BAB I

PENDAHULUAN

 

1. 1 LATAR BELAKANG

Krisis energi yang melanda dunia dewasa ini telah menarik perhatian para ahli

untuk menemukan sumber-sumber energi baru yang lebih murah, yang tersedia dalam

jumlah yang besar. Hal ini berkaitan dengan semakin banyak dan meningkatnya

pemakaian penggunaan energi. Sumber energi yang sudah lazim dipergunakan adalah

sumber energi minyak bumi, gas alam dan batubara, sedangkan sumber energi air,

panas bumi, panas matahari dan nuklir maasih terus dikembangkan. Sebagaimana

yang telah kita ketahui bahwa persedian sumber energi minyak bumi, gas alam dan

batu bara sangat terbatas yang demikian apabila secara terus menerus kita gunakan

sumber energi tersebut, maka suatu saat sumber energi tersebut akan habis, disamping

kecenderungan melonjaknya harga sumber energi yang dimaksud. Faktor inilah yang

menjadi tantangan bagi para ilmuwan dan teknisi untuk menjauhkan diri dari

ketergantungan terhadap minyak bumi, gas alam dan batu bara.

Saat ini energi listrik merupakan salah satu sumber energi vital bagi

kehidupan manusia, baik sektor rumah tangga, komersial, publik maupun industri.

Penyediaan energi listrik sudah merupakan salah satu infrastruktur yang wajib

dipenuhi agar perekonomian suatu daerah dapat ditingkatkan. Dengan disediakannya

tenaga listrik yang dapat diandalkan dan terjangkau, maka semua kegiatan

peningkatan perekonomian daerah akan tumbuh dan dapat maju dengan pesat. Di sisi

lain, ketidaktersediaan akan energi listrik merupakan salah satu indikator daerah

tertinggal atau kemiskinan.

Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat, karena

pada air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik (pada air

mengalir). Tenaga air (Hydropower) adalah energi yang diperoleh dari air yang

mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud

energi mekanis maupun energi listrik. Alat tersebut adalah berupa turbin yang

digerakkan oleh air yang disambungkan dengan generator. Pemanfaatan energi air

banyak dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan

adanya suatu air terjun atau aliran air di sungai. Sejak awal abad 18 kincir air banyak

dimanfaatkan sebagai penggerak penggilingan gandum, penggergajian kayu dan

mesin tekstil. Memasuki abad 19 turbin air mulai dikembangkan.

Dalam suatu sistim PLTA, turbin air merupakan salah satu peralatan utama

selain generator. Turbin air adalah alat untuk mengubah energi air menjadi energi

punter. Energy punter ini diubah menjadi energi listrik oleh generator. Seperti

diketahui bahwa turbin air adalah suatu mesin yang menghasilkan energi mekanik

berupa putaran poros dengan memanfaatkan energi potensial air. Energi ini

selanjutnya diubah menjadi bentuk energi lain seperti energi listrik. Pada perancangan

turbin, jenis dan dimensi sangat tergantung dari kondisi head dan kapasitas yang

tersedia. Sehingga agar diperoleh efisiensi optimum, maka Turbin air yang beroperasi

pada suatu lokasi tertentu akan mempunyai design yang spesifik (tipe maupun

dimensi) dan berbeda dengan lokasi lain.

1. 2 Tujuan

Adapun tujuan dari penulisan makalah ini, yakni:

1. Menjelaskan tentang pemanfaatan turbin air dalam Pembangkit Listrik Tenaga

Air.

2. Tujuan dari pembuatan makalah ini diantaranya untuk mengemukakan beberapa

paparan tentang tubin air yang ditunjukkan kepada pembaca yang ingin

mengetahui apa turbin air itu?

1. 3 Perumusan Masalah

Perumusan masalah yang dapat dikemukakan sesuai dengan perancangan ini

antara lain adalah sebagai berikut: 1. Masih banyak masyarkat yang ada di pedesaan

yang belum dapat menikmati penggunaan listrik baik itu sebagai penerangan maupun

sebagai pembangkit tenaga lainnya. 2. Sulitnya cara pendistribusian listrik ke daerah-

daerah yang terpencil baik di karenakan lokasi maupun dari jarak sumber energi yang

relative lebih jauh. 3. Pemakaian tenaga motor bakar yang menggunakan diesel

maupun bensin sebagai pembangkit tenaga listrik akan mengakibatkan polusi

terhadap lingkungan

1. 4 Batasan Masalah

Untuk membatasi permasalahan agar pembahasan Tugas Rancangan ini tidak

terlalu meluas maka penulis mengambil batasan permasalahan sebagai berikut :

1. Menghitung atau membahas aliran air sungai yang di gunakan untuk

menggerakkan turbin air.

2. Menghitung bagian-bagian turbin air seperti poros, bantalan,pasak ataupun alat-

alat lain pendukung turbin air.

3. Konstruksi bangunan dan peralatan elektro tidak dijelaskan seecara mendetail.

4. Menghitung konstruksi bangunan dan peralatan sipil tidak dijabarkan secara

mendetail.

BAB II

PEMBAHASAN

2.1 Pengertian

Turbin air termasuk dalam kelompok mesin-mesin fluida yaitu, mesin-mesin

yang berfungsi untuk merubah energi fluida ( energi potensial dan energi kinetis air )

menjadi energi mekanis atau sebaliknya. Berdasarkan pengertian diatas maka, mesin-

mesin fluida dapat dibagi atas 2 ( dua ) golongan yaitu : Mesin-mesin tenaga

( penggerak ). Mesin ini berfungsi untuk merubah energi fluida menjadi energi

mekanis pada poros. misalnya : turbin air, Turbin uap, Turbin gas,Kincir air, kincir

angin dan lainnya. Mesin-mesin kerja. Mesin ini berfungsi untuk mengubah energi

mekanis pada poros menjadi energi fluida ( energi potensial dan energi kinetis ).

Misalnya : Pompa, Kompresor, Blower, fan dan lain-lain.

Turbin air adalah suatu mesin yang menggunakan airsebagai fluida kerja,

yang dialirkan melalui pipa dari suatu tempatyang lebih tinggi ke tempat yang lebih

rendah pada mana turbinditempatkan. Dalam hal demikian, air memiliki energi

potensialdiwaktu mengalir didalam pipa, energi potensial air berangsur-angsur

berubah menjadi energi kinetis. Di dalam turbin air, energikinetis air diubah menjadi

energi mekanis yang timbul pada poros turbin ini merupakan suatu sumber tenaga

atau daya sehingga dapat menggerakkan peralatan-peralatan lain yangsesuai dengan

kebutuhan. Tetapi umumnya energi mekanis yangtimbul pada turbin ini dipakai untuk

menggerakkan generatorlistrik yang dikopel langsung dengan poros turbin.

Secara umum suatu turbin air terdiri dari sebuah roda gerak yang disebut

runner ataupun rotor dengan sejumlah sudu-sudu, vane atau blade ataupun bucket

yang ditumpu padasekeliling roda gerak. Jadi energi yang dikandung air

tersebutmendorong atau menerpa sudu-sudu dari roda gerak atau runnersehingga

runner ikut berputar.

2.2 Pandangan Umum Turbin Air

Ide penggunaan air sebagai sumber energi telah dikenal sejak lebih dari 2000

tahun yang lampau. Energi hydroulik yang dirubah menjadi energi mekanis

pertamasekali dipergunakan di benua asia, yaitu di China dan India,

yangmenggunakan roda-roda kincir yang dibuat dari kayu. Dari Asia pindah ke Mesir

dari Mesir terus berkembang ke negara-negara Eropa dan Amerika. Leonardo Da

Vinci ( 1452-1519 ) seorang seniman dari Italia pertama sekali membuat lukisan

kincir air. Sedangkan teorimatematisnya dilakukan oleh Galileo Galilei dan

Descartes. Kemudian Smearn dan Bossut pada tahun 1759 membuat percobaan

praktis menggunakan kincir air tersebut. Pada tahun 1836, Radien Becher

berkebangsaan Jerman menulis buku yang pertama sekali menguraikan tentang teori

dan konstruksi kincir air. Selanjutnya seorang ilmuwan Swiss, Daniel Bernoulli

( 1700-1782 ) menulis buku tentang teorikonversi energi air menjadi energi-energi

bentuk lain, dalam bukunya yang terkenal dengan buku “ HYDRODYNAMICS “.

Teori Bernoulli ini digunakan secara praktis oleh Segner ( Jerman ) untuk

membuat kincir air lebih maju dan dilakukannya pada tahun 1750. Kemudian pada

tahun yang sama pula ( 1750 ), seorang ilmuwan yang berasal dari Basle

( Switzerland ) yang bernama Leonard Euler ( 1707-1783 ) menguraikan teori tentang

“ hydraulicmachine “, yang sekarang ini menjadi dasar ilmu ini. Pada tahun 1824,

seorang ilmuwan prancis bernama Burdin membuat sebuah kincir air radial

dengansebuah mekanis pengarah yang dapat digunakan secara praktis di lapangan,

inilah yang pertama disebut turbin air. Pengembangan turbin air yang ditemukan

olehBurdin ini dilanjutkan oleh muridnya Fourneyron ( 1827 )dan untuk pertama

sekali dibuat di amerika pada tahun 1843. Pengembangan selanjutnya dilakukan

oleh :1. Heuschel-Jouvel ( Axial Flow Turbin ) tahun 1837.2. Girard, Hawd dan

Swain ( Inward Flow Turbin ) 1850.3. James Bichens Francis ( Inward Flow Turbin )

1865. Uraian di atas merupakan perkembangan turbinreaksi, sedangkan untuk turbin

impuls, dikembangkanoleh J.Pelton pada tahun 1880 di Amerika denganmembuat

turbin yang menggunakan aliran tangensial.Turbin ini dikenal dengan turbin pelton,

dan sering jugadisebut Free Jet Turbine.

2.3 Type Turbin Air Turbin air dapat dibagi atas 2 ( dua) type yaitu :

1. Impuls Turbin.

2. Reaction Turbin.

2.3.1 Impulse Turbin.

Pada turbin ini seluruh energi potensial di ubah menjadi energi kinetis

didalam nozzle sebelum menerpa roda turbin, nozzle ini pasang pada ujung penstock.

Air yang keluar dari nozzle memancar dengan kecepatan-kecepatan tinggi diarahkan

pada sejumlah sudu-sudu ( bucket ) yang dipasang sekeliling roda turbin. Karena

bentuk sudu-sudu yang sedemikian rupa, maka terjadi perubahan momentum dari

fluida yang menyebabkan sudu- sudu akan menerima gaya dorong yang

mengakibatkan roda turbin akan berputar. Setelah air mendorong sudu-sudu tersebut

air jatuh ke tail race ( air buangan ), jadi roda turbin berputar di atas permukaan

air.untuk menjaga percikan air serta membawa air keluar dari turbin ke tail race,

maka sekeliling runner ( roda gerak/putar ) dipasang rumah turbin ( casing ). Casing

yang di pasang pada turbin ini tidak mempunyai fungsi hydraulic, hanya berfungsi

sebagai mengarahkan air jatuh ke tail race dan juga berfungsi sebagai pengaman

turbin.

Yang termasuk dalam turbin ini ( Turbin Impulse )adalah antara lain :

1. Pelton Wheel.

2. Turgo Impulse Wheel.

3. Crossflow Turbin

4. Girard Turbin.

5. Banki Turbin.

6. Jonal turbin.

Turbin pelton adalah salah satu jenis turbin impulsyang lazim digunakan di

lapangan dan sangat cocok untuk head yang sangat tinggi ( 1000 ft ). Gambar.2.1.

Turbin Pelton

Gambar.2.1. Turbin Pelton

Rotor turbin pelton ini dilengkapi dengan bucket yang di pasang pada

sekeliling disc. Bucket ini akanmenerima tumbukan pancaran air dari nozzel

sehinggabucket akan bergerak. Sebuah jarum ( speed rod )dipasang pada nozzel

untuk mengatur jumlah aliran airyaitu dengan memutar hand wheel sehingga jarum

akanbergerak maju atau mundur. Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d300

m. Seperti turbin pelton turbin turgo merupakan turbinimpulse, tetapi sudunya

berbeda. Pancaran air dari nozlemembentur sudu pada sudut 20o. Kecepatan putar

turbin turgo lebih besar dari turbin Pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi

langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus

menurunkanbiaya perawatan. Gambar 2.2. Sudu turbin Turgo dan nozzle

Gambar 2.2. Sudu turbin Turgo dan nozzle

Crossflow Turbin salah satu jenis turbin impuls ini juga dikenal dengan nama

Turbin Michell-Banki yangmerupakan penemunya. Selain itu juga disebut

TurbinOsberger yang merupakan perusahaan yangmemproduksi turbin crossflow.

Turbin crossflow dapatdioperasikan pada debit 20 litres/sec hingga 10 m3/secdan

head antara 1 s/d 200 m. Gambar 2.3. Turbin Crossflow

Gambar 2.3. Turbin Crossflow

Turbin Crossflow menggunakan nozle yangsesuai dengan lebar runner.

Pancaran air masuk turbindan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energikinetik

menjadi energi mekanis. Air mengalir keluarmembentur sudu dan memberikan

energinya (lebih rendah dibanding saat masuk) kemudian meninggalkan turbin.

Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan

paralel. Gambar 2.4. Turbin Crossflow

Gambar 2.4. Turbin Crossflow

2.3.2 Reaction Turbin

Pada turbin ini aliran air yang mempunyai energi potensial dan kinetis pada

saluran masuk ( penstock dan spiral casing ) langsung di alirkan pada sudu- sudu

( bucket ) yang terpasang pada roda turbin ( runner ). Pada saat ini energi yang

dimiliki oleh air di ubah menjadi gaya tangensial pada roda turbin. Turbin ini bekerja

atas dasar gabungan dari kecepatan air dan tekanan yaitu, perbedaan tekanan air pada

inlet turbin dan outlet turbine. Pada turbin ini sudu-sudu gerak ( runner ) berada di

dalam air, dan draft tube digunakan untuk mendapatkan effesiensi yang maksimal.

Berdsarkan arah aliran air pada runner turbine, maka turbin reaksi dibagi atas : Radial

Flow Turbin yaitu, arah aliran tegak lurus terhadap sumbu rotasi runner. Axial Flow

Turbine yaitu, arah aliran sejajar dengan sunbu rotasi runner. Mixxed Flow Turbin

yaitu, arah aliran sebagian arah axial dan sebagian arah radial.

Turbin francis adalah satu jenis mixed flow turbine, yang dipakai untuk head

yang menengah. Turbinfrancis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbindipasang

diantara sumber air tekanan tinggi di bagianmasuk dan air bertekanan rendah di

bagian keluar.Rumah siput ( scorol casing ) berfungsi untuk menahansebagian besar

dari bahan tekanan hydroulik yang diterima turbin. Turbin Francis menggunakan

sudupengara, sudu-sudu pengarah ( guide vane ) dipasang disekeliling luar runner dan

mengatur daya yang keluar( output ) turbin dengan mengubah ubah bukaannya sesuai

dengan perubahan beban melalui suatumekanisme pengatur. Gambar 2.5. Sketsa

Turbin Francis

Gambar 2.5. Sketsa Turbin Francis

Gambar 2.6. Turbin Francis

Keterangan gambar ; 1. Generator Rotor 2. Generator Stator 3. Turbine Shaft

4. Runner 5. Turbine Head Cover 6. Stay Ring Discharge Ring 7. Supporting Cone 8.

Guide Vane 9. Operating Ring 10. Guide Vane Servomotor 11. Lower Guide Bearing

12. Thrust Bearing 13. Upper Guide Bearing 14. Spiral Case 15. Draft Tube Cone

Turbin Kaplan termasuk jenis axial jenis flowturbine, dimana sudu-sudu

( blade ) turbin ini dapatberputar ( adjust table runner ). Turbin ini dipakai untukhead

yang rendah pengaturan posisi blade pada turbinKaplan sangat menguntungkan pada

kondisi kapasitasaliran yang bervariasi dan head yang rendah. Gambar.2.7. Turbin

Kaplan

Gambar.2.7. Turbin Kaplan

2.4 Pembangkit Tenaga Air

Air merupakan sumber energi yang murah danrelatif mudah didapat, karena

pada air tersimpan energipotensial (pada air jatuh) dan energi kinetik (pada

airmengalir). Tenaga air (Hydropower) adalah energi yangdiperoleh dari air yang

mengalir. Energi yang dimiliki airdapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud

energimekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan

dengan menggunakan kincir air atauturbin air yang memanfaatkan adanya suatu air

terjun ataualiran air di sungai. Sejak awal abad 18 kincir air banyak dimanfaatkan

sebagai penggerak penggilingan gandum,penggergajian kayu dan mesin tekstil.

Memasuki abad 19 turbin air mulai dikembangkan. Besarnya tenaga air yang

tersedia dari suatusumber air bergantung pada besarnya head dan debit air.Dalam

hubungan dengan reservoir air maka head adalah beda ketinggian antara muka air

pada reservoir denganmuka air keluar dari kincir air/turbin air.

Instalasi perancangan turbin air dapat dilihat padagambar berikut :

Gambar.2.8. Instalasi Turbin air

Gambar.2.8. Instalasi Turbin air

Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan energi potensial

air yaitu :

E = mgh……….. (a)

dengan :

m = adalah massa air

h = adalah head (m)

g = adalah percepatan gravitasi (ms2 )Daya merupakan energi tiap satuan waktu ( Et ), sehingga persamaan (a) dapat

dinyatakan sebagai :

Et=mtgh

Dengan mensubsitusikan P terhadap ( Et ) danmensubsitusikan ρQ terhadap (mt )maka

P =ρQgh ……….. (b)

Dengan

P = adalah daya (watt)

Q = adalah kapasitas aliran (m3

s )ρ = adalah densitas air ( kgm3 )

Selain memanfaatkan air jatuh hydropower dapat diperoleh dari aliran air

datar. Dalam hal ini energi yangtersedia merupakan energi kinetik.

E=12mv2

……….. (c)

dengan :

v = adalah kecepatan aliran air ms

Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut :

P=12ρQ v2

……….. (d)

atau dengan menggunakan persamaan kontinuitas Q = Av

maka

P=12ρl v3

……….. (e)

dengan :

A = luas penampang aliran air (m2 )

Untuk menghitung daya yang di bangkitkan turbindapat di perhatikan pada

gambar berkut :

Daya yang dibangkitkan oleh turbin sebesar :

P = ρ .g .Q.H ……….( watt )

jadi dalam daya Kw ( kilowatt ) adalah :

P= ρ .g .Q .H P1000

(kw )

dimana :

P = daya yang dibangkitkan turbin ( kw )

ρ = rapat massa air ( 1000 Kg/m3 )

g = percepatan gravitasi ( 9,81 m/dtk2 )

Q = kapasitas aliran air ( m3/dtk )

H = head effektif ( m )

Daya yang sebenarnya adalah :

P= ρ .g .Q .H P1000

.η

maka,

P = 9,81.Q.H. η t ( kw )

dengan η = efisiensi turbin

Putaran Spesifik Turbin Kecepatan spesifik turbin adalah kecepatan turbin

model atau turbin bentuk sama, tetapi skalanya berlainan yang bekerja pada satu-

satuan head dan satuan debit airyang menghasilkan satu-satuan daya. Penentuan

spesifikini berguna untuk membandingkan semua jenis turbin airpada basis yang

sama. Kecepatan spesifik dapat didefenisikan sebagai jumlah putaran permenit pada

masa suatu runner tertentuakan berputar sehingga dihasilkan satu-satuan daya

untuksatu-satuan head. Jika kecepatan aliran air dinyatakan dengan V maka ;

V=√2 gh dengan H = head ( tinggi jatuh air ).

Substitusi persamaan Putaran Spesifik Turbin : ( rpm )

ns=[ nH 12 ] [ nH 3

2 ]ns=

n√NH

54

= ………( rpm )

Dimana :

n s =Putaran spesifik ( rpm )

n= Kecepatan putaran turbin ( rpm )

N = Daya turbin ( Hp )

H = Head efektif ( m )