Download - Perencanaan Pembangkit Listrik Mini hidro
BAB I
PENDAHULUAN
I.1. Latar Belakang
Dalam kemajuan teknologi sekarang ini banyak dibuat peralatan-
peralatan yang inovatif dan tepat guna. Salah satu contoh dalam bidang teknik
mesin terutama dalam bidang konversi energi dan pemanfaatan alam sebagai
sumber energi. Diantaranya adalah pemanfaatan air yang bisa digunakan untuk
menghasilkan tenaga listrik. Alat tersebut adalah berupa turbin yang digerakan
oleh air yang disambungkan dengan generator. Dalam konvesnsionalnya pada
zaman dahulu air juga dimanfaat untuk pemnagkit tenaga listrik yaitu utuk
meggerakan generator pembangkit digunakan sebuah kincir air, tetapi sekarang
ini kincir air sudah ditinggalkan dan digunakanlan turbin air. Dalam suatu sistim
PLTA, turbin air merupakan salah satu peralatan utama selain generator. Turbin
air adalah alat untuk mengubah energi air menjadi energi puntir. Energi puntir ini
diubah menjadi energi listrik oleh generator.
Listrik merupakan salah satu utilitas utama perumahan yang harus di
penuhi di dalam pembangunan suatu perumahan baik perumahan sederhana
maupun di dalam pembanguan rumah susun. Permasalahan yang ada saat ini
adalah terbatasnya suplai tenaga listrik yang mengakibatkan krisis energi tenaga
listrik.
Daerah-daerah terpencil dan pedesaan umumnya tidak terjangkau
jaringan listrik. Dalam kondisi dinamika, solusi yang memadai adalah dengan
menyediakan pembangkit listrik setempat seperti generator (genset) yang
1
menggunakan bahan bakar minyak (BBM). Solusi lainnya adalah menggunakan
sumber energi lain yang berasal dari air, angin, cahaya matahari, dan biomass.
System ini lazim disebut dengan pembangkit listrik skala kecil tersebar yang
dianjurkan untuk menggunakan energi terbarukan. Hal ini juga tidak
memungkinkan bagi perumahan di perkotaan mengingat krisisnya energy yang
ada pada saat ini.
Mini hidro adalah istilah yang digunakan untuk instalasi pembangkit
listrik yang menggunakan energy air. Kondisi air yang bisa dimanfaatkan sebagai
sumber daya (resources) penghasil listrik adalah memiliki kapasitas aliran dan
ketinggian tertentu dari instalasi. Semakin besar kapasitas aliran maupun
ketinggiannya dari instalasi maka semakin besar energy yang bisa dimanfaatkan
untuk menghasilkan energi listrik.
I.2. Tujuan Perencanaan
Dalam tugas perencanaan kali ini dijelaskan tentang perencanaan turbin
air yang bersekala kecil yang biasanya digunakan untuk pembangkit listrik
berskala kecil atau di daerah. Tujuan dari pembuatan perencanaan ini antara lain
menghitung debit serta daya yang bisa dihasilkan untuk suatu pembangkit listrik
tenaga mini hidro.
2
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
II.1. Turbin Air
Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Energi
mekanis diubah dengan generator listrik menjadi tenaga listrik. Berdasarkan
prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis.
Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk tenaga
industri untuk jaringan listrik. Sekarang lebih umum dipakai untuk generator
listrik. Turbin kini dimanfaatkan secara luas dan merupakan sumber energi yang
dapat diperbaharukan.
Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, namun yang
paling utama adalah klasifikasi turbin air berdasarkan cara turbin air tersebut
merubah energi air menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini, maka
turbin air dibagi menjadi dua yaitu :
1. Turbin impuls
2. Turbin reaksi
1. Turbin Impuls
Yang dimaksud dengan turbin impuls adalah turbin air yang cara
bekerjanya dengan merubah seluruh energi air (yang terdiri dari energy
potensial + tekanan + kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetic untuk
memutar turbin, sehingga menghasilkan energi puntir. Contoh: turbin Pelton.
3
2. Turbin Reaksi
Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin air yang cara
bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi
puntir. Turbin air reaksi dibagi menjadi dua jenis yaitu:
Francis
Propeller
Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro (PLTMH), mempunyai
kelebihan dalam hal biaya operasi yang rendah jika dibandingkan dengan
Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD), karena minihidro memanfaatkan
energi sumber daya alam yang dapat diperbarui, yaitu sumber daya air (Endardjo,
et, all 1998). Dengan ukurannya yang kecil penerapan mini hidro relative mudah
dan tidak merusak lingkungan. Rentang penggunaannya cukup luas, terutama
untuk menggerakkan peralatan atau mesin-mesin yang tidak memerlukan
persyaratan stabilitas tegangan yang akurat (Endardjo, et, all 1998).
Analisa hidrologi sangat diperlukan dalam merencanakan pembangkit
listrik mikrohidro, yaitu untuk menentukan debit andalan dan debit pembangkit
yang diperlukan untuk menentukan kapasitas dan energi yang dihasilkan oleh
PLTMH tersebut.
4
II.2. Pengertian dan Prinsip PLTA
Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) adalah suatu bentuk perubahan
tenaga air dengan ketinggian dan debit tertentu menjadi tenaga listrik, dengan
menggunakan turbin air dan generator.
Sebagaimana dapat dipahami, daya yang dihasilkan suatu pembangkit
listrik adalah hasil kali dari tinggi jatuh dan debit air, oleh karena itu berhasilnya
pembangkitan tenaga air tergantung dari pada usaha untuk mendapatkan tinggi
jatuh air dan debit yang besar secara efektif dan ekonomis. Pada umumnya debit
yang besar membutuhkan fasilitas dengan ukuran yang besar misalnya, bangunan
ambil air (intake), saluran air dan turbin (Arismunandar dan Kuwahara, 1991).
II.3. Penentuan Tinggi Jatuh Efektif
Tinggi jatuh efektif dapat diperoleh dengan mengurangi tinggi jatuh total
(dari permukaan air pada pengambilan sampai permukaan air saluran bawah) dengan
kehilangan tinggi pada saluran air (Arismunandar dan Kuwahara, 1991). Tinggi jatuh
penuh (Full head) adalah tinggi air yang bekerja efektif pada turbin yang sedang
berjalan. Untuk jenis saluran air, bila diketahui permukaan air pada bangunan
pengambilan dan saluran bawah serta debit air, maka tinggi jatuh efektif kemudian
dapat ditentukan, dengan dasar pertimbangan ekonomis. Misalnya, bila kehilangan
tinggi jatuh air dapat dikurangi dengan memperbesar penampang saluran air atau
memperkecil kemiringannya, maka tinggi jatuh dapat digunakan dengan efektif
(Arismunandar dan Kuwahara, 1991).
5
Ketinggian jatuh air efektif (Hefektif) adalah :
Hefektif = Hactual - Hlosses
(TEKNIK MESIN FTI-ITS, Perencanaan Turbin)
Dimana :
Hlosses = ⅓ . Hactual
(TEKNIK MESIN FTI-ITS, Perencanaan Turbin)
Masing-masing jenis turbin mempunyai nilai putaran spesifik berdasarkan
ketinggian air (H). Untuk mencari putaran spesifik turbin yang digunakan, dapat
dilihat pada table berikut :
Turbin Pelton (1 jet) ns= 85,49/H . 0,243 (Siervo & Lugaresi, 1978)
Turbin Francis ns= 3763/H . 0,854 (Schweiger & Gregory, 1989)
Turbin Kaplan ns= 2283/H . 0,486 (Schweiger & Gregory, 1989)
Turbin Crossflow ns= 513,25/H . 0,505 (Kpordze & Wamick 1983)
Turbin Propeller ns= 2702/ H . 0,5 (USBR, 1976)
Tabel 1. Perhitungan Putaran Spesifik Turbin (TEKNIK MESIN FTI-ITS,
Perencanaan Turbin)
II.4. Debit Turbin
Debit maksimum yang masuk ke turbin ditentukan sedemikian rupa
sehingga biaya konstruksinya menjadi minimum berdasarkan lengkung debit sepuluh
tahun terakhir atau lebih. Nilainya pada umumnya dua kali debit dalam musim
kemarau (Arismunandar dan Kuwahara, 1991).
Untuk mencari debit air berdasarkan putaran spesifik turbin maka
digunakan rumus :
6
nq = nn √Q n
H e3 /4 (Dasar-dasar Merencana Turbin Air :Syukri Himran)
Dimana :
nq = Putaran spesifik berdasar pada debit (rpm)
nn = Putaran turbin (rpm)
Qn = Debit (m3/menit)
He = Tinggi jatuh air efektif (m)
II.5. Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro (PLTMH)
Akhir-akhir ini di dunia termasuk negara-negara maju, memperhatikan
pembangunan PLTA berkapasitas kecil. Pembagian PLTA dengan kapasitas kecil
pada umumnya adalah sebagai berikut (Patty, 1995) :
1. PLTA mikro < 100 kW
2. PLTA mini 100 - 999 kW
3. PLTA kecil 1000 - 10000 kW
Dengan kemajuan teknis, tinggi antara 1 – 1,5 m dapat digunakan dan
kapasitas turbin dapat dibuat 4 – 5 kW. Salah satu sebab bagi negara-negara maju
membangun PLTA berkapasitas kecil ini adalah harga minyak OPEC yang terus
meningkat sekarang ini, di samping bertambahnya kebutuhan listrik (Patty, 1995).
Di Indonesia salah satu program pemerintah adalah listrik masuk desa
terpencil di daerah pegunungan, pembangunan PLTA menghubungkan desa ini
dengan hantaran tegangan tinggi tidaklah ekonomis. Berdasarkan pertimbangan
7
diambil langkah-langkah berikut dalam perencanaan PLTA mini hidro untuk
suatu daerah pedesaan (Patty, 1995) :
1. Mempelajari bangunan air irigasi (irigasi, drainase dan lain-lain) yang sudah
ada di desa tersebut.
2. Meneliti bahan bangunan yang terdapat di tempat serta pendidikan masyarakat
desa.
3. Meneliti mesin yang hendak dipakai, lebih baik digunakan mesin yang lebih
mahal tetapi memerlukan biaya yang lebih sedikit dan waktu yang lebih
singkat untuk reparasi.
Sekarang ini masih menghadapi berbagai kendala, sehingga baru
sebagian kecil dari potensi tenaga air yang ada di daerah irigasi dan sungai-sungai
kecil diseluruh Indonesia yang sudah dimanfaatkan untuk pembangkit tenaga mini
hidro. Kendala utama yang perlu diatasi dengan sebaik-baiknya adalah bahwa
sampai sekarang teknologi mini hidro belum dapat mencapai nilai komersial yang
baik. Mini hidro masih disebut secara pesanan, sehingga mini hidro dengan
kehandalan tinggi yang disebut dengan teknologi maju membutuhkan biaya
investasi awal yang besar. Sebaliknya, mini hidro yang dibuat dengan
menggunakan teknologi sederhana, walaupun tidak membutuhkan biaya investasi
awal yang besar, pada umumnya mempunyai kehandalan rendah dan masih
memerlukan biaya pemeliharaan yang tinggi untuk menjamin kelangsungan
operasinya. Selain itu, mini hidro yang kehandalannya rendah sering mengalami
8
gangguan pengopersaian yang dapat merugikan konsumen (Endardjo, et all,
1998).
PLTMH dengan tinggi jatuhan (head) 10-60 m, dapat dikategorikan pada
head rendah dan medium.
Jenis Turbin Variasi Head (m)
Kaplan & Propeller 2 < H < 20
Francis 10 < H < 350
Pelton 50 < H < 1000
Cross-flow 6 < H < 100
Turgo 50 < H < 250
Tabel 2. Daerah operasi turbin berdasarkan ketinggian head (TEKNIK MESIN
FTI-ITS, Perencanaan Turbin)
Pemilihan jenis turbin dapat ditentukan berdasarkan kelebihan dan
kekurangan dari jenis-jenis turbin, khususnya untuk suatu desain yang sangat
spesifik. Pada tahap awal, pemilihan jenis turbin dapat diperhitungkan dengan
mempertimbangkan parameter-parameter khusus yang mempengaruhi sistem
operasi turbin, yaitu :
1. Faktor tinggi jatuhan air efektif (Net Head) dan debit yang akan dimanfaatkan
untuk operasi turbin merupakan faktor utama yang mempengaruhi pemilihan
jenis turbin, sebagai contoh : turbin pelton efektif untuk operasi pada head
tinggi, sementara turbin proppeller sangat efektif beroperasi pada head rendah.
2. Faktor daya (Power) yang diinginkan berkaitan dengan head dan debit yang
tersedia.
9
3. Kecepatan (Putaran) turbin yang akan ditransmisikan ke generator. Sebagai
contoh untuk sistem transmisi direct couple antara generator dengan turbin
pada head rendah, sebuah turbin reaksi (propeller) dapat mencapai putaran
yang diinginkan, sementara turbin pelton dan crossflow berputar sangat lambat
(low speed) yang akan menyebabkan sistem tidak beroperasi.
Berikut ini adalah tabel yang menjelaskan tentang hubungan antara jenis turbin
dengan nilai putaran pada turbin.
Turbin Pelton 12 ≤ ns ≤ 25
Turbin Francis 60 ≤ ns ≤ 300
Turbin Crossflow 40 ≤ ns ≤ 200
Turbin Propeller 250 ≤ ns ≤ 1000
Tabel 3. Kisaran Putaran Spesifik Turbin Air (TEKNIK MESIN FTI-ITS,
Perencanaan Turbin)
Jenis Turbin Putaran Nominal, N (rpm)
Semi Kaplan (single regulated) 75-100
Kaplan (double regulated) 75-100
Small-medium Kaplan 250-700
Francis (medium & high head) 500-1500
Francis (low head) 250-500
Pelton 500-1500
Crossflow 100-1000
Turgo 600-1000
10
Tabel 4. Kecepatan Putaran Turbin (TEKNIK MESIN FTI-ITS, Perencanaan Turbin)
Berdasarkan hal tersebut, maka untuk menghitung daya yang dihasilkan
oleh suatu turbin adalah :
Nn = γQ H e
102 ɳ [kW] (Dasar-dasar Merencana Turbin Air :Syukri Himran)
Dimana :
Nn = Daya turbin (kW)
γ = Berat jenis air = 1000 kg/m3
Q = Debit air (m3/detik) = Qn
He = Tinggi air jatuh efektif (m)
ɳ = Efisiensi turbin = 80-90 %
II.6. Aplikasi Turbin Pada Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro (PLTMH)
Contoh pemakaian turbin dalam kehidupan sehari-hari adalah untuk
pembangkit listrik tenaga mini hidro (PLTMH). Jenis turbin yang banyak
digunakan adalah jenis turbin francis.
Indonesia memiliki sumber daya air yang banyak berupa sungai, air
terjun, danau dan laut yang dapat dimanfaatkan sebagai tenaga pembangkit listrik.
Dilatar belakangi oleh krisis energi listrik dan kebutuhan energi yang terus
meningkat, maka sumber daya yang ada dimanfaatkan semaksimal mungkin.
Maka Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro (PLTMH) adalah salah satu
pembangkit listrik tenaga air yang menjadi pilihan dimana PLTMH
memanfaatkan energi air yang memiliki kapasitas aliran yang tidak terlalu besar.
BAB III
PEMBAHASAN
11
III.1.Perhitungan Daya Listrik
Pada sebuah Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro (PLTMH) diasumsikan
data-data sebagai berikut :
Head actual (Hactual) = 60 m
Efisiensi turbin (η) = 80 %
Berat jenis air (γ) = 1000 kp/m3
Untuk menghitung daya listrik yang dapat dihasilkan oleh turbin, data-data
penunjang yang harus dicari terlebih dahulu antara lain :
1. Head efektif
2. Putaran Spesifik
3. Debit
4. Daya Turbin
1. Head Efektif
Diasumsikan head actual yang diketahui adalah 60 m, maka untuk mencari
nilai head efektif terlebih dahulu harus dicari head losses :
Hlosses = ⅓ . Hactual
= ⅓ . 60 m
= 20 m
Jadi, Ketinggian jatuh air efektif (Hefektif) adalah :
Hefektif = Hactual - Hlosses
= 60 m - 20 m
= 40 m
12
Berdasarkan table daerah operasi turbin berdasarkan ketinggian head (tabel 2),
maka jenis turbin yang digunakan untuk perencanaan kali ini adalah jenis
turbin Francis.
2. Putaran Spesifik (ns)
Menurut tabel perhitungan putaran spesifik (ns) turbin (tabel 1), untuk mencari
putaran spesifik pada turbin francis adalah :
ns = 3763
H . 0,854
= 3763
40 . 0,854
= 110 rpm
ns = (3,33) nq → nq = ns/3,33 = 110 / 3,33 = 33,03 rpm
Dari penjelasan tabel tentang kecepatan putaran turbin (tabel 4), maka dipilih
jenis turbin Francis (low head). Turbin Francis (low head) mempunyai putaran
antara 250-500 rpm, maka diambil nilai 400 rpm.
3. Debit
Rumus untuk menentukan debit air pada turbin adalah :
nq = nn √Q n
H e3 /4
33,03 = 400√Q
403/4
√Q = (403/4 . 33,03)
400
Q = 1,14 m3/s
13
4. Daya Turbin
Nn = γQ H e
102 ɳ
= 1000 x 1,14 x 40
102 0,8
= 36480
102
= 357,64 kW
= 357640 W
Diperkirakan dalam 1 rumah penggunaan daya listrik sebagai berikut :
2 buah lampu 15 W = 30 W
2 buah lampu 10 W = 20 W
1 buah peralatan elektronik = 40 W
Jadi rata-rata penggunaan listrik dalam 1 rumah adalah 90 W. Maka
berdasarkan daya yang dihasilkan oleh turbin tersebut, pembangkit listrik ini
dapat menerangi sekitar 3.973 buah rumah.
III.2.Analisa Segitiga Kecepatan
14
Gambar diatas menggambarkan segitiga kecepatan air pada sisi masuk dan
keluar pada turbin francis, dimana :
D = diameter luar roda
N = jumlah putaran roda per menit
V = Kecepatan absolut air memasuki sudu
v = kecepatan tangensial roda pada sisi masuk
= πDN
60 m/s
Vr = Kecepatan relatif air terhadap roda pada sisi masuk
Vf = Kecepatan aliran memasuki sudu bergerak
Vw = Kecepatan pusar pada sisi masuk sudu bergerak
15
α = Sudut air memasuki roda (disebut juga sudut sudu pengarah)
β = Sudut air meninggalkan roda
θ = Sudut masuk sudu
∅ = Sudut sudu pada sisi keluar
V1, D1, v1, Vr1, Vf1 = Besaran yang sama untuk sisi keluar sudu.
H = head total air
W = berat air yang memasuki roda, kg/s
V = √2g . H efektif
Di mana: V = Kecepatan absolut air memasuki sudu (m/s)
g = Percepatan gravitasi (10 m/s2)
Hefektif = Ketinggian jatuh air efektif (m)
Jadi:
V = √2 .9,81 . 40
V = √784,8
V = 28,01 m/s
v = π . D .n n
60
Di mana: v = kecepatan tangensial roda pada sisi masuk (m/s)
D = diameter luar roda (m)
nn = putaran Turbin (rpm)
Jadi :
v = π . D .n n
60
= (3,14 . 2 . 400)
60
= 41,81 m/s
16
a. Dari segitiga kecepatan pada sisi masuk, diperoleh:
Vw = V cos α
Dimana: Vw = Kecepatan pusar pada sisi masuk sudu bergerak (m/s)
α = Sudut air memasuki roda (disebut juga sudut sudu pengarah)
Vw = V cos α
= 28,01 cos 15°
= 27,05 m/s
Vf = V sin α
Dimana: Vf = Kecepatan aliran memasuki sudu bergerak (m/s)
Vf = V sin α
= 28,01 sin 15°
= 7,24 m/s
tan θ = V f
v−V w
Dimana: θ = Sudut masuk sudu (°)
tan θ = V f
v−V w
= 7,24
41,81−27,05
tan θ = 0,49
θ = 26°
Vr = V f
sin θ
Dimana: Vr = Kecepatan relatif air terhadap roda pada sisi masuk (m/s)
Vr = V f
sin θ
= 7,24
sin 26 °
17
= 16,51 m/s
b. Dari segitiga kecepatan pada sisi ke luar, diperoleh:
v1 = π . D1 .nn
60
Di mana: v1 = kecepatan tangensial roda pada sisi ke luar (m/s)
v1 = π . D1 .nn
60
= 3,14 .1.400
60
= 20,93 m/s
tan ϕ = V f 1
v1
Di mana: Vf1 = Kecepatan aliran meninggalkan sudu bergerak (m/s)
ϕ = Sudut sudu pada sisi keluar (°)
tan ϕ = V f 1
v1
= 7,2420,93
= 0,34
ϕ = 26°
18
BAB IV
PENUTUP
IV.1. Kesimpulan
Dari analisa perencanaan untuk pembangkit listrik tenaga mini hidro,
dengan nilai head efektif 40 m dan debit 1,14 m3/s didapat daya sebesar 357640
W, yang mampu menerangi sekitar 3.973 rumah dengan asumsi pemakaian daya
listrik setiap rumah tersebut adalah 90 W.
Berdasarkan nilai putaran spesifik turbin dan ketinggian head efektif
yang didapat, maka turbin yang sesuai untuk pembangkit listrik tenaga mini hidro
ini adalah turbin francis.
19
DAFTAR PUSTAKA
Arismunandar A, Dan Kuwahara S., Teknik Tenaga Listrik Jilid I, (1991).,
PT. Pradnya Paramita : Jakarta.
Endardjo P,Warga Dalam J, Setiadi A., Pengembangan Rancang Bangun
Mikrohidro Standar PU, (1998)., Prosiding HATHI : Bandung.
Himran, Syukri., Dasar-Dasar Merencana Turbin Air, (2006)., Bintang Lamumpatue : Makassar.
Patty F., Tenaga Air, Edisi Pertama, (1995)., Erlangga : Jakarta.
TEKNIK MESIN FTI-ITS., Perencanaan Turbin., Institut Teknologi Sepuluh
November : Surabaya.
20
21