PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO

Energi merupakan salah satu kebutuhan utama dalam kehidupan manusia. Peningkatan kebutuhan energi dapat merupakan indikator peningkatan kemakmuran, namun bersamaan dengan itu juga menimbulkan masalah dalam usaha penyediaannya.

Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat, karena pada air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik (pada air mengalir). Tenaga air (Hydropower) adalah energi yang diperoleh dari air yang mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran air di sungai. Sejak awal abad 18 kincir air banyak dimanfaatkan sebagai penggerak penggilingan gandum, penggergajian kayu dan mesin tekstil. Memasuki abad 19 turbin air mulai dikembangkan.

Energi air adalah energi yang telah dimanfaatkan secara luas di Indonesia yang dalam skala besar telah digunakan sebagai pembangkit listrik. Beberapa perusahaan di bidang pertanian bahkan juga memiliki pembangkit listrik sendiri yang bersumber dari energi air. Di masa mendatang untuk pembangunan pedesaan termasuk industri kecil yang jauh dari jaringan listrik nasional, energi yang dibangkitkan melalui sistem mikrohidro diperkirakan akan tumbuh secara pesat.

PLTMH, dipilih sebagai salah satu energi alternatif yang ramah lingkungan, renewable energy ( dapat diperbaharui ), tidak konsumtif terhadap pemakaian air, long life ( tahan lama ) dan biaya operasinya kecil sesuai daerah terpencil. PLTMH juga berpotensi sebagai penguat pola pengelelolaan hutan secara modern bagi masyarakat untuk merestorasi lingkungan dan sumber daya hutan. Upaya pengembangan Mikrohidro adalah upaya konstrukstif untuk mengajak masyarakat peduli terhadap lingkungan.

Mikrohidro dibangun berdasarkan kenyataan bahwa adanya air yang mengalir di suatu daerah dengan kapasitas dan ketinggian yang memadai. Istilah kapasitas mengacu kepada jumlah volume aliran air persatuan waktu (flow capacity) sedangan beda ketinggian daerah aliran sampai ke instalasi dikenal dengan istilah head. Mikrohidro juga dikenal sebagai white resources dengan terjemahan bebas bisa dikatakan “energi putih“. Dikatakan demikian karena instalasi pembangkit listrik seperti ini mengunakan sumber daya yang telah disediakan oleh alam dan ramah lingkungan. Suatu kenyataan bahwa alam memiliki air terjun atau jenis lainnya yang menjadi tempat air mengalir. Dengan teknologi sekarang maka energi aliran air beserta energi perbedaan ketinggiannya dengan daerah tertentu (tempat instalasi akan dibangun) dapat diubah menjadi energi listrik.

A. Pengertian Mikro Hidro
Mikrohidro adalah istilah yang digunakan untuk instalasi pembangkit listrik yang mengunakan energi air. Kondisi air yang bisa dimanfaatkan sebagai sumber daya (resources) penghasil listrik adalah 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, tetapi 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 5kW

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.


B. 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 besar, 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.
Energi yang digunakan untuk menggerakkan turbin didapatkan dari dua cara:
1. Dengan head ; memanfaatkan beda ketinggian permukaan air (energi potensial sungai)
2. Tanpa head ; memanfaatkan aliran sungai (energi kinetik sungai)

Dimana head adalah jarak vertical atau besarnya ketinggian jatuhnya air. Semakin besar head umumnya akan semakin baik karena air yang dibutuhkan semakin sedikit dan peralatan semakin kecil, dan turbin bergerak dengan kecepatan tinggi. Masalahnya adalah tekanan pada pipa dan kekuatan sambungan pipa harus kuat dan diperhatikan dengan cermat.

C. 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 = mgh

dengan
m = massa air (kg)
g = percepatan gravitasi(m/s2)
h = head/ketinggian air (m)

Daya merupakan energi tiap satuan waktu (E/t), sehingga persamaan 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)

Selain memanfaatkan air jatuh hydropower dapat diperoleh dari aliran air datar. Dalam hal ini energi yang tersedia merupakan energi kinetik
E = 0,5 m v2

dimana
m = massa air ( kg)
v = kecepatan air (m/s2)

Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut :
P = ρQv2

atau dengan menggunakan persamaan kontinuitas Q = Av, maka
P = ρAv3

dengan A = luas penampang aliran air (m2)


D. Pemanfaatan energi Mikro Hidro dengan menggunakan kincir
     dan turbin

1. Kincir Air (Water Wheel)

Kincir air merupakan sarana untuk merubah energi air menjadi energi mekanik berupa torsi pada poros kincir. Ada beberapa tipe kincir air yaitu :
* Kincir Air Overshot
* Kincir Air Undershot
* Kincir Air Breastshot
* Kincir Air Tub

1.1 Kincir Air Overshot

Kincir air Overshot

Kincir air overshot bekerja bila air yang mengalir jatuh ke dalam bagian sudu-sudu sisi bagian atas, dan karena gaya berat air roda kincir berputar. Kincir air overshot adalah kincir air yang paling banyak digunakan dibandingkan dengan jenis kincir air yang lain.

Keuntungan
* Tingkat efisiensi yang tinggi dapat mencapai 85%.
* Tidak membutuhkan aliran yang deras.
* Konstruksi yang sederhana.
* Mudah dalam perawatan.
* Teknologi yang sederhana mudah diterapkan di daerah yang terisolir.

Kerugian
* Karena aliran air berasal dari atas maka biasanya reservoir air atau bendungan air, sehingga memerlukan investasi yang lebih banyak.
* Tidak dapat diterapkan untuk mesin putaran tinggi.
* Membutuhkan ruang yang lebih luas untuk penempatan.
* Daya yang dihasilkan relatif kecil.

1.2 Kincir Air Undershot

 

Kincir Air Undershot

Kincir air undershot bekerja bila air yang mengalir, menghantam dinding sudu yang terletak pada bagian bawah dari kincir air. Kincir air tipe undershot tidak mempunyai tambahan keuntungan dari head.Tipe ini cocok dipasang pada perairan dangkal pada daerah yang rata. Tipe ini disebut juga dengan ”Vitruvian”. Disini aliran air berlawanan dengan arah sudu yang memutar kincir.
Keuntungan
* Konstruksi lebih sederhana
* Lebih ekonomis
* Mudah untuk dipindahkan
Kerugian
*Efisiensi kecil
*Daya yang dihasilkan relatif kecil

1.3 Kincir air breastshot

Kincir Air Breastshot

Kincir air Breastshot merupakan perpaduan antara tipe overshot dan undershot dilihat dari energi yang diterimanya. Jarak tinggi jatuhnya tidak melebihi diameter kincir, arah aliran air yang menggerakkan kincir air disekitar sumbu poros dari kincir air. Kincir air jenis ini menperbaiki kinerja dari kincir air tipe under shot.

Keuntungan
* Tipe ini lebih efisien dari tipe under shot
* Dibandingkan tipe overshot tinggi jatuhnya lebih pendek
* Dapat diaplikasikan pada sumber air aliran datar

Kerugian
* Sudu-sudu dari tipe ini tidak rata seperti tipe undershot (lebih rumit)
* Diperlukan dam pada arus aliran datar
* Efisiensi lebih kecil dari pada tipe overshot

1.4 Kincir air tub

Kincir Air Tub

Kincir air Tub merupakan kincir air yang kincirnya diletakkan secara horisontal dan sudu-sudunya miring terhadap garis vertikal, dan tipe ini dapat dibuat lebih kecil dari pada tipe overshot maupun tipe undershot. Karena arah gaya dari pancuran air menyamping maka, energi yang diterima oleh kincir yaitu energi potensial dan kinetik.

Keuntungan
* konstruksi yang lebih ringkas
* Kecepatan putarnya lebih cepat

Kerugian
* Tidak menghasilkan daya yang besar
* Karena komponennya lebih kecil membutuhkan tingkat ketelitian yang lebih teliti

2. Turbin air
Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk pembangkit tenaga listrik.. Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Energi mekanis diubah dengan generator listrik menjadi tenaga listrik. Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi.

Pengelompokan Turbin:
2.1. Turbin Impuls
* High head : Pelton, dan Turgo
* Medium Head : Cross-flow, Multi jet-pelton, dan Turgo
* Low Head : Crossflow

2.2. Turbin Reaksi
* Medim Head : Francis
* Low Head : Prropeller, dan Kaplan

2.1. Turbin Impuls

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

2.1.1 Turbin Pelton

Turbin Pelton

Turbin pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nosel. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi.

Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu dibentuk sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai tengah-tengah sudu dan pancaran air tersebut akan berbelok ke kedua arah sehinga bisa membalikkan pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping. Untuk turbin dengan daya yang besar, sistem penyemprotan airnya dibagi lewat beberapa nosel. Dengan demikian diameter pancaran air bisa diperkecil dan ember sudu lebih kecil.

Turbin Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih kurang 150 meter tetapi untuk skala mikro head 20 meter sudah mencukupi.

2.1.2 Turbin Turgo

Sudu turbin Turgo dan nozle

Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbin pelton turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nozle membentur sudu pada sudut 20 o. Kecepatan putar turbin turgo lebih besar dari turbin Pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan.

2.1.3 Turbin Crossflow
Salah satu jenis turbin impuls ini juga dikenal dengan nama Turbin Michell-Banki yang merupakan penemunya. Selain itu juga disebut Turbin Osberger yang merupakan perusahaan yang memproduksi turbin crossflow. Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 litres/sec hingga 10 m3/sec dan head antara 1 s/d 200 m.

Turbin crossflow

Turbin Crossflow menggunakan nozle persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Air mengalir keluar membentur sudu dan memberikan energinya (lebih rendah dibanding saat masuk) kemudian meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel.

2.2 Turbin Reaksi
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.

2.2.1 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 pad 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.

Turbin Francis

2.2.2. Turbin Kaplan dan 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.

Turbin kaplan

E. Komponen-komponen Pembangkit Listrik Mikro Hidro

Komponen-komponen Besar dari sebuah Skema Mikro Hidro

Komponen PLTMH :
1. Diversion Weir dan Intake (Dam/Bendungan Pengalih dan Intake). Dam pengalih berfungsi untuk mengalihkan air melalui sebuah pembuka di bagian sisi sungai (‘Intake’ pembuka) ke dalamsebuah bak pengendap (Settling Basin).
2. Settling Basin (Bak Pengendap). Bak pengendap digunakan untuk memindahkan partikel-partikel pasir dari air. Fungsi dari bak pengendap adalah sangat penting untuk melindungi komponen-komponen berikutnya dari dampak pasir.
3. Headrace (Saluran Pembawa). Saluran pembawa mengikuti kontur dari sisi bukit untuk menjaga elevasi dari air yang disalurkan.
4. Headtank (Bak Penenang). Fungsi dari bak penenang adalah untuk mengatur perbedaan keluaran air antara sebuah penstock dan headrace, dan untuk pemisahan akhir kotoran dalam air seperti pasir, kayu-kayuan.
5. Penstock (Pipa Pesat/Penstock). Penstock dihubungkan pada sebuah elevasi yang lebih rendah ke sebuah roda air, dikenal sebagai sebuah Turbin.
6. Rumah Pembangkit/ Power House. Adalah rumah tempat semua peralatan mekanik dan elektrik PLTMH. Peralatan Mekanik seperti Turbin dan Generator berada dalam Rumah Pembangkit, demikian pula peralatan elektrik seperti kontroler.
7. Saluran Buang (Tailrace)
8. Turbine dan Generator (Turbin dan Generator). Perputaran gagang dari roda dapat digunakan untuk memutar sebuah alat mekanikal (seperti sebuah penggilingan biji, pemeras minyak, mesin bubut kayu dan sebagainya), atau untuk mengoperasikan sebuah generator listrik.Mesin-mesin atau alat-alat, dimana diberi tenaga oleh skema hidro, disebut dengan ‘Beban’ (Load).
9. Panel atau Peralatan Pengontrol Listrik. Biasanya berbentuk kotak yang ditempel di dinding. Berisi peralatan elektronik untuk mengatur listrik yang dihasilkan Generator. Panel termasuk alat elektrik.
10. Jaringan Kabel Listrik. Biasanya kabel yang menyalurkan listrik dari rumah pembangkit ke pelanggan.
Tentu saja ada banyak variasi pada penyusunan disain ini. Sebagai sebuah contoh, air dimasukkan secara langsung ke turbin dari sebuah saluran tanpa sebuah penstock. Tipe ini adalah metode paling sederhana untuk mendapatkan tenaga air tetapi belakangan ini tidak digunakan untuk pembangkit listrik karena efisiensinya rendah. Kemungkinan lain adalah bahwa saluran dapat dihilangkan dan sebuah penstock dapat langsung ke turbin dari bak pengendap pertama. Variasi seperti ini akan tergantung pada karakteristik khusus dari lokasi dan skema keperluan-keperluan dari pengguna.

F. Kelebihan dan kekurangan PLTMH

1. Beberapa kelebihan PLTMH adalah :
* Bersih Lingkungan
* Energi yang terbarui
* Tidak konsumtif terhadap pemakaian air
* Mudah dioperasikan sebagai base load maupun peak load (dapat dengan cepat on/off)
* Biaya operasi rendah
* Tahan Lama (Long Life)
* Range biaya: $1.200 – $6.000 per installed kW
* Sesuai untuk daerah terpencil

2. Beberapa keterbatasan PLTMH adalah :
* Pada musim kemarau kemampuan PLTMH akan menurun karena jumlah air biasanya Berkurang.
* Jika pelanggan melebihi kemampuan PLTMH, maka kualitas listrik akan menurun.
* Semakin jauh jarak Pelanggan ke Pembangkit, maka kualitas listrik juga lebih buruk.
* Jika pelanggan menggunakan listrik secara berlebih, maka kualitas listrik menurun dan membahayakan
   peralatan.