BAB II DASAR TEORI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR PUMPED STORAGE 2.1 Pengertian PLTA Pumped Storage Pembangkit Listrik Tenaga Pompa (Pumped Storage) adalah sebuah tipe khusus dari pembangkit listrik konvensional.dimana keistimewaan dari pembangkit listrik ini terletak pada keadaannya apabila pembangkit demikian tidak memproduksi tenaga listrik, maka dapat dipergunakan sebagai stasiun pompa yang memompa air dari waduk bawah ke waduk atas saat cadangan air tinggi, Pada saat demikian, stasiun pembangkit mempergunakan persediaan tenaga listrik untuk dialirkan ke unit pompa. 2.2 Prinsip Pembangkitan Listrik Tenaga Air Pembangkit listrik tenaga air memiliki tiga komponen utama yaitu air (sumber energi), turbin dan generator.air yang mengalir dengan kapasitas tertentu disalurkan dengan ketinggian tertentu menuju rumah pembangkit. Di rumah pembangkit air akan menumbuk turbin dimana turbin sendiri dipastikan akan menerima energi air tersebut dan mengubahnya menjadi energi mekanik berupa berputarnya poros turbin. Poros yang berputar ditransmisikan ke generator dengan menggunakan kopling, dan dari generator akan menghasilkan energi listrik yang akan masuk ke sistem kontol. Energi yang dibangkitkan dapat digunakan secara langsung, disimpan dalam baterai ataupun digunakan untuk memperbaiki kualitas listrik pada jaringan. 6
Sebagaimana yang dapat dipahami adalah daya yang dihasilkan adalah hasil kali dari tinggi jatuh dan debit air, oleh karena itu berhasilnya pembangkitan tenaga air tergantung daripada usaha untuk mendapatkan tinggi jatuh air dan debit yang besar secara efektif dan ekonomis. Gambar 2.1 Pusat Pembangkit Listrik Tenaga Air Pada Umumnya 2.3 Prinsip Pembangkitan Listrik Tenaga Air Pumped Storage Secara teknis,plta Pompa memiliki dua buah waduk, yaitu waduk bawah dan waduk atas, waduk ini berfungsi menampung air sebagai cadangan pada saat dibutuhkan untuk membangkitkanenergi listrik. Pada saat beban listrik rendah, pompa akan berfungsi untuk memompa air dari waduk bawah ke waduk atas dan juga sebaliknya, pada saat beban puncak air yang berada pada waduk atas akan dijatuhkan melalui pipa pesat hingga menuju turbin, lalu turbin akan memutar poros generator hingga menghasilkan energi listrik seperti yang ditunjukkan pada Gambar di bawah ini. 7
Gambar 2.2 Prinsip Kerja PLTA Pompa Untuk menghitung daya listrik sebelum masuk ke turbin atau daya teoritisnya dalam satuan kw dapat menggunakan rumus di bawah ini : : P = 9,8 x Q x h ( kw ) ( 2.1 ) Dimana : P = Daya Teoritis ( kw ) k = Konstanta ( 9,8 m/detik 2 ) Q = Debit air ( m 3 / detik ) h = Tinggi jatuh air ( meter ) Dengan menggunakan efisiensi Turbin η Turbin ( η T ), maka didapatkan daya mekanik turbin dengan persamaan dibawah ini : P = 9,8 x Q x h x η T ( kw ) ( 2.2 ) Untuk mendapatkan daya keluaran generator perlu mempertimbangkan efisiensi generator η Generator ( η G )sesuai persamaan dibawah ini : P = 9,8 x Q x h x η G x η T ( kw ).. ( 2.3 ) Pada umumnya Daya keluaran generator disebut juga sebagai daya keluaran dari PLTA tersebut. 8
Pembangkitan energi per tahun dapat dihasilkan dari perhitungan hasil perkalian jumlah daya dibangkitkan (kw) dengan waktu yang diperlukan (t) selama satu tahun (8760 jam) dengan factor daya (PF). Secara teori dapat dipergunakan persamaan : E = P x 8760 x PF (kwh) ( 2.4 ) Dimana : E = Energi per tahun ( kwh ) P = Kapasitas Terpasang ( Kw ) PF = Faktor Daya 8760 = Waktu pembangkitan dalam satu tahun Bilamana satuan waktu yang ditentukan adalah satu bulan maka (t) adalah 30 hari x 24 jam = 720 jam, sedangkan bilamana satuan waktu itu ditentukan dalam satu tahun, maka (t) adalah 365 hari x 24 jam = 8760 jam.dan untuk faktor daya yang digunakan bisa dimisalkan 70 %. 2.4 Komponen komponen PLTA Secara garis besar komponen kompnen PLTA berupa waduk, valve chamber, surge tank, pipa pesat (penstock), Pompa, turbin, generator, dan transmisi. Adapun penjelasan beberapa macam komponen PLTA tersebut disajikan dalam penjelasan berikut ini : 2.4.1 Waduk / Bendungan (Dam) Dam berfungsi untuk menampung air dalam jumlah besar karena turbin memerlukan pasokan air yang cukup dan stabil.selain itu dam juga berfungsi untuk pengendalian banjir. 2.4.2 Saluran Penyadap (Intake) 9
Saluran penyadap adalah bagian dari konstruksi sipil yang digunakan untuk masuknya air dari danau menuju bak penenang dengan dilengkapi penghalang sampah. 2.4.3 Saluran Pembawa (Head Race Tunnel) Saluran pembawa berfungsi untuk mengalirkan air dari intake sampai ke bak penenang. Perencanaan saluran penghantar berdasarkan pada kriteria: nilai ekonomis yang tinggi, Efisiensi fungsi, Aman terhadap tinjauan teknis, Mudah pengerjaannya, Mudah pemeliharaannya, Struktur bangunan yang memadai, dan Kehilangan tinggi tekan (head losses) yang kecil. 2.4.4 Kolam Penenang (Forebay Tank) Kolam penenang berfungsi untuk mengendapkan dan menyaring kembali air agar kotoran tidak masuk dan merusak turbin. Selain itu kolam penenang ini juga berfungsi untuk menenangkan aliran air yang akan masuk ke dalam pipa pesat. 2.4.5 Pintu Pengatur (Valve Chamber) Pintu pengatur berfungsi untuk mengatur volume air yang akan masuk dari kolam penenang ke pipa pesat. 2.4.6 Pipa Pesat (Penstock) Pipa pesat (penstock) adalah pipa yang yang berfungsi untuk mengalirkan air dari bak penenang (forebay tank). 2.4.7 Pipa Penghisap Pipa penghisap digunakan untuk mengalirkan air dari waduk bawah ke waduk atas dengan menggunakan pompa. 10
2.4.8 Pompa (Pumped) Pompa berfungsi untuk memompa air dari waduk bawah ke waduk atas. 2.4.9 Rumah Pembangkit (Power House) Pada rumah pembangkit ini terdapat turbin, generator dan peralatan lainnya.bangunan ini menyerupai rumah dan diberi atap untuk melindungi peralatan dari hujan dan gangguan-gangguan lainnya. 2.4.10 Saluran Buang (Tail Race) 2.4.11 Turbin Saluran buang berfungsi mengalirkan air keluar setelah memutar turbin. 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. Turbin terdiri dari berbagai jenis seperti turbin Francis, Kaplan, Pelton, dan lain-lain. 2.4.11.1 Pengelompokkan Turbin Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi. Turbin Impuls Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah 11
menjadi energi kecepatan. Adapun jenis jenis turbin impuls adalah sebagai berikut : a. Turbin Pelton Turbin Pelton adalah Turbin yang digunakan 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 disebut juga sebagai turbin impuls. Gambar 2.3 Turbin Pelton b. Turbin Turgo Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbin pelton, turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda.dan kecepatan putar turbin turgo lebih besar dari turbin Pelton, akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan. 12
Gambar 2.4 Turbin Turgo c. Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow (Turbin Michell- Banki) Turbin cross-flow merupakan jenis turbin yang dikembangkan oleh Anthony Michell (Australia), Donat Banki (Hongaria) dan Fritz Ossberger (Jerman).Michell memperoleh hak paten atas desainnya pada 1903. Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 liter/s hingga 10 m3/s dan head antara 1 m s/d 200 m. Turbin crossflow menggunakan nozle persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Gambar 2.5 Turbin crossflow 2..Turbin Reaksi 13
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. a. Turbin Francis Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian keluar.turbin Francis menggunakan sudu pengarah.sudu pengarah mengarahkan air masuk secara tangensial. Sudu pengarah pada turbin francis dapat merupakan suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Untuk penggunaan pada berbagai kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan yang tepat. Gambar 2.6 Turbin Francis 14
b. Turbin Kaplan & propeller Turbin Kaplan dan propeller merupakan turbin rekasi aliran aksial.turbin ini tersusun dari propeller seperti pada perahu.propeller tersebut biasanya mempunyai tiga hingga enam sudu. Gambar 2.7 Turbin Kaplan Diagram klasifikasi turbin air dapat dilihat pada gambar dibawah ini. 2.4.11.2 Pemilihan Turbin Daerah aplikasi berbagai jenis turbin air relatif spesifik. Pada beberapa daerah operasi memungkinkan digunakan beberapa jenis turbin. Pemilihan jenis turbin pada daerah operasi yang overlaping ini memerlukan perhitungan yang lebih mendalam. 15
Gambar 2.8 Grafik Klasifikasi turbin Aplikasi penggunaan turbin berdasarkan tinggi head yang didapatkan adalah sebagai berikut ini : 1) Turbin Kaplan & Propeller : 2 < H <20 meter 2) Turbin Francis : 10< H <350 meter 3) Turbin Pelton : 50 <H <1000 meter 4). Turbin Turgo : 50 < H < 250 meter 5). Turbin Michell-Banki : 6< H <100 meter 2.4.11.3 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 Faktor daya (power) yang diinginkan berkaitan dengan head 16
dan debit yang tersedia. 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 operasi pada head tinggi, sementara turbin propeller sangat efektif beroperasi pada head rendah. Kecepatan (putaran) turbin yang 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 : NN SS = NNNN PP rrrrrr. ( 2.5 ) HH5/4 Dimana : NS = kecepatan spesifik N = kecepatan putaran turbin (rpm) P = maksimum turbin output (kw) H = head efektif (m) Kecepatan spesifik setiap turbin memiliki kisaran (range) tertentu berdasarkan data eksperimen.kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air ditunjukkan pada Tabel 2.1. 17
Tabel 2.1 Kecepatan Spesifik Beberapa Turbin Turbin Pelton Turbin Francis 12 Ns 25 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. Dengan mengetahui besaran kecepatan spesifik maka dimensi dasar turbin dapat diestimasi (diperkirakan). 2.4.12 Generator Generator dihubungkan ke turbin dengan bantuan poros dan gearbox, memanfaatkan perputaran turbin untuk memutar kumparan magnet didalam generator sehingga terjadi pergerakan elektron yang membangkitkan arus AC. Hampir semua energi listrik dibangkitkan dengan menggunakan mesin sinkron.generator sinkron (sering disebut alternator) adalah mesin sinkron yang digunakan untuk mengubah daya mekanik menjadi daya listrik.generator sinkron dapat berupa generator sinkron tiga fasa atau generator sinkron AC satu fasa tergantung dari kebutuhan. 18
Gambar 2.9 Komponen Generator Dalam PLTA 2.4.13 Jaringan Distribusi Jaringan distribusi terdiri dari kawat penghantar, tiang, isolator dan transformator. Jaringan tersebut dapat menggunakan kawat penghantar berbahan aluminium atau bahan campuran lain. Pada jaringan distribusi tegangan rendah biasanya digunakan kawat penghantar berisolasi. Tiang pada saluran distribusi dapat berupa tiang baja, beton atau kayu.isolator digunakan untuk memisahkan bagian-bagian yang aktif atau bertegangan jika penghantar yang digunakan merupakan konduktor tanpa isolasi. 2.5 Ekonomi Pembangkit Dalam pembahasan aspek ekonomi pembangkit mempertimbangkan biaya modal, biaya bahan bakar, biaya operasi dan pemeliharaan yang dijumlah menjadi biaya pembangkitan total.adapun faktor utama yang mempengaruhi pertimbangan ekonomis adalah besarnya biaya modal dalam jangka waktu atau dalam masa operasi pembangkit.dalam mempertimbangkan hal di atas, maka dapat ditentukan kelayakan satu teknologi pembangkit dari sisi ekonomi. 2.5.1 Harga Energi Listrik Tiap pembangkit listrik mempunyai harga energi listrik yang berbeda beda yang besarnya bervariasi tergantung pada biaya pembangunan, perawatan, dan biaya operasi dari pembangkit listrik tersebut. Secara umum harga energi yang dihasilkan suatu pembangkit listrik dihitung dengan parameter parameter yang diperlukan, yaitu : biaya pembangkitan per kw, biaya pengoperasian per kw, biaya perawatan per kwh, suku bunga, depresiasi, umur operasi, dan daya 19
yang dibangkitkan.dengan parameter parameter seperti yang tersebut di atas, maka dapat dihitung harga energi listrik per kwh yang dibangkitkan oleh suatu pembangkit tenaga listrik.tinjauan opsi energi dari aspek ekonomi pada pembahasan ini didasarkan atas biaya modal pembangkitan yang dikeluarkan dalam pemanfaatan energi alternatif menjadi energi listrik, yaitu biaya pembangkitan dan harga energi. Metode perhitungan yang digunakan adalah metode perhitungan biaya pembangkitan tahunan, terdiri dari tiga komponen biaya, yaitu : biaya investasi modal (capital cost), biaya bahan bakar (fuel cost), serta biaya operasi dan perawatan (O & M cost). 2.5.1.1 Biaya Investasi Modal ( Capital Cost ) Biaya modal per tahun adalah biaya investasi pembangunan pembangkit tenaga listrik yang dipengaruhi oleh faktor suku bunga dengan faktor penyusutan atau depresiasi. Dapat ditentukan dengan rumus : CC = biayapembangunan kapasitaspembangkit CRF jumlahpembangkitnettotenagalistrik ( 2.6 ) Dimana : CC = Biaya Investasi Modal / Capital cost CRF = i(1+i) n (1+i) n 1.(2.7 ) Untuk : CRF = Faktor Pengembalian Modal (Capital Recovery Factor) i = Tingkat suku bunga (%) n = Umur pembangkit (Tahun) 20
Yang termasuk didalam biaya modal adalah :Biaya pekerjaan survey, Biaya pekerjaan sipil, Biaya pekerjaan mekanikal dan elektrikal, Biaya pekerjaan jaringan distribusi, Biaya tidak langsung (biaya tak terduga). 2.5.1.2 Biaya Bahan Bakar (Fuel Cost) Biaya operasi ini merupakan biayayang hanya dikeluarkan apabila pusat pembangkit dioperasikan untuk membangkitkan tenaga listrik.biaya operasi ini merupakan biaya yang digunakan pada PLTU, PLTD, PLTG, PLTGU, akan tetapi pada PLTA, biaya bahan bakar (Fuel Cost) dianggaptidak ada. 2.5.1.3 Biaya Operasi dan pemeliharaan (Operational and Maintenance Cost) Biaya ini harus tetap dikeluarkan meskipun peralatan peralatan di pusat pembangkit tidak sedang beroperasi. Biaya operasional dan maintenance ini merupakan biaya untuk perawatan pusat pembankit dan juga biaya tenaga kerja yang mengoperasikan dan merawat pusat pembangkit. Jadi, besar biaya total pembangkitannya dapat dihitung dengan : Keterangan: TC = CC + FC + O&M.. ( 2.8 ) TC CC FC O&M = Total Cost (US$ / kw) = Capital Cost(US$ / kw) = Fuel Cost(US$) = Biaya Operasi dan Perawatan (US$ / kw) 2.5.2 Harga Pokok Produksi (HPP) 21
Harga pokok produksi adalah besarnya biaya yang dikeluarkan untuk memproduksi energi dari pengoperasian suatu sistem pembangkit, hal ini di perlukan untuk mengetahui apakah produksi listriknya lebih murah atau lebih mahal. Harga pokok produksi (HPP) per kwh dapat dihasilkan dengan menghitung semua biaya modal (Cannual) per tahun, biaya operasi dan pemeliharaan (O+M) per tahun suatu pembangkit dibagi dengan produksi energi per tahun (8760 jam) kwh. Secara teori dapat dihitung dengan persamaan : HHHHHHHHHHHHHHHHHH = BBBBBBBBBB MMMMMMMMMM+( OO+MM )/tttt EEEEEEEEEEEE PPPPPP tttttttttt xxxxxxxxxxxxxx. ( 2.9 ) 2.5.3 Waktu Pengembalian Modal (Payback Periode) Waktu pengembalian modal / Payback periode dapat diartikan dengan lamanya waktu yang dibutuhkan untuk mengembalikan biaya investasi / modal.semakin pendek payback period dari periode yang disyaratkan perusahaan, maka proyek investasi tersebut dapat diterima. Paybackperiode = InvestmentCost AnnualCIF x1tahun.. ( 2.10 ) Dimana Investment Costadalah modal / investasi awal dari sebuah proyek dan Annual CIF adalah pemasukan / penerimaan dana per tahun. Payback periode tidak boleh melebihi jangka waktu yang disyaratkan. 22