A. Latar Belakang Di zaman sekarang di era abad 21, perkembangan dan kemajuan teknologi sangat pessat yang begitu membutuhkan sumber energy atau tenaga untuk menggerakkan kemajuan tersebut.Salah satu kebutuhan yang sudah dianggap menjadi kebutuhan pokok setiap masyarakat di dunia adalah energy listrik.Listrik sangat mempengaruhi kemajuan suatu bangsa atau listrik bisa menjadi titik tolak ukur kemajuan suatu bangsa, semakin besar penggunaan energy listrik di suatu Negara maka semakin maju pula Negara tersebut.Salah satu penggunaan listrik yang paling utama adalah pada sector penerangan. Kebutuhan akan penerangan semakin lama akan berkembang semakin banyak seiring pertumbuhan penduduk di dunia terutama di Negara kita Indonesia. Di Indonesia masih banyak terdapat desa-desa atau perkampungan yang belum dialiri listrik terutama di daerah-daerah terpencil.Hal itu terjadi karena beberapa hal diantaranya sulitnya akses untuk mencapai perkampungan tersebut dan biaya untuk instalasi listrik menjadi sangat besar. Dengan kemajuan teknologi yang ada saat ini dan juga adanya potensi pembangkit listrik di daerah terpencil terutama dari potensi air yang begitu melimpah oleh karena itu dikembangkanlah pembangkit listrik skala kecil yang disebut Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) yang diharapkan mampu mensuplai energi listrik ke rumah warga dan dengan itu dijadikan sebagai kampung yang mandiri dengan pembangkit listriknya sendiri.Dengan PLTMH ini diharapkan masyarakat mampu meningkatkan kesejahteraan hidupnya, melaksanakan beberapa aktifitasnya dengan mudah baik itu untuk kebutuhan pertanian, Ekonomi, Sosial dan sebagainya. Agar tidak lagi tertinggal dari daerah lain.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 untuk perluasan jaringan listrik, dapat membuat Mikrohidro memberikan sebuah sebuah alternatif ekonomi ke dalam jaringan.Hal ini dikarenakan Skema Mikrohidro yang mandiri dapat menghemat dari jaringan transmisi, karena skema perluasan jaringan tersebut biasanya memerlukan biaya peralatan dan pegawai yang mahal.Dalam kontrak, Skema Mikro Hidro dapat didisain 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.
Potensi sumber daya air yang melimpah di Indonesia karena banyak terdapatnya hutan hujan tropis, membuat kita harus bisa mengembangkan potensi ini, karena air adalah sebagai sumber energy yang dapat terbarukan dan alami. Bila hal ini dapat terus dieksplorasi, konversi air menjadi energy listrik sangat menguntungkan bagi negeri ini.Di Indonesia telah terdapat banyak sekali PLTMHdan waduk untuk menampung air, tinggal bagaimana kita dapat mengembangkan PLTMH menjadi lebih baik lagi dan lebih efisien. B. PENGERTIAN Mikrohidro hanyalah sebuah istilah.Mikro artinya kecil sedangkan hidro artinya air. Dalam prakteknya istilah ini tidak merupakan sesuatu yang baku namun Mikrohidro, pasti menggunakan air sebagai sumber energinya. Pembangkit Lisrik Tenaga Mikrohidro adalah istilah yang digunakan untuk instalasi pembangkit listrik yang menggunakan energi air.Kondisi air yang bisa dimanfaatkan sebagai sumber daya (resources) penghasil listrik adalah yang memiliki kapasitas aliran dan ketinggian tertentu serta instalasi. Pembangkit listrik kecil yang dapat menggunakan tenaga air dengan cara memanfaatkan tinggi terjunan/head (dalam meter) dan jumlah debit airnya (m3/detik). Semakin besar kapasitas aliran maupun ketinggiannya dari instalasi maka semakin besar energi yang bisa dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik.PLTMH umumnya merupakan pembangkit listrik jenis run of river dimana head diperoleh tidak dengan cara membangun bendungan besar, melainkan dengan mengalihkan aliran air sungai ke satu sisi dari sungai tersebut selanjutnya mengalirkannya lagi ke sungai pada suatu tempat dimana beda tinggi yang diperlukan sudah diperoleh. Pembangkit listrik tenaga air dibawah 200 kW digolongkan sebagai PLTMH. Biasanya Mikrohidro dibangun berdasarkan 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 bebasnya yaitu ”energi putih”. Sebab instalasi pembangkit listrik seperti ini mengunakan sumber daya yang disediakan oleh alam dan ramah lingkungan.Suatu kenyataan bahwa alam memiliki air terjun atau jenis lainnya yang menjadi tempat air mengalir. Dengan perkembangan teknologi sekarang maka energi aliran air beserta energi dari pengaruh perbedaan ketinggian dengan daerah tertentu (tempat instalasi yang akan dibangun) akan dapat diubah menjadi energi listrik.
Gambar bagian dalam power house PLTMH C. Teknologi PLTMH Sebuah skema hidro memerlukan dua hal yaitu debit air dan ketinggian jatuh (biasa disebut ‘Head’ untuk menghasilkan tenaga yang bermanfaat. Ini adalah sebuah sistem konversi tenaga, menyerap tenaga dari bentuk ketinggian dan aliran, dan menyalurkan tenaga dalam bentuk daya listrik atau daya gagang mekanik. Tidak ada sistem konversi daya yang dapat mengirim sebanyak yang diserap dikurangi sebagian daya hilang oleh sistem itu sendiri dalam bentuk gesekan, panas, suara dan sebagainya. Persamaan konversinya adalah: Daya yang masuk = Daya yang keluar + Kehilangan (Loss) atau Daya yang keluar = Daya yang masuk × Efisiensi konversi. Persamaan
tersebut biasanya
digunakan
untukmenggambarkan perbedaan yang
kecil.Daya yang masuk, atau total daya yang diserapoleh skema hidro, adalah daya kotor (Pgross).Daya yang manfaatnya dikirim adalah daya bersih (Pnet). Semua efisiensi dari konstruksi dan instalasi dari PLTMHdisebut Eo. Pnet = Pgross ×Eo kWatt Daya kotor adalah head kotor (Hgross) yang dikalikan dengan debit air (Q) dan juga dikalikan dengan sebuah faktor percepatan grafitasi (g = 9.8), sehingga persamaan dasar dari pembangkit listrik adalah : Pnet = g ×Hgross × Q ×Eo kWatt
Dimana: -
Head dalam meter Debit air dalam m3/s.
Dan Eo terbagi sebagai berikut : Eo = Ekonstruksi sipil × Epenstock × Eturbin × Egenerator × Esistem kontrol × Ejaringan × Etrafo Biasanya : -
Ekonstruksi sipil Epenstock Eturbin Egenerator Esistem control Ejaringan Etrafo
: 1.0 - (panjang saluran × 0.002 ~ 0.005)/ Hgross : 0.90 ~ 0.95 (tergantung pada panjangnya) : 0.70 ~ 0.85 (tergantung pada tipe turbin) : 0.80 ~ 0.95 (tergantung pada kapasisitas generator) : > 0.97 : 0.90 ~ 0.98 (tergantung pada panjang jaringan) : 0.98
Gambar skematik perhitungan efisiensi PLTMH Ekonstruksi
sipil
dan Epenstock biasa diperhitungkan sebagai ‘Head Loss (Hloss)/kehilangan
ketinggian’. Dalam kasus ini, persamaan diatas dirubah ke persamaan berikut. Pnet= g ×(Hgross-Hloss) ×Q ×(Eo – Ekonstruksi sipil - Epenstock ) kW Persamaan sederhana ini adalah inti dari semua desain pekerjaan pembangkit listrik.Ini penting untuk menggunakan unit-unit yang benar.
D. PRINSIP KERJA PLTMH
Secara teknis PLTMH memiliki tiga komponen utama yaitu air (hydro), turbin, dan generator. Prinsip kerja dari PLTMH sendiri pada dasarnya sama dengan PLTA hanya saja berbeda kapasitasnya atau besarnya. PLTMH pada prinsipnya memanfaatkan beda ketinggian atau sudut kemiringan dan jumlah debit air per detik yang ada pada saluran irigasi, sungai, maupun air terjun. Aliran air akan memutar turbin sehingga akan menghasilkan energi mekanik. Energi mekanik turbin akan memutar generator dan generator menghasilkan listrik. Skema prinsip kerja PLTMH dapat dilihat pada gambar berikut :
Gambar prinsip kerja PLTMH Pembangunan PLTMH perlu diawali dengan pembangunan bendungan untuk mengatur aliran air yang akan dimanfaatkan sebagai tenaga penggerak PLTMH. Bendungan ini perlu dilengkapi dengan pintu air dan penyaring sampah (filter) untuk mencegah masuknya kotoran maupun endapan lumpur.Bendungan sebaiknya dibangun pada dasar sungai yang stabil dan aman terhadap banjir.Di dekat bendungan dibangun bangunan pengambil (intake), kemudian dilanjutkan dengan pembuatan saluran pembawa yang berfungsi mengalirkan air dari intake.Saluran ini dilengkapi dengan saluran pelimpah pada setiap jarak tertentu untuk mengeluarkan air yang berlebih.Saluran ini dapat berupa saluran terbuka atau tertutup.Di ujung saluran pelimpah dibangun kolam pengendap.Kolam ini berfungsi untuk mengendapkan pasir dan menyaring kotoran sehingga air yang masuk ke turbin relatif bersih. Saluran ini dibangun dengan cara memperdalam dan memperlebar saluran pembawa dan menambahnya dengan saluran penguras. Bak penenang / bak penampungan juga dibangun untuk menenangkan aliran air yang akan masuk ke turbin dan mengarahkannya masuk ke pipa pesat. Bak ini dibuat dengan
konstruksi beton dan berjarak sedekat mungkin ke rumah turbin untuk menghemat pipa pesat.Pipa pesat berfungsi mengalirkan air sebelum masuk ke turbin. Dalam pipa ini, energi potensial air di kolam penenang diubah menjadi energi kinetik yang akan memutar roda turbin. Biasany a terbuat dari pipa baja yang dirol, lalu dilas.Untuk sambungan antar pipa digunakan flens.Pipa ini harus didukung oleh pondasi yang mampu menahan beban statis dan dinamisnya.Pondasi dan dudukan ini diusahakan selurus mungkin, karena itu perlu dirancang sesuai dengan kondisi tanah. Turbin, generator dan sistem kontrol masing-masing diletakkan dalam sebuah rumah yang terpisah.Pondasi turbin-generator juga harus dipisahkan dari pondasi rumahnya.Tujuannya adalah untuk menghindari masalah akibat getaran.Rumah turbin harus dirancang sedemikian agar memudahkan perawatan dan pemeriksaan. Setelah keluar dari pipa pesat, air akan memasuki turbin pada bagian inlet. Di dalamnya terdapat guided vane untuk mengatur pembukaan dan penutupan turbin serta mengatur jumlah air yang masuk ke runner/blade (komponen utama turbin). Runner terbuat dari baja dengan kekuatan tarik tinggi yang dilas pada dua buah piringan sejajar. Aliran air akan memutar runner dan menghasilkan energi kinetik yang akan memutar poros turbin. Energi yang timbul akibat putaran poros kemudian ditransmisikan ke generator. Seluruh sistem ini harus balance, turbin harus dilengkapi casing yang berfungsi mengarahkan air ke runner. Pada bagian bawah casing terdapat pengunci turbin.Bantalan (bearing) terdapat pada sebelah kiri dan kanan poros dan berfungsi untuk menyangga poros agar dapat berputar dengan lancar. Daya poros dari turbin ini harus ditransmisikan ke generator agar dapat diubah menjadi energi listrik.Generator yang dapat digunakan pada mikrohidro adalah generator sinkron dan generator induksi. Sistem transmisi daya ini dapat berupa sistem transmisi langsung (daya poros langsung dihubungkan dengan poros generator dengan bantuan kopling), atau sistem transmisi daya tidak langsung, yaitu menggunakan sabuk atau belt untuk memindahkan daya antara dua poros sejajar. Keuntungan sistem transmisi langsung adalah lebih kompak, mudah dirawat, dan efisiensinya lebih tinggi. Tetapi sumbu poros harus benar-benar lurus dan putaran poros generator harus sama dengan kecepatan putar poros turbin. Masalah ketidaklurusan sumbu dapat diatasi dengan bantuan kopling fleksibel. Gearbox dapat digunakan untuk mengoreksi rasio kecepatan putaran. Sistem transmisi tidak langsung memungkinkan adanya variasi dalam penggunaan generator secara lebih luas karena kecepatan putar poros generator tidak perlu sama dengan kecepatan putar poros turbin. Jenis sabuk yang biasa digunakan untuk PLTMH skala besar adalah jenis flat belt, sedang V-belt digunakan untuk skala di bawah 20 kW. Komponen pendukung yang diperlukan pada sistem ini adalah pulley, bantalan dan kopling.Listrik yang dihasilkan oleh generator dapat langsung ditransmisikan lewat kabel pada tiang-tiang listrik menuju rumah konsumen. Untuk menghitung potensi daya yang dimiliki oleh suatu sungai atau sumber aliran air yang akan dijadikan PLTMH digunakan rumus persamaan berikut :
P = g .Q .Hn .η Dimana : P
= daya (Watt)
Q Hn g η
= debit aliran (m3/s) = beda ketinggian (m) = percepatan gravitasi ( 9.8 m/s2) = efisiensi keseluruhan
E. Bagian-Bagian 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 dalam sebuah bak pengendap (Settling Basin).
Gambar intake 2. Settling Basin (Bak Pengendap) Bak pengendap digunakan untuk memindahkan partikel-partikel pasir dari air. Bak pengendap sangat penting untuk melindungi komponen-komponen berikutnya dari pasir atau kotoran lain. 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, juga berfungsi untuk menengkan air sebelum masuk penstok serta untuk pemisahan akhir kotoran dalam air seperti pasir, kayu kayuan.
Gambar headtank 5. Penstock (Pipa Pesat/Penstock) Penstock atau pipa pesat adalah pipa yang menyalurkan air kemudian dihubungkan pada sebuah elevasi yang lebih rendah ke sebuah roda air, sehingga menimbulkan air berkecepatan tinggiuntuk memutar turbin.
Gambar pipa penstock 6. Turbin Turbin merupakan sebuah konstruksi mekanik yang akan berputar ketika terkena air dengan kecepatan tinggi. Turbin inilah yang akan dikopel dengan generator sehingga ketika turbin berputar maka generator akan berputar dan menghasilakan energy listrik.Ada beberapa jenis turbin yang biasa digunakan Pemilihan jenis turbin dapat ditentukan berdasarkan kelebihan dan kekurangan dari jenisjenis turbin, khususnya untuk suatu desain yang sangat spesifik. Pada tahap awal, pemilihan jenisturbin dapat diperhitungkan dengan mempertimbangkan parameter-parameter khususyang mempengaruhi sistem operasi turbin terutama ketinggian head. Jenis Turbin Kaplan
Variasi Head 2 < H < 20
Propeller
2 < H < 20
Francis
10 < H < 350
Crossflow
6 < H < 100
Pelton
50 < H < 1000
Turgo
50 H < 250
7. Generator Generator adalah suatu peralatan yang berfungsi mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Jenis generator yang digunakan pada pembangkit listrik yaitu:
1. Generator sinkron, system eksitasi tanpa sikat (brushless excitation) dengan penggunaan dua tumpuan bantalan (two bearing). Generator sinkron merupakan mesin listrik bolak balik yang engubah energy mekanik menjadi energy listrik arus bolak balik. Energy mekanik diperoleh dari penggerak mula (prime mover) yag terkopel dengan rotor generator, sedangkan energy listrik diperoleh diperoleh dari proses induksi elektromagnetik yang melibatkan kumparan rotor dan kumparan stator. Mesin listrik AC ini disebut sinkron karena rotor berputar secara sinkron atau berputar dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan medan magnet putar. 2. Induction motor sebagai generator (IMAG) sumbu vertical, pada perencanaan turbin propeller open flume.Generator induksi merupakan salah satujenis generator AC yang menerapkan prinsip motor induksi untuk menghasilkan daya. Generator induksi dioperasikan dengan menggerakkan rotornya secara mekanis lebih cepat daripada kecepatan sinkron sehingga menghasilkan slip negatif. Motor induksi biasa umumnya dapat digunakan sebagai sebuah generator tanpa ada modifikasi internal. Generator induksi sangat berguna pada aplikasi-aplikasi seperti pembangkit listrik mikrohidro, turbin angin, atau untuk menurunkan aliran gas bertekanan tinggi ke tekanan rendah, karena dapat memanfaatkan energi denganpengontrolan yang relatif sederhana. Generator induksi adalah generator yang menggunakan prinsip induksi elektromagnetik dalam pengoperasiannya. Generator ini dapat bekerja pada putaran rendah serta tidak tetap kecepatannya, sehingga generator induksi banyak digunakan pada pembangkit listrik dengan daya yang rendah seperti pada pembangkit listrik tenaga mikrohidro atau pembangkit listrik tenaga baru.
8. Rumah pembangkit/ Power house Rumah pembangkit 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 dan panel.
Gambar Power House
F. Kelebihan PLTMH
Pembangkit listrik tenaga mikrohidro memiliki berbagai kelebihan sebagai pembangkit listrik berskala kecil, diantaranya yaitu : 1. Energi yang tersedia tidak akan habis selagi siklus dapat kita jaga dengan baik, seperti daerah tangkapan atau catchment area, vegetasi sungai dan sebagainya. 2. Proses yang dilakukan mudah dan murah, harga turbin, generator, panel kontrol, hingga pembangunan sipilnya kira-kira Rp 5 juta per KW (kondisional). 3. Tidak menimbulkan polutan yang berbahaya. 4. Dapat diproduksi di Indonesia, sehingga jika terjadi kerusakan tidak akan sulit untuk mendapatkan sparepart-nya. 5. Jika menerapkan mikrohidro sebagai pembangkit listrik secara tidak langsung kita ditutuntut untuk mengelola dan menata lingkungan agar tetap seimbang, sehingga sudah barang tentu tidak akan menimbulkan kerusakan lingkungan seperti banjir, tanah longsor atau erosi. Dan pada gilirannya ekosistem sungai atau daerah tangkapan akan tetap terjaga, dengan cara ini pula pemanasan global dapat lebih teredam. 6. Mengurangi tingkat konsumsi energi fosil, langkah ini akan berperan dalam mengendalikan laju harga minyak di pasar internasional. Dengan kata lain, jika akan membangun PLTMH dengan daya 100 KW (100.000 Watt) dibutuhkan biaya Rp 500 juta. Biaya tersebut relatif murah dibandingkan dengan menggunakan sumber listrik dari berbahan bakar fosil (BBM). Keuntungan lain yang didapat dengan mengembangkan PLTMH,salah satunya adalah karena teknologi PLTMH andal dan kokoh hingga mampu beroperasi lebih dari 15 tahun G. Kekurangan PLTMH 1. Sumber pembangkit berupa air, besarnya listrik yang dihasilkan PLTMH bergntung pada tinggi jatuhnya air dan volume air. Pada musim kemarau kemampuan PLTMH akan menurun karena jumlah air biasanya berkurang. 2. Ukuran Generator tidak menunjukkan kemampuan produksi listriknya karena semuanya tergantung pada jumlah air dan ketinggian jatuh air sehingga ukuran generator bukan penentu utama kapasitas PLTMH. 3. Jika jumlah pelanggan melebihi kemampuan PLTMH, maka kualitas listrik akan menurun. Jika pelanggan sudah berlebih, maka penggunaan listrik harus diatur. 4. Aturan umum adalah 1 pelanggan paling sedikit mengkonsumsi 50 Watt listrik (3 buah lampu neon/ 3 buah lampu bohlam 10-15 Watt). 5. Semakin dekat jarak Pelanggan ke Pembangkit, maka kualitas listrik juga lebih baik. Semakin jauh jarak pelanggan, maka listrik yang hilang juga semakin
banyak. Jarakpelanggan terjauh yang dianjurkan adalah antara 1-2 km
dari
PLTMH. 6. Jika pelanggan menggunakan listrik secara berlebih, maka kualitas listrik menurun dan membahayakan peralatan.Satu pelanggan melanggar, maka yang rugi adalah seluruh pelanggan.
