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
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.
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
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 :
EP = m x g x h ……… ( 2.1 )
Dimana : EP = Energi Potensial
m = massa ( 1000 kg / m3 )
g = Percepatan gravitasi ( 9,8 m / detik2 )
h = Tinggi relative terhadap permukaan bumi ( meter ).
Dari di atas dapat ditulis bahwa :
Bilamana, dE merupakan energi yang dibangkitkan oleh elemen massa dm
yang melalui jarak h . Bilamana didefinisikan Q sebagai debit air menurut rumus
berikut :
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 m3 / detik, maka :
Setelah konstanta k didapatkan 9,8 , Maka Besar Daya listrik sebelum masuk ke
turbin atau Daya Teoritisnya dalam satuan kW adalah
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 dayamekanik 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 xη 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 :
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 :
���������=����������+( �+� )/��
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
● 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 )
● 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
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
(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
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:
