BAB I PENDAHULUAN

1.1Latar Belakang Pada masa sekarang ini kebutuhan akan sumber tenaga listrik sangat besar seiring bertambahnya jumlah penduduk makin besar pula listrik yang dibutuhkan dan perkembangan di berbagai aspek seperti industri, ekonomi, dan pertanian. Oleh karena itu dibutuhkan sumber tenaga listik yang mampu mencukupi semua aspek tersebut. Kebutuhan energi merupakan hal yang sangat penting dalam seluruh kehidupan manusia untuk meningkatkan kesejahteraan hidup. Salah satu kebutuhan yang tidak dapat dipisahkan lagi dalam kehidupan manusia pada masa sekarang ini adalah kebutuhan energi listrik. Pemanfaatan energi listrik ini secara luas telah digunakan untuk kebutuhan rumah tangga, komersial, instansi pemerintah, industri dan sebagainya. Secara tradisional potensi air digunakan sebagai sumber air baku bagi air minum, kegiatan rumah tangga sehari-hari seperti mandi, memasak dan mencuci. Selain itu air sungai juga digunakan untuk irigasi lahan pertanian. Di daerah-daerah yang aliran air sungainya menuruni suatu ketinggian, air dapat dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik. Prinsip kerja pembangkit listrik tenaga air adalah mengubah energi potensial air pada ketinggian tertentu menjadi energi putar mekanis dengan menggunakan turbin air. Energi mekanis tersebut kemudian diubah menjadi listrik menggunakan generator.

1.2 Tujuan Adapun tujuan dari pembuatan makalah ini adalah sebagai berikut:a. Menambah informasi dan pengetahuan mengenai konversi energi dari airb. Mengetahui jenis-jenis pembangkit listrik tenaga air (PLTA)c. Mengetahui prinsip kerja PLTAd. Mengetahui komponen-komponen yang ada pada PLTA e. Mengetahui sistem pembangkit listrik PLTA

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) adalah suatu pembangkitan energi listrik dengan mengubah energi potensial air menjadi energi mekanik oleh turbin dan diubah lagi menjadi energi listrik oleh generator dengan memanfaatkan ketinggian dan kecepatan aliran air. Energi listrik yang dibangkitkan dari tenaga air ini biasa disebut sebagai hidroelektrik. Bentuk utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah generator yang dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh air. Fungsi turbin adalah untuk memutar rotor dari generator listrik, sehingga dari putaran rotor itu dihasilkan energi listrik.2.1.1 Kelebihan dan Kekurangan PLTAAsteriyadi dan Adikesuma (2007) menguraikan kelebihan dari PLTA adalah sebagai berikut:1. Mengunakan sumber daya yang terbarukan (renewable energy)2. Relatif tidak menimbulkan kerusakan lingkungan3. Tidak memerlukan bahan bakar4. Operasi dan perawatannya relatif lebih mudah5. Pengembangan suatu PLTA dengan memanfaatkan aliran sungai akan memberikan manfaat atau keuntungan dari segi lainnya, seperti pariwisata, perikanan, persediaan air bersih/minum, irigasi, dan pengendalian banjir.6. Turbin PLTA dapat dioperasikan atau dihentikan pengoperasiannya setiap saat. Hal yang tidak dapat dilakukan pada pembangkit lain karena akan mengakibatkan pemborosan dalam pemakaian bahan bakar.7. Dengan kemampuannya untuk melepaskan dan memikul beban, PLTA dapat difungsikan sebagai cadangan yang dapat diandalkan pada sistem kelistrikan terpadu antara PLTA, PLTU, PLTN, dan lain-lain.8. Air yang digunakan tidak hilang, melainkan langsung dikembalikan ke sungai asalnya, sehingga tidak mengganggu daerah hilir sungai.

Sedangkan kekurangan dari PLTA adalah:1. Pembangunannya memerlukan dana yang cukup besar dan pengembalian modal relatif lambat.2. Persiapannya memerlukan waktu yang relatif lama.3. PLTA sangat bergantung pada ketersediaan air sungai, sehingga harus tetap menjaga daerah tangkapan air.4. PLTA yang menggunakan waduk akan menenggelamkan lahan di sekitar pembangunan waduk tersebut.

2.2Klasifikasi PLTAPembagian PLTA dapat dikelompokkan menjadi berbagai jenis PLTA yaitu sebagai berikut:A. Pembagian Menurut Daya yang DihasilkanMenurut Mosonyi (1963) yang dikutip dari Asteriyadi dan Adikesuma (2007), pembagian PLTA berdasarkan kapasitas pembangkit dibagi menjadi 4, yaitu PLTA berukuran mikro dengan daya < 100 kW, PLTA dengan daya kapasitas listrik rendah antara 1001.000 kW, PLTA dengan daya kapasitas listrik menengah antara 1.00010.000 kW, dan PLTA dengan daya kapasitas listrik tinggi di atas 10.000 kW. Menurut Harvey (1993), PLTA dibagi menjadi tiga, yaitu mikro hidro antara 0300 kW, mini hidro antara 300-10.000 kW, dan PLTA dengan daya listrik diatas 10.000 kW.B. Pembagian Menurut Cara Pengambilan AirJenis PLTA menurut cara pengambilan air yaitu:1. PLTA menggunakan run off riverPLTA ini bersifat mengambil air dari sungai dalam debit tertentu dengan menggunakan bendung (weir) dengan cara membelokkan air ke dalam intake. Atau bisa dikatakan hanya meminjam air sungai dalam beberapa waktu untuk dialirkan menuju turbin air (Gambar 2.1).

Gambar 2.1 PLTA Parlilitan yang menggunakan sistem run off river dengankapasitas daya 10 MW

2. PLTA menggunakan tampunganPLTA seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2.2 yang merupakan bendungan PLTA Three Gorges di Cina menggunakan bendungan pada suatu sungai hingga ketinggian tertentu yang kemudian mengalirkan air dari bawah bendungan yang kemudian diteruskan ke power house untuk menghasilkan listrik. PLTA jenis ini memiliki kelemahan dalam bidang sosial lingkungan, yaitu adanya relokasi penduduk dalam skala besar dan menghilangkan ekosistem yang ada pada daerah PLTA. PLTA Three Gorges memiliki tinggi bendung 185 meter, lebar 2,09 km dan membentuk tampungan sepanjang 595 km yang dapat menampung lebih dari 5 triliun galon air. PLTA Three Gorges dikerjakan selama 15 tahun dan menghasilkan daya 20,3 GW.

Gambar 2.2 PLTA Three Gorges di Cina yang menggunakan tampungan dengankapasitas daya 20,3 GW 3. PLTA semi run off riverPLTA tipe ini hampir sama dengan sistem run off river tapi bedanya menggunakan kolam tando harian (KTH) yang bertujuan untuk menyimpan air pada saat tertentu. Kolam tando harian ini yang tidak dimiliki oleh PLTA dengan sistem run off river. Sehingga kolam tando harian tersebut bisa digunakan untuk menampung debit dua sungai sekaligus. Jadi misal pada waktu malam hari dibutuhkan daya yang besar maka air yang tersedia bisa untuk memutar turbin yang ada. Akan tetapi pada waktu siang hari dimana ratarata kebutuhan listrik lebih sedikit dibanding pada malam hari, maka KTH ini digunakan untuk menampung debit air dalam jumlah cukup besar. Contohnya PLTA Kracak yang berada di provinsi Jawa Barat (Gambar 2.3). PLTA Kracak yang berkapasitas daya 18,9 MW (3 x 6,3 MW) dibangun oleh Pemerintah Belanda pada tahun 1921 dan mulai beroperasi pada tahun 1926 dengan memanfaatkan dua aliran sungai yaitu Sungai Cianten dan Sungai Cikuluwung. Kedua aliran sungai tersebut ditampung di suatu KTH yang kemudian dialirkan menuju rumah turbin melalui pipa pesat.

Gambar 2.3 PLTA Kracak yang menggunakan sistem semi run off riverdengan kapasitas daya 18,9 MW

4. PLTA danauPLTA jenis ini menggunakan danau sebagai kolam tampungan dan sediment trap. Sehingga dari hulu sungai bisa langsung digunakan sebagai penstock menuju power house. Contoh kasus seperti PLTA Tangga yang menggunakan Danau Toba sebagai tampungan air (Gambar 2.4).

Gambar 2.4 PLTA Tangga yang menggunakan Danau Toba sebagai kolamtampungan

C. Pembagian Menurut Tinggi Jatuhnya AirMenurut Dandekar dan Sharma (1991), PLTA dibagi menurut perbedaan tinggi jatuhnya dibagi atas PLTA dengan tekanan rendah < 15 meter, PLTA dengan tekanan menengah 1570 meter, PLTA dengan tekanan tinggi 70-250 meter, dan PLTA dengan tekanan sangat tinggi > 250 meter.D. Pembagian Menurut TopografiPembagian ini adalah menurut letak PLTA yang bersangkutan yaitu di daerah lembah, daerah berbukit, dan daerah bergununggunung.E. Pembagian Menurut Bangunan HidraulikMenurut Patty (1995), pengelompokan PLTA berdasarkan keadaan hidraulik yang ditinjau dari aliran air yang digunakan untuk menggerakkan turbin. Berdasarkan hal tersebut pengelompokan dapat dibagi atas PLTA yang menggunakan air sungai atau air waduk, PLTA yang menggunakan pasang surut air laut, PLTA yang menggunakan energi ombak, dan PLTA yang menggunakan air yang telah dipompa ke suatu reservoar yang letaknya lebih tinggi.F. Pembagian Menurut Distribusi JaringanMenurut Patty (1995), PLTA dapat dibagi menjadi PLTA yang bekerja sendiri sehingga tidak dihubungkan dengan sentralsentral listrik yang lain, dan PLTA yang bekerja sama dengan sentral-sentral listrik yang lain dalam pemberian listrik kepada para pemakai.

2.3Prinsip Kerja PLTA dan Konversi Energi Pada prinsipnya PLTA mengolah energi potensial air diubah menjadi energi kinetis dengan adanya head (ketinggian), lalu energi kinetis ini berubah menjadi energi mekanis dengan adanya aliran air yang menggerakkan turbin, lalu energi mekanis ini berubah menjadi energi listrik melalui perputaran rotor pada generator. Jumlah energi listrik yang bisa dibangkitkan dengan sumber daya air tergantung pada dua hal, yaitu jarak tinggi air (head) dan berapa besar jumlah air yang mengalir (debit). Energi listrik yang dibangkitkan dari tenaga air ini biasa disebut sebagai hidroelektrik.

Gambar 2.5 Proses konversi Energi pada Pusat Listrik Tenaga Air

Untuk bisa menghasilkan energi listrik dari air, harus melalui beberapa tahapan perubahan energi, yaitu:1.Energi PotensialEnergi potensial yaitu energi yang terjadi akibat adanya beda potensial, yaitu akibat adanya perbedaan ketinggian.Besarnya energi potensial yaitu:Ep = m . g . h

Dimana:Ep : Energi Potensialm :massa (kg)g : percepatan gravitasi (9.8 m/s2)h : head/Tinggi jatuh (m)

Atau bisa ditulis dengandE = dm . g . hDimana dE merupakan energi yang dibangkitkan oleh elemen masa dm yang melalui jarak h.

Jika Q didefinisikan sebagai debit air menurut rumus maka: Q = dm/dt, dengan dm : elemen masa air dt : elemen waktu

Dari turunan rumus diatas, daya yang dibangkitkan olehh suatu pembangkit adalah :P = g . Q . hJika dihubungkan dengan efisiensi, makaP = . g . Q . hDimana :P: Kapasitas daya pembangkit listrik (kW) : Efisiensi peralatan elektromekanik (E/M)g: Percepatan gravitasi (9.8 m/s2)Q: Debit air (m3/s)h: Tinggi jatuh (m)

E/M di sini adalah efisiensi gabungan dari efisiensi turbin dan generator. Adapun rumus efisiensi yang biasa digunakan untuk besar produksi listrik yang dihasilkan adalah (Perum Jasa Tirta II, 2001):Efisiensi (%) = x 100%2.4Komponen-komponen PLTAKomponenkompnen dasar PLTA berupa dam, turbin, generator ,transmisi dan reservoir air.

1.Dam (bendungan) Berfungsi untuk menampung air dalam jumlah besar karena turbin memerlukan pasokan air yang cukup dan stabil. Selain itu dam juga berfungsi untuk pengendalian banjir. Pada PLTA terdapat 2 jenis penampungan, yaitu : Waduk Utama (upper reservoir) seperti dam pada PLTA konvensional. Air dialirkan langsung ke turbin untuk menghasilkan listrik. Waduk cadangan (lower reservoir). Air yang keluar dari turbin ditampung di lower reservoir sebelum dibuang disungai.2.Pipa Pesat Berfungsi untuk menghubungkan dam dengan turbin. Memiliki diameter tertentu yang menyesuaikan debit air yang dialirkan.3.Turbin Berfungsi untuk mengubah energi potensial menjadi energi mekanik. Air akan memukul sudu sudu dari turbin sehingga turbin berputar. Perputaran turbin ini di hubungkan ke generator. Komponen-komponen turbin yang penting adalah sebagai berikut : 1. Sudu pengarah Biasanya dapat diatur untuk mengontrol kapasitas aliran yang masuk turbin. 2. Roda jalan atau runner turbin Pada bagian ini terjadi peralihan energi potensial fluida menjadi energi mekanik. 3. Poros turbin Pada poros turbin terdapat runner dan ditumpu dengan bantalan radial dan bantalan axial. 4. Rumah turbin Biasanya berbentuk keong atau spiral, berfungsi untuk mengarahkan aliran masuk sudu pengarah.

5. Pipa hisap Mengalirkan air yang ke luar turbin ke saluran luar.

Jenis-jenis turbin air Turbin air dapat dikelompokan menjadi 2 tipe yaitu : a) Turbin Reaksi Turbin reaksi adalah turbin yang memanfaatkan energi potensial untuk menghasikan energi gerak. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin reaksi. Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin. Contoh turbin reaksi yaitu turbin francis, kaplan, tyson dan kincir air. Turbin Francis Turbin Francis paling banyak digunakan di Indonesia. Turbin ini digunakan pada PLTA dengan tinggi terjun sedang, yaitu antara 20-400 meter. Teknik mengkonversikan energi potensial air menjadi energi mekanik pada roda air turbin dilakukan melalui proses reaksi sehingga turbin Francis juga disebut sebagai turbin reaksi. Bagian-bagian utama turbin Francis :1. Rumah spiral (scroll-case) yang menerima air dari pipa pesat dan mengarahkan aliran air ke turbin. Fungsi rumah spiral adalah membagi rata air yang diterima dari pipa pesat sekeliling turbin.2. Runner 3. Pipa pelepas air (draftube) yang meneruskan air dari turbin ke saluran pembuangan.

Gambar 2.6 Turbin Francis

Turbin Kaplan/Propeller Disebut turbin Propeller apabila mangkok-mangkok turbinnya tetap, sedangkan turbin Kaplan memiliki mangkok-mangkok turbin yang dapat diatur. Turbin Kaplan/Propeller baik digunakan pada PLTA dengan tinggi terjun yang rendah, yaitu dibawah 20 meter. Teknik mengkonversikan energi potensial air menjadi energi mekanik pada roda air turbin dilakukan melalui pemanfaatan kecepatan air. Bagian-bagian utama sama dengan turbin Francis yaitu :1. Rumah spiral (scroll-case)2. Runner 3. Pipa pelepas air (draftube)

Gambar 2.7 Turbin Kaplan/Propeller

b) Turbin Impuls Turbin Impuls adalah Turbin yang memanfaatkan energi potensial air diubah menjadi energi kinetik dengan nozel. Air keluar nozel yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls memiliki tenakan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Energi potensial yang masuk ke nosel akan dirubah menjadi energi kecepatan (kinetik). Contoh turbin impuls yaitu turbin pelton, turgo, michell-banki (juga dikenal sebagai turbin crossflow atau ossberger). Turbin Pelton Turbin Pelton adalah turbin untuk tinggi terjun yang tinggi, yaitu diatas 300 meter. Teknik mengkonversikan energi potensial air menjadi energi mekanik pada roda air turbin dilakukan melalui proses impuls sehingga turbin Pelton juga disebut sebagai turbin impuls. Bagian-bagian utama turbin Pelton :1. Pipa nozzle dan lain lain yang diperlukan untuk mengarahkan aliran jet air.2. Runner yang menggunakan energi kinetis aliran jet (semburan) air.3. Kotak Penutup untuk mengamankan runner dan nozzle.4. Alat pengatur kecepatan (governor) agar kecepatan tetap sama pada beberapa bahan.

Gambar 2.8 Turbin PeltonKeunggulan turbin Pelton dibanding turbin lainnya : Pengaturan kecepatan yang lebih baik. Konstruksi yang sederhana.

4.Generator Generator kemudian dihubungkan dengan turbin melalui gigi-gigi putar sehingga ketika baling-baling turbin berputar maka generator juga ikut berputar. Generator selanjutnya mengubah energi mekanik dari turbin menjadi energy elektrik. Generator di PLTA bekerja seperti halnya generator pembangkit listrik lainnya.

Gambar 2.9 Generator di PLTA Ir. H. Djuanda

Prinsip Kerja GeneratorGenerator listrik adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari sumber energi mekanis. Generator terdiri dari dua bagian utama, yaitu rotor dan stator. Rotor terdiri dari besi yang dililit oleh kawat dan dipasang secara melingkar sehingga membentuk kutub utara dan selatan. Jika kutub ini dialiri arus eksitasi dari Automatic Voltage Regulator (AVR), maka akan timbul magnet. Rotor terletak satu poros dengan turbin, sehingga jika turbin berputar maka rotor juga ikut berputar. Magnet yang berputar memproduksi tegangan di kawat setiap kali sebuah kutub melewati "coil" yang terletak di stator. Lalu tegangan inilah yang kemudian menjadi listrik.

Gambar 2.10 Prinsi Kerja Generator

Macam-macam Generatora. Generator DCGenerator DC Terbagi 2 yaitu:1. Generator DC tanpa penguat medan 2. Generator DC dengan penguat medan b. Generator Sinkron/ Generator ACPerbedaan Generator DC dan Generator sinkron/ AC Prinsip untuk Generator DC adalah kumparan jangkar ada pada bagian rotor dan terletak diantara kutub-kutub magnet yang tetap di tempat, diputar oleh tenaga mekanik. Pada Generator Sinkron Sebaliknya, yaitu kumparan jangkar disebut juga kumparan stator karena berada pada tempat yang tetap, sedangkan kumparan rotor bersama-sama dengan kutub magnet diputar oleh tenaga mekanik. Generator sinkron yg banyak dijumpai dimasyarakat adalah Generator tiga Phase, dlm hal ini jumlah kumparan stator ada tiga kelompok atau tiga phase.

5. TransformatorTranformator atau biasa disebut Trafo digunakan untuk menaikan tegangan arus bolak balik (AC) agar listrik tidak banyak terbuang saat ditransmisikan. Trafo yang digunakan adalah trafo step up.Transformator Terdiri dari 3 jenis (Zuhal, 1991) : 1. Transformator daya 2. Transformator distribusi 3. Transformator pengukuran: yang terdiri dari Transformator arus dan Transformator tegangan. Transformator arus Transformator arus digunakan untuk mengukur arus beban suatu rangkaian. Dengan menggunakan tranformator arus makan arus beban yang besar dapat diukur hanya dengan menggunakan alat ukur (ammeter) yang tidak terlalu besar. Transformator teganganTransformator yang digunakan untuk mengukur tegangan. 6. Jalur TransmisiJalur Transmisi berfungsi menyalurkan energi listrik dari PLTA menuju rumah-rumah dan pusat industri.

Gambar 2.11 Saluran Transmisi PLTA Ir. H. Djuanda

2.5 Sistem Pembangkit Listrik Generator akan mengubah energi mekanis pada poros turbin menjadi energi listrik, melalui transformator penaik tegangan (step-up transformer) energi listrik ini kemudian dikirim melalui saluran transmisi bertegangan tinggi menuju pusat beban. Peningkatan tegangan dimaksudkan untuk mengurangi jumlah arus yang mengalir pada saluran transmisi. Dengan demikian saluran transmisi bertegangan tinggi akan membawa aliran arus yang rendah dan berarti mengurangi rugi panas (heat loss) I2 . R yang menyertainya. Elemen pokok sistem tenaga dapat dilihat pada diagram blok sistem pembangkit dibawah ini :

Gambar 2.12 Diagram Blok Sistem Tenaga Listrik

BAB IIIPENUTUP

3.1 Kesimpulan PLTA adalah suatu pembangkitan energi listrik dengan mengubah energi potensial air menjadi energi mekanik oleh turbin dan diubah lagi menjadi energi listrik oleh generator dengan memanfaatkan ketinggian dan kecepatan aliran air. Bentuk utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah generator yang dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh air. Komponen-Komponen PLTA terdiri atas dam, pipa pesat, turbin, generator, transformator dan jalur transmisi. 3.2 SaranDalam makalah ini penulis sudah mencoba dengan berbagai upaya agar makalah ini dapat ditulis secara lengkap dan rinci. Namun karena keterbatasan waktu penulis sehingga upaya tersebut belum sepenuhnya terlaksana. Kritik, saran dan masukan yang bersifat membangun masih sangat penulis harapkan. Semoga makalah ini dapat bermanfaat bagi yang membacanya.

DAFTAR PUSTAKA

Zuhal. 1991. Dasar Tenaga Listrik. penerbit ITB, Bandung.Rijono, Yon. 1997. Dasar Teknik Tenaga Listrik. Penerbit ANDI, Yogyakarta. Marsudi, Djiteng. 2005. Pembangkit Energi Listrik. Penerbit Erlangga, Jakarta.Dietzel, F. 1980. Turbin Pompa dan Kompresor. Penerbit Erlangga, Jakarta.

7