BAB II PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR 2.1 Dasar Hukum Pengembangan Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) Banyak perusahaan swasta telah memulai usaha di bidang pembangkitan atau lebih dikenal dengan IPP ( Independent Power Producers ), salah satunya dalam pengembangan PLTA. Hal tersebut didorong karena adanya Permen ESDM (Peraturan Menteri Energi Sumber Daya Mineral) No. 04 tahun 2012 di mana tertulis pada pasal 1 bahwa, PT. PLN (Persero) wajib membeli tenaga listrik dari pembangkit tenaga listrik yang menggunakan energi terbarukan skala kecil dan menengah dengan kapasitas sampai dengan 10 MW atau kelebihan tenaga listrik (excess power ) dari badan usaha milik negara, badan usaha milik daerah, badan usaha swasta, koperasi dan swadaya masyarakat guna memperkuat sistem penyediaan energi setempat. Energi terbarukan adalah energi yang berasal dari sumber daya yang tidak akan habis dan tidak terbatas, contohnya energi angin, matahari, tenaga air, dan sampah. Maka dari itu 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, lalu dijatuhkan menuju turbin dan turbin akan memutar generator hingga menghasilkan energi listrik.
2.2 Kelebihan dan Kekurangan PLTA Kelebihan dari PLTA adalah sebagai berikut: a) Mengunakan sumber daya yang terbarukan ( renewable energy ) b) Relatif tidak menimbulkan kerusakan lingkungan c) Tidak memerlukan bahan bakar d) Operasi dan perawatannya relatif lebih mudah e) Pengembangan suatu PLTA dengan memanfaatkan aliran air danau akan memberikan manfaat atau keuntungan dari segi lainnya, seperti pariwisata, perikanan, persediaan air bersih, irigasi, dan pengendalian banjir. f) Turbin PLTA dapat dioperasikan atau dihentikan pengoperasiannya setiap saat. Hal yang tidak dapat dilakukan pada pembangkit lain karena akan mengakibatkan pemborosan dalam pemakaian bahan bakar. g) Dengan kemampuannya untuk melepaskan dan memikul beban, PLTA dapat difungsikan sebagai cadangan yang dapat diandalkan pada sistem kelistrikan terpadu antara PLTA, PLTU, PLTN, dan lain-lain. h) Air yang digunakan tidak hilang, melainkan langsung dikembalikan ke sungai asalnya, sehingga tidak mengganggu daerah hilir sungai. Kekurangan dari PLTA adalah: a) Pembangunannya memerlukan dana yang cukup besar dan pengembalian modal relatif lambat. b) Persiapannya memerlukan waktu yang relatif lama. c) PLTA sangat bergantung pada ketersediaan air sungai atau danau, sehingga harus tetap menjaga daerah tangkapan air. d) PLTA yang menggunakan waduk akan menenggelamkan lahan di sekitar pembangunan waduk tersebut.
e) PLTA danau PLTA jenis ini menggunakan danau sebagai kolam tampungan dan sedimenttrapsehingga dari hulu sungai bisa langsung dipasang penstock menuju power house. 2.3 Prinsip Kerja PLTA Pumped Storage Dalam pembangkit listrik tenaga air, potensi tenaga air dikonversikan menjadi tenaga listrik. Mula mula potensi tenaga air dikonversikan menjadi tenaga mekanik dalam turbin air, kemudian turbin air akan memutar poros generator hingga generator akan membangkitkan energi listrik. Pada asasnya dapat dikemukakan adanya tiga faktor utama dalam penentuan pemanfaatan suatu potensi sumber tenaga air bagi pembangkitan tenaga listrik, diantaranya jumlah air yang tersedia, yang merupakan fungsi dari jatuh hujan atau salju, tinggi terjun yang dapat dimanfaatkan, hal mana tergantung dari topografi daerah tersebut, dan jarak lokasi yang dapat dimanfaatkan terhadap adanya pusat-pusat beban atau jaringan transmisi.pada PLTA Pompa terdapat 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 hingga menuju turbin, lalu turbin akan memutar poros generator hingga menghasilkan energi listrik.
Gambar 2.1 Prinsip Kerja PLTA Pompa Dimana diketahui dari ilmu fisika, setiap benda yang berada di atas permukaan bumi, mempunyai energi potensial yang berbentuk rumus berikut : E P = m x g x h ( 2.1 ) Dimana : E P = Energi Potensial m = massa ( 1000 kg / m 3 ) g = Percepatan gravitasi ( 9,8 m / detik 2 ) h = Tinggi relative terhadap permukaan bumi ( meter ). Dari di atas dapat ditulis bahwa : de = dm x g x h
Bilamana, de merupakan energi yang dibangkitkan oleh elemen massa dm yang melalui jarak h. Bilamana didefinisikan Q sebagai debit air menurut rumus berikut : QQ = dddd dddd Dengan : Q = Debit air dm dt Maka dapat ditulis : = Elemen massa air = Elemen waktu P = de / dt = dm / dt x h atau P = Q x g x h Maka Daya Teoritis yang dihasilkan dalam satuan watt adalah : P = ρ x k xq x. h ( Watt ) Dimana Konstanta k dapar dihitung berdasarkan pengertian bahwa 1 daya kuda= 75 kgm/detik dan 1 daya kuda = 0,736 kw sehingga apabila P ingin dinyatakan dalam kw, Sedangkan tinggi terjun h dinyatakan dalam meter dan debit air dinyatakan dalam m 3 / detik, maka : KKKKKKKKKKKKKKKKKKKK = mm 3 dddddddddd xx 1000 kkkk mm 3 xxxxxx 1 dddd 75 kkkkkk xx 0,736 kkkk dddd = 9,8 dddddd Setelah konstanta k didapatkan 9,8, Maka Besar Daya listrik sebelum masuk ke turbin atau Daya Teoritisnya dalam satuan kw adalah : P = 9,8 x Q x h ( kw ) ( 2.2 )
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 2.3 dibawah ini: P = 9,8 x Q x h x η T ( kw ) ( 2.3 ) Untuk mendapatkan daya keluaran generator perlu mempertimbangkan efisiensi generator η Generator ( η G )sesuai persamaan 2.4 dibawah ini : P = 9,8 x Q x h x η G x η T ( kw ).. ( 2.4 ) Pada umumnya Daya keluaran generator disebut juga sebagai daya keluaran dari PLTA tersebut. 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) ( 2.5 )
Dimana : E = Energi per tahun ( kwh ) P = Kapasitas Terpasang ( Kw ) PF = Faktor Daya 8760 = Waktu pembangkitan dalam satu tahun Jika pada 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 factor daya yang digunakan bisa dimisalkan 70 %. 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. ( 2.6 )
2.4 Infrastruktur Utama Pada Prinsip Kerja PLTA Pumped Storage Infrastruktur utama merupakan bagian penting dalam perencanaan PLTA dengan di perlukannya beberapa parameter seperti debit banjir, debit andalan, keadaan geologi tanah serta data geografis. Infrastruktur utama PLTA pumped storage terdiri dari beberapa bagian, yaitu : Pekerjaan Waduk / Bendungan ( Weir ) Bangunan yang terdapat pada pekerjaan ini adalah bendung dan bangunan intake. Bendung digunakan sebagai pembelok aliran sungai, juga untuk menaikkan tinggi jatuh air, sedangkan intake berfungsi sebagai pintu masuk pengatur jumlah debit air yang masuk kesaluran air dan pintu pertama untuk menghalagi sampah sedimen yang masuk, serta menampung air dalam jumlah besar karena turbin memerlukan pasokan air yang cukup dan stabil. Pekerjaan Saluran Air Pada bagian saluran air terdapat bangunan penangkap pasir/ santrap, saluran penghantar/ headrace/ waterway, bangunan penenang forebay/ headpond dan pipa pesat/ penstock. Biasanya dalam suatu pekerjaan bagian ini adalah yang paling panjang dari yang lainnya. Pada bagian headrace saluran yang didesain dapat berupa saluran terbuka atau tertutup, tergantung pada tofografi, desain dan kebutuhan PLTA. Bangunan sandtrap dan headpond biasanya juga dilengkapi dengan saluran pelimpas/ Spillway.
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. Pipa Pesat ( Penstock ) Pipa pesat (penstock) adalah pipa yang yang berfungsi untuk mengalirkan air dari bak penenang (forebay tank). Perencanaan pipa pesat mencakup pemilihan material, diameter penstock, tebal dan jenis sambungan (coordination point). Pemilihan material berdasarkan pertimbangan kondisi operasi, aksesibility, berat, sistem penyambungan dan biaya. Diameter pipa pesat dipilih dengan pertimbangan keamanan, kemudahan proses pembuatan, ketersediaan material dan tingkat rugi-rugi (fiction losses) seminimal mungkin. Ketebalan penstock dipilih untuk menahan tekanan hidrolik dan surge pressure yang dapat terjadi. Pipa Penghisap Pipa penghisap digunakan untuk mengalirkan air dari waduk bawah ke waduk atas dengan menggunakan pompa. Pompa ( Pumped ) Pompa berfungsi untuk memompa air dari waduk bawah ke waduk atas.
Pembangunan Powerhouse Powerhouse atau rumah turbin merupakan bagian terakhir dari suatu PLTA. Dibangunan ini terdapat turbin air, generator, panel panel listrik dan saluran pembangunan air/ tailrace. Tailrace berguna sebagai bangunan pembuang air kesungai atau saluran irigasi asal setelah air digunakan untuk memutar turbin. Selain powerhouse, juga terdapat bagian transmisi yang letaknya terpisah dengan turbin. Turbin Air Turbin air berperan untuk mengubah energi air (energi potensial, tekanan dan energi kinetik) menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Turbin harus beroperasi dengan baik pada rentang head dan debit yang di rencanakan. Turbin harus aman dan mampu beroperasi stabil pada rentang debit yang ada tanpa mengalami getaran berlebih, tidak bising, tahan korosi, tidak patah dan tahan terhadap keausan.
2.5 Kapasitas Debit dan Tinggi Jatuh Air Penurunan muka air normal Danau Toba terkait pemanfatan air oleh beberapa kegiatan Industri, pertanian dan pariwisata telah menjadi perhatian dari para ilmuan maupun masyarakat, khususnya yang sadar lingkungan. Sudah beberapa penyelidikan dilakukan, maupun penelitian untuk mengetahui berbagai hubungan antara kondisi iklim, alam (land use) dan pemanfaatan air Danau tersebut. Dilakukannya studi analisa kapasitas penyimpanan Catchment area (DTA) Danau Toba sehubungan keterkaitan kemampuan DTA menyimpan air untuk mensuplai kebutuhan terhadap air. Studi ini dilakukan dengan menganalisa data pada wilayah Daerah Tampungan Air Danau Toba seluas km3.584,21 ² selama 15 tahun yaitu periode tahun 1993-2007. Data tersebut berupa data curah hujan (1993-2007), data tinggi muka air, data iklim, dan data debit air yang keluar dari danau ke sungai Asahan serta suplesi air dari regulating Lau Renun yang beroperasi sejak tahun 2006. Analisa Tampungan Penyimpanan Air di Catchment Area Danau Toba dengan menganalisa air yang masuk (inflow) dan air yang keluar (outflow) menggunakan metode perhitungan neraca air (water balance) untuk suatu resevoir. Pada perhitungan yang dilakukan juga digunakan metode F.J. Mock untuk mendapatkan nilai dari variabel yang dibutuhkan pada perhitungan neraca air. Dari hasil analisa curah hujan yang dilakukan, curah hujan sangat dipengaruhi kondisi iklim. Pada perhitungan menunjukkan keadaan tidak stabil, ditandai besarnya fluktuasi curah hujan dan tidak memiliki siklus intensitas curah hujan yang teratur. Kondisi iklim di DTA Danau Toba berpengaruh pada tata guna lahan di DTA Danau Toba. Dari total luas sub catchment Danau Toba yaitu 2471,7969 Km2, yang masih berupa hutan alami hanya sebesar 27,76 %
(652,63 Km2), ± 50% berupa ladang, hutan tanaman industri dan semak belukar, 13,72 % (322,56 Km2) lahan gundul dan ± 10 % sisanya berupa persawahan.dimana tingginya penyinaran dapat terjadi akibat berkurangnya luas lahan untuk hutan sehingga temperatur udara meningkat. Berkurangnya areal hutan yang cukup besar untuk wilayah DTA Danau Toba mengakibatkan sedikitnya air yang tertampung sebagai air cadangan pada saat curah hujan rendah, dan terjadi kehilangan (runoff) cukup besar pada curah hujan tinggi. Potensi Danau Toba dalam memenuhi kebutuhan air sangat besar bila dimanfaatkan dan dikelola secara optimal. Volume tampungan berdasarkan elevasi tertinggi dan terendah yang diizinkan adalah 905 m dpl 902,4 m dpl = 2,6 m, jika dikalikan dengan volume Danau Toba 1112,41 km² maka debit air yang tersedia adalah 2.892.266.000 m³. Catchment area Danau Toba tidak menyimpan air hujan secara optimal, salah satu penyebabnya adalah penggundulan hutan. Kondisi ini merupakan dampak besar menurunnya muka air normal danau akibat berkurangnya daerah resapan di DTA Danau Toba.
Gambar 2.2 Wilayah Infrastruktur Danau Toba 2.6 Manajemen Pemanfaatan Kebutuhan Energi Listrik Untuk menghitung produksi energi yang akan memanfaatkan PLTA Pumped Storage Danau Sidihoni Kabupaten Samosir ini. Manajemen beban diperlukan agar energi listrik yang dihasilkan dapat disalurkan secara merata kepada penduduk yang menjadi sasaran pemanfaatan PLTA Pumped Storage Danau Sidihoni Kabupaten Samosir ini. Dimana energi keluaran dari PLTA Pumped Storage adalah: Daya terpasang x Faktor daya x 12 x 30 Dan kapasitas daya terpasang pada PLTA Pumped Storage sebesar: Daya terpasang (Watt) / Faktor daya