6 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
7 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
8 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/detik2) Q = Debit air ( m3 / 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 generatorη
Generator( η
G )sesuai persamaan dibawah ini :P = 9,8 x Q x h x
η
G xη
T ( kW ) ……….. ( 2.3 )9 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.
10 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
11 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)
Saluran buang berfungsi mengalirkan air keluar setelah memutar turbin. 2.4.11 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
12 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
13 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.
14 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.
15 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
16 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
17
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 :
�� =��√��5/4 ��� ……….……… ( 2.5 )
Dimana : NS = kecepatan spesifik
N = kecepatan putaran turbin (rpm)
P = maksimum turbin output (kW)
H = head efektif (m)
18 Tabel 2.1 Kecepatan Spesifik Beberapa Turbin
Turbin Pelton
12 ≤ Ns ≤ 25
Turbin Francis
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
19 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
20 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 ×CRFjumlahpembangkitnettotenagalistrik ……… ( 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 (%)
21 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 :
TC = CC + FC + O&M
…..……… ( 2.8 )Keterangan:
TC = Total Cost (US$ / kW) CC = Capital Cost(US$ / kW) FC = Fuel Cost(US$)
O&M = Biaya Operasi dan Perawatan (US$ / kW)
22 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 :
��������� =����������+( �+� )/��
�������������� ������� ………. ( 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 =
InvestmentCostAnnualCIF
