Di beberapa kasus, seperti pada siang hari, energi listrik yang dapat diproduksi oleh pembangkit-pembangkit listrik sangat melimpah sehingga melebihi kebutuhan konsumsinya. Hal ini menyebabkan energi tersebut harus disimpan.

Pembangkit listrik tenaga air (PLTA) berjenis pumped hydro bekerja dengan cara menggunakan energi listrik yang berlebih untuk memompa air ke reservoir yang lebih tinggi agar memiliki energi potensial yang besar. Ketika terjadi kekurangan listrik, air kembali dialirkan ke reservoir rendah untuk memutar turbin dan menghasilkan energi listrik.

Jadi, yang dilakukan oleh PLTA ketika energi listrik berlebih adalah menyimpan air pada reservoir yang lebih tinggi.

Pembangkit listrik tenaga air (PLTA) bekerja dengan cara memanfaatkan energi potensial air di permukaan tinggi untuk menjadi energi kinetik dan memutar turbin. Sementara pembangkit listrik tenaga panas surya (PLTS) menggunakan cahaya matahari untuk menggerakkan elektron pada sel surya dan menghasilkan listrik. Kedua pembangkit tersebut tidak mengalami proses pembakaran.

Pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN), pembangkit listrik tenaga gas (PLTG), dan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) sama-sama menggunakan pembakaran untuk menghasilkan energi panas yang kemudian dikonversi menjadi energi listrik. Namun, PLTG berbeda dari PLTU dan PLTN karena menggunakan siklus gas (siklus Brayton) sementara PLTU dan PLTU menggunakan siklus uap (siklus Rankine).

Jadi, dua pembangkit berikut yang memiliki cara kerja yang sama dalam memproduksi listrik namun hanya berbeda pada bahan bakar utamanya adalah pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN) dan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU).

Diketahui:

Massa jenis air $\rho$ = 1.000 kg/m³

Ketinggian air $h$ = 2 m

Debit air $Q$ = 5 m³/s

Percepatan gravitasi $g$ = 10 m/s²

Ditanya:

Daya maksimum $P$ = ?

Jawab:

Pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH) merupakan pembangkit listrik yang memanfaatkan energi kinetik dari fluida yang mengalir. Pembangkit jenis ini mirip dengan pembangkit listrik tenaga air (PLTA) namun skala penerapannya lebih kecil. Fluida yang mengalir dari ketinggian tertentu menyimpan energi potensial yang nantinya dapat diubah menjadi energi kinetik menggunakan peralatan tertentu seperti turbin air. Besarnya daya yang disimpan oleh fluida dapat dituliskan dengan persamaan berikut.

$P=\rho gQh$

$\rho$ merupakan massa jenis fluida (kg/m³), $g$ merupakan percepatan gravitasi (10 m/s²), $Q$ merupakan debit fluida (m³/s), dan $h$ merupakan ketinggian fluida (m).

$P=\rho gQh$

$=\left(1.000\right)\left(10\right)\left(5\right)\left(2\right)$

$=100.000$ W

$=100$ kW (diubah ke dalam satuan kilowatt)

Jadi, daya maksimum yang bisa dihasilkan PLTMH ini adalah sebesar 100 kW.

Diketahui:

Daya dari pembangkit $P_{\text{in}}$ = 1.000 MW

Rugi trafo step-up $P_{\text{su}}$ = 50 MW

Rugi saluran $P_{\text{s}}$ = 200 MW

Rugi trafo step-down $P_{\text{sd}}$ = 100 MW

Ditanya:

Efisiensi jaringan listrik $\eta$ = ?

Jawab:

Efisiensi merupakan banyaknya energi yang keluar dibanding energi yang masuk. Nilai energi ini berbeda karena adanya rugi-rugi dari setiap unit untuk mengonversi energi. Secara matematis, persamaan efisiensi adalah sebagai berikut.

$\frac{E_{\text{out}}}{E_{\text{in}}}=\eta$

atau

$\frac{P_{\text{out}}}{P_{\text{in}}}=\eta$ di mana $P$ adalah daya (energi per satuan waktu).

Hitung besarnya daya keluaran.

$P_{\text{out}}=P_{\text{in}}-P_{\text{su}}-P_{\text{s}}-P_{\text{sd}}$

$P_{\text{out}}=1.000-50-200-100$

$P_{\text{out}}=650$ MW

Sehingga efisiensinya

$\eta=\frac{P_{\text{out}}}{P_{\text{in}}}$

$\eta=\frac{650}{1.000}$

$\eta=0,65=65\%\text{}$

Jadi, efisiensi dari jaringan transmisi tersebut adalah 65%.

Pembangkitan listrik melalui tenaga matahari dapat dilakukan dengan dua metode yaitu photovoltaic (memanfaatkan radiasi cahaya matahari) dan solar thermal (memanfaatkan panas matahari). Saat ini pemanfaatan energi cahaya matahari di Indonesia belum maksimal karena alasan berikut.

1. Biaya pembangunan PLTS masih relatif mahal dibanding pembangkit jenis lain terutama PLTU dan PLTG.
2. Sulit bersaing dengan batu bara Indonesia yang masih sangat murah (biaya pembangkitan listrik dengan batu bara hanya seharga Rp680 per kWh sementara pembangkitan listrik dengan cahaya matahari membutuhkan biaya Rp1.200 per kWh).
3. Cahaya matahari hanya hadir di siang hari sehingga terdapat kekosongan suplai energi di malam hari.
4. Produksi energi cahaya matahari tidak stabil karena bisa adanya faktor cuaca seperti awan dan hujan. Fenomena ini disebut intermitensi.

Sementara itu, peluang terbesar yang bisa didapatkan dari energi cahaya matahari adalah posisi Indonesia di dekat khatulistiwa yang menyebabkan penyinaran matahari maksimal dan merata sepanjang tahun.

Jadi, yang bukan permasalahan penyebab dimanfaatkan secara maksimal adalah posisi Indonesia di dekat khatulistiwa menyebabkan penyinaran sinar matahari tidak maksimal.

Diketahui:

Efisiensi pembakaran $\eta_{\text{b}}$ = 0,5

Efisiensi turbin $\eta_{\text{t}}$ = 0,9

Efisiensi generator $\eta_{\text{g}}$ = 0,8

Daya keluaran (listrik) $P_{\text{out}}$ = 10 MW

Ditanya:

Daya masukan (baru bara) $P_{\text{in}}$ = ?

Jawab:

Efisiensi merupakan banyaknya energi yang keluar dibanding energi yang masuk. Nilai energi ini berbeda karena adanya rugi-rugi dari setiap unit untuk mengonversi energi. Secara matematis, persamaan efisiensi adalah sebagai berikut.

$\frac{E_{\text{out}}}{E_{\text{in}}}=\eta$

atau

$\frac{P_{\text{out}}}{P_{\text{in}}}=\eta$ di mana $P$ adalah daya (energi per satuan waktu).

Untuk sistem yang memiliki unit-unit pengonversi energi yang disusun secara seri (kasakade), besarnya efisiensi total adalah perkalian dari efisiensi masing-masing unit.

$\eta_{\text{tot}}=\eta_1\times\eta_2\times...\times\eta_{\text{n}}$

Pada soal ini, pembangkit listrik tenaga uap memiliki unit pembakaran, turbin, dan generator.

$\frac{P_{\text{out}}}{P_{\text{in}}}=\eta_{\text{tot}}$

$P_{\text{in}}=\frac{P_{\text{out}}}{\eta_{\text{tot}}}$

$P_{\text{in}}=\frac{P_{\text{out}}}{\eta_{\text{b}}\times\eta_{\text{t}}\times\eta_{\text{g}}}$

$=\frac{10}{0,5\times0,9\times0,8}$

$=27,778$ MW

$=27.778$ kJ per detik

Jadi, besarnya nilai kalor batu bara yang harus dimasukkan ke tungku pembakaran adalah 27.780 kJ per detik.

Diketahui:

Ketinggian $h$ = 10 m

Debit air $Q$ = 2.000 m³/s

Tegangan listrik $V$ = 75 kV

Efisiensi PLTA $\eta$ = 75% = 0,75

Percepatan gravitasi $g$ = 10 m/s²

Massa jenis air $\rho$ = 1.000 kg/m³

Ditanya:

Arus listrik yang mengalir $I$ = ?

Jawab:

Pembangkit listrik tenaga air (PLTA) merupakan pembangkit listrik yang memanfaatkan energi kinetik dari fluida yang mengalir. Fluida yang mengalir dari ketinggian tertentu menyimpan energi potensial yang nantinya dapat diubah menjadi energi kinetik menggunakan peralatan tertentu seperti turbin air. Besarnya daya yang disimpan oleh fluida dapat dituliskan dengan persamaan berikut.

$P=\rho gQh$

$\rho$ merupakan massa jenis fluida, $g$ merupakan percepatan gravitasi, $Q$ merupakan debit fluida, dan $h$ merupakan ketinggian fluida.

Cari daya maksimum yang mungkin dihasilkan oleh air terlebih dahulu.

$P=\rho gQh$

$P=\left(1.000\right)\left(10\right)\left(2.000\right)\left(10\right)$

$P=200.000.000$ W

$P=200$ MW

Kemudian, cari besarnya daya yang dikonversi menjadi daya listrik.

$P_{\text{L}}=\eta P$

$P_{\text{L}}=\left(0,75\right)\left(200\right)$

$P_{\text{L}}=150$ MW

Besarnya daya listrik adalah $P_{\text{L}}=VI$ di mana $V$ adalah tegangan listrik dan $I$ adalah arus listrik. Maka, cari besarnya arus listrik.

$P_{\text{L}}=VI$

$I=\frac{P_{\text{L}}}{V}$

$I=\frac{150}{75}$

$I=2$ kA

Jadi, arus listrik yang mengalir adalah 2 kA.

Diketahui:

Ketinggian $h$ = 5 m

Debit air $Q$ = 1.000 m³/s

Tegangan listrik $V$ = 50 kV

Efisiensi PLTA $\eta$ = 75% = 0,75

Percepatan gravitasi $g$ = 10 m/s²

Massa jenis air $\rho$ = 1.000 kg/m³

Ditanya:

Arus listrik yang mengalir $I$ = ?

Jawab:

Pembangkit listrik tenaga air (PLTA) merupakan pembangkit listrik yang memanfaatkan energi kinetik dari fluida yang mengalir. Fluida yang mengalir dari ketinggian tertentu menyimpan energi potensial yang nantinya dapat diubah menjadi energi kinetik menggunakan peralatan tertentu seperti turbin air. Besarnya daya yang disimpan oleh fluida dapat dituliskan dengan persamaan berikut.

$P=\rho gQh$

$\rho$ merupakan massa jenis fluida, $g$ merupakan percepatan gravitasi, $Q$ merupakan debit fluida, dan $h$ merupakan ketinggian fluida.

Cari daya maksimum yang mungkin dihasilkan oleh air terlebih dahulu.

$P=\rho gQh$

$P=\left(1.000\right)\left(10\right)\left(1.000\right)\left(5\right)$

$P=50.000.000$ W

$P=50$ MW

Kemudian, cari besarnya daya yang dikonversi menjadi daya listrik.

$P_{\text{L}}=\eta P$

$P_{\text{L}}=\left(0,75\right)\left(50\right)$

$P_{\text{L}}=37,5$ MW

Besarnya daya listrik adalah $P_{\text{L}}=VI$ di mana $V$ adalah tegangan listrik dan $I$ adalah arus listrik. Maka, cari besarnya arus listrik.

$P_{\text{L}}=VI$

$I=\frac{P_{\text{L}}}{V}$

$I=\frac{37,5}{50}$

$I=0,75$ kA

$I=750$ A

Jadi, arus listrik yang mengalir adalah 750 A.

Diketahui:

Massa mobil $m$ = 750 kg

Reservoir suhu tinggi $T_{\text{H}}$ = 1.200 K

Reservoir suhu rendah $T_{\text{C}}$ = 400 K

Efisiensi mesin $\eta$ = $50\%\times\eta_{\text{maks}}$

Jarak $d$ = 1.000 m

Koefisien gesekan $\mu$ = 1

Percepatan gravitasi $g$ = 10 m/s

Ditanya:

Kalor yang dibutuhkan $Q_{\text{H}}$ = ?

Jawab:

Mesin pembakaran internal merupakan salah satu jenis mesin kalor riil, mesin yang mengubah energi panas (kalor) menjadi energi dalam bentuk lain (usaha), seperti energi mekanik. Mesin Kalor mampu menghasilkan usaha karena menurut Hukum 2 Termodinamika, kalor mengalir secara spontan dari reservoir panas ke reservoir dingin. Mesin carnot adalah bentuk khusus dari mesin kalor yang sangat ideal di mana kalor yang dialirkan akan berbanding lurus dengan suhu pada reservoir sehingga pada mesin carnot berlaku persamaan efisiensi $\eta=1-\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}$ di mana $T_{\text{C}}$ merupakan suhu di reservoir dingin dan $T_{\text{H}}$ merupakan suhu di reservoir panas. Suhu harus dinyatakan dalam satuan kelvin.

Efisiensi ini adalah perbandingan antara energi yang menjadi usaha dengan total kalor yang masuk ke dalam sistem dari reservoir panas, dengan kata lain $\eta=\frac{W}{Q_{\text{H}}}$ di mana $W$ adalah usaha dan $Q_{\text{H}}$ adalah kalor dari reservoir panas.

Pertama, cari terlebih dahulu usaha yang diperlukan oleh mobil. Karena koefisien gesekan lintasan adalah 1, maka besarnya gaya gesek sama dengan gaya beratnya.

$W=Fd$

$W=mgd$

$W=\left(750\right)\left(10\right)\left(1.000\right)$

$W=7.500.000$ J

$W=7,5$ MJ

Efisiensi tertinggi yang bisa dicapai oleh sebuah mesin kalor adalah efisiensi mesin carnot. Karena efisiensi mesin hanya 50% dari efisiensi maksimalnya, maka:

$\eta=\frac{1}{2}\eta_{\text{maks}}$

$\frac{W}{Q_{\text{H}}}=\frac{1}{2}\left(1-\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}\right)$

$Q_{\text{H}}=\frac{W}{\frac{1}{2}\left(1-\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}\right)}$

$Q_{\text{H}}=\frac{7,5}{\frac{1}{2}\left(1-\frac{400}{1.200}\right)}$

$Q_{\text{H}}=45$ MJ

Jadi, kalor yang dibutuhkan untuk mengerakkan mobil adalah 45 MJ.

Diketahui:

Energi ambang silikon $W_{\text{o}}$ = 1,11 eV

Panjang gelombang $\lambda$ = 400 nm

Intensitas foton $I$ = 10²⁰ /s

Konstanta Planck $h$ = 6,63×10^-34 J s

Kecepatan cahaya $c$ = 3×10⁸ m/s

Muatan elektron $e$ = 1,6×10^-19 C

Ditanya:

Daya yang diterima $P$ = ?

Jawab:

Silikon merupakan sebuah semikonduktor sehingga memiliki elektron bebas yang bisa berpindah-pindah dari satu atom ke atom lainnya. Namun, sebagian besar elektron ada di dalam pengaruh ikatan inti atom atau di dalam pita valensi. Energi yang dibutuhkan untuk melepaskan ikatan tersebut dinamakan energi ambang. Energi kinetik elektron yang keluar yang mungkin dicapai ketika elektron terpental adalah energi kinetik maksimum. Einstein mengatakan bahwa energi kinetk maksimum ini merupakan selisih antara energi foton dengan energi ambang. Dengan demikian energi kinetik maksimum dapat dituliskan dengan persamaan berikut.

$EK_{\text{maks}}=E-W_{\text{o}}$

$E$ merupakan energi foton yang bisa didapatkan dari $E=hf=\frac{hc}{\lambda}$ dan $W_{\text{o}}$ adalah energi ambang.

Daya dari energi yang dihasilkan foto bisa didapatkan dengan mengalikan energi kinetik maksimal dengan intensitas fotonnya atau $P=EK_{\text{maks}}I$.

$EK_{\text{maks}}=E-W_{\text{o}}$

$EK_{\text{maks}}=\frac{hc}{\lambda}-W_{\text{o}}$

$EK_{\text{maks}}=\frac{\left(6,63\times10^{-34}\right)\left(3\times10^8\right)}{400\times10^{-9}}-1,11\left(1,6\times10^{-19}\right)$

$EK_{\text{maks}}=3,2\times10^{-19}$ J

Sehingga besar daya yang dihasilkan adalah sebesar

$P=EK_{\text{maks}}I$

$P=\left(3,2\times10^{-19}\right)\left(10^{20}\right)$

$P=32$ J/s $=32$ W

Jadi, daya yang diterima oleh lampu adalah 32 W.