Cara Kerja Pembangkit Listrik Tenagan Air (PLTA)
Pembangkit listrik tenaga air atau PLTA adalah salah satu sumber energi listrik yang memanfaatkan air sebagai sumber utama listrik. Pembangkit ini merupakan salah satu sumber energi listrik utama yang terdapat di Indonesia. Keberadaannya yang diharapkan bisa memenuhi pasokan listrik bagi seluruh masyarakat Indonesia, selain yang berasal dari bahan bakar batu bara.
Pembangkit listrik tenaga air di Indonesia sudah banyak dikembangkan. Hal ini karena persediaan air di Indonesia yang cukup melimpah. Keberadaan beberapa waduk besar yang ada di Indonesia, selain dipakai untuk penampungan air juga dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik.
Pilihan untuk mengembangkan pembangkit listrik tenaga air ini salah satunya disebabkan potensi air yang ada di Indonesia. Jumlah air yang cukup melimpah, kemudian dikembangkanlah untuk menghasilkan energi yang diubah menjadi sebuah arus listrik. Hal ini ditujukan salah satunya untuk menekan biaya produksi yang murah pada listrik di Indonesia.
Pembangkit listrik tenaga air atau PLTA sendiri termasuk salah satu sumber pembangkit listrik tertua yang pernah ditemukan. Selain pembangkit ini, masih ada juga beberapa jenis pembangkit listrik yang ada di dunia. Seperti pembangkit listrik tenaga diesel, pembangkit listrik tenaga surya, dan juga pembangkit listrik tenaga nuklir.
Pembangkit listrik tenaga air (PLTA) beroperasi.bekerja dengan cara merubah energi potensial yaitu (dari dam atau air terjun ) menjadi sebuah energi mekanik (dengan bantuan turbin air). Dan dari energi mekanik tersebut kemudian dijadikan energi listrik (dengan bantuan generator).
Kapasitas PLTA diseluruh dunia yaitu ada sekitar 675.000 MW, atau setara dengan 3.6 milyar barrel minyak atau sama dengan 24% akan kebutuhan listrik dunia yang dipakai oleh lebih 1 milyar orang. PLTA juga termasuk jenis pembangkitan hidro. Karena pembangkitan ini memakai air untuk kerjanya.
PLTA di Indonesia mulai dikembangkan secara bertahap pada tahun sekitar 1900. Pusat Listrik Tenaga Air (PLTA) pertama ada di Madiun pada tahun 1917, kemudian menyusul PLTA Bengkulu pada tahun 1920, PLTA dan Dago di Bandung pada tahun 1923. Pada tahun 1961 dibentuklah PLN, yang kemudian 30 tahun lebih diberlakukan undang-undang no. 15 / 1985 mengenai ketenaga listrikan.
1. Waduk
Waduk atau reservoir adalah sebuah danau alam atau danau buatan, kolam penyimpan air yang besar dan luas atau pembendungan suatu sungai yang bertujuan untuk menyimpan air. Waduk bisa dibangun di suatu lembah sungai ketika pembangunan sebuah bendungan / penggalian tanah / teknik konstruksi konvensional seperti pada pembuatan tembok.
2. Bendungan
Bendungan atau dam air adalah konstruksi yang di bangun untuk menahan laju air menjadi sebuah waduk, danau, atau tempat rekreasi. Biasanya bendungan juga dipakai untuk mengalirkan air ke sebuah Pembangkit Listrik Tenaga Air.
Pada kebanyakan dam juga mempunyai bagian yang disebut dengan pintu air untuk membuang air yang tidak diinginkan secara bertahap atau berkelanjutan.
3. Turbin
Turbin adalah sebuah mesin berputar yang mengambil energi dari aliran fluida. Turbin sederhana mempunyai satu bagian yang bergerak, “ asembli rotor – blade “. Fluida yang terus bergerak menjadikan baling – baling berputar dan menghasilkan sebuah energi yang kemudian akan menggerakkan rotor.
4. Generator
Generator yaitu merupakan salah satu jenis pembangkit listrik yang didapat melalui perubahan energi mekanik menjadi sebuah energi listrik. Tenaga mekanik dapat berasal dari banyak sumber, antara lain seperti: air, uap, angin ataupun diesel.
Generator sebagai suatu pembangkit yang bekerja berdasarkan prinsip hukum faraday yaitu. “jika ada sepotong kawat penghantar listrik yang berada dalam medan magnet berubah-ubah, maka pada kawat tersebut akan terbentuk sebuah ggl (gaya gerak listrik)”
Jika sebatang logam panjang berada di dalam medan listrik, maka akan membuat elektron bebas bergerak ke kiri berlawanan dengan arah medan listrik yang akhirnya akan menghasilkan medan listrik induksi yang sama besarnya dengan medan listrik pada logam.
Hal ini membuat elektron berhenti bergerak dan kedua ujung logam terdapat muatan listrik. Agar elektron bisa bergerak terus maka pada muatan induksi harus diambil sehingga keluar gaya gerak listrik (ggl). Ggl (gaya gerak listrik) inilah yang akan menjadi tegangan pada generator.
5. Trafo (Transformator)
Transformator pada dasarnya bekerja berdasarkan pada prinsip induksi elektromagnetik. Tegangan masukan bolak-balik yang membentangi belitan primer menghasilkan fluks magnetik yang idealnya semua terhubung dengan belitan sekunder. Fluks bolak-balik ini kemudian menginduksikan gaya gerak listrik (ggl) ke dalam belitan sekunder. Apabila efisiensi sempurna, semua daya pada belitan primer akan disalurkan ke belitan sekunder.
Berdasarkan pada rasio belitannya, trafo (transformator) dibagi menjadi 2 jenis, yaitu: trafo ste-up dan trafo step-down.
Pada transformator (trafo) step-up jumlah belitan sekunder lebih banyak jika dibandingkan jumlah belitan primer, sehingga berfungsi sebagai penaik tegangan.
Sedangkan pada transformator (trafo) step-down yaitu merupakan trafo yang mempunyai jumlah belitan sekunder lebih sedikit jika dibandingkan belitan primer, sehingga berfungsi sebagai penurun tegangan.
Selain berdasarkan pada rasio belitannya, transformator (trafo) juga bisa dibagi berdasarkan pengaturan tegangannya, yaitu autotransformator dan transformator variabel. Autotransformator merupakan trafo yang hanya mempunyai satu belitan dan ada sadapan ditengah.
Sedangkan pada autotransformator variabel mempunyai sadapan yang posisinya bisa diubah-ubah sesuai dengan kebutuhan.
Transformator (trafo) yang biasa dipakai dalam suatu sistem jaringan tenaga listrik mempunyai nilai impedansi yang tercantum dalam persen (%). Sehingga untuk menentukan impedansi dalam ohm dibutuhkan sebuah persamaan yang bisa menentukan nilai impedansi yang sebenarnya.
Persamaan berikut ini bisa digunakan menunjukkan cara menentukan nilai impedansi yang sebenarnya pada suatu trafo (transformator). Nilai impedansi yang dihasilkan ini nantinya akan berguna untuk menentukan berapa nilai tegangan yang dihasilkan oleh transformator tersebut.
6. Jaringan Transmisi
Jaringan penyaluran (transmisi) tenaga listrik ini beroperasi dari tempat pembangkit tenaga listrik sampai saluran distribusi listrik. Sehingga bisa disalurkan hingga pada konsumen pengguna listrik (masyarakat umum dan industri).
A. Pengertian PLTA
PLTA atau kepanjangan dari Pembangkit Listrik Tenaga Air adalah sebuah pembangkit listrik yang mengandalkan energi potensial dan kinetik dari air untuk menghasilkan suatu energi listrik. Energi listrik yang dibangkitkan atau dihasilkan ini biasa disebut hidroelektrik.
Prinsip kerja PLTA yaitu merubah energi potensial (dari dam atau air terjun) menjadi sebuah energi mekanik (dengan bantuan turbin air). Kemudian dari energi mekanik ini akan menjadi energi listrik (dengan bantuan generator) dan dengan memanfaatkan ketinggian air dan kecepatan aliran air.
Bentuk atau gambaran utama dari pembangkit listrik jenis PLTA adalah generator yang dihubungkan ke turbin dan digerakkan oleh air. PLTA bisa beroperasi atau bekerja sesuai dengan perancangan, jika memiliki Daerah Aliran Sungai (DAS) yang cukup potensial sebagai sumber air untuk mencukupi kebutuhan pengoperasian PLTA tersebut.
Kapasitas PLTA yang ada diseluruh dunia ada sekitar 675.000 MW, atau setara dengan 3.6 milyar barrel minyak atau sama dengan 24% kebutuhan listrik dunia yang dipakai oleh lebih 1 milyar orang. Dalam penentuan pemanfaatan suatu potensi sumber tenaga air bagi pembangkitan tanaga listrik ditentukan oleh tiga faktor yaitu:
• Jumlah air yang tersedia, yang merupakan fungsi dari turun hujan dan atau salju.
• Tinggi air terjun yang bisa dimanfaatkan, yang mana tergantung dari topografi pada daerah tersebut.
• Jarak lokasi yang bisa dimanfaatkan terhadap adanya pusat-pusat beban atau jaringan transmisi (saluran).
B. Prinsip Cara Kerja PLTA dan Konversi Energi
Pada prinsipnya PLTA akan mengolah energi potensial air yang kemudian diubah menjadi energi kinetik dengan adanya head / ketinggian. Kemudian energi kinetik ini dirubah menjadi energi mekanik dengan adanya aliran air yang menggerakkan turbin. Selanjutnya energi mekanis ini berubah menjadi energi listrik melalui perputaran rotor pada generator.
Jumlah energi listrik yang dapat dibangkitkan atau dihasilkan dari sumber daya air (PLTA) tergantung pada dua hal, yaitu besar jumlah air yang mengalir (debit) dan jarak tinggi air (head). Untuk bisa menghasilkan sebuah energi listrik dari air, harus melalui beberapa tahapan perubahan energi dahulu, yaitu:
1. Energi Potensial
Energi potensial adalah energi yang bisa terjadi akibat dari adanya beda potensial, yaitu akibat adanya perbedaan ketinggian. Besarnya energi potensial dirumuskan dengan : Ep = m.g.h
Dimana :
Ep : Energi Potensial (joule)
m : Massa (kg)
g : Gravitasi (9.8 kg/m2)
h : Head / Ketinggian (m)
2. Energi Kinetik
Energi kinetis adalah energi yang bisa dihasilkan akibat dari adanya aliran air sehingga muncul air dengan kecepatan tertentu, yang dirumuskan : Ek = 1/2m.v2
Dimana :
Ek : Energi Kinetik (joule)
m : massa (kg)
v : Kecepatan (m/s)
3. Energi Mekanik
Energi mekanik adalah energi yang bisa dihasilkan akibat dari adanya pergerakan turbin. Besarnya energi mekanik ini tergantung dari besarnya energi potensial dan energi kinetik. Besarnya energi mekanis dirumuskan dengan: Em = T.ω.t
Dimana :
Em : Energi Mekanik (joule)
T : Torsi
ω : Sudut Putar
t : Waktu (s)
4. Energi Listrik
Pada saat turbin berputar maka rotor juga akan ikut berputar sehingga menghasilkan sebuah energi listrik sesuai persamaan berikut: El = V.I.t
Dimana :
El : Energi Listrik (joule)
V : Tegangan (volt)
I : Arus (ampere)
t : Waktu (s)
- Untuk debit air bisa ditulis dengan rumus : Q = dm / dt
Dimana :
Q : Debit Air
dm : Elemen massa air
dt : Elemen waktu
- Power/Daya bisa dirumuskan : P = Q.g.h
Dimana :
P : Daya
Q : Debit air
g : Gravitasi
h : tinggi terjun
C. Skema PLTA (Pembangkit Listrik Tenagan Air)
D. Komponen – komponen pada PLTA
1. Dam
Berfungsi sebagai penampung air dalam jumlah yang cukup besar karena turbin membutuhkan pasokan air yang cukup dan stabil. Selain itu dam juga berfungsi untuk pengendalian banjir. Pada sebuah PLTA terdapat 2 jenis penampungan, yaitu :
2. Waduk Utama atau (upper reservoir )
Seperti pada dam PLTA konvensional. Air akan dialirkan langsung ke turbin untuk menghasilkan sebuah listrik.
3. Waduk cadangan (lower reservoir)
Air yang keluar dari turbin ditampung di lower reservoir sebelum dibuang/diteruskan ke sungai.
4. Pipa Pesat
Yaitu berfungsi untuk menghubungkan dam dengan sebuah turbin. Mempunyai diameter tertentu yang menyesuaikan debit air yang dialirkan.
5. Turbin
Berfungsi untuk mengubah energi potensial menjadi sebuah energi mekanik. Air akan memukul sudu-sudu dari turbin sehingga turbin berputar. Perputaran pada turbin ini kemudian dihubungkan ke generator. Turbin terdiri dari berbagai macam jenis seperti turbin Kaplan,turbin Francis, turbin Pelton, dll.
6.Turbin Kaplan
Turbin Kaplan dipakai untuk tinggi terjun yang rendah, yaitu dibawah 20 meter. Teknik mengkonversikan energi potensial air menjadi energi mekanik. Roda air turbin dijalankan melalui pemanfaatan kecepatan dari air. Roda air turbin Kaplan menyerupai baling-baling pada kipas angin.
7. Turbin Francis (turbin reaksi)
Turbin Francis atau turbin reaksi paling banyak dipakai di Indonesia. Turbin ini dipakai untuk tinggi terjun sedang, yaitu antara 20-400 meter. Teknik mengkonversikan energi potensial air menjadi sebuah energi mekanik yaitu pada roda air turbin dijalankan melalui proses reaksi sehingga turbin Francis juga disebut sebagai turbin reaksi.
8. Turbin Pelton (turbin impuls)
Turbin Pelton atau turbin impuls adalah turbin untuk tinggi terjun yang sangat tinggi, yaitu di atas 300 meter. Teknik mengkonversikan energi potensial air menjadi sebuah energi mekanik yaitu pada roda air turbin dijalankan melalui proses impuls sehingga turbin Pelton juga disebut sebagai turbin impuls.
Untuk semua macam jenis turbin air di atas tersebut, ada katup pengatur yang akan mengatur banyaknya air yang akan dialirkan ke roda air. Dengan pengaturan air ini, daya turbin bisa diatur. Di depan katup pengatur terdapat katup utama yang harus ditutup jika turbin air dihentikan untuk melakukan pekerjaan pemeliharaan atau perbaikan pada turbin.
Jika terjadi gangguan listrik yang membuat 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 membuat gelombang air membalik yang dalam bahasa Inggris berarti water hammer (palu air).
Water hammer ini menimbulkan pukulan mekanis pada pipa pesat ke arah atas (hulu) yang kemudian diredam dalam tabung peredam (surge tank).
9. Generator
Generator dihubungkan ke sebuah turbin dengan bantuan poros dan juga gearbox. Memanfaatkan perputaran dari turbin untuk memutar kumparan angker yang ada didalam generator. Sehingga akan terjadi perubahan fluks yang kemudian membangkitkan arus AC pada sisi statornya.
10. Trafo (transformator)
Dipakai untuk menaikan tegangan arus bolak balik (AC) agar listrik tidak banyak yang terbuang ketika ditransmisikan (disalurkan). Trafo yang dipakai adalah trafo yang ber-jenis step up.
11. Transmisi
Yaitu berguna untuk mengalirkan arus listrik dari PLTA ke rumah – rumah atau industri. Sebelum listrik kita gunakan tegangannya akan turunkan lagi menggunakan trafo step down.
E. Jenis PLTA
1. PLTA jenis terusan air (water way)
Pusat listrik yang memiliki tempat ambil air (intake) di hulu sungai dan mengalirkan air ke hilir melewati terusan air dengan kemiringan (gradient) yang agak kecil. Tenaga listrik dihasilkan dengan cara memanfaatkan tinggi terjun dan kemiringan sungai.
2. PLTA jenis DAM / bendungan
Pembangkit listrik dengan bendungan yang melintang di sungai, pembuatan bendungan ini dimaksudkan untuk menaikkan permukaan air pada bagian hulu sungai. Maksudnya yaitu untuk membangkitkan energi potensial yang lebih besar sebagai pembangkit listrik.
3. PLTA jenis DAM dan terusan
Pusat listrik yang memakai gabungan dari dua jenis sebelumnya, jadi energi potensial yang didapat dari bendungan dan terusan.
F. Klasifikasi PLTA
1. Berdasarkan tujuan
Hal ini disebabkan karena fungsi yang berbeda-beda misalnya untuk men supply air, irigasi, kontrol banjir dan lain sebagainya, disamping tujuan utamanya yaitu tenaga listrik.
2. Berdasarkan keadaan hidraulik
Suatu dasar klasifikasi pada pembangkit listrik tenaga air adalah memperhatikan prinsip dasar hidraulika ketika perencanaannya.
Ada empat jenis pembangkit yang memakai prinsip ini. Yaitu:
● Pembangkit listrik tenaga air konvensional yaitu pembangkit yang memakai kekuatan air secara wajar yang didapat dari pengaliran air dan sungai.
● Pembangkit listrik dengan pemompaan kembali air ke kolam penampungan yaitu pembangkitan yang memakai konsep perputaran kembali air yang sama dengan memakai pompa. Yang dilakukan ketika pembangkit melayani permintaan tenaga listrik yang tidak begitu berat.
● Pembangkit listrik tenaga air pasang surut yaitu sebuah gerakan naik dan turun air laut yang menunjukkan adanya sumber tenaga yang tidak terbatas dan terus menerus. Gambaran siklus air pasang adalah perbedaan naiknya permukaan air pada saat air pasang dan ketika air surut. Air pada saat pasang berada pada tingkatan yang tinggi dan bisa disalurkan ke dalam kolam untuk disimpan pada tingkatan tinggi tersebut. Air akan dialirkan kelaut pada saat surut melalui turbin-turbin.
● PLTA yang ditekan yaitu dengan cara mengalihkan sebuah sumber air yang besar seperti pada air laut yang masuk ke dalam sebuah penurunan topografis yang alamiah. Yang didistribusikan dalam pengoperasian ketinggian tekanan air untuk membangkitkan (menghasilkan) tenaga listrik.
3. Berdasarkan sistem pengoperasian
Pengoperasian bekerja dalam hubungan penyediaan tenaga listrik sesuai dengan permintaan, atau pengoperasian bisa berbentuk suatu kesatuan sistem kisi-kisi yang memiliki banyak unit.
4. Berdasarkan lokasi kolam penyimpanan dan pengatur
Kolam yang dilengkapi dengan konstruksi bendungan/tanggul. Kolam tersebut dibutuhkan waktu terjadi pengaliran tidak sama untuk kurun waktu lebih dari satu tahun. Tanpa kolam penyimpanan, pembangkit/instalasi dipakai dalam pengaliran keadaan normal.
5. Berdasarkan Lokasi dan Topografi
Instalasi pembangkit bisa berlokasi didaerah pegunungan atau dataran. Pembangkit di pegunungan biasanya pada bangunan utamanya berupa bendungan dan pada daerah dataran berupa tanggul.
6. Berdasarkan Kapasitas PLTA
● Pembangkit listrik yang paling kecil yaitu hanya sampai dengan : 100 kW
● Kapasitas PLTA yang terendah yaitu sampai dengan : 1000 kW
● Kapasitas menengah PLTA yaitu sampai dengan : 10000 kW
● Kapasitas tertinggi yaitu diatas : 10000 kW
7. Berdasarkan ketinggian tekanan air
● PLTA dengan tekanan air rendah yaitu kurang dari: dibawah 15 m
● PLTA dengan tekan air menengah yaitu berkisar :15 m – 70 m
● PLTA dengan tekanan air tinggi yaitu berkisar :71 m – 250 m
● PLTA dengan tekanan air yang sangat tinggi yaitu: diatas 250 m
8. Berdasarkan bangunan / konstruksi utama
● Pembangkit listrik pada sebuah aliran sungai, pemilihan lokasi yang harus menjamin bahwa pengalirannya akan tetap normal dan juga tidak mengganggu bahan-bahan konstruksi pada pembangkit listrik. Dengan begitu pembangkit listrik meski sudah memiliki kolam cadangan untuk penyimpanan air yang besar, juga memiliki sebuah saluran pengatur jalannya air dari kolam penyimpanan.
● Pembangkit listrik dengan bendungan yang terdapat di lembah, maka bendungan itu merupakan lokasi utama dalam membuat sebuah kolam penampung cadangan air, dan juga konstruksi bangunan yang terletak pada sisi tanggul.
● Pembangkit listrik tenaga air dengan pengalihan terusan, aliran air yang dialirkan melewati sebuah terusan ke konstruksi bangunan yang lokasinya cukup jauh dari kolam penyimpanan. Air dari lokasi bangunan dikeringkan ke dalam sungai semula dengan suatu pengalihan aliran air.
Pembangkit listrik tenaga air dengan pengalihan ketinggian, tekanan air dialirkan lewat sebuah sistem terowongan dan terusan yang akan menuju kolam cadangan diatas, atau aliran lain lewat lokasi bangunan ini.
G. Kelebihan dan Kekurangan PLTA
1. Kelebihan PLTA
● Biaya operasi yang relatif ringan, karena sebuah PLTA tidak membeli bahan bakar seperti pada PLTU yang harus selalu membeli minyak bumi atau batubara. Dan hanya air yang diambil dari sungai untuk memutar turbin yang kemudian dikembalikan lagi.
● Lebih ramah lingkungan, karena tidak dihasilkan gas atau limbah buangan dalam proses produksinya.
● Perawatan yang mudah, hanya membersihkan sampah yang terdapat pada air bendungan.
● Waktu startingnya yang cepat, untuk mencapai daya listrik keluaran yang diinginkan (nominal) sangatlah cepat.
● Efisiensi yang tinggi
2. Kekurangan / kerugian PLTA
● Biaya pembangunan yang relatif besar, sebagian besar untuk pembangunan infrastruktur PLTA.
● Lokasi PLTA jauh dari beban atau jauh dari kota, harus dekat dengan sumber air.
● Operasinya tergantung pada ketersediaan sumber air. Bila musim kemarau kadang kala tidak bisa beroperasi.
● Membutuhkan area yang cukup luas, karena membutuhkan tempat untuk menampung air sementara (waduk)
Ringkasan
Pembangkit listrik tenaga air (PLTA) adalah salah satu sumber energi listrik yang memanfaatkan air sebagai sumber listrik. Energi listrik yang dibangkitkan atau dihasilkan ini biasa disebut hidroelektrik. Pembangkit ini juga merupakan salah satu sumber energi listrik utama yang ada di negara kita Indonesia.
Komponen-komponen pada PLTA yaitu : Dam, pipa pesat, turbin, generator, trafo, transmisi. Untuk bisa menghasilkan energi listrik dari air, harus melewati beberapa tahapan perubahan energi yaitu dari: energi potensial, energi kinetik, energi mekanik, energi listrik.
