Prinsip Kerja PLTA

Sebelumnya kita harus tau apa itu PLTA , Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA)

bekerja dengan cara merubah energi potensial (dari dam atau air terjun) menjadi energi

mekanik (dengan bantuan turbin air) dan dari energi mekanik menjadi energi

listrik(dengan bantuan generator).

Kapasitas PLTA diseluruh dunia ada sekitar 675.000 MW ,setara dengan 3,6 milyar

barrel minyak atau sama dengan 24 % kebutuhan listrik dunia yang digunakan oleh

lebih 1 milyar orang.

Komponen – kompnen dasar PLTA berupa dam, turbin, generator dan transmisi.

PLTA merubah energi yang disebabkan gaya jatuh air untuk menghasilkan listrik.

Turbin mengkonversi tenaga gerak jatuh air ke dalam daya mekanik. Kemudian

generator mengkonversi daya mekanik tersebut dari turbin ke dalam tenaga elektrik.

Jenis PLTA bermacam-macam, mulai yang berbentuk “mikro-hidro” dengan

kemampuan mensupalai untuk beberapa rumah saja sampai berbentuk raksasa seperti

Bendungan Karangkates yang menyediakan listrik untuk berjuta-juta orang-orang.

Photo dibawah ini menunjukkan PLTA di Sungai Wisconsin, merupakan jenis PLTA

menengah yang mampu mensuplai listrik untuk 8.000 orang.

Komponen PLTA dan Cara Kerjanyakomponen utama sebagai berikut :Spoiler for Cara Kerja: 

1. Bendungan, berfungsi menaikkan permukaan air sungai untuk menciptakan tinggi jatuh air. Selain menyimpan air, bendungan juga dibangun dengan tujuan untuk menyimpan energi.Spoiler for Bendungan: 

2. Turbine, gaya jatuh air yang mendorong baling-baling menyebabkan turbin berputar. Turbin

air kebanyakan seperti kincir angin, dengan menggantikan fungsi dorong angin untuk memutar baling-baling digantikan air untuk memutar turbin. Selanjutnya turbin merubah energi kenetik yang disebabkan gaya jatuh air menjadi energi mekanik.3. Generator, dihubungkan dengan turbin melalui gigi-gigi putar sehingga ketika baling-baling turbin berputar maka generator juga ikut berputar. Generator selanjutnya merubah energi mekanik dari turbin menjadi energi elektrik. Generator di PLTA bekerja seperti halnya generator pembangkit listrik lainnya.Spoiler for Turbine & Generator: 

4. Jalur Transmisi, berfungsi menyalurkan energi listrik dari PLTA menuju rumah-rumah dan pusat industri.

Keberlanjutan PLTMH ditentukan dukungan potensi sumberdaya

alam yang ada, terutama ketersediaan air sungai sebagai sumber

energi primer bagi PLTMH. Ketersediaan air sungai sangat

tergantung pada konservasi catchment area (wilayah tangkapan

air) dari hulu sungai tersebut. Lingkungan hidup yang terjaga

dan terpelihara akan menjamin kelestarian sumberdaya air dan

menjamin pasokan energi primer bagi PLTMH.

Program pelistrikan perdesaan melalui pengembangan PLTMH

seyogyanya diiringi dengan kegiatan konservasi hutan.

Masyarakat yang menggunakan PLTMH diharapkan dapat

memahami manfaat keberadaan hutan sebagai catchment area.

Dengan demikian, masyarakat juga akan tergerak untuk menjaga

kelestarian hutan, dengan tidak melakukan penebangan liar dan

merusak keaneka ragaman hayati yang terdapat di sekitar

hutan.  Lebih jauh, masyarakat juga akhirnya dapat mengambil

peranan penting untuk menjaga agar hutan tetap terpelihara.

Pemanfaatan air untuk Pembangkit Listrik sudah merupakan hal

yang umum di Indonesia.  Dengan potensi sumber air yang besar

dan kontinu, PLTMH menjadi salah satu pembangkit alternatif di

Indonesia.  Kendala yang dihadapi dalam membangun PLTMH

adalah, lokasinya yang umumnya tidak berada di pusat beban

sehingga membutuhkan transmisi yang cukup panjang dan

aksesibilitas yang rendah pada saat proses pembangunan.

Untuk daerah daerah terpencil dengan potensi air yang baik dan

belum terjangkau jaringan listrik, pembangunan PLTMH

berkapasitas hingga 200 kW, sangat tepat dilakukan. 

Pembangkit tersebut akan dapat menyediakan listrik yang

kontinu untuk satu desa atau beberapa kampung pada jarak yang

berdekatan.

4.3.1    Prinsip Konversi Energi Air

Aliran air menghasilkan energi yang dapat dijadikan listrik.  Ini

disebut dengan hydropower (Pembangkit Listrik Tenaga Air). 

Hydropower saat ini merupakan sumber terbesar dari energi

terbarukan.  Salah satu hydropower adalah Pembangkit Listrik

Tenaga Mikrohidro (PLTMH) atau dapat disebut Mikrohidro. 

Sebuah skema hidro memerlukan dua hal yaitu debit air dan

ketinggian jatuh (biasa disebut ‘head’) untuk menghasilkan

tenaga yang bermanfaat. Ini adalah sebuah sistem konversi

tenaga, menyerap tenaga dari bentuk ketinggian dan aliran, dan

menyalurkan tenaga dalam bentuk daya listrik atau daya gagang

mekanik. Tidak ada sistem konversi daya yang dapat mengirim

sebanyak yang diserap dikurangi sebagian daya hilang oleh

sistem itu sendiri dalam bentuk gesekan, panas, suara dan

sebagainya. Persamaan konversinya adalah:

Daya yang masuk = Daya yang keluar + Kehilangan (Loss); atau

Daya yang keluar = Daya yang masuk × Efisiensi konversi

Umumnya PLTMH adalah pembangkit listrik tenaga air jenis

Runoff River di mana head diperoleh tidak dengan cara

membangun bendungan besar, tetapi dengan mengalihkan

sebagian aliran air sungai ke salah satu sisi sungai dan

menjatuhkannya lagi ke sungai yang sama pada suatu tempat

dimana head yang diperlukan sudah diperoleh.  Dengan melalui

pipa pesat, air diterjunkan untuk memutar turbin yang berada di

dalam rumah pembangkit (lihat Gambar 29).  Energi mekanik

dari putaran poros turbin akan diubah menjadi energi listrik oleh

sebuah generator.

Penghitungan potensi daya dilakukan dengan berdasarkan net-

head dan debit andalan.  Potensi daya air (hidrolik) dapat

dinyatakan sebagai:

Pg =  9,8 * Q * hg

Di mana:

Pg        = potensi daya (kW)

Q         = debit aliran air (m3/dtk)

hg         = head (tinggi terjun) kotor (m)

9,8 = konstanta gravitasi.

Potensi daya listrik terbangkit:

Pel = 9,8 * Eff * Q * hn

Di mana:

Pel       = daya listrik yang keluar dari generator (kW)

Q         = debit aliran air (m3/dtk)

hn         = head (tinggi terjun) bersih (m)

Eff        = Efisiensi konversi dari tenaga hidrolik ke tenaga listrik

Gambar 29.  Skema Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro

(PLTMH)

4.3.2    Teknologi Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro

(PLTMH)

Dari aspek teknologi, terdapat keuntungan dan kemudahan pada

pembangunan dan pengelolaan PLTMH dibandingkan jenis-jenis

pembangkit listrik, yaitu:

•           Konstruksinya relatif sederhana.

•           Mudah dalam perawatan dan penyediaan suku cadang.

•           Dapat dioperasikan dan dirawat oleh masyarakat desa.

•           Biaya operasi dan perawatan rendah.

Ada banyak tipe turbin yang digunakan untuk PLTMH dan dipilih

berdasarkan  penggunaannya di lapangan serta tinggi vertikal

air (umumnya diistilahkan “head”) yang dapat menjalankannya. 

Tipe turbin yang paling umum adalah sebagai berikut:

1. Turbin  Crossflow

Turbin crossflow (turbin aliran silang) terdiri atas empat bagian

utama: nosel, runner, guide vane dan rumah. Air dialirkan masuk

turbin melalui pipa pesat berpenampang bulat.  Pada ujung pipa

pesat yaitu sebelum masuk ke turbin,  dipasang adaptor, tempat

perubahan penampang lingkaran menjadi persegi,  menjelang

masuk rumah turbin. Dari adaptor airnya masuk ke nosel. Nosel

berpenampang persegi dan mengeluarkan pancaran air ke

selebar runner.  Bentuk pancaran adalah persegi, lebar dan tidak

terlalu tebal. Sebelum mencapai runner, aliran disesuaikan

kecepatan masuk dan sudut masuknya. Konstruksi runner terdiri

dari dua buah piringan sejajar yang disatukan pada lingkar

luarnya oleh sejumlah sudu. Sudu-sudu deperkuat oleh piringan

tambahan yang dilas setiap 10-15 cm sepanjang runner. 

Gambar 30.  Turbin Crossflow Beserta Transmisi Mekanik dan

Generator

Dibandingkan jenis lainnya, turbin crossflow memiliki desain dan

konstruksi yang sederhana, instalasi dan perawatan yang mudah,

serta investasi dan biaya perawatan yang rendah.  Tinggi air

jatuh (head) yang bisa digunakan diatas 3 m sampai 50 m. 

Kapasitas aliran air antara 25 – 1500 liter/detik dengan daya

yang dapat dihasilkan antara 2 – 200 kW.

Efisiensi turbin crossflow rata-rata berkisar 65% – 75% dan bisa

mencapai >80%. Namun pada posisi guide vane <40% posisi

maksimum efisiensinya akan turun sampai 30%. Di samping itu

umur turbin crossflow panjang, disebabkan komponen-

komponennya yang relatif tahan aus dan kecil kemungkinan

untuk terjadi kavitasi yang dapat merusak kinerja turbin.

2. Turbin Pico Propeler

Turbin propeller kecil (pico propeller turbine) dapat digunakan

untuk head rendah (1 – 6 m), debit 100 – 700 liter/detik dengan

kapasitas 0,1 – 30 kW.  Turbin ini memiliki penggerak (runner)

beberapa bilah tetap, seperti baling baling kapal.  Air melewati

penggerak (runner) dan menggerakkan bilah bilah tersebut.

3.  PAT ( Pump As Turbine)

Penggunaan pompa sebagai turbin (PAT) pada mikrohidro untuk

head menengah (medium head), 10 sampai 50 m, merupakan

alternatif yang dapat dipertimbangkan.  Hanya saja karena

pompa tidak didesain untuk aliran yang terbalik mengakibatkan

efisiensi PAT tidak sebaik turbin air umumnya.  Sebuah pompa

didesain untuk bekerja pada kecepatan, head dan debit yang

konstan, sehingga untuk digunakan sebagai turbin menuntut laju

aliran air yang konstan sepanjang tahun.  Perubahan laju aliran

air akan mengakibatkan efisiensi PAT menurun.

PAT didesain untuk bekerja pada tingkat keadaan tertentu (head

dan debit air tertentu). Karena tidak dilengkapi dengan guide

vane untuk mengatur debit yang dapat masuk ke turbin, apabila

debit airnya turun efisiensi serta pengeluaran daya akan

merosot. Dengan demikian daerah kerja PAT sangat sempit dan

spesifik.  Hal tersebut yang menjadi kendala utama dalam

penerapan pompa sebagai turbin (PAT) Keunggulan sistem PAT

adalah dibanding dengan turbin lain lebih murah sebab pompa

standar mudah diperoleh dan suku cadang banyak tersedia

dipasaran.

4.3.3    Perencanaan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro

(PLTMH)

Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) pada dasarnya

memanfaatkan energi potensial air (jatuhan air).  Semakin tinggi

jatuhan air (head) maka semakin besar energi potensial air yang

dapat diubah menjadi energi listrik. Di samping faktor geografts

yang memungkinkan, tinggi jatuhan air (head) dapat pula

diperoleh dengan membendung aliran air sehingga permukaan

air menjadi tinggi.

Secara umum layout sistem PLTMH merupakan pembangkit jenis

Runoff River, memanfaatkan aliran air permukaan (sungai).

Komponen sistern PLTMH tersebut terdiri dari banaunan intake

(penyadap) – bendungan, saluran pembavia, bak pengendap dan

penenang, saluran pelimpah, pipa pesat, rumah pembangkit dan

saluran pembuangan. Basic lay-out pada perencanaan

pengembangan PLTMH dimulai dari penentuan lokasi intake,

bagaimana aliran air akan dibawa ke turbin dan penentuan

tempat rumah pembangkit untuk rnendapatkan tinggi jatuhan

(head) optimum dan aman dari banjir.

Pada umumnya instalasi PLTMH merupakan pembangkit listrik

tenaga air jenis aliran sungai langsung, jarang yang merupakan

jenis waduk (bendungan besar). Konstruksi bangunan intake

untuk mengambil air langsung dari sungai dapat berupa

bendungan (intake dam) yang melintang sepanjang lebar sungai

atau langsung membagi aliran air sungai tanpa dilengkapi

bangunan bendungan. Lokasi intake harus dipilih secara cermat

untuk menghindarkan masalah di kemudian hari.

Lokasi intake harus memiliki dasar sungai yang relatif stabil,

apalagi bila bangunan intake tersebut tanpa bendungan (intake

dam). Dasar sungai yang tidak stabil inudah mengalami erosi

sehingga permukaan dasar sungai lebih rendah dibandingkan

dasar bangunan intake; hal ini akan menghambat aliran air

memasuki intake.

Dasar sungai berupa lapisan lempeng batuan merupakan tempat

yang stabil. Tempat di mana kemiringan sungainya kecil,

umumnya memiliki dasar sungai yang relatif stabil. Pada kondisi

yang tidak memungkinkan diperoleh lokasi intake dengan dasar

sungai yang relatif stabil dan erosi pada dasar sungai

memungkinkan teladi, maka konstruksi bangunan intake

dilengkapi dengan bendungan untuk menjaga ketinggian dasar

sungai di sekitar intake.

Salah satu permasalahan yang sering terjadi pada instalasi

PLTMH adalah kerusakan pada bangunan intake yang

disebabkan oleh banjir. Hal tersebut sering terjadi pada intake

yang ditempatkan pada sisi luar sungai. Pada bagian sisi luar

sungai mudah erosi serta rawan terhadap banjir. Batti-batuan,

batang pohon serta berbagai material yang terbawa banjir akan

mengarah pada bagian tersebut. Sementara itu bagian sisi dalam

sungai merupakan tempat terjadinya pengendapan lumpur dan

sedimentasi, sehingga tidak cocok untuk lokasi intake. Lokasi

intake yang baik terletak sepanjang bagian sungai yang relatif

lurus di mana aliran akan terdorong memasuki intake secara

alami dengan membawa beban (bed load) yang kecil.

Pada dasarnya setiap pembangunan mikrohidro berusaha untuk

mendapatkan head yang maksimum. Konsekuensinya lokasi

rumah pembangkit (power house) berada pada tempat yang

serendah mungkin. Karena alasan keamanan dan konstruksi,

lantai rumah pembangkit harus selalu lebih tinggi dibandingkan

permukaan air sungai. Data dan informasi ketinggian permukaan

sungai pada waktu banjir sangat diperlukan dalam menentukan

lokasi rumah pembangkit.

Selain lokasi rumah pembangkit berada pada ketinggian yang

aman, saluran pembuangan air (tailrace) harus terlindung oleh

kondisi alam, seperti batu-batuan besar. Disarankan ujung

saluran tail race tidak terletak pada bagian sisi luar sungai

karena akan mendapat beban yang besar pada saat banjir, serta

memungkinkan masuknya aliran air menuju ke rumah

pembangkit.

Layout sebuah sistem PLTMH merupakan rencana dasar untuk

pembangunan PLTMH. Pada Layout dasar digambarkan rencana

untuk mengalirkan air dari intake sampai ke saluran

pembuangan akhir.

Air dari intake dialirkan ke turbin menggunakan saluran

pembawa air berupa kanal dan pipa pesat (penstock).

Penggunaan pipa pesat memerlukan biaya yang iebih besar

dibandingkan pembuatan kanal terbuka, sehingga dalam

membuat Layout perlu diusahakan agar menggunakan pipa pesat

sependek mungkin. Pada lokasi. tertentu yang tidak

memungkinkan pembuatan saluran pembawa, penggunaan pipa

pesat yang panjang tidak dapat dihindari.

Pendekatan dalam membuat Layout sistem PLTMH adalah

sebagai berikut: air dari intake dialirkan melalui penstok sampai

ke turbin. Jalur pemipaan dibuat mengikuti aliran air, paralel

dengan sungai. Metoda ini dapat dipilih seandainya pada medan

yang ada tidak memungkinkan untuk dibuat kanal, seperti sisi

sungai berupa tebing batuan. Perlu diperhatikan bahwa penstock

harus aman terhadap banjir.

Prinsip Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro

Mikrohidro tipe crossflow

Prinsip dasar mikrohidro adalah memanfaatkan energi potensial yang dimiliki oleh aliran

air pada jarak ketinggian tertentu dari tempat instalasi pembangkit listrik.[rujukan?]Sebuah

skema mikrohidro memerlukan dua hal yaitu, debit air dan ketinggian jatuh (head) untuk

menghasilkan tenaga yang dapat dimanfaatkan.[rujukan?] Hal ini adalah sebuah sistem

konversi energi dari bentuk ketinggian dan aliran (energi potensial) ke dalam bentuk

energi mekanik dan energi listrik. Daya yang masuk (Pgross) merupakan penjumlahan

dari daya yang dihasilkan (Pnet) ditambah dengan faktor kehilangan energi (loss) dalam

bentuk suara atau panas. Daya yang dihasilkan merupakan perkalian dari daya yang

masuk dikalikan dengan efisiensi konversi (Eo) [1].

Pnet = Pgross ×Eo kW

Daya kotor adalah head kotor (Hgross) yang dikalikan dengan debit air (Q) dan juga

dikalikan dengan sebuah faktor gravitasi (g = 9.8), sehingga persamaan dasar dari

pembangkit listrik adalah :

Pnet = g ×Hgross × Q ×Eo kW

Dimana head dalam meter (m), dan debit air dalam meter kubik per detik (m/s3).[rujukan?]

[sunting]Komponen Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro

Beberapa komponen yang digunakan untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro baik

komponen utama maupun bangunan penunjang antara lain [5] :

1. Dam/Bendungan Pengalih (intake). Dam pengalih berfungsi untuk mengalihkan

air melalui sebuah pembuka di bagian sisi sungaike dalam sebuah bak

pengendap.

2. Bak Pengendap (Settling Basin). Bak pengendap digunakan untuk

memindahkan partikel-partikel pasir dari air. Fungsi dari bak pengendap adalah

sangat penting untuk melindungi komponen-komponen berikutnya dari

dampak pasir.[rujukan?]

3. Saluran Pembawa (Headrace). Saluran pembawa mengikuti kontur dari

sisi bukit untuk menjaga elevasi dari air yang disalurkan.[rujukan?]

4. Bak penenang (Forebay). Bak penenang berada di ujung saluran pembawa yang

berfungsi untuk mecegah turbulensi air sebelum diterjunkan melalui pipa pesat

5. Pipa  Pesat (Penstock). Penstock dihubungkan pada sebuah elevasi yang lebih

rendah ke sebuah roda air, dikenal sebagai sebuah turbin.

6. Turbin . Turbin berfungsi untuk mengkonversi energi aliran air menjadi energi

putaran mekanis.[rujukan?]

7. Pipa Hisap, (draft tube). Pipa hisap berfungsi untuk menghisap air,

mengembalikan tekanan aliran yang masih tinggi ke tekananatmosfer.

8. Generator . Generator berfungsi untuk menghasilkan listrik dari putaran mekanis.

9. Panel kontrol. Panel kontrol berfungsi untuk menstabilkan tegangan.

10.Pengalih Beban (Ballast load). Pengalih beban berfungsi sebagai beban

sekunder (dummy) ketika beban konsumen mengalami penurunan. Kinerja

pengalih beban ini diatur oleh panel kontrol.

Penggunaan beberapa komponen disesuaikan dengan tempat instalasi (kondisi

geografis, baik potensi aliran air serta ketinggian tempat) serta budaya masyarakat.[rujukan?] Sehingga terdapat kemungkinan terjadi perbedaan desain mikrohidro serta

komponen yang digunakan antara satu daerah dengan daerah yang lain.

[sunting]