BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA. Fenomena pasang surut diartikan sebagai naik turunnya muka laut secara

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

Beberapa aspek dalam penelitian ini dipaparkan sebagai berikut :

2.1 Pasang Surut Air Laut (Tidal) 2.1.1 Definisi Pasang Surut

Fenomena pasang surut diartikan sebagai naik turunnya muka laut secara berkala akibat adanya gaya tarik benda-benda angkasa terutama matahari dan bulan terhadap massa air di bumi [4]. Pasang surut juga dikenal sebagai gerakan osilasi permukaan air laut secara berkala dan turun naik pada interval yang berbeda-beda [5].

Perbedaan pasang-surut dipengaruhi oleh gaya gravitasi bulan dan matahari. Pada saat bulan purnama air pasang akan lebih tinggi bila dibandingkan saat air pasang ketika matahari bersinar tegak di siang hari. Hal tersebut disebabkan oleh gaya gravitasi bulan lebih kuat daripada gravitasi matahari dikarenakan jarak bulan ke bumi lebih dekat bila dibandingkan dengan jarak matahari ke bumi. Faktor lain yang dapat menyebabkan perbedaan ketinggian pasang surut air laut yaitu gaya sentrifugal dari proses rotasi bumi dan beberapa faktor lokal, seperti adanya resonansi lokal akibat morfologi teluk, pantai dan estuari.

Gambar 2.1 Pasang surut air laut yang dipengaruhi oleh gravitasi bulan dan matahari

Pasang surut sendiri terjadi ketika gelombang yang terbentuk di tengah laut, akibat gravitasi bulan dan matahari, terinterferensi ketika ia mencapai daerah pantai. Hal tersebut menyebabkan terjadinya kenaikan dramatis dari air laut atau yang disebut dengan air pasang.

Secara umum di Indonesia terdapat empat tipe dasar pasang surut yang didasarkan pada periode dan keteraturannya, yaitu pasang-surut harian tunggal (diurnal tide), harian ganda (semidiurnal tide) dan dua jenis campuran. Tipe pasang surut dapat diketahui dengan cara mendapatkan bilangan/ konstanta pasut (Tidal Constant/Form-zahl) yang dihitung dengan menggunakan perbandingan jumlah amplitudo komponen diurnal terhadap amplitudo komponen semidiurnal [6]. Hasil dari nilai F dapat menjadi dasar evaluasi untuk menentukan tipe pasut. Rentang nilai F dapat dilihat pada tabel dibawah ini:

Tabel 2.1 Rentang Nilai F Terhadap Jenis Pasut

NILAI BENTUK

JENIS PASUT FENOMENA

O < F <0.25 Harian ganda 2x pasang sehari dengan tinggi relatif sama

0.25 < F<1.5 Campuran ganda

2x pasang sehari dengan perbedaan tinggi dan interval yang berbeda

1.5 < Ff <3

Campuran tunggal

1 x atau 2 x pasang sehari dengan interval yang berbeda

F > 3 Tunggal

1 x pasang sehari, saat springbisa terjadi 2x pasang sehari

2.2 Pembangkit Listrik Tenaga Pasang Surut (PLTPs)

Energi pasang surut adalah energi yang dihasilkan dari pasang surut air laut dan menjadikannya energi dalam bentuk lain, terutama listrik. Energi pasang surut merupakan salah satu jenis energi terbarukan yang relatif lebih mudah diprediksi jumlahnya dibandingkan energi angin dan energi surya. Pemanfaatannya saat ini belum luas karena tingginya biaya awal dan terbatasnya lokasi yang memiliki pasang surut yang mencukupi. Penelitian dan pengembangan lebih lanjut terus dilakukan untuk meningkatkan efisiensi dan batas kritis energi yang dihasilkannya sehingga didapatkan berbagai metode untuk mengekstraksi energi jenis ini [7].

Dalam sejarahnya, energi pasang surut telah digunakan di Eropa dan pantai timur Amerika Utara dalam bentuk turbin, mengubahnya menjadi energi mekanik dan digunakan untuk menggiling gandum. Baru pada abad ke 19, proses ini digunakan untuk menghasilkan listrik [8].

Air laut merupakan fluida dengan massa jenis yang lebih tinggi, hingga 800 kali udara. Selain itu, sifat fenomena pasang surut yang dapat diprediksi berdasarkan wilayah diikuti dengan pemantauan yang kontinu, mampu menjaga pasokan energi listrik dari pembangkit listrik jenis ini[9].

2.3 Sistem Konversi Energi Pasang Surut

Energi yang dihasilkan dari fenomena pasang surut dapat diperoleh dengan dua cara, energi potensial yaitu gerakan air vertikal yang berhubungan dengan naik turunnya pasang surut, atau energi kinetik yang merupakan hasil dari gerakan horizontal air yang disebut juga sebagai arus pasang surut. Untuk itu, fasilitas listrik tenaga pasang surut dapat dikategorikan menjadi dua jenis yaitu waduk pasang surut (tidal barrages) dan turbin arus pasang surut (tidal stream) [10].

2.3.1 Tidal Barage

Tidal barrage adalah teknologi pemanfaatan tidal dengan menggunakan

barrage atau dam. Energi dihasilkan dari perbedaan tinggi pasang surut laut. Daya

listrik dibangkitkan melalui turbin yang ditempatkan pada bendungan.

Teknologi pembuatan Dam (Barrage tidal system) untuk pembangkit listrik tenaga pasang surut merupakan teknologi paling lama digunakan. DAM ini

dapat dibangun di daerah estuari ataupun di bangun diantara 2 pulau (pulau utama dan pulau kecil) seperti pagar. Dam mengekstraksi energi pasang surut dari perbedaan ketinggian antara air di dalam Dam dan di laut. Ketika pasang, air akan masuk ke dalam Dam dimana sampai pada kondisi tertentu air akan ditahan di dalam Dam dan dilepaskan kembali melalui turbin air ketika air surut (Gambar 2.2). Dari proses pergerakan pasang surut air yang menggerakan turbin di dalam Dam tersebut maka energi listrik dapat di peroleh.

(a)

(b)

Teknologi ini dapat menghasilkan daya listrik yang cukup besar. Kelemahannya dari sistem Dam ini adalah dampak negatifnya bagi lingkungan, terutama dari sisi ekologis pesisir. Keberadaan Dam ini menyababkan hewan-hewan dan tumbuhan yang berkembang di daerah estuari akan kehilangan habitatnya. Selain itu, pembangunan Dam juga membutuhkan biaya yang tidak sedikit.

Teknologi yang dibutuhkan untuk mengkonversi perbedaan tinggi pasang surut menjadi listrik sangat mirip dengan pembangkit listrik tenaga air konvensional, tetapi dalam kasus ini, arus mengalir di kedua arah [12]. Ini berarti, bahwa waduk pasang surut tidak dapat menghasilkan listrik dengan laju yang konstan, karena mereka harus menunggu tekanan hidrostatik yang cukup antara kedua sisi bendungan. Namun, produksi listrik dari waduk pasang surut benar-benar dapat diprediksi sehingga memungkinkan untuk kemudahan pemasokan listrik.

Sebuah bendungan ditempatkan di sebuah muara yang mengalami pasang surut dengan perbedaan tekinggian 5m [13]. Komponen dasar yang ada pada sebuah dam pasang surut yaitu turbin, gerbang pintu air, tanggul, caissons dan jalur kapal.

Aspek teknis yang diperlukan dalam proyek pembangunan sebuah dam pasang surut antara lain sbb: [14]:

- Jenis struktur: single basin atau double basin - Lokasi Dam dan pembangkit listrik

- jenis operasi: tunggal atau ganda / dengan atau tanpa pompa - Daya turbin dan generator

Ada dua jenis utama dari waduk pasang surut: sistem single-basin dan double-basin.

1. Single basin

Sistem ini terdiri dari satu basin dan membutuhkan tanggul yang memotong muara atau teluk. Ada tiga pola operasi utama energi dapat dihasilkan dengan sistem ini antara lain: pembangkitan surut, pembangkitan pasang dan pembangkitan dua arah.

Gambar 2.3 sistem 1 basin • Pembangkitan Surut:

Metode ini adalah mode yang paling sederhana dari operasi untuk pembangkit listrik tenaga pasang surut, di mana basin (cekungan) terisi dengan air melalui gerbang pintu air selama banjir pasang. Pada saat pasang mencapai tinggi maksimum, pintu air ditutup, menjaga air tetap di dalam basin. Saat periode pasang rendah, air tambahan dapat dipompa untuk menaikkan volume air di dalam basin. pintu air tetap ditutup sampai saat waktu surut dan cukup untuk mendapatkan tekanan hidrostatik substansial seluruh bendungan. Alhasil, aliran air dilewatkan untuk memutar turbin, membangkitkan listrik selama beberapa jam, hingga tekanan hidrostatik sampai ke tingkat minimum hingga batas efisien

turbin dapat beroperasi [15]. Setelah titik ini tercapai, pintu air dibuka, turbin berhenti beroperasi dan basin kembali terisi, memulai siklus baru. Disebut Pembangkitan Surut karena fase terjadi ketika air laut sedang surut.

Gambar 2.4 model pembangkitan surut

Gambar 2.5 Siklus pembangkitan surut • Pembangkitan Pasang:

Metode ini menggunakan gelombang masuk untuk menghasilkan energi. Selama banjir pasang jalur turbin dan pintu air dibuat tertutup sampai ketinggian

hidrostatik pada kondisi siap. Setelah mendapat tinggi yang cukup, gerbang turbin dibuka dan memungkinkan air mengalir ke dalam basin.

Umumnya, mode pasang ini kurang efisien daripada mode surut karena volume air yang tersimpan di bagian atas cekungan (yang mana fase surut beroperasi) lebih besar dari volume yang tersimpan (diisi selama fase pasang). Oleh karena itu, ketinggian air antara basin dan laut, berkurang lebih cepat dibandingkan pada pembangkitan surut, sehingga, lebih sedikit energi yang dihasilkan.

Gambar 2.6 Model pembangkitan pasang

• Pembangkitan Dua Arah :

Metode ini menggabungkan mode surut dan mode pasang. Pembangkitan energi terjadi baik pada fase pasang maupun fase surut pada setiap siklus. Gerbang pintu air dibuat tertutup hingga menjelang akhir dari siklus pasang. Ketika tekanan hidrostatik minimum untuk membangkitkan listrik tercapai, gerbang pintu air dibuka. Pada saat puncak pasang maksimum, gerbang pintu air ditutup dan air yang terperangkap sampai ketinggian hidrostatik yang

cukup tercapai kembali. Air kemudian dibiarkan mengalir melalui turbin untuk menghasilkan energi dalam mode surut.

Gambar 2.7 Siklus pembangkitan 2 arah 2. Double Basin

Sistem ini membutuhkan pembangunan dua barrage, inti dan tambahan. basin utama pada dasarnya sama dengan mode surut dalam sistem basin tunggal. Satu-satunya perbedaan adalah bahwa dalam kasus ini, sebagian dari energi yang dihasilkan digunakan untuk memompa air ke dalam basin kedua. Untuk alasan ini, dam kedua bertindak sebagai elemen penyimpanan, memperpanjang periode waktu di mana bendungan itu dapat menghasilkan listrik, oleh karena itu, sistem ini dapat menyesuaikan pengiriman energi listrik sesuai kebutuhan konsumen. Keuntungan utama sistem ini adalah kemampuannya untuk pengiriman listrik pada periode permintaan yang tinggi. Namun, sistem basin ganda sulit untuk direalisasikan mengingat efisiensi turbin yang rendah dan biaya konstruksi yang tinggi.

Gambar 2.8 sistem 2 basin

2.3.2 Arus Pasang Surut

Teknologi selanjutnya adalah tidal stream atau arus pasang surut, yaitu pergerakan volume air laut yang terjadi akibat siklus pasang surut, menciptakan gerakan kinetik. Potensial arus laut ini biasanya berada dekat dengan pantai terutama di mana ada yang menghambat topografi, seperti selat antar pulau.

Turbin yang digunakan pada teknologi ini sering disebut dengan Free

Flow Tidal Tutbine (FTTT), memiliki bentuk dan prinsip kerja yang sama dengan wind turbine. Teknologi ini tidak memerlukan bendungan sebagai penangkap

gelombang pasang-surut, melainkan langsung terpasang di laut lepas. Densitas air laut yang besar menjadikan dorongan arus menjadi kuat sehingga FFTT tersebut dapat menghasilkan energi listrik yang besar.

Teknologi arus pasang surut dalam hal mengekstraksi energi serupa dengan pembangkit listrik tenaga angin. Namun terdapat beberapa perbedaan kondisi operasi, air memiliki densitas 823 kali lebih besar dari udara dan kecepatan air umumnya lebih kecil. Karena perbedaan densiti antara keduanya, energi yang dihasilkan oleh aliran air lebih besar dari aliran udara, akibatnya dimensi turbin arus dapat dibuat lebih kecil.

Dalam bentuk sederhana turbin arus pasang surut terdiri dari beberapa buah bilah yang terpasang pada sebuah hub atau poros, sebuah gearbox dan generator. Efek hidrodinamik dari air yang melalui bilah menyebabkan rotor berputar sehingga memutar generator yang telah tersambung melalui gearbox. Energi listrik yang dihasilkan ditransmisikan ke daratan melalui kabel.

Turbin tersebut dipasang pada struktur pendukung yang tahan terhadap kondisi lingkungan yang keras. Pemilihan fondasi bergantung erat pada kondisi geografis seperti kedalaman laut, kondisi lantai laut, arus dan lain-lain, serta jenis turbin yang digunakan. Selain itu aspek terpenting adalah profitabilitas dan kemungkinan sebuah projek dilakukan.

Terdapat tiga jenis struktur pendukung utama, yang pertama adalah

gravity structure yaitu menggunakan struktur beton dan baja yang melekat ke

dasar untuk memberikan kestabilan yang tinggi; yang kedua disebut juga piled

structure, di mana di tempatkan pada lantai laut menggunakan satu atau lebih

tiang penyangga; dan yang terakhir adalah floating foundation, di mana struktur ditambatkan ke dasar menggunakan rantai atau jenis kawat dengan turbin tetap berada di bawah permukaan air laut dikarenakan menggunakan struktur terapung.

2.4 Jenis Turbin

2.4.1 Turbin Tidal Barrage

Dari penjelasan sebelumnya, turbin adalah salah satu komponen utama untuk membangkitkan listrik di waduk pasang surut. Pilihan turbin akan menentukan kondisi operasi dan dampak lingkungan, karena alasan beberapa aspek seperti, variabilitas ketinggian, laju aliran, persyaratan untuk memompa atau beroperasi secara kontinu, persyaratan untuk operasi pembangkitan dua arah, frekuensi start-stop dan lain-lain harus dipertimbangkan. Ini penting mengingat hal tersebut berpengaruh terhadap pengembangan desain turbin. Perbaikan rutin dilakukan dengan lebih mudah, dengan demikian, pemeliharaan tidak lagi terkendala.

Saat ini, ada beberapa jenis turbin yang tersedia; yang paling umum digunakan adalah bulb, rim dan tubular turbin.

• Turbin Bulb

Turbin bulb adalah jenis turbin air, nama yang berasal dari bentuk casing kedap air hulu yang berisi Generator yang terletak di sumbu horizontal dan dipasang di dalam jalur air sebagai sebuah unit turbin yang utuh. Instalasi ini dapat menawarkan pengurangan yang signifikan dalam hal ukuran, biaya dan pekerjaan sipil lebih daripada itu, konsep tube meningkatkan kinerja hidrolik unit turbin bulb tersebut [16].

Selama air berada di sekitar turbin, pemeliharaan sulit dilakukan, maka air harus dicegah mengalir melalui turbin [15]. Ini berarti bahwa ketika pemeliharaan

turbin dan/atau generator dilakukan, turbin dan generator tersebut diisolir dari air, akibatnya, turbin berhenti menghasilkan tenaga selama proses maintenance.

Jenis ini dianggap solusi yang paling efisien untuk head rendah sampai 30 m, untuk alasan ini turbin bulb adalah turbin yang paling populer di kalangan perancang. Selain itu, turbin dan generator yang reversibel, yaitu, mereka dapat menghasilkan tenaga pada banjir pasang atau bertindak sebagai motor untuk memompa air laut ke dalam basin. turbin bulb telah terbukti sangat handal, di mana telah beroperasi hampir terus-menerus tanpa masalah yang berarti selama lebih dari 30 tahun di La Rance bendungan pasang surut, Prancis.

• Turbin Rim

Generator turbin Rim terpisah dari turbin itu sendiri. Generator tersebut dipasang pada barrage dan terhubung melalui poros yang bergerak dengan turbin tersebut[17], akibatnya, hanya turbin dalam aliran air. Selain itu, rotor dilindungi dari masuknya air laut dengan desain segel air khusus.

Segel disingkirkan ketika pemeliharaan dan perawatan turbin dilakukan, meskipun generator dapat diakses ketika pintu air masuk ditutup dan air mengalir keluar. Sebagai hasilnya, masalah pemeliharaan generator turbin bulb terselesaikan.

Desain awal lebih cocok untuk diaplikasikan di sungai karena segel air bocor di bawah tekanan, namun perbaikan baru-baru ini membuatnya lebih dapat diandalkan, di mana telah digunakan turbin jenis ini dengan kapasitas 20 MW Straflo, 8.2 m diameter, saat ini dipasang di Annapolis River Tidal Barrage Kanada.

Turbin jenis ini lebih diminati untuk efisiensi teoritis dan inersia yang lebih besar (untuk memenuhi kriteria stabilitas), namun, hanya dapat beroperasi pada surut dan tidak dapat digunakan untuk pump-storage ke basin karena karakteristiknya.

Gambar 2.11 turbin rim [21][10] • Tubular Turbin

Pada turbin Tubular, generator dipasang pada bagian atas bendungan pada sudut 45 derajat dengan turbin, dengan bilah yang terhubung melaluai poros panjang.

keuntungan nyata yang disajikan adalah bahwa bilah dapat disesuaikan [17]. Ini berarti bahwa bilah-bilah tersebut dapat diatur sedemikian rupa sesuai kebutuhan energi listrik. Bilah yang lebih kecil akan menghasilkan lebih sedikit daya, sementara bilah yang lebih besar akan menghasilkan tenaga yang lebih. Hal ini memungkinkan turbin untuk bekerja lebih efisien, menghasilkan daya hanya

pada jumlah yang dibutuhkan. Selanjutnya, desain ini memberikan beberapa ruang untuk gearbox, yang memungkinkan lebih efisien pengoperasian generator. Selanjutnya, pemeliharaan dapat berlangsung di lokasi segera setelah pasokan air telah diisolasi. Namun demikian, ini menimbulkan beberapa masalah getaran yang diakibatkan oleh porosnya yang panjang dan tidak dapat dibalik untuk beroperasi pada fase pasang atau digunakan untuk pump-storage.

Turbin tubular telah digunakan di beberapa PLTA di US dan mereka diusulkan untuk proyek pembangkit tenaga pasang surut di Severn, Inggris Raya [15].

2.4.2 Turbin Tidal Stream

Turbin arus pasang surut mengekstraksi energi kinetik dari arus untuk menghasilkan listrik. Saat ini, terdapat dua jenis turbin, horizontal axis turbine dan vertical axis turbin.

• Horizontal axis turbin:

Pada horizontal axis turbine, bilah turbin dirancang berlawanan arah dengan arah arus laut dikarenakan kecepatan arus dan arah arus menyebabkan bilah turbin berputar.

(a) (b) (c)

Gambar 2.13 (a),(b) 2 bilah; (b) 3 bilah horizontal axis turbine

Bilah turbin berputar pada sumbu horizontal yang sejajar dengan arah aliran air. Berada di bawah permukaan air, berbentuk serupa dengan pembangkit listrik tenaga angin. Titik operasi optimum dari turbin ini adalah untuk kecepatan arus antara 4 dan 5,5 mph [15]. Pada kecepatan arus tersebut, turbin pasang surut berukuran 15 meter mampu menghasilkan energi sebanding dengan turbin angin berukuran 60 meter. Lokasi yang strategis untuk penempatan pembangkit listrik dengan turbin jenis ini yaitu daerah dekat pantai dengan kedalaman 20-30 meter.

Turbin sumbu horizontal memiliki efisiensi sedikit lebih tinggi dari vertikal turbin. Namun, karena bergantung pada arah arus, maka diperlukan sebuah mekanisme untuk membuat bilah dapat berotasi, di mana hal tersebut dinilai cukup kompleks.

Berikut, beberapa contoh nyata dari jenis turbin tersebut. - Turbin seaflow

memiliki rotor dengan diameter 11 m, dengan full span pitch. Terpasang pada pipa baja bertumpuk dengan diameter 2.1m, ditaman di dasar laut dan cukup tinggi untuk memantau permukaan laut.

Dipasang di kedalaman rata-rata 25 m, 1.1 km dari daratan terdekat di North Devon, UK. Pada kondisi baik telah melampaui rating 300 KW dengan rotor 15 rpm. Perangkat ini dikembangkan oleh Marine Current Turbines (MCT).

- Proyek E-Tide

Dikembangkan oleh Hammerfest Strom, turbin ini dapat diinstal pada dasar laut lepas pantai atau dekat pantai, tergantung pada kekuatan arus pasang surut. Bilah 15-16 m dapat berputar pada sumbunya, memungkinkan turbin yang

Gambar 2.15 Proyek E-Tide Gambar 2.14 project seaflow

akan dioptimalkan untuk kondisi saat awal dan juga beroperasi kedua arah dari air pasang surut. Sebuah sistem 300 KW telah diuji saat ini, desain yang lebih besar dikembangkan dan akan menghasilkan daya 750-1000 KW.

• Vertical axis turbine

Vertical axis turbine pertama kali diciptakan oleh Darreius pada

1923. Turbin gorlov merupakan varian dari design darrieus, mengutamakan bentuk spiral. Turbin tersebut memiliki beberapa bilah sudu baik lurus, melengkung ataupun berbentuk spiral yang dapat menghasilkan torsi yang tinggi walaupun pada aliran arus yang lemah[18].

Gambar 2.16 (a) jenis-jenis vertical axis turbine; (b) contoh gorlov turbine

Vertical axis turbine dirancang

tegak lurus dengan arah arus laut.

Vertical axis turbine, memiliki efisiensi

yang lebih besar tetapi tidak stabil dan getaran yang dihasilkan lebih tinggi. Keuntungan yang lain adalah ukuran

blade pada turbin jenis VAT dapat ditingkatkan tanpa ada batasan seperti pada turbin jenis HAT.

Desain turbin sumbu vertikal memungkinkan pemanfaatan aliran pasang surut dari segala arah, memfasilitasi ekstraksi energi tidak hanya di dua arah, masuk dan pasang keluar, tetapi memanfaatkan aliran elips pasang surut penuh. Selain itu, bilah mudah dibangun dan rentangnya yang dapat dengan mudah ditingkatkan [27]. Namun, pada eksperimen jenis turbin ini menghasilkan banyak getaran, sebagai akibat dari beberapa faktor, akibatnya, sulit untuk mencapai stabilitas rmp.

Berikut ini dua proyek sumbu vertical diperkenalkan. - Turbin Kobold

Fitur utama turbin ini adalah torsi awal yang tinggi yang membuatnya mampu memulai start secara spontan bahkan dalam kondisi berbeban. Sebuah pembangkit listrik uji coba ditempatkan di Messina, Italia, dengan arus pasang surut rata-rata sekitar 2 m/s. Dengan kecepatan arus sekitar 1,8 m/s, sistem dapat menghasilkan kekuatan 20 KW.

- Proyek Blue energy

Empat bilah hidrofoil terhubung ke rotor yang mendorong sebuah gearbox yang terintegrasi dengan generator listrik. turbin dipasang di caisson beton yang menjangkar ke dasar laut. Generator dan gearbox yang ditempatkan di atas permukaan air dan mudah diakses untuk pemeliharaan dan perbaikan. Daya output Unit turbin diharapkan sekitar 200 kW. Untuk produksi skala besar, beberapa turbin dihubungkan secara seri.

2.5 Daya Pada Turbin

Untuk menghitung estimasi daya output turbin PLTPs ini digunakan rumus sbb:

2.5.1 PLTPs Sistem Bendungan (Barrage)

Kapasitas turbin arus pasang surut tipe barrage dapat dihitung dengan rumus sederhana ini [30]:

𝐸𝐸 =

1₂

𝐴𝐴 𝜌𝜌 𝑔𝑔 ℎ

2 _(2.1)

Dimana:

E = energi potensial (J)

A = luas area horizontal bendungan (m2)

ρ = massa jenis air (1025 kg/m3) / (1021-1030 untuk air laut)

g = gaya gravitasi bumi (9.81 m/s2) h = tinggi air pada bendungan (m)

dari persamaan 2.1 diatas, dapat dihitung daya yang dapat dibangkitkan:

𝑃𝑃 =

𝜂𝜂 𝐸𝐸_𝑡𝑡 (2.2)

Dimana:

P = Energi yang dibangkitkan (W) η = effisiensi turbin

t = waktu pengoperasian (s)

berikut ini merupakan contoh perhitungan dengan data yang diberikan:

sebuah dam pasang surut dibangun dengan tinggi permukaan air yang dapat ditampung setinggi 32 ft dan luas area basin 9 km2. Jika efisiensi turbin sebesar 30 %, tentukan energi listrik yang dapat dibangkitkan per hari. (dalam sehari terjadi 2 x pasang surut) penyelesaian: h = 32 ft = 10 m A = 9 km2 (3 km x 3 km) = 9 ∙ 106 m2 ρ = 1025.18 kg/m3 η = 30 %

Massa air laut = volume air x massa jenis air laut

= (9 × 106 m2 × 10 m) × 1025.18 kg/m3 = 92 × 109 kg

energi potensial yang terdapat pada bendungan:

𝐸𝐸 = 1₂ 𝐴𝐴 𝜌𝜌 𝑔𝑔 ℎ2 𝐸𝐸 = 1_{2 ∙ 9 ∙ 10}6 _𝑚𝑚2 _{∙ 1025}𝑘𝑘𝑔𝑔 𝑚𝑚3∙ 9.81 𝑚𝑚 𝑠𝑠2∙ 10 𝑚𝑚2 = 4.5 × 1012 J

Karena terdapat 2 pasang dan 2 surut setiap harinya, dan perhitungan menggunakan mode pembangkitan 1 arah, sehingga total energi potensial per hari = 2 x perhitungan diatas.

= 4.5 × 1012 J x 2 = 9 × 1012 J

Daya listrik yang dibangkitkan yaitu besar energi potensial per hari (24 jam) x

conversion efficiency:

𝑃𝑃 = 9 ∙ 10_{86400 𝑠𝑠 ∙ 30 %}12 𝐽𝐽

= 31 MW

2.5.2 PLTPs Sistem Arus Pasut (Stream)

Kapasitas turbin arus pasang surut dapat dihitung dengan rumus sederhana ini[19]:

Dimana :

P = Energi yang dibangkitkan (W) η = effisiensi turbin

ρ = massa jenis air = 1025 kg/m3 A = daerah jangkauan turbin (m2) S = kecepatan aliran air (m/s)

Model matematik Variabel:

E = energi kinetik (J) m = masa (kg)

v = kecepatan arus laut (m/s) P = daya

dm/dt = mass flow rate (kg/s) dE/dt = energy flow rate (J/s) ρ = densiti (kg/m3) A = swept area (m2) Cp = Power coefficient r = radian (m) x = distance (m) t = time (s)

Pada percepatan yang konstan, energi kinetik pada suatu objek memiliki massa m dan kecepatan v sebanding dengan kerja yang dilakukan W untuk

memindahkan sebuah benda dari posisi diam sampai berjarak sejauh s di bawah tekanan F, dengan kata lain:

E =W = Fs (2.4)

Menurut Hukum Newton, diperoleh:

F = ma (2.5)

Sehingga,

E = mas (2.6)

Menggunakan persamaan ketiga tentang gerak:

𝑣𝑣2 _{= 𝑢𝑢}2_{+ 2𝑎𝑎𝑠𝑠 (2.7)}

diperoleh:

𝑎𝑎 =

(𝑣𝑣2−𝑢𝑢2)

2𝑠𝑠 (2.8)

Karena kecepatan awal objek adalah nol, dengan kata lain: u = 0 , diperoleh:

𝑎𝑎 =

𝑣𝑣2

2𝑠𝑠 (2.9)

Dengan mensubstitusikan pada persamaan (2.6), diperoleh energi kinetik dari massa yang bergerak yaitu:

𝐸𝐸 =

1

Daya yang dihasilkan oleh nilai perubahan energi:

𝑃𝑃 =

𝑑𝑑𝐸𝐸 𝑑𝑑𝑡𝑡

=

1

2

𝑣𝑣

2 𝑑𝑑𝑚𝑚𝑑𝑑𝑡𝑡 (2.11)

Karena nilai laju aliran massa ditentukan oleh:

𝑑𝑑𝑚𝑚

𝑑𝑑𝑡𝑡

= 𝜌𝜌𝐴𝐴

𝑑𝑑𝑑𝑑

𝑑𝑑𝑡𝑡 (2.12)

Dan nilai perubahan jarak ditentukan oleh:

𝑑𝑑𝑑𝑑

𝑑𝑑𝑡𝑡

= 𝑣𝑣

(2.13)

Diperoleh:

𝑑𝑑𝑚𝑚

𝑑𝑑𝑡𝑡

= 𝜌𝜌𝐴𝐴𝑣𝑣

(2.14)

Sehingga, dari persamaan (2.11), daya dapat ditentukan sebagai:

𝑃𝑃 =

1

2

𝜌𝜌𝐴𝐴𝑣𝑣

3 (2.15)

Pada tahun 1919, seorang ahli fisika berkebangsaan Jerman bernama Albert Betz berpendapat bahwa tidak ada turbin angin dapat mengkonversi lebih dari 16/27 (29.3%) dari energi kinetik angin menjadi energi mekanik yang memutar rotor.

Sampai hari ini, pendapatnya ini dikenal sebagai Betz Limit atau Hukum Betz. Efisiensi daya maksimum secara teoritis dari setiap desain turbin angin adalah 0.59 (yaitu tidak lebih dari 59% dari energi yang dibawa oleh angin dapat

diekstraksi oleh turbin angin). Ini disebut sebagai “koefisien daya” dan didefinisikan sebagai:

C

Pmax

= 0.59

(2.16)

Juga, turbin angin tidak dapat beroperasi pada batas maksimum ini. Nilai Cp adalah unik bagi setiap tipe turbin dan merupakan fungsi kekuatan angin yang didioperasikan turbin. Sekali kita menggabungkan berbagai persyaratan teknik dari turbin angin – khususnya kekuatan dan daya tahan - batasan nyata di bawah batas Betz dengan nilai 0.35-0.45 yang umum bahkan pada rancangan turbin angin yang terbaik. Pada saat memperhitungkan faktor-faktor lain dalam sistem turbin angin lengkap - misalnya gearbox, bearings, generator dan sebagainya - hanya 10-30% dari kekuatan angin pernah benar-benar diubah menjadi listrik yang dapat digunakan.

Oleh karena itu, koefisien daya perlu diperhitungkan dalam persamaan (2.16) dan kekuatan diekstrak dari angin diberikan oleh:

𝑃𝑃

_{𝑎𝑎𝑣𝑣𝑎𝑎𝑣𝑣𝑣𝑣}

=

1

2

𝜌𝜌𝐴𝐴𝑣𝑣

3

𝐶𝐶

𝑃𝑃 (2.17)

Turbin arus laut didesain menggunakan prinsip yang sama dengan turbin angin. Bagaimanapun mereka digunakan pada kondisi yang berbeda dan variabel yang digunakan pada persamaan daya yang diberikan pada persamaan (2.17) juga sedikit berbeda.

Karena turbin laut bekerja di dalam air bukannya udara, kita gunakan massa jenis air:

Massa jenis air, ρw = 1000 kg/m3 (2.18)

Koefisien daya rata-rata, Cp, untuk turbin laut juga berbeda dari turbin angin. Saat ini, teknologi turbin laut tidak bergitu dikembangkan untuk menghasilkan level yang sama dengan yang dihasilkan turbin angin. Bagaimanapun, teori maksimum turbin laut masih di tentukan oleh Hukum Betz dengan batasan 0.59 dan kita akan menggunakan nilai berikut pada koefisien:

Power Coefficient Marine Turbine, Cpm = 0.35 (2.19)

Informasi yang diberikan ini, susun kembali persamaan daya (2.17) menggunakan variable turbin laut untuk menghitung panjang bilah yang mungkin dibutuhkan untuk memproduksi daya yang sama oleh turbin laut sebesar yang dihasilkan oleh turbin angin pada contoh di atas. Asumsikan v= 2.5 m/s, yang merupakan nilai kecepatan aliran pasang surut yang khas.

Daerah bentangan turbin dapat dihitung dari panjang bilah turbin dengan menggunakan persamaan luas lingkaran:

𝐴𝐴 = 𝜋𝜋𝜋𝜋

2 (2.20) dimana jari-jari sama dengan panjang bilah seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.21 :

berikut ini merupakan contoh perhitungan dengan data yang diberikan:

sebuah turbin pasang surut dibangun dengan bilah turbin sepanjang 10 m pada perairan dengan kecepatan pasang surut sebesar 2.5 m/sec. Tentukan besar daya listrik yang dapat dibangkitkan!

Penyelesaian:

Panjang bilah, l = 10 m Kecepatan arus laut, v = 2.5 m/sec Massa jenis air laut, ρ = 1 x 103 kg/m3 Koefisien daya, Cp = 0.35

Dengan memasukkan nilai panjang bilah sebagai nilai jari-jari area bentangan ke dalam persamaan (2.20), kita dapatkan:

l = r = 10 m A = πr2

= π x 102

= 314 m2

Kemudian kita menghitung daya yang dikonversi dari angin kedalam energi rotasi dalam turbin dengan menggunakan persamaan (2.17):

𝑃𝑃𝑎𝑎𝑣𝑣𝑎𝑎𝑣𝑣𝑣𝑣 = 1_{2 𝜌𝜌𝐴𝐴𝑣𝑣}3𝐶𝐶𝑝𝑝

=1

2 𝑑𝑑 1000 𝑑𝑑 314 𝑑𝑑 2.53 𝑑𝑑 0.35 = 0.85 𝑀𝑀𝑀𝑀

2.6 Komponen

2.6.1 Komponen PLTPs Sistem Barrage

(a)

(b)

Gambar 2.21 (a),(b) tata letak komponen PLTPs tipe barrage

Keterangan: 1. Gate

Gerbang untuk mengontrol aliran air antara laut dan basin. 2. Substation

Gardu induk pembangkit untuk menaikkan tegangan dan interkoneksi ke jaringan.

3. Basin

Daerah tempat menampung air pada saat pasang naik dan mengembalikan air ke laut pada saat pasang rendah (surut).

4. Inactive dike

Tanggul atau bendungan pemisah. 5. Power house

Pembangkit listrik umumnya menggunakan turbin bulb sebagai penggerak mulanya.

6. Lock

Struktur dengan pintu yang dibangun antara laut dan basin yang memungkinkan kapal atau perahu dapat melintas.

Gambar 2.22 Konstruksi PLTPs menggunakan bulb turbine 2.6.2 Komponen PLTPs Sistem stream

Gambar 2.23 Komponen PLTPs tipe stream Keterangan: 1. Blades 2. Gear box 3. Generator 4. pylon 2.7 Keunggulan

Jika dibandingkan dengan pembangkit listrik lainnya tentu pembangkit listrik pasang surut sangat unggul sebab pasang surut air dapat diprediksi karena dipegaruhi oleh pergerakan bumi dan serta gravitasi bulan dan matahari,

sedangkan untuk pembangkit listrik lainnya (Matahari dan angin) sangat bergantung pada perubahan cuaca apalagi terlihat perubahan cuaca yang kadang tidak menentu sehingga sangat sulit untuk diprediksi.

Selain efesiensi dalam hal prediksi keadaan pasang surut, pembangkit pasang surut juga tidak menghasilkan dampak dan limbah berbahaya seperti yang dikhawatirkan dalam pembangkit energi nuklir. Waduk atau bendungan yang dibangun untuk pembangkit pasang surut juga dapat berperan ganda selain untuk menampung air yang digunakan memutar turbin juga dapat berfungsi melindungi pulau dari gelombang laut yang besar.

Efisiensi dari pembangkit listrik pasang surut sangat besar, dengan efisiensi 80% yang bahkan hampir tiga kali lebih besar dibandingkan dengan efisiensi dari pembangkit batu bara dan minyak bumi yang memiliki efisiensi hanya 30% saja. Pembangkit pasang surut juga mampu menghasilkan listrik sebesar 500 sampai 1000 MW.

2.8 Perkembangan di Indonesia

Indonesia dengan luas perairan hampir 60% dari total luas wilayah sebesar 1.929.317 km2, seharusnya bisa menerapkan teknologi alternatif ini. Apalagi dengan bentangan Timur ke Barat sepanjang 5.150 km dan bentangan Utara ke Selatan 1.930 km telah mendudukkan Indonesia sebagai negara dengan garis pantai terpanjang di dunia. Pada musim hujan, angin umumnya bergerak dari Utara Barat Laut dengan kandungan uap air dari Laut Cina Selatan dan Teluk Benggala. Di musim Barat, gelombang air laut naik dari biasanya di sekitar Pulau

Jawa. Fenomena alamiah ini mempermudah pembuatan teknik pasang surut tersebut.

Penerapannya di Indonesia bukanlah sesuatu yang mustahil. Tapi perlu ada perencanaan yang matang untuk mewujudkannya. Karena ini dapat menjadi sumber energi alternatif potensial. Apalagi proses pembuatannya tidak merusak alam, melainkan ramah lingkungan. Tetapi sebelumnya, harus dilakukan sebuah riset yang berguna untuk mengukur kedalaman sepanjang garis pantai Indonesia, sehingga dapat ditentukan di daerah mana saja yang layak. Bangsa Indonesia seharusnya menyadari bahwa alam menyediakan semua yang dibutuhkan. Hanya perlu kerja keras dan kebijakan yang memperhatikan sumber daya alam yang terbatas, sehingga Indonesia tidak perlu risau akan cadangan energi.

2.8.1 Potensi Energi Arus Laut di Perairan Indonesia

Kecepatan arus pasang-surut di pantai-pantai perairan Indonesia umumnya kurang dari 1,5 m/detik, kecuali di selat-selat diantara pulau-pulau Bali, Lombok, dan Nusa Tenggara Timur, kecepatannya bisa mencapai 2,5 - 3,4 m/detik.

Arus pasang-surut terkuat yang tercatat di Indonesia adalah di Selat antara Pulau Taliabu dan Pulau Mangole di Kepulauan Sula, Propinsi Maluku Utara, dengan kecepatan 5,0 m/detik. Berbeda dengan energi gelombang laut yang hanya terjadi pada kolom air di lapisan permukaan saja, arus laut bisa terjadi pada lapisan yang lebih dalam. Kelebihan karakter fisik ini memberikan peluang yang lebih optimal dalam pemanfaatan konversi energi listrik.

2.8.2 Road Map Penelitian Energi Arus Laut di Indonesia

Penelitian karakteristik arus laut yang telah dilakukan oleh Puslitbang Geologi Kelautan (PPPGL) diawali pada tahun 2005 berkolaborasi dengan Program Studi Oceanografi ITB. Pengukuran arus laut dilakukan menggunakan ADCP (Accoustic Doppler Current Profiler) di Selat Lombok dan Selat Alas dalam kaitan dengan rencana penyiapan lokasi dan instalasi untuk Turbin Kobold buatan Italia yang berkapasitas 300 kW di bawah koordinasi Kementerian Riset dan Teknologi [20].

Tahun 2006 - 2010 telah dilaksanakan penelitian karakteristik arus laut di berbagai selat di Nusa Tenggara yaitu Selat Lombok, Selat Alas, Selat Nusa Penida, Selat Flores, dan Selat Pantar.

Prototipe turbin pertama telah dibangun secara kemitraan bersama Kelompok Teknik T-Files ITB dan PT Dirgantara Indonesia, dengan mengadopsi dan memodifikasi model turbin Gorlov skala kecil (0,8 kW/cel). Perangkat pembangkit listrik ini selanjutnya telah diuji-coba di kolam uji PPPGL Cirebon dan tahun 2008, dilanjutkan dengan uji lapangan tahun 2009 di Selat Nusa Penida sehingga telah berhasil memperoleh "proven design".

Prototype dalam skala besar (> 80 kW) direncanakan akan dilaksanakan pada tahun 2012-2014 oleh institusi terkait lainnya yang berkewenangan (Ditjen Energi Baru Terbarukan, Puslitbangtek Ketenagalistrikan dan Energi Baru Terbarukan dan sebagainya.) untuk mengembangkan dan meningkatkan status skala prototipe menjadi skala pilot dan skala komersial.

Diharapkan pada tahun 2025 energi listrik tenaga arus laut yang dihasilkan dari berbagai pembangkit (PLTAL) akan mencapai 5% dari sasaran kebijakan energi 25% bauran energi Indonesia, sesuai visi bauran energi 25-25.

Road map lengkap tentang capaian pemanfaatan prospek energi arus laut di Indonesia yang terdiri dari fase penelitian dan pengembangan, fase prototipe, sampai fase pembangunan turbin pembangkit skala komersial diperlihatkan seperti pada road map di bawah ini.