Pembangkit Listrik Tenaga Uap

Turbin adalah mesin penggerak, dimana energi fluida kerja dipergunakan langsung untuk memutar roda/poros turbin. Pada turbin tidak terdapat bagian mesin yang bergerak translasi, melainkan gerakan rotasi. Bagian turbin yang berputar biasa disebut dengan istilah rotor/roda/poros turbin,sedangkan bagian turbin yang tidak berputar dinamai dengan istilah stator. Roda turbin terletak didalam rumah turbin dan roda turbin memutar poros daya yang digerakkannya atau memutar bebannya (generator listrik, pompa, kompresor, baling-baling, dll).

Didalam turbin fluida kerja mengalami ekspansi, yaitu proses penurunan tekanan dan mengalir secara kontinyu. Penamaan turbin didasarkan pada jenis fluida yang mengalir didalamnya, apabila fluida kerjanya berupa uap maka turbin biasa disebut dengan turbin uap.

PLTU mempunyai bagian-bagian utama seperti :

a. Turbin uap (steam turbine)

b. Boiler (steam generator)

c. Kondensor (condenser)

d. Pompa-pompa (pumps)

Turbin uap untuk pembangkit menggunakan siklus uap tertutup, uap yang telah memutar turbin dengan energinya dikondensasikan kembali menjadi air dan dipompa ke boiler, selanjutnya dipanaskan lagi didalam boiler tersebut. Demikian seterusnya siklus ini terjadi terus menerus.

Gambar Prinsip Kerja PLTU

Air laut yang jumlahnya melimpah ruah dipompa oleh CWP (Circulating Water Pump) yang sebagian besar dipakai untuk media pendingin di Condenser dan sebagian lagi dijadikan air tawar di Desalination Evaporator . Setelah air menjadi tawar, kemudian dipompa oleh Distillate Pump untuk kemudian dimasukkan ke dalam Make Up Water Tank yang kemudian dipompa lagi masuk ke sistem pemurnian air (Demineralizer) dan selanjutnya dimasukkan ke dalam Demin Water Tank . Dari sini air dipompa lagi untuk dimasukkan ke dalam Condenser bersatu dengan air kondensat sebagai air benam ban. Air kondensat yang kondisinya sudah dalam keadaan murni dipompa lagi dengan menggunakan pompa kondensat, kemudian dimasukkan ke dalam 2 buah pemanas Low Pressure Heater  dan kemudian diteruskan ke Deaerator untuk mengeluarkan atau membebaskan unsur O2 yang terkandung dalam air tadi. Selanjutnya air tersebut dipompa lagi dengan bantuan Boiler Feed Pump dipanaskan lagi ke dalam 2 buah High Pressure Heater untuk diteruskan ke dalam boiler yang terlebih dahulu dipanaskan lagi dengan Economizer baru kemudian masuk ke dalam Steam Drum. Proses pemanasan di ruang bakar menghasilkan uap jenuh dalam steam drum, dipanaskan lagi oleh Superheater untuk kemudian dialirkan dan memutar Turbin Uap. Uap bekas yang keluar turbin diembunkan dalam condenser dengan bantuan pendinginan air laut kemudian air kondensat ditampung di hot well.

Bahan bakar berupa residu/MFO dialirkan dari kapal/tongkang ke dalam Pumping House untuk dimasukkan ke dalam Fuel Oil Tank. Dari sini dipompa lagi dengan fuel oil pump selanjutnya masuk ke dalam Fuel Oil Heater untuk dikabutkan di dalam Burner sebagai alat proses pembakaran bahan bakar dalam Boiler.

Udara di luar dihisap oleh FDF (Forced Draught Fan) yang kemudian dialirkan ke dalam pemanas udara (Air Heater) dengan memakai gas bekas sisa pembakaran bahan bakar di dalam Boiler (13) sebelum dibuang ke udara luar melalui Cerobong/Stack.

Perputaran Generator akan menghasilkan energi listrik yang oleh penguat/exciter tegangan mencapai 11,5 kV, kemudian oleh Trafo Utama/Main Transformater tegangan dinaikkan menjadi 150 kV. Energi listrik itu lalu dibagi melalui Switch Yard untuk kemudian dikirim ke Gardu Induk melalui Transmisi Tegangan Tinggi. Kemudian, tenaga listrik itu dialirkan lagi pada para konsumen.

Proses PLTU secara sederhana dijelaskan sebagai berikut :

PLTU memanfaatkan bahan bakar Minyak, Gas atau Batu Bara sebagai Enerji Primernya. Air dari Hotwell Condensor dipompakan ke Deaerator melalui beberapa Low Pressure Heater untuk mendapatkan tinggi tekan positif (NPSH), selanjutnya dipompakan (dengan BFP ke Steam Drum melalui beberapa High Pressure Heater dan Pipa Ekonomiser di dalam Boiler. Di dalam Boiler proses pembakaran berlangsung dengan didahului pengaliran Udara oleh FD Fan melalui Air Heater, Air Register ke Burner, sementara bahan bakar minyak atau Gas atau Batu bara di alirkan ke Burner & bercampur dengan Udara menjadi Pembakaran di Boiler. Air di dalam Pipa Boiler dipanaskan dengan pembakaran tadi sehingga bersirkulasi diantara Pipa Down Comer, Water Header, Pipa Riser dan berkumpul Steam Drum. Uap dengan tekanan & Temperatur tertentu yang dihasilkan dipanaskan lebih lanjut di Superheater untuk digunakan memutar Turbin Uap yang di Kopel dengan Generator menghasilkan daya Listrik. Uap sisa memutar Turbin dikondensasikan di Kondensor dengan media pendingin Air Laut (Cooling System) untuk selanjutnya Air Kondensasi ini dapat digunakan lagi menjadi air Boiler (Proses).

Pembangkit Listrik Tenaga Gas

Pembangkit listik tenaga gas (PLTG) merupakan sebuah pembangkit energi listrik yang menggunakan peralatan/mesin turbin gas sebagai penggerak generatornya. Turbin gas dirancang dan dibuat dengan prinsip kerja yang sederhana dimana energi panas yang dihasilkan dari proses pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi mekanis dan selanjutnya diubah menjadi energi listrik atau energi lainnya sesuai dengan kebutuhannya. Adapun kekurangan dari turbin gas adalah sifat korosif pada material yang digunakan untuk komponen-komponen turbinnya karena harus bekerja pada temperature tinggi dan adanya unsur kimia bahan bakar minyak yang korosif (sulfur, vanadium dll), tetapi dalam perkembangannya pengetahuan material yang terus berkembang hal tersebut mulai dapat dikurangi meskipun tidak dapat secara keseluruhan dihilangkan. Dengan tingkat efisiensi yang rendah hal ini merupakan salah satu dari kekurangan sebuah turbin gas juga dan pada perkembangannya untuk menaikkan efisiensi dapat diatur/diperbaiki temperature kerja siklus dengan menggunakan material turbin yang mampu bekerja pada temperature tinggi dan dapat juga untuk menaikkan efisiensinya dengan menggabungkan antara pembangkit turbin gas dengan pembangkit turbin uap dan hal ini biasa disebut dengan combined cycle.

PLTG mempunyai beberapa peralatan utama seperti:
a. Turbin gas (Gas Turbine)
b. Kompresor (Compressor)
c. Ruang Bakar (Combustor)

Mula-mula udara dari atmosfir ditekan didalam kompresor hingga temperature dan tekanannya naik dan proses ini biasa disebut dengan proses kompresi dimana sebagian udara yang dihasilkan ini digunakan sebagai udara pembakaran dan sebagiannya digunakan untuk mendinginkan bagian-bagian turbin gas. Didalam ruang bakar sebagian udara pembakaran tersebut akan bercampur dengan bahan bakar yang diinjeksikan kedalamnya dan dipicu dengan spark plug akan menghasilkan proses pembakaran hingga menghasilkan gas panas (energi panas) dengan temperature dan tekanan yang tinggi, dari energi panas yang dihasilkan inilah kemudian akan dimanfaatkan untuk memutar turbin dimana didalam sudu-sudu gerak dan sudu-sudu diam turbin, gas panas tersebut temperature dan tekanan mengalami penurunan dan proses ini biasa disebut dengan proses ekspansi.
Selanjutnya energi mekanis yang dihasilkan oleh turbin digunakan untuk memutar generator hingga menghasilkan energi listrik.

Gambar Prinsip Kerja PLTG

Pembangkit Listrik Tenaga Air

Potongan melintang bendungan di PLTA

PLTA adalah pembangkit yang mengandalkan energi potensial dan kinetik dari air untuk menghasilkan energi listrik. Energi listrik yang dibangkitkan ini biasa disebut sebagai hidroelektrik.

Bentuk utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah generator yang dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh tenaga kinetik dari air. Namun, secara luas, pembangkit listrik tenaga air tidak hanya terbatas pada air dari sebuah waduk atau air terjun, melainkan juga meliputi pembangkit listrik yang menggunakan tenaga air dalam bentuk lain seperti tenaga ombak. Hidroelektrisitas adalah sumber eneri terbarukan.

Di banyak bagian Kanada (provinsi British Columbia, Manitoba, Ontario, Quebec, dan Newfoundland and Labrador) hidroelektrisitas digunakan secara luas. Pusat tenaga yang dijalani oleh provinsi-provinsi ini disebut BC Hydro, Manitoba Hydro, Hydro One (dulunya "Ontario Hydro"), Hydro-Québec, dan Newfoundland and Labrador Hydro. Hydro-Québec merupakan perusahaan penghasil listrik hydro terbesar dunia, dengan total listrik terpasang sebesar 31.512 MW (2005).

                                                            Hydraulic turbine and electrical generator.

Tenaga listrik hydro, menggunakan kinetik, atau energi gerakan sungai, sekarang menyediakan 20% listrik dunia. Norwegia menghasilkan hampir seluruh listriknya dari hydro, sedangkan Islandia memproduksi 83% dari kebutuhannya (2004), Austria memproduksi 67% dari seluruh listrik yang dihasilkan di negara tersebut. Kanada merupakan penghasil tenaga hidro terbesar dunia dan memproduksi lebih dari 70% listriknya dari hidroelektrik.

PERKEMBANGAN DAN POTENSI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR (PLTA)

PLTA telah berkontribusi banyak bagi pembangunan kesejahteraan manusia sejak beberapa puluh abad yang lalu. Yunani tercatat sebagai negara pertama yang memanfaatkan tenaga air untuk memenuhi kebutuhan energi listriknya. Pada akhir tahun 1999, tenaga air yang sudah berhasil dimanfaatkan di dunia adalah sebesar 2650 TWh, atau sebesar 19 % energi listrik yang terpasang di dunia.

Indonesia mempunyai potensi pembangkit listrik tenaga air (PLTA) sebesar 70.000 mega watt (MW). Potensi ini baru dimanfaatkan sekitar 6 persen atau 3.529 MW atau 14,2 % dari jumlah energi pembangkitan PT PLN.

KELEBIHAN DAN KEKURANGAN PLTA

Ada beberapa keunggulan dari pembangkit listrik tenaga air (PLTA) yang dapat dirangkum secara garis besar sebagai berikut :

1. Respon pembangkit listrik yang cepat dalam menyesuaikan kebutuhan beban. Sehingga pembangkit listrik ini sangat cocok digunakan sebagai pembangkit listrik tipe peak untuk kondisi beban puncak maupun saat terjadi gangguan di jaringan.
2. Kapasitas daya keluaran PLTA relatif besar dibandingkan dengan pembangkit energi terbarukan lainnya dan teknologinya bisa dikuasai dengan baik oleh Indonesia.
3. PLTA umumnya memiliki umur yang panjang, yaitu 50-100 tahun.
4. Bendungan yang digunakan biasanya dapat sekaligus digunakan untuk kegiatan lain, seperti irigasi atau sebagai cadangan air dan pariwisata.
5. Bebas emisi karbon yang tentu saja merupakan kontribusi berharga bagi lingkungan.

Selain keunggulan yang telah disebutkan diatas, ada juga dampak negatif dari pembangunan PLTA pada lingkungan, yaitu mengganggu keseimbangan ekosistem sungai/danau akibat dibangunnya bendungan, pembangunan bendungannya juga memakan biaya dan waktu yang lama. Disamping itu, terkadang kerusakan pada bendungan dapat menyebabkan resiko kecelakaan dan kerugian yang sangat besar.

PRINSIP DASAR DAN CARA PEMANFAATAN PLTA

Prinsip dasar pemanfaatan sumber energi tenaga air ini adalah dengan (i) mengandalkan jumlah debit air dan (ii) dengan memanfaatkan ketinggian jatuhnya air.

Berdasarkan konstruksinya, ada dua cara pemanfaatan tenaga air untuk pembangkit listrik: (a) memanfaatkan aliran air sungai tanpa membangun bendungan dan reservoir atau yang sering disebut dengan Run-of-river Hydropower ; (b) membangun bendungan dan membuat reservoir untuk mengalirkan air ke turbin.

Secara umum cara kerja PLTA adalah dengan memanfaatkan energi dari aliran air dalam jumlah debit tertentu dari sumber air (sungai, danau, atau waduk) melalui intake, kemudian dengan menggunakan pipa pembawa (headrace) air diarahkan menuju turbin. Beberapa PLTA biasanya menggunakan pipa pesat (penstock) sebelum dialirkan menuju turbin/kincir air, dengan tujuan meningkatkan energi dalam air dengan memanfaatkan gravitasi dan mempertahankan tekanan air jatuh.

Gambar 2 Pembangkit Listrik Tenaga Air

(a) dengan bendungan (b) tanpa bendungan

Turbin yang tertabrak air akan memutar generator dalam kecepatan tertentu, sehingga terjadilah proses konversi energi dari gerak ke listrik. Sementara air yang tadi digunakan untuk memutar turbin dikembalikan ke alirannya. Energi listrik yang dibangkitkan dapat digunakan secara langsung, disimpan dalam baterai ataupun digunakan untuk memperbaiki kualitas listrik pada jaringan.

Gambar 3. Turbin Air (a) Pelton (b) Francis (c) Propeller

MENGHITUNG JUMLAH ENERGI YANG DI KONVERSIKAN KE LISTRIK

Jumlah daya listrik yang dapat dibangkitkan pada suatu pusat pembangkit listrik tenaga air tergantung pada besarnya potensial energi air pada ketinggian (h) dimana air jatuh dan laju aliran airnya perluas penampang kanal air perdetiknya.  Daya teoritis kasar (P kW) yang tersedia dapat ditulis sebagai berikut:

Daya yang tersedia ini kemudian akan diubah menggunakan turbin air menjadi daya mekanik. Karena turbin dan peralatan elektro-mekanis lainnya memiliki efisiensi yang berkisar 85% hingga 90%, daya listrik yang dibangkitkan akan lebih kecil dari energi kasar yang tersedia,

Usaha dan Energi

Usaha yang dilakukan oleh suatu gaya pada suatu benda adalah hasil kali gaya tersebut dengan perpindajan titik dimana gaya itu bekerja.

Keterangan :

W = Usaha (J)

F  = gaya (N)

s   = jarak/perpindahan (m)

  = Ehemm..... dengan kata lain klo digambarkan antara usaha dan perpindahannya harus sejajar....

 = Klo gaya yang kita kerjakan membentuk sudut tertentu terhadap perpindahannya??

 = kita uraikan saja gaya tersebut berdasarkan sudut yang terbentuk.....

dan gaya yang kita gunakan adalah hasil peruraian yang sejajar dengan arah perpindahannya... 

sebagai contoh gambar di samping, yakni sebuah balok yang bergerak sejajar bidang horizontal (mendatar) karena dikenai suatu gaya yang membentuk sudut tertentu terhadap bidang datar (θ). maka gaya yang kita gunakan adalah hasil peruraian gaya tersebut yang sejajar dengan bidang datar.....

→ jika benda diberi gaya (F) tetepi tidak bergerak (s = 0) maka usahanya = 0
→ jika benda diberi gaya (F) yang tegaklurus dengan arah perpindahannya maka usahanya= 0
→ jika benda diberi gaya (F) dan arah perpindahannya berlawanan dengan arah gayanya maka        usahanya bernilai negatif ( W = - F.s )

Segala bentuk gaya, gaya grafitasi (berat benda), gaya gesek, gaya pegas, gaya listrik, gaya coloumb dll, yang menyebabkan suatu benda berpindah tempat berarti mempunyai usaha.


Energi Potensial Grafitasi

Keterangan :
Ep   = energi potensial (J)
m     = massa benda (kg)
h      = ketinggian (m)
∆Ep = perubahan energi potensial (J)

Energi Kinetik

Keterangan :
Ek   = energi kinetik (J)
v      = kecepatan benda (m/v)
∆Ek = perubahan energi kinetik (J)

 = Ingat2.... untuk mencari usaha karena perubahan energi kinetik pada bagian perubahan kecepatan harus dikuadratkan terlebih dahulu baru diselisihkan..... jangan terbalik diselisihkan baru dikuadratkan.


Hukum Kekekalan Energi Mekanik

Pada suatu sistem yang hanya dipengaruhi gaya berat (F = m.g) dan tidak ada gaya lainnya yang bekerja. maka berlaku "Hukum Kekekalan Energi Mekanik". Besarnya energi mekanik total sistem pada semua posisi/kedudukan benda bernilai tetap.

Energi mekanik merupakan gabungan energi potensial benda (Ep) dan Energi kinetiknya (Ek).

Em = Ep + Ek

Em1 = Em2

• Pada ketinggian maksimum (hmaks) kecepatannya = 0 m/s maka energi kinetiknya juga = 0 J. berlaku hubungan :

• Pada saat benda akan menyentuh tanah maka ketinggiannya = 0 m maka energi potensialnya juga = 0 J. berlaku hubungan :

 maka kecepatan benda saat menyentuh tanah dapat dihitung dengan :

Contoh :

Pada saat ketinggian benda = setengah ketinggian mula2 berapakah besar kecepatan benda ?

ingat... saat ketinggian mula2 benda belum bergerak sehingga energi kinetiknya = 0

m.g.h1 + ½.mv1² = m.g.h2 + ½.mv2²

m.g.h + 0 = m.g.½h +  ½.mv2²

m.g.h - ½.m.g.h  =  ½.mv2²

½.mv2² = ½.m.g.h

Daya dan Efisiensi 

Daya
Daya adalah besarnya usaha atau energi tiap satuan waktu.

keterangan :
P    = daya (W)
W  = usaha (J)
E    = energi (J)
t     = waktu (s)
s     = jarak/perpindahan (m)
v    = s/t = kecepatan (m/s)


Efisiensi (daya guna)

tidak semua daya yang diberikan ke suatu sistem (Pmasukan) diubah menjadi daya yang dihasilkan sistem tersebut (Pkeluaran).

Perbedaan Pmasukan dan Pkeluaran disebabkan oleh daya yang diberikan kepada suatu sistem tidak semuanya diubah menjadi bentuk daya yang kita butuhkan. 

sebagai contoh, daya listrik yang digunakan yntuk menyalakan lampu tidak semuanya diubah menjadi energi cahaya, ada sebagian daya listrik yang berubah menjadi panas.

besarnya efisiensi biasanya dinyatakan dalam persen :

dalam pengerjaan soal bentuk persen ini harus diubah terlebih dahulu menjadi dalam bentuk pecahan atau desimal


Contoh Perubahan Energi

a. Energi Potensial menjadi Energi Kinetik

Jika kita menjatuhkan benda dari ketinggian tertentu maka akan terjadi perubahan energi potensial pada titik tertinggi menjadi energi kinetik seluruhnya pada titik terndah (saat benda hampir menyentuh permukaan tanah)  maka terdapat hubungan :
 maka kecepatan benda saat menyentuh tanah dapat dihitung dengan :

b. Energi Potensial Berubah Menjadi Energi Kalor

Benda jatuh dari ketinggian tertentu, saat menumbuk tanah sebagian energi potensialnya akan berubah menjadi kalor.

Keterangan :
∆T = perubahan suhu ( ⁰K )
c    = kalor jenis
g    = percepatan gravitasi ( m/v² )

c. Energi Potensial Menjadi Energi Listrik 

Air terjun ada yang dimanfaatkan menjadi sumber energi listrik. Proses ini menggunakan alat yang disebut generator. Generator merubah sebagian energi potensial air terjun menjadi energi listrik.

Keterangan :
P   = daya listrik ( W )
V  = tegangan atau beda potensial ( V )
I    = arus listrik ( A )
t    = waktu ( s )

Pratikum

Tujuan                                     : Mencari massa jenis minyak tanah

Alat dan bahan                        :

1. Pipa U

                                                 

  

2. Penjepit

                                                 

 

     

 3. Air

                                                 

4. Minyak Goreng

                                   

5. Penggaris

Teori                                        : Archimedes

Teori Archemedes : Benda yang tercelup sebagian atau seluruhnya dalam fluida mengalami gaya keatas sebesar fluida yang dipindahkan oleh benda yang tercelup tersebut.

Langkah-langkah                     :

            1. Ambil pipa U dan alat penjepit yang sudah disediakan diruang laboratorium fisika

            2. Isi pipa U dengan air secukupnya lalu isi juga dengan minyak secukupnya.

            3. Setelah diisi dengan air dan minyak letakkan pipa U pada penjepit.

4. Lalu ukur dengan penggaris, tinggi minyak (h₂), tinggi air (h₂), lalu dimasukkan ke tabel percobaan, hitung dengan rumus (p₂) massa jenis minyak lalu hasilnya dimasukkan kedalam tabel percobaan.

5. Dan lakukan berulang-ulang sampai tiga kali percobaan dengan menambahkan minyak.

 

 Pengamatan/perhitungan      :

No	Percobaan	h1	h2	P2=h1.p2      h2
1	1	4	5	4.1000 = 4000  = 800 kg/m3    5            5
2	2	7	8	7.1000 =  7000= 875 kg/m3                         8             8
3	3	7,5	9	7,5.1000 = 7500  = 833,3 kg/m3                      9             9                = 833

Kesimpulan :                           :

Jadi, massa jenis minyak adalah 0,8 g/cm³ dan dapat juga 0,9 g/cm³. Selain didapatkan dari praktek kita. Saya sebagai penulis pernah membaca di blog lain bahwa massa jenis minyak rata-rata adalah 800-875 kg/cm³