BAB II TINJAUAN PUSTAKA. Pembangkit Listrik Tenaga Mikro-hidro (PLTMH), biasa disebut mikrohidro,

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pengertian PLTMH Pembangkit Listrik Tenaga Mikro-hidro (PLTMH), biasa disebut mikrohidro, adalah suatu pembangkit listrik skala kecil yang menggunakan tenaga air sebagai penggeraknya, misalnya saluran irigasi, sungai atau air terjun alam, dengan cara memanfaatkan tinggi terjunnya (head) dan jumlah debit airnya (m 3 /detik). Gambar 2.1. menunjukkan contoh keseluruhan sistem PLTMH. Gambar 2.1 Bagan sebuah PLTMH Pembangkit tenaga air merupakan suatu bentuk perubahan tenaga dari tenaga air dengan ketinggian dan debit tertentu menjadi tenaga listrik, dengan 6

2 7 menggunakan turbin air dan generator. Daya yang keluar dari generator dapat diperoleh dari perkalian efisiensi turbin dan generator dengan daya yang keluar secara teoritis. Pembagian jenis PLTA dengan kapasitas kecil sebagai berikut (Patty, 1994) : 1. PLTA mikro < 100 kw 2. PLTA mini kw 3. PLTA kecil kw Prinsip kerja PLTMH yang paling utama adalah memanfaatkan semaksimal mungkin energi air yang dapat ditangkap oleh peralatan utamanya yang disebut turbin/kincir air. Efisiensi kincir air yang dipilih untuk menangkap energi air tersebut menentukan besarnya energi mekanik atau energi poros guna memutar generator listrik. Pada umumnya debit yang besar membutuhkan fasilitas dengan ukuran yang besar misalnya, bangunan ambil air (intake), saluran air dan turbin (Arismunandar dan Kuwahara, 1991). PLTMH yang dibangun jenis run off river dimana head diperoleh tidak dengan membangun bendungan besar, melainkan dengan mengalihkan aliran air sungai ke satu sisi dari sungai dan menjatuhkannya lagi ke sungai pada suatu tempat dimana beda tinggi yang diperlukan sudah diperoleh. Dengan menggunakan pipa, air dialirkan kerumah pembangkit (power house) yang biasanya dibangun di pinggir sungai. Kemudian air akan menyemprot keluar memutar roda turbin (runner), kemudian air tersebut dikembalikan ke sungai asalnya. Energi mekanik putaran poros turbin akan diubah menjadi energi listrik oleh sebuah generator.

3 Analisis Hidrologi Analisa Hidrologi dalam merencanakan Pembangkit Listrik Tenaga Air adalah analisa yang berhubungan dengan Daerah Aliran Sungai, iklim, dan cuaca di mana faktor-faktor tersebut digunakan sebagai data awal dalam menganalisa curah hujan, evapotranspirasi, debit andalan, dan kurva durasi debit selama beberapa tahun. Hasil utama dari analisa hidrologi pada perencanaan ini untuk mengetahui debit andalan (debit minimum) dan kurva durasi debit yang mengalir di Daerah Aliran Sungai sampai titik pengambilan baik itu free intake ataupun bendung Metode Penman Modifikasi Metode Penman ini menggunakan data yang diperlukan yaitu diantaranya : a. Suhu rerata bulanan (t C) b. Kelembapan relative bulanan rerata (RH %) c. Penyinaran matahari (n/n %) d. Kecepatan angin (U m/dtk) e. Letak lintang daerah f. Agka koreksi (c) Adapun rumus dari metode penman yaitu: ET 0 = C x ET 0 * (2.1) ET 0 * = w (0.75 Rs - Rn1) + (1- w) f(u) (ea-ed) (2.2) Dimana unsur - unsur yang didalamnya yaitu : W Rs Rs Ra = faktor yang berhubungan dengan suhu dan elevasi daerah (lihat tabel 2.2) = radiasi gelombang pendek (mm/hari) = ( (0.54n/N))Ra = radiasi gelombang pendek yang memenuhi batas luar atmosfir - Berhubungan dengan LL daerah

4 9 - Lihat di tabel 2.3 Rn = radiasi bersih gelombang panjang (mm/hari) Rn1 = f(t). f(ed). f(n/n) f(t) = fungsi suhu f(ed) = fungsi tekanan uap ed = ed. RH f(n/n) = fungsi kecerahan matahari = 0.1 +(0.9 n/n) f(u) = fungsi kecepatan angin pada ketinggian 2 m f(u) = ( U ) (ea-ed) = perbedaan tekanan uap jenuh dengan tekanan uap yang sebenarnya ed = tekanan uap sebenarnya RH = kelembapan relative (%) C = angka koreksi (pada tabel 2.1) Tabel 2.1 Angka koreksi (C) bulanan untuk rumus penman Bulan Januari Februari Maret April Mei Juni C Bulan Juli Agustus Sepember Oktober November Desember C (Sumber : Lily 2010)

5 10 Tabel 2.2 hubungan t dengan ea, w, f(t) Suhu (C) ea (mbar) W f(t) (Sumber : Lily 2010)

6 11 Tabel 2.3 harga Ra untuk Indonesia (5 LU s/d 10 LS ) Bulan LU LS Januari Februari Maret April Mei Juni Juli Agustus September Oktober November Desember 14, (Sumber : Lily 2010) Analisis Debit Andalan Debit andalan adalah debit yang tersedia sepanjang tahun dengan besarnya resiko kegagalan tertentu (Lily 2010). Debit andalan dibutuhkan untuk menilai luas daerah potensial yang dapat diairi dari sungai tersebut. Dalam tugas akhir ini, karena data yang didapat minimal, maka metode yang dipakai menggunakan simulasi pertimbangan air dari Dr.F.J Mock (KP01, 1986) Debit Andalan Dengan Metode F.J Mock Dr.F.J. Mock (1973) memperkenalkan model sederhana simulasi keseimbangan air bulanan untuk aliran yang meliputi data hujan, evaporasi, dan karakteristik hidrologi daerah pengaliran (Lily, 2010). Dengan metode ini, besarnya aliran dari data curah hujan, karakteristik hidrologi daerah pengaliran dan evapotranspirasi dapat dihitung. Pada dasarnya metode ini adalah hujan yang jatuh pada catchment area sebagian akan hilang sebagai evapotranspirasi.

7 12 1. Data meteorologi Data meterologi yang digunakan mencakup: a. Data presipitasi dalam hal ini adalah curah hujan bulanan dan data curah hujan harian. b. Data klimatologi berupa data kecepatan angin, kelembapan udara, temperatur udara dan penyinaran matahari untuk menentukan evapotranspirasi potensial (Eto) yang dihitung berdasarkan metode Penman Modifikasi. 2. Evapotranspirasi Aktual (Ea) Penentuan harga evapotranspirasi aktual ditentukan berdasarkan persamaan: E = Eto x d/20 x m (2.3) E = Eto x (m / 20) x (18-n) (2.4) Ea = Eto E (2.5) Dimana : Ea = Evapotranspirasi aktual (mm), Eto = Evapotranspirasi potensial (mm), D= 27 (3/2)x n, N = jumlah hari hujan dalam sebulan, m = Perbandingan permukaan tanah m = 0 untuk lahan dengan hutan lebat, m = Untuk lahan dengan hutan sekunder pada akhir musim dan bertambah 10 % setiap bulan berikutnya. m = 10 40% untuk lahan yang erosi, m = 20 50% untuk lahan pertanian yang diolah (sawah atau perkebunan). 3.Keseimbangan air di permukaan tanah (ΔS) Air hujan yang mencapai permukaan tanah dapat dirumuskan sebagai berikut: ΔS = R Ea (2.6)

8 13 di mana: ΔS = Keseimbangan air di permukaan tanah, R = Hujan Bulanan, Ea = Evapotranspirasi Aktual. Bila harga positif (R > Ea) maka air akan masuk ke dalam tanah bila kapasitas kelembapan tanah belum terpenuhi. Sebaliknya bila kondisi kelembapan tanah sudah tercapai maka akan terjadi limpasan permukaan (surface runoff). Bila harga tanah ΔS negatif (R > Ea), air hujan tidak dapat masuk ke dalam tanah (infltrasi) tetapi air tanah akan keluar dan tanah akan kekurangan air (defisit). a. Perubahan kandungan air tanah (soil storage) tergantung dari harga ΔS. Bila ΔS negatif maka kapasitas kelembapan tanah akan kekurangan dan bila harga ΔS positif akan menambah kekurangan kapasitas kelembapan tanah bulan sebelumnya. b. Kapasitas kelembapan tanah (soilmoisture capacity). Di dalam memper kirakan kapasitas kelembaban tanah awal diperlukan pada saat dimulainya perhitungan dan besarnya tergantung dari kondisi porositas lapisan tanah atas dari daerah pengaliran. Biasanya diambil 50 s/d 250 mm, yaitu kapasitas kandungan air di dalam tanah per m 3. Semakin besar porositas tanah maka kelembapan tanah akan besar pula. c. Kelebihan Air (water surplus) Besarnya air lebih dapat mengikuti formula sbb: WS = ΔS - Tampungan tanah (2.7) di mana: WS = watersurplus, S = R-Ea, Tampungan Tanah = Perbedaan Kelembaban tanah.

9 14 1. Limpasan dan penyimpanan air tanah (Run off dan Ground Water storage). a. Infiltrasi (i) Infiltrasi ditaksir berdasarkan kondisi porositas tanah dan kemiringan daerah pengaliran. Daya infiltrasi ditentukan oleh permukaan lapisan atas dari tanah. Misalnya kerikil mempuyai daya infiltrasi yang lebih tinggi dibandingkan dengan tanah liat yang kedap air. Untuk lahan yang terjal di mana air sangat cepat menikis di atas permukaan tanah sehingga air tidak dapat sempat berinfltrasi yang menyebabkan daya infiltrasi lebih kecil. Formula dari infiltrasi ini adalah sebagai berikut: i = Koefisien Infiltrasi x WS (2.8) di mana : I = Infiltrasi (Koefisien Infiltrasi (i) = 0 s/d 1,0 ), WS = kelebihan air b. Penyimpanan air tanah (ground water storage). Pada permulaan perhitungan yang telah ditentukan penyimpanan air awal yang besarnya tergantung dari kondisi geologi setempat dan waktu. Persamaan yang digunakan adalah: Vn = k. (Vn 1) + ½ (1 + k ) in (2.9) di mana: K = qt/qo = Faktor resesi aliran air tanah (catchmentarea recession factor). Faktor resesi aliran tanah (k) berkisar antara 0 s/d 1, Vn = Volume simpanan ait tanah periode n ( m3), Vn 1 = Volume simpanan air tanah periode n 1 (m3), qt = Aliran tanah pada waktu t (bulan ke t), qo = Aliran tanah pada awal (bulan ke 0), i n = Infiltrasi bulan ke n (mm).

10 15 Untuk mendapatkan perubahan volume aliran air dalam tanah mengikuti persamaan: Vn = Vn - Vn 1 (2.10) c. Limpasan (Runoff ) Air hujan atau presipitasi akan menempuh tiga jalur menuju kesungai. Satu bagian akan mengalir sebagai limpasan permukaan dan masuk ke dalam tanah lalu mengalir ke kiri dan kananya membentuk aliran antara. Bagian ketiga akan berperkolasi jauh ke dalam tanah hingga mencapai lapisan air tanah. Aliran permukaan tanah serta aliran antara sering digabungkan sebagai limpasan langsung (direc run off) Untuk memperoleh limpasan, maka persamaan yang digunakan adalah: BF = I - (Δ Vn ) (2.11) Dro = WS I (2.12) Ron = BF +Dro (2.13) di mana: BF = Aliran dasar (M3/dtk/km), I = Infltrasi (mm), ΔVn = Perubahan volume aliran tanah (M3), Dro = Limpasan Langsung (mm), WS = Kelebihan air, Ron = Limpasan periode n (m 3 /dtk/km 2 ) d. Banyaknya air yang tersedia dari sumbernya Persamaan yang digunakan adalah: Qn = Ron x A (2.14) di mana : Qn = Banyaknya air yg tersedia dari sumbernya, periode n (m 3 /dtk), A = Luas daerah tangkapan (catchment area) km 2.

11 Debit Andalan Dengan Metode NRECA Salah satu metode yang dipakai dalam menghitung ketersediaan air adalah model NRECA. Metode ini menjabarkan kesetimbangan air bulanan pada suatu daerah tangkapan yang ditujukan untuk menghitung total run off dari nilai curah hujan bulanan, evanpotranspirasi, kelembapan tanah dan tersediaan air tanah. Model kesetimbangan dari Nreca ini didasarkan pada proses kesetimbangan air yang telah umum yaitu hujan yang jatuh diatas permukaan tanah dan tumbuhan penutup lahan sebagian akan menguap, sebagian lagi akan menjadi aliran permukaan dan ada yang meresap masuk kedalam tanah. Infiltrasi air akan menjenuhkan tanah permukaan dan kemudian air merambat menjadi perkolasidan keluar menuju sungai sebagai aliran dasar. Perbedaan metode NRECA dengan metode kesetimbangan air yang lain hanyalah pada jumlah parameter yang diambil. Parameter-parameter yang dipakai untuk metode NRECA tidak berbeda jauh dengan yang metode F.J Mock, hanya berbeda beberapa parameter yaitu : 1. Hujan bulanan 2. Evapotranspirasi 3. Kondisi awal kadar kelembapan tanah 4. Tampungan awal air tanah 5. Indeks soil moisture storage capacity pada daerah tangkapan 6. Persentase run-off yang mengalir 7. Persentase air yang masuk menjadi aliran air tanah

12 Hujan bulanan Hujan bulanan yang dipakai dalam perhitungan NRECA adalah hujan bulanan hasil pengukuran.berdasarkan curah hujan yang turun, bulan hujan dapat dibagi menjadi 3 kelompok, yaitu : Kelompok bulan kering : Jumlah curah hujan kurang dari 50 mm setiap bulannya. Kelompok bulan lembab : Jumlah curah hujan antara mm setiap bulannya. Kelompok bulan basah : Jumlah curah hujan lebih dari 100 mm setiap bulannya Evapotranpirasi Seperti halnya metode F.J Mock, evapotranpirasi sangat berpengaruh untuk metode NRECA, karena evapotranspirasi termasuk faktor penentu tersedianya air permukaan setelah hujan. Evapontranspirasi merupakan banyaknya air dilepaskan ke udara dalam bentuk uap air yang dihasilkan dari proses evaporasi dan transpirasi. Evaporasi terjadi apabila terdapat perbedaan tekanan uap air antara permukaan dan udara di atasnya. Evaporasi terjadi pada permukaan badan-badan air, misalnya danau, sungai dan genangan air. Transpirasi adalah suatu proses ketika air di dalam tumbuhan dilimpahkan ke atmosfir dalam wujud uap air. Pada saat transpirasi berlangsung, tanah tempat tumbuhan berada juga mengalami kehilangan kelembaban akibat evaporasi. Transpirasi dapat terjadi jika tekanan uap air di dalam sel daun lebih tinggi daripada tekanan uap air di udara. Dalam beberapa penerapan hidrologi, proses evaporasi dan transpirasi dapat dianggap sebagai satu kesatuan sebagai

13 18 evapotranspirasi. Ada beberapa parameter yang mempengaruhi evapotranspirasi antara lain : a. temperature b. kecepatan angin c. kelembapan udara d. penyinaran matahari e. temperature Metode perhitungan yang dilakukan untuk ketersediaan air ini menggunakan data hujan bulanan dan evapotranspirasi untuk menghitung debit bulanan yang terjadi. Persamaan dasar keseimbangan air yang digunakan : dimana : RO = P AE + S (2.15) P AE S RO = presipitasi = penguapan aktual = perubahan tampungan = aliran permukaan Beberapa parameter karakteristik daerah tangkapan yang digunakan dalam model hujan limpasan ini diuraikan sebagai berikut : * NOMINAL Index soil moisture storage capacity pada daerah tangkapan. * PSUB Persentase runoff yang mengalir pada jalur subsurface.

14 19 * GWF Persentase air yang masuk menjadi aliran air tanah Karakteristik-karakteristik tersebut dapat diperkirakan dengan cara sebagaimana berikut: * NOMINAL 100 +C*( hujan tahunan rata-rata), dimana C = 0.2, untuk daerah dengan hujan sepanjang tahun, dan C < 0.2, untuk daerah dengan hujan musiman. Harga NOMINAL dapat dikurangi hingga 25% untuk daerah dengan pertumbuhan terbatas dan penutup tanah yang tipis. * PSUB PSUB = 0.5 untuk daerah tangkapan hujan yang normal / biasa, 0.5 < PSUB 0.9 untuk daerah dengan akuifer permeabel yang besar 0.3 PSUB < 0.5 untuk daerah dengan akuifer terbatas dan lapisan tanah yang tipis. * GWF GWF = 0.5 untuk daerah tangkapan hujan yang normal / biasa, 0.5 < GWF 0.8 untuk daerah yang memiliki aliran menerus yang kecil, 0.2 GWF < 0.5 untuk daerah yang memiliki aliran menerus yang dapat diandalkan.

15 Flow Duration Curve Duration curve adalah suatu grafik yang memperlihatkan hubungan debit sungai terhadap waktu. Untuk kepentingan perancangan PLTMH, sangat penting untuk bisa mendapatkan data debit dari tahun ke tahun sebanyak mungkin sehingga dapat diketahui berapa banyak air (baik di musim kemarau atau penghujan) yang bisa dipergunakan untuk menggerakkan turbin. Data ini memberikan masukan paling mendasar bagi perancang untuk memilih jenis turbin yang paling efisien dan cocok dengan sumber daya yang ada. Dengan data debit di tangan ditambah dengan data kebutuhan energi listrik konsumen, maka perancang dapat memilih turbin dan generator yang cocok bagi sebuah PLTMH yang berdiri sendiri. Flow Duration Curve (FDC) disusun dengan mengelompokkan data debit berdasarkan besar debitnya lalu memplotkannya pada grafik terhadap 100% waktu pengukuran Pengukuran debit sungai Terhadap hasil pengukuran arus/kecepatan sungai di lapangan perlu dilakukan proses analisis/perhitungan sehingga diperoleh nilai besaran debit. Dengan menggunakan rumus kontinuitas : Q = A.v (2.16) di mana : Q = debit (m 3 /det), A = luas penampang sungai (m 2 ), dan v = kecepatan air (m/s), Maka perlu diketahui luas penampang sungai dan kecepatan sungai ( Lily 2010). Pengukuran debit secara langsung dapat dilakukan dengan : a. Menentukan luas penampang sungai b. Mengukur kecepatan air (V) dengan alat pengukur kecepatan (current meter ) atau pelampung ( kecepatan diukur menggunakan stopwatch).

16 Tenaga Listrik dan Air Sebuah skema hidro memerlukan dua hal yaitu debit air dan ketinggian jatuh (head) untuk menghasilkan tenaga yang bermanfaat. Ini adalah sebuah sistem konversi tenaga, menyerap tenaga dari bentuk ketinggian dan aliran, dan menyalurkan tenaga dalam bentuk daya listrik atau daya mekanik. Tidak ada sistem konversi daya yang dapat mengirim sebanyak yang diserap dikurangi sebagian daya hilang oleh sistem itu sendiri dalam bentuk gesekan, panas, dan suara (Patty,1995). Persamaan konversinya adalah: Daya yang masuk = Daya yang keluar + kehilangan daya (losess) atau Daya yang keluar = Daya yang masuk x Efisiensi konversi Persamaan di atas biasanya digunakan untuk menggambarkan perbedaan yang kecil. Daya yang masuk, atau total daya yang diserap oleh skema hidro adalah daya kotor p gross. Daya yang bermanfaat dikirim adalah daya bersih P net. Semua efisiensi dari skema di atas disebut E 0. P net = P gross x E 0 (2.17) Daya kotor adalah head kotor (H gross ) yang dikalikan dengan debit air (Q) dan juga dikaitkan dengan sebuah faktor gravitasi bumi (g = 9,8m/s 2 ), sehingga persamaan dasar dari pembangkit listrik adalah: P net = g x H gross x Q x E o (kw) (2.18) di mana head dalam meter, dan debit air dalam m 3 /s, dan total E 0 sebagai berikut:

17 22 E0 = E konstruksi sipil x E penstock x E turbin x E generator x E sistem control x E jaringan x E trafo (2. 19) Biasanya: E konstruksi sipi = 1,0 (panjang saluran x 0,002 0,005) / H gross E penstock = 0,90 0,95 (tergantung pada panjangnya) E turbin = 0,70 0,85 (tergantung pada tipe turbin) E generator = 0,80 0,95 (tergantung pada kapasitas generator) E sistem control = 0,97 E jaringan = 0,90 0,98 (tergantung pada panjang jaringan) E trafo = 0,98 E konstruksi sipil dan E penstock adalah yang biasa diperhitungkan sebagai Head Loss (H loass ) / kehilangan ketinggian. Dalam kasus ini, persamaan di atas dirubah ke persamaan berikut : P net = g x (H gross H loss ) x Q x (E 0 E konstruksi E penstock ) (kw) (2.20) Persamaan sederhana ini harus diingat. Ini adalah inti dari semua perencanaan pekerjaan pembangkit listrik. Ini penting untuk menggunakan unitunit yang benar Perencanaan Sipil Perencanaan sipil untuk PLTMH terdiri dari: Bendung(Weir) Bendung berfungsi untuk menaikkan/mengontrol tinggi air dalam sungai secara signifikan sehingga memiliki jumlah air yang cukup untuk dialihkan ke dalam intake pembangkit mikrohidro di bagian sisi sungai kedalam sebuah bak pengendap (Settling Basin). Sebuah bendung dilengkapi dengan pintu air untuk membuang kotoran/lumpur yang mengendap. Perlengkapan lainnya adalah saringan sampah. PLTMH umumnya merupakan pembangkit tipe run off river

18 23 sehingga bangunan bendung dan intake dibangun berdekatan. Gambar 2.2 Bendung (Sumber : Saluran pembawa (head race) Saluran pembawa berfungsi untuk mengalirkan air dari intake sampai ke bak penenang kemudian diteruskan ke pipa penstock. Saluran pembawa mengikuti kontur dari sisi bukit untuk menjaga elevasi dari air yang disalurkan. Ada berbagai macam saluran pembawa, antara lain terowongan, saluran terbuka dan saluran tertutup. Konstruksi saluran pembawa dapat berupa pasangan batu kali atau hanya berupa tanah yang digali.pada saluran yang panjang, perlu dilengkapi dengan saluran pelimpah pada jarak tertentu. Ini untuk menjaga jika terjadi banjir maka kelebihan air akan terbuang melalui saluran tersebut. Perencanaan saluran penghantar berdasarkan pada kriteria: Nilai ekonomis yang tinggi Efisiensi fungsi

19 24 Aman terhadap tinjauan teknis Mudah pengerjaannya Mudah pemeliharaannya Struktur bangunan yang memadai Kehilangan tinggi tekan (head losses) yang kecil. Gambar 2.3 Contoh saluran pembawa (headrace) (sumber : sakidiansyah, 2012) Menentukan potongan melintang dan kemiringan (slope) longitudinal Ukuran potongan melintang dan kemiringan harus ditentukan supaya debit yang dibutuhkan turbin dapat diarahkan secara ekonomis ke bak penenang. Pada umumnya ukuran potongan melintang berhubungan erat dengan kemiringan. kemiringan saluran Pembawa harus dibuat sehalus mungkin untuk mengurangi kehilangan ketinggian (perbedaan antara level air pada intake dan bak penenang) tetapi hal ini akan menyebabkan kecepatan yang lebih rendah dan potongan melintang yang lebih besar.selain itu kemiringan yang curam, akan menyebabkan

20 25 kecepatan aliran yang tinggi dan bagian yang lebih kecil tetapi juga kehilangan ketinggian yang lebih besar. pertama-tama kita harus mengetahui panjang saluran yang akan dibuat serta material yang digunakan pada saluran apakah saluran akan dilining atau tidak dan apakah menggunakan saluran talang. Bagian penampang melintang dari saluran pembawa ditentukan berdasarkan metode dibawah ini. Qd= A R 2/3 SL 1/2 /n (2.21) Dimana : Qd = disain debit untuk saluran pembawa (m 3 /s) A = luas dari potongan melintang (m 2 ) R = R=A/P (m) P = panjang sisi-sisi basah (m) SL = Slope mendatar saluran pembawa (contoh SL= 1/100=0.01) n = koefisien kekasaran Selain dengan menggunakan rumus manning diatas, dimensi saluran juga dapat dihitung dengan cara berikut : a. tentukan harga kecepatan aliran pada saluran pembawa,dimana kecepatan tidak boleh melebihi kecepatan maksimum dan kurang dari kecepatan minimum yang diberikan oleh tabel 2.4

21 26 Tabel 2.4 kecepatan maksimum pada saluran Material Kecepatan maksimum(m/detik) Lempung berpasir 0,5 Lempung 0,6 Lanau berlempung 0.7 Lanau 1,8 Pasangan batu 2,0 Beton 2,0 (Sumber : Micro hydro desidn manual adam Harvey 1993) Sementara untuk kecepatan minimum, diambil sebesar 0,3 m/detik untuk menghindari terjadinya sedimentasi. b. Tentukan nilai kemiringan sisi saluran (N) bila saluran berbentuk trapesium dan untuk saluran persegi nilai N = 0. Kemudian tentukan nilai koefisien kekasaran (n). Tabel 2.5 kemiringan sisi saluran Material Kemiringan sisi saluran Lempung berpasir 2 Lempung 1,5 Lanau berlempung 1 Lanau 0,58 Pasangan batu 0,58 Beton 0,58 (Sumber : Micro hydro desidn manual adam Harvey 1993) Hitung luas penampang saluran (A) dengan menggunakan persamaan Q. F A= V (2.22) Q = debit rencana saluran F = freeboard yang biasanya bernilai 1,3 c. Hitung ketinggian saluran (H),lebar saluran bawah (B) dan lebar saluran atas (T) Gunakan suatu variable x sebagai bantuan untuk saluran

22 27 trapezium yang berhubungan dengan harga N. X= N 2 2xN (2.23) H= A x+n (2.24) B=HxX (2.25) T=B+(2xHxN) (2.26) Untuk saluran persegi dengan nilai N = 0, maka X = 2 sehingga H= A 2 (2.27) T=B=2.H (2.28) d. Hitung jari-jari hidrolik (R) dan kemiringan dasar saluran (S) dengan menggunakan Persamaan manning. R= P A (2.29) S= nxv (2.30) R0, Bak Pengendap (Settling Basin) Fungsi bangunan ini adalah untuk: a) Penyalur yang menghubungkan intake dengan bak pengendap sehingga panjangnya harus dibatasi. b) Mengatur aliran air dari saluran penyalur sehingga harus mencegah terjadinya kolam pusaran dan aliran turbulen serta mengurangi

23 28 kecepatan aliran masuk ke bak pengendap sehingga perlu bagian melebar. c) Sebagai bak pengendap adalah untuk mengendapkan sedimen dimana untuk detil desainnya perlu dihitung dengan formulasi hubungan panjang bak,kedalaman bak, antarakecepatanpengendap,danke cepatanaliran Pipa Pesat (penstock) Penstock (lihat gambar 2.3) dihubungkan pada sebuah elevasi yang lebih rendah ke sebuah turbin air. Kondisi topografi dan pemilihan skema PLTMH mempengaruhi tipe pipa pesat (penstock). Umumnya sebagai saluran ini harus didesain/dirancang secara benar sesuai kemiringan (head) sistem PLTMH. Pipa penstock merupakan salah satu komponen yang mahal dalam pekerjaan PLTMH, oleh karena itu desainnya perlu dipertimbangkan terhadap keseimbangan antara kehilangan energi dan biaya yang diperlukan. Parameter yang penting dalam desain pipa penstock terdiri dari material yang digunakan, diameter dan ketebalan pipa serta jenis sambungan yang digunakan.(ramli kadir, 2010). Saat ini, bahan utama pipa pesat adalah pipa-pipa baja, pipa-pipa ductile dan pipa FRPM (fibre reinforced plastic multi-unit). Sedangkan pembangkit tenaga air skala kecil menggunakan pipa-pipa hard vinyl chloride, pipa-pipa howell atau pipa-pipa spiral welded dapat dipertimbangkan karena diameternya kecil dan tekanan internalnya relatif rendah.

24 29 Gambar 2.4 Contoh pipa pesat (penstock) (sumber : Faktor-faktor utama yang perlu dipertimbangkan dalam menentukan material yang digunakan: 1. Besarnya tekanan air yang harus dipikul 2. Topografi dari lokasi penempatannya 3. Volume air yang harus ditampung 4. Metode penyambungan 5. Diameter pipa dan gaya gesek 6. Berat dan tingkat kesulitan dalam pemasangangannya 7. Umur rencana 8. Kondisi iklim dan cuaca 9. Harga dan biaya perawatan 10. Transportasi menuju lokasi

25 30 Material yang baik untuk digunakan untuk pipa pesat pada mikro hidro di antaranya: 1. Besi ringan (Mild steel) 2. Unplasticized polyvinyl choloride (UPVC) 3. High-density polyethylene (HDPE) 4. Medium-density polyethylene (MDPE). Untuk mendesain pipa pesat, pertama tentukan jenis bahan pipa pesat yang direncanakan dan hitung jarak antara saluran penampung menuju turbin dan beda tinggi (H) dari saluran penampung ke turbin. Panjang pipa pesat, didapat dengan menggunakan rumus trigonometri L pipa = 2 2 Horizontal H gross L (2.31) Kecepatan optimum dapat dicari dengan menggunakan rumus United State Bureau of Reclamation (USBR) sebagai hubungan anatara kecepatan dengan head untuk pipa. V = 0,125 2 gh (2.31) Diameter Pipa Penstock Untuk memilih diameter terbaik dan tipe pipa pesat (penstock) harus memperhitungkan faktor-faktor berikut: 1. Biaya pembelian pipa dan biaya tambahan seperti pemasangan, disain, sambungan dan transportasi. 2. Biaya perawatan pipa seperti pembersihan dan pengecatan ulang. 3. Daya yang dapat dihantarkan pipa setelah mengalami kehilangan akibat gesekan.

26 31 4. Jumlah aliran yang dapat menyuplai turbin untuk menghasilkan listrik terutama pada saat musim kemarau. 5. Daya (power) optimum. Secara umum diameter pipa penstock dapat dicari denga menggunakan persamaan : A = V Q (2.32) 1 Q 2. d (2.33) 4 V Ketebalan pipa: t D 80 (2.34) 40 di mana, t = ketebalan minimum pipa, D = diameter pipa Kehilangan Akibat Gesekan Pada Pipa Penstock Setelah mendapatkan diameter pipa penstock, kemudian dihitung kehilangan head pada pipa pesat dengan mencari harga faktor gesekan (fl).untuk mencari fl digunakan grafik pada gambar dibawah dengan cara menghubungkan garis lengkung antara harga k/d terhadap nilai (1,2.Q/d). Dari table 2.3 didapat koefisien untuk beberapa material pipa dengan umur kondisinya.

27 32 Melalui grafik kehilangan akibat gesekan didapat faktor gesekan (fl). H pipa kehilanganpadadindin 5 2 fl. L.0,08. Q (2.35) d Tabel 2.6 Koefisien kekasaran pipa dalam mm Material Umur kondisi < 5 tahun 5-15 tahun > 15 tahun Pipa lunak PVC, HDPE, MDPE 0,003 0,01 0,05 Fiberglas Beton 0,06 0,15 1,5 Baja ringan : Baja tak berlapis 0,01 0,1 0,5 Baja galvanis 0,06 0,15 0,3 Besi Baru 0,15 0,3 0,6 Lama - karat rendah 0,6 1,5 3,0 - karat sedang 1,5 3,0 6,0 - karat tinggi 6,0 10,0 20,0 (Sumber : Micro hydro design manual adam Harvey 1993) Gambar 2.5 Grafik faktor gesekan pada pipa. (Sumber : Micro hydro design manual adam Harvey 1993)

28 33 Tabel 2.7 Koefisien ketajaman sudut masuk No. Bentuk ketajaman sudut masuk K Valve 1 1,0 2 0,8 3 0,5 4 0,2 ( Sumber : Micro hydro desidn manual adam Harvey 1993) Tabel 2.7 Koefisien bukaan klep Tipe Klep Bola Pintu Kupu-kupu K Klep 0 0,1 0,3 ( Sumber : Micro hydro desidn manual adam Harvey 1993) H kehilangan pada turbin = 2 V 2. g (K valve + K entrance ) (2.36) Kehilangan akibat gesekan (H kehilangan akibat gesekan ) H kehilangan akibat gesekan = h kehilangan pada dinding + h kehilangan pada turbin

29 34 % Kehilangan = H H loss gross x 100% (2.37) ( H gross H loss ) Efisiensipenstock (2.38) H gross Rumah Pembangkit Sesuai posisinya, rumah pembangkit ini dapat diklasifikasikan ke dalam tipe di atas tanah, semi di bawah tanah, di bawah tanah. Sebagian besara rumah pembangkit PLTMH adalah di atas tanah. Untuk pertimbangan desain rumah pembangkit, perlu dipertimbangkan : a. Lantai rumah pembangkit di mana peralatan PLTMH ditempatkan, perlu memperhatikan kenyamanan selama operasi, mengelola, melakukan perawatan di mana terjadi pekerjaan pembongkaran dan pemasangan peralatan. b. Memiliki cukup cahaya masuk untuk penerangan di siang hari dan adanya ventilasi udara. c. Kenyamanan jika operator berada di dalamnya seperti untuk melakukan pengendalian ataupun pencatatan secara manual pada jenis dan tipe turbin yang digunakan, dan sirkulasi air yang dikeluarkan setelah menggerakkan turbin. Karena itu ada beberapa pertimbangan tipe desain rumah pembangkit sesuai jenis turbin yang digunakan, sebagai berikut : Rumah pembangkit menggunakan turbin jenis Turbin Impuls Desain konstruksi rumah pembangkit ini perlu mempertimbangkan jarak bebas antara dasar rumah pembangkit dengan permukaan air

30 35 buangan turbin (afterbay). Pada kasus turbin implus (turbin pelton, turgo dan crossflow), air yang dilepas oleh runner turbin secara langsung dikeluarkan ke dalam udara di tailrace. Permukaan air di bawah turbin akan bergelombang. Oleh karena itu jarak bebas antara rumah pembangkit dengan permukaan air afterbay harus dijaga paling tidak cm. ke dalaman air di afterbay harus dihitung berdasarkan suatu formulasi antara desain debit dan lebar saluran di tailrace. Kemudian air di afterbay harus ditentukan lebih tinggi dari pada estimasi air banjir. Juga head antarapusat turbin dan level air pada outlet harus menjadi headloss (Ramli kadir, 2010). Rumah turbin menggunakan turbin jenis Turbin Reaction Hal yang sama dalam desain konstruksi rumah turbin menggunakan jenis reaction (Francais, Propeller), adalah perilaku air afterbay. Pada kasus menggunakan turbin tipe reaction, air dikeluarkan ke dalam afterbay melalui turbin. Head antara turbin dan level air dapat digunakan untuk membangkitkan tenaga. Dengan demikan desain konstruksinya memperbolehkan posisi tempat pemasangan turbin berada di bawah level air banjir, dan pada desain konstruksinya perlu disediakan tempat untuk menempatkan peralatan seperti pintu tailrace, dan pompa (Ramli kadir 2010). Hal utama yang menjadi perhatian dalam pembangunan rumah pembangkit adalah aksesibilitas dan sirkulasi udara untuk melepas panas pada

31 36 ballast load. Sirkulasi udara yang baik akan menjaga temperatur kerja sekitar rumah pembangkit tidak berlebih, sehingga temperatur kerja mesin dapat dijaga dengan baik Perencanaan Elektromekanik Perencanaan elektromekanik terdiri dari: Pemilihan Turbin Turbin berfungsi mengubah energi air menjadi tenaga listrik (Dandekar dan Sharma 1991.)Air berperan untuk mengubah energi air (energi potensial, tekanan, dan energi kinetik) menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Putaran poros turbin ini akan diubah oleh generator menjadi tenaga listrik. Jenis turbin turbin dibagi menjadi dua kelompok (Aris Munandar dan Kwahara, 1991) 1. Turbin impuls (cross-flow, pelton, dan turgo) Turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya dengan merubah beda tinggi menjadi kecepatan karena perbedaan tinggi. Seluruh energi air (yang teridiri dari energi potensial-tekanan-kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Atau dengan kata lain, energi potensial air diubah menjadi energi kinetik. 2. Turbin reaksi Turbin reaksi umumnya mempunyai putaran yang lebih kencang dari turbin impuls, turbin ini bekerja karena aliran air dengan tinggi terjun karena tekanan.

32 37 Adapun jenis jenis turbin adalah sebagai berikut : Turbin Pelton Turbin Pelton merupakan salah satu turbin impuls, turbin ini dipakai untuk tinggi terjun yang tinggi. Untuk mendapatkan tinggi terjun yang besar turbin harus diletakkan serendah mungkin. Keuntungan turbin ini yaitu mempunyai pengaturan kecepatan yang lebih baik dan konstruksinya sederhana (Patty, 1995). Turbin Turgo Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 250 m. Seperti turbin pelton turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nozzle membentur sudu pada sudut 20 o. Kecepatan putar urbin turgo lebih besar dari turbin Pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total. Turbin Francis. Turbin francismerupakan salah satu turbin reaksi. Turbin Francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin Francis digunakan untuk tinggi terjun yang menengah. Turbin Kaplan dan Propeller Turbin kaplan (lihat gambar 2.9 ) cara kerjanya menggunakan prinsip reaksi. Turbin ini bekerja pada tinggi terjun yang rendah yaitu dengan ketinggian 2 m 20 m. turbin kaplan mempunyai efisiensi paling tinggi,

33 38 hal ini dikarenakan sudut-sudut turbin yang bisa diatur sesuai dengan kondisi aliran. Perbandingan Karakteristik Turbin Perbandingan karakteristik turbin dapat kita lihat pada grafik head (m) vs flow (m 3 /s) di bawah ini: Gambar 2.6 Perbandingan karakteristik Turbin Dapat dilihat pada gambar 2.4 turbin kaplan adalah turbin yang beroperasi pada head yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi atau bahkan beroperasi pada kapasitas yang sangat rendah. Sebaliknya, turbin pelton adalah turbin yang beroperasi pada head tinggi dengan kapasitas yang rendah. Untuk turbin francis mempunyai karakteristik yang berbeda dengan yang lainnya yaitu turbin francis dapat beroperasi pada head yang rendah atau beroperasi pada head yang tinggi. Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang didapatkan dan kurang lebih pada rata-rata alirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan untuk tempat dengan head tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat dengan head rendah.

34 39 Tabel 2. 8 Daerah Operasi Turbin Jenis Turbin Variasi Head (m) Kaplan dan Propeller 2 < H < 20 Francis 10 < H < 350 Pelton 50 < H < 1000 Crossflow 6< H <100 Turgo 50 < H < 250 (Sumber : Generator Generator adalah suatu peralatan yang berfungsi mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Efisiensi generator secara umum adalah: 1. Aplikasi < 10 KVA efisiensi 0,70-0,80 2. Aplikasi KVA efisiensi 0,80-0,85 3. Aplikasi KVA efisiensi 0,85 4. Aplikasi KVA efisiensi 0,85-0,90 5. Aplikasi > 100 KVA efisiensi 0,90-0, Energi Listrik Pada prinsipnya pembangkit tenaga air adalah suatu bentuk perubahan tenaga air dengan ketinggian dan debit tertentu menjadi tenaga listrik dengan menggunakan turbin air dan generator. Daya (power) teoritis yang dihasilkan dapat dihitung berdasarkan persamaan empiris berikut (Arismunandar dan Kuwahara, 1991) :

35 40 P = 9,8 x Q x H eff (kw) (2.39) Dimana :P = Tenaga yang dihasilkan secara teoritis (kw), Q = Debit pembangkit (m³/det) Heff= Tinggi jatuh efektif (m), 9,8 = Percepatan gravitasi (m/s2). Seperti telah dijelaskan bahwa daya yang keluar merupakan hasil perkalian dari tinggi jatuh dan debit, sehingga berhasilnya suatu usaha pembangkitan tergantung dari usaha untuk mendapatkan tinggi jatuh air dan debit yang besar secara efektif dan ekonomis. Selain itu pembangkitan tenaga air juga tergantung pada kondisi geografis, keadaan curah hujan dan area pengaliran (catchment area) (Arismunandar dan Kuwahara, 1991). Penentuan tinggi jatuh efektif dapat diperoleh dengan mengurangi tinggi jatuh total (dari permukaan air sampai permukaan air saluran bawah) dengan kehilangan tinggi pada saluran air. Tinggi jatuh penuh adalah tinggi air yang kerja efektif saat turbin air berjalan (Arismunandar dan Kuwahara, 1991). Adapun debit yang digunakan dalam pembangkit adalah debit andalan yang terletak tepat setinggi mercu yaitu debit minimum. Karena pembangkit ini direncanakan beroperasi selama 24 jam sehari semalam (Arismunandar dan Kuwahara, 1991). Daya yang masuk atau total daya yang diserap oleh suatu mikrohidro merupakan daya kotor ( bruto ),P gross. Daya yang biasanya disampaikan adalah daya bersih ( P net ). Keseluruhan efesiensi yang mempengaruhi daya ini dimasukkan dalam e 0. Energi yang dilepaskan didapat dari berat air yang jatuh dikalikan dengan tinggi jatuh vertikalnya. Berat jatuh didapat dari massa ( m ) dikalikan dengan

36 41 percepatan gravitasi. Sementara tinggi jatuh vertikal merupakan harga h gross. Energi yang dilepas = m x g x h gross ( Joule ) (2.40) Karena berat air merupakan perkalian antara berat jenis (p) dengan volume air ( V), sehingga didapat : Energi yang dilepas =V x p x g x h gross (Joule) (2.41) Saat air masuk ke turbin dengan debit tertentu, energi yang dilepas dapat dinyatakan dalam kondisi daya ( power ), dimana Power merupakan energi yang dilepas persatuan waktu. P gross = p x Q x g x h gross (Joule/detik atau Watt) (2.42) Dengan memasuki harga massa jenis air ( p air ) = kg/m 3, dan percepatan gravitasi ( g ) = 9,8 m/detik 2. Daya yang dihasilkan pada turbin akan banyak berkurang dari daya kotornya ( P gross ), karena kehilangan akibat gesekan pada pipa pesat (penstock) dan pada turbin. Daya yang keluar pada generator berkurang lagi akibat kurang efisiennya sistem kerja dan generator. Selanjutnya, pada transmisi power hilang, dengan daya akhir yang mampu dihasilkan dan didistribusikan kepada penggunaan listrik mikrohidro ini hanya mencapai setengah dari kapasitas daya kotornya (P gross ). Nilai efisiensi keseluruhan (e 0 ) cenderung berkisar antara 0,4 hingga 0,6.