingga turbin pelton disebut juga sebagai turbin impuls.
Gambar 2.3
Turbin Pelton
b. Turbin Turgo
Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbin
pelton, turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda.Dan
kecepatan putar turbin turgo lebih besar dari turbin Pelton, akibatnya
dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan
efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan.
12
Gambar 2.4
Turbin Turgo
c. Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow (Turbin MichellBanki)
Turbin cross-flow merupakan jenis turbin yang dikembangkan oleh
Anthony Michell (Australia), Donat Banki (Hongaria) dan Fritz Ossberger
(Jerman).Michell memperoleh hak paten atas desainnya pada 1903. Turbin
crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 liter/s hingga 10 m3/s dan head antara
1 m s/d 200 m. Turbin crossflow menggunakan nozle persegi panjang yang
lebarnya sesuai dengan lebar runner.
Gambar 2.5
Turbin crossflow
2. .Turbin Reaksi
13
Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan
terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini
memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat
berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai
turbin reaksi.Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada
dalam rumah turbin.
a. Turbin Francis
Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang
diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di
bagian keluar.Turbin Francis menggunakan sudu pengarah.Sudu pengarah
mengarahkan air masuk secara tangensial.
Sudu pengarah pada turbin francis dapat merupakan suatu sudu pengarah
yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Untuk penggunaan
pada berbagai kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur
merupakan pilihan yang tepat.
Gambar 2.6
Turbin Francis
14
b. Turbin Kaplan & propeller
Turbin Kaplan dan propeller merupakan turbin rekasi aliran aksial.Turbin
ini tersusun dari propeller seperti pada perahu.Propeller tersebut biasanya
mempunyai tiga hingga enam sudu.
Gambar 2.7
Turbin Kaplan
Diagram klasifikasi turbin air dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
2.4.11.2
Pemilihan Turbin
Daerah aplikasi berbagai jenis turbin air relatif spesifik. Pada beberapa
daerah operasi memungkinkan digunakan beberapa jenis turbin. Pemilihan jenis
turbin pada daerah operasi yang overlaping ini memerlukan perhitungan yang
lebih mendalam.
15
Gambar 2.8 Grafik Klasifikasi turbin
Aplikasi penggunaan turbin berdasarkan tinggi head yang didapatkan
adalah sebagai berikut ini :
1)
Turbin Kaplan & Propeller
: 2 < H