Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA)

Tahukah kamu, bahwa air itu mempunyai banyak sekali manfaat bagi manusia. Selain untuk mandi, minum, memasak, mencuci, dan sarana pengairan bagi lahan pertanian ternyata aliran air juga dapat menghasilkan energi listrik. Melihat manfaat yang sangat besar yang terkandung dalam aliran air tersebut, maka para insinyur terinspirasi untuk membuat aliran air ini bisa bermanfaat bagi masyarakat. Salah satu contohnya adalah dengan dibangunnya Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA). Mau tahu lebih jauh mengenai Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) ini? Yuk, simak penjelasan dibawah ini.

Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) adalah salah satu pembangkit yang memanfaatkan aliran air untuk diubah menjadi energi listrik. Energi listrik yang dibangkitkan ini biasa disebut sebagai hidroelektrik. Pembangkit listrik ini bekerja dengan cara merubah energi air yang mengalir (dari bendungan atau air terjun) menjadi energi mekanik (dengan bantuan turbin air) dan dari energi mekanik menjadi energi listrik (dengan bantuan generator). Kemudian energi listrik tersebut dialirkan melalui jaringan-jaringan yang telah dibuat, hingga akhirnya energi listrik tersebut sampai ke rumahmu.

PLTA ternyata bermacam-macam, mulai yang berbentuk mikro-hidro dengan kemampuan memberikan energi listrik untuk beberapa rumah saja sampai yang berbentuk raksasa seperti Bendungan Karangkates yang dapat menyediakan listrik untuk berjuta-juta orang-orang.

Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) terdiri dari beberapa bagian yaitu:

1. Bendungan, berfungsi menampung air dalam jumlah besar untuk menciptakan tinggi jatuh air agar tenaga yang dihasilkan juga besar. Selain itu bendungan juga berfungsi untuk pengendalian banjir.

2. Turbin, berfungsi mengubah aliran air menjadi energi mekanik. Air yang jatuh akan mendorong baling-baling sehingga menyebabkan turbin berputar. Perputaran turbin ini dihubungkan ke generator. Turbin air kebanyakan bentuknya seperti kincir angin.

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  listrik.

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

Tahukah kamu, berapa listrik yang bisa dihasilkan oleh PLTA? Besarnya listrik yang dihasilkan oleh PLTA tergantung dua faktor yaitu,semakin tinggi suatu bendungan, semakin tinggi air jatuh maka semakin besar tanag` yang dihasilkan. Dan semakin bany`k air yang jatuh maka turbin akan menghasilkan tenaga yang lebih banyak. Oh iya, Jumlah air yang tersedia tergantung kepada jumlah air yang mengalir di sungai.

Di Indonesia terdapat banyak sekali sungai-sungai besar maupun kecil yang terdapat di berbagai daerah. Hal ini merupakan peluang yang bagus untuk pengembangan energi listrik di daerah khususnya daerah yang belum terjangkau energi listrik.

Kriteria Pemilihan Jenis Turbin

              Pemilihan jenis turbin dapat ditentukan berdasarkan kelebihan dan kekurangan dari jenis-jenis turbin, khususnya untuk suatu desain yang sangat spesifik. Pada tahap awal, pemilihan jenis turbin dapat diperhitungkan dengan mempertimbangkan parameter-parameter khusus yang mempengaruhi sistem operasi turbin, yaitu :

v     Faktor tinggi jatuhan air efektif (Net Head) dan debit yang akan dimanfaatkan untuk operasi turbin merupakan faktor utama yang mempengaruhi pemilihan jenis turbin, sebagai contoh : turbin pelton efektif untuk nperasi pada head tinggi, sementara turbin propeller sangat efektif beroperasi pada head rendah.

v     Faktor daya (power) yang diinginkan berkaitan dengan head dan debit yang tersedia.

v     Kecepatan (putaran) turbin ang akan ditransmisikan ke generator. Sebagai contoh untuk sistem transmisi direct couple antara generator dengan turbin pada head rendah, sebuah turbin reaksi (propeller) dapat mencapai putaran yang diinginkan, sementara turbin pelton dan crossflow berputar sangat lambat (low speed) yang akan menyebabkan sistem tidak beroperasi.

Ketiga faktor di atas seringkali diekspresikan sebagai "kecepatan spesifik, Ns", yang didefinisikan dengan formula:

  Ns = N x P0.51W .21

  dimana :

  N = kecepatan putaran turbin, rpm

  P = maksimum turbin output, kW

  H = head efektif , m

  Output turbin dihitung dengan formula:

  P=9.81 xQxHx qt

  dimana

  Q = debit air, m 3 ldetik

  H = efektif head, m

   ilt= efisiensi turbin

      = 0.8 - 0.85 untuk turbin pelton

      = 0.8 - 0.9 untuk turbin francis

      = 0.7 - 0.8 untuk turbin crossfiow

      = 0.8 - 0.9 untuk turbin propellerlkaplan

Kecepatan spesifik setiap turbin memiliki kisaran (range) tertentu berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air adalah sebagai berikut:

Turbin pelton	12≤Ns≤25
TurbinFrancis	60≤;Ns≤300
Turbin Crossflow	40≤Ns≤200
Turbin Propeller	250≤Ns≤ 1000

  Dengan mengetahui kecepatan spesifik turbin maka perencanaan dan pemilihan jenis turbin akan menjadi lebih mudah. Beberapa formula yang dikembangkan dari data eksperimental berbagai jenis turbin dapat digunakan untuk melakukan estimasi perhitungan kecepatan spesifik turbin, yaitu :

Turbin pelton (1 jet)	Ns = 85.49/H0.243	(Siervo & Lugaresi, 1978)
Turbin Francis	Ns = 3763/H0.854	(Schweiger & Gregory, 1989)
Turbin Kaplan	Ns = 2283/H0.486	(Schweiger & Gregory, 1989)
Turbin Crossfiow	Ns = 513.25/H0.505	(Kpordze & Wamick, 1983)
Turbin Propeller	Ns = 2702/H0.5	(USBR, 1976)

 Dengan mengetahui besaran kecepatan spesifik maka dimensi dasar turbin dapat diestimasi (diperkirakan).

  Pada perencanaan PLTMH ini, pilihan turbin yang cocok untuk lokasi yang tersedia adalah :

1. Turbin propeller tipe open flume untuk head rendah s.d 6 m
2. Turbin crossflow 1 banki-mithell untuk head 6 m < H < 60 m.

Pemilihan jenis turbin tersebut berdasarkan ketersediaian teknologi secara lokal dan biaya pembuatan/pabrikasi yang lebih murah dibandingkan tipe lainnya seperti pelton dan francis. Jenis turbin crosstlow yang dipergunakan pada perencanaart ini adalah crossfiow T-14 dengan diameter runner 0.3 m. Turbin tipe ini memiliki efisiensi maksimum yang baik sebesar 0.74 dengan efisiensi pada debit 40% masih cukup tinggi di atas 0.6. Sementara untuk penggunaan turbin propeller open flume pabrikasi lokal ditetapkan efisiensi turbin sebesar 0.75.

  Penggunaan kedua jenis turbin tersebut untuk pembangkit tenaga air skala mikro (PLTMH), khususnya crossfIlow T-14 telah terbukti handai di lapangan dibandingkan jenis crossfiow lainnya yang dikembangkan oleh berbagai pihak (lembaga penelitian, pabrikan, import).

  Putaran turbin baik propeller open flume head rendah dan turbin crossflow memiliki kecepatan yang rendah. Pada sistem mekanik turbin digunakan transmisi sabuk flatbelt dan pulley untuk menaikkan putaran sehingga sama dengan putaran generator 1500 rpm. Efisiensi sistem transmisi mekanik flat belt diperhitungkan 0.98. Sementara pada sistem transmisi mekanik turbin propeller open flume menggunakan sabuk V, dengan efisiensi 0.95.

Diagram Aplikasi berbagai jenis Turbin (Head Vs Debit)

  Tabel Putaran Generator Sinkron (rpm)  

Jumlah Pole (kutub)	Frekuensi , 50 Hz
2	3000
4	1500
6	1000
8	750
10	600
12	500
14	429

  Tabel Run-away speed Turbin, N maks/N

Jenis Turbin	Putaran Nominal, N (rpm)	Runaway speed
Semi Kaplan, single regulated	75-100	2-2.4
Kaplan, double regulated	75-150	2.8-3.2
Small-medium Kaplan	250-700	2.8-3.2
Francis (medium & high head)	500-1500	1.8-2.2
Francis (low head)	250-500	1.8-2.2
Pelton	500-1500	1.8-2
Crossflow	100-1000	1.8-2
Turgo	600-1000	2

2. Pemilihan Generator dan Sistem Kontrol

Generator adalah suatu peralatan yang berfungsi mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Jenis generator yang digunakan pada perencanaan PLTMH ini adalah :

v     Generator sinkron, sistem eksitasi tanpa sikat (brushless exitation) dengan penggunaan dua tumpuan bantalan (two bearing).

v     Induction Motor sebagai Generator (IMAG) sumbu vertikal, pada perencanaan turbin propeller open flume

Spesifikasi generator adalah putaran 1500 rpm, 50 Hz, 3 phasa dengan keluaran tegangan 220 V/380 V. Efisiensi generator secara umum adalah

v     Aplikasi < 10 KVA efisiensi 0.7 - 0.8

v     Aplikasi 10 - 20 KVA efisiensi 0.8 - 0.85

v     Aplikasi 20 - 50 KVA efisiensi 0.85

v     Aplikasi 50 - 100 KVA efisiensi 0.85 - 0.9

v     Aplikasi >. - 100 KVA efisiensi 0.9 - 0.95

Sistem kontrol yang digunakan pada perencanaan PLTMH ini menggunakan pengaturan beban sehingga jumlah output daya generator selalu sama dengan beban. Apabila terjadi penurunan beban di konsumen, maka beban tersebut akan dialihkan ke sistem pemanas udara (air heater) yang dikenal sebagai ballast load/dumy load.

  Sistem pengaturan beban yang digunakan pada perencanaan ini adalah

v     Electronic Load Controller (ELC) untuk penggunaan generator sinkron

v     Induction Generator Controller (IGC) untuk penggunaan IMA

Sistem kontrol tersebut telah dapat dipabrikasi secara lokal, dan terbukti handal pada penggunaan di banyak PLTMH. Sistem kontrol ini terintegrasi pada panel kontrol (switch gear).

  Fasillitas operasi panel kontrol minimum terdiri dari

v     Kontrol start/stop, baik otomatis, semi otomatis, maupun manual

v     Stop/berhenti secara otomatis

v     Trip stop (berhenti pada keadaan gangguan: over-under voltage, over-under frekuensi.

v     Emergency shut down, bila terjadi gangguan listrik (misal arus lebih)