KODIKLAT TNI ANGKATAN DARAT LEMBAGA PENGKAJIAN TEKNOLOGI 1 MAKALAH ENERGI ALTERNATIF HYDROPOWER BAB I PENDAHULUAN 1. Umum. Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat, karena pada air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik (pada air mengalir). Tenaga air (Hydropower) adalah energi yang diperoleh dari air yang mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran air di sungai. Sejak awal abad 18 kincir air banyak dimanfaatkan sebagai penggerak penggilingan gandum, penggergajian kayu dan mesin tekstil. Memasuki abad 19 turbin air mulai dikembangkan. Aliran sungai dengan sejumlah anak sungainya dibendung dengan sebuah Dam. Airnya ditampung dalam waduk yang kemudian dialirkan melaui Pintu Pengambilan Air (Intake Gate) yang selanjutnya masuk ke dalam Terowongan Tekan (Headrace Tunnel). Sebelum memasuki Pipa Pesat (Penstock), air harus melewati Tangki Pendatar (Surge Tank) yang berfungsi untuk mengamankan pipa pesat apabila terjadi tekanan kejut atau tekanan mendadak yang biasa disebut sebagai pukulan air (water hammer) saat Katup Utama (Inlet Valve) ditutup seketika. Setelah Katup Utama dibuka, aliran air memasuki Rumah Keong (Spiral Case). Aliran air yang bergerak memutar Turbin dan dari turbin, air mengalir keluar melalui Pipa Lepas (Draft Tube) dan selanjutnya dibuang ke Saluran Pembuangan (Tail Race). Poros turbin yang berputar tersebut dikopel dengan poros Generator sehingga menghasilkan energi listrik. Melalui Trafo Utama (Main Transformer), energi listrik disalurkan melewati Saluran Udara Tegangan Tinggi (SUTT) 70 kv ke konsumen melalui Gardu Induk.
2 2. Maksud dan Tujuan. a. Maksud. Melaksanakan praktek energi alternatif tentang energi hydropower. b. Tujuan. Siswa mampu mengidentifikasi nama-nama komponen serta cara kerjanya. Sehingga mampu untuk melaksanakan pemeliharaan, perawatan dan memperbaiki apabila terjadi kerusakan. 3. Ruang Lingkup dan Tata Urut. a. Ruang lingkup. Adapun ruang lingkup dalam pembahasan ini adalah hanya pada kendaraan umum yang ada di TNI AD. b. Tata urut. Tata urut pembahasan ini adalah sebagai berikut : 1) BAB I : Pendahuluan 2) BAB II : Kajian Pustaka 3) BAB III : Jenis Jenis PLTA 4) BAB IV : Penutup 5) BAB V : Kesimpulan dan Saran 4. Referensi. 1. [1] Fanchi. John R., Energy Technology and Directions for the Future. Elsevier Academic Press, 2004. 2. [2] Freris. Leon, Infield. David, Renewable Energy in Power Systems. John Wiley & Sons, Ltd, 2008. 3. [3] Boyle. Godfrey, Renewable Energy, Power for a Sustainable Future. Oxford University Press, 1996. 4. [4] Masters. Gilbert M., Renewable and Efficient Electric Power Systems. John Wiley & Sons, Ltd, 2004. 5. [5] http://www.eia.doe.gov/iea/
3 BAB II KAJIAN PUSTAKA 4. Umum. Praktikum Energi Alternatif merupakan materi utama pada proses belajar siswa Diploma 3 Otomotif Ranpurtis. Pada pelaksanaanya sangat menunjang dalam proses belajar mengajar untuk memberikan pemahaman yang lebih mendalam kepada para siswa terhadap materi kuliah yang telah diberikan dalam proses belajar di kelas. Kegiatan ini merupakan suatu praktikum yang dilaksanakan di lapangan, dimana para siswa melaksanakan praktikum Energi Alternatif untuk mempraktekkan teori tentang energi hydropower. Dalam program pendidikan Diploma 3 Kodiklat TNI AD, kegiatan praktikum diberikan dalam rangka mendidik Bintara siswa untuk menguasai ilmu pengetahuan yang sudah ada serta mampu mengembangkan ilmu pengetahuan dan teknologi khususnya di lingkungan Angkatan Darat. Dalam pelaksanaan praktikum ini siswa mempraktekkan beberapa cara kerja materi yaitu Komponen-Komponen PLTA dan fungsinya. 5. Hydropower. Air yang mengalir dari hulu ke hilir. Energi hydropower sangat bergantung dengan curah hujan. Seperti yang kita ketahui, panas matahari menyebabkan air di danau dan lautan menguap dan membentuk awan. Air kemudian jatuh kembali ke bumi sebagai hujan atau salju, dan mengalir ke sungai dan sungai yang mengalir kembali ke laut. Air yang mengalir ini dapat digunakan untuk memutar turbin yang mendorong proses mekanis untuk memutar generator yang dapat menghasilkan listrik. Gambar 1. Hydropower 6. Komponen Hydropower/PLTA.
4 a. BENDUNGAN Bendungan atau dam adalah konstruksi yang dibangun untuk menahan laju air menjadi waduk, danau, atau tempat rekreasi. Bendungan juga digunakan untuk mengalirkan air ke sebuah Pusat Listrik Tenaga Air. Kebanyakan dam juga memiliki bagian yang disebut pintu air untuk membuang air yang tidak diinginkan secara bertahap atau berkelanjutan. Jenis bendungan antara lain: Gambar 2. Bendungan 1. Bendungan Beton : a) Bendungan Gravitasi b) Bendungan Busur c) Bendungan Rongga 2. Bendungan Urugan : a) Bendungan Urugan Batu b) Bendungan Tanah 3. Bendungan Kerangka Baja 4. Bendungan Kayu b. TURBIN
5 Turbin merupakan peralatan yang tersusun dan terdiri dari beberapa peralatan suplai air masuk turbin, diantaranya sudu (runner), pipa pesat (penstock), rumah turbin (spiral chasing), katup utama (inlet valve), pipa lepas (draft tube), alat pengaman, poros, bantalan (bearing), dan distributor listrik. Menurut momentum air turbin dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin reaksi dan turbin impuls. Turbin reaksi bekerja karena adanya tekanan air, sedangkan turbin impuls bekerja karena kecepatan air yang menghantam sudu. Gambar 3. Turbin Prinsip Kerja Turbin Reaksi yaitu Sudu-sudu (runner) pada turbin francis dan propeller berfungsi sebagai sudu-sudu jalan, posisi sudunya tetap (tidak bisa digerakkan). Sedangkan sudu-sudu pada turbin kaplan berfungsi sebagai sudusudu jalan, posisi sudunya bisa digerakkan (pada sumbunya) yang diatur oleh servomotor dengan cara manual atau otomatis sesuai dengan pembukaan sudu atur. Proses penurunan tekanan air terjadi baik pada sudu-sudu atur maupun pada sudu-sudu jalan (runner blade). Prinsip Terja Turbin Pelton berbeda dengan turbin rekasi Sudu-sudu yang berbentuk mangkok berfungsi sebagai sudu-sudu jalan, posisinya tetap (tidak bisa digerakkan). Dalam hal ini proses penurunan tekanan air terutama terjadi didalam sudusudu aturnya saja (nosel) dan sedikit sekali (dapat diabaikan) terjadi pada sudusudu jalan (mangkok-mangkok runner).air yang digunakan untuk membangkitkan listrik bisa berasal dari bendungan yang dibangun diatas gunung yang tinggi,
6 atau dari aliran sungai bawah tanah. Karena sumber air yang bervariasi, maka turbin air didesain sesuai dengan karakteristik dan jumlah aliran airnya. Berikut ini merupakan berbagai jenis turbin yang biasa digunakan untuk PLTA. c. GENERATOR Generator listrik adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari sumber energi mekanis. Generator terdiri dari dua bagian utama, yaitu rotor dan stator. Rotor terdiri dari 18 buah besi yang dililit oleh kawat dan dipasang secara melingkar sehingga membentuk 9 pasang kutub utara dan selatan. Jika kutub ini dialiri arus eksitasi dari Automatic Voltage Regulator (AVR), maka akan timbul magnet. Rotor terletak satu poros dengan turbin, sehingga jika turbin berputar maka rotor juga ikut berputar. Magnet yang berputar memproduksi tegangan di kawat setiap kali sebuah kutub melewati coil yang terletak di stator. Lalu tegangan inilah yang kemudian menjadi listrik. Agar generator bisa menghasilkan listrik, ada tiga hal yang harus diperhatikan, yaitu: Gambar 4. Generator Raksasa 1. Putaran Putaran rotor dipengaruhi oleh frekuensi dan jumlah pasang kutub pada rotor, sesuai dengan persamaan: η = 60. f / P dimana: η : putaran
7 f : frekuensi P : jumlah pasang kutub Jumlah kutub pada rotor di PLTA Saguling sebanyak 9 pasang, dengan frekuensi system sebesar 50 Hertz, maka didapat nilai putaran rotor sebesar 333 rpm. 2. Kumparan Banyak dan besarnya jumlah kumparan pada stator mempengaruhi besarnya daya listrik yang bisa dihasilkan oleh pembangkit 3. Magnet Magnet yang ada pada generator bukan magnet permanen, melainkan dihasilkan dari besi yang dililit kawat. Jika lilitan tersebut dialiri arus eksitasi dari AVR maka akan timbul magnet dari rotor. Sehingga didapat persamaan: E = B. V. L Dimana: E : Gaya elektromagnet B : Kuat medan magnet V : Kecepatan putar L : Panjang penghantar Dari ketiga hal tersebut, yang bernilai tetap adalah putaran rotor dan kumparan, sehingga agar beban yang dihasilkan sesuai, maka yang bisa diatur adalah sifat kemagnetannya, yaitu dengan mengatur jumlah arus yang masuk. Makin besar arus yang masuk, makin besar pula nilai kemagnetannya, sedangkan makin kecil arus yang masuk, makin kecil pula nilai kemagnetannya. Menurut jenis penempatan thrust bearingnya, generator dibedakan menjadi empat, yaitu:
8 1. Jenis biasa thrust bearing diletakkan diatas generator dengan dua guide bearing. 2. Jenis Payung (Umbrella Generator) thrust bearing dan satu guide bearing diletakkan dibawah rotor. 3. Jenis setengah payung (Semi Umbrella Generator) kombinasi guide dan thrust bearing diletakkan dibawah rotor dan second guide bearing diletakkan diatas rotor. 7. Cara Energi Hydropower/PLTA Aliran sungai dengan sejumlah anak sungainya dibendung dengan sebuah Dam. Airnya ditampung dalam waduk yang kemudian dialirkan melaui Pintu Pengambilan Air (Intake Gate) yang selanjutnya masuk ke dalam Terowongan Tekan (Headrace Tunnel). Sebelum memasuki Pipa Pesat (Penstock), air harus melewati Tangki Pendatar (Surge Tank) yang berfungsi untuk mengamankan pipa pesat apabila terjadi tekanan kejut atau tekanan mendadak yang biasa disebut sebagai pukulan air (water hammer) saat Katup Utama (Inlet Valve) ditutup seketika. Setelah Katup Utama dibuka, aliran air memasuki Rumah Keong (Spiral Case). Aliran air yang bergerak memutar Turbin dan dari turbin, air mengalir keluar melalui Pipa Lepas (Draft Tube) dan selanjutnya dibuang ke Saluran Pembuangan (Tail Race). Poros turbin yang berputar tersebut dikopel dengan poros Generator sehingga menghasilkan energi listrik. Melalui Trafo Utama (Main Transformer), energi listrik disalurkan melewati Saluran Udara Tegangan Tinggi (SUTT) 70 kv ke konsumen melalui Gardu Induk. Komponen kompnen dasar PLTA berupa dam, turbin, generator dan transmisi. 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. contoh waduk Jatiluhur yang berkapasitas 3 miliar kubik air dengan volume efektif sebesar 2,6 miliar kubik. Turbin berfungsi untuk mengubah energi potensial menjadi energi mekanik. gaya jatuh air yang mendorong baling-baling menyebabkan turbin berputar. Turbin air kebanyakan seperti kincir angin, dengan menggantikan fungsi dorong angin untuk memutar baling-baling digantikan air untuk memutar turbin.
9 Perputaran turbin ini di hubungkan ke generator. Turbin terdiri dari berbagai jenis seperti turbin Francis, Kaplan, Pelton, dll. 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. Travo digunakan untuk menaikan tegangan arus bolak balik (AC) agar listrik tidak banyak terbuang saat dialirkan melalui transmisi. Travo yang digunakan adalah travo step up. Transmisi berguna untuk mengalirkan listrik dari PLTA ke rumah rumah atau industri. Sebelum listrik kita pakai tegangannya di turunkan lagi dengan travo step down. BAB III JENIS JENIS PLTA 8. Jenis Jenis PLTA Potensi tenaga air didapat pada sungai yang mengalir di daerah pegunungan. Untuk dapat memanfaatkan potensi dari sungai ini, maka kita perlu
10 membendung sungai tersebut dan airnya disalurkan ke bangunan air PLTA. Ditinjau dari cara membendung air, PLTA dapat dibagi menjadi 2 kategori yaitu : 1. PLTA run off river 2. PLTA dengan kolam tando (reservoir) Pada PLTA run off river, air sungai dialihkan dengan menggunankan dam yang dibangun memotong aliran sungai. Air sungai ini kemudian disalurkan ke bangunan air PLTA.Pada PLTA dengan kolam tando (reservoir), air sungai dibendung dengan bendungan besar agar terjadi penimbunan air sehingga terjadi kolam tando. Selanjutnya air di kolam tando disalurkan ke bangunan air PLTA. Dengan adanya penimbunan air terlebih dahulu dalam kolam tando, maka pada musim 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 daripada kapasitas penyaluran air bangunan air PLTA, selisih kekurangan air ini dapat diatasi 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. Pada PLTA run off river, daya yang dapat dibangkitkan tergantung pada debit air sungai, tetapi PLTA run off river biaya pembangunannya lebih murah daripada 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. 9. PRINSIP PLTA DAN KONVERSI ENERGI Pada prinsipnya PLTA mengolah energi potensial air diubah menjadi energi kinetis dengan adanya head, lalu energi kinetis ini berubah menjadi energi mekanis dengan adanya aliran air yang menggerakkan turbin, lalu energi mekanis ini berubah menjadi energi listrik melalui perputaran rotor pada generator. Jumlah energi listrik yang bisa dibangkitkan dengan sumber daya air
11 tergantung pada dua hal, yaitu jarak tinggi air (head) dan berapa besar jumlah air yang mengalir (debit). Untuk bisa menghasilkan energi listrik dari air, harus melalui beberapa tahapan perubahan energi, yaitu: a. Energi Potensial Energi potensial yaitu energi yang terjadi akibat adanya beda potensial, yaitu akibat adanya perbedaan ketinggian. Besarnya energi potensial yaitu: Ep = m. g. h Dimana: Ep : Energi Potensial m : massa (kg) g : gravitasi (9.8 kg/m2) h : head (m) b. Energi Kinetis Energi kinetis yaitu energi yang dihasilkan akibat adanya aliran air sehingga timbul air dengan kecepatan tertentu, yang dirumuskan Ek = 0,5 m. v. v Dimana:Ek : Energi kinetis m : massa (kg) v : kecepatan (m/s) c. Energi Mekanis Energi mekanis yaitu energi yang timbul akibat adanya pergerakan turbin. Besarnya energi mekanis tergantung dari besarnya energi potensial dan energi kinetis. Besarnya energi mekanis dirumuskan: Em = T. ω. t
12 Dimana: Em : Energi mekanis T : torsi ω : sudut putar t : waktu (s) d. Energi Listrik Ketika turbin berputar maka rotor juga berputar sehingga menghasilkan energi listrik sesuai persamaan: El = V. I. t Dimana: El : Energi Listrik V : tegangan (Volt) I : Arus (Ampere) t : waktu (s) BAB IV KESIMPULAN DAN SARAN 10. Kesimpulan. Komponen kompnen dasar PLTA berupa dam, turbin, generator dan transmisi.
13 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. contoh waduk Jatiluhur yang berkapasitas 3 miliar kubik air dengan volume efektif sebesar 2,6 miliar kubik. Turbin berfungsi untuk mengubah energi potensial menjadi energi mekanik. gaya jatuh air yang mendorong baling-baling menyebabkan turbin berputar. Turbin air kebanyakan seperti kincir angin, dengan menggantikan fungsi dorong angin untuk memutar baling-baling digantikan air untuk memutar turbin. Perputaran turbin ini di hubungkan ke generator. Turbin terdiri dari berbagai jenis seperti turbin Francis, Kaplan, Pelton, dll. 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. Travo digunakan untuk menaikan tegangan arus bolak balik (AC) agar listrik tidak banyak terbuang saat dialirkan melalui transmisi. Travo yang digunakan adalah travo step up. Transmisi berguna untuk mengalirkan listrik dari PLTA ke rumah rumah atau industri. Sebelum listrik kita pakai tegangannya di turunkan lagi dengan travo step down. 11. Saran. a. Disarankan agar pada praktek berikutnya alat-alat instruksi maupun peralatan yang lain lebih di penuhi. b. Pada saat praktek faktor keamanan sangat diharapkan karena berhubungan langsung dengan peralatan PLTA.
14 BAB V PENUTUP 12. Penutup.
15 Demikian makalah Energi Alternatif yang kami susun, karena keterbatasan wawasan ilmu pengetahuan penyusun menyadari bahwa masih banyak kekurangan dalam penyusunannya. Oleh karena itu diharapkan saran serta masukan yang bersifat membangun dari semua pihak demi kesempurnaan penyusunan laporan ini. Akhir kata semoga penyusunan laporan ini dapat bermanfaat bagi pembaca pada umumnya dan pada khususnya bagi penulis. KODIKLAT TNI ANGKATAN DARAT LEMBAGA PENGKAJIAN TEKNOLOGI MAKALAH ENERGI ALTERNATIF
16 HYDROPOWER/PLTA Disusun Oleh: Sertu Alex Chandra H (C-20142334-D) JURUSAN TEKNIK OTOMOTIF RANPUR XXIII TA. 2014/2017