TUGAS UTS

DASAR KONVERSI ENERGI

NAMA : SOTYA HANIEF

NIM : 07530002

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG

2008

Apa itu PLTA

PLTA (Pembangkit Listrik Tenaga Air) adalah suatu system pembangkit

energi listrik dengan cara memanfaatkan aliran dari air yang kemudian diubah

menjadi energi listrik malalui putaran turbin dan generator. Sistem yang sangat

simple, dan yang penting adalah ramah terhadap lingkungan.

Skema dari PLTA

Dam

Hampir semua PLTA mengandalkan bagian ini untuk membendung air dari

sungai hinggga terbentuk danau. Pada PLTA tertentu Dam dimanfaatkan untuk

tempat rekreasi.

Intake

Pintu air untuk masuknya aliran air menuju ke turbin melalu penstock.

Penstock

Saluran pipa air yang menuju ke turbin. Didalam pipa ini tekanan oir naik.

Turbine

Mesin yang memutar generator. Biasanya turbine yang dipakai adalah Francis

Turbine. Sebuah turbin mempunyai berat sampe 172 tons dan kecepatan putaran

90 rpm.

Foto impeler francis turbine

Generators Mesin penghasil listrik

Transformer Trafo untuk mengubah tegangan AC ke tegangan yang

lebih tinggi

Power lines Jaringan listrik 3 phase

Outflow Aliran air yang melewati impeller akan dialirakan lagi ke

Dam.

DAM

Berlokasi di perbatasan Brazil-Paraguay dan tidak jauh dari perbatasan

Argentina, permulaan proyek ini dimulai pada tahun 1966 ketika Menlu Brazil dan

Paraguay menandatangani kesepakatan bersama “Kesepakatan Ygazu”. Yang

kemudian ditindak lanjuti dengan penelitian kemampuan Hydraulic dari Sungai

Parana. Pada 26 April 1973, Brazil & Paraguay menandatangani perjanjian

“Pengembangan sumber listrik tenaga air dari sungai Parana” yang kemudian

terbentuk “ITAIPU Binancional” (Kerjasama secara hukum, administrasi dan

kemampuan keuangan dan teknikal untuk merencanakan & mengoperasikan

Pembangkit Listrik)

Pelaksanaan konstruksi dimulai pada tahun 1975, mencapai puncaknya pada

tahun 1978 dengan pekerja sekitar 30000 orang dilokasi. Dengan produksi concrete

(bahan untuk beton) sekitar 12,8Juta m³ (15 kali dari produksi concrete yang

digunakan untuk Eurotunnel/terowongan yang menyambungkan antara Inggris

dengan perancis). Ketinggian dari Dam adalah 196m, lebar 7,76 km. Danau yang

terbentuk akibat bendungan tersebut mencapai panjang 170 km dengan volume air 29

milyar ton.

Unit 1 mulai beroperasi pada Desember 1983, Jaringan listrik di Paraguay

selesai dibangun pada maret 1984, sedangkan Brazil 5 bulan setelah itu. Pada maret

1991 unit terakhir (Unit 18) mulai beoperasi. Air yang diperlukan pada intake untuk

1 turbin (Francis Turbine) dengan keluaran daya 715 MW adalah 700m3/s. Dengan

efisiensi 98.6%.

NOTE: efisiensi adalah perbandingan antara energi input dengan energi output.

Semakin besar nilai efisiensi semakin bagus (jadi ga ada loss of energy). Coba

bandingkan dengan PLTU (tenaga uap) atau

PLTG (tenaga gas). PLTU efisiensinya sekitar 60% - 80% (artinya batubara yang

dibakar untuk menghasilkan Uap yang digunakan untuk memutar turbin cuma 60%

saja yang hasilnya jadi Listrik. sisanya terbuang menjadi panas), sedangkan untuk

PLTG malah lebih rendah dari PLTU, efisiensi sekitar 50%-70%).

Setiap tahun ITAPU menghasilkan energi listrik sekitar 75 TWh dan

mengurangi emisi CO2 kurang lebih 67.5 juta ton (dibandingkan dengan pembangkit

listrik tenaga batubara). Total biaya proyek ini adalah US$ 20 juta

Pemandangan ITAIPU dari atas (setelah proyek selasai)

Bagian yang kanan adalah overflow spillway (ketika level dari Dam tinggi,

sebagian air harus dibuang untuk menurunkan lewel air di Dam), sebelah

kanannya adalah Power Station (Tempat turbin berada).

Pengerjaan Dam

Foto bagian dasar tempat turbine berada

Pipa putih adalah inlet/jalan nya air masuk ke turbin

Foto Dam ketika mulai terisi air

Mencapai luas 1350 km2, dengan panjang 170 km dan rata2 lebarnya 7 km.

Konversi Daya

Prinsip konversi energi pada Pembangkit Listrik Tenan Air: Energi potensial

timbl akibat dari ketinggian air danau terhadap turbine (yang berada di 196m

dibawah). Energi ini akan dikonversi menjadi energi kinetik dengan cara

mengarahkan aliran air ke arah turbin (kesudu-sudu nya/blades). Oleh turbine blades

(sudu-sudu) energi kinetic diubah menjadi energi putar. Putaran inilah yang memutar

generator. Akibat generator berputar, maka timbulah energi listrik akibat adanya

medan magnet disekitar lilitan koil.

Berikut adalah perhitunangan matematis dari Energi Potensial:

Wpot = 0.5 (hul +hip) (hul -hip)* g * A * Berat Jenis air

hul= height of upper level (222 m)

hip= height of penstock inlet (187 m)

g= acceleration of free fall (9.81 m/s²)

A= area of lake (1350 km²)

Density of water (1000 kg/m³)

Wpot,abs = 9,48 * 1016 J = 94,8 PJ

Foto situasi Power House (lokasi turbine berada)

Panjang 986 m, tinggi max 112 m dan lebar 99m.Tampak terlihat garis

merah yang merupakan perbatasan antar Brazil – Paraguay.

Poros dari Generator , total diameter generator mencapai 16 m dengan

berat 2650 ton.

Control room

Electrical

Setiap tahun ITAPU menghasilkan 75 TWh. Listrik dari ITAPU dialirkan

melalui jaringan 3 phase baik ke Brazil dan Paraguay dengan system jaringan yang

berbeda. Karena ada 2 Frekuensi, 50 Hz dan 60 Hz, 2 sistem transmisi dibangun

untuk mensupportnya.

Transformers

Untuk menaikkan tegangan /Voltase dari output generator maka dibangun trafo 2

macam:

- Trafo 1-Phase dengan 9 bank kapasitor 18 kV - 525 kV dengan rated 825 MVA

untuk 50 Hz.

- Trafo 1-Phase dengan 9 bank kapasitor 18 kV - 525 kV dengan rated 768 MVA

untuk 60 Hz

Transmission System/Sistem Transmisi

Menimbang bahwa tahun pertama operasi ITAPU, Paraguay harus “mengalah”

duluan dalam menikmati listriknya (sesuai dengan perjanjian sebelum pembangunan)

maka diputuskan pembangunan Transmissi Station duluan di Brazil. Sistem yang

dipakai (karena ada 2 pemakain frekuensi 50 Hz dan 60 Hz) untuk Brazil dibangun

EHV-AC (Extra High Voltage - Alternating current) untuk 6300 MW pada 60 Hz dan

untuk paraguay HV-DC (High Voltage - Direct current) untuk 6000 MW pada 50 Hz.

HV-DC-system memiliki tegangan ± 500 kV, yang kemudian akan dikonvert lagi ke

tegangan AC di Ibuana (dekat Sao Paolo).EHV-AC-system memilik tegangan sebesar

750 kv.

Source: Wikipedia and ather related articles.

ENERGI TIDAL

Energi tidal atau energi pasang surut barangkali kurang begitu dikenal

dibandingkan dengan energi samudera yang lain seperti energi ombak (wave energy).

Jika dibandingkan dengan energi angin dan surya, energi tidal memiliki sejumlah

keunggulan antara lain: memiliki aliran energi yang lebih pasti/mudah diprediksi,

lebih hemat ruang dan tidak membutuhkan teknologi konversi yang rumit.

Kelemahan energi ini diantaranya adalah membutuhkan alat konversi yang handal

yang mampu bertahan dengan kondisi lingkungan laut yang keras yang disebabkan

antara lain oleh tingginya tingkat korosi dan kuatnya arus laut.

Saat ini baru beberapa negara yang yang sudah melakukan penelitian secara

serius dalam bidang energi tidal, diantaranya Inggris dan Norwegia. Di Norwegia,

pengembangan energi ini dimotori oleh Statkraft, perusahaan pembangkit listrik

terbesar di negara tersebut. Statkraft bahkan memperkirakan energi tidal akan

menjadi sumber energi terbarukan yang siap masuk tahap komersial berikutnya di

Norwegia setelah energi hidro dan angin. Keterlibatan perusahaan listrik besar seperti

Statkraft mengindikasikan bahwa energi tidal memang layak diperhitungkan baik

secara teknologi maupun ekonomis sebagai salah satu solusi pemenuhan kebutuhan

energi dalam waktu dekat.

Pembangkit listrik tenaga tidal terapung. Turbin-turbin air dan mesin-mesin

listrik terletak di bawah air, hanya bagian atas dari pembangkit listrik tersebut yang

tampak diatas permukaan laut (Sumber: Statkraft)

Perlu diketahui bahwa potensi energi tidal di Indonesia termasuk yang terbesar

di dunia, khususnya di perairan timur Indonesia. Sekarang inilah saatnya bagi

Indonesia untuk mulai menggarap energi ini. Jika bangsa kita mampu memanfaatkan

dan menguasai teknologi pemanfaatan energi tidal, ada dua keuntungan yang bisa

diperoleh yaitu, pertama, keuntungan pemanfaatan energi tidal sebagai solusi

pemenuhan kebutuhan energi nasional dan, kedua, kita akan menjadi negara yang

mampu menjual teknologi tidal yang memberikan kontribusi terhadap devisa negara.

Belajar dari India yang mampu menjadi salah satu pemain teknologi turbin angin

dunia (dengan produk turbin angin Suzlon), maka tujuan yang kedua bukanlah hal

yang terlalu muluk untuk kita wujudkan.

Sumber: www.engineering-center.net

PLTU

PLTU yang pertama kali beroperasi di Indonesia yaitu pada tahun 1962

dengan kapasitas 25 MW, suhu 500 ¼C, tekanan 65 Kg/cm2, boiler masih

menggunakan pipa biasa dan pendingin generator dilakukan dengan udara. Kemajuan

pada PLTU yang pertama adalah boiler sudah dilengkapi pipa dinding dan pendingin

generator dilakukan dengan hidrogen, namun kapasitasnya masih 25 MW. Bila

dayanya ditingkatkan dari 100 - 200 MW, maka boilernya harus dilengkapi super

hiter, ekonomizer dan tungku tekanan. Kemudian turbinnya bisa melakukan

pemanasan ulang dan arus ganda dan pendingin generatornya masih menggunakan

hidrogen. Hanya saja untuk kapasitas 200 MW uap yang dihasilkan mempunyai

tekanan 131,5 Kg/cm2 dan suhu 540 ¼C dan bahan bakarnya masih menggunakan

minyak bumi.

Ketika kapasitas PLTU sudah mencapai 400 MW maka bahan bakarnya sudah

tidak menggunakan minyak bumi lagi melainkan batu bara. Batu bara yang dipakai

secara garis besar dibagi menjadi dua bagian yaitu batu bara berkualitas tinggi dan

batu bara berkualitas rendah. Bila batu bara yang dipakai kualitasnya baik maka akan

sedikit sekali menghasilkan unsur berbahaya, sehingga tidak begitu mencemari

lingkungan. Sedang bila batu bara yang dipakai mutunya rendah maka akan banyak

menghasilkan unsur berbahaya seperti Sulfur, Nitrogen dan Sodium. Apalagi bila

pembakarannya tidak sempurna maka akan dihasilkan pula unsur beracun seperti CO,

akibatnya daya guna menjadi rendah.

PLTU batu bara di Indonesia yang pertama kali dibangun adalah di Suryalaya

pada tahun1984 dengan kapasitas terpasang 4 x 400 MW. Kemudian PLTU Bukit

Asam dengan kapasitas 2 x 65 MW pada tahun 1987. Dan pada tahun 1993-an

beroperasi pula PLTU Paiton 1 dan 2 masing-masing dengan kapasitas 400 MW.

Kemudian PLTU Suryalaya akan dikembangkan dari unit 5 - 7 dengan kapasitas 600

MW/unit. PLTU batu bara pada tahun 1994 kapasitasnya sudah mencapai 2.130 MW

(16%  dari total daya terpasang). Pada tahun 2003 kapasitasnya diperkirakan sekitar

12.100 MW (37%), tahun 2008/09 mencapai 24.570 MW (48%) dan pada tahun 2020

sekitar 46.000 MW. Sementara itu pemakaian batu bara pada tahun 1995 tercatat

bahwa untuk menghasilkan energi listrik sebsar 17,3 Twh dibutuhkan batu bara

sebanyak 7,5 juta ton. Dan pada tahun 2005 pemakaian batu bara diperkirakan

mencapai 45,2 juta ton dengan energi listrik yang dihasilkan mencapai 104 Twh. 

Banyaknya pemakaian batu bara tentunya akan menentukan besarnya biaya

pembangunan PLTU. Harga batu bara itu sendiri ditentukan oleh nilai panasnya

(Kcal/Kg), artinya bila nilai panas tetap maka harga akan turun 1% pertahun. Sedang

nilai panas ditentukan oleh kandungan zat SOx yaitu suatu zat yang beracun, jadi

pada pembangkit harus dilengkapi alat penghisap SOx. Hal inilah yang menyebabkan

biaya PLTU Batu bara lebih tinggi sampai 20% dari pada PLTU minyak bumi. Bila

batu bara yang digunakan rendah kandungan SOx-nya maka pembangkit tidak perlu

dilengkapi oleh alat penghisap SOx dengan demikian harga PLTU batu bara bisa

lebih murah. Keunggulan pembankit ini adalah bahan bakarnya lebih murah harganya

dari minyak dan cadangannya tersedia dalam jumlah besar serta tersebar di seluruh

Indonesia. 

Sistim Kerja PLTU Batu bara

1. Sistim pembakaran batu bara bersih

Adapun prinsip kerja PLTU itu adalah batu bara yang akan

digunakan/dipakai dibakar di dalam boiler secara bertingkat. Hal ini dimaksudkan

untuk memperoleh laju pembakaran yang rendah dan tanpa mengurangi suhu

yang diperlukan sehingga diperoleh pembentukan NOx yang rendah. Batu bara

sebelum dibakar digiling hingga menyerupai butir-butir beras, kemudian

dimasukkan ke wadah (boiler) dengan cara disemprot, di mana dasar wadah itu

berbentuk rangka panggangan yang berlubang. Pembakaran bisa terjadi dengan

bantuan udara dari dasar yang ditiupkan ke atas dan kecepatan tiup udara diatur

sedemikian rupa, akibatnya butir bata bara agak terangkat sedikit tanpa terbawa

sehingga terbentuklah lapisan butir-butir batu bara yang mengambang. Selain

mengambang butir batu bara itu juga bergerak berarti hal ini menandakan

terjadinya sirkulasi udara yang akan memberikan efek yang baik sehingga butir

itu habis terbakar. Karena butir batu bara relatif mempunyai ukuran yang sama

dan dengan jarak yang berdekatan akibatnya lapisan mengambang itu menjadi

penghantar panas yang baik. Karena proses pembakaran suhunya rendah sehingga

NOx yang dihasilkan kadarnya menjadi rendah, dengan demikian sistim

pembakaran ini bisa mengurangi polutan. Bila ke dalam tungku boiler

dimasukkan kapur (Ca) dan dari dasar tungku yang bersuhu 750 - 950 ¼C

dimasukkan udara akibatnya terbentuk lapisan mengambang yang membakar.

Pada lapisan itu terjadi reaksi kimia yang menyebabkan sulfur terikat dengan

kapur sehingga dihasilkan  CaSO4 yang berupa debu sehingga mudah jatuh

bersama abu sisa pembakaran. Hal inilah yang menyebabkan terjadinya

pengurangan emisi sampai 98% dan abu CaSO4-nya bisa dimanfaatkan.

Keuntungan sistim pembakaran ini adalah bisa menggunakan batu bara bermutu

rendah dengan kadar belerang yang tinggi dan batu bara seperti ini banyak

terdapat di Indonesia.

2. Proses terjadinya energi listrik

Pembakaran batu bara ini akan menghasilkan uap dan gas buang yang

panas. Gas buang itu berfungsi juga untuk memanaskan pipa boiler yang berada

di atas lapisan mengambang. Gas buang selanjutnya dialiri ke pembersih yang di

dalamnya terdapat alat pengendap abu setelah gas itu bersih lalu dibuang ke udara

melalui cerobong. Sedangkan uap dialiri ke turbin yang akan menyebabkan turbin

bergerak, tapi karena poros turbin digandeng/dikopel dengan poros generator

akibatnya gerakan turbin itu akan menyebabkan pula gerakan generator sehingga

dihasilkan energi listrik.  Uap itu kemudian dialiri ke kondensor sehingga berubah

menjadi air dan dengan bantuan pompa air itu dialiri ke boiler sebagai air pengisi.

Generator biasanya berukuran besar dengan jumlah lebih dari satu unit

dan dioperasikan secara berlainan. Sedangkan generator ukuran menengah

didisain berdasarkan asumsi bahwa selama masa manfaatnya akan terjadi 10.000

kali star-stop. Berarti selama setahun dilakukan 250 x star-stop maka umur

pembangkit bisa mencapai 40 tahun. Bila daya generator meningkat maka

kecepatannya meningkat pula dan bila kecepatan kritikan dilalui maka perlu

dilakukan pengendalian poros generator supaya tidak terjadi getaran. Untuk itu

konstruksi rotor dan stator serta mutu instalasi perlu ditingkatkan. Boilernya

menggunakan sirkulasi alam dan menghasilkan uap dengan tekanan 196,9 kg/cm2

dan suhu 554¼C. PLTU ini dilengkapi dengan presipitator elektro static yaitu

suatu alat untuk mengendalikan partikel yang akan keluar cerobong dan alat

pengolahan abu batu bara. Sedang uap yang sudah dipakai kemudian didinginkan

dalam kondensor sehingga dihasilkan air yang dialirkan ke dalam boiler. Pada

waktu PLTU batubara beroperasi suhu pada kondensor naiknya begitu cepat,

sehingga mengakibatkan kondensor menjadi panas. Sedang untuk mendinginkan

kondensor bisa digunakan air, tapi harus dalam jumlah besar, hal inilah yang

menyebabkan PLTU dibangun dekat dengan sumber air yang banyak seperti di

tepi sungai atau tepi pantai. 

Efisiensi

Bila pada PLTU batu bara tekanan kondensornya turun, maka daya gunanya

meningkat. Biasanya tekanan kondensor berhubungan langsung atau berbanding lurus

dengan besarnya suhu air pendingin yang berasal dari uap pada kondensor. Jadi bila

suhu itu rendah, maka tahanannya juga rendah dan pada suhu terendah akan

dihasilkan/terjadi tekanan jenuh. Karena air pendingin itu biasanya terdiri dari air

yang berasal dari uap turbin dan air berasal dari laut dan sungai. Akibatnya suhu

terendah besarnya sesuai dengan air yang digunakan sehingga tekanan jenuh sulit

diperoleh. Peningkatan daya guna bisa dilakukan dengan pemanasan ulang dan

pembakaran batu bara yang kurang bermutu 

1. Pemanasan Ulang

Hal ini bisa dilakukan dengan membagi turbin menjadi dua bagian yaitu bagian

tekanan tinggi (TT) dan bagian tekanan rendah (TR) yang berada pada satu

poros. Dengan demikian pembangkit ini mempunyai susunan sebagai berikut :

Boiler - TT - TR - Generator.

Cara kerjanya :

Uap dari boiler dimasukan/dialirkan ke bagian TT, setela h uap itu dipakai

dialirkan kembali ke boiler untuk pemanasan ulang. Kemudian uap dari boiler itu

dialirkan lagi ke turbin TR untuk dipakai sebagai penggerak generator. Dengan

demikian jumlah energi yang bisa dimanfaatkan menjadi besar akibatnya daya

guna atau efiseinsi menjadi besar pula. Dari sini bisa disimpulkan bila turbin

dibagi menjadi tiga bagian yaitu TT, TM, dan TR maka energi yang diperoleh

juga besar, hal ini biasanya digunakan pada mesin dengan ukuran besar. 

Meningkatnya suhu (hingga mencapai 560 ¼C) dan tekanan (hingga mancapai

250 kg/cm2) uap tentunya menyebabkan pertumbuhan PLTU menjadi lebih

pesat. Hal ini ditunjukkan dengan meningkatnya efisiensi dan keandalan. Dengan

meningkatnya daya berarti desain boiler juga harus diperbaiki yaitu dilengkapi

dengan peralatan pengendalian NOx, peralatan untuk mengeluarkan sulfur dari

gas buang dan peralatan untuk mencegah berbagai partikel keluar dari cerobong.

Peningkatan efisiensi pada PLTU bisa juga dilakukan dengan cara menambah

panjang sudu. Hal ini karena dengan sudu-sudu yang panjang berarti rugi-ruginya

akan berkurang.

2. Pembakaran Lapisan Mengambang Bertekanan 

Proses pembakarannya menggunakan udara bertekanan atau dikompres berarti

perpindahan panasnya meningkat akibatnya suhu uap dan gas buang juga

meningkat. Gas buang yang panas ini setelah dibersihkan bisa dimanfaatkan

untuk menggerakkan turbin gas yang digandeng dengan generator sehingga

dihasilkan energi listrik. Jadi energi listrik pada proses pembakaran ini dihasilkan

oleh uap dan gas buang, hal inilah yang menyebabkan efisiensi pada pembakaran

seperti ini meningkat. Selain dari itu turbin gas juga menghasilkan gas buang

yang cukup panas yang bisa digunakan untuk memanaskan air yang keluar dari

kondensor turbin uap yang selanjutnya dimasukkan ke boiler sedang gas yang

sudah dingin di buang ke udara melalui cerobong. Dengan menggunakan

pembakaran lapisan mengambang bertekanan, maka batu bara yang bermutu

rendah bisa dimanfaatkan untuk menjadi energi listrik yang ramah lingkungan.