BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) Mikrohidro dibangun berdasarkan kenyataan bahwa adanya air yang mengalir di suatu daerah dengan kapasitas dan ketinggian yang memadai. Istilah kapasitas mengacu kepada jumlah volume aliran air persatuan waktu (flow cpacity) sedangkan beda ketinggian daerah aliransampai ke instalasi dikenal dengan istilah (head). Mikrohidro juga dikenal sebagai white resources dengan kelemahan bebas bisa dikatakan energi putih. Dikatakan demikian karena instalasi pembangkit listrik seperti ini menggunakan sumber daya yang telah disediakan oleh alam dan ramah lingkungan. Suatu kenyataan bahwa alam memiliki air terjun atau jenis lainnya yang menjadi tempat air mengalir. Dengan teknologi sekarang maka energi aliran air beserta energi perbedaan ketinggiannya dengan daerah tertentu dapat diubah menjadi energi listrik. PLTMH termasuk sumber energi terbarukan dan layak disebut clean energy karena ramah lingkungan. (Chadidjah & Wiyoto, 2011, hal ) Berhasilnya pembangkitan tenaga air tergantung daripada usaha untuk mendapatkan tinggi jatuh air dan debit yang besar secara efektif dan ekonomis. Di hulu sungai di mana pada umumnya kemiringan dasar sungai lebih curam akan mudah diperoleh tinggi jatuh yang besar. Sebaliknya di sebelah hilir sungai, tinggi jatuh rendah dan debit besar. Oleh karena itu bagian hulu sungai lebih ekonomis, sedangkan bagian hilirnya kurang ekononis mengingat tinggi jatuh yang kecil dan debit yang besar tadi. (Arismunandar, dkk, 1991) II-1

2 Secara teknis, pembangkit listrik tenaga mikrohidro memiliki tiga komponen utama yaitu air (sumber energi), turbin dan generator. Air yang mengalir dengan kapasitas tertentu disalurkan ketinggian tertentu menuju rumah instalasi (rumah turbin). Melihat hal itu, maka perlu diperhatikan adalah apakah sebuah wilayah memiliki potensi untuk dikembangkan menjadi tempat dibangunnya sebuah pembangkit listrik tenaga mikrohidro atau tidak, yang menajdi syarat bagi wilayah tersebut adalah, ada perbedaan ketinggian antara aliran air dan instalasi sehingga menimbulkan tenaga air yang mampu menggerakan turbin, daya yang dihasilkan berkisar antara W. (Chadidjah & Wiyoto, 2011, hal. 222) 2.2 Analisa Hidraulika Hidrolika merupakan satu topik dalam Ilmu terapan dan keteknikan yang berurusan dengan sifat-sifat mekanis fluida, yang mempelajari perilaku aliran air secara mikro maupun makro. Mekanika Fluida meletakkan dasar-dasar teori hidrolika yang difokuskan pada rekayasa sifat-sifat fluida. Dalam tenaga fluida, hidrolika digunakan untuk pembangkit, kontrol, dan perpindahan tenaga menggunakan fluida yang dimampatkan. Topik bahasan hidrolika membentang dalam banyak aspek sains dan disiplin keteknikan, mencakup konsep-konspen seperti aliran tertutup (pipa), perancangan bendungan, pompa, turbin, tenaga air, hitungan dinamika fluida, pengukuran aliran, serta perilaku aliran saluran terbuka seperti sungai dan selokan. (Wikipedia, 2016) Aliran air dalam satu saluran dapat berupa aliran saluran terbuka (open channel flow) maupun aliran pipa (pipe flow). Kedua jenis aliran tersebut sama dalam banyak hal, namun berbeda dalam satu hal penting. Aliran saluran terbuka harus II - 2

3 memiliki permukaan bebas (free surface), sedangkan aliran pipa tidak demikian, karena air harus mengisi seluruh saluran. Permukaan bebas dipengaruhi oleh tekanan udara. Aliran pipa yang terkurung dalam saluran tertutup tidak terpengaruh langsung oleh tekanan udara, kecuali oleh tekanan hidrolik. (Ferikardo & Praja, 2007) 2.3 Prinsip Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) Pembangkit listrik tenaga air skala mikro pada prinsipnya memanfaatkan beda ketinggian dan jumlah debit air perdetik yang ada pada aliran air saluran irigasi, sungai atau air terjun. Aliran ini akan memutar poros turbin sehingga menghasilkan energi mekanik. Energi ini selanjutnya menggerakan generator menghasilkan listrik. Sebuah skema mikrohidro memerlukan dua hal yaitu, debit air dan ketinggian jatuh (head) untuk menghasilkan tenaga yang dapat dimanfaatkan. Hal ini adalah sebuah sistem konversi energi dari bentuk ketinggian dan aliran (energi potensial) kedalam bentuk energi mekanik dan energi listrik. (Fox & T. Mc, 1994) Pembangunan PLTMH perlu diawali dengan pembangunan bendungan untuk mengatur aliran air yang akan dimanfaatkan sebagai tenaga penggerak. Bendungan perlu dilengkapi dengan pintu air dan penyaring sampah (filter) untuk mencegah masuknya kotoranamupun endapan lumpur. Bendungan sebaiknya dibangun pada dasar sungai yang stabil dan aman terhadap banjir. Di dekat bendungan dibangun bangunan pengambil (intake), kemudian dilanjutkan dengan pembuatan saluran pembawa yang berfungsi mengalirkan air dari intake. Saluran II - 3

4 ini dilengkapi dengan saluran pelimpah pada setiap jarak tertentu untuk mengeluarkan air yang berlebih. Saluran ini dapat berupa saluran terbuka atau tertutup. Diujung saluran pelimpah dibangun kolam pengendap. Kolam ini berfungsi untuk mengendapkan pasir dan penyaring kotoran sehingga air yang masuk ke turbin relatif bersih. Saluran ini dibangun dengan cara memperdalam dan memperlebar saluran pembawa dan menambahnya dengan saluran penguras. Bak penenang / bak penampungan juga dibangun untuk menenangkan aliran air yang akan masuk ke turbin dan mengarahkannya masuk ke pipa pesat. Bak ini dibuat dengan konstruksi beton dan berjarak sedekat mungkin ke rumah turbin untuk menghemat pipa pesat. Pipa pesat berfungsi mengalirkan air sebelum masuk ke turbin. Dalam pipa ini, energi potensial air di kolam penenang diubah menjadi energi kinetik yang akan memutar roda turbin. Biasany a terbuat dari pipa baja yang dirol, lalu dilas. Untuk sambungan antar pipa digunakan flens. Pipa ini harus didukung oleh pondasi yang mampu menahan beban statis dan dinamisnya. Pondasi dan dudukan ini diusahakan selurus mungkin, karena itu perlu dirancang sesuai dengan kondisi tanah. (Ezkhel, 2013) II - 4

5 Gambar 2. 1 Jalur untuk Mikrohidro 2.4 Bagian-bagian Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) Bendung (Weir) dan Bangunan Pengambilan (Intake) Bendung adalah suatu bangunan yang dibuat dari pasangan batu kali, bronjong atau beton, yang terletak melintang pada sebuah sungai yang tentu saja bangunan ini dapat digunakan pula untuk kepentingan air minum, pembangkit listrik atau pengendalian banjir. Menurut macamnya bendung dibagi dua, yaitu bendung tetap dan bendung sementara, bendung tetap adalah bangunan yang sebagian besar konstruksi terdiri dari pintu yang dapat digerakkan untuk mengatur ketinggian muka air sungai, sedangkan bendung sementara adalah bangunan yang II - 5

6 dipergunakan untuk menaikkan muka air di sungai, sampai pada ketinggain yang diperlukan agar air dapat dialirkan ke saluran irigasi dan petak tersier. (Vicky Richard, 2013) Kapasitas pengambilan dapat dihitung berdasarkan rumus berikut : Qd = 1,2. Q. (2.1) dimana: Qd = Debit desain (m 3 /dt) Q = Debit andalan (m 3 /dt) A. Perhitungan Mercu Bendung Perhitungan untuk menentukan mercu bendung dan muka air rencana dilakukan dengan menggunakan persamaan tinggi energi-debit untuk bendung ambang pendek dengan pengontrol segiempat yaitu : Q = C d g. b. H (2.2) Dimana : Q = debit, m 3 /dt C d = koefisien debit (C d = C 0 C 1 C 2 ) g = percepatan gravitasi, m/dt (9,81) b = panjang mercu, m II - 6

7 H 1 = tinggi energi di atas mercu, m Koefisien debit C d adalah hasil dari: - C 0 yang merupakan fungsi H 1 /r (lihat gambar 2.3) - C 1 yang merupakan fungsi dari p/h 1 (lihat gambar 2.4), dan - C 2 yang merupakan fungsi p/h 1 dan kemiringan muka hulu bendung (lihat gambar 2.5) C 0 mempunyai harga maksimum 1,49 jika H 1 /r lebih dari 5,0 seperti diperlihatkan pada gambar (2.3) Gambar 2. 2 Tekanan pada mercu bending bulat sebagai fungsi perbandingan H 1 /r (Sumber: KP 02) Harga-harga C 0 pada Gambar 2.3 valid apabila mercu bending cukup tinggi di atas rata-rata alur pengarah (p/h 1 sekitar 1,5). Dalam tahap perencanaan p dapat diambil setengah jarak dari mercu sampai dasar rata-rata sungai sebelum bending tersebut dibuat. Untuk harga-harga p/h 1 yang kurang dari 1,5, maka gambar 2.3 dapat dipakai untuk menemukan factor pengurangan C 1. II - 7

8 Gambar 2. 3 Harga-harga koefisien C 0 untuk bending ambang bulat seperti fungsi perbandingan H 1 /r (Sumber : KP 02) Gambar 2. 4 Sebagai koefisien C 1 sebagai fungsi perbandingan p/h 1 (Sumber : KP 02) II - 8

9 Gambar 2. 5 Harga-harga koefisien C 2 untuk bendung mercu tipe Ogee dengan muka hulu melengkung (menurut USBR, 1960) (Sumber : KP 02) B. Lebar Bendung Lebar bendung, yaitu jarak antara pangkal-pangkalnya, diambil sama dengan lebar rata-rata sungai pada bagian yang stabil. Lebar efektif mercu (Be) dihubungkan dengan lebar mercu yang sebenarnya (B), yakni jarak antara pangkal-pangkal bendung, ditentukan dengan persamaan berikut: Be = B 2(nKp + Ka) H 1 (2.3) Dimana : B N = lebar bersih bending = jumlah pilar Kp = Koefisien konstraksi pilar Ka = Koefisien konstraksi pangkal bending II - 9

10 Harga-harga koefisien konstraksi diperoleh dari tabel 2.1. Tabel 2. 1 Harga Koefisien Konstraksi URAIAN - Pilar berujung segiempat dengan sudut-sudut dibulatkan pada jari-jari yang hampir sama dengan 0.1 dari tebal pilar - Pilar berujung bulat - Pilar berujung runcing URAIAN - Pangkal tembok segi empat dengan tembok hulu pada 90º ke arah aliran - Pangkal tembok bulat dengan tembok hulu pada 90º kea rah aliran dengan 0,5 H 1 > r > 0,15 H 1 - Pangkal tembok bulat, dimana r > 0,5 H 1 dan tembok hulu tidak lebih dari 45º kearah aliran Kp 0,02 0,01 0 Ka 0,20 0,10 0 Bangunan pengambilan (intake) untuk mengelakan air dari sungai dalam jumlah yang diinginkan dan bangunan berfungsi untuk mengurangi sebanyak mungkin benda-benda terapung dan fraksi-fraksi sedimen kasar yang masuk ke saluran penghantar. II - 10

11 Gambar 2. 6 Sketsa Pintu Pengambilan Kebutuhan pengambilan rencana untuk bangunan pengambilan sama dengan debit yang direncanakan untuk saluran penghantar, yaitu 1,2 Qr encana. Tetapi dengan adanya kantong lumpur, debit rencana pengambilan adalah 1,2 x Q saluran. Dengan kecepatan masuk sebesar 1,0 2,0 m/dt yang merupakan besaran perencanaan normal. Dimensi bangunan pengambilan dapat dengan rumus sebagai berikut: V = μ 2 g z.. (2.4) dan Q = v b a.. (2.7) Dimana : V = kecepatan pengambilan rencana, m/dt µ = keofisien debit, diambil 0,85 II - 11

12 g = percepatan grafitasi, m/dt 2 = 9,81 m/dt 2 BAB II TINJAUAN PUSTAKA z Q b a = kehilangan energy pada bukaan, m = debit, m 3 /dt = lebar bukaan, m = tinggi bukaan, m Tahap-tahap mendesain intake yaitu sebagai berikut: 1. Masukan data antara lain data debit andalan 80% dan koefisien pengaliran. 2. Menentukan kemiringan saluran berdasarkan kontur, serta menentukan koefisien Manning berdasarkan jenis dinding saluran. 3. Menghitung kapasitas intake. 4. Menghitung luas dan keliling penampang basah, dengan lebar intake diasumsi. 5. Menghitung jari-jari hidrolis 6. Menghitung kecepatan aliran dengan menggunakan rumus Manning. V = 1. n R2 3. S (2.5) dimana: V = Kecepatan aliran (m/dt) n = Koefisien Manning R = Jari-jari hidrolis (m) S = Kemiringan saluran (m) II - 12

13 Saluran Pembawa (Headrace) Saluran pembawa ini terdiri dari dua bagian besar, yaitu: 1. Intake Bangunan pengambilan saluran penghantar dilengkapi dengan pintu untuk mencegah agar selama pembilasan air tidak mengalir kembali ke saluran penghantar dan mencegah masuknya air pembilas yang mengandung sedimen ke dalam saluran. Ambang intake di saluran penghatar = 0,1 m di atas muka kantong lumpur dalam keadaan penuh. 2. Saluran Saluran pembawa adalah bangunan yang mengalirkan air dari intake ke bak penenang dan berfungsi untuk mempertahankan kestabilan debit air. Saluran pembawa direncanakan sebagai saluran pasangan menggunakan pasangan batu kali. Aliran akan dilewatkan sebesar 120% dari debit rencana. Saluran berbentuk persegi dengan kemiringan talud 1:1. Perhitungan dimensi saluran menggunakan rumus Manning, yaitu : V = 1. n R2 3. S (2.6) Dan sesuai dengan hukum kekekalan massa, rumus diatas di kalikan dengan luas aliran menjadi persamaan aliran seragam : Q = A. V (2.7) Dimana : Q V = debit rencana saluran, m 3 /dt = kecepatan di saluran, m/dt II - 13

14 A = luas basah, m 2 R S n = Jari-jari hidraulik, m = kemiringan saluran, m = koefisien kekasaran manning Untuk bentuk saluran persegi, dimensinya ditentukan dengan rumus : A P R = B x H = 2H + B = A P Tabel 2. 2 Berbagai bentuk penampang saluran II - 14

15 Setelah perhitungan kecepatan rata-rata (V) dengan rumus Manning dilakukan, maka perlu dilakukan pula pengontrolan menggunakan (Vmin) dan (Vmaks) ijin, Vmin ijin V saluran Vmaks ijin. a. Kecepatan Minimum Ijin (Vmin) Adalah kecepatan terkecil yang tidak menimbulkan pengendapan (sedimentasi) dan tidak merangsang tumbuhnya tanaman aquatic serta lumut. Menurut Van Te Chow antara m/det atau diambil rata-rata 0.75 m/det. b. Kecepatan Maksimum Ijin (Vmaks) Adalah kecepatan pengaliran terbesar yang tidak akan menyebabkan erosi di permukaan saluran. Untuk saluran pasangan, kecepatan maksimumnya adalah 2,5 3,5 m/det, sedangkan untuk saluran alam ± 2,0 m/det. Tabel 2. 3 Koefisien Kekasaran Manning Jenis Sarana Drainase Tak diperkeras Dibuat ditempat Dipasang ditempat Koefesien (n) - Tanah Pasir dan kerikil Dasar saluran batuan Semen mortar B e t o n Batu belah - Pasangan batu adukan basah - Pasangan batu adukan kering Pipa beton sentrifugal Pipa beton Pipa bergelombang Sumber : Pedoman Perencanaan Drainase, Pd T B(2006) II - 15

16 Bak Penenang (Forebay) Bak penenang (forebay) terletak diujung saluran pembawa. Bak penenang membentuk transisi dari saluran pembawa ke pipa pesat. Dalam beberapa kasus baknya diperbesar dengan tujuan: - Berfungsi sebagai bak penampungan pada saat beban puncak - Sebagai bak akhir untuk mencegah penghisapan udara (air suction) oleh penstock. Bak penenang dilengkapi dengan saluran pelimpah dan saringan untuk mencegah benda-benda yang tidak diinginkan seperti sampah tidak masuk ke dalam pipa pesat. Bangunan ini sering kali dikenal dengan istilah headpond sebagai reservoir air yang terletak pada sisi atas untuk aliran ke unit turbin yang terletak dibagian bawah. Beda jatuh air ini yang dikenal head. Kapasitas bak penenang didefinisikan sebagai kedalaman air dan panjang bak penenang. Untuk menentukan kapasitas dari bak penenang digunakan persamaan yaitu: Vsc = As dsc = B L dsc.....(2.11) Keterangan: As = area bak penenang B L Dsc = lebar bak penenang = panjang bak penenang = kedalaman air dari kedalaman aliran yang sama Kedalaman bak penenang dihitung berdasarkan posisi pipa pesat terhadap saluran pembawa, sebagai berikut: - Pipa pesat searah saluran II - 16

17 s = 0,54. V. D.(2.12) - Pipa pesat tidak searah saluran s = 0,72. V. D.(2.13) Tinggi bak penenang (h) h = D + s + f.(2.14) dimana: s = Jarak minimum antara sisi atas pipa pesat dengan muka air minimum di bak (m) V = Kecepatan aliran dipipa pesat (m/dt) D = Diameter pipa pesat (m) f = Free board (m) Gambar 2. 7 Desain Forebay pada umumnya Bak Pengendap (Settling Bassin) Bak Pengendap pada dasarnya merupakan saluran dengan potongan melintang yang diperbesar yang mengakibatkan kecepatan aliran menurun. Karena penurunan kecepatan, batu kerikil, pasir dan sedimen akan mengendap dalam bak ini sehingga tidak akan masuk ke dalam saluran pembawa dan yang terpenting tidak akan masuk ke turbin, II - 17

18 dimana partikel-partikel ini dapat menyebabkan abrasi pada runner turbin. Gambar 2. 8 Prinsip operasi penjebak sedimen Gambar 2. 9 Layout pada umumnya bak penenang untuk intake sisi dengan atau tanpa bendungan melintang II - 18

19 Pergerakan partikel sedimen dibagi dalam dua arah, yaitu arah horizontal (arah L) dan arah vertikal (arah H), dengan demikian berlaku persamaan: H = w. t L = v. t Maka, H w = L v dengan v = Q HB Dimana : H = kedalaman aliran saluran, m w = kecepatan endap partikel sedimen, m/dt L = panjang kantong lumpur, m V = kecepatan aliran air, m/dt Q = debit saluran,m 3 /dt B = lebar bak sedimen, m Sehingga, LB = Q w Menghitung kemiringan kantong lumpur selama eksploitasi normal, untuk ini digunakan rumus manning sebagai berikut: V = 1. n R2 3. S 1 2 Q = V. A II - 19

20 dimana: V n R S Q = Kecepatan rata-rata selama eksploitasi normal, m/dt = Koefisien Manning = Jari-jari hidrolis, m = Kemiringan energi selama eksploitasi normal, m = Kebutuhan pengambilan rencana, m 3 /dt A = Luas penampang eksploitasi normal, m Pipa Pesat (Penstock Pipe) Pipa pesat (penstock pipe) adalah pipa tekan yang menyalurkan aliran untuk menggerakkan turbin PLTMH. Fungsinya untuk mengalirkan air dari saluran penghantar menuju turbin. Pipa pesat mempunyai posisi kemiringan yang tajam dengan maksud agar diperoleh kecepatan dan tekanan air yang tinggi untuk memutar turbin. Konstruksinya harus diperhitungkan agar dapat menerima tekanan besar yang timbul termasuk tekanan dari pukulan air. Pipa pesat merupakan bagian yang cukup mahal, untuk itu pemilihan pipa yang tepat sangat penting. Pipa pesat dapat terbuat dari logam atau plastik dengan diameter yang berbedabeda. Spesifi kasi dan ukuran detil pipa disediakan oleh desainer di dalam gambar desain dan spesifikasi. (Ansori, 2014) Diameter pipa penstock ditentukan berdasarkan debit aliran yang akan mengalir pada pipa penstock tersebut dimana dalam penentuan diameter pipa penstock tersebut mempertimbangkan beberapa hal yakni keamanan, II - 20

21 kemudahan proses pembuatan, ketersediaan material dan nilai ekonomis dari pipa penstock tersebut. Tabel 2. 4 Koefisien Kekasaran pipa Menurut Hazen-Williams Material Pipa C Pipa Asbes 140 Kuningan Cast Iron Pipa Berlapis Semen Tembaga Pipa Besi Dilgavanis 120 Timah Plastik (PVC) Baja (Steel) Sumber: Birdy, 2003 Tahap perencanaannya yaitu: 1. Menghitung dimensi pipa berdasarkan rumus Hazen-Williams V = 0,3545. C HW. D 0,63. S 0,54.. (2.15) 2. Kedalaman minimum pipa pesat dapat dihitung dengan persamaan Ht > s s = c. V. D (2.17) dimana: c = 0,7245 untuk inlet asimetris = 0,5434 untuk inlet simetris V = kecepatan masuk aliran (m/dt) D = diameter pipa pesat (m) Pipa pesat dapat terbuat dari logam atau plastik dengan diameter yang berbeda-beda. Spesifi kasi dan ukuran detil pipa disediakan oleh desainer II - 21

22 di dalam gambar desain dan spesifikasi. Beberapa jenis bahan pipa pesat dapat dilihat sebagai berikut: a. Pipa PVC Pipa PVC dapat disambung dengan soket yang di lem atau dengan sealing karet. Pipanya harus terlindung dari sinar matahari, yang paling baik adalah dengan cara ditimbun di dalam tanah. Apabila tidak ditimbun, pipa mesti dibungkus dengan material yang bisa melindungi dari sinar matahari (misalnya dengan dengan plastik dan di ikat dengan kawat). b. Pipa Baja Pipa besi bisa berupa pipa yang dibuat dari lembaran baja atau pipa bikinan pabrik dengan ukuran sedemikian rupa sehingga mudah untuk diangkut dengan alat transportasi, mudah dipasang dan mudah disambung. Pipa yang terbuat dari gulungan lembaran baja biasanya sudah digulung dibengkel, yang kemudian dilas di lokasi PLTMH. Penyambungan ruas ruas pipa besi dapat dilakukan dengan cara dilas di lokasi atau dengan flange yang di sambung dengan baut Saluran Pembuang (Tailrace) Saluran pembuang direncanakan untuk menampung dan mengalirkan air yang keluar dari turbin kembali ke sungai. Oleh karena itu, dimensi saluran pembuang ditentukan oleh debit yang keluar dari turbin, yaitu debit rencana pembangkitan. Saluran pembuang direncanakan berbentuk II - 22

23 segi empat diperkuat dengan pasangan batu, umumnya saluran ini direncanakan dengan tipe saluran terbuka. (Ferikardo & Praja, 2007) Saluran pembuangan ini berfungsi untuk mengalirkan debit air yang keluar dari turbin air untuk kemudian dibuang ke sungai, saluran irigasi atau ke laut. Saluran ini dimensinya harus sama atau lebih besar daripada saluran pemasukan mengingat adanya kemungkinan adanya kemungkinan perubahan mendadak dari debit turbin air. 2.5 Keuntungan PLTMH PLTMH merupakan salah satu pembangkit listrik yang cukup unik karena meskipun dalam skala kecil tetapi memiliki banyak keuntungan dan manfaat, yakni: 1. Memanfaatkan sumber energi yang terbarukan. 2. Teknologi yang ramah lingkungan karena tidak memerlukan infrastruktur yang besar karena bisa memanfaatkan aliran langsung dari sungai(run River) sehingga tidak mengganggu ekologi/lingkungan. 3. Sistemnya sangat sederhana dan memiliki ketangguhan yang baik, sehingga dapat diandalkan.. II - 23