Materi Energi Terbarukan - Hydropower - Tambahan - Lanjutan [PDF]

Citation preview

MATERI PERKULIAHAN



E- Learning (Hydropower ) Energi Terbarukan



Renewable Energy



Vera Septy Sayeva S T.,MT



Renewable Energy Pendahuluan



Energi terbarukan (Renewable energy) yang merupakan juga energi berke[planjutan (sustainable) oleh sebab ketersediaanya di alam dalam waktu yang relatif sangat panjang sehingga antisipasi ketersediaanya tidak perlu dilakukan. Energi terbarukan merupakan energi yang berasal dari proses alam yang berkelanjutan seperti tenaga surya, tenaga angin, proses biologi dan panas bumi. ( Wikipedia.com) Energi terbarukan: Sumber dari energi ini dapat terus digunakan dan tidak akan berkekurangan atau pengadaan dan pengolahannya tidak memerlukan energi tambahan laebih dan dan efisien untuk dikembangkan - Ketersediaan dari sumber energi ada dimana- mana dan free of cost - Sumber energi terbearukan bersifat tidak mencemari lingkungan -



Sumber daya energi terbarukan dibagi menjadi beberapa sumber: 1) 2) 3) 4) 5)



Hydropower Wind Energy Geothermal Solar energy Biomass



Energi Terbarukan Indonesia



Kondisi energi saat ini: 1. Energi telah menjadi kebutuhan mendasar 2. Pertumbuhan kebutuhan energi rata- rata 7 % per tahun 3. Kebutuhan Energi masih sangat bergantung kepada energi fosil ( 94%) 4. Potensi Energi baru terbarukan (EBT) relatif besar tetapi pangsa energi terbarukan masih sangat kecil ( 6%) 5. Sektor energi sangat erat kaitanya dengan lingkungan Renewable Energy



Potensi Energi Terbarukan Indonesia



( Sumber: Kementrian Energi dan Sumberdaya Mineral)



Renewable Energy



1. Hydro Power Energy Pendahuluan



Hydro power energy merupakan pemanfaatan energi dengan menggunakan energi dan kerja dari air. (water in motion). Dahulu kita mengenal teknologi kincir air yang dikenal sekitar 900 tahun lalu di Inggris, sering perkembangan teknologi yang lebih maju lagi kini dikenal teknologi turbin air, turbin bertenaga air saat ini memiliki kemampuan untuk berputar dalam kecepatan yang sangat tinggi. Umumnya tenaga hidro atau water power digunakan sebagau salah satu sember penghasil energi listrik.



Berdasarkan kapasitas dayanya, hydropower dapat dibagi menjadi 5 (lima) jenis, sebagai berikut: (1)



Large-hydro. Memiliki daya lebih dari 100 MW dan digunakan sebagai pembangkit tenaga listrik berskala besar;



(2)



Medium-hydro. Memiliki daya antara 15 dan 100 MW dan digunakan sebagai pembangkit listrik berskala menengah;



(3)



Small-hydro. Memiliki daya antara 1 dan 15 MW dan digunakan sebagai pembangkit listrik berskala menengah ke bawah;



(4)



Mini-hydro. Memiliki daya di atas 100 kW namun di bawah 1 MW dan digunakan untuk pembangkit tenaga tertentu;



(5)



Micro-hydro. Memiliki daya antara beberapa ratus Watt untuk pengisian ulang (recharge) baterai dan 100kW untuk aplikasi pengolahan makanan. Jenis micro-hydro mengalirkan daya untuk masyarakat kecil atau industri pedesaan di daerah pelosok yang letaknya jauh dari pusat pembangkit listrik.



Renewable Energy



1.2 Hydropower Basics Obyektif dari skema hydropower adalah bagaimana mengkonversi energi potensial yang terdapat pada massa air, yang mengalir pada suatu aliran dengan ketinggian tertentu mejadi energi listrik pada skema yang lebih rendah. Arah jatuh secara vertikal pada air, yang biasa disebut “Head” merupkan hal yang esensial dalam pemanfaatan hydropower. Dua hal yang diperlukan atau perlu diperhatikan yaitu Laju alir air (Q); dan Head (H). Gross Head (H) merupakan maksimum jarak jatuk vertikal air yang ada dari level upstream ke downstream. Nilai head aktual dengan menggunakan turbine umumnya jauh lebih kecil dibandingkan dengan gross head hal ini disebabkan pada proses transportasi air digunakan tenaga mesin sehingga nilai head dapat berkurang atau yang lebih dikenal dengan Net Head. Flow rate ( Q) merupakan sejumlah volume air yang dialirkan atau berpindah per satuan waktu ( sekon), m3/s. Dalam skema yang lebih kecil satuan dari laju alir dapat juga digambarkan dalam liter/sekon.



Power & Energy



Pada konsep hydropower umumnya digunakan teknologi turbin umtuk membantu mengkonversi tekanan air (water pressure) menjadi mechanical shaft power yang dimanfaatkan untuk menggerakan generator listrik atau mesin lainnya. Ketersediaan Daya ( Power) dihasilkan secara proporsional dari produk Head (H) dan Flow rate (Q). Secara umum perhitungan daya yang dihasilkan dirumuskan sebagai berikut:
   Dimana: P= Kerja mekanik atau power yang



‘g’= gravitasi ( 10 m/s2)



dihasilkan pada turbin ( watts) ‘n’= efisiensi hidrolik trubin



Q = Laju alir air yang melalui turbin ( m3/s)



ρ = densitas air ( 1000 kg/m3)



Renewable Energy



H = Head air ( m)



Skema dan monitor Hydropower



Hydro power merujuk kepada teknologi yang mengubah air menjadi energi listrik. Sebagai salah satu aplikasi dari green technology. Prinsip teknologi ini adalah menggunakan energi kinetik dari arus air untuk memutar turbin yang nantinya akan diubah menjadi energi listrik. Hydro power dibagi menjadi 4 kategori, yaitu conventional hydroelectric, run-of-the-river hydroelectricity, small hydro projects, micro hydro projects, dan pumped-storage hydroelectricity. Conventional hydroelectric merupakan teknologi hydro power yang menggunakan DAM seperti Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA). Berbeda dengan Conventional hydroelectric, run-of-the-river hydroelectricitymengubah energi kinetik sungai tanpa membuat DAM. KategoriSmall hydro projectsuntuk pembangkit dengan kapasitas 10 MegaWatt, micro hydro projectsuntuk pembangkit berkapasitas beberapa KiloWatt, sedangkanpumped-storage hydroelectricityhanya



digunakan



saat



energi



listrik



benar-benar



dibutuhkan. Berikut beberapa alasan mengapa teknologi hydro power dapat diterapkan di Indonesia. Pertama, Indonesia memiliki banyak sungai yang berpotensi untuk dijadikan pembangkit listrik. Dengan menerapkan conventional hydroelectric, run-of-the-river hydroelectricity atau small hydro projects, sungai-sungai di Indonesia dapat dijadikan sumber energi listrik yang ramah lingkungan. Berikut merupakan contoh cara kerja hydro power plant:



Gambar 1. Cara kerja Hydropower plant Hydro Power Plant diperlukan suatu monitoring untuk mengetahui apakah kerja dari power plant tersebut efisien, apakah terdapat rugi-rugi yang berpengaruh pada kerja mini hydro untuk menghasilkan listrik. Untuk mengetahui parameter-parameter tersebut diperlukan suatu sensor-sensor yang dapat memonitor kehandalan dari Hydro Power Plant secara terus menerus. Dibawah ini merupakan Renewable Energy



gambaran alat-alat ukur apa saja yang diperlukan untuk mengetahui kinerja dari mini Hydro Power Plant beserta penempatannya pada plant.



Gambar 2 Skema dan monitoring Hydropower plant



Renewable Energy



K



1.3 Hydropower - Technology Teknologi Turbin Air



Salah satu komponen utama dalam proses teknologi hydropower adalah turbin air. Berbagai jenis turbin yang ada digunakan untuk mengkonversi energi dari air yang mengalir kedalam putaran kerja shaft namun terkadang proses ini sedikit membingungkan dimana terdapat berbagai jenis turbin yang harus digunakan dalam situasi yang berbeda. Pemilihan jenis terbin bergantung kepada karakteristik lapangan, Head dan laju yang tersedia ditambah lagi target kecepatan generator yang diharapkan dan apakah turbin diharapkan dapat juga bekerja pada kondisi dimana terdapat kondis jumlah laju alir yang berkurang. Secara garis besar terdapat dua tipe turbin air; “impulse’ dan “reaction”. Impulse turbin mengubah energi potensial dari air menjadi energi kinetik yang dihasilkan dari nozzle, sedangkan reaction turbine memanfaatkan tekanan dan juga kecepatan aliran air utnuk menghasilkan kerja atau power.



Tabel 1. Tipe turbin “ Impulse” dan “ Reaction”



Jenis Turbin



A. Kaplan & Propeller turbines Merupakan jenis reaction turbin tipe aliran axial, umumnya digunakan untuk nilai head (H) yang rendah (biasanya dibawah 16 m. Turbin tipe Kaplan memiliki blade yang dapat disesuaikan dan guidevanes yang mungkin atau tidak dapat si atur ulang sesuai penggunaannya.



B. Turbin Pelton Turbin Pelton membutuhkan head lebih kurang 150 meter namun untuk skala mikro dapat digunakan pada head 20 m. Renewable Energy



C. Turbin Francis Merupakan turbin reaksi. Turbin dipasang diantara sumber air tekanan tinggi dibagian masuk dan air bertekanan rendah dibagian keluar. Turbin Francis menggunakan sudut pengarah yang digunakan untuk mengarahkan air masuk secara tangensial.



D. Turbin cross-flow Merupakan turbin impuls yang dapat digunakan pada debit 20 L/s hingga 10 m3/s dan rentang head 1200 m. E. Turbin Turgo Turbin ini dapat beroperasi pada head 30- 300 m sama halnya dengan Pelton turbin turgo merupkan turbin impuls namun memiliki sudut yang berbeda.



Renewable Energy



Gambar 3. Jenis turbin Kriteria Pemilihan Turbin



Secara fundamental



pemilihan jenis turbin dan geometrinya dikondisikan



berdasarkan hal- hal



berikut ini: 1. Net Head 2. Rentang discharge yang melalui turbin 3. Kecepatan rotasi ( rotational speed) Sebagai contoh untuk sistem transmisi direct couple antara generator dengan turbin pada head rendah, sebuah turbin reaksi (propeller) dapat mencapai putaran yang diinginkan, sementara turbin pelton dan crossflow berputar sangat lambat (low speed) yang akan menyebabkan sistem tidak Renewable Energy



beroperasi. Kecepatan spesifik (Ns) merupakan kecepatan yang digambarkan



sebagai kecepatan ideal,



persamaan geometris turbin yang menghasilkan satu- satuan daya tiap satuan head., kecepatan spesifik dapat diartikan sebagai titik efisiensi maksimum. Perhitungan kecepatan spesifik dapat digambarkan sebagai berikut:



 Dimana : Ns= Kecepatan spesifik; N = Kecepatan putar ( rpm) P = Output Turbin (kw) H = Head (m)




. .



Sedangkan N ( kecepatan putar) dapat dikalkulasikan melalui rumuan berikut: .    P= poles ( jumlah kutub turbin) ; f = Frekuensi ( Hz) Contoh kasus: 1. Suatu sistem generator dilengkapi dengan 10 pasang kutub , dipasang pada ketinggian 505 m. Output turbin 70000 Kw, 3 fase dan 50 Hz. Perkirakanlah kecepatan spesifik dari sistem tersebut!



Solusi: Diket



Dit Jawab 



: P= 70000kW H= 505 m F= 50 Hz; 4 turbin; 10 kutub : Ns? :



. 







.  



N= 600 rpm   600 



70000  . 505 .



Ns = 66 mKw Kecepatan spesifik setiap turbin memiliki kisaran (range) tertentu berdasarkan data eksperimen. Kisaaran kecepatan spesifik beberapa turbin disajikan dalam data sebagai berikut:



Renewable Energy



Tabel 2. Kecepatan spesifik turbin ( data eksperimen) Turbin Pelton 12≤Ns≤25 TurbinFrancis 60≤;Ns≤300 Turbin Crossflow 40≤Ns≤200 Turbin Propeller 250≤Ns≤ 1000 Berdasarkan tipe spesifik turbin perhitungan kecepatan spesifik dari setiap turbin dapat di formulasikan secara detail melalui data eksperrimen seperti yang disajikan pada tabel berikut:



Tabel 3. Perhitungan kecepatan spesifik (Ns) berdasarkan data eksperimen Jenis turbin Formulasi kecepatan spesifik Data Eksperimen Turbin pelton (1 jet) Ns = 85.49/H0.243 (Siervo & Lugaresi, 1978) Turbin Francis Ns = 3763/H0.854 (Schweiger & Gregory, 1989) Turbin Kaplan Ns = 2283/H0.486 (Schweiger & Gregory, 1989) 0.505 Turbin Crossfiow Ns = 513.25/H (Kpordze & Wamick, 1983) Turbin Propeller Ns = 2702/H0.5 (USBR, 1976) http://www.alpensteel.com 4. Masalah kavitasi 5. Biaya



Gambar 2. Rentang Pengoperasian dari beberapa turbin yang berbeda Efisiensi Turbin



Efisiensi turbin didefinisikan sebagai rasio dari tenaga (power) yang dialirkan oleh turbin ( Kerja Mekanik yang ditransmisikan oleh shaft turbin) terhadap kerja yang dilakukan ( gaya hidrolik yang sebanding atau ekuivalen dengan nilai discharge yang terukur dibawah Net head). Suatu turbin umumnya dirancang dengan efisiensi pengoperasian maksimum atau mendekati titik 80% pada laju rata- rata maksimum. Renewable Energy



Gambar 3 Part flow efficiencies Kontrol



Panel berbentuk



kontrol balck



yang box



digunakan yang



akan



umumnya memonitor



pengoperasian dari skema hydropower. Fungsi utama dari panel kontrol tersebut adalah: •



Fungsi strat up dan shut down pada turbin



•



Sinkronisasi generator dengan jaringan lokal yang ada



•



Pengawasan level aliran air dan memastikan aliranya berada diatas nilai batasan minimum



•



Mengoperasikan flow- control valve( katup) yang menuju ke turbin untuk memastikan adanay ketersediaan air yang memadai



•



Deteksi kegagalan atau memberikan peringatan atau pe-non aktifan jika diperlukan.



Renewable Energy



Renewable Energy