BAB II DASAR TEORI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO
2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Air
Pembangkit listrik
tenaga air
PLTA adalah
pembangkit yang
menggunakan energi potensial dan kinetik dari air untuk menghasilkan energi listrik. Energi listrik yang dibangkitkan ini biasa disebut sebagai hidroelektrik.
Cara kerja pembangkit listrik tenaga air adalah dengan mengkonversikan tenaga air menjadi tenaga mekanik dalam turbin air. Kemudian turbin air memutar
generator yang membangkitkan tenaga listrik. Sementara air yang tadi digunakan untuk memutar turbin air dikembalikan ke alirannya. Besarnya energi yang dapat
dikonversikan menjadi energi listrik bergantung pada ketinggian jatuh air head dan begitu pula pemilihan turbin untuk PLTA.
Secara luas, pembangkit listrik tenaga air tidak hanya terbatas pada air dari sebuah waduk atau air terjun, melainkan juga meliputi pembangkit listrik yang
menggunakan tenaga
air dalam
bentuk lain
seperti tenaga
ombak. Hidroelektrisitas adalah sumber energi terbarukan.
2.2 Klasifikasi Pembangkit Listrik Tenaga Hidro
Pada dasarnya, suatu pembangkit listrik tenaga hidro berfungsi untuk mengubah potensi tenaga air yang berupa aliran air sungai yang mempunyai
debit dan tinggi jatuh head untuk menghasilkan energi listrik. Secara umum, pusat listrik tenaga air terdiri dari:
1. Pembangkit Listrik Tenaga Air PLTA
2. Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro PLTM
3. Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro PLTMH
Pembangkit listrik tenaga hidro dapat dikategorikan dan diklasifikasikan sesuai besar daya yang dihasilkannya, sebagaimana diperlihatkan pada Tabel 2.1
berikut:
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.1 Jenis Pembangkit Tenaga Air dan Kapasitasnya No
Jenis DayaKapasitas
1 PLTA
5 MW 5.000 kW 2
PLTM 100kW-5000kW
3 PLTMH
100 kW
2.3 Energi Tenaga Air
Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka head
adalah beda ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka air keluar dari kincir air atau turbin air. Total daya yang terbangkitkan dari suatu turbin air
adalah merupakan reaksi antara head dan debit air seperti ditunjukkan pada persamaan berikut ini
P = . . ℎ
2.1
Dimana : P = daya W Q = debit air m
3
s h = tinggi jatuh air m
g = percepatan gravitasi 9,8 ms
2
Daya dalam rumus di atas merupakan daya secara teoritis. Daya teoritis PLTMH tersebut di atas, akan berkurang setelah melalui turbin dan generator.
Daya setelah keluar dari generator dapat dituliskan pada Persamaan 2.2.
Dimana : eff
T
: Efisiensi Turbin eff
G
: Efisiensi Generator
2.3.1 Debit
Debit adalah jumlah air yang mengalir melalui suatu penampang sungai tertentu persatuan waktu. Debit dipengaruhi oleh beberapa faktor, misalnya oleh
P = . . .
� . 2.2
Universitas Sumatera Utara
curah hujan, keadaan geologi, flora, temperatur, dan lain-lain. Debit selalu berubah dari musim ke musim dan dari hari ke hari. Pengukuran debit sungai
sangat penting untuk menentukan tenaga yang dihasilkan oleh pembangkit listrik tenaga air.
Debit sungai merupakan data pokok untuk perencanaan pembangkit listrik tenaga air sehingga harus diukur secara teliti dalam jangka waktu yang selama
mungkin. Adapun beberapa cara untuk mengukur debit sungai :
a. Kecepatan rata-rata aliran sungai pada suatu bagian dari penampangnya
diukur, kemudian dikalikan dengan luas penampang pada bagian itu. Hasil perkalian luas penampang dengan kecepatan tersebut adalah debit sungai.
= �. 2.3 Dimana: Q = Debit aliran m
3
s A = Luas penampang vertikal m
2
V = Kecepatan aliran sungai ms
b. Debit sungai diperoleh dari pengamatan tinggi permukaan air dengan
mempergunakan lengkung debit tinggi air yang pada umumnya dilakukan dengan gardu-gardu pengamatan.
Luas penampang diukur dengan menggunakan meteran dan piskal tongkat bambu atau kayu. Dalam mengukur luas penampang perlu diukur kedalaman
sungai di beberapa titik. Kemudian kedalaman titik yang telah didapat dihitung dengan menggunakan Persamaaan 2.4.
� = � ×
�−
+
�
2.4 Dimana :
A = luas penampang i = jarak atau panjang segmen
n = nomor segmen atau nomor titik d = kedalaman titik
Universitas Sumatera Utara
Untuk kecepatan aliran diukur dengan menggunakan currentmeter atau juga dengan metode apung. Pengukuran kecepatan aliran dengan metode apung
dilakukan dengan jalan mengapungkan suatu benda, misalnya bola pingpong atau botol berisi air setengah penuh. Kecepatan aliran merupakan hasil bagi antara
jarak lintasan dengan waktu tempuh atau dapat dituliskan dengan persamaan
2.5 Dimana: V = kecepatan ms
L = panjang lintasan m t = waktu tempuh s
2.3.2 Curah Hujan dan Aliran Sungai 2.3.2.1 Curah Hujan dan Pengukuran Curah Hujan
Air yang mengandung uap air dan naik ke atas karena suhu yang makin rendah akan mengembun dan berkumpul. Kumpulan embun tersebut membentuk
awan dan bergabung menjadi titik-titik air dan kemudian jatuh ke tanah. Titik-titik air inilah yang disebut dengan hujan dan jumlah hujan yang jatuh disebut curah
hujan. Sebagian dari curah hujan tersebut menghilang karena menguap dan meresap kedalam tanah dan sebagian mengalir diatas permukaan tanah dan
mengalir menuju sungai-sungai. Perbandingan antara curah hujan dengan aliran sungai disebut faktor kedap run-off coefficient.
Curah hujan dinyatakan dengan tingginya air dalam satu tabung, biasanya dalam mm. Untuk mengukur curah hujan, digunakan alat ukur curah hujan rain
gauge yang digunakan untuk mengukur curah hujan tersebut yang akan dibuat dalam data tahunan.
2.3.2.2 Aliran sungai
Aliran sungai atau debit adalah jumlah air yang mengalir melalui suatu penampang sungai tertentu persatuan waktu. Debit dipengaruhi oleh beberapa
faktor, misalnya oleh curah hujan, keadaan geologi, flora, temperatur, dan lain- lain. Debit selalu berubah dari musim ke musim dan dari hari ke hari. Pengukuran
Universitas Sumatera Utara
debit sungai sangat penting untuk menentukan tenaga yang dihasilkan oleh pusat listrik tenaga air.
2.3.2.3 Hubungan antara Curah Hujan dan Aliran Sungai
Sebagian dari air hujan mengalir dari permukaan tanah menuju ke sungai. Yang meresap ke tanah dan diserap oleh akar tanaman akan menjadi air tanah.
Hubungan antara curah hujan dan aliran sungai tergantung dari berbagai faktor, antara lain sifat menahan air dari tanah misalnya pepohonan, dan geologi tanah,
curah hujan, waktu datangnya hujan, keadaan geologi dan lain-lain. Dan karena banyak faktor tersebut, sulit menjelaskan hubungannya dengan cara yang
sederhana. Kondisi tanah maupun hutan di sekitar sungai juga perlu dipelihara. Hal ini mengingat perubahan musim yang dapat mempengaruhi debit sungai. Pada
musim hujan, debit sungai cenderung besar sedangkan pada musim kemarau debitnya kecil. Apabila kondisi tanah di sekitar sungai tidak dipelihara dapat
menimbulkan banjir pada musim hujan sedangkan di musim kemarau timbul kekeringan.
2.3.3 Tinggi Jatuh Efektif Head
Penentuan head pada PLTMH mempunyai arti yang sangat penting dalam menghitung potensi tenaga listrik. Tingkat kemiringan diwakili oleh indikator
gradien skematik dimana semakin miring areal, semakin besar kemungkinan untuk ditemukannya head yang cukup untuk PLTMH.
Gambar 2.1 Head PLTMH
Universitas Sumatera Utara
Tinggi jatuh efektif dapat diperoleh dengan mengurangi tinggi jatuh total dari permukaan air pada pengambilan sampai permukaan air saluran bawah
dengan kehilangan tinggi pada saluran air. Tinggi jatuh penuh full head adalah tinggi air yang bekerja efektif pada turbin yang sedang berjalan. Untuk jenis
saluran air, bila diketahui permukaan air pada bangunan pengambilan dan pada saluran bawah serta debit air, maka tinggi jatuh efektif dapat ditentukan dengan
dasar pertimbangan ekonomis yaitu berdasarkan biaya konstruksi paling ekonomis dengan memperhatikan kemiringan, ukuran penampang saluran air, dan luas
penampang pipa pesat.
2.3.4 Hubungan Debit dan Head
Dari Persamaan 2.1 tersebut di atas dapat dipahami bahwa 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 yang besar secara efektif dan ekonomis. Pada umumya, debit yang besar membutuhkan fasilitas dengan ukuran yang besar
untuk misalnya, bangunan ambil air intake, saluran air dan turbin sehingga tinggi jatuh yang besar dengan sendirinya lebih murah. Di hulu sungai dimana
umumnya kemiringan dasar sungai lebih curam akan mudah diperoleh tinggi jatuh yang besar. Sedangkan di sebelah hilir sungai, tinggi jatuh rendah dan debit besar.
Oleh karena itu, bagian hulu sungai lebih ekonomis dibandingkan bagian hilirnya mengingat tinggi jatuh yang kecil dan debit yang besar tadi. Selain itu, di bagian
hilir tersebut penduduknya padat, sehingga akan timbul masalah pemindahan penduduk dan karenanya tak dapat dihindari tambahnya biaya untuk konstruksi.
2.4 Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro
2.4.1 Pengertian Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro
Pembangkit listrik tenaga mikrohidro PLTMH adalah suatu pembangkit listrik skala kecil yang menggunakan tenaga air sebagai tenaga penggeraknya
seperti, saluran irigasi, sungai atau air terjun alam dengan cara memanfaatkan tinggi terjunan head dan jumlah debit air. Mikrohidro merupakan sebuah istilah
yang terdiri dari kata mikro yang berarti kecil dan hidro yang berarti air. Secara
Universitas Sumatera Utara
teknis, pembangkit listrik tenaga mikrohidro memiliki tiga komponen utama yaitu air sebagai sumber energi, turbin dan generator. Pembangkit listrik tenaga
mikrohidro mendapatkan energi dari aliran air yang memiliki perbedaan ketinggian tertentu.
Pada dasarnya, pembangkit listrik tenaga mikrohidro memanfaatkan energi potensial jatuhan air head. Semakin tinggi jatuhan air maka semakin besar
energi potensial air yang dapat diubah menjadi energi listrik. Di samping faktor geografis tata letak sungai, tinggi jatuhan air dapat pula diperoleh dengan
membendung aliran air sehingga permukaan air menjadi tinggi. Air dialirkan melalui sebuah pipa pesat kedalam rumah pembangkit yang pada umumnya
dibangun di bagian tepi sungai untuk menggerakkan turbin atau kincir air mikrohidro. Energi mekanik yang berasal dari putaran poros turbin akan diubah
menjadi energi listrik oleh sebuah generator. Pembangkit listrik tenaga mikrohidro bisa memanfaatkan ketinggian air
yang tidak terlalu besar, misalnya dengan ketinggian air 2,5 m dapat dihasilkan listrik 400 W. Relatif kecilnya energi yang dihasilkan pembangkit listrik tenaga
mikrohidro dibandingkan dengan PLTA skala besar, berimplikasi pada relatif sederhananya peralatan serta kecilnya areal yang diperlukan guna instalasi dan
pengoperasian pembangkit listrik tenaga mikrohidro. Hal tersebut merupakan salah satu keunggulan pembangkit listrik tenaga mikrohidro, yakni tidak
menimbulkan kerusakan lingkungan. Perbedaan antara pembangkit listrik tenaga air PLTA dengan pembangkit
listrik tenaga mikrohidro terutama pada besarnya tenaga listrik yang dihasilkan. PLTA dibawah ukuran 100 kW digolongkan sebagai pembangkit listrik tenaga
mikrohidro. Dengan demikian, sistem pembangkit listrik tenaga mikrohidro cocok untuk menjangkau ketersediaan jaringan energi listrik di daerah-daerah terpencil
dan pedesaan. Beberapa keuntungan yang terdapat pada pembangkit listrik tenaga mikrohidro adalah sebagai berikut:
1. Dibandingkan dengan pembangkit listrik jenis yang lain, PLTMH ini
cukup murah karena menggunakan energi alam.
Universitas Sumatera Utara
2. Memiliki konstruksi yang sederhana dan dapat dioperasikan di daerah
terpencil dengan tenaga terampil penduduk daerah setempat dengan sedikit latihan.
3. Tidak menimbulkan pencemaran.
4. Dapat dipadukan dengan program lainnya seperti irigasi dan perikanan.
5. Dapat mendorong masyarakat agar dapat menjaga kelestarian hutan
sehingga ketersediaan air terjamin.
2.4.2 Prinsip Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro
Prinsip dasar pembangkit listrik tenaga mikrohidro adalah memanfaatkan energi potensial yang dimiliki oleh aliran air pada jarak ketinggian tertentu dari
tempat instalasi pembangkit listrik. Sebuah skema pembangkit listrik tenaga mikrohidro memerlukan dua hal yaitu, debit air dan ketinggian jatuh head untuk
menghasilkan tenaga yang dapat dimanfaatkan. Hal ini adalah sebuah sistem konversi energi dari bentuk ketinggian dan aliran energi potensial ke dalam
bentuk energi mekanik dan energi listrik. Secara umum, skema suatu sistem pembangkit listrik tenaga mikrohidro
PLTMH ditunjukkan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Skema Suatu PLTMH
2.4.3 Komponen-Komponen Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro
Dalam suatu lokasi, pembangkit listrik tenaga mikrohidro dapat dipetakan sebagai suatu sistem yang terdiri dari beberapa komponen bangunan sipil serta
komponen elektrikal dan mekanikal. Beberapa komponen sipilnya seperti bendungan, saluran penyadap, saluran pembawa, saluran pelimpah, kolam
Universitas Sumatera Utara
penenang, pipa pesat, rumah pembangkit, dan saluran pembuang. Pada komponen elektrikal dan mekanikalnya terdapat komponen seperti turbin, generator,
transmisi mekanik, panel, dan juga jaringan distribusi.
2.4.3.1 Bendungan Weir
Bendungan weir dapat didefinisikan sebagai bangunan yang berada melintang sungai yang berfungsi untuk membelokkan arah aliran air. Konstruksi
bendungan weir bertujuan untuk menaikkan dan mengontrol tinggi air dalam sungai secara signifikan sehingga elevasi muka air cukup untuk dialihkan ke
dalam intake pembangkit listrik tenaga mikrohidro. Bendungan
dapat digolongkan
menurut strukturnya,
bahan-bahan konstruksinya, tujuan kegunaannya, prinsip perencanaannya, tingginya, dan lain
sebagainya. Penggolongan bendungan menurut bahan konstruksi dan prinsip perencanaan yang umum dipakai adalah sebagai berikut:
1. Bendungan beton
Bendungan beton dapat dibagi menjadi 3 bagian yaitu -
Bendungan gravitas gravity dam -
Bendungan busur arch dam -
Bendungan rongga hollow dam atau buttress dam 2.
Bendungan urugan Bendungan urugan dapat dibagi menjadi 2 bagian yaitu
- Bendungan urugan batu rock fill dam
- Bendungan tanah earth dam
3. Bendungan kerangka baja steel frame dam
4. Bendungan kayu timber dam
Di samping itu bendungan dapat pula digolongkan sesuai dengan tujuan penggunaannya, misalnya, bendungan pemasukan intake dam, bendungan
penyimpan storage dam, bendungan pengatur regulating dam dan bendungan penyimpan dipompa pumped storage dam. Pada umumnya bendungan
pemasukan menampung aliran air sungai untuk PLTA jenis aliran sungai langsung. Bendungan-bendungan penyimpan dan pengatur membendung air
Universitas Sumatera Utara
sungai guna memperoleh tinggi terjun buatan artificial. Di samping itu bendungan-bendungan ini menampung, menyimpan dan memasukkan air ke
turbin sesuai dengan kebutuhan. Bendungan penyimpan dipompa adalah bendungan yang dibuat untuk menyimpan air hasil pemompaan dari pusat listrik
dipompa pumped storage power plant. Di samping itu, dilihat dari segi tujuan penggunaan air yang disimpan, bendungan dapat digolongkan dalam berbagai
jenis bendungan tanggul embankment dam untuk pengendalian banjir dan pengairan, pembangkitan tenaga listrik, penyediaan air untuk pelayanan umum,
penyediaan air untuk industri, pelayaran dan sebagainya. Dari sekian banyak tujuan penggunaan bendungan dengan dua kegunaan atau lebih disebut bendungan
serba guna multi-purpose.
2.4.3.2 Saluran Penyadap Intake
Saluran penyadap adalah bagian dari konstruksi sipil yang digunakan untuk masuknya air dari sungai menuju saluran pembawa dengan dilengkapi
penghalang sampah. 2.4.3.3 Saluran Pembawa Headrace
Saluran pembawa berfungsi untuk mengalirkan air dari intake sampai ke kolam penenang. Selain itu, saluran ini juga berfungsi untuk mempertahankan
kestabilan debit air. Saluran air untuk sebuah pembangkit skala kecil cenderung untuk memiliki bangunan yang terbuka.
2.4.3.4 Saluran Pelimpah Spillway
Saluran pelimpah berfungsi untuk mengurangi kelebihan air pada saluran pembawa.
2.4.3.5 Kolam Penenang Forebay
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.
Universitas Sumatera Utara
2.4.3.6 Pipa Pesat Penstock
Pipa pesat penstock adalah pipa yang yang berfungsi untuk mengalirkan air dari kolam penenang forebay menuju turbin air.
2.4.3.7 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.
2.4.3.8 Saluran Pembuang Tailrace
Saluran pembuang berfungsi untuk mengalirkan air keluar setelah memutar turbin.
2.4.3.9 Turbin
Turbin berfungsi untuk mengubah energi potensial menjadi energi mekanik. Air akan memukul sudu-sudu dari turbin sehingga turbin berputar.
Perputaran turbin ini dihubungkan ke generator. Turbin terdiri dari berbagai jenis seperti turbin Francis, Kaplan, Pelton, dan lain-lain.
2.4.3.9.1 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.
1. 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 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 m. Teknik mengkonve rsikan energi potensial air menjadi
Universitas Sumatera Utara
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