Jurnal Fisika Terapan
PRINSIP TERMODINAMIK DI PLTU
Erika Devina Zahra
Prodi Teknik Kimia Produksi Bersih, Jurusan Teknik Kimia, Politeknik Negeri
Bandung
e-mail : erika.devina.tkpb24@polban.ac.id
Kameela Nazira Pernandha
Prodi Teknik Kimia Produksi Bersih, Jurusan Teknik Kimia, Politeknik Negeri
Bandung
e-mail : kameela.nazira.tkpb24@polban.ac.id
Abstrak
Mengingat kebutuhan akan energi Listrik yang terus meningkat, Pembangkit
Listrik Tenaga Uap (PLTU) berperan penting dalam menyediakan pasokan listrik
yang stabil dan besar. Penerapan hukum termodinamika dalam turbin uap
memainkan peran krusial dalam proses konversi energi di Pembangkit Listrik
Tenaga Uap (PLTU). PLTU memanfaatkan energi panas yang dihasilkan dari
pembakaran bahan bakar untuk menghasilkan uap bertekanan tinggi yang
menggerakan turbin uap. Proses ini mendasari siklus Rankine, yang didasarkan
pada hukum pertama termodinamika (konversi energi), dimana energi panas
diubah menjadi energi mekanik. Selain itu, hukum kedua termodinamika berfokus
pada peningkatan entropi selama proses konversi energi. Saat uap bertekanan
tinggi melewati turbin, energi panas sebagian berubah menjadi energi mekanik,
tetapi sebagian besar terbuang sebagai panas yang tidak dapat dimanfaatkan
(entropi meningkat). Proses ini membatasi efisiensi konversi energi, karena tidak
semua energi panas dapat diubah menjadi kerja mekanik. Hukum ini juga mengatur
arah aliran panas dari suhu tinggi ke suhu rendah, yang diperlukan untuk
menghasilkan kerja, namun menyebabkan sebagian energi hilang dalam bentuk
panas yang terbuang.
Kata Kunci: Pembangkit Listrik Tenaga Uap, Termodinamika, Turbin Uap
Abstract
Given the ever-increasing demand for Electrical energy, Steam Power Plants
(PLTU) play an important role in providing a stable and large supply of electricity.
1
Jurnal Fisika Terapan
The application of the laws of thermodynamics in steam turbines plays a crucial
role in the energy conversion process in a steam power plant. PLTU utilizes heat
energy generated from fuel combustion to produce high-pressure steam that drives
a steam turbine. This process underlies the Rankine cycle, which is based on the
first law of thermodynamics (energy conversion), where heat energy is converted
into mechanical energy. In addition, the second law of thermodynamics focuses
on the increase in entropy during the energy conversion process. As high-pressure
steam passes through the turbine, heat energy is partially converted into
mechanical energy, but most of it is wasted as heat that cannot be utilized (entropy
increase). This process limits the efficiency of energy conversion, as not all heat
energy can be converted into mechanical work. This law also governs the
direction of heat flow from high temperatures to low temperatures, which is
necessary to produce work, but causes some energy to be lost in the
form of wasted heat.
Keyword: Steam Power plant, Steam Turbine, Thermodynamics
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Penggunaan Listrik merupakan kebutuhan utama (Irawan et al., 2021). Di
Indonesia, pemintaan akan listrik terus meningkat seiring dengan perkembangan
industri dan peningkatan jumlah penduduk dari tahun ke tahun. Untuk memenuhi
kebutuhan tersebut, sebagian besar pembangkit listrik menggunakan Pembangkit
Listrik Tenaga Uap (PLTU) yang mengandalkan konversi energi termal menjadi
energi listrik. PLTU merupakan sistem pembangkit listrik di mana energi listrik
dihasilkan oleh generator yang diputar oleh turbin uap. Proses awal dari PLTU
adalah pemanasan air di dalam boiler menggunakan bahan bakar seperti batu bara,
gas atau minyak guna menghasilkan uap bertekanan tinggi. Uap bertekanan tinggi
inilah yang nantinya akan berfungsi untuk memutar turbin. Turbin uap berguna
untuk memutar generator yang nantinya akan menjadi alat penting penghasil energi
Listrik.
Kebutuhan akan energi Listrik terus meningkat seiring dengan perkembangan
perekonomian dan penduduk, termasuk di Indonesia. Karena kebutuhan
Masyarakat akan energi Listrik yang terus meningkat itulah terdapat beberapa jenis
pembangkit tenaga Listrik yang ada di Indonesia. Pembangkit Listrik merupakan
2
Jurnal Fisika Terapan
suatu alat yang digunakan untuk membangkitkan listrik dari berbagai sumber
energi, diantaranya Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA), Pembangkit Listrik
Tenaga Nuklir (PLTN), Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS), Pembangkit
Listrik Tenaga Gas (PLTG), Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP),
Pembangkit Listrik Tenaga Angin (PLTA), Pembangkit Listrik Tenaga Biomassa
(PLTBm), Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH), dan terakhir yang
paling banyak ditemukan di Indonesia adalah Pembangkit Listrik Tenaga Uap
(PLTU).
Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) merupakan salah satu jenis pembangkit
listrik di Indonesia dengan fluida kerja berupa air. Dalam PLTU energi primer yang
dikonversikan menjadi energi listrik adalah bahan bakar. Bahan bakar yang
digunakan dapat berupa batubara (padat), minyak (cair), atau gas. Ada kalanya
PLTU menggunakan kombinasi beberapa macam bahan bakar. Tingginya jumlah
persediaan batu bara baik secara global maupun di Indonesia serta harga yang
rendah menjadikan PLTU berbahan bakar batu bara masih menjadi salah satu yang
tertinggi produksinya (Maesha Gusti Rianta ST., 2020).
B. Tujuan
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk megetahui dan menganalisa prinsip kerja
dari hukum termodinamika serta penerapannya dalam turbin uap yang
dimanfaatkan dalam Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU).
METODE PENELITIAN
Metode yang digunakan dalam penelitian ini merupakan penelitian studi
literatur (literature study). Studi literatur pada penelitian ini adalah serangkaian
kegiatan yang berkenaan dengan metode pengumpulan data pustaka, membaca
dan mencatat, serta mengelola data penelitian secara obyektif, sistematis,
analitis, dan kritis tentang prinsip termodimika dalam turbin uap di PLTU.
Penelitian dengan studi literatur ini memiliki persiapannya sama dengan penelitian
lainnya akan tetapi sumber dan metode pengumpulan data dengan mengambil
data di pustaka, membaca, mencatat, dan mengolah bahan penelitian dari
3
Jurnal Fisika Terapan
artikel hasil penelitian yang satu linear dengan penelitian ini. Penelitian studi
literatur ini menganalisis dengan matang dan mendalam agar mendapatkan hasil
yang objektif tentang prinsip termodinamika dalam turbin uap di PLTU. Data yang
dikumpulkan dan dianalisis merupakan data sekunder yang merupakan data
penunjang yang diperoleh dari pihak instansi termasuk data yang tidak dapat diukur
di ruang pengendali (control room) dan data hasil pengamatan langsung yang
berupa hasil-hasil penelitian yang bisa didapat dari buku, jurnal, artikel, situs
internet, dan lainnya yang relevan.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) adalah pembangkit yang
mengandalkan energi kinetik dari uap untuk menghasilkan energi listrik. Bentuk
utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah Generator yang dihubungkan ke turbin
yang digerakkan oleh tenaga kinetik dari uap panas / kering. Pembangkit listrik
tenaga uap menggunakan berbagai macam bahan bakar terutama batu bara dan
minyak bakar serta MFO (Marine Fuel Oil adalah produk penyulingan minyak
bumi, dimana dihasilkan setelah residu dan sebelum aspal) untuk start up awal.
Untuk proses yang lebih detail, kami mengambil prinsip yang digunakan di
PLTU batubara. Di PLTU batubara, bahan bakar yang digunakan adalah batubara
uap yang terdiri dari kelas sub bituminus (jenis batu bara dengan peringkat
menengah, tidak memiliki sifat kayu, dan berwarna hitam kecokelatan atau hitam.
Namu, rapuh saat terkena udara) dan bituminus (jenis batubara dengan nilai kalor
tertinggi dan berwarna hitam mengkilat). Selain itu, Lignit juga mulai mendapat
tempat sebagai bahan bakar pada PLTU belakangan ini, seiring dengan
perkembangan teknologi pembangkitan yang mampu mengakomodasi batubara
berkualitas rendah.
Siklus Rankine
Siklus Rankine merupakan siklus teoritis paling sederhana yang
menggunakan uap sebagai medium kerja sebagaimana digunakan pada sebuah
PLTU. Dikatakan siklus teoritis paling sederhana, karena setelah terjadi satu siklus,
4
Jurnal Fisika Terapan
fluida kerja kembali kepada keadaan/sifat semula. Pada siklus rankine, komponenkomponen utama yang bekerja dapat dilihat seperti gambar di bawah ini,
Berdasarkan T-s diagram pada gambar diatas, terlihat fluida kerja melewati
urutan proses yang reversible secara internal sebagai berikut :

Proses 1-2 : Ekspansi isentropic dari fluida kerja melalui turbin dari
uap jenuh pada kondisi 1 hingga mencapai tekanan kondensor

Proses 2-3 : Perpindahan kalor dari fluida kerja ketika mengalir pada
tekanan konstan melalui kondensor dengan cairan jenuh pada kondisi
3.

Proses 3-4 : Kompresi isentropic dalam pompa menuju ke kondisi 4
dalam daerah cairan hasil kompresi.

Proses 4-1 : Perpindahan kalor ke fluida kerja ketika mengalir pada
tekanan konstan melalui boiler untuk menyelesaikan siklus.
Hubungan siklus rankine dengan sistem di PLTU, yaitu siklus rankine
adalah siklus termodinamika yang digunakan dalam sistem Pembangkit
Listrik Tenaga Uap (PLTU). Siklus ini menggambarkan konversi energi
panas menjadi energi kerja (mekanik) melalui serangkaian proses pada zat
kerja, yang dalam hal ini adalah air atau air dan uap. Proses ini sangat
relevan dalam PLTU karena prinsip kerja PLTU sangat bergantung pada
pemanfaatan uap untuk menghasilkan energi listrik. Berikut ini merupakan
komponen komponen yang mendukung proses di PLTU:
5
Jurnal Fisika Terapan
Komponen utama :
1.
Boiler
Berfungsi untuk mengubah air (feedwater) menjadi uap panas lanjut
(superheated steam) yang akan digunakan untuk memutar turbin.
Prinsip Termodinamika yang berlaku:

Hukum Termodinamika I berlaku di sini, karena energi kimia dari
bahan bakar diubah menjadi energi panas.

Siklus Rankine: Uap yang dihasilkan oleh boiler memiliki suhu dan
tekanan tinggi, yang siap untuk digunakan untuk menggerakkan turbin.

Efisiensi Boiler dipengaruhi oleh sejauh mana panas yang dihasilkan
dari pembakaran dapat dipindahkan ke air dalam boiler. Semakin efisien
boiler, semakin besar jumlah energi panas yang bisa digunakan untuk
menghasilkan uap.
2. Turbin uap
Berfungsi untuk mengkonversi energi panas yang dikandung oleh uap
menjadi energi putar (energi mekanik). Poros turbin dikopel dengan poros
generator.
Prinsip Termodinamika yang berlaku:
6
Jurnal Fisika Terapan

Hukum Termodinamika I kembali berlaku, di mana uap bertekanan
tinggi mengandung energi yang diubah menjadi energi mekanik oleh
turbin.

Siklus Rankine: Uap yang masuk ke dalam turbin mengalami
penurunan tekanan dan suhu saat melewati bilah turbin, mengubah
energi panas menjadi energi kinetik dan kemudian menjadi energi
mekanik.

Hukum Termodinamika II: Sebagian dari energi panas dalam uap
akan hilang dalam bentuk entropi yang meningkat. Tidak semua energi
panas dapat diubah menjadi kerja mekanik, sebagian menjadi panas yang
dibuang ke kondensor.
3. Kondesor
Berfungsi untuk mengkondensasi uap bekas dari turbin.
Prinsip Termodinamika yang berlaku:

Hukum Termodinamika I: Uap yang keluar dari turbin memiliki
energi panas tinggi dan disalurkan ke kondensor untuk didinginkan.

Siklus Rankine: Setelah uap kehilangan energi mekanik dan berubah
menjadi uap dengan tekanan rendah, kondensor mendinginkan uap
tersebut, mengembalikannya menjadi air. Proses ini menggambarkan
konversi energi panas menjadi energi pendinginan.

Efisiensi: Efisiensi kondensor berperan besar dalam mempertahankan
efisiensi keseluruhan PLTU karena semakin baik kondensor, semakin
sedikit energi yang hilang.
4. Generator
Berfungsi untuk mengubah energi putar dari turbin menjadi energi listrik.
Prinsip Termodinamika yang berlaku:

Hukum Termodinamika I: Energi mekanik yang dihasilkan oleh turbin
dipindahkan ke rotor generator, yang mengubahnya menjadi energi
listrik.
7
Jurnal Fisika Terapan

Tidak ada konversi energi panas langsung di generator, namun sistem
ini sangat bergantung pada ketersediaan energi mekanik yang diproduksi
oleh turbin.
Komponen penunjang :
1. Desalination plant (unit desal)
Berfungsi untuk mengubah air laut menjadi air tawar dengan metode
penyulingan.
2. Reverse osmosis (RO)
Digunakan membran semi permeable yang dapat menyaring garam yang
terkandung pada air laut, sehingga dapat dihasilkan air tawar seperti pasa
desalination plant.
3. Demineralizer plant
Berfungsi menghilangkan kadar mineral (ion) yang terkandung dalam air
tawar. Air harus bebas dari mineral karena jika masih mengandung mineral
berarti konduktivitasnya masih tinggi sehingga dapat menyebabkan GGL
induksi pada saat air melewati jalur pipa PLTU yang dapat menyebabkan
korosi.
4. Chlorination plant
Berfungsi menghasilkan NaOCl untuk mematikan sementara mikro
organisme laut pada area water intake. Untuk menhindari pergerakan atau
scaling pada pipa kondesor maupun unit desal akibat perkembang biakan
mikro organisme laut.
5. Auxiliary boiler
Merupakan boiler berbahan bakar minyak, yang berfungsi menghasilkan
uap yang digunakan pada saat boiler utama start up maupun sebagai uap
bantu (auxiliary steam)
6. Hidrogen plant
Pada PLTU digunakan Hydrogen (H2) sebagai pendingin generator.
7. Coal handling
8
Jurnal Fisika Terapan
Melayani pengolahan batubara yaitu dari proses bongkar muat kapal di
dermaga, penyaluran ke coalyard sampai penyaluran ke coal bunker.
8. Ash handling
Melayani pengolahan abu baik itu abu jatuh maupun abu terbang dari
electrostatic precipitator hopper dan SDCC (Submerged Drag Chain
Conveyor) pada unit utama sampai ke tempat penampungan abu.
Tiap komponen utama dan peralatan penunjang dilengkapi dengan sistem dan
alat bantu yang mendukung kerja. Gangguan dari salah satu sistem menyebabkan
terganggunya seluruh sistem PLTU
Proses konversi energi pada PLTU
Proses konversi energi pada PLTU berlangsung melalui tiga tahapan, yaitu:
1. Pertama, energi kimia dalam bahan bakar diubah mejadi energi panas dalam
bentuk uap bertekanan temperature tinggi.
2. Kedua, energi panas (uap) diubah menjadi energi mekanik dalam bentuk
putaran.
3. Ketiga, energi mekanik diubah menjadi energi listrik.
9
Jurnal Fisika Terapan
Prinsip kerja PLTU
PLTU meggunakan fluida kerja air uap yang bersirkulasi secara tertutup
(menggunakan fluida yang sama secara berulang ulang). Urutan sirkulasinya secara
singkat adalah sebagai

Pertama, air diisikan ke boileh hingga terisi penuh seluruh luas permukaan
pemindahan panas. Didalam boiler air, dipanaskan dengan gas panas hasil
pembakaran bahan bakar dengan udara sehingga berubah menjadi uap.

Kedua, uap hasil produksi boiler dengan tekanan dan temperature tertentu
diarahkan untuk memutar turbin sehingga menghasilkan daya mekanik
berupa putaran.

Ketiga, generator yang dikopel langsung dengan turbin berputar
menghasilkan energi listrik sebagai hasil dari perputaran medan magnet
dalam kumparan, sehingga ketika turbin berputar dihasilkan energi listrik
dari terminal output generator

Keempat, uap bekas keluar turbin masuk ke kondesor untuk didinginkan
dengan air pendingin agar berubah kembali menjadi air ( air kondesat). Air
kondesat hasil kondensasi uap kemudian digunakan lagi sebagai air pengisi
boiler.
10
Jurnal Fisika Terapan
KESIMPULAN
Hukum-hukum termodinamika memainkan peranan yang sangat penting
dalam pengoperasian dan desain Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU), yang
merupakan salah satu sumber utama pembangkit energi listrik di Indonesia, bahkan
di dunia. Penerapan hukum-hukum ini membantu dalam meningkatkan efisiensi,
meminimalkan kerugian energi, serta memastikan bahwa sistem PLTU berfungsi
dengan optimal.
Hukum Termodinamika I, atau hukum kekekalan energi, menyatakan
bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, melainkan hanya dapat
diubah dari satu bentuk energi ke bentuk lain. Dalam konteks PLTU, hukum ini
tercermin dalam proses konversi energi panas dari pembakaran bahan bakar (seperti
batu bara) menjadi energi mekanik yang menggerakkan turbin. Selanjutnya, energi
mekanik ini diubah menjadi energi listrik oleh generator. Meskipun energi ini
dikonversi melalui berbagai proses, jumlah total energi yang masuk tetap
dipertahankan, hanya berubah bentuk sesuai kebutuhan sistem.
Namun, konversi energi dalam PLTU tidak dapat dilakukan secara
sempurna, dan ini dijelaskan oleh Hukum Termodinamika II, yang menyatakan
bahwa entropi, atau tingkat ketidakteraturan sistem, akan selalu meningkat dalam
suatu proses. Hal ini menyebabkan bahwa tidak semua energi panas yang diperoleh
dari pembakaran dapat diubah menjadi energi kerja yang bermanfaat. Sebagian
besar energi akan hilang dalam bentuk panas yang dibuang ke lingkungan melalui
sistem pendinginan. Oleh karena itu, efisiensi termal PLTU sangat bergantung pada
11
Jurnal Fisika Terapan
pengelolaan panas yang keluar dan upaya untuk mengurangi pemborosan energi
tersebut. Peningkatan efisiensi PLTU seringkali melibatkan usaha untuk
mengurangi entropi dalam sistem, seperti dengan menggunakan teknologi turbin
yang lebih efisien atau meningkatkan suhu dan tekanan dalam siklus uap.
Secara keseluruhan, artikel ilmiah ini menekankan bahwa setiap proses
yang ada di PLTU tidak terlepas menggunakan hukum hukum termodinamika.
Terbukti setiap alat dan komponen komponen utama di PLTU menggunakan
prinsip termodinamika dalam kerjanya, baik itu hukum I termodinamika, maupun
hukum II termodinamika.
DAFTAR PUSTAKA
Irawan, O. W., Pratama, L. S., & Insani, C. (2021). Analisis Termodinamika Siklus
Pembangkit Listrik Tenaga Uap Kapasitas 1500 kW. JTM-ITI (Jurnal Teknik
Mesin ITI), 5(3), 109. https://doi.org/10.31543/jtm.v5i3.579
Maesha Gusti Rianta ST., M. S. (2020). Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU).
IndonesiaRe.
https://indonesiare.co.id/id/article/pembangkit-listrik-tenaga-
uap-pltu
Suroso, Rosita. (2015). Tinjauan Termodinamika untuk Optimalisasi dalam
Perencanaan PLTU Batubara 50 MW. 2109100060Undergraduate_Thesis.pdf
12