Energi Panas Bumi (Geothermal)

ENERGI DAN DASAR KONVERSI ENERGI ELEKTRIK

DOSEN: ANDI PAWAWOI, M.T

PRIANDIKA 1110953005

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS ANDALAS

PADANG

2013

GEOTHERMAL

Geothermal berasal dari bahasa Yunani, geo dan  termos. Geo  berarti bumi dan termos berarti panas. Secara bahasa geothermal berarti panas yang terdapat di bumi. Daya panas bumi ialah kekuatan diekstrasi dari panas yang tersimpan di bumi. Energi panas bumi berasal dari formasi asli planet ini, dari peluruhan radioaktif mineral, dan dari energi matahari yang diserap oleh permukaan bumi

Panas bumi adalah anugerah alam yang merupakan sisa-sisa panas dari hasil reaksi nuklir yang pernah terjadi pada awal mula terbentuknya bumi dan alam semesta ini. Reaksi nuklir yang masih terjadi secara alamiah di alam semesta pada saat ini adalah reaksi fusi nuklir yang terjadi di matahari dan juga bintang-bintang yang tersebar di jagat raya. Reaksi fusi nuklir alami tersebut menghasilkan panas berorde jutaan derajat Celcius.

Sumber energi panas bumi berbentuk magma yang tertimbun di perut bumi.Energi panas bumi adalah termasuk energi primer yaitu energi yang diberikan oleh alam seperti minyak bumi, gas bumi, batubara dan tenaga air. Energi ini terbarukan karena prosesnya berkelanjuta selama lingkungan masih terjaga keseimbangannya.daya Panas Bumi dianggap berkelanjutan karena diproyeksikan setiap ekstraksi panas lebih kecil dibandingkan dengan konten panas bumi. Bumi memiliki kandungan panas internal 1031 joule (3,1015 TW · jam) Sekitar 20% dari hal ini adalah sisa-sisa panas dari akresi planet., Dan sisanya diberikan untuk lebih tinggi tingkat peluruhan radioaktif yang ada di masa lalu

Sejarah Geothermal

Panas bumi pertama kali digunakan sebagai pemandian air panas dan pemanas ruangan sejak zaman Paleolithic. Berbentuk sebuah kolam batu di gunung Lisan Cina dibangun pada Dinasti Qin pada abad ke-3 SM, di situs  yang sama dimana istana Huaqing Chi kemudian dibangun.

Pada abad pertama Masehi, Roma menaklukkan Aquae sulis, sekarang Bath, Somerset, Inggris, dan menggunakan sumber air panas disana untuk pemandian umum dan pemanasan ruangan. Biaya penerimaan untuk pemandian ini mungkin mewakili penggunaan komersial pertama tenaga panas bumi. Distrik tertua yang menggunakan panas bumi sebagai system pemanas adalah Chaudes-Aigues, Perancis, telah beroprasi sejak abad ke-14. Pemanfaatan industri awal dimulai pada 1827 dengan menggunakan uap air panas untuk mengekstrak asam borat dari lumpur gunung berapi di Larderello, Italia.

Pada tahun 1892 di Amerika system pemanas pertama di distrik Boise, Idaho yang didukung langsung oleh energi panas bumi, dan kemudian diterapkan di Klamath Falls, Oregon tahun 1900. Sumur panas bumi yang mendalam digunakan untuk memanaskan rumah kaca di Boise pada tahun 1926, dan geyser digunakan untuk memanaskan rumah kaca di Islandia dan Tuscany pada waktu yang sama. Charlie Lieb mengembangkan penukar panas downhole pertama pada tahun 1930 untuk memanaskan rumahnya. Uap dan air panas dari geysers mulai digunakan sebagai pemanas rumah di Islandia pada tahun 1943.

Pada abad ke-20 permintaan listrik yang mendesak menyebabkan pertimbangan  listrik tenaga panas bumi sebagai sumber pembangkit. Pangeran Conti Pierro Ginori bekerja sama dengan Larderello menguji generator listrik pertama panas bumi pada tanggal 4 Juli 1904 dengan mengekstrasi asam panas bumi. Hal ini berhasil menyalakan empat bola lampu. Kemudian, pada tahun 1911, pembangkit listrik komersial pertama di dunia dibangun. Itu adalah satu-satunya produsen di dunia industri listrik panas bumi sampai dibangun pabrik pada tahun 1958 di Selandia Baru. Pada saat itu, Lord Kelvin sudah menemukan pompa panas tahun 1852, dan Heinrich Zoelly telah mematenkan ide menggunakannya untuk menarik panas dari tanah pada tahun 1912. J. Donald Kroeker merancang pompa panas bumi komersial pertama untuk memanaskan Gedung Commonwealth (Portland, Oregon) pada tahun 1946.

Pada tahun 1960, Gas dan Listrik Pasifik mulai beroperasi dari pembangkit listrik tenaga panas bumi pertama yang berhasil menghasilkan listrik dari geysers di California, Amerika Serikat. Mesin itu berlangsung selama lebih dari 30 tahun dan menghasilkan listrik bersih 11 MW.

Pembangkit siklus biner pertama kali ditunjukkan pada tahun 1967 di Uni Soviet dan kemudian diperkenalkan ke Amerika Serikat pada tahun 1981. Teknologi ini memungkinkan generasi listrik dari sumber daya suhu yang lebih rendah daripada sebelumnya. Pada tahun 2006, pabrik siklus biner di Chena Hot Springs, Alaska dioperasikan dan menghasilkan listrik dari temperature fluida rekor terendah 57 ^o C (135 ^o F)².

Mekanisme Pemanfaatan Geothermal

Daya panas bumi dianggap berkelanjutan karena memproyeksikan panas lebih kecil dibandingkan dengan konten panas bumi. Bumi memiliki kandungan panas internal 1031 joule (3,1015 TW/jam). Sekitar 20 % dari hal ini adalah sisa-sisa panas dari akresi planet, dan sisanya diberikan untuk tingkat peluruhan radioaktif lebih tinggi yang ada di masa lalu.

Pembangkit listrik panas bumi secara tradisional dibangun secara eksklusif di tepi lempeng tektonik dimana sumber daya panas bumi temperature tinggi yang tersedia di dekat permukaan bumi. Pembangunan pembangkit listrik siklus biner dan perbaikan dalam teknologi pengeboran dan ekstaksi memungkinkan ditingkatkannya system panas bumi pada rentang geografis jauh lebih besar. Peragaan proyek operasional tersebut terdapat di Landau-Pfalz, Jerman, dan Soultz-sous-Forets, Perancis, sementara upaya awal di Basel, Swiss ditutup setelah dipicu gempa bumi. Proyek percontohan lainnya sedang dalam tahap pembangunan di Australia, Britania Raya, dan Amerika Serikat.

Pemanfaatan energi panas bumi secara umum dapat dibagi menjadi 2 jenis yaitu pemanfaatan langsung dan pemanfaatan tidak langsung. Pemanfaatan langsung yaitu memanfaatkan secara langsung panas yang terkandung pada fluida panas bumi untuk berbagai keperluan, sedangkan pemanfaatan tidak langsung yaitu memanfaatkan energi panas bumi untuk pembangkit listrik.

Pemanfaatan energi panas bumi secara langsung dilakukan tanpa adanya konversi energi ke dalam bentuk lain. Karena sifatnya yang mudah, maka pemanfaatannya bisa dilakukan dalam berbagai cara. Untuk mengefektifkan penggunaannya, pemanfaatan secara langsung dilakukan sesuai dengan kebutuhan temperaturnya.

Sementara pemanfaatan tidak langsung atau pemanfaatan sebagai pembangkit listrik memerlukan konversi energi dan beberapa proses yang harus dilakukan. Untuk mendapatkan listrik dari panas bumi memerlukan proses pengkonversian energi fluida panas bumi.

Fluida panas bumi yang telah dikeluarkan ke permukaan bumi mengandung energi panas yang akan dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik. Hal ini dimungkinkan oleh suatu sistem konversi energi fluida panas bumi (geothermal power cycle) yang mengubah energi panas dari fluida menjadi listrik. Fluida panas bumi bertemperatur tinggi (>225 ^oC) telah lama digunakan di beberapa negara untuk pembangkit listrik, namun beberapa tahun terakhir ini perkembangan teknologi telah memungkinkan digunakannya fluida panas bumi bertemperatur sedang (150-225 ^oC) untuk pembangkit listrik³.

Selain temperature, faktor-faktor lain yang dipertimbanglan dalam memutuskan apakah suatu sumber daya panas bumi tepat untuk dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik adalah:

1. Sumber daya mempunyai kandungan panas atau cadangan yang besar, sehingga mampu memproduksi uap untuk jangka waktu yang cukup lama.
2. Sumber daya panas bumi menghasilkan fluida yang mempunyai pH hampir netral 5 dimana pH netral = 7 agar laju korosinya relative rendah, sehingga fasilitas produksi tidak cepat terkorosi, selain itu hendaknya kecenderungan fluida membentuk skala yang relative rendah.
3. Resevoirnya tidak terlalu dalam, biasanya tidak lebih dari 3 km.
4. Sumber daya panas bumi terdapat di daerah yang relative tidak sulit dicapai.
5. Sumber daya panas bumi terletak di daerah dengan kemungkinan terjadinya erupsi hidrotermal yang relative rendah. Proses produksi fluida panas bumi dapat meningkatkan kemungkinan terjadinya erupsi hidrotermal.

Pembangkit Listrik Tenaga Panas bumi (PLTP) pada prinsipnya sama seperti Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU), hanya pada PLTU, uap dibuat di permukaan menggunakan boiler (ketel uap), sedangkan pada PLTP, uap berasal dari reservoir panas bumi. Apabila fluida di kepala sumur berupa fasa uap, maka uap tersebut dapat dialirkan langsung ke turbin, dan kemudian turbin akan mengubah energi panas bumi menjadi energi gerak yang akan memutar generator sehingga dihasilkan energi listrik. Apabila fluida panas bumi keluar dari kepala sumur sebagai campuran fluida dua fasa (fasa uap dan fasa cair) maka terlebih dahulu dilakukan proses pemisahan pada fluida. Hal ini dimungkinkan dengan melewatkan fluida ke dalam separator, sehingga fasa uap akan terpisahkan dari fasa cairnya. Fraksi uap yang dihasilkan dari separator inilah yang kemudian dialirkan ke turbin.

Pada kandungan panas atau cadangan yang relative kecil, namun mempunyai suhu yang cukup tinggi untuk dimanfaatkan menjadi pembangkit listrik, potensi ini bisa digunakan untuk pembangkit listrik berskala kecil dengan kapasitas kecil, seperti di Fang, Thailand yang berkapasitas 300 kW.

Hotel Internasional Kirishima di Jepang termasuk unik dalam memanfaatkan tenaga panas bumi, selain untuk pemandian uap, hotel ini juga memiliki pembangkit tenaga panas bumi berskala rendah (100 kW) yang dibangun pada tahun 1983 dan masih digunakan sampai sekarang. Hotel ini juga menggunakan uap dari sumur panas bumi untuk pemanas dan penyejuk ruangan.

Secara singkat cara kerja pembangkit listrik panas bumi ialah pada daerah yang berprospek menghasilkan panas bumi, dibuat sumur pemboran. Dari sumur-sumur produksi ini akan menghasilkan uap. Uap selanjutnya akan dialirkan menuju separator untuk memisahkan uap dengan air. Umumnya lapangan panas bumi ini menghasilkan fluida dua fasa, yaitu uap dan air. Setelah bersih, uap ini akan dialirkan ke turbin, turbin selanjutnya akan memutar generator. Dan generator inilah yang akan mengubah energi kinetik menjadi energi listrik.

Uap yang keluar dari turbin selanjutnya akan masuk ke kondensator untuk dikondensasikan. Uap akan berubah wujudnya menjadi cair yang disebut dengan kondensat. Kondensat ini kemudian dialirkan ke menara pendingin untuk mendinginkan suhunya. Lalu air yang sudah relatif dingin ini diinjeksikan kembali ke dalam bumi melalui sumur injeksi. Inilah yang menjadikan energi panas bumi sebagai energi yang berkelanjutan.

Dampak negatif pemanfaatan energi panas bumi terhadap lingkungan bisa dikatakan nol. Tidak ada emisi karbon, tidak ada hujan asam. Sehingga menjadikan panas bumi sebagai sumber energi yang ramah lingkungan.

sampai keseimbangan baru tercapai dengan arus alam. Tiga tertua situs, di Larderello, Wairakei, dan geysers mengalami sampai keseimbangan baru tercapai dengan arus alam. Tiga tertua situs, di Larderello, Wairakei, dan geysers mengalami sampai keseimbangan baru tercapai dengan arus alam. Tiga tertua situs, di Larderello, Wairakei, dan geysers mengalami

Efisiensi dan Efektivitas Geothermal

Efisiensi Geothermal

Efisiensi termal energi panas bumi bisa dibilang rendah, karena hanya berkisar 10-23%. Mengapa? Karena cairan panas bumi tidak mencapai suhu tinggi dari boiler. Hukum-hukum termodinamika membatasi efisiensi mesin panas dalam mengeluarkan energi yang bermanfaat. Sisa panas yang terbuang, kecuali dapat digunakan secara langsung ,tanpa perlu mengonversikan energi panas ke bentuk lain, dan lokal, misalnya rumah kaca, kayu pabrik, dan pemanasan distrik.

Sistem efisiensi material tidak mempengaruhi biaya operasional karena akan dialokasikan untuk perencanaan penggunaan bahan bakar, tetapi juga tidak mempengaruhi pengembalian modal yang digunakan untuk membangun pabrik. Untuk menghasilkan energi yang lebih besar dari yang dikonsumsi  oleh pompa, pembangkit listrik memerlukan bidang yang relatif panas dan siklus panas khusus. Karena listrik tenaga panas bumi tidak bergantung pada variabel sumber energi, tidak seperti, misalnya, angin, atau matahari, faktor kapasitas bisa sangat besar, hingga menunjukkan 96%. International Geothermal Association (IGA) telah melaporkan bahwa 10.715 megawatt (MW) dari tenaga panas bumi di 24 negara sedang online, yang diharapkan dapat menghasilkan 67.246 GWh listrik pada tahun 2010. ini merupakan peningkatan 20% kapasitas online sejak 2005 . IGA proyek pertumbuhan 18.500 MW pada tahun 2015, karena proyek-proyek saat ini sedang dipertimbangkan, sering di daerah yang sebelumnya dianggap memiliki sumber daya exploitasi kecil.

International Geothermal Association (IGA) melaporkan bahwa 10.715 megawatt (MW) dari tenaga panas bumi dari 24 negara sedang online, yang diharapkan dapat menghasilkan 67.246 GWh listrik pada tahun 2010. ini merupakan peningkatan 20% kapasitas online sejak 2005. IGA proyek pertumbuhan 18.500 MW pada tahun 2015, karena proyek-proyek saat ini sedang dipertimbangkan, sering di daerah yang sebelumnya dianggap memiliki sumber daya exploitasi kecil.

Pemanasan langsung jauh lebih efisien daripada pembangkit listrik dan tempat-tempat kurang menuntut persyaratan suhu pada sumber daya panas. Panas dapat berasal dari co-generasi melalui pembangkit listrik tenaga panas bumi atau dari sumur yang lebih kecil atau penukaran panas. Dikubur di tanah dangkal. Akibatnya, panas adalah pemanasan ekonomi di situs lebih banyak dari pembangkit listrik panas bumi.

Jika tanah panas tetap kering bumi tabung atau downhole penukar panas dapat mengumpulkan panas. Tetapi bahkan di daerah dimana tanah lebih dingin dari suhu ruangan, panas masih dapat diekstraksi dengan pompa panas bumi lebih efektif dan rapi daripada tungku konvensional. Perangkat ini menarik sumber daya yang sangat dangkal dan lebih dingin dari panas bumi teknik tradisional, dan mereka sering menggabungkan berbagai fungsi, termasuk AC, penyimpangan energi, koleksi energi matahari, dan pemanasan listrik. Pompa panas Panas Bumi dapat digunakan untuk ruang pemanasan dasarnya.

Dari segi ekonomi, daya panas bumi tidak memerlukan bahan baker (kecuali untuk pompa), oleh karena itu kebal terhadap bahan baker fluktuasi biaya, tetapi biaya modal adalah signifikan. Bor Account menghabiskan lebih dari setengah biaya, dan eksplorasi sumber daya melibatkan risiko yang signifikan. Sebuah tipikal baik doublet (ekstraksi dan sumur injeksi) di Nevada dapat mendukung 4,5 megawatt (MW) dan biaya sekitar $ 10 juta untuk latihan dengan tingkat kegagalan sekitar 20%.

Secara total, pembangunan pabrik listrik dan pengeboran sumur menghabiskan biaya sekitar 2-5.000.000 € per MW kapasitas listrik, sedangkan harga impas adalah 0,04-0,10 € per kW. Dengan biaya modal di atas  $ 4 juta per MW dan impas di atas $ 0,054 per jam kW.

Efektivitas Geothermal

Panas bumi mendukung banyak aplikasi, aplikasi pemanasan menggunakan jaringan pipa air panas untuk memanaskan banyak bangunan di seluruh masyarakat. Di Reykjavik, Islandia, menghabiskan air dari distrik system pemanas disalurkan di bawah perkerasan dan trotoar untuk mencairkan salju.

Cairan yang diambil dari bumi membawa campuran gas, terutama karbon dioksida (CO₂),  hydrogen sulfide (H2S), metana (CH4) dan ammonia (NH3). Polutan tersebut berkontribusi terhadap pemanasan global, hujan asam, dan bau berbahaya jika dirilis. Pembangkit listrik panas bumi yang ada memancarkan rata-rata 122 kg (269 lb) CO2 per MW/jam listrik, sebagian kecil dari intensitas emisi dari bahan baker fosil konvensional.

Selain gas terlarut, air panas dari sumber panas bumi mengandung bahan kimia beracun seperti merkuri, arsenic, boron, antimo, dan garam, ini sebagai bahan kimia endapan air dingin. Bahan campuran tersebut dapat menyebabkan kerusakan lingkungan jika dirilis. Praktek modern suntik cairan didinginkan panas bumi kembali ke bumi untuk merangsang produksi kembali, juga untuk mengurangi risiko kerusakan lingkungan ini.

System Panas Bumi langsung berisi pompa dan kompresor, yang dapat mengkonsumsi energi dari sumber polusi. Beban parasit ini biasanya sebagian kecil dari output panas, sehingga selalu kurang polusi dari pemanasan listrik. Namun, jika listrik dihasilkan oleh pembakaran bahan bakar fosil, maka emisi bersih pemanasan panas bumi dapat langsung dibandingkan dengan pembakaran bahan bakar untuk panas. Sebagai contoh, sebuah pompa panas bumi dengan menggunakan tenaga listrik dari pembangkit combined cycle gas alam akan menghasilkan sekitar seperti polusi lebih sebagai gas alam kondensasi tungku dengan ukuran yang sama. Oleh karena itu nilai lingkungan dari pemanasan langsung aplikasi panas bumi sangat tergantung pada intensitas emisi dari grid listrik tetangga.

Tanaman konstruksi dapat mempengaruhi stabilitas tanah. Subsidence telah terjadi di bidang Waireki di Selandika Baru dan dalam Staufen im Breisgau, Jerman. System panas bumi dapatmemicu gempa yang diakibatkan sebagai bagian dari rekah hidrolik. Proyek di Basel, Swiss dihentikan karena lebih dari 10.000 peristiwa gempa yang terukur hingga 3,4 Skala Richter terjadi salami 6 hari pertama injeksi air.

Panas Bumi memiliki tanah minimal dan persyaratan air tawar. Panas bumi tanaman menggunakan 3,5 kilometer persegi (1,4 sq mi) per gigawatt produksi listrik (bukan kapasitas) versus 32 dan 12 kilometer persegi (4,6 sq mi) untuk fasilitas batubara dan angin masing-masing. Mereka menggunakan 20 liter (5.3 US gal) air tawar per h-MW versus lebih dari 1.000 liter (260 US gal) per jam-MW untuk nuklir, batubara, atau minyak.

Perkiraan potensi pembangkit listrik energi panas bumi bervariasi enam kali lipat, 0,035-2 TW tergantung pada skala investasi. Upper estimasi sumber daya panas bumi mengasumsi sumur panas bumi sedalam 10 km (6 mil), sedangkan sumur panas bumi yang ada jarang lebih dari 3 km (2 mil). Penelitian yang paling baik di dunia adalah bor superdeep Kola dengan kedalaman 12 km (7 mil). Catatan ini baru ditiru oleh sumur minyak komersial, seperti Exxon Z-12 di lapangan the Chayvo, Sakhalin.

Meskipun listrik tenaga panas bumi secara global yang berkelanjutan, ekstraksi masih harus dipantau untuk mnghindari penurunan local. Selama puluhan tahun, sumur-sumur individu mengalami perubahan sampai keseimbangan baru tercapai dengan arus alam. Tiga situs tertua berada di Larderello, Wairakei, dan geysers mengalami penurunan output karena deplesi local. Panas dan air, dalam proporsi yang tidak pasti, diekstraksi lebih cepat daripada mereka diisi ulang. Jika produksi dikurangi dan air reinjected, sumur ini secara teoritis dapat kembali ke potensi mereka sepenuhnya. Strategi mitigasi tersebut telah dilaksanakan di beberapa situs. Keberlanjutan jangka panjang dari energi panas bumi telah ditunjukkan di lapangan Lardarello di Italia sejak tahun 1913, di lapangan Waireki di Selandia Baru sejak tahun 1958, dan pada bidang Geyser di California sejak tahun 1960.

Kelebihan Geothermal

1. Tidak ada limbah (efek samping) yang berbahaya bagi lingkungan
2. Dapat mengurangi polusi dari penggunaan bahan bakar fosil (efek Rumah Kaca)
3. hanya ada sedikit pemeliharaan
4. tidak memiliki masalah intermitten (tidak kontinyu) seperti halnya energi matahari dan angin.
5. Menyediakan tenaga listrik yang andal dengan pembangkit yang tidak memakan tempat
6. Terbarui dan berkesinambungan
7. Memberikan keuntungan ekonomi secara lokal
8. Dapat dikontrol secara jarak jauh

Kekurangan Geothermal

Meskipun energi panas bumi mempunyai banyak kelebihan tetapi  energi ini juga mempunyai beberapa kekurangan yang perlu diperhatikan diantaranya:

1. Air/cairan yang bersumber dari energi geothermal bersifat korosif.
2. Pada suhu relative rendah, sesuai hokum termodinamika, efisiensi system menurun.
3. Pembangunan pembangkit listrik geothermal juga mempengaruhi kestabilan tanah di area sekitarnya
4. Pembangkit listrik yang memanfaatkan energi geothermal dengan tipe dry steam dan flash steam melepaskan emisi karbon dioksida, nitrit oksida, dan sulfur meski dalam jumlah yang sangat kecil.

·         Air yang bersumber dari geothermal juga berbahaya bagi makhluk hidup jika dibuang ke sungai karena mengandung bahan-bahan berbahaya seperti merkuri, arsenic, antimony, dan sebagainya.

GEOTHERMAL di INDONESIA

Potensi Energi Geothermal di Indonesia

Dalam rangka memasuki era industrialisasi maka kebutuhan energi terus meningkat dan untuk mengatasi hal ini perlu dipikirkan penambahan energi melalui pemilihan energi alternative yangramah terhadap lingkungan. Salah satu energi alternative tersebut adalah pemanfaatan energi panas bumi yang cukup tersedia di Indonesia.

Keberhasilan pembangunan pada PELITA V telah meletakkan dasar-dasar pembangunan industri yang akan dilaksanakan pada PELITA VI dan tahun-tahun berikutnya, ternyata mempunyai konsekuensi dalam hal penyediaan energi listrik untuk dapat menggerakkan kegiatan industri yang dimaksud. Untuk mengatasi kebutuhan energi listrik yang terus meningkat ini, usaha diversifikasi energi mutlak harus dilaksanakan. Salah satu usaha diversifikasi energi ini adalah dengan memikirkan pemanfaatan energi panas bumi sebagai penyedia kebutuhan energi listrik tersebut. Dasar pemikiran ini adalah mengingat cukup tersedianya cadangan energi panas bumi di Indonesia, namun pemanfaatannya masih sangat sedikit. Indonesia sebagai Negara vulkanik mempunyai sekitar 217 tempat yang dianggap potensial untuk eksplorasi energy panas bumi.

Bila energi panas bumi yang cukup tersedia dimanfaatkan seoptimal mungkin, maka sekiranya kebutuhan energi listrik yang terus meningkat akan dapat dipenuhi bersama-sama sumber energi lainnya. Pengalaman dalam pemanfaatan energi panas bumi sebagai penyedia energi listrik seperti yang telah dilaksanakan di Jawa Tengah dan Jawa Barat akan sanagat membantu dalam pengembangan energi panas bumi lebih lanjut.

Energi panas bumi adalah termasuk energi primer, yaitu energi yang diberikan oleh alam seperti minyak bumi, gas bumi, batubara, dan tenaga air. Energi primer ini di Indonesia tersedia dalam jumlah sedikit (terbatas) dibandingkan dengan cadangan energi primer dunia. Sebagai gambaran sedikitnya atau terbatasnya energi tersebut adalah berdasarkan data pada Tabel I.

Pemakaian energi panas bumi yang selama ini sering terabaikan, ternyata sudah mulai diperhatikan sebagai usaha mencukupi kebutuhan energi di Indonesia. Hal ini tampak dari kenyataan bahwa pada tahun 1994/95 ( akhir Pelita V ) pangsa energi panas bumi hampir tak berarti hanya sekitar 0,6 % saja dari seluruh pemenuhan kebutuhan energi, akan tetapi pada tahun 1998/99 pangsa energi panas bumi telah naik hampir 3 kali lipat menjadi 1,7 %. Keadaan ini sudah barang tentu sangat memberikan harapan bagi pengembangan energi panas bumi pada masa mendatang.

Berikut adalah data tabel pemanfaatan energi panas bumi di beberapa Negara sebagai perbandingan dengan indonesia.

Dilihat dari data tabel diatas tampak bahwa pemenuhan kebutuhan energi listrik pada beberapa Negara melalui pemanfaatan energi panas bumiterus meningkat. Angka-angka untuk berbagai Negara pada tahun 2000 masih merupakan perkiraan yang masih terus dikaji ulang.

Indonesia sebagai negeri vulkanik memiliki 217 tempat yang diperkirakan potensial sebagai sumber energi panas bumi. Berdasarkan perkiraan data tahun 1997 potensi energi panas bumi di Indonesia adalah sebagai yang tertera dalam Tabel III .

Dilihat dari tabel II, tampak bahwa pemanfaatan energi panas bumi di Indonesia pada tahun 1985 baru 32,3 MW, sedangkan menurut data terakhir sampai dengan tahun 1997 energi panas bumi yang sudah dimanfaatkan mencapai 305 MW. Dalam kurun waktu sekitar 10 tahun telah terjadi kenaikan kurang lebih 10 kali, suatu kenaikan yang cukup signifikan dalam hal pemanfaatan energi panas bumi. Padahal pemanfaatan yang mencapai 305 MW pada tahun 1997 tersebut baru 1,83 % dari potensi energi panas bumi yang ada.

Pemanfaatan energi panas bumi 1,83 % dari total potensi yang tersedia sudah barang tentu masih sangat kecil. Oleh karena itu, kemungkinan untuk menaikkan pangsa pemanfaatan energi panas bumi masih sangat terbuka lebar, dengan kata lain bahwa prospek pemanfaatan energi panas bumi di Indonesia masih sangat menguntungkan bagi para penanam modal yang akan bergerak dalam bidang energi panas bumi. Hal ini terbukti dengan akan dibangunnya lagi 4 unit berkekuatan 55 MW di Gunung Salak Jawa Barat, suatu proyek patungan antara pertamina dan PT. Unocoal Geothermal Indonesia. Proyek-proyek berikutnya sudah barang tentu akan segera disusul oleh penanam modal lainnya, mengingat bahwa kebutuhan energi di Indonesia yang terus meningkat.

Pemanfaatan Energi Geothermal di Indonesia

Energi Geothermal di Indonesia.

• Energi panas bumi “uap basah”.

Pemanfaatan energi panas bumi yang ideal adalh bila panas bumi yang keluar dari perut bumi berupa uap kering, sehingga dapat digunakan langsung untuk menggerakkan turbin generator listrik. Namun uap kering yang demikian ini jarang ditemukan termasuk di Indonesia dan pada umumnya uap yang keluar berupa uap basah yang mengandung sejumlah air yang harus dipisahkan terlebih dulu sebelum digunakan untuk menggerakkan turbin.

Uap basah yang keluar dari perut bumi pada mulanya berupa air panas bertekanan tinggi yang pada saat menjelang permukaan bumi terpisah menjadi kira-kira 20 % uap dan 80 % air. Atas dasar ini maka untuk dapat memanfaatkan jenis uap basah ini diperlukan separator untuk memisahkan antara uap dan air. Uap yang telah dipisahkan dari air diteruskan ke turbin untuk menggerakkan generator listrik, sedangkan airnya disuntikkan kembali ke dalam bumi untuk menjaga keseimbangan air dalam tanah.

• Energi panas bumi “air panas”.

Air panas yang keluar dari perut bumi pada umumnya berupa air asin panas yang disebut “brine” dan mengandung banyak mineral. Karena banyaknya kandungan mineral ini, maka air panas tidak dapat digunakan langsung sebab dapat menimbulkan penyumbatan pada pipa-pipa sistim pembangkit tenaga listrik. Untuk dapat memanfaatkan energi panas bumi jenis ini, digunakan sistem biner ( dua buah sistem utama) yaitu wadah air panas sebagai sistem primernya dan sistem sekundernya berupa alat penukar panas (heat exchanger) yang akan menghasilakn uap untuk menggerakan turbin.

• Energi panas bumi “batuan panas”.

Energi panas bumi jenis ini berupa batuan panas yang ada dalam perut bumi akibat berkontak dengan sumber panas bumi (magma). Energi panas bumi ini harus diambil sendiri dengan cara menyuntikkan air ke dalam batuan panas dan dibiarkan menjadi uap panas, kemudian diusahakan untuk dapat diambil kembali sebagai uap panas untuk menggerakkan turbin. Sumber batuan panas pada umumnya terletak jauh di dalam perut bumi, sehingga untuk memanfaatkannya perlu teknik pengeboran khusus yang memerlukan biaya cukup tinggi.

Prospek panas bumi di Indonesia

Indonesia mempunyai potensi pembangkit energi tenaga panas bumi yang bisa mencukupi kebutuhan energi di Indonesia yang semakin meningkat. Berikut ini beberapa lapangan panas bumi yang memiliki prospek untuk dikembangkan menjadi PLTP.

• Lapangan Panas Bumi Margabayur di Lampung dengan potensi lapangannya sekitar 250 MW dan layak untuk dikembangkan pada tahap awal dengan kapasitas 2 x 55 MW. Pada lapangan panas bumi ini perlu melaksanakan pemboran sumur-sumur untuk memperoleh uap.
• Lapangan Panas Bumi Lahendong yang memiliki potensi lapangan uapnya sebesar 250 MW dan layak untuk dikembangkan 2 x 20 MW.
• Lapangan Panas Bumi Ulubelu-Lampung yang mempunyai potensi lapangannya sekitar 550 MW. Pada lapangan ini potensi panas bumi yang sudah dikembangkan swasta sekitar 110 – 300 MW dan sisanya masih ada sekitar 250 MW belum dikembangkan.
• Lapangan Panas Bumi lainnya adalah kerinci. Lapangan-lapangan tersebut sekarang ini sedang dieksplorasi oleh Pertamina.

Kesimpulan

Setelah diadakan study pustaka maka penulis mengambil kesimpulan

1. Geothermal berprospek baik sebagai pengganti bahan bakar fosil untuk pembangkit listrik di dunia yang ramah lingkungan.
2. Geothermal adalah energi yang terbarukan sehingga tidak mungkin habis dan dapat diperbaharui.
3. prospek penggunaan energi geothermal di Indonesia cukup bagus namun masih kurang dimanfaatkan semaksimal mungkin.

DAFTAR PUSTAKA

Nenny Saptadji, Sekilas_tentang_Panas_Bumi

HASBULLAH, MT, KONVERSI ENERGI PANAS BUMI

http://EksplorasiEnergiPanasBumi

Geothermal Sebagai Alternatif Energi untuk Pembangkit Listrik.htm

Diktat E&DKEE - Andi Pawawoi, MT

Read More

Tugas UAS elektronika daya

ELEKTRONIKA DAYA

DOSEN : ANDI PAWAWOI, MT

NAMA : PRIANDIKA 1110953005

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS ANDALAS

PADANG

2013

1. Direncanakan sebuah DC-DC step down/up converter 5 kW, tegangan input 400 volt dengan kriteria arus masih kontinu pada tegangan keluaran 5 volt, beban 10% dan ripple maksimum 1% pada tegangan dan beban tersebut. Tentukan Nilai L dan C yang diperlukan. (Asumsikan Frekuensi = 500 Hz)

Rangkaian Boost Dc-Dc Converter :

Diketahui: Vo = 5 V (berdasarkan dua digit terakhir no. Bp)

Vd = 400 V

Po = 5 kW , 10%

ΔVo/Vo = 1%

Asumsi fs = 500 Hz, sehingga Ts = 1/fs = 2 x10^-3 s

Ditanya: L dan C arus kontinu

Jawab: Vo/Vd = D/(1-D)

5/400 = D/(1-D)

D = 0.0125

Po = (5 x 10³) . 10% = 500kW

Po = Vo . Io

Io = Po/Vo = 100 A

Io = (1/2L) (Ts.Vo)(1-D)²

L = (1/2Io) (Ts.Vo)(1-D)² = 98.75 x 10^-6H = 98.75 µH

ΔVo/Vo = (D.Ts)/RC, dimana R = Ro = Vo/Io = 5/100 = 0.05 Ω

ΔVo/Vo = 1%

C = (D.Ts)/0.05(0.01)

C = 5 x 10^-2 F = 50 mF

2. Sebuah Inveter jembatan dengan tegangan input 400 volt, m_a = 0,8, m_f = 5 volt dengan frekuensi fundamental 50 Hz menggunakan switching PWM bipolar. Tentukan tegangan rms fundamental dan beberapa harmonic dominan inverter tersebut.

Seperti pada Rangkaian di bawah ini:

Diketeahui:

V_d = 400 Volt

m_a = 0.8

m_f = 5 volt (Berdasarkan dua digit terakhir no.Bp)

f = 50 Hz

Ditanya:

a. Nilai Vrms fundamental

b. Beberapa harmonic dominan

Penyelesaian:

Maka untuk tegangan rms:

Tabel Acuan:

Fundamental: (V_Ao)₁ = 141.42 x 0.8 = 113. 14 Volt Pada 50 Hz

(V_Ao)₄₅ = 141.42 x 0.220 = 31.12 Volt

(V_Ao)₄₇ = 141.42 x 0.818 = 115.68 Volt

(V_Ao)₄₉ = 141.42 x 0.220 = 31.12 Volt

(V_Ao)₈₅ = 141.42 x 0.314 = 44.40 Volt

(V_Ao)₈₇ = 141.42 x 0.314 = 44.40 Volt ,dst.

Untuk beberapa Harmonik:

Dengan rumus:

sehingga h = j( 2 x 5 ) ± k

Maka:

3. Gambarkan salah satu topologi rangkaian cycloconverter dan jelaskan prinsip kerjanya dalam merubah tegangan frekuensi.

Penyelesaian:

Cycloconverter adalah rangkaian elektronika daya yang dapat mengubah gelombang masukan AC dengan frekuensi tertentu ke gelombang keluaran AC dengan frekuensi yang berbeda. Cara kerja cycloconverter satu phasa yaitu dengan membagi topologi ini menjadi 2 buah rangkaian konverter tyristor-P dan rangkaian konverter tyristor-N yang bekerja secara bergantian. Konverter tyristor-P bekerja untuk membentuk arus keluaran pada saat periode positip-nya, sedangkan konverter tyristor-N bekerja setelahnya untuk membentuk arus keluaran pada periode negatif arus keluaran.

Bentuk gelombang keluaran cycloconverter akan lebih baik menyerupai sinus dengan cara menambah jumlah pulsa sumbernya. bentuk gelombang keluaran dengan sumber masukan gelombang AC tiga fasa. bentuk gelombang keluaran dengan sumber masukan gelombang AC enam fasa.Gelombang AC enam fasa dapat dihasilkan dengan cara menjumlahkan gelombang AC tiga fasa dengan gelombang AC tiga fasa tersebut yang digeser sudutnya sejauh 30 derajat dengan menggunankan trafo tiga phasa hubungan wye-delta (trafo penggeser fasa).

Cycloconverter adalah rangkaian elektronika daya yang dapat mengubah gelombang masukan AC dengan frekuensi tertentu ke gelombang keluaran AC dengan frekuensi yang berbeda. Pada Figure 1(a) dapat dilihat rangkaian daya cycloconverter satu phasa. Untuk lebih mudah memahami kerja rangkaian ini sehingga dapat menurunkan frekuensi sumber adalah dengan cara membagi topologi ini menjadi 2 buah rangkaian konverter tyristor-P dan rangkaian konverter tyristor-N yang bekerja secara bergantian, seperti terlihat pada Figure 1(b). Konverter tyristor-P bekerja untuk membentuk arus keluaran pada saat periode positip-nya, sedangkan konverter tyristor-N bekerja setelahnya untuk membentuk arus keluaran pada periode negatif arus keluaran.

Pada Figure 2 terlihat bahwa untuk mengubah sumber tegangan AC 50Hz menjadi frekuensi yang lebih rendah (16,67Hz), rangkaian konverter tyristor lengan kiri bekerja sedemikian rupa dengan memainkan sudut penyalaannya selama 1,5 periode sumber. Konverter tyristor lengan kanan bekerja setelahnya.

Pada Figure 3 terlihat bahwa untuk mengubah sumber tegangan AC 50Hz menjadi frekuensi yang lebih rendah (10Hz), rangkaian konverter tyristor lengan kiri bekerja sedemikian rupa dengan memainkan sudut penyalaannya selama 2,5 periode sumber.

Dari Figure 4. dapat dilihat bahwa setiap  konverter tyristor pada rangkaian eqivalen pernah bekerja pada fase retifying dan inverting. Apabila tegangan keluaran dan arus keluaran dari konverter bernilai positip itu artinya konverter-P bekerja sebagai penyearah. Sedangkan bila tegangan keluaran bernilai negatif dan arus keluaran bernilai positip itu artinya aliran daya mengalir dari beban ke sumber, konverter-P bekerja sebagai inverter. Pada fase berikutnya konverter-P akan berhenti bekerja kemudian konverter-N akan bekerja menggantikan peran konverter-P untuk membentuk fase selanjutnya (arus beban negatif).

Gambar berikut adalah rangkaian daya cycloconverter tiga phasa berikut bentuk gelombang yang terjadi pada sisi keluarannya tiap fasa.

Bentuk gelombang keluaran cycloconverter akan lebih baik menyerupai sinus dengan cara menambah jumlah pulsa sumbernya, seperti terlihat pada Figure 6. Figure (a) adalah bentuk gelombang keluaran dengan sumber masukan gelombang AC tiga fasa. Sedangkan Figure (b) adalah bentuk gelombang keluaran dengan sumber masukan gelombang AC enam fasa. Gelombang AC enam fasa dapat dihasilkan dengan cara menjumlahkan gelombang AC tiga fasa dengan gelombang AC tiga fasa tersebut yang digeser sudutnya sejauh 30 derajat dengan menggunankan trafo tiga phasa hubungan wye-delta (trafo penggeser fasa).

DAFTAR PUSTAKA

E. A. Lewis, “Cycloconverter drive systems”, IEE Conf. Proc. PEVD’96, 1996, pp. 382-389.

R. P. Pallman, “First use of cycloconverter-fed ac motors in an aluminium hot strip mill”, Siemens Engineering & Automation, vol.XIV, no.2, 1992, pp. 26-29.

K. Madisetti and M. A. Ramlu, “Trends in electronic control of mine hoists”, IEEE Trans.on Ind. Appl, vol. IA-22, no.6, 1986, pp. 1105-1112

Read More

Motor Induksi

ENERGI DAN DASAR KONVERSI ENERGI ELEKTRIK

DOSEN:

ANDI PAWAWOI, M.T

PRIANDIKA 1110953005

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS ANDALAS

PADANG

2013

MOTOR INDUKSI

Motor induksi adalah motor listrik bolak-balik (ac) yang putaran rotornya tidak sama dengan putaran medan stator, dengan kata lain putaran rotor dengan putaran medan stator terdapat selisih putaran yang disebut slip. Pada umumnya motor induksi dikenal ada dua macam berdasarkan jumlah fasa yang digunakan, yaitu: motor induksi satu fasa dan motor induksi tiga fasa. Sesuai dengan namanya motor induksi satu fasa dirancang untuk beroperasi menggunakan suplai tegangan satu fasa.

Motor induksi yang umum dipakai adalah motor induksi 3-fase dan motor induksi 1-fase. Motor induksi 3-fase dioperasikan pada sistem tenaga 3-fase dan banyak digunakan di dalam berbagai bidang industri, sedangkan motor induksi 1-fase dioperasikan pada sistem tenaga 1-fase yang banyak digunakan terutama pada penggunaan untuk peralatan rumah tangga seperti kipas angin, lemari es, pompa air, mesin cuci dan sebagainya karena motor induksi 1-fase mempunyai daya keluaran yang rendah.

Bagian Utama Motor Induksi

Motor induksi memiliki dua komponen listrik utama :

• Rotor

Motor induksi menggunakan dua jenis rotor: Rotor kandang tupai terdiri dari batang penghantar tebal yang dilekatkan dalam petak-petak slots paralel. Batang-batang tersebut diberi hubungan pendek pada kedua ujungnya dengan alat cincin hubungan pendek. Lingkaran rotor yang memiliki gulungan tiga fase, lapisan ganda dan terdistribusi. Dibuat melingkar sebanyak kutub stator. Tiga fase digulungi kawat pada bagian

• Stator

Stator dibuat dari sejumlah stampings dengan slots untuk membawa gulungan tiga fase. Gulungan ini dilingkarkan untuk sejumlah kutub yang tertentu. Gulungan diberi spasi geometri sebesar 120 derajat.

•Celah

Merupakan celah udara: Tempat berpindahnya energi dari startor ke rotor.

Stator Motor Induksi

Gambar 1. Stator

Konstruksi stator motor induksi adalah :

1. Rumah stator (rangka stator) dari besi tuang.

2. Inti stator dari besi lunak atau baja silikon.

3. Alur, bahannya sama dengan inti, dimana alur ini merupakan tempat meletakkan belitan (kumparan stator).

4. Belitan (kumparan) stator dari tembaga.

Konstruksi Rotor Motor Induksi

Gambar 2. rotor motor

Konstruksi rotor motor induksi adalah:

1. Inti rotor, bahannya dari besi lunak atau baja silikon sama dengan inti stator

2. Alur, bahannya dari besi lunak atau baja silikon sama dengan inti. Alur merupakan tempat meletakkan belitan (kumparan) rotor

3. Belitan rotor, bahannya dari tembaga

4. Poros atau as

konstuksi motor induksi

Gambar 3. konstuksi motor induksi

Berdasarkan bentuk konstruksi rotornya, maka motor induksi dapat dibagi menjadi dua jenis yaitu :

1. Motor induksi dengan rotor sangkar (squirrel cage)

2. Motor induksi dengan rotor belitan (wound rotor).

Rotor Sangkar

Gambar 4. Rotor Sangkar

Motor induksi jenis rotor sangkar lebih banyak digunakan daripada jenis rotor lilit, sebab rotor sangkar mempunyai bentuk yang sederhana. Belitan rotor terdiri atas batang-batang penghantar yang ditempatkan di dalam alur rotor. Batang penghantar ini terbuat dari tembaga, alloy atau alumunium. Ujungujung batang penghantar dihubung singkat oleh cincin penghubung singkat, sehingga berbentuk sangkar burung. Motor induksi yang menggunakan rotor ini disebut Motor Induksi Rotor Sangkar. Karena batang penghantar rotor yang telah dihubung singkat, maka tidak dibutuhkan tahanan luar yang dihubungkan seri dengan rangkaian rotor pada saat awal berputar. Alur-alur rotor biasanya tidak dihubungkan sejajar dengan sumbu (poros) tetapi sedikit miring.

Rotor Belitan

Gambar 5. Rotor Belitan

Rotor lilit terdiri atas belitan fasa banyak, belitan ini dimasukkan ke dalam aluralur initi rotor. Belitan ini sama dengan belitan stator, tetapi belitan selalu dihubungkan secara bintang. Tiga buah ujung-ujung belitan dihubungkan ke terminal- terminal sikat/cincin seret yang terletak pada poros rotor. Pada jenis rotor lilit kita dapat mengatur kecepatan motor dengan cara mengatur tahanan belitan rotor tersebut. Pada keadaan kerja normal sikat karbon yang berhubungan dengan cincin seret tadi dihubung singkat. Motor induksi rotor lilit dikenal dengan sebutan Motor Induksi Slipring atau Motor Induksi Rotor Lilit.

Prinsip Kerja Motor induksi

Motor induksi bekerja berdasarkan induksi elektromagnetik dari kumparan stator kepada kumparan rotornya. Garis-garis gaya fluks yang diinduksikan dari kumparan stator akan memotong kumparan rotornya sehingga timbul emf (ggl) atau tegangan induksi dan karena penghantar (kumparan) rotor merupakan rangkaian yang tertutup, maka akan mengalir arus pada kumparan rotor.

Penghantar (kumparan) rotor yang dialiri arus ini berada dalam garis gaya fluks yang berasal dari kumparan stator sehingga kumparan rotor akan mengalami gaya Lorentz yang menimbulkan torsi yang cenderung menggerakkan rotor sesuai dengan arah pergerakan medan induksi stator. Pada rangka stator terdapat kumparan stator yang ditempatkan pada slot-slotnya yang dililitkan pada sejumlah kutup tertentu. Jumlah kutup ini menentukan kecepatan berputarnya medan stator yang terjadi yang diinduksikan ke rotornya. Makin besar jumlah kutup akan mengakibatkan makin kecilnya kecepatan putar medan stator dan sebaliknya. Kecepatan berputarnya medan putar ini disebut kecepatan sinkron.

Read More

Generator Sinkron

ENERGI DAN DASAR KONVERSI ENERGI ELEKTRIK

DOSEN:

ANDI PAWAWOI, M.T

PRIANDIKA 1110953005

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS ANDALAS

PADANG

2013

GENERATOR SINKRON

(ALTERNATOR)

Hampir semua energi listrik dibangkitkan dengan menggunakan mesin sinkron. Generator sinkron (sering disebut alternator) adalah mesin sinkron yangdigunakan untuk mengubah daya mekanik menjadi daya listrik. Generator sinkrondapat berupa generator sinkron tiga fasa atau generator sinkron AC satu fasatergantung dari kebutuhan.

1.1 Konstruksi Generator Sinkron

Pada generator sinkron, arus DC diterapkan pada lilitan rotor untuk mengahasilkan mdan magnet rotor. Rotor generator diputar oleh prime mover menghasilkan medan magnet berputar pada mesin. Medan magnet putar ini menginduksi tegangan tiga fasa pada kumparan stator generator. Rotor pada generator sinkron pada dasarnya adalah sebuah elektromagnet yang besar. Kutub medan magnet rotor dapat berupa salient (kutub sepatu) dan dan non salient (rotor silinder). Gambaran bentuk kutup sepatu generator sinkron diperlihatkan pada gambar di bawah ini.

Gambar 1.1 Rotor salient (kutub sepatu) pada generator sinkron

Pada kutub salient, kutub magnet menonjol keluar dari permukaan rotor sedangkan pada kutub non salient, konstruksi kutub magnet rata dengan permukaan rotor.

Rotor silinder umumnya digunakan untuk rotor dua kutub dan empat kutub, sedangkan rotor kutub sepatu digunakan untuk rotor dengan empat atau lebih kutub. Pemilihan konstruksi rotor tergantung dari kecepatan putar prime mover, frekuensi dan rating daya generator. Generator dengan kecepatan 1500 rpm ke atas pada frekuensi 50 Hz dan rating daya sekitar 10MVA menggunakan rotor silinder. Sementara untuk daya dibawah 10 MVA dan kecepatan rendah maka digunakan rotor kutub sepatu. Gambaran bentuk kutup silinder generator sinkron diperlihatkan pada gambar di bawah ini.

Gambar 1.2 Gambaran bentuk (a) rotor Non-salient (rotor silinder), (b) penampang rotor pada generator sinkron

Arus DC disuplai ke rangkaian medan rotor dengan dua cara:

1. Menyuplai daya DC ke rangkaian dari sumber DC eksternal dengan sarana slip ring dan sikat.

2. Menyuplai daya DC dari sumber DC khusus yang ditempelkan langsung pada batang rotor generator sinkron.

1.2 Prinsip Kerja Generator Sinkron

Jika sebuah kumparan diputar pada kecepatan konstan pada medan magnethomogen, maka akan terinduksi tegangan sinusoidal pada kumparan tersebut. Medan magnet bisa dihasilkan oleh kumparan yang dialiri arus DC atau oleh magnet tetap. Pada mesin tipe ini medan magnet diletakkan pada stator (disebut generator kutub eksternal / external pole generator) yang mana energi listrik dibangkitkan pada kumparan rotor. Hal ini dapat menimbulkan kerusakan pada slip ring dan karbon sikat, sehingga menimbulkan permasalahan pada pembangkitan daya tinggi. Untuk mengatasi permasalahan ini, digunakan tipe generator dengan kutub internal (internal pole generator), yang mana medan magnet dibangkitkan oleh kutub rotor dan tegangan AC dibangkitkan pada rangkaian stator. Tegangan yang dihasilkan akan sinusoidal jika rapat fluks magnet pada celah udara terdistribusi sinusoidal dan rotor diputar pada kecepatan konstan. Tegangan AC tiga fasa dibangkitan pada mesin sinkron kutub internal pada tiga kumparan stator yang diset sedemikian rupa sehingga membentuk beda fasa dengan sudut 120°. Bentuk gambaran sederhana hubungan kumparan 3-fasa dengan tegangan yang dibangkitkan diperlilhatkan pada gambar di bawah ini.

Gambar 1.3 Gambaran sederhana kumparan 3-fasa dan tegangan yang dibangkitkan

. Pada rotor kutub sepatu, fluks terdistribusi sinusoidal didapatkan dengan mendesain bentuk sepatu kutub. Sedangkan pada rotor silinder, kumparan rotor disusun secara khusus untuk mendapatkan fluks terdistribusi secara sinusoidal. Untuk tipe generator dengan kutub internal (internal pole generator), suplai DC yang dihubungkan ke kumparan rotor melalui slip ring dan sikat untuk menghasilkan medan magnet merupakan eksitasi daya rendah. Jika rotor menggunakan magnet permanen, maka tidak slip ring dan sikat karbon tidak begitu diperlukan.

1.3 Kecepatan Putar Generator Sinkron

Frekuensi elektris yang dihasilkan generator sinkron adalah sinkron dengan kecepatan putar generator. Rotor generator sinkron terdiri atas rangkaian elektromagnet dengan suplai arus DC. Medan magnet rotor bergerak pada arah putaran rotor. Hubungan antara kecepatan putar medan magnet pada mesin dengan frekuensi elektrik pada stator adalah:

(1.1)

yang mana:

fe = frekuensi listrik (Hz)

nr = kecepatan putar rotor = kecepatan medan magnet (rpm)

p = jumlah kutub magnet

Oleh karena rotor berputar pada kecepatan yang sama dengan medan magnet, persamaan diatas juga menunjukkan hubungan antara kecepatan putar rotor dengan frekuensi listrik yang dihasilkan. Agar daya listrik dibangkitkan tetap pada frekuensi 50Hz atau 60 Hz, maka generator harus berputar pada kecepatan tetapdengan jumlah kutub mesin yang telah ditentukan. Sebagai contoh untuk membangkitkan 60 Hz pada mesin dua kutub, rotor arus berputar dengan kecepatan 3600 rpm. Untuk membangkitkan daya 50 Hz pada mesin empat kutub, rotor harus berputar pada 1500 rpm.

1.4 Alternator tanpa beban

Dengan memutar alternator pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan (IF), maka tegangan (Ea ) akan terinduksi pada kumparan jangkar stator. Bentuk hubungannya diperlihatkan pada persamaan berikut.

Ea = c.n.f (1.2)

yang mana:

c = konstanta mesin

n = putaran sinkron

f = fluks yang dihasilkan oleh IF

Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator, karenanya tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh arus medan (IF). Apabila arus medan (IF) diubah-ubah harganya, akan diperoleh harga Ea seperti yang terlihat pada kurva sebagai berikut.

gambar 1.4 Karakteristik tanpa beban generator sinkron

1.5 Alternator Berbeban

Dalam keadaan berbeban arus jangkar akan mengalir dan mengakibatkan terjadinya reaksi jangkar. Reaksi jangkar besifat reaktif karena itu dinyatakan sebagai reaktansi, dan disebut reaktansi magnetisasi (Xm ). Reaktansi pemagnet (Xm ) ini bersama-sama dengan reaktansi fluks bocor (Xa ) dikenal sebagai reaktansi sinkron (Xs) . Persamaan tegangan pada generator adalah:

Ea = V + I.Ra + j I.Xs (1.3)

Xs = Xm + Xa (1.4)

yang mana:

Ea = tegangan induksi pada jangkar

V = tegangan terminal output

Ra = resistansi jangkar

Xs = reaktansi sinkron

Karakteristik pembebanan dan diagram vektor dari alternator berbeban induktif (faktor kerja terbelakang) dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

Gambar 1.5 Karakteristik alternator berbeban induktif

1.6 Rangkaian Ekuivalen Generator Sinkron

Tegangan induksi Ea dibangkitkan pada fasa generator sinkron. Tegangan ini biasanya tidak sama dengan tegangan yang muncul pada terminal generator. Tegangan induksi sama dengan tegangan output terminal hanya ketika tidak ada arus jangkar yang mengalir pada mesin. Beberapa faktor yang menyebabkan perbedaan antara tegangan induksi dengan tegangan terminal adalah:

1. Distorsi medan magnet pada celah udara oleh mengalirnya arus pada stator, disebut reaksi jangkar.

2. Induktansi sendiri kumparan jangkar.

3. Resistansi kumparan jangkar.

4. Efek permukaan rotor kutub sepatu.

Rangkaian ekuivalen generator sinkron perfasa ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Gambar 1.6 Rangkaian ekuivalen generator sinkron perfasa

1.7 Menentukan Parameter Generator Sinkron

Harga s X diperoleh dari dua macam percobaan yaitu percobaan tanpa beban dan percobaan hubungan singkat. Pada pengujian tanpa beban, generator diputar pada kecepatan ratingnya dan terminal generator tidak dihubungkan ke beban. Arus eksitasi medan mula adalah nol. Kemudian arus eksitasi medan dinaikan bertahap dan tegangan terminal generator diukur pada tiap tahapan. Dari percobaan tanpa beban arus jangkar adalah nol (Ia = 0) sehingga V sama dengan Ea. Sehingga dari pengujian ini diperoleh kurva Ea sebagai fungsi arus medan (If). Dari kurva ini harga yang akan dipakai adalah harga liniernya (unsaturated). Pemakaian harga linier yang merupakan garis lurus cukup beralasan mengingat kelebihan arus medan pada keadaan jenuh sebenarnya dikompensasi oleh adanya reaksi jangkar.

Gambar 1.7 Karakteristik tanpa beban

Pengujian yang kedua yaitu pengujian hubung singkat. Pada pengujian ini mula-mula arus eksitasi medan dibuat nol, dan terminal generator dihubung singkat melalui ampere meter. Kemudian arus jangkar Ia (= arus saluran) diukur dengan mengubah arus eksitasi medan. Dari pengujian hubung singkat akan menghasilkan hubungan antara arus jangkar (Ia ) sebagai fungsi arus medan (IF), dan ini merupakan garis lurus. Gambaran karakteristik hubung singkat alternator diberikan di bawah ini.

Gambar 1.8 Karakteristik hubung singkat alternator

Ketika terminal generator dihubung singkat maka tegangan terminal adalah nol. Impedansi internal mesin adalah:

(1.5)

Oleh karena Xs >> Ra, maka persamaan diatas dapat disederhanakan menjadi:

(1.6)

Jika Ia dan Ea diketahui untuk kondisi tertentu, maka nilai reaktansi sinkron dapat diketahui. Tahanan jangkar dapat diukur dengan menerapkan tegangan DC pada kumparan jangkar pada kondisi generator diam saat hubungan bintang (Y), kemudian arus yang mengalir diukur. Selanjutnya tahanan jangkar perfasa pada kumparan dapat diperoleh dengan menggunakan hukum ohm sebagai berikut.

(1.7)

Penggunaan tegangan DC ini adalah supaya reaktansi kumparan sama dengan nol pada saat pengukuran.

1.8 Diagram Fasor

Gambar 1.9 Diagram fasor (a) Faktor daya satu (b) faktor daya tertinggal (c) faktor daya mendahului

Diagram fasor memperlihatkan bahwa terjadinya pebedaan antara tegangan teminal V dalam keadaan berbeban dengan tegangan induksi (Ea ) atau tegangan pada saat tidak berbeban. Diagram dipengaruhi selain oleh faktor kerja juga oleh besarnya arus jangkar (Ia ) yang mengalir. Dengan memperhatikan perubahan tegangan V untuk faktor keja yang berbeda-beda, karakteristik tegangan teminal V terhadap arus jangkar Ia diperlihatkan pada gambar 1.9.

1.9 Pengaturan Tegangan (Regulasi Tegangan)

Pengaturan tegangan adalah perubahan tegangan terminal alternator antara keadaan beban nol (VNL) dengan beban penuh (VFL). Keadaan ini memberikan gambaran batasan drop tegangan yang terjadi pada generator, yang dinyatakan sebagai berikut.

(1.8)

1.10 Kerja Paralel Alternator

Untuk melayani beban yang berkembang, maka diperlukan tambahan sumber daya listrik. Agar sumber daya listrik yang yang baru (alternator baru) bisa digunakan bersama, maka dilakukan penggabungan alternator dengan cara mempararelkan dua atau lebih alternator pada sistem tenaga dengan maksud memperbesar kapasitas daya yang dibangkitkan pada sistem. Selain untuk tujuan di atas, kerja pararel juga sering dibutuhkan untuk menjaga kontinuitas pelayanan apabila ada mesin (alternator) yang harus dihentikan, misalnya untuk istirahat atau reparasi, maka alternator lain masih bisa bekerja untuk mensuplai beban yang lain. Untuk maksud mempararelkan ini, ada beberapa pesyaratan yang harus dipenuhi, yaitu:

1. Harga sesaat ggl kedua alternator harus sama dalam kebesarannya, dan bertentangan dalam arah, atau harga sesaat ggl alternator harus sama dalam kebesarannya dan bertentangan dalam arah dengan harga efektif tegangan jalajala.

2. Frekuensi kedua alternator atau frekuensi alternator dengan jala harus sama

3. Fasa kedua alternator harus sama

4. Urutan fasa kedua alternator harus sama

Bila sebuah generator ’G’ akan diparaelkan dengan jala-jala, maka mula-mula G diputar oleh penggerak mula mendekati putaran sinkronnya, lalu penguatan IF diatur hingga tegangan terminal generator tersebut sama denga jala-jala. Untuk mendekati frekuensi dan urutan fasa kedua tegangan (generator dan jala-jala) digunakan alat pendeteksi yang dapat berupa lampu sinkronoskop hubungan terang. Benar tidaknya hubungan pararel tadi, dapat dilihat dari lampu tersebut. Bentuk hubungan operasi paralel generator sinkron dengan lampu sinkronoskop diperlihatkan pada gambar di bawah ini.

Gambar 1.10 Operasi paralel generator sinkron

Jika rangakaian untuk pararel itu benar (urutan fasa sama) maka lampu L1, L2 dan L3 akan hidup-mati dengan frekuensi fL - fG cycle. Sehingga apabila ke tiga lampu sedang tidak bekedip berarti fL = fG atau frekuensi tegangan generator dan jala-jala sudah sama. Untuk mengetahui bahwa fasa kedua tegangan (generator dan jala-jala) sama dapat dilihat dari lampu L1, L2, dan L3. Frekuensi tegangan generator diatur oleh penggerak mula, sedang besar tegangan diatur oleh penguatan medan. Jika rangkaian untuk mempararelkan itu salah (urutan fasa tidak sama) maka lampu L1, L2 dan L3 akan hidup-mati bergantian dengan frekuensi (fL + fG ) cycle. Dalam hal ini dua buah fasa (sebarang) pada terminal generator harus kita pertukarkan.

Jika urutan fasa kedua sistem tegangan sama, maka lampu L1, L2, dan L3 akan hidup-mati bergantian dengan frekuensi fL - fG cycle. Saat mempararelkan adalah pada keadaan L1 mati sedangkan L2 dan L3 menyala sama terang, dan keadaan ini berlangsung agak lama (yang berarti fL dan fG sudah sangat dekat atau benar-benar sama). Dalam keadaan ini, posisi semua fasa sistem tegangan jala-jala berimpit dengan semua fasa sistem tegangan generator.

Read More