Pembangkit Listrik Tenaga Air Klasifikasi Pembangkit Listrik Tenaga Hidro Turbin Pelton

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