najamuddin tdk andk.1 teknik
Embed Size (px)
DESCRIPTION
pembangkitTRANSCRIPT
-
BAHAN AJAR
PERANCANGAN PEMBANGKITAN TENAGA LISTRIK
OLEH :
Prof. Dr. Ir. Nadjamuddin Harun, MS
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
JURUSAN ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS HASANUDDIN
MAKASSAR
2011
lkpp
unhas
-
iKATA PENGANTAR
Buku ajar ini dikembangkan berdasarkan pengajaran ditingkat Strata Satu (S1) dan Strata
Dua (S2) untuk bidang Pembangkitan Perencanaan Pembangkitan Tenaga Listrik. Dalam
buku ini disajikan teori-teori pembangkitan tenaga listrik dan dilanjutkan dengan perencanaan
pembangkitan tenaga listrik untuk mahasiswa teknik elektro.
Diasumsikan bahwa mahasiswa bidang teknik elektro telah mengambil mata kuliah teknik
kendali, aljabar linear dan matematika teknik. Pembahasan untuk teori dilanjutkan dengan
contoh soal serta diskusi-diskusi tentang simulasi atau model sistem. Pada edisi pertama ini
masih banyak kekurangan tetapi diharapkan para pemakai dapat mengembangkan sesuai
perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi.
Dalam Bab I telah disampaikan bahwa mata kuliah Pembangkitan dan Perencanaan
Pembangkitan Tenaga listrik untuk bidang teknik elektro dengan mempertimbangkan dua
aspek yaitu aspek teknik dan ekonomis, mengembangkan sistem untuk memenuhi kebutuhan
energi listrik.
Bab II dijabarkan Karaketeristik Pembangkit Hidro dan Pembangkit Listrik Tenaga
Thermal, pada pembahasannya ditekankan pada karakteristik masukan dan keluaran.
Bab III menjelaskan Operasi Pembangkit Listrik Tenaga Hidro secara mendasar dan
perumusan analisis daya baik daya mekanis dan daya listrik dari proses tenaga air dan termis.
Bab IV menyajikan Pembangkit Listrik Tenaga Termal. Bab ini menguraikan secara
ringkas prinsip kerja, Proses Konversi Energi dan Pengoperasian Pembangkit Listrik Tenaga
Termal diantaranya PLTG, PLTU, dan PLTGU.
Bab V membahas tentang Sekuriti Sistem . Pada bab ini disajikan pembahasan mengenai
monitoring aliran daya pada sistem interkoneksi dengan menggunakan peralatan Remote
Terminal Unit (RTU). Pada bab ini juga dikemukakan metode analisis dengan menggunakan
algoritma Load Flow dan selanjutnya dilakukan analisa tindakan korektif.
Bab VI dibahas secara singkat tentang Stabilitas Steady State, Stabilitas Transient dan
Stabilitas Dinamis pada sistem tenaga listrik.
lkpp
unhas
-
lkpp
unhas
-
ii
Bab VII membahas tentang Operasi Sistem Tenaga Listrik, Bab ini menyajikan operasi
sistem secara optimal khususnya Pembangkit Thermal dan dilanjutkan dengan operasi
ekonomis pada sistem tenaga listrik.
Bab VIII membahas tentang Pengendalian Sistem Tenaga Listrik . Pada bab ini dibahas
secara singkat tentang pengendalian daya aktif dan frekuensi demikian juga pengendalian daya
reaktif dan tegangan. Pada Pengendalian sistem transmisi digunakan peralatan FACTS dan
hanya dibatasi untuk beberapa komponen FACTS untuk diaplikasikan pada tenaga listrik.
Bab IX membahas tentang Optimalisasi Sistem Tenaga Listrik. Pada bab ini digunakan
beberapa metode optimalisasi sistem tenaga listrik diantaranya pemograman liniear, metode
pemograman dinamis, metode merit order, metode pemograman gradient orde dua dan
optimasi sistem tenaga listrik dengan metode logika samar ( Fuzzy Logic).
Penyusun berterima kasih kepada teman-teman yaitu Muhammad Syahwil,
A. Muhammad Syafar, dan A. Nur Putri. Atas bantuannya dalam menyusun buku ajar ini
dalam bentuk sederhana. Penulis juga mengharapkan koreksi perubahan dari pihak-pihak yang
berkecimpun dalam bidang teknik elektro. Akherulkalam bersyukur kepada Allah Yang Maha
Esa atas limpahan Rahmat-nya kepada kita sekalian.
Makassar, November 2011
Prof.Dr.Ir.H.Nadjamuddin Harun. MS
lkpp
unhas
-
iii
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR.. i
DAFTAR ISI. iii
BAB I PENDAHULUAN... 1
BAB II KARAKTERISTIK PEMBANGKIT HIDRO DAN
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA THERMAL 4
2.1 Karakteristik Input Output Pembangkit Listrik Tenaga
Thermal. 4
2.2 Karakteristik Input Output Pembangkit Listrik Tenaga
Hidro . . . . . . 5
2.3 Laju Pertambahan Pemakaian Bahan Bakar. 7
2.4 Kendala-Kendala Operasi Pada Pusat Pembangkit Listrik 8
2.5 Kendala-Kendala Operasi Pada Pusat Listrik Tenaga Gas 10
2.6 Kendala-Kendala Operasi Pada Pusat Listrik Tenaga
Diesel. 13
2.7 Kendala-Kendala Operasi Pada Pusat Listrik Tenaga Uap 14
BAB III PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA HIDRO . . . . . . . . . . . .. 16
3.1 Klasifikasi Pembangkit Listrik Tenaga Hidro . . . . . . . . . .. . 16
3.2 Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro............ 16
3.3 Pembangkit Listrik Tenaga Minihidro . . ......... 21
3.4 Pembangkit Listrik Tenaga Air 21
BAB IV PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA THERMAL . . . . . . . . 40
4.1 Pembangkit Listrik Tenaga Gas . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 40
4.2 Pembangkit Listrik Tenaga Uap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3 Pembangkit Listrik Tenaga Gas-Uap . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.4 Cogeneration... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
lkpp
unhas
-
iv
BAB V SEKURITI SISTEM TENAGA LISTRIK. . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.1 Pendahuluan.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61
5.2 Sistem Monitoring Tenaga Listrik. . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 63
5.3 Analisis Kontigensi Sistem Tenaga Listrik.. . . . . . . 85
5.4 Analisis Korektif Sistem Tenaga Listrik. 95
BAB VI STABILITAS SISTEM TENAGA LISTRIK. . . . . . . . . . . . . . 96
6.1 Pendahuluan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.2 Stabilitas Steady State Sistem Tenaga Listrik . . . . . . . . . . .. 97
6.3 Stabilitas Transient Sistem Tenaga Listrik... 98
6.4 Stabilitas Dinamis Sistem Tenaga Listrik. 99
6.5 Perasamaan Ayunan.. 100
6.6 Pemodelan Mesin Sinkron Pada Studi Kestabilan 102
6.7 Pemodelan Mesin Sinkron Memperhitungkan Saliency... 104
6.8 Stabilitas Steady State dengan Gangguan-gangguan Kecil.. 107
6.9 Stabilitas Transient dengan Kriteria Sama Luas.. 117
6.10 Aplikasi Pada Penambahan Daya Input Tiba-tiba 119
6.11 Apalikasi Pada Gangguan Tiga Fasa 121
6.12 Pemecahan Numerik Pada Persamaan Non-linear 128
6.13 Pemecahan Numerik Pada Persamaan Ayunan. 130
6.14 Sistem Multi-Mesin... 134
6.15 Stabilitas Transient Multi-Mesin 136
BAB VII OPERASI SISTEM TENAGA LISTRIK. . . . . . . . . . . . . . . 141
7.1 Operasi Optimal Sistem Tenaga Listrik . . . . . . . . . . . . . .. 141
7.1.1 Pendahuluan .. 141
7.1.2 Pemodelan Biaya Bahan Bakar Pembangkit Thermal 142
7.1.3 Operasi Optimal Pembangkit Listrik Tenaga Thermal... 147
7.1.4 Perhitungan Rugi-rugi Transmisi 151
7.2 Operasi Ekonomis Sistem Tenaga Listrik .. . . . . . . . . . . .. 156
7.2.1 Kesepakatan Unit Pembangkit Thermal..... 158
lkpp
unhas
-
v7.2.2 Operasi Ekonomis Dengan Mengabaikan Rugi-rugiSaluran Transmisi. 160
7.2.3 Operasi Ekonomis Dengan Memperhitungkan Rugi-rugiSaluran Transmisi. 161
BAB VIII PENGENDALIAN SISTEM TENAGA LISTRIK . . . . . . . . . 165
8.1 Pendahuluan 165
8.2 Pengendalian Daya Aktif dan Frekuensi 166
8.3 Pengendalian Daya Reaktif dan Tegangan. 172
8.4 Pengendalian Sistem Tenaga Listrik dengan FACTS. 181
BAB IX OPTIMASI SISTEM TENAGA LISTRIK. . . . . . . .. .. 186
9.1 Pendahuluan 186
9.2 Optimasi Sistem Tenaga Listrik Metode Liniear
Programing.. 187
9.3 Optimasi Sistem Tenaga Listrik Metode Program Dinamis.. 191
9.4 Optimasi Sistem Tenaga Listrik Metode Merit Order 206
9.5 Optimasi Sistem Tenaga Listrik Metode Gradien Orde Dua.. 211
9.6 Optimasi Sistem Tenaga Listrik Metode Fuzzy Logic... 214
DAFTAR PUSTAKA
lkpp
unhas
-
lkpp
unhas
-
1BAB I PENDAHULUAN
Sebagai bagian dari tata dunia baru di era persaingan pasar global, Indonesia dituntut
untuk mampu melahirkan manusia-manusia yang berkualitas dan mampu memainkan peran
sebagai garda depan persaingan antar bangsa-bangsa. Untuk itu perlu adanya kerja keras dari
semua komponen bangsa dalam menghadapi persaingan tersebut. Atas dasar realitas dan
tantangan masa depan tersebut maka menyiapkan individu-individu yang berkualitas dengan
sejumlah karakteristik menjadi kebutuhan yang tidak dapat ditawar lagi. Salah satu cara untuk
mempersiapkan bangsa Indonesia untuk menghadapi persaingan yang semakin ketat tersebut
adalah dengan meningkatkan kualitas sumber daya manusia yang ada melalui pendidikan.
Pendidikan adalah suatu usaha untuk mencerdaskan bangsa, investasi jangka panjang
yang memerlukan usaha dan dana yang cukup besar. Pendidikan juga merupakan usaha sadar
dan terencana untuk mewujudkan suasana belajar dan proses pembelajaran agar peserta didik
secara aktif mengembangkan potensi dirinya untuk memiliki kekuatan spiritual keagamaan,
pengendalian diri, kepribadian, kecerdasan, akhlak mulia, serta keterampilan yang diperlukan
dirinya dan masyarakat.
Perancangan Pembangkitan Tenaga Listrik merupakan salah satu mata kuliah wajib pada
jurusan Teknik Elektro, konsenstrasi Teknik Energi Elektrik pada Fakultas Teknik
Universitas Hasanuddin yang disajikan pada Semester tiga setiap tahun ajaran. Mata kuliah ini
memberikan gambaran tentang perencanaan sistem pembangkitan dengan mempertimbangkan
dua aspek yaitu aspek ekonomis dan aspek teknis, mengembangkan sistem untuk memenuhi
kebutuhan energi listrik dari pemakai energi (demand) secara kontinu dan memenuhi kualitas
yang diinginkan dengan analisis demand dan evaluasi sumber-sumber energi yang ada,
sehingga akan tercapai keseimbangan antara pemasok (supply) energi dan pemakai energi
(demand). Ada 4 kriteria kunci yang perlu diketahui dari mata kuliah ini adalah Economic
Viability, Technical Fesiability, Financial Security dan Inveronmental Asceptability.
Proses pembelajaran yang digunakan saat ini berupa kuliah tatap muka dan
diskusi/presentasi kelompok. Dengan adanya proses pembelajaran ini diharapkan penilaian
yang dilakukan tidak hanya dari segi kognitif saja tetapi juga termasuk segi afektif. Selain
diskusi kelompok mahasiswa diberikan tugas individu dengan mengambil kasus sistem
kelistrikan yang relevan dengan materi yang telah disajikan, mahasiswa juga dituntut
lkpp
unhas
-
2menggunakan software aplikasi program untuk analisis, sehingga akan membuat mahasiswa
lebih aktif dalam menguasai materi.
Perancangan Pembangkitan Tenaga Listrik merupakan mata kuliah dengan Jumlah
peserta setiap kelasnya berkisar 22 orang. Nilai angka rata-rata yang diperoleh sebesar 90
dimana nilai ini setara dengan nilai A.
Tabel Jumlah Mahasiswa yang Memperoleh Nilai A-E
Nilai Jumlah Mahasiswa
A 10
A- 6
B 4
B- 2
C 0
E 0
Total 22
Dari Tabel diatas dapat disimpulkan bahwa hasil dari proses pembelajaran sudah
cukup baik sesuai yang diharapkan. Dengan adanya bahan ajar ini, diharapkan dapat lebih
meningkatkan kualitas pembelajaran dan memudahkan mahasiswa dalam menguasai materi-
materi perkuliahan secara sistematis, disisi lain kurangnya buku bacaan dalam bahasa
indonesia yang dapat diakses oleh mahasiswa juga menjadi salah satu kendala, sehingga
keberadaan bahan ajar ini sangat penting dalam proses belajar mengajar dikelas.
Bahan ajar ini juga dapat di-download di website milik Universitas Hasanuddin
( sistem pembelajaran berbasis Learning Management System /LMS) sehingga memudahkan
mahasiswa dalam mengakses materi perkuliahan setiap saat.
Sistematika penulisan buku ajar ini terbagi dalam 9 (Sembilan) Bab dengan harapan
maksud dan tujuan dari penulisan ini dapat terangkum seluruhnya. Pembagian Bab tersebut
adalah sebagai berikut :
BAB I : Pendahuluan
Bab pendahuluan menggambarkan secara singkat deskripsi mata kuliah
Perancangan Pembangkitan Tenaga Listrik dan proses pembelajaran
yang diterapkan dalam mata kuliah ini.
BAB II : Karakteristik Pembangkit Hidro dan Pembangkit Listrik Tenaga Thermal
lkpp
unhas
-
3Bab ini mencakup karakteristik input output pembangkit listrik tenaga
thermal, karakteristik input output pembangkit listrik tenaga hidro, dan
kendala-kendala operasi pada pusat pembangkit listrik (PLTA, PLTD,
PLTG dan PLTU ).
BAB III : Pembangkit Listrik Tenaga Hidro
Bab ini menguraikan secara ringkas prinsip kerja, proses konversi energi
dan masalah operasi pada pembangkit listrik tenaga hidro, yakni PLTMH,
PLT Minihidro (PLTM) dan PLTA.
BAB IV : Pembangkit Listrik Tenaga Thermal
Bab ini menguraikan secara ringkas prinsip kerja, proses konversi energi
dan masalah operasi pada pembangkit listrik tenaga thermal, yakni PLTG,
PLTU dan PLTGU.
BAB V : Sekuriti Sistem Tenaga Listrik
Bab ini membahas fungsi sekuriti pada sistem tenaga listrik yaitu sistem
monitoring, analisis kontigensi dan analisis tindakan korektif.
BAB VI : Stabilitas Sistem Tenaga Listrik
Bab ini membahas Stabilitas Steady State, Stabilitas Transient dan
Stabilitas Dinamis pada sistem tenaga listrik.
BAB VII : Operasi Sistem Tenaga Listrik
Bab ini mencakup operasi optimal dan ekonomis pada sistem tenaga listrik
dengan atau tanpa memperhitungkan rugi-rgi saluran transmisi.
BAB VIII : Pengendalian Sistem Tenaga Listrik
Bab ini mencakup pengendalian daya aktif dan frekuensi pengendalian
daya reaktif dan tegangan, seerta pengendalian dengan FACTS pada
sistem tenaga listrik.
BAB IX : Optimasi Sistem Tenaga Listrik
Bab ini membahas beberapa metode optimasi sistem tenaga listrik yaitu
optimasi sistem tenaga listrik metode linear programming, optimasi sistem
tenaga listrik metode Program Dinamis, optimasi sistem tenaga listrik
metode Merit Order, optimasi sistem tenaga listrik metode Gradien Orde
Dua, dan optimasi sistem tenaga listrik metode Fuzzy Logic.
lkpp
unhas
-
4Garis Besar Rencana Pembelajaran (GBRP
Nama / Kode Mata Kuliah : PERANCANGAN PEMBANGKITAN TENAGA LISTRIK
Kompetensi Sasaran : Kompetensi Utama:Kemampuan merencanakan pembangkitan sistem tenaga dengan memprtimbangkan aspek ekonomis dan teknis
Kompetensi Pendukung:1. Mahasiswa mengembangkan kemampuan dalam perencanaan
pembangkitan energi listrik.2. Mahasiswa mengembangkan kemampuan bekerjasama, baik sebagai ketua
maupun anggota dari sebuah tim kerja.
Sasaran Belajar : 1. Mahasiswa memahami prinsip perancangan pembangkitan secara ekonomis dan teknis.
2. Mahasiswa mampu mengutarakan pendapat di depan orang banyak dan menjawab pertanyaan dari audience.
3. Mahasiswa mampu berdiskusi secara kelompok dan mengutarakan pendapat.
4. Mahasiswa mampu menganalisis literatur yang menggunakan bahasa
Inggris
Model Pembelajaran : Project Based Learning
Minggu ke-
SasaranPembelajaran
Materi PembelajaranStrategi
Pembelajaran
Kriteria Penilaian (indicator
BobotNilai(%)
(1) (2) (3) (4) (5) (6)1 Mahasiswa
mengetahui tujuan perancangan pembangkitan
Kontrak Kuliah/PengantarPerancangan Pembangkitan dan Tren Pengembangannya
Ceramah
0
2 Mahasiswamampu menyebutkankarakteristik pembangkit thermal dan hidro
Karakteristik InputOutput PembangkitListrik TenagaThermal
Karakteristik Input Output Pembangkit Listrik Tenaga Hidro
Kendala-Kendala Operasi Pada Pusat Pembangkit Listrik thermal dan hidro,PLTA,PLTG,PLTU,P LTGU.
Ceramah/Laporan - Kedalama
n materi- Referensi
yang sesuai.
- FormatPaper
5%
lkpp
unhas
-
53 Mahasiswa mampumenjelaskan prinsip kerja,proses konversienergy dan masalah operasipada pembangkit hidro PLTMH, PLTM dan PLTA
KlasifikasiPembangkit ListrikTenaga Hidro
Pembangkit ListrikTenaga Mikrohidro
Pembangkit ListrikTenaga Minihidro
Pembangkit ListrikTenaga Air
Ceramah
&
Diskusi
- Kedalamanmateri
- KemampuanDiskusi
5 %
4-5 Mahasiswa mampumenjelaskan prinsip kerja,proses konversi energy dan masalah operasi pada pembangkit thermal PLTG,PLTU dan PLGU
Pembangkit ListrikTenaga Gas
Pembangkit ListrikTenaga Uap
Pembangkit ListrikTenaga Gas-Uap
Cogeneration
Ceramah
&
Diskusi
- Kedalaman materi
- KemampuanDiskusi 5%
6-8 Mahasiswamampu
memahami danmenjelaskanpentingnya fungsi sekuriti padatenaga listrik .
Sistem MonitoringTenaga Listrik
Analisis KontigensiSistem Tenaga Listrik
Analisis KorektifSistem Tenaga Listrik
Presentase
&
Diskusi
- Kedalaman materi
- KemampuanDiskusi
5%
9 Mid Test Mid Test 25 %
10 12 Mahasiswamampu memahamistabilitas pada system tenaga listrik
Stabilitas SteadyState Sistem TenagaListrik
Stabilitas Transient Sistem Tenaga Listrik
Stabilitas DinamisSistem TenagaListrik
Perasamaan Ayunan dan pemodelanMesin Sinkron PadaStudi Kestabilan
Presentase
&
Diskusi
- Kedalamanmateri
- Kemampuan presentasi
- KemampuanMenjawab
- KemampuanDiskusi pendapat kelompok
5 %
13 Mahasiswamampu memahami operasi system tenaga listrik
Operasi OptimalSistem TenagaListrik
Operasi EkonomisSistem TenagaListrik
Presentase
&
Diskusi
- Kedalamanmateri
- Kemampuan presentasi
- KemampuanDiskusi kelompok
5%
lkpp
unhas
-
614 MahasiswaMampu melakukansimulasipengendalian pembangkitantenaga listrik
Simulasipengendalian daya aktif dan frekuensi
Simulasipengendalian daya reaktif dan tegangan
Simulasi pengendalian FACTS.
Project/TugasBesar
- Kedalamanmateri
- Kemampuan presentasi
- KemampuanMenjawab
- Kemampuan Diskusi pendapat kelompok
5%
15 Mahasiswamampu memahamimetode-metodeoptimasi system tenaga listrik
Optimasi SistemTenaga ListrikMetode LiniearPrograming
Optimasi Sistem Tenaga Listrik Metode ProgramDinamis
Optimasi Sistem Tenaga Listrik Metode Merit Order
Optimasi Sistem Tenaga Listrik Metode Gradien Orde Dua
Optimasi Sistem Tenaga Listrik Metode Fuzzy Logic
Ceramah., Tugasdan presentase
- Kedalamanmateri
- Kemampuan presentasi
- KemampuanMenjawab
- KemampuanDiskusi pendapat kelompok 5%
16 Final Test Final Test 35%
lkpp
unhas
-
lkpp
unhas
-
4BAB II KARAKTERISTIK PEMBANGKIT HIDRO
DAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA THERMAL
Karakteristik pembangkit merupakan modal dasar dalam melakukan pengaturan ouput
pembangkit untuk menekan pembiayaan bahan baku energi. Melalui karakteristik
pembangkit ini dibuat model matematisnya sehingga dapat dilakukan proses optimasi
dalam memperoleh optimum ekonomi biaya pembangkitan.
2.1 KARAKTERISTIK INPUT OUTPUT PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA
THERMAL
Karakteristik ini menyetarakan hubungan antara input pembangkit sebagai fungsi dari
output pembangkit. Persamaan karateristik input-output pembangkit menyatakan
hubungan antara jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk menghasilkan daya tertentu
pada pembangkit tenaga listrik yang didekati dengan fungsi binomial, yaitu :
Keterangan :
F = input bahan bakar (liter/jam)
P = output daya pembangkit (MW)
a,b,c = konstanta persamaan
persamaan input output diperoleh dengan mengolah data operasi pembangkit dengan
menggunakan Metode Kuadrat Terkecil ( Least Square Methode ). Apabila terdapat N
data daya keluaran Pi dan jumlah bahan bakar Fi, konstanta persamaan dengan
menyelesaikan persamaan (2.1).
Apabila pada pusat pembangkit terdapat unit pusat pembangkit yang memiliki
persamaan input-output yang berbeda. Untuk tujuan penjadwalan pembangkit tenaga
lkpp
unhas
-
5listrik diperlukan satu persamaan karateristik yang mengimplementasikan persamaan
karateristik input-output pembangkit tenaga listrik yang terhubung pada bus yang sama.
Persamaan tersebut lebih dikenal dengan persamaan karateristik input-output ekuivalen.
Dimisalkan suatu pusat pembangkit listrik yang terdiri dari m buah unit pembangkit
dengan masing-masing persamaan karakteristik input-output sebagai berikut :
Untuk mendapatkan sebuah persamaan ekuivalen dari m buah persamaan digunakan
rumus :
Koefesien persamaan karakteristik input-output ekuivalen diperoleh dengan
menyelesaikan persamaan (2.6 ) berikut :
2.2 KARAKTERISTIK INPUT OUTPUT PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA
HIDRO
Karateristik input-output dari pembangkit tenaga listrik hidro menggambarkan hubungan
antara input kepenggerak mula (turbin) berupa jumlah air yang dialirkan diantara sudu-
sudu turbin persamaan waktu dengan output daya dari generator. Output dari pembangkit
listrik hidro adalah daya yang dikirim keluar yaitu net output generator dikurangi dengan
daya untuk pemakaian sendiri seperti untuk pompa, pengisian baterai dan peralatan
penunjang lainnya.
lkpp
unhas
-
6Daya output generator sebagai fungsi dari tinggi terjun dan debit air dapat dinyatakan
sebagai berikut :
Suatu bentuk alternative dari persamaan di atas dapat diperoleh dengan mendefenisikan
variabel efesiensi baru G sebagai berikut :
Sehingga menghasilkan persamaan (2.9),
Untuk ketinggian air yang konstan bentuk karateristik tersebut dapat digambarkan seperti
gambar 2.1.
lkpp
unhas
-
7Oleh karena tinggi terjun air dianggap konstan, maka besar debit air sebagai fungsi daya
output pembangkit akan didekati dengan persamaan polynomial orde dua yaitu :
Persamaan laju pertambahan pemakaian air ( incremental Water Rate ) diperoleh dari
turunan pertama persamaan input-output, yaitu :
2.3 LAJU PERTAMBAHAN PEMAKAIAN BAHAN BAKAR
( Incremental Fuel Rate )
Laju pertambahan pemakaian bahan bakar (IFR) menggambarkan hubungan antara
perubahan masukan dan perubahan keluaran yang sesuai dengan perubahan tersebut.
Secara sistematis dapat dituliskan sebagai berikut :
Bila perubahannya sangat kecil ( mendekati nol), maka persamaan (2.13) dapat
dinyatakan seperti :
lkpp
unhas
-
8Kurva karakteristik laju pertambahan bahan bakar pembangkit thermal diperlihatkan
pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Kurva karakteristik laju pertambahan pemakaian bahan bakar untuk
pembangkit thermal.
Sebenarnya input dalam kurva pertambahan biaya produksi (Incremental Production
Cost-IPC) pembangkit tenaga listrik termal tidak hanya meliputi bahan bakar, melainkan
juga mencakup biaya operasi lainnya. Namun karena komponen biaya bahan bakar jauh
lebih besar daripada komponen biaya lain, maka biaya produksi (production cost)
dianggap sebagai biaya bahan bakar ( fuel cost).
Kurva pertambahan biaya produksi atau kurva biaya bahan bakar memberikan
informasi tentang perbedaan segi ekonomis operasi setiap unit pembangkit tenaga listrik.
Kurva pertambahan biaya produksi bahan bakar diperoleh dengan mengalikan jumlah
bahan bakar dengan harga satuan bahan bakar, sehingga dari karakteristik ini dapat
dilakukan penjadwalan pembangkitan yang ekonomis.
2.4 KENDALA-KENDALA OPERASI PADA PUSAT LISTRIK TENAGA AIR
Tidak terdapatnya proses pembakaran sehingga tidak ada perubahan suhu yang besar
pada bagian-bagian PLTA, merupakan faktor yang sangat mengurangi kendala operasi
pada PLTA. Kendala operasi dari unit PLTA tidak sebanyak pada unit PLTU terutama
untuk keadaan dinamis PLTA umumnya dapat cepat distart dan lebih mudah mengalami
lkpp
unhas
-
9perubahan beban.Kendala operasi pada PLTA umumnya adalah kendala operasi dalam
keadaan musim kemarau sehingga kurang air dan PLTA tidak dapat beroperasi secara
optimal.
1. Beban Maksimum
Beban maksimum pada unit PLTA pada umumnya dapat mencapai nilai nominal
seperti yang tertera dalam spesifikasi pabrik. Dalam prakteknya nilai nominalnya ini
kadang-kadang tidak dapat tercapai ini dikarenakan ada bagian berputar (totaring
part) yang kurang sempurna atau proses yang kurang baik kedudukannya sehingga
timbul suhu atau getaran yang berlebihan. Ada pereparat (Seal) yang kurang baik
sehingga air yang bertekanan tidak melalui rotor turbin tetapi langsung mengalir ke
pipa pembuangan.
Kurang tingginya permukaan air dalam kolam tando sehingga tinggi terjun tidak
cukup. Kurang daripada nilai yang disyaratkan oleh spesifikasi pabrik. Hal semacam
ini kadang-kadang terjadi pada musim kemarau.
2. Beban Minimum
Beban minimum pada unit PLTU disyaratkan karena pemakaian air tidak semata
mata untuk pembangkit tetapi juga digunakan uintuk keperluan lainnya. PLTA serba
guna misalnya dimana airnya juga dipakai untuk irigasi, ada syarat air minuman yang
harus keluar dan PLTA untuk keperluan irigasi sehingga hal ini juga mensyaratkan
beban minimum bagi PLTA. Hal ini serupa juga terjadi apabila air keluar dari PLTA
digunakan untuk pelayanan air minum.
3. Kecepatan Perubahan Beban
Untuk PLTA masalah kecepatan perubahan beban dapat dilakukan dengan cepat jika
dibandingkan dengan unit pembangkit lainnya. Unit PLTA umumnya dapat diubah
bebannya dari 0% sampai 100% dalam waktu kurang dari setengah menit.
4. Perhitungan Cadangan Berputar
Untuk unit PLTA, cadangan berputar dapat dianggap sama dengan kemampuan
maksimum dikurangi dengan beban sesaat dari unit.
lkpp
unhas
-
10
2.5 KENDALA-KENDALA OPERASI PADA PUSAT LISTRIK TENAGA GAS
Karena unit PLTG adalah unit pembangkit yang termahal biaya operasinya khususnya
termahal biaya bahan bakarnya maka diinginkan agar unit PLTA beroperasi dalam waktu yang
sependek mungkin, misalnya pada waktu beban puncak atau pada waktu ada kerusakan/gangguan
unit lain (sebagai unit cadangan). Tetapi dilain pihak men-start dan men-stop unit PLTG akan
menambah keausan unit tersebut sehingga merupakan kendala operasi yang harus diperhitungkan.
Pada PLTG turbin gas diputar oleh gas hasil pembakaran yang suhunya 9000C, operasi dengan gas
yang bersuhu tinggi inilah merupakan sebab utama timbulnya keausan apabila unit PLTG
mengalami start-stop sehingga merupakan kendala operasi seperti tersebut diatas. Beban operasional
pada unit PLTG perlu diperhatikan hal-hal sebagai berikut:
Operasi dengan gas bersuhu tinggi inilah yang merupakan sebab utama timbulnya
keausan apabila unit PLTG mengalami start-stop yang merupakan kendala operasi.
Dalam operasi PLTG perlu diperhatikan hal-hal sebagai berikut :
1. Beban Maksimum
Dalam spesifikasi teknik PLTG disebut dua macam rating kemampuan yaitu :
a. Base Load Rating yang menggambarkan kemampuan unit untuk melayani beban
terus menerus.
b. Peak Load Rating yang menggambarkan kemampuan unit untuk melayani beban
selama dua jam. Peak load rating besarnya kurang lebih 10% diatas base load
rating.
Seperti telah diuraikan diatas, unit PLTG beroperasi pada suhu tinggi. Hal ini mudah
menimbulkan karosi suhu tinggi apabila bahan bakar banyak mengandung vanadium,
potassium atau sodium.
Dalam praktek spesifikasi berkuis untuk bahan bakar menjadi dua hal ini dinyatakan
dengan batas metallic content yang tidak boleh dilampaui, berkisar pada nilai satu
part permillion berat (ppm).
Masalah kwalitas bahan bakar, suhu gas hasil pembakaran beserta metallic content
inilah faktor utama yang membatasi beban maksimum dari turbin gas.
lkpp
unhas
-
11
Unit PLTG dilengkapi daya speed tronic card yang secara otomatis melalui governer
akan mengurangi beban dari unit apabila ia mendeteksi tegangan yang
diperbolehkan.
Untuk beban yang sama suhu gas hasil pembakaran ini bisa naik karena proses
pembakaran yang tidak sempurna misalnya karena pengaruh bahan bakar kurang
sempurna kerjanya.
2. Beban Minimum
Batas beban minimum untuk unit PLTG tidak disebabkan karena alus melainkan
lebih disebabkan oleh masalah ekonomi yaitu efisiensi yang mudah pada beban yang
rendah.
Gambar 2.3 kurva Biaya Minimum
Pada gambar diatas tampak bahwa :
Pada beban 100% bb minyak dilampaui 0,346 l/kwh
Pada beban 75% bb minyak dilampaui 0,335 l/kwh
Pada beban 50% bb minyak dilampaui 0,443 l/kwh
Pada beban 25% bb minyak dilampaui 0,645 l/kwh
Apabila harga bahan bakar yang dipakai adalah HSD ril dengan harga Rp. 2200/ liter
maka ini berarti bahwa pada beban 100% biaya bahan bakar Rp. 761,2/kwh sedang
pada beban 25% Rp. 1419/kwh.
lkpp
unhas
-
12
3. Kecepatan Perubahan Beban
Umumnya PLTG dapat dirubah bebannya dari 0% menjadi 100% dalam waktu
kurang dari 15 menit, sehingga bagi tiap termis termasuk unit yang dapat dirubah
bebannya secara cepat. Tetapi jika diinput bahwa unit PLTG beroperasi dan suhu gas
pembakaran yang tinggi maka perubahan beban berarti perubahan suhu yang sudah
kecil pada beroperasi bagian turbin gas dan menambah keausan. Juga perlu diinput
bahwa penambah beban yang rendah maka sebaiknya unit PLTG tidak diubah-ubah
beban tetapi diusahakan berbeban mendekati penuh (80%) dan kawat. Perubahan
beban PLTG dilakukan dalam keadaan darurat.
4. Perhitungan Cadangan Berputar
Karena kemampuannya untuk menambah beban yang relatif cepat seperti telah
diusulkan diatas maka cadangan berputar yang dapat diperhitungkan pada unit PLTG
adalah sama dengan kemampuan maksimum dikurangi dengan beban sesaat dari unit.
Tetapi sebaiknya juga diadakan perubahan beban.
PLTG sebaiknya dioperasikan untuk menangani beban puncak. Dalam operasi tenaga
listrik seringkali ada pembangkit start dan stop dalam setiap hari, minggu.
PLTG memberikan konsekuensi biaya yang lain dari pada unit PLTU. Pada PLTG
perlu disuplai pada start-stop 300 kali atau setelah mengalami sejumlah jam operasi
tertentu tergantung pada mode of operation.
Perhitungan untuk menentukan time between combustion inspection unit PLTG
F x S x (6x + 3y z) 7500 + 10% (2.15)
Dimana :
F = Fuel factor yang besarnya bergantung kepada bahan bakar yang dipakai.
F = 1.0 untuk bahan bakar pada alami
= 1.4 untuk HSD
S = Start faktor yang besarnya tergantung kepada sekali berapa jam unit PLTG di
star besarnya adalah :
lkpp
unhas
-
13
Start/waktu jam 1/1 1/3 1/5 1/10 1/20 1/100 1/500 1/1000
S = start faktor 2,6 2,83 1,80 1,28 1,15 1,9 0,9 0,85
X = Jumlah jam operasi yang melampaui peak rating.
Y = Jumlah jam operasi yang melampaui normal rating tetapi masih di bawah peak
rating.
Z = Jumlah jam operasi di bawah normal rating
2.6 KENDALA-KENDALA OPERASI PADA PUSAT LISTRIK TENAGA DIESEL
PLG yang terpelihara dengan baik praktis tidak mempunyai kendala operasi. Dapat di
start stop dengan cepat tanpa banyak menambah keausan, pemakaian bahan bakarnya
lebih hemat daripada PLTG tetapi masih lebih mahal dibanding dengan PLTU.
Walaupun pada PLTD praktis tidak ada kendala operasi, tetapi seperti juga pada
unit pembangkit lainnya secara operasional perlu diperhatikan hal-hal sebagai berikut :
1. Beban Maksimum
Beban maksimum dari PLTD seringkali tidak bisa mencapai nilai yang tertulis dalam
spesifikasi pabrik karena ada bagian-bagian dari mesin diesel yang tidak bekerja
dengan sempurna.Misalnya pada beban 90% suhu gas buang sudah mencapai suhu
maksimum yang diperbolehkan sehingga beban tidak boleh dinaikkan lagi. Suhu gas
buang yang tidak tinggi ini bisa disebabkan karena pengabut kurang baik kerjanya
atau karena turbo charger sudah kotor sehingga tekanan udara yang masuk ke silinder
kurang tinggi.
2. Beban Minimum
Tidak ada hal yang membatasi beban minimum pada unit PLTD. Hanya saja pada
unit PLTD sering dibebani rendah, misalnya kurang dari 50% maka biaya operasinya
bertambah mahal jika dibebani minimum,sehingga lebih baik dibebani maksimum
efisiensinya standar seperti pada name plate.Disamping biaya operasi tinggi pada
beban rendah juga efisiensinya menjadi rendah.
lkpp
unhas
-
14
3. Kecepatan Perubahan Beban
Pada PLTD umumnya dapat diubah bebannya dari 0% menjadi 100% dalam waktu
kurang dari 10 menit. Oleh karena kemampuannya yang cepat dalam mengikuti
perubahan beban, unit PLTD baik dipakai untuk turut mengatur frekuensi sistem
hanya sayangnya seperti telah diuraikan diatas kemampuan dayanya relatif kecil
dibanding dengan unit-unit pembangkit lainnya.
4. Perhitungan Cadangan Berputar
Mengingat kemampuannya dalam mengikuti perubahan beban seperti diuraikan diatas
maka cadangan berputar yang dapat diperhitungkan adalah sama dengan kemampuan
maksimum dikurangi dengan beban sesaat.
2.7 KENDALA-KENDALA OPERASI PADA PUSAT LISTRIK TENAGA UAP
Dari segi operasional PLTU paling banyak kendalanya khususnya dalam kondisi dinamis,
hal ini disebabkan banyaknya kendala komponen dalam PLTU yang harus diatasi.
Kendala operasi yang terdapat pada PLTU adalah :
a. Starting Time (waktu yang diperlukan untuk menstart) yang relatif lama, bisa
mencapai 6 sampai 8 jam apabila star dilakukan dalam keadaan dingin.
b. Perubahan daya persatuan waktu yang terbatas kira-kira5% per menit. Hal ini
disebabkan karena proses star memerlukan waktu lama yaitu pada PLTU minyak
adalah memerlukan waktu 2 jam jika distar dalam keadaan dingin, maupun perubahan
daya dalam PLTU cukup lambat, menyangkut pula berbagai perubahan suhu yang
selanjutnya menyebabkan produksi uap tidak mencapai suhu minimal 500 derajat
Celsius sehingga energi panas yang dikandungnya untuk proses expansi tidak tercapai
dengan sempurna.
Untuk keperluan operasional pada PLTU perlu diperhatikan hal-hal sebagai
berikut :
1. Beban Maksimum
Dalam keadaan sempurna beban maksimum dari unit PLTU adalah sampai dengan
yang tercantum dalam buku spesifikasi teknis unit pembangkit. Dalam spesifikasi
teknik tersebut umumnya disebutkan beberapa beban maksimum untuk pembebanan
lkpp
unhas
-
15
yang kontinu dan beberapa beban maksimum untuk waktu tertentu, dan apabila ada
bagian dari unit pembangkit yang bekerja tidak sempurna maka beban maksimumnya
dapat diturunkan.
2. Beban Minimum
Beban minimum dari PLTU berkisar disekitar 25%. Pembatasan ini biasanya
berhubungan dengan masalah kontrol karena pada beban rendah banyak yang
hubungannya tidak linear sehingga menyulitkan kerjanya alat-alat kontrol disamping
itu pula beban rendah nyala api menjadi kurang stabil dan mudah padam.
3. Kecepatan Perubahan Beban
Kecepatan perubahan beban pada unit PLTU harus menurut pada petunjuk Instruction
Manual yang dibuat oleh pabrik. Kecepatan perubahan beban yang mampu dilakukan
oleh unit PLTU tergantung pada kepada posisi beban permulaan dalam kaitannya
dengan sistem bahan bakar dan sistem pengisian air ketel. Ada PLTU yang didisain
apabila bebannya kurang dari 50% harus ada burner yang dimatikan dan juga ada
pompa pengisian air ketel yang dihentikan. Untuk menaikkan bebannya misalnya dari
40% ke 80%, tahapnya terbagi dua yaitu dari 40% sampai 50%, kemudian berhenti
sesaat untuk menyalakan burner tambahan dan pompa air pengisian ketel tambahan,
baru setelah burner tambahan dan pompa air pengisian ketel tambahan bekerja normal
beban dapat dinaikkan dari 50% sampai dengan 80%.
4. Perhitungan Cadangan Berputar
Untuk kondisi seperti diuraikan diatas, apabila unit pembangkit berbeban 40% maka
unit harus dianggap mempunyai cadangan berputar sebesar 50% - 40% : 40%, kalau
unit dalam keadaan 60% maka cadangan berputarnya bisa dianggap 100% - 60% :
40%.
lkpp
unhas
-
16
BAB III
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA HIDRO
3.1 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 mikrohidro,
2) Pembangkit listrik tenaga minihidro, dan
3) Pembangkit listrik tenaga Air.
Pembangkit listrik tenaga hidro dapat dikatagorikan dan diklasifikasikan sesuai besar
daya yang dihasilkannya, sebagaimana diperlihatkan pada tabel berikut:
No. JENIS DAYA / KAPASITAS
1. PLTA > 5 MW ( 5.000 kW).
2. PLTM 100 kW < PLTM < 5.000 kW
3. PLTMH < 100 kW
(Sumber : Severn Wye Energi Agency, www.swea.co.uk)
3.2 PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO
Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) adalah pembangkit listrik berskala
kecil (kurang dari 100 kW), yang memanfaatkan tenaga (aliran) air sebagai sumber
penghasil energi. PLTMH termasuk sumber energi terbarukan dan layak disebut clean
energi karena ramah lingkungan. Dari segi teknologi, PLTMH dipilih karena
konstruksinya sederhana, mudah dioperasikan, serta mudah dalam perawatan dan
penyediaan suku cadang.
Secara ekonomi, biaya operasi dan perawatannya relatif murah, sedangkan biaya
investasinya cukup bersaing dengan pembangkit listrik lainnya. Secara sosial, PLTMH
mudah diterima masyarakat luas (bandingkan misalnya dengan Pembangkit Listrik
Tenaga Nuklir). PLTMH biasanya dibuat dalam skala desa di daerah-daerah terpencil
lkpp
unhas
-
17
yang belum mendapatkan listrik dari PLN. Tenaga air yang digunakan dapat berupa
aliran air pada sistem irigasi, sungai yang dibendung atau air terjun.
3.2.1 Prinsip kerja PLT Mikrohidro
PLT Mikrohidro pada prinsipnya memanfaatkan beda ketinggian dan jumlah debit air per
detik yang ada pada aliran air saluran irigasi, sungai atau air terjun. Aliran air ini akan
memutar poros turbin sehingga menghasilkan energi mekanik. Energi ini selanjutnya
menggerakkan generator dan menghasilkan listrik.
Pembangunan PLTMH perlu diawali dengan pembangunan bendungan untuk
mengatur aliran air yang akan dimanfaatkan sebagai tenaga penggerak PLTMH.
Bendungan ini dapat berupa bendungan beton atau bendungan beronjong. Bendungan
perlu dilengkapi dengan pintu air dan saringan sampah untuk mencegah masuknya
kotoran atau endapan lumpur. Bendungan sebaiknya dibangun pada dasar sungai yang stabil
dan aman terhadap banjir.
Di dekat bendungan dibangun bangunan pengambilan (intake). Kemudian
dilanjutkan dengan pembuatan saluran penghantar yang berfungsi mengalirkan air dari
intake. Saluran ini dilengkapi dengan saluran pelimpah pada setiap jarak tertentu untuk
mengeluarkan air yang berlebih. Saluran ini dapat berupa saluran terbuka atau tertutup.
Di ujung saluran pelimpah dibangun kolam pengendap. Kolam ini berfungsi untuk
mengendapkan pasir dan meny aring kotoran sehingga air yang masuk ke turbin relatif
bersih. Saluran ini dibuat dengan memperdalam dan memperlebar saluran penghantar dan
menambahnya dengan saluran penguras. Kolam penenang (forebay) juga dibangun untuk
menenangkan aliran air y ang akan masuk ke turbin dan mengarahkannya masuk ke pipa
pesat (penstok). Saluran ini dibuat dengan konstruksi beton dan berjarak sedekat mungkin
ke rumah turbin untuk menghemat pipa pesat.
Pipa pesat berfungsi mengalirkan air sebelum masuk ke turbin. Dalam pipa ini,
energi potensial air di kolam penenang diubah menjadi energi kinetik yang akan
memutar roda turbin. Biasany a terbuat dari pipa baja yang dirol, lalu dilas. Untuk
sambungan antar pipa digunakan flens. Pipa ini harus didukung oleh pondasi yang
mampu menahan beban statis dan dinamisnya. Pondasi dan dudukan ini diusahakan
selurus mungkin, karena itu perlu dirancang sesuai dengan kondisi tanah.
lkpp
unhas
-
18
Turbin, generator dan sistem kontrol masing-masing diletakkan dalam sebuah rumah
yang terpisah. Pondasi turbin-generator juga harus dipisahkan dari pondasi rumahnya.
Tujuannya adalah untuk menghindari masalah akibat getaran. Rumah turbin harus
dirancang sedemikian agar memudahkan perawatan dan pemeriksaan.
Setelah keluar dari pipa pesat, air akan memasuki turbin pada bagian inlet. Di
dalamnya terdapat guided vane untuk mengatur pembukaan dan penutupan turbin serta
mengatur jumlah air yang masuk kerunner/blade (komponen utama turbin). Runner
terbuat dari baja dengan kekuatan tarik tinggi y ang dilas pada dua buah piringan sejajar.
Aliran air akan memutar runner dan menghasilkan energi kinetic yang akan memutar
poros turbin. Energi y ang timbul akibat putaran poros kemudian ditransmisikan ke
generator. Seluruh sistem ini harus balance. Turbin perlu dilengkapi casing yang berf
ungsi mengarahkan air ke runner. Pada bagian bawah casing terdapat pengunci turbin.
Bantalan (bearing) terdapat pada sebelah kiri dan kanan poros dan berfungsi untuk meny
angga poros agar dapat berputar dengan lancar.
Daya poros dari turbin ini harus ditransmisikan ke generator agar dapat diubah
menjadi energi listrik. Generator yang dapat digunakan pada mikrohidro adalah generator
sinkron dan generator induksi. Sistem transmisi daya ini dapat berupa sistem transmisi
langsung (daya poros langsung dihubungkan dengan poros generator dengan bantuan
kopling), atau sistem transmisi daya tidak langsung, yaitu menggunakan sabuk atau belt
untuk memindahkan daya antara dua poros sejajar. Keuntungan sistem transmisi langsung
adalah lebih kompak, mudah dirawat, dan ef isiensiny a lebih tinggi. Tetapi sumbu poros
harus benar-benar lurus dan putaran poros generator harus sama dengan kecepatan putar
poros turbin.
Masalah ketidaklurusan sumbu dapat diatasi dengan bantuan kopling fleksibel.
Gearbox dapat digunakan untuk mengoreksi rasio kecepatan putaran. Sistem transmisi
tidak langsung memungkinkan adanya variasi dalam penggunaan generator secara lebih
luas karena kecepatan putar poros generator tidak perlu sama dengan kecepatan putar
poros turbin. Jenis sabuk yang biasa digunakan untuk PLTMH skala besar adalah jenis
flat belt, sedang V-belt digunakan untuk skala di bawah 20 kW. Komponen pendukung
yang diperlukan pada sistem ini adalah pulley, bantalan dan kopling. Listrik yang
lkpp
unhas
-
19
dihasilkan oleh generator dapat langsung ditransmisikan lewat kabel pada tiang-tiang
listrik menuju rumah konsumen.
3.2.2 Perhitungan Teknis
Potensi daya mikrohidro dapat dihitung dengan persamaan:
Daya (P) = 9.8 x Q x Hn x h; ( 3.1 )
di mana:
P = Daya (kW)
Q = debit aliran (m3/s)
Hn = Head net (m)
9.8 = konstanta gravitasi
h = ef isiensi keseluruhan.
Misalnya, diketahui data di suatu lokasi adalah sebagai berikut: Q = 300 m3/s2, Hn = 12
m dan h = 0.5. Maka, besarnya potensi daya (P) adalah:
P = 9.8 x Q x Hn x h
= 9.8 x 300 x 12 x 0.5
= 17 640 W
= 17.64 kW
3.2.3 Perhitungan Ekonomis
Pembangunan PLT Mikrohidro memerlukan investasi yang relatif besar. Adapun, biaya
(harga) listrik per kWH-nya dihitung berdasarkan biaya awal (initial cost) dan biaya
operasional (operational cost). Komponen biaya awal terdiri dari: biaya bangunan sipil,
biaya fasilitas elektrik dan mekanik serta biaya sistem pendukung lain.Komponen biaya
operasional yaitu: biaya perawatan,biaya penggantian suku cadang, biaya tenaga
kerja(operator) serta biaya lain yang digunakan selama pemakaian.
Contoh perhitungan harga listrik per kWh dari PLT Mikrohidro adalah sebagai
berikut : Misalkan, untuk membangun suatu PLTMH dengan kapasitas terpasang 1 kW,
dibutuhkan biaya awal Rp 4 juta. Umur pakai mikrohidro yang dirancang adalah 10 tahun
lkpp
unhas
-
20
dengan biaya operasional Rp. 1 Juta/tahun. Sehingga total biayanya menjadi Rp. 10 Juta. Maka, biaya rata-rata (Rp) per hari adalah:
Sehingga,
Biaya (harga) per kWh ditentukan oleh biaya rata-rata perhari dan besarnya energi
listrik yang dihasilkan per hari (kWh/hari). Energi per hari ini ditentukan oleh besarnya
daya terpasang serta faktor daya. Jika diasumsikan faktor daya besarnya 12 jam/hari,
maka harga energi listrik per kWh adalah:
Sehingga,
3.2.4 Perancangan Sistem PLT Mikrohidro
Tahap pertama perancangan PLT Mikrohidro adalah studi awal. Studi ini diawali dengan
survey lapangan untuk memperoleh data primer mengenai debit aliran dan head (beda
ketinggian). Debit aliran dapat diukur dengan metode konduktivitas atau metode Weir.
Berdasarkan data tersebut dapat dihitung perkiraan potensi daya awal. Data lapangan
sebaiknya diambil beberapa kali pada musim yang berbeda untuk memperoleh gambaran
yang tepat mengenai potensi daya dari aliran air tersebut. Selain itu, perlu dicari data
pendukung, yaitu: kondisi air (keasaman, kekeruhan, serta kandungan pasir atau lumpur),
keadaan dan kestabilan tanah di lokasi bangunan sipil, serta ketersediaan bahan,
transportasi dan tenaga trampil (operator).
Setelah survey lapangan, tahap perancangan selanjutnya adalah pemilihan lokasi dan
penentuan dimensi utama, pembuatan analisis keunggulan dan kelemahan setiap alternatif
pilihan, pembuatan sketsa elemen utama, penentuan tipe serta kapasitas turbin dan
generator y ang akan digunakan, penentuan sistem kontrol sistem (manual/otomatis),
lkpp
unhas
-
21
perancangan jaringan transmisi dan distribusi serta perancangan sistem penyambungan ke
rumah-rumah.
Sebelum membangun PLT Mikrohidro di suatu tempat perlu diketahui dahulu
rencana PLN untuk daerah yang bersangkutan, kebutuhan listriknya, rencana penggunaan
day a listrik dan faktor bebannya, studi kelayakan ekonomi serta kesiapan lembaga
pengelola. Setelah semua studi yang diperlukan siap dan layak, dilakukan proses disain
yang lebih lebih rinci, yaitu: pembuatan detail gambar teknik, penentuan spesif ikasi
teknis secara jelas, penyusunan jadwal kegiatan, penghitungan biaya setiap komponen
serta penyiapan pengurus yang akan mengelola PLTMH. Jika seluruh disain ini telah siap
maka pembangunan PLT Mikrohidro dapat dimulai.
3.3 PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MINIHIDRO
Pembangkit Listrik Tenaga Minihdro adalah pembangkit listrik tenaga air dengan kisaran
output daya antara 100 kW sampai dengan 5000 kW. Keuntungan utama dari
pembangkit mini hidro adalah:
Efisiensi tinggi (70 - 90%), sejauh ini yang terbaik dari semua teknologi energi. Faktor kapasitas tinggi (biasanya> 50%) Tingkat tinggi prediktabilitas, bervariasi dengan pola curah hujan tahunan Daya keluaran bervariasi hanya secara bertahap dari hari ke hari (tidak dari menit
ke menit).
3.4 PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR
Pada umumnya energi air dapat dibagi atas :
1. Energi air kandungan mekanis :
a. Energi air terjun
b. Energi pasang surut
c. Energi ombak
2. Energi air kandungan termis
a. Energi panas laut
Dalam bentuk diagram dapat digambarkan sebagai berikut :
lkpp
unhas
-
22
Gambar 3.1 Diagram Pembagian Sumber Daya Energi Air
3.4.1 Energi Air Kandungan Mekanis
3.4.1.1 Energi Air Terjun
Potensi tenaga air terjun tergantung pada kondisi geografis, keadaan curah hujan dan
areal (penampungan) aliran (catch ment area). Pengembangan sumber tenaga air secara
wajar, perlu diketahui secara jelas seluruh potensi sumber tenaganya. Jumlah potensi
tenaga air dipermukaan tanah disebut potensi tenaga air teoritis. Sedang yang dapat
dikembangkan atau diomanfaatkan dari segi teknis disebut potensi tenaga air teknis.
Untuk pengembangan secara ekonomis disebut potensi tenaga air ekonomis.
Pada umumnya potensi tenaga ekonomislah yang dianggap sebagai potensi tenaga
air. Namun dengan kemajuan dibidang teknologi dan perubahan konsep tentang ekonomi
potensi tenaga air, maka kategori potensi tenaga air teknis diperluas hingga meliputi
potensi tenaga air teoritis, dan tidak ada lagi perbedaan yang tegas diantara ketiganya.
Perbandingan antara potensi tenaga air teknis dan ekonomis terhadap potensi tenaga
air teoritis diperkirakan berturut-turut 34 - 40 % dan 20 - 30%. Berubah-ubah tergantung
pada tingkatan teknik dan ekonomi setempat.
Pada umumnya, ada 3 faktor utama untuk penentuansuatu potensi tenaga air bagi
pembangkit tenaga listrik yaitu :
lkpp
unhas
-
23
a. Jumlah air yang tersedia, yang merupakan fungsi dari jatuh hujan dan atau salju.
b. Tinggi terjun yang dapat dimanfaatkan, dalam hal ini tergantung dari topopgrafi
daerah tersebut.
c. Jarak lokasi yang dapat dimanfaatkan terhadap adanya pusat-pusat beban atau
jaringan transmisi.
Penggunaan tenaga air disamping untuk keperluan pembangkit tenaga listrik, juga
masih merupakan pemanfaatan multiguna karena masih berhubungan dengan irigasi,
pengendalian banjir, perikanan, rekreasi dan navigasi. Sumber tenaga air diperoleh dari
adanya siklus hidolik daripada air, yaitu pemanasan dari sinar matahari yang kemudian
turun ke bumi dan kembali lagi terjadi penguapan akibat pemamanasan sinar matahari
tersebut.
Tabel 3.1 memperlihatkan angka-angka dan lokasi yang mempunyai kemungkinan
potensi tenaga air yang dapat digunakan untuk pembangkit tenaga listrik beberapa negara
didunia.
Tabel 3.1 Potensi Ekonomis Tenaga Air Untuk Pembangkit Tenaga Listrik
Beberapa Negara Didunia.
NO N E G A R A POTENSI EKONOMIS TENAGA AIR (GW)
1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.
Uni sovietAmerika serikat (termasuk Alaska) KanadaJepangNorwegia Swedia Prancis Italia Austria SwissJerman barat
1.100648218130105857660433325
Sumber : Dr. A. Arismunandar dan DR. S. Kuwuhara, Teknik Tenaga Listrik, 1991.
Tabel 3.2 memperlihatkan angka-angka dan lokasi yang mempunyai
kemungkinan potensi tenaga air yang dapat digunakan untuk pembangkit tenaga listrik
diIndonesia.
lkpp
unhas
-
24
Tabel 3. 2 Potensi Ekonomis Tenaga Air Untuk Pembangkit Tenaga Listrik Di Indonesia.
NO LOKASIPOTENSI EKONOMISTENAGA AIR (MW) Presentase (%)
1.2.3.4.5.6.
SumateraJawa Kalimantan Sulawesi Irian JayaPulau lainnya
15.5874200
21.58910.18322.3711.054
22,85,6
28,813,629,81,4
TOTAL 74.976 100Sumber : Komite Nasional Indonesia (World Energi Council ). Hasil-Hasil Lokakarya
1993.
3.4.1.2 Keuntungan Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA)
1. Tidak menimbulkan polusi udara.
Tidak ada SOX, NOX dan CO2 seperti yang biasa ditimbulkan oleh pembangkit listrik
berbahan bakar fosil ( minyak, batubara dan gas ). Sebagaimana diketahui SOX dan
NOX dapat menimbulkan hujan asam, yang sangat berbahaya bagi tumbuh-tumbuhan
maupun makhluk hidup lainnya. CO2 dianggap dapat menimbulkan pemanasan
global ( efek rumah kaca) yang akan menimbulkan perubahan cuaca serta dapat menaikkan
permukaan air laut karena es dikutub mencair. Jadi dengan membangun PLTA
berarti telah mengurangi kemungkinan timbulnya hujan asam dan pemanasan global.
2. Tenaga air adalah energi yang terbarukan dan umur ekonomis PLTA panjang.
Banayak PLTA yang berumur lebih dari 50 tahun masih beroperasi dengan baik.
3. Mengoperasikan PLTA berarti menghemat pemakaian BBM yang selama ini dipakai
oleh PLTD, PLTG, PLTGU maupun PLTU minyak, terutama mengurangi pemakaian
solar yang sekarang sudah terpaksa diimpor karena produksi dalam negeri tidak
cukup. Dengan demikian pengoperasian PLTA juga berarti menghemat devisa.
4. Pemakaian PLTA pada umumnya lebih menguntungkan karena biaya pembangkitan
lebih murah daripada jenis pembangkit lainnya. Selain itu tidak ada kenaikan biaya
operasi yang biasanya disebabkn oleh kenaikan biaya BBM.
5. Dengan memakai tenaga air berarti memanfaatkan sumber energi yang tidak dapat
diekspor, dan memeberi kesempatan sumber energi lain seperti minyak, gas dan
lkpp
unhas
-
25
batubara untuk diekspor dan menghasilkan devisa atau diproses menjadi bahan lain
yang diperlukan.
6. Sumber energi air tersebar didaerah-daerah di seluruh Indonesia, sehingga dengan
membangun PLTA didaerah-daerah berarti pemerataan pembangunan dan
pembangunan prasarana berupa PLTA ini dengan jaringan transmisi dan distribusi
akan dapat memenuhi permintaan tenaga listrik baik untukpelanggan umum
perkotaan, industri maupun kelistrikan desa.
7. Membangun PLTA dengan waduk mempunyai dampak positif yang luas dan
keuntungan tambahan misalnya waduk dipakai untuk parawisata, perikanan, olahraga
air, pengendalian banjir, sumber air minum, sumber air tanah, sumber air pengairan
untukpertanian dan sebagainya.
8. Tergantung dari sumber tenaga air yang tersedia, kebutuhan sistem tenaga listrik
sertga desain yang ekonomis dan optimum maka PLTA dapat dioperasikan untuk
beban puncak (peak load) maupun beban dasar ( base-load). PLTA dapat melayani
perubahan beban yang cepat, sehingga sangat penting untuk membantu menjaga
stabilitas serta keandalan sistem tenaga listrik.
9. Pembangunan PLTA akan membuka lapangan kerja di daerah-daerah yang mungkin
letaknya dipelosok (terpencil).
10. Beberapa peralatan PLTA sudah dapat dibuat didalam negeri dengan atau tanpa
kerjasama dengan asing antara lain pintu air, pipa pesat, bagian-bagian turbin air dan
alat bantu mekanik. Juga generator, transformator, panel-panel, kabel switchgears dan
sebagainya. Hal ini berarti menghemat devisa, memungkinkan alih teknologi dari
perusahan asing serta memberikan lapangan kerja dalam negeri.
11. Karena biaya pembangkitan PLTA murah, maka PLTA cocok untuk industri yang
electric energi intensive seperti industri aluminium (PLTAAsahan II/tangga dan
sigura-gura) dan nickel (PLTA Larona).
12. Bila perlu PLTA dapat dioperasikan secara automatic dari jarak jauh (remote control)
dengan aman, sehingga tidak memerlukan operator yang banyak. Ini penting terutama
ditempat terpencil atau untuk PLTA dengan gedung sentral bawah tanah. Beberapa
PLTA juga dapat dikendalikan dari jarak jauh dari suatu pusat pengendalian ( control
center ) sehingga hanya memerlukan operator sedikit sekali.
lkpp
unhas
-
26
13. Biaya operasi dan pemeliharaan PLTA sangat murah dan pemakaian listrik untuk
keperluan sendiri kecil.
14. Sudah terbukti beberapa spare part peralatan mesin dan listrik untuk PLTA dapat
dibuat didalam negeri, denganbiaya lebih murah dari impor, sehingga menghemat
devisa, memberi pengalaman kepada bengkel-bengkel didalam negeri serta
memberikan lapangan pekerjaan. Sebagai contoh runner turbin air untuk PLTA kecil
telah dapat dibuat didalam negeri.
3.4.1.3 Prinsip Pembangkit Energi Air
Pembangkit Tenaga Air adalah suatu bentuk perubahan tenaga dari tenaga air dengan
ketinggian dan debit tertentu menjadi tenaga listrik dengan menggunakan turbin air dan
generator. Untuk keperluan estimasi daya yang dibangkitkan secara kasar dapat
digunakan rumus sederhana yaitu :
Dimana
P = daya [kW]
Q = debit air [m3/detik]
P= f. Q .H (3.2)
H = tinggi air terjun [m]
F = suatu factor antara 0,7 dan 0,8
Untuk keperluan survai data-data primer yang diperlukan :
a. umlah energi yang secara teoritis dapat diperoleh setahun, dalam kondisi-kondisi
tertentu dimusim hujan dan musim kering.
b. Jumlah daya pusat listrik yang akan dipasang, dengan memeperhatikan apakah
pusat listrik itu akan dipakai untuk beban dasar atau beban puncak.
Gambar 3.2 memperlihatkan secara skematis
A. Bendungan besar
B. Saluran terbuka dan bendungan ambil air B
Air masuk ke dalam pipa tekan, dan selanjutnya ke turbin melalui katub.
lkpp
unhas
-
27
3.4.1.4 Beberapa Kendala Dalam Pemanfaatan Tenaga Air
Untuk Pembangunan PLTA
1. Waktu persiapan dan pembangunan PLTA yang lama
Pembangunan PLTA harus dipersiapkan jauh sebelumnya, karena kebutuhan waktu
yang lama untuk survey prastudikelayakan, studi kelayakan, desain (basic dan detail
plant design) serta pembuatan dokumen lelang, yang semuanya membutuhkan waktu
kira-kira empat tahun, belum termasuk waktu yang diperlukan untuk penyediaan
dana, penunjukan konsultan, pelelangan dan lain-lain.
Sedangkan pembangunan sendiri rata-rata memerlukan waktu lama, belum termasuk
waktu yang diperlukan untuk penyediaan dana negoisasi, penunjukan kontraktor dan
lain-lain. Dengan sendirinya PLTA tidak dapat memenuhi kebutuhan pembangunan
pusat listrik yang cepat, yang biasanya dapat dipenuhi dengan PLTD, PLTG dan
PLTGU.
2. Biaya investasi yang tinggi
Kapasitas (MW) suatu PLTA untuk beban dasar maupun beban puncak didesain
sehingga optimum dan biaya pembangkitannya lebih murah daripada jenis
lkpp
unhas
-
28
pembangkit lain, baik PLTU untuk beban dasar maupun PLTG untuk beban puncak.
Akan tetapi biaya investasi per kW untuk PLTA adalah lebih mahal daripada PLTG,
PLTD, PLTGU dan PLTU. Dengan keterbatasan sumber dana ditambah lagi
kebutuhan adanya pembankit listrik yang mendesak, maka sering terjadi pilihan
terhadap pembangkit lain lebih didahulukan.
3. Masalah infrastruktur untuk pembangunan
Karena proyek PLTA umumnya asa didaerah terpencil, maka diperlukan adanya
infrastruktur berupa jalan, base camp, jaringan listrik atau PLTD. Hal ini memerlukan
biaya cukup besar dan perlu waktu untuk pembangunanannya anatara 1,5 sampai 2
tahun.
4. Masalah Lingkungan
Termasuk dalam lingkungan antara lain masalah pembebasan tanah. Terutama untuk
PLTA dengan waduk, maka masalah jumlah ganti rugi pembebasan tanah ( baik
tempat tinggal, kebun, maupun sawah ) sering menimbulkan masalah. Hal ini sangat
tergantung adanya dukungan pemerintah daearah dan dana yang tersedia.
Sering juga tanah kehutanan terkena oleh proyek. Kelangsungan proyek tergantung
ijin dari menteri kehutanan, sesuai dengan undang-undang yang berlaku. Disamping
masalah pemindahan penduduk, pengaruh pembangunan proyek terhadap fauna dan
flora juga penting sekali, terutama untuk daerah yang akan tergenang dengan adanya
pembangunan waduk. Sebagai contoh di proyek PLTA kota panjang terpaksa
memindahkan gajah sebanyak 25 ekor. Pengaruh pembangunan dan terhadap
kehidupan ikan juga perlu dipelajari dan diatasi. Pada umumnya dampak masalah
lingkungan dari PLTA adalah local.
5. Masalah yang berhubungan dengan kondisi alam
Masalah yang berhubungan dengan kondisi alam yaitu kondisi geologi dan hidrologi.
Sering terjadi geological investigation yang telah dikerjakan ternyata belum cukup.
Hal ini dapat menimbulkan masalah terutama pada pembuatan bendungan,
terowongan, gedung sentral, angker blok pada pipa pesat dan lain-lain, sehingga
terpaksa terjadi perubahan desain dan ada pekerjaan tambahan dan tambahan biaya,
serta waktu pembangunan bertambah.
lkpp
unhas
-
29
Selama ini dalam batas-batas tertentu, hal ini tidak merupakan masalah. Sedangkan
data hidrologi yang dipakai untuk desain PLTA umumnya telah diambil selama dari
sepuluh tahun ( untuk curah hujan ada sekitar 30 tahun ) sehingga ada kesesuaian
dengan kondisi sebesarnya pada waktu operasi, kecuali bila ada penyimpangan
musim.
Bila musim hujan lebih panjang tentunya lebih menguntungkan sedangkan bila
musim kemarau lebih panjang maka ini menjadi masalah. Di beberapa PLTA
kekeurangan curah hujan dipecahkan dengan hujan buatan.
3.4.2.1 Potensi energi pasang surut
Pasang surut air laut adalah suatu gejala fisik yang selalu berulang dengan periode
tertentu dan pengaruhnya dapat dirasakan sampai jauh masuk kearah hulu dari muara
sungai. Pasang surut terjadi karena adanya gerakan dari benda benda angkasa yaitu rotasi
bumi pada sumbunya, peredaran bulan mengelilingi bumi dan peredaran bulan
mengelilingi matahari. Gerakan tersebut berlangsung dengan teratur mengikuti suatu
garis edar dan periode yang tertentu. Pengaruh dari benda angkasa yang lainnya sangat
kecil dan tidak perlu diperhitungkan.
Gerakan dari benda angkasa tersebut di atas akan mengakibatkan terjadinya beberapa
macam gaya pada setiap titik di bumi ini,yang disebut gaya pembangkit pasang surut.
Masing masing gaya akan memberikan pengaruh pada pasang surut dan disebut
komponen pasang surut, dan gaya tersebut berasal dari pengaruh matahari, bulan atau
kombinasi keduanya.
Pasang surut laut merupakan hasil dari gaya tarik gravitasi dan efek sentrifugal. Efek
sentrifugal adalah dorongan ke arah luar pusat rotasi. Gravitasi bervariasi secara langsung
dengan massa tetapi berbanding terbalik terhadap jarak. Meskipun ukuran bulan lebih
kecil dari matahari, gaya tarik gravitasi bulan dua kali lebih besar daripada gaya tarik
matahari dalam membangkitkan pasang surut laut karena jarak bulan lebih dekat daripada jarak
matahari ke bumi. Gaya tarik gravitasi menarik air laut ke arah bulan dan matahari
dan menghasilkan dua tonjolan (bulge) pasang surut gravitasional di laut. Lintang dari
tonjolan pasang surut ditentukan oleh deklinasi, sudut antara sumbu rotasi bumi dan
bidang orbital bulan dan matahari.
lkpp
unhas
-
30
Energi pasang surut pada lautan terjadi akibat pengaruh massa bulan terhadap bumi,
yang mengakibatkan adanya gaya tarik, sehingga menjelma suatu gejala yang dikenal
sebagai pasang surut. Gejala ini terjadi secara teratur, disebabkan bulan mengelilingi
bumi, sehingga air laut ditarik karena gaya tarik gravitasi bulan.
Gambar 3.3 Terjadinya pasang surut akibat gaya tarik bulan
Gambar 3.3 memperlihatkan permukaan laut dititik A. keadaan ini, laut pada titik
A berada dalam keadaan pasang, sedangkan pada titik B berada dalam keadaan surut.
Kira-kira 6 jam kemudian, terjadi situasi sebaliknya, akibat perputaran bulan.
Penyebab pasang surut
Bulan tepat di atas titik P1 pada permukaan bumi. Karena gaya tarik bulan di titik P1
paling besar maka P1 bergerak lebih banyak ke arah bulan daripada titik O (titik pusat
bulan). Jika titik O bergerak ke arah bulan, maka titik P2 akan bergerak lebih lambat dari
titik O. Oleh karena itu, maka permukaan air di titik P1 dan P2 lebih tinggi daripada
permukaan air laut rata-rata. Pasang naik terjadi di P1 dan P2, sementara itu, di daerah
yang letaknya 90 derajat dari kedua titik itu terjadi pasang surut.
lkpp
unhas
-
31
Gambar 3.4. Posisi bumi terhadap bulan
Peredaran semu harian bulan memerlukan waktu 24 jam 50 menit. Periode tersebut
disebut satu hari bulan. Oleh karena itu satu titik di khatulistiwa pada permukaan bumi
mengalami dua kali pasang naik dalam periode satu hari bulan.
Ternyata gaya tarik matahari juga memberikan pengaruh terhadap molekul air laut,
walaupun perbandingan antara gaya tarik matahari dengan gaya tarik bulan terhadap
bumi adalah 1 : 2,2. Pasang laut purnama (spring tide) terjadi ketika bumi, bulan dan
matahari berada dalam suatu garis lurus. Pada saat itu akan dihasilkan pasang tinggi yang
sangat tinggi dan pasang rendah yang sangat rendah. Pasang laut purnama ini terjadi pada
saat bulan baru dan bulan purnama.
Gambar 3.5. Posisi Bumi, bulan dan matahari ketika pasang Purnama
Pasang naik yang paling rendah dalam periode satu siklus pasang surut disebut pasang
perbani. Pasang perbani terjadi pada waktu kedudukan bulan, bumi dan matahari
omembentuk sudut 90 . Pada posisi tersebut, gaya tarik matahari dan gaya tarik bulan
bekerja pada titik-titik yang tegak lurus satu sama lain
lkpp
unhas
-
32
Pada waktu bulan perbani, gaya tarik bulan bekerja pada titik P1 dan P2 sedangkan gaya
tarik matahari bekerja pada titik P3 dan P4. Besar gaya yang menyebabkan pasang
perbani adalah resultan dari dua gaya yang berarah tegak sesamanya.
Gambar 3.6 Posisi Matahari dan bulan terhadap bumi membentuk sudut 90o
Menurut medar gobel dalam bukunya Energi Earth and everyone, memperkirakan jumlah
potensi dari energi pasang surut di seluruh dunia adalah 26 x 1012 kWH. Namun sebagian
kecil saja bumi dimanfaatkan oleh manusia.
Puncak pasang surut air laut diikuti 12 jam kemudian dengan rendahnya surut air
laut. Kemudian pasang kembali, sehingga dalam waktu 24 jam terjadi dua kali pasang
dan dua kali surut. Beda antara permukaan laut ketika pasang dan surut itu disebut
amplitude. Pasang laut itu dipengaruhi oleh kedalaman air laut dan keadaan lokasi pantai
setempat.
Untuk memanfaatkan air pasang dipakai bendungan, sehingga terbentuk wadah dan
ketika surut, air waduk dilepaskan melalui turbin generator untuk pembangkit tenaga
listrik.atau diwaktu pasang, turbo generator yang dapat bekerja dua arah aliran air alut itu,
dikerjakan oleh air pasang laut yang masuk melalui pipa turbin ke dalam waduk
penyimpanan air laut.
lkpp
unhas
-
33
Tabel 3.3 memperlihatkan angka-angka dan lokasi sumber daya terpasang yang
diketahui di dunia. Terlihat bahwa potensi yang cukup besar terdapat di Amerika Utara,
utamanya diteluk funny.
Tabel 3.3 Potensi energi pasang surut di dunia.
LOKASIH RATA-
RATA (M)POTENSI ENERGI
(109 kWh/th )
Potensi Daya (MW)
AMERIKA UTARABay of FundyCook inlet, Alaska
AMERIKA SELATAN San Yose, Argentina
EROPA Seven, InggrisBebagai Lokasi, PrancisBerbagai Lokasi, USSR
JUMLAH DUNIA
5,5 10,77,5
5,9
9,85,0 8,42,4 6,6
2,4 10,7
275,318,5
51,5
14,797,85
140,42
598,27
290001800
5.870
1.68011.15016.050
65.550
SUMBER :
1. World Energi Resources, 1985-2020, WEC2. S.S Panner : Demands, Resources, Impact, Technology, and Policy Volume I. Addision-Wesley
Publishing Coy.
Konversi Energi Pasang Surut
Pada dasarnya antara tenaga pasang surut dengan tenaga air konvensional, yaitu kedua
duanya adalah tenaga air yang memanfaatkan gravitasi tinggi jatuh air untuk
pembangkitan tenaga listrik
a. Pasang surut menyangkut arus air periodik dwi arah dengan dua kali pasang dan dua
kali surut setiap hari
b. Operasi di lingkungan air laut memerlukan bahan bahan konstruksi yang lebih tahan
korosi daripada material untuk air tawar
c. Tinggi jatuh relatif sangat kecil (maksimal 11 meter) bila dibanding dengan instalasi
hydro lainnya.
Bila selisih antara tinggi air laut dan tinggi waduk pasang surut adalah H, dan debit
air adalah Q, maka besar daya yang dihasilkan adalah Q x H.
lkpp
unhas
-
34
Selanjutnya bila luas waduk pada ketinggian D adalah S (h), yaitu S sebagai fungsi h,
maka jumlah energi yang dibangkitkan dengan mengosongkan sebahagian h dari
ketinggian dh adalah berbanding lurus dengan isi S (h). h. dh.
Sehingga diperoleh :
Waktu pengosongan waduk :
Waktu mengisi waduk :
Diasumsikan bahwa pengisian dan pengosongan waduk dilakukan pada pergantian
pasang dan surut, untuk mendapatkan penyederhanaan rumus.
Diperoleh energi yang dibangkitkan per-siklus adalah:
Dimana :
E = energi yang dibangkitkan per-siklus.
H = selisih tinggi permukaan air laut antara pasang surut.
V = volume waduk pasang surut.
Bila besaran V diganti dengan besaran massa air laut, maka rumus diatas dapat ditulis
menjadi :
Emaks = b . g . H2 . S (3.6)
P = f . Q H (3.7)
Dimana :
Emaks = Jumlah energi maksimum dapat diproses per siklus
b = Berat jenis air laut
g = Grafitasi
H = Tinggi pasang surut terbesar
S = Luas waduk rata-rata antara pasang dan surut
Q = Debit air
f = Faktor efisiensi , P = Daya
lkpp
unhas
-
35
Besaran H adalah kwadrat, sehingga tinggi pasang surut sangat penting. Untuk tinggi H
kurang dari 2 meter pada umumnya pembangkit energi pasang surut tidak memenuhi
syarat.
Prinsip Konversi Pasang Surut
Prinsip sederhana dari pemanfaatan ketiga bentuk energi itu adalah: memakai energi
kinetik untuk memutar turbin yang selanjutnya menggerakkan generator untuk
menghasilkan listrik.
(a)
(b)
(c)
Gambar 3.7 Prinsip proses konversi energy pasang surut
lkpp
unhas
-
36
Pasang surut menggerakkan air dalam jumlah besar setiap harinya; dan pemanfaatannya
dapat menghasilkan energi dalam jumlah yang cukup besar. Dalam sehari bisa terjadi
hingga dua kali siklus pasang surut. Oleh karena waktu siklus bisa diperkirakan (kurang
lebih setiap 12,5 jam sekali), suplai listriknya pun relatif lebih dapat diandalkan daripada
pembangkit listrik bertenaga pasang surut.
Kelebihan PLTPs
a. Setelah dibangun, energi pasang surut dapat diperoleh secara gratis.
b. Tidak menghasilkan gas rumah kaca ataupun limbah lainnya.
c. Tidak membutuhkan bahan bakar.
d. Biaya operasi rendah.
e. Produksi listrik stabil.
f. Pasang surut air laut dapat diprediksi.
g. Turbin lepas pantai memiliki biaya instalasi rendah dan tidak menimbulkan dampak
lingkungan yang besar.
Kekurangan PLTPs
a. Sebuah dam yang menutupi muara sungai memiliki biaya pembangunan yang sangat
mahal, dan meliputi area yang sangat luas sehingga merubah ekosistem lingkungan baik
ke arah hulu maupun hilir hingga berkilo-kilometer.
b. Hanya dapat mensuplai energi kurang lebih 10 jam setiap harinya, ketika ombak bergerak
masuk ataupun keluar
Energi Ombak
Gelombang yang memecah di pantai dan tebing-tebing merupakan energi yang cukup
besar. Salah satu kemungkinan pemanfaatan ini dapat dilihat pada gambar 3.8.
lkpp
unhas
-
37
Gambar 3.8 Pusat Listrik Tenaga Pecah Gelombang (PLTPG)
dibuat ruangan penampungan air yang berada di bawah gelombang yang memecah di
tebing pantai sepanjang 1 km, dan ketika air gelombang tiba kemudian surut, katub
dibuka, sehingga tertangkap sejumlah volume air laut di ruangan atas. Kemudian
disalurkan melalui pipa untuk menggerakkan turbin air dan generator. Air itu disalurkan
ke ruangan sebelah bawah, maka generator akan membangkitkan energi listrik. Metode
ini seperti pemanfaatan energi pasang surut, tapi dalam hal ini tidak tergantung pada
pasang air, tapi pada tinggi gelombang datang memecah di tebing pantai.
Pada gambar 3.9 memperlihatkan gagasan desain sebuah rakit yang digunakan untuk
pemanfaatan gelombang laut.
Gambar 3.9 Skema Rakit Ombak Laut
Menurut Hulls, daya yang terkandung dalam ombak mempunyai bentuk:
lkpp
unhas
-
38
Dimana
P = Daya
b = Berat jenis air laut
g = Grafitasi
T = Periode
H = Tinggi ombak rata-rata
Selanjutnya Hulls menjelaskan bahwa ombak yang mempunyai tinggi rata rata 1 meter
(H), dan periode 9 detik (T, jarak waktu antara dua ombak), mempunyai daya sebesar 4,3
kW per meter panjang ombak. Sedang deretan ombak serupa dengan tinggi 2 meter
mempunyai daya 17 kW per meter panjang ombak. Sedangkan ombak dengan ketinggian
10 meter dan periode 12 detik mempunyai daya 600 kW per meter.
3.4.2.2 Energi Pasang Laut
Lautan atau samudera merupakan kolektor sinar radiasi matahari secara alamiah dan yang
terbesar di dunia. Di daerah tropis terdapat perbedaan suhu antara lapisan permukaan laut
odengan kedalaman laut sekitar 20 sampai 25 C. perbedaan suhu ini siang dan malam terus
ada, sehingga merupaka sumber energi yang selalu tersedia dan dapat dimanfaatkan oleh
manusia.
Energi thermal ini dapat dikonversi menjadi energi lsitrik dengan suatu teknologi yang
disebut Ocean Thermal Energi Conversion (OTEC) atau Konversi Energi Panas
Laut (KEPL).
3.4.2.3 Teknologi Panas Laut
Perbedaan suhu dimanfaatkan untuk menjalankan mesin penggerak dengan menggunakan
peruap thermodinamika. Pada suhu yang lebih tinggi digunakan untuk mencairkan zat
kerja kembali. Zat kerja yang dapat digunakan adalah Gas Fron R 22 (CHCL F2),
ammonia (NH3), titik didih sangat rendah.
Air hangat yang mempunyai temperature 25 dan 35oC masuk ke evaporator yang
berisis misalnya zat kerja Fron R-22 yang akan mendidih akibat temperature tersebut.
lkpp
unhas
-
39
Gambar 3.10 Skema Konversi energy Panas Laut ( KEPL)
Uap gas ini dengan tekanan 12 kg/cm2, masuk keturbin dan menggerakkan generator.
Gas yang telah dipakai didinginkan dalam kondesator oleh air laut dingin yang memiliki
osuhu sekitar 5 7 C pada kedalaman sekitar 500 m, sehingga menjadi cair. Siklus ini
berputar terus derngan memompai zat kerja air kedalam evaporator. Gambar dibawah
memperlihatkan 2 type pusat listrik KEPL
Gambar 3.11 a) Pusat Listrik KEPL Darat, b) Pusat Listrik KEPL Darat
lkpp
unhas
-
40
BAB IV
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA THERMAL
4.1 PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA GAS (PLTG)
Pembangkit listrik tenaga gas (PLTG) merupakan sebuah pembangkit energi listrik yang
menggunakan peralatan/mesin turbin gas sebagai penggerak generatornya. Turbin gas
dirancang dan dibuat dengan prinsip kerja yang sederhana dimana energi panas yang
dihasilkan dari proses pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi mekanis dan
selanjutnya diubah menjadi energi listrik atau energi lainnya sesuai dengan
kebutuhannya.
Adapun kekurangan dari turbin gas adalah sifat korosif pada material yang
digunakan untuk komponen-komponen turbinnya karena harus bekerja pada temperature
tinggi dan adanya unsur kimia bahan bakar minyak yang korosif (sulfur, vanadium dll),
tetapi dalam perkembangannya pengetahuan material yang terus berkembang hal tersebut
mulai dapat dikurangi meskipun tidak dapat secara keseluruhan dihilangkan. Dengan
tingkat efisiensi yang rendah hal ini merupakan salah satu dari kekurangan sebuah turbin
gas juga dan pada perkembangannya untuk menaikkan efisiensi dapat diatur/diperbaiki
temperature kerja siklus dengan menggunakan material turbin yang mampu bekerja pada
temperature tinggi dan dapat juga untuk menaikkan efisiensinya dengan menggabungkan
antara pembangkit turbin gas dengan pembangkit turbin uap dan hal ini biasa disebut
dengan combined cycle.
4.1.1 Prinsip Kerja
Pembangkit listrik tenaga gas (PLTG) mempunyai beberapa peralatan utama seperti :
Turbin Gas(Gas Turbine), Kompresor (Compressor), Ruang Bakar (Combustor).
Udara dengan tekanan atmosfir ditarik masuk ke dalam compressor melalui pintu,
udara ditekan masuk ke dalam compressor. Udara ditekan masuk ke dalam ruang bakar
dengan tekanan 250 Psi dicampur dengan bahan bakar dan di bakar dalam ruang bakar
lkpp
unhas
-
41
dengan temperatur 2000 30000F. Gas hasil pembakaran yang merupakan energi termal
dengan temperature dan tekanan yang tinggi yang suhunya kira-kira 9000C .
Gambar 4.1 Pembangkit Listrik Tenaga Gas
Dari energi panas yang dihasilkan inilah kemudian akan dimanfaatkan untuk memutar
turbin dimana didalam sudu-sudu gerak dan sudu-sudu diam turbin, gas panas tersebut
temperature dan tekanan mengalami penurunan dan proses ini biasa disebut dengan
proses ekspansi. Selanjutnya energi mekanis yang dihasilkan oleh turbin digunakan untuk
memutar generator hingga menghasilkan energi listrik.
Adapun sebagai pendukung pusat listrik tenaga gas ini digunakan beberapa alat
bantu (auxiliary equipments) untuk membantu proses siklus turbin gas berjalan dengan
baik, seperti :
Sistem Pelumas Sistem Bahan Bakar Sistem Pendingin Sistem Udara Kontrol Sistem Hidrolik Sistem Udara Tekan Sistem Udara Pengkabutan
lkpp
unhas
-
42
4.1.2 Masalah Operasi PLTG
Dari segi operasi, unit PLTG tergolong unit yang masa start-nya pendek, yaitu antara
15-30 menit, dan kebanyakan dapat di-start tanpa pasokan daya dari luar (black start),
yaitu menggunakan mesin diesel sebagai motor start. Dari segi pemeliharaan, unit PLTG
mempunyai selang waktu pemeliharaan (time between overhaul) yang pendek, yaitu
sekitar 4.000-5.000 jam operasi. Makin sering unit mengalami start-stop, makin pendek
selang waktu pemeliharaannya. Walaupun jam operasi unit belum mencapai 4.000 jam,
tetapi jika jumlah startnya telah mencapai 300 kali, maka unit PLTG tersebut harus
mengalami pemeriksaan (inspeksi) dan pemeliharaan.
Saat dilakukan pemeriksaan, hal-hal yang perlu mendapat perhatian khusus adalah
bagian-bagian yang terkena aliran gas hasil pembakaran yang suhunya mencapai
1.3000C, seperti: ruang bakar, saluran gas panas (hot gas path),dan sudu-sudu turbin.
Bagian-bagian ini umumnya mengalami kerusakan (retak) sehingga perlu diperbaiki
(dilas) atau diganti.
Proses start-stop akan mempercepat proses kerusakan (keretakan) ini, karena proses
start-stop menyebabkan proses pemuaian dan pengerutan yang tidak kecil. Hal ini
disebabkan sewaktu unit dingin, suhunya sama dengan suhu ruangan (sekitar 300C
sedangkan sewaktu operasi, akibat terkena gas hasil pernbakaran dengan suhu sekitar
1.3000 C.
Dari segi efisiensi pemakaian bahan bakar, unit PLTG tergolong unit termal yang
efisiensinya paling rendah, yaitu berkisar antara 15-25%. Dalam perkembangan
penggunaan unit PLTG di PLN, akhir-akhir ini digunakan unit turbin gas aero derivative,
yaitu turbin gas pesawat terbang yang dimodifikasi menjadi turbin gas penggerak
generator.
lkpp
unhas
-
43
4.2 PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP (PLTU)
4.2.1 Prinsip Kerja
Pembangkit Listrik Tenaga Uap adalah pembangkit yang mengandalkan energi kinetik
dari uap untuk menghasilkan energi listrik. Bentuk utama pembangkit listrik jenis ini
adalah Generator yang di hubungkan ke turbin dimana untuk memutar turbin diperlukan
energi kinetik dari uap panas atau kering.
Gambar 4.2 Prinsip kerja PLTG
Dalam PLTU, energi primer yang dikonversikan menjadi energi listrik adalah bahan
bakar. Baban bakar yang digunakan dapat berupa batubara (padat), minyak (cair), atau
gas. Ada kalanya PLTU menggunakan kombinasi beberapa macam bahan bakar.
Konversi energi tingkat pertama yang berlangsung dalam PLTU adalah konversi energi
primer menjadi energi panas (kalor). Hal ini dilakukan dalam ruang bakar dari ketel uap
PLTU. Energi panas ini kemudian dipindahkan ke dalam air yang ada dalam pipa ketel
untuk menghasilkan uap yang dikumpulkan dalam drum dari ketel. Uap dari drum ketel
dialirkan ke turbin uap. Dalam turbin uap, energi uap dikonversikan menjadi energi
mekanis penggerak generator, dan akhirnya energy mekanik dari turbin uap ini
dikonversikan menjadi energi listrik oleh generator.
Komponen utama sebuah Pembangkit Listrik Tenaga Uap
Umumnya sebuah PLTU memiliki komponen utama antara lain :
1. Boiler/ketel uap berfungsi sebagai tempat pemanasan air menjadi uap air yang
bertekanan untuk selanjutnya memutar turbin uap.
lkpp
unhas
-
44
2. Turbin ialah mesin yang dijalankan oleh aliran air; uap atau angin yang dihubungkan
dengan sebuah generator untuk menghasilkan energi listrik. Turbin uap ialah turbin
yang menggunakan uap sebagai fluida kerja, di mana uap yang digunakan dihasilkan
dari boiler.
3. Generator uap ialah suatu kombinasi antara sistem sistem dan peralatan yang
dipakai untuk perubahan energi kimia dari bahan bakar fosil menjadi energi termal
dan pemindahan energi termal yang dihasilkan itu ke fluida kerja, biasanya air untuk
dipakai pada proses-proses bertemperatur tinggi ataupun untuk perubahan parsial
menjadi energi mekanis di dalam sebuah turbin
4. Kondensor adalah tempat yang berfungsi untuk mengembunkan uap dengan jalan
mendinginkannya. Air pengembunan yang terjadi dalam kondensor disebut air
kondensat yang kemudian disalurkan kembali ke dalam ketel uap dengan
menggunakan sebuah pompa
5. Pompa berfungsi untuk mengalirkan air dari kondensor menuju ke Boiler.
6. Cerobong berfungsi sebagai tempat pelepasan exhausted steam (Uap terbuang) ke
udara.
Selain komponen di atas masih banyak komponen tambahan yang berfungsi untuk
meningkatkan efesiensi kerja dari pembangkit tersebut, seperti superheater, reheater dan
lain lain.
4.2.2 Masalah Operasi PLTU
Untuk men-start PLTU dari keadaan dingin sampai operasi dengan beban penuh,
dibutuhkan waktu antara 6-8 jam. Jika PLTU yang telah beroperasi dihentikan, tetapi
uapnya dijaga agar tetap panas dalam drum ketel dengan cara tetap menyalakan api
secukupnya untuk menjaga suhu dan tekanan uap ada di sekitar nilai operasi (yaitu
0sekitar 500 C dan sekitar 100 kg/cm 2) maka untuk mengoperasikannya kembali sampai
beban penuh diperlukan waktu kira-kira 1 jam. Waktu yang lama untuk mengoperasikan
PLTU tersebut di atas terutama diperlukan untuk menghasilkan uap dalam jumlah yang
cukup untuk operasi (biasanya dinyatakan dalam ton per jam). Selain waktu yang
diperlukan untuk menghasilkan uap, yang cukup untuk operasi, juga perlu diperhatikan
masalah pemuaian bagian-bagian turbin. Sebelum di-start, suhu turbin adalah sama
dengan suhu ruangan.
lkpp
unhas
-
45
0Pada waktu start, dialirkan uap dengan suhu sekitar 500 C. Hal ini harus dilakukan
secara bertahap agar jangan sampai terjadi pemuaian yang berlebihan dan tidak merata.
Pemuaian yang berlebihan dapat menimbulkan tegangan mekanis (mechanical stress)
yang berlebihan, sedangkan pemuaian yang tidak merata dapat menyebabkan bagian
yang bergerak (berputar) bergesekan dengan bagian yang diam, misalnya antara. ,sudu-
sudu jalan turbin dengan sudu-sudu tetap yang menempel pada rumah turbin.
Apabila turbin sedang berbeban penuh kemudian terjadi gangguan yang
menyebabkan pemutus tenaga, (PMT) generator yang digerakkan turbin trip, maka turbin
kehilangan beban secara mendadak. Hal ini menyebabkan putaran turbin akan naik secara
mendadak dan apabila hal ini tidak dihentikan, maka akan merusak bagian-bagian yang
berputar pada turbin maupun pada generator, seperti: bantalan, sudu jalan turbin, dan
kumparan arus searah yang ada pada rotor generator. Untuk mencegah hal ini, aliran uap
ke turbin harus dihentikan, yaitu dengan cara menutup katup uap turbin. Pemberhentian
aliran uap ke turbin dengan menutup katup uap turbin secara mendadak menyebabkan
uap mengumpul dalam drum ketel sehingga tekanan uap dalam drum ketel naik dengan
cepat dan akhirnya menyebabkan katup pengaman pada drum membuka dan uap dibuang
ke udara. Bisa juga sebagian dari uap di by pass ke kondensor. Dengan cara by passini
tidak terlalu banyak uap yang hilang sehingga sewaktu turbin akan dioperasikan kembali
banyak waktu dapat dihemat untuk start. Tetapi sistem by pass memerlukan biaya
investasi tambahan karena kondensor harus tahan suhu tinggi dan tekanan tinggi dari by
pass.
Dari uraian di atas tampak bahwa perubahan beban secara mendadak memerlukan
pula langkah pengurangan produksi uap secara mendadak agar tidak terlalu banyak uap
yang harus dibuang ke udara. Langkah pengurangan fluksi dilakukan dengan mematikan
nyala api dalam ruang bakar ketel dan mengurangi pengisian air ketel ini bahwa
walaupun nyala api dalam ruang bakar padam, masih cukup banyak panas yang tinggal
dalam ruang bakar untuk menghasilkan uap sehingga pompa pengisi ketel harus tetap
mengisi air ke dalam ketel untuk mencegah penurunan level air dalam drum yang tidak
dikehendaki. Mengingat masalah-masalah tersebut di atas yang menyangkut masalah
proses produksi uap dan masalah-masalah pemuaian yang terjadi dalam turbin, sebaiknya
PLTU tidak dioperasikan dengan persentase perubahan-perubahan beban yang besar.
lkpp
unhas
-
46
Efisiensi PLTU banyak dipengaruhi ukuran PLTU, karena ukuran PLTU
menentukan ekonomis tidaknya penggunaan pemanas ulang dan pemanas