PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP DAN PRINSIP KERJANYA

Kata-kata Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) telah familiar dengan telinga kita. Hampir semua media di Indonesia memberitakan soal PLTU ini berkali-kali, bahkan sangat sering. Apalagi, mantan presiden Susilo Bambang Yudhoyono dan presiden Joko Widodo memasukkan program PLTU dalam pembangunan infrastruktur terkait krisis listrik yang dialami negara kita. Untuk itulah, pengarang mencoba menulis seputar PLTU untuk berbagi ilmu tentang informasi yang sering kita dengar ini.

PLTU adalah pembangkit listrik yang mengubah energi kinetik uap menjadi energi listrik. PLTU membutuhkan panas yang cukup untuk menghasilkan uap yang dapat memutar turbin sehingga menghasilkan listrik. Sehingga, secara prinsip PLTU adalah alat yang diciptakan dengan memanfaatkan panas yang dapat diubah menjadi uap untuk menggerakkan turbin dan menghasilkan energi listrik.

PLTU merupakan salah satu teknologi dasar bagi pembangkitan listrik. Teknologi PLTU hampir dipakai oleh semua pembangkit barbasis termal (thermal). Bahkan Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) yang katanya salah satu energi baru terbarukan juga memanfaatkan teknologi PLTU. Pembangkit yang tidak menggunakan teknologi PLTU adalah : Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (PLTB), sebagian Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS), Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA), Pembangkit Listrik Tenaga Ombak (PLTO), Tenaga Listrik Tenaga Pasang Surut Air Laut, dan beberapa pembangkit lainnya.

Energi primer yang dapat digunakan untuk proses pembentukan uap (pemanasan) adalah sebagai berikut :

Gas (gas alam, LPG, hidrogen, biogas, dan gas lainnya)
Minyak bumi dan produk turunannya
Biomassa (bahan yang bisa dibakar seperti kayu, sampah, dan lainnya)
Nuklir
Geothermal
OTEC
Sinar matahari (teknologi pembangkit menara dan sejenisnya)

Ada proses utama dalam konversi energi di PLTU, yaitu :

Proses menghasilkan uap
Tangki baoiler diisi dengan air atau cairan lainnya. Kemudian dilakukan proses pemanasan dengan energi primer yang dipilih, bisa batubara atau energi primer lainnya. Pemanasan dilakukan untuk menghasilkan uap yang diinginkan.
Proses konversi energi panas menjadi energi mekanik
Uap hasil dari proses produksi uap, dengan tekanan dan temperatur tertentu dialirkan ke turbin. Uap terus dialirkan sehingga mampu menggerakkan turbin. Disinilah terjadi proses konversi menjadi energi mekanik.
Proses konversi mekanik menjadi energi listrik
As turbin yang dihubungkan langsung kepada as generator berputar. Di dalam generator, perputaran medan magnet dalam kumparan dapat menghasilkan listrik yang kemudian dialirkan ke terminal output generator.
Proses kondensasi
Uap bekas penggerak turbin masuk ke pendingin atau kondensor untuk menghasilkan air yang disebut air kondensat. Pendinginan dapat menggunakan air dingin yang didapat dari air laut, air danau, atau waduk. Dibutuhkan air dalam jumlah besar agar proses pendinginan dapat terjadi secara efektif. Air kondesat ini kemudian digunakan lagi untuk mengisi boiler.

Setelah proses ke-4 selesai, maka proses nya kembali ke 1. Begitulah siklus PLTU yang terus terjadi secara berulang.

Namun, PLTU sering diasosiasikan dengan pembangkit listrik berbahan batubara. Apalagi didunia dan Indonesia, batubara diputuskan sebagai bahan yang paling ekonomis untuk PLTU. Tidak salah jika PLTU diasosiasikan dengan batubara. Padahal, batubara hanya salah satu dari banyak energi primer yang dipakai untuk menghasilkan uap untuk menggerakkan turbin dan generator sehingga bisa memproduksi listrik. Contohnya, Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP). Energi primer yang dipakai untuk menghasilkan uap adalah panas bumi. Contoh ekstrim lainnya adalah OTEC, dimana uap dihasilkan dari perbedaan suhu air permukaan laut dan air di kedalaman laut. Meski diakui, OTEC menggunakan gas sementara PLTU batubara menggunakan air.

Dalam pembahasan tentang PLTU, kita akan fokus untuk PLTU batubara karena secara studi literatur lebih mudah (bahan berlimpah). Tetap kita ingat bahwa perbedaan antara PLTU batubara dengan PLTU lainnya adalah energi primer yang digunakan untuk menghasilkan uap. Setiap energi primer memiliki mekanisme yang berbeda dalam menghasilkan panas. Jadi, untuk aplikasi energi primer lainnya dapat dilogika dengan mengubah mekanisme dalam menghasilkan panas.

A. Sejarah Mesin Uap

Hero (10 -70 Masehi)

Sejarah paling awal mencatat, ahli matematika bernama Hero dari kota Alexandria pada tahun 75 telah memperkenalkan rancangan mesin uap sederhana. Hero menamakan mesin ini dengan Aeolipile. Prinsip kerja mesin ini adalah memanfaatkan tekanan uap untuk memutar bola. Hero mengunakan air sebagai bahan baku untuk menghasilkan uap.

Bola dapat berputar karena adanya dorongan uap yang keluar dari nozel yang terletak di samping bejana. Metode Hero ini menjadi cikal bakal pengembangan teknologi mesin uap di masa-masa mendatang.

Giovanni Battista della Porta (1538 - 1615)

Giovani menawarkan teori yang disebut bahwa jika air dikonversi menjadi uap dalam wadah tertutup maka akan menghasilkan peningkatan tekanan. Sebaliknya, uap yang dikondensasi akan menghasilkan penurunan tekanan. Sarjana Matematika dari Napoli ini merupakan orang pertama yang menemukan peranan uap dalam menciptakan ruang hampa. Teori inilah yang akan dikembangkan lagi.

Denis Papin (1647 - 1712)

Ahli matematika dan penemu Prancis telah mengumukan suatu alat yang dinamakan steam digester yang menjadi prototipe mesin uap dan panci masak bertekanan (panci presto). Deni Papin menemukan alat ini bersama Robert Boyle, ilmuwan Irlandia. Alat ini berbentuk seperti wadah dengan penutup yang digunakan untuk menghasilkan uap bertekanan tinggi. Agar tidak meledak, Papin melengkapinya dengan katup yang dapat bergerak naik turun di tempat pembuangan uap.

Papin juga mengembangkan mesin uap dengan manambahkan torak di bagian atas silinder yang tertutup yang akan bergerak naik-turun sesuai teori Giovanni Battista della Porta. Temuan inilah yang kemudian memicu awal ditemukannya mesin uap pertama di dunia yang menggunakan piston dan mesin bersilinder.

Thomas Savery (1650 - 1715)

Thomas Savery adalah insinyur yang membantu Militer Inggris. Dialah yang menemukan mesin uap pertama di dunia. Diawali sebagai pekerja tambang batubara yang mengalami kesulitan memompa air untuk mengairi tambang.

Prinsip kerja mesin uap Savery adalah menaikkan tekanan uap di ketel. Uap kemudian dimasukkan ke bejana kerja sehingga air keluar dari pipa bawah. Ketika temperatur dalam bejana panas akibat dipenuhi uap, keran antara ketel dan bejana ditutup. Ini memicu proses kondensasi, menciptakan vakum parsial dan tekanan atmosfer mendorong air ke atas melalui pipa bawah sehingga bejana penuh. Pada titik ini, keran dibawah bejana ditutup, dan keran antar bejana dan pipa atas dibuka untuk mengalirkan uap dari ketel. Tekanan uap yang tinggi memaksa air keluar dari bejana.

Thomas Newcomen (1663 -1729)

Temuan Thomas Newcomen adalah perbaikan dari temuan Thoma Savery. Mesin uap Newcomen menggunakan kekuatan tekanan atmosfer untuk bekerja. Intensitas tekanan tidak dibatasi, tidak seperti yang dipatenkan oleh Savery pada 1698. Tahun 1712, Newcomen dan John Calley mebuat mesin pertama diatas sebuah lubang tambang yang terisi air. Temuan mereka digunakan untuk memompa air keluar tambang.

Uap dialirkan dari boiler ke silinder. Ketika piston mencapai puncak, air disemprotkan ke dalam silinder untuk mendinginkan uap yang membentuk sebuah vakum. Piston terdorong turun oleh berat udara yang ada diatasnya (15 pond per inci dari luas piston). Siklus ini terjadi secara berulang.

James Watt (1736 1819)

James Watt adalah seorang insinyur mesin dan penemu asal Skotlandia. Pada tahun 1769 James Watt mematenkan kondenser terpisah yang terhubung ke silinder oleh sebuah katup. Tidak seperti mesin uap milik Newcomen, pada mesin uap milik James Watt ini terdapat sebuah kondensor untuk mendinginkan silinder yang panas. Mesin James Watt ini segera menjadi desain untuk semua mesin uap modern dan memicu terjadinya revolusi industri. Satuan daya Watt diambil dari nama James Watt dimana 1 Watt besarnya setara dengan 1/746 HP.

Perbedaan mendasar dari mesin James Watt ini dengan mesin milik Thomas Newcomen adalah pada letak kondensor yang digunakan. Jika pada mesin Newcomen ruang untuk mengkondensasikan uap menyatu dengan silinder kerja, maka pada mesin James Watt ruang untuk mengkondensasikan uap terpisah dari silinder. Selain itu mekanisme penggerak torak dari mesin James Watt menggunakan gerakan putar dari roda penggerak yang berputar, tidak seperti pada mesin Newcomen yang menggunakan gerakan translasi (bolak-balik) dari pompa air.

Corlis (1817 - 1888)

Corlis adalah pengembang pertama dari mesin uap James Watt. Corlis mengembangkan katup masuk yang menutup cepat, untuk mencegah pencekikan katup pada waktu menutup. Mesin Corliss menghemat penggunaan bahan bakar batu bara separo dari batu bara yang digunakan mesin uap James Watt.

Stumpf (1863)

Stumpf mengembangkan mesin uniflow yang dirancang untuk mengurangi susut kondensasi. Mesin uap yang dibuat paling besar pada abad 18 adalah menghasikan daya 5 MW, pada waktu itu dianggap raksasa, karena tidak adal agi mesin yang lebih besar. Seiring dengan kebutuhan tenaga listrik yang besar, kemudian banyak pengembangan untuk membuat mesin yang lebih efisien yang berdaya besar.

Mesin uap bolak-balik memiliki banyak keterbatasan, antara lain mekanismenya terlalu rumit karena banyak penggunaan katup-katup dan juga mekanisme pengubah gerak bolak-balik menjadi putaran. Maka untuk memenuhi tuntutan kepraktisan mesin uap dengan efisiensi berdaya lebih besar, dikembangkan mesin uap rotari. Mesin uap rotari komponen utamanya berupa poros yang bergerak memutar. Model konversi energi potensial uap tidak menggunakan torak lagi, tetapi menggunakan sudu-sudu turbin.

Gustav de Laval (1845-1913) dan Charles Parson (1854-1930)

De Laval dari Swedia dan Parson dari Inggris adalah dua penemu awal dari dasar turbin uap modern. De laval pada mulanya mengembangkan turbin rekasi kecil berkecepatan tinggi, namun menganggapnya tidak praktis dan kemudian mengembangkan turbin impuls satu tahap yang andal, dan namanya digunakan untuk nama turbin jenis impuls. Berbeda dengan De laval, Parson mengembang turbin rekasi tingkat banyak, turbinnya dipakai pertama kali pada kapal laut.

Disamping para penemu di atas, penemu-penemu lainnya saling melengkapi dan memperbaiki kinerja dari turbin uap. Rateau dari Prancis mengembangkan turbin impuls tingkat banyak, dan C.G. Curtis dari Amerika Serikat mengembangkan tubin impuls gabungan kecepatan. Selanjutnya, penggunaan turbin uap meluas dan praktis menggantikan mesin uap bolak-balik, dengan banyak keuntungan. Penggunaan uap panas lanjut yang meningkatkan efisiensi sehingga turbin uap berdaya besar (1000 MW, 3600 rpm, 60 Hz) banyak dibangun.

B. PLTU Batubara

PLTU Batubara adalah pembangkit yang menggunakan energi primer batubara untuk menghasilkan uap. Batubara dipilih karena memiliki keunggulan ekonomi bila dibandingkan dengan energi primer lainnya. Beberapa negara, seperti Indonesia memiliki SDA batubara yang berlimpah sehingga PLTU merupakan pilihan bijaksana, terutama terkait penggunaan energi fosil.

Berikut keunggulan dan kekurangan PLTU Batubara :
Keunggulan :

Dapat dioperasikan menggunakan kombinasi berbagai jenis bahan bakar (padat, cair dan gas)
Dapat dibangun dengan kapasitas yang bervariasi
Dapat dioperasikan dengan berbagai mode pembebanan
Kontinuitas operasinya tinggi
Usia pakai (life time) relatif lama

Kelemahan :

Sangat tergantung pada tersedianya pasokan bahan bakar
Tidak dapat dioperasikan (start) tanpa pasokan listrik dari luar
Memerlukan tersedianya air pendingin yang sangat banyak dan kontinyu
Investasi awalnya mahal

Siklut PLTU Batubara

Air diisikan ke demin tank lalu dialirkan ke Hotwell.
Air dari Hotwell dialirkan ke Condensate Pump, lalu dipompakan menuju LP Heater (Low Pressure Heater) yang fungsinya sebagai penghangat tahap pertama. Lokasi hotwell dan condensate pump terletak di lantai paling dasar dari pembangkit atau biasa disebut Ground Floor. Selanjutnya air mengalir masuk ke Deaerator.
Air di dearator mengalami proses pelepasan ion-ion mineral yang masih tersisa di air dan tidak diperlukan seperti Oksigen dan lainnya. Bisa pula dikatakan deaerator memiliki pungsi untuk menghilangkan buble/balon yang biasa terdapat pada permukaan air. Agar proses pelepasan ini berlangsung sempurna, suhu air harus memenuhi suhu yang disyaratkan. Oleh karena itulah selama perjalanan menuju Dearator, air mengalamai beberapa proses pemanasan oleh peralatan yang disebut LP Heater. Letak dearator berada di lantai atas (tetapi bukan yang paling atas). Sebagai ilustrasi di PLTU Muara Karang unit 4, dearator terletak di lantai 5 dari 7 lantai yang ada.
Dari dearator, air turun kembali ke Ground Floor. Sesampainya di Ground Floor, air langsung dipompakan oleh Boiler Feed Pump/BFP (Pompa air pengisi) menuju Boiler atau tempat “memasak” air. Bisa dibayangkan Boiler ini seperti drum, tetapi drum berukuran raksasa. Air yang dipompakan ini adalah air yang bertekanan tinggi, karena itu syarat agar uap yang dihasilkan juga bertekanan tinggi. Karena itulah konstruksi PLTU membuat dearator berada di lantai atas dan BFP berada di lantai dasar. Karena dengan meluncurnya air dari ketinggian membuat air menjadi bertekanan tinggi.
Sebelum masuk ke Boiler untuk “direbus”, lagi-lagi air mengalami beberapa proses pemanasan di HP Heater (High Pressure Heater). Setelah itu barulah air masuk boiler yang letaknya berada dilantai atas.
Didalam Boiler inilah terjadi proses memasak air untuk menghasilkan uap. Proses ini memerlukan api yang pada umumnya menggunakan batubara sebagai bahan dasar pembakaran dengan dibantu oleh udara dari FD Fan (Force Draft Fan) dan pelumas yang berasal dari Fuel Oil tank.
Bahan bakar dipompakan kedalam boiler melalui Fuel oil Pump. Bahan bakar PLTU bermacam-macam. Ada yang menggunakan minyak, minyak dan gas atau istilahnya dual firing dan batubara.
Sedangkan udara diproduksi oleh Force Draft Fan (FD Fan). FD Fan mengambil udara luar untuk membantu proses pembakaran di boiler. Dalam perjalananya menuju boiler, udara tersebut dinaikkan suhunya oleh air heater (pemanas udara) agar proses pembakaran bisa terjadi di boiler.
Kembali ke siklus air. Setelah terjadi pembakaran, air mulai berubah wujud menjadi uap. Namun uap hasil pembakaran ini belum layak untuk memutar turbin, karena masih berupa uap jenuh atau uap yang masih mengandung kadar air. Kadar air ini berbahaya bagi turbin, karena dengan putaran hingga 3000 rpm, setitik air sanggup untuk membuat sudu-sudu turbin menjadi terkikis.
Untuk menghilangkan kadar air itu, uap jenuh tersebut di keringkan di super heater sehingga uap yang dihasilkan menjadi uap kering. Uap kering ini yang digunakan untuk memutar turbin.
Ketika Turbin berhasil berputar berputar maka secara otomastis generator akan berputar, karena antara turbin dan generator berada pada satu poros. Generator inilah yang menghasilkan energi listrik.
Pada generator terdapat medan magnet raksasa. Perputaran generator menghasilkan beda potensial pada magnet tersebut. Beda potensial inilah cikal bakal energi listrik.
Energi listrik itu dikirimkan ke trafo untuk dirubah tegangannya dan kemudian disalurkan melalui saluran transmisi PLN.
Uap kering yang digunakan untuk memutar turbin akan turun kembali ke lantai dasar. Uap tersebut mengalami proses kondensasi didalam kondensor sehingga pada akhirnya berubah wujud kembali menjadi air dan masuk kedalam hotwell.