PLTMH

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO HIDRO

1. Pendahuluan

Listrik merupakan salah satu kebutuhan yang sangat berperan penting bagi manusia di bumi, di negara Indoneesia pemasok energi listrik terbesar yaitu PLN, energi yang dihasilkan PLN digunakan untuk kepentingan umum diantaranya untuk perumahan-perumahan, industri, penerangan jalan atau umum, dll.

Akan tetapi peran PLN belum dapat dinikmati oleh sebagian masyarakat terutama pada daerah yang terpencil. Sebagai contoh faktor kondisi jalan yang sulit dijangkau oleh peralatan berat dan kondisi perumahan penduduk tersebut tidak membentuk sebuah desa (terpencar). 

Dengan pembahasan ini penulis bermaksud memberikan solusi tentang keterbatasan jangkauan PLN untuk memasok energi listrik terhadap daerah terpencil. Solusi yang akan penulis jelesakan adalah Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH). Perlatan yang digunakan untuk membuat PLTMH ini sangat mudah dicari, murah, dan dapat dirancang oleh siapapun. Salah satunya menggunakan torn air berukuran sedang, pipa paralon, dan turbin air yang tidak membutuhkan putaran yang sangat tinggi.

2. Tujuan.

v  Untuk memenuhi salah satu nilai dalam mata kuliah Thermodinamika II.

v  Membuat PLTMH didaerah yang belum terjangkau PLN, dengan maksud membantu masyarakat tersebut untuk dapat menikmati listrik. Dengan biaya yang relatif murah.

3. Teori

3.1 Teori Penunjang

v  Pengertian Mikro Hidro

Mikrohidro adalah istilah yang digunakan untuk instalasi pembangkit listrik yang menggunakan energi air. Kondisi air yang bisa dimanfaatkan sebagai sumber daya (resources) penghasil listrik memiliki kapasitas aliran dan ketiggian tertentu dari instalasi. Semakin besar kapasitas aliran maupun ketinggiannya dari istalasi maka semakin besar energi yang bisa dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik.

Berdasarkan output yang dihasilkan, pembangkit listrik tenaga air dibedakan atas:

1. Large-hydro            : lebih dari 100 MW

2. Medium-hydro        : antara 15 – 100 MW

3. Small-hydro            : antara 1 – 15 MW

4. Mini-hydro              : Daya diatas 100 kW,  dibawah 1 MW

5. Micro-hydro            : Output yang dihasilkan berkisar dari 5kW sampai 100 kW; biasanya digunakan untuk penyediaan energi bagi komunitas kecil atau masyarakat pedesaan yang terpencil atau susah dijangkau.

6. Pico-hydro              : daya yang dikeluarkan berkisar ratusan watt sampai 5 kW

Pembangkit listrik mikrohidro adalah suatu pembangkit yang dapat menghasilkan energi listrik sampai dengan 100 KW sedangkan untuk pembangkit listrik yang dapat menghasilkan energi listrik sebesar 100 KW – 5 MW didefinisikan sebagai pembangkit listrik.

            Secara teknis, PLMH memiliki tiga komponen utama yaitu air (sumber energi), turbin dan generator. Air yang mengalir dengan kapasitas tertentu disalurkan dari ketinggian tertentu menuju rumah instalasi (rumah turbin). Di rumah instalasi, air tersebut akan menumbuk turbin yang akan menerima energi air tersebut dan mengubahnya menjadi energi mekanik berupa berputarnya poros turbin. Poros yang berputar tersebut kemudian ditransmisikan ke generator dengan mengunakan kopling. Dari generator akan dihasilkan energi listrik yang akan masuk ke sistem kontrol arus listrik sebelum dialirkan ke rumah-rumah atau keperluan lainnya (beban).

Terdapat sebuah peningkatan kebutuhan suplai daya ke daerah-daerah pedesaan di sejumlah negara, sebagian untuk mendukung industri-industri, dan sebagian untuk menyediakan penerangan di malam hari. Kemampuan pemerintah yang terhalang oleh biaya yang tinggi dari perluasan jaringan listrik, sering membuat PLMH memberikan sebuah alternatif ekonomi ke dalam jaringan. Hal ini dikarenakan skema PLMH yang mandiri menghemat biaya dari jaringan transmisi, dan skema perluasan jaringan sering memerlukan biaya peralatan dan pegawai yang mahal. Skema PLMH dapat didesain dan dibangun oleh pegawai lokal dan organisasi yang lebih kecil dengan mengikuti peraturan yang lebih longgar dan menggunakan teknologi lokal seperti untuk pekerjaan irigasi tradisional atau mesin-mesin buatan lokal. Pendekatan ini dikenal sebagai Pendekatan Lokal.

Persamaan konversi yang terjadi dapat dituliskan sebagai berikut :

Daya yang masuk = Daya yang keluar + Kehilangan (Loss)

atau

Daya yang keluar = Daya yang masuk × Efisiensi konversi

Persamaan di atas biasanya digunakan untuk menggambarkan perbedaan yang kecil. Daya yang masuk, atau total daya yang diserap oleh skema hidro, adalah daya kotor, P_gross. Daya yang manfaatnya dikirim adalah daya bersih, P_net. Jika efisiensi dari skema tersebut adalah E_o, maka persamaan tersebut dapat dituliskan menjadi:

P_net = P_gross × E_o kW

Daya kotor adalah head kotor (H_gross) yang dikalikan dengan debit air (Q) dan juga dikalikan dengan sebuah faktor g, dimana g = 9,8 m/s², sehingga persamaan dasar dari pembangkit listrik adalah :

P_net = g ×H_gross × Q ×E_o kW

dengan head dalam meter, dan debit air dalam meter kubik per detik dan nilai E_o merupakan fungsi dari konstruksi sipil, penstock, turbin, generator, sistem kontrol, jaringan, dan trafo dan dapat dinyatakan secara matematis sebagai perkalian dari E(konstruksi sipil) × E(penstock) × E(turbin)Nilai tipikal dari parameter tersebut diberikan pada tablel 1.

Tabel 1. Nilai tipikal parameter E_o

Parameter	Nilai	Keterangan
E(konstruksi sipil)	1.0 - (panjang saluran × 0.002 ~ 0.005)/ Hgross
E(penstock)	0.90 ~ 0.95	tergantung pada panjangnya
E(turbin)	0.70 ~ 0.85	tergantung pada tipe turbin
E(generator)	0.80 ~ 0.95	tergantung pada kapasistas generator
E(sistem kontrol)	0.97
E(jaringan)	0.90 ~ 0.98	tergantung pada panjang jaringan
E(trafo)	0.98

E(konstruksi sipil) dan E(penstock) adalah yang biasa diperhitungkan sebagai Head Loss (H_loss). Dalam kasus ini, persamaan diatas diubah menjadi :

P_net= g ×(H_gross-H_loss) ×Q ×(E_o – E(konstruksi sipil) – E(penstock ) kW

Persamaan sederhana ini menjadi inti dari semua desain pekerjaan pembangkit listrik. Mekanisme konversi energi dalam PLMH diberikan pada Gambar 2.

Gambar 2. Efisiensi energi dalam PLMH

         

3.2 Kontruksi PLTMH

PLMH mempunyai beberapa bagian penting yang mendukung kemampuan kerjanya. Subsistem PLMH adalah sebagai berikut :

• Saluran Pemasukan (Intake)

Terletak di bawah torn air.

• Saluran Pembawa  (Headrace)

Saluran ini berfungsi membawa air dari saluran pemasukan (Intake) kearah pipa pesat.

• Pipa Pesat (Penstock)

Pipa ini berguna untuk membawa air jatuh ke arah mesin Turbin. Di samping itu, pipa pesat juga mempertahankan tekanan air jatuh sehingga energi di dalam gerakan air tidak terbuang. Air di dalam pipa pesat tidak boleh bocor karena mengakibatkan hilangnya tekanan air.

• Rumah Pembangkit (Power House)

Bagian ini berfungsi sebagai rumah tempat semua peralatan mekanik dan elektrik PLMH. Peralatan mekanik seperti Turbin dan Generator berada dalam Rumah Pembangkit, dan juga kontroler.

• Mesin PLTMH atau Turbin

Subsistem ini berfungsi mengubah energi air menjadi energi mekanik berupa tenaga putar/gerak. Turbin termasuk alat mekanik. Turbin dengan bantuan sabuk pemutar memutar Generator (dinamo besar penghasil listrik) untuk mengubah tenaga putar/ gerak menjadi listrik. Generator termasuk alat mekanik.

• Panel atau Peralatan Pengontrol Listrik

Peralatan ini biasanya berbentuk kotak yang ditempel di dinding. Berisi peralatan elektronik untuk mengatur listrik yang dihasilkan Generator. Panel termasuk alat elektrik.

• Jaringan Kabel Listrik

Bagian ini berfungsi menyalurkan listrik dari rumah pembangkit ke pemakai.

3. 3 Pemilihan Turbin

Turbin air berperan untuk mengubah energi air (energi potensial, tekanan dan energi kinetik) menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Putaran poros turbin ini akan diubah oleh generator menjadi energi listrik.

v  Prinsi kerja Turbin Impuls

Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozle. Air keluar dari nozle yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu, arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impuls). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi, tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan.

Turbin yang kita gunakan adalah tipe turbin impuls Low head power plant.  Tujuannya memfokuskan  ketika air menghantam dan memutarkan turbin, selain itu air yang tersisa pada sendok turbin dapat memberi beban pada turbin untuk membantu putaran tersebut semakin kencang, dapat diliahat pada gambar 3 dibawah ini.

Gambar 3.

4. Cara Kerja

4.1  Prinsip kerja Mikro hidro

Mikrohidro mendapatkan energi dari aliran air yang memiliki perbedaan ketinggian tertentu. Energi tersebut dimanfaatkan untuk memutar turbin yang dihubungkan dengan generator listrik. Mikrohidro bisa memanfaatkan ketinggian air yang tidak terlalu tinggi, misalnya dengan ketingian air 2,5 m bisa dihasilkan listrik 400 W. Potensi pemanfaatan mikrohidro secara nasional diperkirakan mencapai 7.500 MW, sedangkan yang dimanfaatkan saat ini baru sekitar 600 MW.

Mikrohidro memiliki tiga komponen utama yaitu air (sumber energi), turbin dan generator. Air yang mengalir dengan kapasitas tertentu disalurkan dengan ketinggian tertentu menuju rumah instalasi (rumah turbin). Di rumah instalasi, air tersebut akan menumbuk turbin dimana turbin akan menerima energi air tersebut dan mengubahnya menjadi energi mekanik berupa berputarnya poros turbin. Poros yang berputar tersebut kemudian ditransmisikan ke generator dengan mengunakan kopling. Dari generator akan dihasilkan energi listrik yang akan masuk ke sistem kontrol arus listrik, sebelum dialirkan ke rumah-rumah atau keperluan lainnya (beban). Begitulah secara ringkas proses Mikrohidro merubah energi aliran dan ketinggian air menjadi energi listrik.

4.2 Langkah kerja

1.      Langkah pertama terlebih dahulu mengisi air pada torn air, dan tutup dengan rapat agar kedap udara.

2.      Setelah terisi penuh buka valve pada pipa penyalur, tujuannya untuk mengatur laju air yang akan memutar turbin mini.

3.      Turbin mini tersebut berputar, dan merubah energi air (energi potensial, tekanan dan energi kinetik) menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros.  

4.      Setelah air memutar turbin, lalu ditampung pada torn penampungan, tujuannya agar air tersebut dapat bersirkulasi.

5.      Pompa akan menyedot air yang ada di torn penampungan menuju torn air yang letaknya berada di atas. Pompa tesebut dapat bekerja karena memanfaatkan putaran yang terjadi pada turbin, tantunya dengan perbandingan puli tujuanya meringankan kerja turbin agar tetap berputar.

6.      Sistem cara kerja PLTMH ini adalah pemanfaatan sirkulasi air, tujuan sirkulasi adalah penghematan air dan energi.

      

5. Hasil Kerja

5.1  Daya yang dihasilkan pada Mikro Hidro

Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka head adalah beda ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka air keluar dari kincir air/turbin air. Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan energi potensial air yaitu :

E = m.g.h

dimana,

m = massa air (kg)

g = percepatan gravitasi (m/s²)

h = head/ketinggian air (m)

Daya tiap satuan waktu (E/t), sehingga persamaan merupakan energi diatas dapat dinyatakan sebagai:

P = E/t = (m/t)gh

Karena (m/t) = ρQ maka,

P = ρQgh

dimana,

P = daya (watt)

ρ = massa jenis air (kg/m³)

Q = debit air (m³/s)

5.2  Pemanfaatan Energi

1.      Energi listrik yang dihasilkan cukup untuk memnuhi kebutuhan sehari-hari.

2.      Dan energi yang dihasilkan dapat disimpan pada baterai/accu, untuk kapasitas kecil.

3.      Membantu masyarakat untuk mandiri dalam hal ini.

5.3 Hasil Analisis

            Hasil yang diinginkan pada pembahasan ini adalah 400 W dengan ketinggian torn adalah 2,5 m.

            P = ρQgh

Dimana :

P = daya (watt)

ρ = massa jenis air (kg/m³)

Q = debit air (m³/s)

             h = ketinggian (m)

             g = gravitasi (m/s^2­)

Dik :    P = 400 W

            ρ = 1000 kg/m³

                g = 9,81 m/s²

            h = 2,5 m

Dit : Q ?

Jawab

  P =  ρQgh

 Q =  P/(ρgh)

     =  400/(1000 . 9,81 . 2,5)

     =  0,01631 m³/s

v  Jadi untuk menghasilkan 400 W debit air yang dibutuhkan adalah

 0,01631 m³/s.

6. Kesimpulan           

§   Tidak memerlukan bahan bakar dan sedikit perawatan, sehingga biaya untuk menjalankan PLTMH ini rendah, dan pada banyak kasus, membawa keuntungan bagi ekonomi lokal.

§   Merupakan teknologi yang tahan lama dan kokoh.

§   Pembuatannya relatif mudah, sehingga dapat dibuat oleh setiap orang.

§   Hasil yang didapat adalah 400 W dan itu sesuai dengan yang diinginkan, jadi dengan ketinggian hanya mencapai 2,5 m terbukti bahwa PLTMH ini dapat menghasilkan daya 400 W.

Daftar Pustaka

Arismunandar , W. 1997. Penggerak Mula : Turbin. Penerbit ITB : Bandung

Keller, S.: Triebwasserweg und spezifische Probleme von Hochdruckanlagen. In: Kleinwasserkraftwerke, Projektierung und Entwurf Published by Prof. Dr. S. Radler, University for Soil Culture, Intitute for Water Management, Vienna, 1981.

DESDM. 2005. Blue Print Kebijakan Pengelolaan Energi Nasional 2005 – 2025. Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral Indonesia.

Susandi, A. 2005. Pengembangan Energi Rendah Emisi untuk Mitigasi Perubahan Iklim Global.