RANCANG BANGUN TURBIN ARUS SUNGAI/HEAD SANGAT RENDAH

Transkripsi

1 RANCANG BANGUN TURBIN ARUS SUNGAI/HEAD SANGAT RENDAH Anjar Susatyo 1, Ridwan Arief Subekti 2 Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik LIPI Komplek LIPI, Jl. Cisitu No.21/154 D Bandung. Tlp ; Fax ; anjar.susatyo@lipi.go.id ABSTRAK Kebutuhan energi semakin meningkat sejalan dengan perkembangan teknologi dan peradaban manusia. Pada saat ini berbagai penelitian dan eksplorasi untuk memanfaat energi terbarukan menjadi salah satu pilihan untuk memenuhi kebutuhan energi. Energi matahari, panas bumi, angin, biomasa, arus laut, ombak dan air perlu ditingkatkan pemanfaatannya. Karakteristik sungai-sungai di Indonesia sangat beragam dilihat dari ketinggian dan debit aliran, salah satunya adalah sungai dengan debit yang besar namum head-nya rendah. Sehingga banyak potensi sungai yang belum dimanfaatkan untuk pembangkit listrik. Untuk itu diperlukan penelitian turbin arus sungai/head sangat rendah, dimana turbin jenis ini dapat beroperasi pada head dibawah 1 meter. Turbin head sangat rendah juga dapat dipasang pada lokasi aliran yang deras yang terdapat pada saluran air. Banyak kelebihan yang dimiliki oleh turbin head sangat rendah, antara lain adalah bentuknya sederhana karena terakit menjadi satu poros dengan generator. Metodologi perancangan yang dilakukan adalah dengan merancang ulang dan memperbaiki sistem hidrodinamik dan konstruksi. Turbin head sangat rendah yang dipakai adalah turbin tipe propeller karena turbin ini sangat cocok untuk dipakai pada head sangat rendah dan sedang. Pada perancangan turbin propeller ini dilakukan perhitungan hidrodinamik dan disimulasikan menggunakan perangkat lunak komputasi aliran fluida dinamika untuk mendapatkan profil runner dan casing turbin yang effisien. Dari hasil rancangan kemudian dibuat prototipe dan diuji di lapangan. Hasil dari perancangan adalah sebuah turbin propeller dengan diameter runner = 0.3 m, diameter hub = 0.15 m, runner yang digunakan berjumlah 6 buah, debit maksimal = 0.12 m 3 /detik, daya maksimal = 900 Watt, dan effisiensi = 40-90%. Kata kunci: arus sungai, head sangat rendah, listrik, pembangkit, turbin air. ABSTRACT Requirement of energy progressively mount in line with growth of technology and civilization of human being. At present a variety of research and exploration to utilize renewable energy to be one option to meet energy needs. Solar energy, geothermal, wind, biomass, ocean currents, waves and water needs to be increased utilization. Characteristics of rivers in Indonesia are very diverse views from a height and flow rate, one of which is the river with big debit and low head. So much the river potential not yet been exploited for electric power. It required study of the river flow turbine/very low head turbine, where the turbine of this type can operate at below 1 meter head. Very low head turbine can also be installed at the location of a rushing stream contained in the water channel. Many advantages possessed by the very low head turbine, among others, are a simple because assembled into a single shaft with a generator. Design methodology is by reverse engineering and improving the system of hydrodynamic and construction. Very low head turbine that used is propeller because this type is suitable for use at very low and medium head. In the propeller turbine design was performed hydrodynamic calculations and simulated using computational fluid dynamics software to get an efficient runner profile and turbine casing. From the design, prototype will be built and tested in the field. The results of the design is a propeller turbine with runner diameter = 0.3 m, hub diameter = 0.15 m, 6 runners are used here, maximum debit = 0.12 m 3 /s, maximum power = 900 Watt, and efficiency = 40-90%. Key words: river flows, very low head, electric, generating, water turbine PENDAHULUAN A. Latar Belakang Dari sisi potensi, PLTMH masih memiliki potensi yang sangat besar untuk dikembangkan. Menurut data dari Kementrian ESDM (Energi dan Sumber Daya Mineral), potensi tenaga air tersebar hampir di seluruh Indonesia dan diperkirakan mencapai MW, sementara pemanfaatannya baru sekitar 6%. Namun demikian terdapat suatu kendala dimana karakteristik sungai-sungai di Indonesia adalah sungai dengan debit yang besar namun head-nya rendah, sehingga banyak potensi sungai yang belum dimanfaatkan untuk pembangkit listrik. Untuk itu diperlukan penelitian turbin air arus sungai/head sangat rendah, dimana turbin jenis ini dapat beroperasi pada head kurang dari satu meter. 1

2 Turbin arus sungai/head sangat rendah juga dapat dioperasikan pada saluran irigasi ataupun sungai. Jenis turbin yang dikembangkan adalah turbin tipe propeller dengan generator yang terkopel langsung dengan poros turbin atau dapat disebut juga turbin generator. Turbin generator adalah suatu turbin yang teramsembling langsung menjadi satu dengan unit generator. Prinsip kerja turbin generator adalah mengubah energi tekanan gelombang air menjadi suatu energi listrik. Air memasuki unit turbin generator melalui rusuk pengarah tetap dan spiral pada dinding propeller, selanjutnya air melalui runner atau sudu gerak dan keluar melawati draft tube. Draft tube ini berfungsi membantu memperlambat kecepatan air guna menghasilkan energi kinetik. Energi potensial air dirubah menjadi energi kinetik oleh runner turbin. Poros turbin yang terhubung dengan runner menyebabkan poros unit turbin generator ikut berputar. Pada unit turbin generator, poros turbin juga berfungsi sebagai rotor pada generator, sehingga putaran poros turbin langsung dimanfaatkan oleh generator untuk menghasilkan energi listrik. Banyak kelebihan yang dimiliki oleh turbin generator, antara lain adalah bentuknya yang sederhana dan kuat karena antara turbin dan generator terasembling menjadi satu. Turbin juga dapat diangkat keluar dari air pada saat arus yang besar atau banjir. Turbin generator juga dapat dipasang pada lokasi aliran yang deras yang terdapat pada saluran air. B. Tujuan Tujuan makalah ini adalah memberikan penjelasan mengenai tahapan perancangan turbin arus sungai/head sangat rendah yang merupakan salah satu kegiatan penelitian di Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik - LIPI. Dalam makalah ini akan dijabarkan mengenai desain input, dimensi turbin, analisa hidrodinamik, pembuatan prototipe dan pengujian lapangan. METODOLOGI Metodologi penelitian yang digunakan adalah dengan merancang ulang dan memperbaiki sistem hidrodinamik dan konstruksi. Turbin arus sungai/head sangat rendah yang dipakai adalah turbin tipe propeller karena turbin ini sangat cocok untuk dipakai pada head sangat rendah dan sedang. Pada perancangan turbin propeller ini dilakukan perhitungan hidrodinamik dan disimulasikan menggunakan perangkat lunak dinamika aliran fluida dinamik untuk mendapatkan profil blade dan casing turbin yang effisien. Dari hasil rancangan kemudian dibuat prototipe dan diujicoba di lapangan. LANDASAN TEORI A. Prinsip Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro Prinsip kerja PLTMH yang paling utama adalah memanfaatkan semaksimal mungkin energi air yang dapat ditangkap oleh peralatan utamanya yang disebut turbin/kincir air. Efisiensi turbin yang dipilih untuk menangkap energi air tersebut menentukan besarnya energi mekanik atau energi poros yang merupakan daya output pada turbin guna memutar generator listrik. Secara teknis, mikro hidro memiliki tiga komponen utama yaitu air (sumber energi), turbin dan generator. Air yang mengalir dengan kapasitas tertentu disalurkan dengan ketinggian tertentu menuju rumah instalasi (rumah turbin). Di rumah instalasi, air tersebut akan menumbuk turbin dimana turbin dipastikan akan menerima energi air tersebut dan mengubahnya menjadi energi mekanik berupa berputarnya poros turbin. Poros yang berputar tersebut kemudian ditransmisikan ke generator dengan mengunakan kopling. Dari generator akan dihasilkan energi listrik yang akan masuk ke sistem kontrol arus listrik sebelum dialirkan ke rumah-rumah atau keperluan lainnya (beban). Begitulah secara ringkas proses mikro hidro merubah energi aliran dan ketinggian air menjadi energi listrik. Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka head adalah beda ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka air keluar dari kincir air/turbin air. Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan energi potensial air yaitu: E P = m. g. h (1) Dimana: E P m h g = Energi potensial = massa air = head = percepatan gravitasi 2

3 Daya merupakan energi tiap satuan waktu, sehingga persamaan (1) dapat dinyatakan sebagai :... Dengan mensubsitusikan N H terhadap dan mensubsitusikan ρ. Q terhadap maka : N H = ρ.g.h.q (2) Dimana: N H = Daya hidrolik ke turbin (Watt) ρ = masa jenis air (kg/m 3 ) H = tinggi jatuh air efektif (m) Q = debit air (m 3 /s) g = percepatan gravitasi (m/s 2 ) Berdasarkan rumus di atas, daya yang dihasilkan adalah hasil kali dari tinggi jatuh dan debit air. Oleh karena itu berhasilnya pembangkitan tenaga air tergantung kepada usaha untuk mendapatkan tinggi jatuh air dan debit yang besar secara efektif dan ekonomis. Umumnya, untuk menghasilkan debit yang besar dibutuhkan fasilitas dengan ukuran yang besar pula, misalnya bangunan ambil air (intake), saluran air dan turbin. B. Turbin Propeller Turbin propeller merupakan turbin reaksi aliran aksial. Turbin ini tersusun dari propeller seperti yang terdapat pada baling-baling perahu. Propeller tersebut biasanya mempunyai tiga hingga enam sudu. Turbin propeller banyak digunakan pada head yang rendah dengan volume air besar. Kemampuan propeller dapat digunakan pada bermacam-macam aliran air. Penyambungan turbin dengan generator biasanya terkoneksi langsung dengan menggunakan sabuk atau transmisi roda gigi. Turbin propeller secara luas digunakan sebagai pembangkit listrik tenaga hidro dengan head (jatuhan air) 2 14 meter. Gambar 1 menjelaskan bahwa turbin propeller merupakan turbin yang beroperasi pada head rendah dan dengan kapasitas air yang tinggi atau bahkan dapat beroperasi pada kapasitas yang rendah. Gambar 1. Berbagai Macam Turbin dengan Perbandingan Debit dan Head-nya Teknik mengkonversikan energi potensial air menjadi energi mekanik pada roda air turbin dilakukan melalui pemanfaatan kecepatan air. Tinggi tekanan total merupakan penjumlahan energi sebelum memasuki dan sesudah keluar turbin. Roda turbin sebagai inti dari turbin berfungsi sebagai penggerak mula dan mempunyai sudu sudu dengan derajat tertentu agar bisa menggerakan roda turbin. Pada turbin terjadi gaya yang timbul akibat fluida kerja sehingga sudu turbin tersebut harus dibuat sedemikian rupa agar terjadi perubahan momentum dari fluida kerja yang mengalir diantara sudu tersebut. PERHITUNGAN DAN HASIL A. Desain Input dan Dimensi Turbin Dalam merancang sebuah turbin air, ada beberapa parameter yang harus diketahui antara lain head, debit desain, putaran desain dan estimasi effisiensi. Pada perancangan turbin arus sungai/head sangat rendah ini kita melakukan tahapan-tahapan seperti yang terlihat pada Gambar 2 di bawah ini. 3

4 Desain Input : Head (m), Q (m 3 /s), n (rpm) Dimensi Turbin : Profil sudu, inlet, sudu arah, putaran spesifik Gambar Desain Analisis Desain : Hidrodinamik (komputasi aliran fluida dinamik) Pembuatan Prototipe Pengujian Lapangan Gambar 2. Proses Perancangan Turbin Arus Sungai/Head Sangat Rendah Adapun data-data awal yang kita masukan pada perancangan turbin arus sungai/head sangat rendah ini adalah : Head (H gross) = l meter Debit desain (Q) = 120 liter/detik Putaran Desain (n) = 500 rpm Estimasi Efisiensi ( T ) = 70 % Dari data-data inputan di atas, selanjutnya dilakukan perhitungan dan perancangan dimensi utama serta gaya-gaya yang bekerja pada sudu turbin. Selanjutnya output perancangan turbin arus sungai/head sangat rendah dapat dilihat pada Tabel 1 di bawah ini. Tabel 1. Output Perancangan Turbin Arus Sungai/Head Sangat Rendah 1. HEAD NETTO = 1 meter 2. DEBIT = m 3 /s 3. PUTARAN = rpm 4. DAYA OUTPUT = 824 Watt 5. PUTARAN SPESIFIK = rpm 6. EPSILON (e) = KEC. MERIDIAN Cm = m/s 8. DIAMETER TURBIN = m 9. DIAMETER HUB = m 10. JUMLAH SUDU = 6 buah NO R T L T/L U C U C 1 BETA ALFA Y MAX (mm) (m) (mm) (m/s) (m/s) (m/s) (Derajat) (Derajat) (m)

5 Dari Tabel 1 diketahui bahwa turbin arus sungai/head sangat rendah akan menghasilkan daya output sebesar 824 Watt dengan head netto 1 meter dan debit 0.12 m 3 /s. Turbin air tersebut memiliki runner berdiameter 0.3 meter dengan diameter hub 0.15 meter dan menggunakan 6 buah sudu. B. Analisis Hidrodinamik Dari konsep desain di atas selanjutnya dibuat gambar desain guna dilakukan analisis simulasi hidrodinamik. Adapun model turbin arus sungai/head sangat rendah digambarkan seperti yang terlihat pada Gambar 3 di bawah ini. Gambar 3. Model Turbin Head Sangat Rendah Dalam melakukan analisa komputasi aliran fluida dinamik, kita melakukan beberapa variasi debit guna mengetahui daya outputan dan effisiensi turbin tersebut. Variasi debit yang mengalir ke dalam turbin adalah mulai dari 0.12 m 3 /s sampai 0.2 m 3 /s. Setelah kita melakukan inputan dan iterasi, selanjutnya hasil iterasi dibuat dalam bentuk tabel seperti yang terlihat pada Tabel 2. Grafik hubungan antara debit dan effisiensi turbin dapat dilihat pada Gambar 4. Tabel 2. Daya dan Effisiensi Turbin Flow Turbin Low Head Head Potensi Rate Daya Torsi Daya Effisiensi m 3 /s Head Input (meter) Head Output (meter) Turbin Turbin Runner Runner Runner Q P i /ρg V 2 i /2g Total P i /ρg V 2 i /2g Total meter H 2 O Watt N.m Watt % Gambar 4. Grafik Perbandingan antara Debit dan Effisiensi Turbin 5

6 Dari Tabel 2 dan Gambar 4 di atas dapat kita ketahui bahwa daya runner terbesar adalah 3324 Watt dihasilkan pada debit 0.2 m 3 /s dengan efisiensi yang sangat kecil yaitu 54.7%. Efisiensi tertinggi didapat pada debit 0.14 m 3 /s yaitu sebesar 61.1% dan daya runner yang dihasilkan adalah 941 Watt. Dari hasil analisa simulasi kumputasi aliran fluida dinamik, untuk debit 0.12 m 3 /s, daya runner yang dihasilkan adalah sekitar 439 Watt dengan efisiensi 55.7%. Hal ini tentu masih lebih rendah dari perencanaan dimana dengan debit 0.12 m 3 /s dan head 1 meter seharusnya dihasilkan daya sebesar 824 Watt dengan efisiensi 70%. Hal tersebut disebabkan karena dari hasil simulasi kumputasi aliran fluida dinamik, untuk debit 0.12 m 3 /s head turbin yang terbaca hanya 0.67 meter bukan 1 meter seperti pada desain input. Dari analisa simulasi kumputasi aliran fluida dinamik, untuk menghasilkan head turbin 1 meter seperti yang terdapat pada data inputan desain maka debit yang dibutuhkan adalah sekitar 0.14 m 3 /s. C. Pembuatan Prototipe Tahap selanjutnya adalah pembuatan prototipe turbin air. Pembuatan prototipe dilakukan dengan memanfaatkan sarana yang ada di Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik - LIPI dan outsourching. Mesin-mesin yang digunakan adalah mesin CNC, mesin bubut, mesin las, pengecoran dll. Pembuatan prototipe dapat dilihat pada foto-foto di bawah ini. Gambar 5. Foto-foto Pembuatan Prototipe Turbin D. Pengujian Lapangan Setelah prototipe turbin selesai dibuat, selanjutnya dilakukan pengujian lapangan. Data teknis desain turbin arus sungai/head sangat rendah ini merupakan variabel yang akan menjadi acuan pelaksanaan pengujian. Pengujian ini dimaksudkan untuk memeriksa data yang telah diperkirakan bahwasannya prototipe turbin yang dibuat hasilnya sudah sesuai atau belum dengan perencanaan awal. Dari sini kita dapat mengetahui dan memperbaikinya apabila performa prototipe turbin tersebut belum sesuai dengan perencanaan. Sebelum melakukan pengujian, terlebih dahulu ada beberapa hal yang harus dipersiapkan antara lain prosedur dan peralatan pengujian. Pengujian prototipe turbin arus sungai/head sangat rendah ini dilakukan pada aliran air sungai di sekitar lingkungan tempat wisata Alam Sejuk Lembang Bandung. Setelah melakukan pengujian didapatkan hasil pengukuran berupa data-data yang diperlukan, yang mana data tersebut digunakan dalam menganalisis kinerja turbin sehingga didapatkan hubungan antara perubahan head terhadap performa turbin. Analisis dilakukan terhadap 3 kinerja turbin yaitu daya hidrolik, daya poros dan efisiensi turbin. Dari data yang diperoleh dari hasil pengujian selanjutnya dilakukan perhitungan debit air, daya teoritis, torsi, kecepatan sudut, putaran poros, daya poros dan effisiensi turbin. Hasil pengujian dan perhitungan dapat dilihat pada Tabel 3 di bawah ini. Luas penampang yang dilalui air adalah luas diameter luar sudu dikurangi dengan luas diameter hub dikurangi luas penampang 6 buah sudu yaitu sebesar m 2. 6

7 Tabel 3. Data Hasil Pengujian dan Perhitungan Input Turbin Output Turbin Tinggi v n m r Effisiensi Debit Daya Hidrolik Torsi Daya Poros Jatuh (m) (m/s) (rpm) (kg) (m) % (m 3 /s) (Watt) (Nm) (Watt) Dari data hasil pengujian lapangan terhadap prototipe turbin arus sungai/head sangat rendah seperti yang terdapat pada Tabel 3 di atas, bahwa prototipe turbin tersebut dapat menghasilkan daya hidrolis terkecil Watt dan daya poros terkecil Watt yaitu pada head terendah 0.17 meter dengan effisiensi 16.94%. Daya hidrolis terbesar adalah Watt dan daya poros terbesar Watt dihasilkan pada head tertinggi yaitu 0.4 meter dengan effisiensi 57.57%. Namun demikian, effisiensi tertinggi prototipe turbin tersebut adalah 80.42% yaitu pada head 0.23 meter dengan daya poros sebesar Watt. Berdasarkan data pada Tabel 3 di atas, untuk debit m 3 /s dimana debit tersebut adalah debit yang paling mendekati debit desain yaitu 0.12 m 3 /s, dapat diketahui bahwa daya poros dan efisiensi turbin lebih kecil dari perencanaan. Pada debit desain 0.12 m 3 /s akan menghasilkan daya turbin 824 Watt dengan efisiensi 70%. Hal tersebut dapat terjadi karena pada perencanaan, head yang digunakan adalah 1 meter. Sedangkan pada pengujian, head yang terbaca kurang dari 1 meter yaitu 0.4 meter. Hal ini menyebabkan daya poros atau daya turbin yang dihasilkan juga lebih kecil dari perencanaan. KESIMPULAN Dari penjelasan di atas, dapat diambil beberapa kesimpulan yang antara lain adalah: 1. Berdasarkan perencanaan awal dengan head 1 meter, debit 0.12 m 3 /s putaran desain 500 rpm diperoleh daya sebesar 824 Watt dengan putaran spesifik dan efisiensi 70%. Dari data input tersebut diperoleh dimensi diameter runner adalah 0.3 meter, diameter hub 0.15 meter dan jumlah sudu 6 buah. 2. Dari hasil analisa simulasi kumputasi aliran fluida dinamik, untuk debit 0.12 m 3 /s maka daya runner dan efisiensi turbin yang dihasilkan masih lebih rendah dari perencanaan. Hal tersebut disebabkan karena dari hasil simulasi, untuk debit 0.12 m 3 /s head turbin yang terbaca hanya 0.67 meter bukan 1 meter seperti perencanaan pada desain input. 3. Berdasarkan pengujian lapangan, untuk debit m 3 /s daya poros dan efisiensi turbin yang dihasilkan lebih kecil dari perencanaan. Hal tersebut karena head pada perencanaan adalah 1 meter, sedangkan pada pengujian, head yang terbaca kurang dari 1 meter. 4. Perbedaan hasil perancangan, analisis hidrodinamik dan pegujian lapangan menunjukan bahwa perlunya perbaikan desain turbin arus sungai/head sangat rendah terutama pada bagian sudu pengarah serta memperhalus proses pembuatan runner agar daya dan efisiensi turbin sesuai perencanaan awal. DAFTAR PUSTAKA 1. Anonim Water Turbin. Diakses 9 Pebruari Arief, R, dan A. Susatyo Simulasi Disain Turbin Head Rendah Menggunakan Software Komputasi Aliran Fluida Dinamik. Prosiding Seminar Nasional Astechnova, 8 Oktober 2009, Jogjakarta. Halaman. I Dandekar, M.M Pembang,kit Listrik Tenaga Air. Universitas Indonesia., Jakarta. 4. Dietzel, F. dan Dakso Sriyono Turbin Pompa dan Kompresor. Erlangga., Jakarta. 5. Fadhlil Membangun Kemandirian Masyarakat Pedesaan dan Bangsa Melalui PLTMH. Diakses 2 September Kristiyani, R Over view tentang PLTMH, tantangan dan peluang. Makalah disampaikan pada Workshop Pelatihan Analisa Kelayakan Proyek Pembangkit Tenaga Listrik Mini Hidro, 4-5 Agustus, Jakarta. 7

8 7. Mahendro, S Pengujian Turbin Kaplan (Propeller) Pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro Head Sangat Rendah Buatan Telimek-Lipi. Skripsi. Politeknik Negeri Bandung, Bandung. 8. Streeter, V.L and E. Benyamin W Mekanika Fluida, Edisi Delapan, Jilid 1. Erlangga., Jakarta. 9. Streeter, V.L and E. Benyamin W Mekanika Fluida, Edisi Delapan, Jilid 2. Erlangga., Jakarta. 10. Tuakia, F Dasar-Dasar CFD Menggunakan Fluent. Informatika., Bandung. 8