Di seluruh dunia, pembangkit listrik tenaga air menghasilkan sekitar 24 persen listrik dunia dan memasok listrik bagi lebih dari 1 miliar orang. Pembangkit listrik tenaga air di dunia menghasilkan total gabungan 675.000 megawatt, setara dengan energi 3,6 miliar barel minyak, menurut Laboratorium Energi Terbarukan Nasional. Terdapat lebih dari 2.000 pembangkit listrik tenaga air yang beroperasi di Amerika Serikat, menjadikan tenaga air sebagai sumber energi terbarukan terbesar di negara tersebut.
Dalam artikel ini, kita akan melihat bagaimana air terjun menghasilkan energi dan mempelajari siklus hidrologi yang menciptakan aliran air yang penting untuk pembangkit listrik tenaga air. Anda juga akan mendapatkan gambaran sekilas tentang salah satu aplikasi unik pembangkit listrik tenaga air yang mungkin memengaruhi kehidupan sehari-hari Anda.
Saat menyaksikan sungai mengalir, sulit membayangkan kekuatan yang dibawanya. Jika Anda pernah melakukan arung jeram, Anda telah merasakan sebagian kecil dari kekuatan sungai. Jeram terbentuk ketika sungai, yang membawa sejumlah besar air ke bawah, menyempit melalui lorong yang sempit. Saat sungai dipaksa melewati celah ini, alirannya menjadi lebih cepat. Banjir adalah contoh lain betapa besarnya kekuatan yang dapat dimiliki oleh volume air yang sangat besar.
Pembangkit listrik tenaga air memanfaatkan energi air dan menggunakan mekanisme sederhana untuk mengubah energi tersebut menjadi listrik. Pembangkit listrik tenaga air sebenarnya didasarkan pada konsep yang cukup sederhana — air yang mengalir melalui bendungan memutar turbin, yang kemudian memutar generator.
Berikut adalah komponen-komponen dasar dari pembangkit listrik tenaga air konvensional:
Poros yang menghubungkan turbin dan generator
Bendungan – Sebagian besar pembangkit listrik tenaga air bergantung pada bendungan yang menahan air, menciptakan waduk besar. Seringkali, waduk ini digunakan sebagai danau rekreasi, seperti Danau Roosevelt di Bendungan Grand Coulee di Negara Bagian Washington.
Pengambilan air – Pintu air di bendungan terbuka dan gravitasi menarik air melalui pipa pesat, yaitu saluran pipa yang mengarah ke turbin. Air menumpuk tekanan saat mengalir melalui pipa ini.
Turbin – Air menghantam dan memutar bilah-bilah besar turbin, yang terhubung ke generator di atasnya melalui poros. Jenis turbin yang paling umum untuk pembangkit listrik tenaga air adalah Turbin Francis, yang tampak seperti cakram besar dengan bilah melengkung. Sebuah turbin dapat memiliki berat hingga 172 ton dan berputar dengan kecepatan 90 putaran per menit (rpm), menurut Foundation for Water & Energy Education (FWEE).
Generator – Saat bilah turbin berputar, serangkaian magnet di dalam generator juga ikut berputar. Magnet-magnet raksasa berputar melewati kumparan tembaga, menghasilkan arus bolak-balik (AC) dengan menggerakkan elektron. (Anda akan mempelajari lebih lanjut tentang cara kerja generator nanti.)
Transformator – Transformator di dalam pembangkit listrik menerima arus bolak-balik (AC) dan mengubahnya menjadi arus tegangan yang lebih tinggi.
Saluran listrik – Dari setiap pembangkit listrik keluar empat kabel: tiga fasa daya yang dihasilkan secara bersamaan ditambah netral atau pentanahan yang umum untuk ketiganya. (Baca Cara Kerja Jaringan Distribusi Listrik untuk mempelajari lebih lanjut tentang transmisi saluran listrik.)
Aliran keluar – Air bekas pakai dialirkan melalui pipa-pipa, yang disebut saluran pembuangan, dan kembali masuk ke sungai di hilir.
Air di dalam waduk dianggap sebagai energi yang tersimpan. Ketika pintu air dibuka, air yang mengalir melalui pipa pesat menjadi energi kinetik karena sedang bergerak. Jumlah listrik yang dihasilkan ditentukan oleh beberapa faktor. Dua faktor tersebut adalah volume aliran air dan tinggi muka air. Tinggi muka air mengacu pada jarak antara permukaan air dan turbin. Seiring dengan peningkatan tinggi muka air dan aliran air, maka listrik yang dihasilkan juga meningkat. Tinggi muka air biasanya bergantung pada jumlah air di dalam waduk.
Ada jenis pembangkit listrik tenaga air lainnya, yang disebut pembangkit listrik tenaga air dengan sistem penyimpanan terpompa. Pada pembangkit listrik tenaga air konvensional, air dari waduk mengalir melalui pembangkit, keluar, dan terbawa ke hilir. Pembangkit listrik tenaga air dengan sistem penyimpanan terpompa memiliki dua waduk:
Waduk atas – Seperti pembangkit listrik tenaga air konvensional, bendungan menciptakan waduk. Air di waduk ini mengalir melalui pembangkit listrik tenaga air untuk menghasilkan listrik.
Waduk bawah – Air yang keluar dari pembangkit listrik tenaga air mengalir ke waduk bawah, bukan kembali ke sungai dan mengalir ke hilir.
Dengan menggunakan turbin bolak-balik, pembangkit listrik dapat memompa air kembali ke waduk atas. Hal ini dilakukan pada jam-jam di luar jam sibuk. Pada dasarnya, waduk kedua mengisi kembali waduk atas. Dengan memompa air kembali ke waduk atas, pembangkit listrik memiliki lebih banyak air untuk menghasilkan listrik selama periode konsumsi puncak.
Generator
Jantung dari pembangkit listrik tenaga air adalah generator. Sebagian besar pembangkit listrik tenaga air memiliki beberapa generator ini.
Generator, seperti yang mungkin sudah Anda duga, menghasilkan listrik. Proses dasar pembangkitan listrik dengan cara ini adalah dengan memutar serangkaian magnet di dalam kumparan kawat. Proses ini menggerakkan elektron, yang menghasilkan arus listrik.
Bendungan Hoover memiliki total 17 generator, yang masing-masing dapat menghasilkan hingga 133 megawatt. Kapasitas total pembangkit listrik tenaga air Bendungan Hoover adalah 2.074 megawatt. Setiap generator terbuat dari beberapa bagian dasar:
Saat turbin berputar, eksitator mengirimkan arus listrik ke rotor. Rotor adalah serangkaian elektromagnet besar yang berputar di dalam kumparan kawat tembaga yang dililit rapat, yang disebut stator. Medan magnet antara kumparan dan magnet menciptakan arus listrik.
Di Bendungan Hoover, arus sebesar 16.500 ampere mengalir dari generator ke transformator, di mana arus tersebut meningkat hingga 230.000 ampere sebelum ditransmisikan.
Pembangkit listrik tenaga air memanfaatkan proses alami yang berkelanjutan — proses yang menyebabkan hujan turun dan sungai meluap. Setiap hari, planet kita kehilangan sedikit air melalui atmosfer karena sinar ultraviolet memecah molekul air. Namun pada saat yang sama, air baru dipancarkan dari bagian dalam Bumi melalui aktivitas vulkanik. Jumlah air yang dihasilkan dan jumlah air yang hilang hampir sama.
Pada waktu tertentu, total volume air di dunia berada dalam berbagai bentuk. Air dapat berupa cair, seperti di lautan, sungai, dan hujan; padat, seperti di gletser; atau gas, seperti uap air yang tak terlihat di udara. Air berubah wujud saat bergerak mengelilingi planet oleh arus angin. Arus angin dihasilkan oleh aktivitas pemanasan matahari. Siklus arus udara tercipta karena matahari bersinar lebih banyak di khatulistiwa daripada di daerah lain di planet ini.
Siklus arus udara menggerakkan pasokan air Bumi melalui siklusnya sendiri, yang disebut siklus hidrologi. Saat matahari memanaskan air cair, air tersebut menguap menjadi uap di udara. Matahari memanaskan udara, menyebabkan udara naik ke atmosfer. Udara lebih dingin di ketinggian, sehingga saat uap air naik, ia mendingin dan mengembun menjadi tetesan air. Ketika cukup banyak tetesan air terkumpul di satu area, tetesan tersebut dapat menjadi cukup berat untuk jatuh kembali ke Bumi sebagai presipitasi.
Siklus hidrologi sangat penting bagi pembangkit listrik tenaga air karena bergantung pada aliran air. Jika terjadi kekurangan hujan di dekat pembangkit, air tidak akan terkumpul di hulu. Tanpa air yang terkumpul di hulu, lebih sedikit air yang mengalir melalui pembangkit listrik tenaga air dan lebih sedikit listrik yang dihasilkan.
Ide dasar tenaga air adalah menggunakan kekuatan cairan yang bergerak untuk memutar bilah turbin. Biasanya, bendungan besar harus dibangun di tengah sungai untuk menjalankan fungsi ini. Sebuah penemuan baru memanfaatkan ide tenaga air dalam skala yang jauh lebih kecil untuk menyediakan listrik bagi perangkat elektronik portabel.
Penemu Robert Komarechka dari Ontario, Kanada, telah menemukan ide untuk menempatkan generator tenaga air kecil di sol sepatu. Ia percaya bahwa turbin mikro ini akan menghasilkan listrik yang cukup untuk memberi daya pada hampir semua perangkat. Pada Mei 2001, Komarechka menerima paten untuk perangkat unik bertenaga kaki miliknya.
Ada prinsip dasar bagaimana kita berjalan: Kaki menyentuh tanah dari tumit ke ujung jari kaki setiap kali melangkah. Saat kaki mendarat di tanah, gaya ditransfer melalui tumit. Saat bersiap untuk langkah selanjutnya, kaki digulirkan ke depan, sehingga gaya ditransfer ke bagian depan telapak kaki. Komarechka tampaknya memperhatikan prinsip dasar berjalan ini dan mengembangkan ide untuk memanfaatkan kekuatan aktivitas sehari-hari ini.
Ada lima bagian pada "alas kaki dengan rakitan generator hidroelektrik" milik Komarechka, seperti yang dijelaskan dalam patennya:
Cairan – Sistem ini akan menggunakan cairan yang menghantarkan listrik.
Kantung untuk menampung cairan – Satu kantung ditempatkan di bagian tumit dan kantung lainnya di bagian ujung sepatu.
Saluran penghubung – Saluran penghubung menghubungkan setiap kantung ke mikrogenerator.
Turbin – Saat air bergerak bolak-balik di dasar kolam, air tersebut menggerakkan bilah-bilah turbin kecil.
Mikrogenerator – Generator terletak di antara dua kantung berisi cairan, dan mencakup rotor baling-baling, yang menggerakkan poros dan memutar generator.
Saat seseorang berjalan, kompresi cairan di dalam kantung yang terletak di tumit sepatu akan memaksa cairan melewati saluran dan masuk ke modul generator hidroelektrik. Saat pengguna terus berjalan, tumit akan terangkat dan tekanan ke bawah akan diberikan pada kantung di bawah telapak kaki. Pergerakan cairan akan memutar rotor dan poros untuk menghasilkan listrik.
Soket eksternal akan disediakan untuk menghubungkan kabel ke perangkat portabel. Unit keluaran pengontrol daya juga dapat disediakan untuk dikenakan di ikat pinggang pengguna. Perangkat elektronik kemudian dapat dihubungkan ke unit keluaran pengontrol daya ini, yang akan menyediakan pasokan listrik yang stabil.
“Dengan meningkatnya jumlah perangkat portabel bertenaga baterai,” demikian bunyi paten tersebut, “ada peningkatan kebutuhan untuk menyediakan sumber listrik yang tahan lama, mudah beradaptasi, dan efisien.” Komarechka memperkirakan bahwa perangkatnya akan digunakan untuk memberi daya pada komputer portabel, telepon seluler, pemutar CD, penerima GPS, dan radio dua arah.
Waktu posting: 21 Juli 2022
