PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR

Dalam PLTA, potensi tenaga air dikonversikan menjadi tenaga listrik. Mula-mula potensi tenaga air dikonversikan menjadi tenaga mekanik dalam turbin air. Kemudian turbin air memutar generator yang membangkitkan tenaga listrik.

                  

Gambar dibawah menggambarkan secara skematis bagaimana potensi tenaga air, yaitu sejumlah air yang terletak pada ketinggian tertentu diubah menjadi tenaga mekanik dalam turbin air.

Gambar III.1  Proses Konversi Energi dalam Pusat Listrik Tenaga Air 

Gambar III.2 Instalasi Tenaga Air PLTA Bila Dilihat dari Atas

Daya yang dibangkitkan generator yang diputar oleh turbin air adalah:

P = k.η H.Q     [kW]                                                                           (3-1)

Keterangan:

P = daya [kW]

H = tinggi terjun air [meter]

Q = debit air [m³'/detik]

η = efisiensi turbin bersama generator

k = konstanta.

Bangunan Sipil

Potensi tenaga air didapat pada sungai yang mengalir di daerah pegunungan. Untuk dapat memanfaatkan potensi tenaga air dari sungai ini, maka kita perlu membendung sungai tersebut dan airnya disalurkan ke bangunan air PLTA seperti ditunjukkan oleh Gambar III.3. Ditinjau dari caranya membendung air, PLTA dapat dibagi menjadi dua kategori:

a.   PLTA run off river

b.   PLTA dengan kolam tando (reservoir)

PLTA run off river, air sungai dialihkan dengan menggunakan dam yang dibangun memotong aliran sungai. Air sungai ini kemudian disalurkan ke bangunan air PLTA seperti pada Gambar III.4

PLTA dengan kolam tando (reservoir), aliran sungai dibendung dengan bendungan besar agar terjadi penimbunan air sehingga terjadi kolam tando. Selanjutnya air dari kolam tando dialirkan ke bangunan air PLTA seperti Gambar III.4. Dengan adanya penimbunan air terlebih dahulu dalam kolam tando, maka pada musin hujan di mana debit air sungai besarnya melebihi kapasitas penyaluran air bangunan air PLTA, air dapat ditampung dalam kolam tando. Pada musim kemarau di mana debit air sungai lebih kecil dari pada kapasitas penyaluran air bangunan air PLTA, selisih kekurangan air ini dapat di atasi dengan mengambil air dari timbunan air yang ada dalam kolam tando. Inilah keuntungan penggunaan kolam tando pada PLTA. Hal ini tidak dapat dilakukan pada PLTA run off river. PLTA run off river, daya yang dapat dibangkitkan tergantung pada debit air sungai. Tetapi PLTA run off river biaya pembangunannya lebih murah dari pada PLTA dengan kolam tando (reservoir), karena kolam tando memerlukan bendungan yang besar dan juga memerlukan daerah genangan yang luas. Jika ada sungai yang mengalir keluar dari sebuah danau, maka dapat dibangun PLTA dengan menggunakan danau tersebut sebagai kolam tando. Contoh mengenai hal ini, yaitu PLTA Asahan yang menggunakan Danau Toba sebagai kolam tando, karena Sungai Asahan mengalir dari Danau Toba.

Bangunan air PLTA yang mengalirkan air dari dam pada PLTA run off river dan dari kolam tando pada PLTA yang menggunakan bendungan sampai ke turbin digambarkan oleh Gambar III.4. Secara garis besar, bangunan air ini terdiri dari saluran air yang terbuka atau tertutup (terowongan) sampai pada tabung peredam.

Gambar III.3
Prinsip Kerja PLTA Run Off River

Gambar III.4
Potongan memanjang pipa pesat PLTA Sutami
(PLTA dengan kolam tando reservoir)

Sebelum tabung peredam terdapat katup pengaman dan setelah tabung peredam terdapat saluran air berupa pipa pesat yang harus tahan goncangan tekanan air. Tabung peredam dalam bahasa Inggris disebut surge tank dan berfungsi meredam goncangan tekanan air yang terjadi dalam pipa pesat. Pada ujung bawah pipa pesat terdapat katup utama turbin. Dari katup utama turbin, air menuju ke katup pengatur turbin, lalu air mengenai roda air turbin yang mengubah energi potensial air menjadi energi mekanik roda air turbin.

Macam-Macam Turbin Air

Ditinjau dari teknik mengkonversikan energi potensial air menjadi energi mekanik pada roda air turbin, ada tiga macam turbin air yaitu:

a. Turbin Kaplan.

Turbin Kaplan digunakan untuk tinggi terjun yang rendah, yaitu di bawah 20 meter. Teknik mengkonversikan energi potensial air menjadi energi mekanik roda air turbin dilakukan melalui pemanfaatan kecepatan air. Roda air turbin Kaplan menyerupai baling-baling dari kipas angin.

b. Turbin Francis.

Turbin Francis paling banyak digunakan di Indonesia. Turbin ini digunakan untuk 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.

c. Turbin Pelton.

Turbin Pelton adalah turbin untuk tinggi terjun yang tinggi, yaitu di atas 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.

Untuk semua macam turbin air tersebut di atas, ada katup pengatur yang mengatur banyaknya air yang akan dialirkan ke roda air. Dengan pengaturan air ini, daya turbin dapat diatur. Di depan katup pengatur terdapat katup utama yang harus ditutup apabila turbin air dihentikan untuk melaksanakan pekerjaan pemeliharaan atau perbaikan pada turbin. Apabila terjadi gangguan listrik yang menyebabkan PMT generator trip, maka untuk mencegah turbin berputar terlalu cepat karena hilangnya beban generator yang diputar oleh turbin, katup pengatur air yang menuju ke turbin harus ditutup. Penutupan katup pengatur ini akan menimbulkan gelombang air membalik yang dalam bahasa Inggris disebut water hammer (palu air). Water hammer ini menimbulkan pukulan mekanis kepada pipa pesat ke arah atas (hulu) yang akhirnya diredam dalam tabung peredam (surge tank).

Kecepatan spesifik (specffic speed) turbin air didefinisikan sebagai jumlah putaran per menit [rpm] (rotation per minute [rpm] dari turbin untuk menghasilkan satu daya kuda pada tinggi terjun H = 1 meter. Saluran air dari dam atau kolam tando sampai pada. tabung peredam, panjangnya dapat mencapai beberapa kilometer.

Apabila saluran ini tidak rata, jalannya naik turun, maka di bagian-bagian cekungan yang rendah, harus ada katup untuk membuang endapan pasir atau lumpur yang terjadi di cekungan rendah tersebut. Di sisi lain, yaitu di bagian-bagian lengkungan yang tinggi juga harus ada katup, tetapi dalam hal ini untuk membuang udara yang terperangkap dalam lengkungan yang tinggi ini. Secara periodik, katup-katup tersebut di atas harus dibuka untuk membuang endapan yang terjadi maupun untuk membuang udara yang terperangkap.

Operasi dan Pemeliharaan

PLTA yang mempunyai kolam tando besar mempunyai fungsi serba guna di mana artinya selain berfungsi sebagai pembangkit tenaga listrik, PLTA ini juga berfungsi untuk menyediakan air irigasi, pengendalian banjir, perikanan, pariwisata, dan penyedia air bagi lalu lintas pelayaran sungai. Pada PLTA serba guna, pembangkitan tenaga listriknya perlu dikoordinasikan dengan keperluan irigasi dan musim tanam padi yang membutuhkan banyak air. Dari segi pengendalian banjir, PLTA serba guna harus dapat diatur air keluamya sehingga pada saat banyak hujan tidak timbul banjir di sisi hilir. Contoh PLTA serba guna adalah PLTA Jatiluhur di Jawa Barat. Ditinjau dari specific speed, turbin Kaplan mempunyai specific speed terbesar, kemudian disusul oleh turbin Francis dan Pelton. Oleh karena itu, untuk terjun yang tinggi, misalnya 400 meter, digunakan turbin Pelton agar jumlah putaran per menit yang didapat dari turbin tidak terIalu tinggi sehingga tidak timbul persoalan mekanik.

Dari uraian di atas, tampak bahwa pelestarian hutan di daerah aliran sungai (DAS), terutama di sisi hulu PLTA sangat penting bagi kelangsungan hidup PLTA. Apabila hutannya rusak, maka kemampuan tanah di DAS untuk menyimpan air akan turuti sehingga timbul banjir di waktu musim hujan dan di musim kemarau timbul kekeringan. Selain itu timbul erosi tanah sewaktu hujan yang akan mengendap dalam kolam tando sehingga terjadi pendangkalan kolam tando.

Dibandingkan dengan pusat listrik lainnya dengan daya yang sama, biaya operasi PLTA paling rendah.Tetapi biaya pembangunannya paling mahal. Salah satu faktor yang menyebabkan biaya pembangunan PLTA menjadi mahal, yaitu karena umumnya terletak di daerah pegunungan, jauh dari pusat konsumsi tenaga listrik (kota) sehingga memerlukan saluran transmisi yang panjang dan daerah genangan air yang luas di mana kedua hal tersebut memerlukan biaya pembangunan yang tidak sedikit.

Dalam sistem interkoneksi di mana terdapat PLTA yang diinterkoneksikan dengan pusat-pusat listrik thermis yang menggunakan bahan bakar, ada kalanya dibangun PLTA pompa yang dapat memompa air ke atas. Hal ini baru ekonomis apabila biaya pembangkitan dalam sistem interkoneksi bersangkutan mempunyai variasi yang besar.

Pemompaan air dilakukan sewaktu biaya pembangkitan rendah, kemudian air hasil pemompaan ini digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik sewaktu biaya pembangkitan sistem interkoneksi mahal sehingga pembangkitan tenaga listrik dengan biaya yang mahal dapat dikurangi jumlahnya.

Keuntungan teknik operasional PLTA adalah

a)      mudah (cepat) di-start dan di-stop.

b)      bebannya mudah diubah-ubah.

c)    angka gangguannya rendah.

d)      pemeliharaannya mudah.

e)      umumnya dapat di-start tanpa daya dari luar (black start).

Masalah utama yang timbul pada operasi PLTA adalah timbulnya kavitasi pada turbin air. Kavitasi adalah peristiwa terjadinya letusan kecil dari gelembung uap air yang sebelumnya terbentuk di daerah aliran yang tekanannya lebih rendah daripada tekanan uap air ditempat tersebut; kemudian gelembung uap air ini akan menciut secara cepat meletus ketika uap air ini melewati daerah aliran yang tekanannya lebih besar daripada tekanan uap air tersebut, karena jumlahnya sangat banyak sekali (ribuan per detik) dan I letusan itu sangat cepat maka permukaan turbin yang dikenai oleh letusan ini akan terangkat sehingga terjadi burik yang menyebabkan bagian-bagian turbin air (setelah waktu tertentu, kira­kira 40.000 jam) menjadi keropos dan perlu diganti. Kavitasi terjadi di bagian-bagian turbin yang mengalami perubahan tekanan air secara mendadak, misalnya pada pipa buangan air turbin. Kavitasi menjadi lebih besar apabila beban turbin makin kecil. Oleh karena itu, ada pembatasan beban minimum turbin air (kira-kira 25%). Bagian terbesar dari biaya pemeliharaan PLTA adalah biaya perbaikan atau penggantian bagian­bagian turbin air yang menjadi keropos akibat kavitasi. Di Indonesia, enceng gondok sering menimbulkan penyumbatan saringan air dan menaikkan penguapan dari kolam tando sehingga merupakan salah satu masalah operasi PLTA, namun sekarang sudah banyak dimanfaatkan manusia sehingga enceng gondok tidak terlalu mengganggu.

PLTA kecil dengan daya terpasang di bawah 100 M, biasanya disebut sebagai Pusat Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTM). PLTM banyak dibangun, terutama di pedesaan. PLTM secara ekonomis bisa menguntungkan apabila didapatkan tempat (site) air terjun yang baik, dalam arti bangunan sipilnya bisa sederhana dan murah, kemudian bagian elektromekaniknya dibuat otomatis sehingga biaya personilnya murah.

Di daerah yang ada Jaringan perusahaan listrik, PLTM bisa diparalel dengan jaringan listrik yang ada. Pada pemanfaatan tinggi terjun yang rendah, untuk PLTM dapat digunakan turbin Kaplan dengan generator yang direndam dalam aliran air untuk menyederhanakan bangunan sipil yang disebut bulb per unit. Karena PLTM sebaiknya tidak dijaga, maka untuk memudahkan proses sinkronisasi pada operasi paralel dengan sistem interkoneksi dapat digunakan generator asinkron. Ada juga PLTA yang menggunakan tenaga air dari pasang surutnya air laut, misalnya di Perancis.

Efisiensi turbin bersama generator unit PLTA dapat mencapai nilai sekitar 95%. Efisiensi keseluruhan dari PLTA dan instalasi listriknya, termasuk energi untuk pemakaian sendiri, angkanya berkisar antara 85-92%. Lancarnya aliran air dalam instalasi air PLTA sangat mempengaruhi efisiensi PLTA. Oleh karena itu, harus diusahakan agar aliran bersifat laminer (memiliki turbulensi). Untuk itu harus dihindari tikungan yang tajam dalam instalasi air PLTA, karena tikungan yang tajam, pada saluran air akan menimbulkan turbulensi yang akan menurunkan nilai H dan juga nilai Q

.Energi yang dihasilkan PLTA tergantung dari jumlah air yang tersedia, jadi tergantung pada jumlah curah hujan dan kemampuan kolam tando menampung air sewaktu musim hujan.

Karakteristik musim hujan setiap tahun adalah berbeda, ada tahun basah dan ada tahun kering. Karakteristik tahun basah atau kering ini berulang setiap 8-10 tahun. Apabila jumlah curah hujan lebih besar dari pada yang digambarkan dibawah ada kemungkinan kolam tando tidak bisa menampung air yang masuk sehingga terjadi pelimpasan (pembuangan) air.

Sebaliknya apabila curah hujan yang terjadi lebih sedikit daripada yang digambarkan, dibawah tahunnya lebih kering, maka periode di mana PLTA tidak bisa berbeban penuh karena kekurangan air akan berlangsung lebih lama dari pada 7,67 hari

Untuk dapat memanfaatkan air yang masuk ke kolam tando dengan sebaik-baiknya, sedapat mungkin tidak ada yang terbuang tetapi juga aman bagi bangunan sipil kolam tando, perlu ada suatu pola pen gendalian kolam.

Gambar Duga Muka Air Kolam

Tinggi muka air atau duga muka air (DMA) dalam kolam (waduk) diukur dengan skala meter. Pola pengendalian isi kolam ditunjukkan dengan DMA yang diinginkan.

Penentuan DMA minimum pada. akhir periode pengosongan C atau permulaan periode pengisian harus memperhatikan masalah air masuk ke lubang intake PLTA yangan terlalu rendah sehingga udara ikut masuk. Udara yang masuk bisa mengganggu operasi PLTA.

Sebaliknya penentuan DMA minimum yang terlalu tinggi bisa mengurangi volume kolam untuk periode pengisian yang bisa menyebabkan akan banyak air yang melimpas/dibuang pada periode B, yaitu periode DMA maksimum. B menggambarkan periode DMA maksimum. Apabila permukaan air telah mencapai DMA maksimum tetapi masih ada air masuk ke dalam kolam (waduk) maka air secara otomatis akan melimpas dan terbuang. Pelimpasan ini perlu untuk mengamankan bangunan sipil kolam/waduk, jangan sampai terjadi over topping yang bisa menyebabkan jebolnya kolam/waduk. Over topping terjadi apabila kolam/waduk isinya sudah penuh tetapi air masuk masih terus berlangsung sehingga air tidak hanya melimpas di tempat pelimpasan yang terbuat dari beton, tetapi juga melimpas di bagian bendungan yang terbuat dari batu dan pasir (rock fill), sehingga batu dan pasir di bagian bendungan ini jebol. C menggambarkan periode pengosongan kolam/waduk yang dimulai pada akhir bulan Juli yaitu perkiraan nilainya musim kemarau.

DMA dalam periode A dan periode C harus diatur agar berada diantara batas atas dan batas bawah. Hal ini dapat dilakukan dengan mengatur pengeluaran air dari kolam/waduk. Kolam/waduk dilengkapi dengan lubang pengeluaran air ekstra di samping tempat pelimpasan yang terbuat dari beton. Hal ini diperlukan untuk pengamanan kolam/waduk.

Ada kolam/waduk yang mempunyai fungsi serba guna seperti waduk PLTA Jatiluhur, yaitu untuk: Pengairan sawah, menghasilkan padi. Pembangkitan tenaga listrik. Pengendalian banjir. Lalu lintas kapal, Pariwisata.

Akhir-akhir ini waduk PLTA digunakan juga untuk pemeliharaan ikan dalam keramba.

Dalam hal yang demikian maka pengendalian DMA harus memperhatikan fungsi-fungsi tersebut di atas.

Untuk beberapa PLTA yang ada dalam hubungan kaskade (mempunyai satu sungai penggerak dan masing-masing mempunyai kolam/waduk), maka pengendalian DMA dalam kolam-kolarn PLTA kaskade ini harus dilakukan sedemikian rupa hingga dicapai penggunaan yang optimum.