Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU): Dari Uap Jadi Listrik, HOW?

Sekarang kamu mungkin sedang membaca artikel ini menggunakan laptop atau smartphone kamu, yang tentunya butuh tenaga listrik untuk tetap hidup. Namun pernah gak sih terpikirkan bagaimana listrik itu dibangkitkan?

Di Indonesia sendiri, pembangkit listrik tenaga uap atau PLTU adalah jenis pembangkit lisrtik yang paling banyak digunakan dan penyumbang energi listrik terbesar ketimbang pembangkit listrik lain. Contohnya adalah pembangkit milik Paiton, di Probolinggo, PLTU Priok di Tanjung Priok, Jakarta Utara, dan PLTU di Bangka Belitung. Oh iya, istilahnya pembangkit ya, bukan pembuat atau pabrik listrik!

Menurut Hukum 1 Termodinamika, energi tidak dapat dibuat, maupun dimusnahkan. Namun energi bisa mengalami perubahan bentuk, baik itu energi panas, energi listrik, energi kinetik, dan lain sebagainya. Nah, untuk urusan listrik yang sering kamu pakai ini, sebenarnya mengalami beberapa proses perubahan energi lho! Dari energi kimia yang tersimpan pada bahan bakar, menjadi energi panas, lalu energi gerak, dan akhirnya menjadi energi listrik. Semua perubahan itu membutuhkan uap atau steam sebagai media nya. Penasaran caranya?

PLTU ini bekerja sesuai dengan Siklus Rankine atau Rankine cycle jadi agar lebih paham sedikit kita mengulas tentang Siklus Rankine dulu ya!

Rankine Cycle
Rankine Cycle

Siklus Rankine adalah siklus termodinamika yang merupakan sistem tertutup untuk mengubah energi panas menjadi kerja atau energi gerak dengan bantuan fluida sebagai penghantar energinya, dalam PLTU, fluidanya adalah steam (bahasa indonesianya uap, makanya namanya pembangkit listrik tenaga uap). Untuk lebih jelas simak gambar berikut:

Nomor Keterangan
1 – 2 Menaikkan tekanan fluida, fase cair. Kerja masuk sistem secara isentropik (W­in)
2 – 3 Menaikkan suhu fluida, fase cair-gas. Panas masuk sistem (Qin)
3 – 4 Menurunkan tekanan & suhu fluida, fase gas. Kerja keluar sistem secara isentropik (W­out)
4 – 1 Menembunkan fluida, fase gas-cair. Panas keluar sistem (Qout)

Sesuai termodinamika pada siklus Rankine ideal, panas dan kerja pada sistem proporsional dengan perubahan entalpi dari fluida tersebut.

Siklus Rankine bekerja untuk mengkonversi energi panas menjadi energi gerak, maka pada siklus ini efisiensimya adalah seberapa besar energi panas yang dapat dikonversi menjadi energi gerak dari siklus ini.

Baca juga: Bagaimana Proses Cara Kerja Kincir Angin Membangkitkan Listrik?

Cara PLTU menghasilkan energi listrik

Lalu bagaimana siklus Rankine ini bekerja pada PLTU? Pada dasarnya, PLTU bekerja persis mengikuti siklus Rankine. Alat-alat atau komponen utamanya pun sama, yaitu pompa, boiler, turbin, dan kondensor atau alat pengembun. Untuk lebih jelasnya yuk simak penjelasan berikut!

1. Menaikkan tekanan

Pumping
Pumping system

Ini adalah fase menaikkan tekanan (1 – 2 di grafik Rankine cycle) air, atau lebih tepatnya boiler feed water keluaran kondensor dan make-up water (air tambahan) dipompakan untuk menaikkan tekanannya. Pada siklus Rankine, penaikan tekanan dilakukan ketika fluida berfase cair karena fluida berfase cair tidak dapat terkompfesi (incompressible fluid) maka menaikkan tekanan pada fase ini lebih efisien penggunaan dayanya.

Multi stage pumping
Multi stage pumping

Sistem pemompaan ini meningkatkan tekanan air yang tadinya pada keadaan atmospheric pressure (atau bisa dari keadaan vakum, < 1 bar) menjadi air bertekanan tinggi, lebih dari 150 bar. Untuk mencapai perbedaan tekanan sebesar itu biasanya digunakan pompa multi stage.

2. Menaikkan suhu & menguapkan

Boiler
Boiler

Setelah dipompakan, air bertekanan tinggi kemudian diumpankan ke dalam boiler untuk menaikan suhu (2 – 3 di grafik Rankine cycle). Tipe boiler yang biasanya dipakai di PLTU adalah water tube boiler karena tipe ini cocok untuk fluida bertekanan tinggi. Berbeda dengan fire tube boiler, water tube boiler air dialirkan dalam pipa-pipa dan api berada diluar pipa tersebut.

Api pada boiler ini berasal dari pembakaran bahan bakar, baik itu batu bara, gas alam, atau bahan bakar lain yang mempunyai nilai kalor bakar yang memadai. Di sinilah sumber energi dari alamProses Pembentukan Serta Kegunaan Batu Bara yang Harus Kamu Tahu! diambil yang kemudian diubah menjadi listrik.

Pada boiler yang biasa dipakai pada PLTU, untuk meningkatkan efisiensi biasanya dipasang boiler dengan beberapa section pemanasan air atau steam. Yaitu:

1. Economizer atau preheater

Di bagian ini, BFW memperoleh panas dari flue gas atau gas buangan. Tujuannya adalah untuk memanfaatkan panas yang masih dibawa flue gas. Flue gas dari pembakaran burner dalam boiler biasanya masih bersuhu 300 – 350 oC, panas yang cukup besar bukan?

2. Main section

Di bagian ini, air yang suhunya sudah dinaikkan dari economizer kemudian diuapkan. Bagian ini merupakan bagian terdekat ke burner, karena seperti yang kita semua tau bahwa kalor penguapan (latent heat) lebih besar nilainya daripada kalor sensibel (sensible heat)

3. Superheater

Semakin tinggi temperatur gas masuk turbin semakin baik efisiensinya, superheater ini dibutuhkan untuk meningkatkan temperatur steam masuk turbin.

Meski begitu, temperatur keluaran boiler yang akan diumpankan ke turbin mempunyai limitasi dari kekuatan bahan turbin itu sendiri. Biasanya turbin memiliki range suhu operasi dibawah 550 oC. Jadi, setinggi-tingginya suhu steam akan dibatasi kondisi tersebut.

4. Re-heater

Re-heater
Re-heater

Sedikit berbeda dengan section sebelumnya yang disusun seri berkelanjutan, yang ada pada re-heater adalah steam keluaran high pressure turbine. Steam keluaran high pressure turbine masih memiliki tekanan yang cukup tinggi, namun kehilangan panas yang lumayan banyak. Untuk menambah efisiensi, keluaran dari high pressure turbine kemudian dipanaskan lagi dalam re-heater sebelum memasuki medium pressure turbine.

Baca juga: Kenapa Pesawat Bisa Terbang Melawan Gravitasi Bumi? Ini Jawabannya!

3. Ekspansi steam, mengambil energi dari sistem

Steam Turbine
Steam Turbine

Bagian ini adalah bagian yang paling berpengaruh dari keseluruhan sistem di PLTU. Energi diambil dari kerja yang dilakukan sistem dengan mengekspansi atau menurunkan tekanan steam (3 – 4 di grafik Rankine cycle) menggunakan alat yaitu turbin.

Bicara mengenai turbin, prinsip kerjanya adalah berkebalikan dengan kompressor. Jika kompressor mengubah kerja menjadi tekanan, maka turbin adalah mengubah tekanan menjadi kerja. Peristiwa tersebut dikenal dengan ekspansi.

Peristiwa perubahan tekanan pada gas, sesuai dengan persamaan gas ideal juga mengalami perubahan volume dan suhu, sesuai dengan persamaan berikut:

PV = nRT

Dimana P adalah pressure (tekanan), V itu volume, n itu jumlah substansi, R adalah konstanta gas dan T adlah temperature (suhu).

Turbin berbentuk bilah-bilah (impeller) yang disusun secara melingkar. Akibat penurunan tekanan, diameter impeller semakin besar mengikuti peningkatan volumetric flow. Pada PLTU perubahan tekanan sangat besar, dari 170 bar hingga 0,1 bar (vakum). Untuk meningkatkan efisiensi kerja dan untuk mempermudah desain, maka perancangan turbin biasanya terdiri dari tiga section yaitu high pressure turbine, medium pressure turbine, dan low pressure turbine yang dipasang linear satu poros putar (shaft). yang nantinya terhubung pada generator. Tabel dibawah memuat keterangan tiap section dengan lebih jelas:

Section Pressure range Temperature steam Keterangan
high pressure turbine 170-17,5 bar 550 – 350 oC Dengan range pressure yang tinggi, volumetric flow pada section ini adalah yang terkecil, maka diameter impeller pada turbin ini adalah yang terkecil
medium pressure turbine 17,5 – 3 bar 550 – 270 oC Sebelum memasuki section ini, steam terlebih dahulu dipanaskan lagi dalam re-heater
medium pressure turbine 3 – 0,1 bar 270 – 50 oC Ini adalah bagian terbesar dari tubin, diameter terbesarnya bisa mencapai 7 meter. Untuk mencegah terjadinya pengembunan dalam turbin, Suhu keluaran tidak boleh mendekati suhu saturated steam pada tekanan keluar

Note: pressure range dan suhu bisa berbeda tiap PLTU, bergantung pada spesifikasi alat dan kondisi operasi tiap PLTU.

4. Mengembunkan

Condenser
Condenser

Untuk memasuki siklus berikutnya, steam harus diembunkan atau dikondensasikan dalam kondensor untuk mengubah fasenya kembali menjadi cair  (4 – 1 di grafik Rankine cycle). Kondensor menampung steam keluaran turbin, kemudian oleh air pendingin (cooling water) yang suhunya lebih rendah. Cooling water berfungsi untuk mengambil panas dari sistem dan mengubah steam menjadi cair. Air kemudian melepas panasnya pada cooling tower.

5. Electric generator

Electric Generator
Electric Generator

Alat ini berfungsi untuk mengubah energi mekanik atau energi gerak dari poros turbin menjadi listrik. Setelah keseluruhan sistem di PLTU berjalan stabil (steady state) dan spesifikasi listrik yang dihasilkan sesuai, listrik kemudian bisa mulai disinkronkan ke jalur distribusi listrik milik PLN. Perlu diketahui bahwa listrik dari generator ini tegangan nya bisa mencapai 100.000 Volt.

Nah, kini kamu sudah tahu tentang bagaimana listrik yang kamu gunakan dibangkitkan. Prosesnya cukup panjang dan rumit. Jadi gunakan listrik dengan bijaksana, ya!

Tinggalkan komentar