ANALISIS PROFIL SUDU TURBIN MIKRO HIDRO VORTEX UNTUK MENDAPATKAN EFISIENSI OPTIMUM Nandhika Fera Syafitri 1), Rosyida Permatasari 2) 1) Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Universitas Trisakti E-mail: nandhikafera@hotmail.com ; rosyida@trisakti.ac.id Abstrak Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) adalah suatu pembangkit lisrik berskala kecil yang menggunakan air sebagai sumber energinya. Pada PLTMH, air digunakan sebagai penggerak turbin. Turbin tersebut berfungsi untuk mengubah energi yang tersedia menjadi energi mekanik. Salah satu sistem yang digunakan oleh PLTMH adalah mikro hidro vortex. Mikro hidro vortex menggunakan energi kinetik air yang membentuk pusaran yang akan menggerakkan sudu turbin. Untuk mendapatkan efisiensi turbin yang optimal, maka salah satu faktor yang dapat ditinjau adalah pemilihan profil atau model turbin yang sesuai. Untuk mengetahui hal ini maka dilakukan simulasi dengan jumlah sudu tetap dan nilai kecepatan angular yang divariasikan antara 50 rpm sampai 250 rpm dengan interval 50 rpm. Simulasi performa turbin dilakukan dengan metode CFD menggunakan software ANSYS Fluent. Hasil simulasi menunjukkan bahwa profil sudu crossflow pada 150 rpm memiliki efisiensi yang paling tinggi pada angka 76%. Hasil yang diperoleh memiliki kecenderungan yang sama dengan hasil penelitian sebelumnya. Kata kunci: CFD, efisiensi, mikro hidro, profil sudu, pembangkit listrik, vortex. Pendahuluan Pada era ini, listrik masih menjadi salah satu hal yang paling di pertimbangkan di setiap negara. Berdasarkan Energy Access Outlook 2017 yang diterbitkan oleh International Energy Agency (IEA), pada tahun 2015, sebanyak 193 negara baik maju maupun berkembang telah berbondong-bondong dalam mengembangkan sumber energi listrik yang bersih dan berkelanjutan. Energi Baru Terbarukan (EBT) pun menjadi solusi terbaik. Pasalnya, dengan keadaan bumi yang semakin memburuk dan perubahan iklim yang semakin tidak beraturan membuat berbagai negara berusaha untuk mencari sumber energi lain. Di Indonesia sendiri, seiring dengan menipisnya cadangan minyak dan gas bumi per tahun 2015, berdasarkan Outlook Energi Indonesia 2016 yang diterbitkan oleh Dewan Energi Nasional, Pemerintah terdorong untuk mengembangkan EBT sebagai prioritas utama untuk mengganti penggunaan energi fossil sebagai sumber energi, mengingat Indonesia memiliki potensi EBT yang cukup besar namun belum dimanfaatkan secara maksimal. Salah satu proyek yang dikembangkan oleh pemerintah saat ini adalah Pembangkit Listrik Tenaga Micro Hydro (PLTMH). Proyek ini telah dikembangkan diberbagai desa di tanah air (Outlook energi indonesia 2016). PLTMH adalah salah satu solusi yang dapat di bangun di berbagai desa yang memiliki potensi aliran air yang cukup deras untuk memanfaatkan potensi sumber energi air di Indonesia. Salah satu sistem pembangkit yang dapat digunakan adalah Mikro hidro Vortex. Sistem ini mulai banyak dikembangkan diberbagai negara karena instalasinya yang tidak terlalu rumit dan tidak memerlukan head tinggi yaitu 0,7-2 m saja (Christine Power, Aonghus McNabola, 2016). Pemilihan profil sudu turbin yang sesuai tentu berpengaruh demi tercapainya performa sistem agar optimal. Maka dari itu, dalam penelitian ini desain beberapa profil sudu turbin dibandingkan dengan menggunakan simulasi CFD ANSYS Fluent untuk mendapatkan profil sudu yang paling sesuai yang nantinya dapat dijadikan acuan untuk pembangunan PLTMH vortex. 535
Studi Pustaka PLTMH vortex adalah suatu pembangkit listrik bertenaga air skala kecil yang menggunakan kaidah vortex atau pusaran air. PLTMH vortex mampu bekerja pada head yang rendah dengan turbin konvensional untuk Energi Baru Terbarukan (EBT). PLTMH vortex pertama kali dirancang oleh peneliti Austria bernama Franz Zotloterer ketika beliau sedang mencari cara yang paling efisien untuk memanfaatkan air (Dhakal, S., Timilsina, A. B., 2015). PLTMH vortex ini termasuk penemuan EBT yang ramah lingkungan dan tidak berbahaya untuk makhluk hidup di dalam air karena memiliki kecepatan putar turbin yang rendah. Prinsip kerja PLTMH vortex adalah air memasuki sebuah inlet yang berukuran besar dan bergerak melalui sebuah saluran menuju sebuah basin berbentuk lingkaran, kemudian air bergerak secara tangensial (Gambar 1). Dibawah basin yang berbentuk lingkaran tersebut, terdapat outlet untuk keluarnya air dimana diameter pada outlet lebih kecil dibanding diameter inlet. Pusaran air akan terbentuk didalam basin ketika air mengalir menuju outlet akibat adanya gravitasi. Turbin pada PLTMH vortex ini tidak bergerak karena adanya perbedaan tekanan namun bergerak karena gaya dinamik pada vortex (Dhakal, S., Timilsina, A. B., 2015). Gambar 1. Skema dari PLTMH Vortex (Nauman Hanif Khan, 2016) Metodologi 1. Persamaan Pemodelan Numerik Berdasarkan penelitian-penelitian sebelumya, pusaran air pada vortex diasumsikan sebagai pada kondisi tunak, simetris pada aksis dan aliran mampat. Hal ini akan diuraikan dengan persamaan kontinu dan persamaan Navier-Stokes pada koordinat silindris yang akan dideskripsikan sebagai berikut (Bruce R. Munson, Donald F. Young, 2009): (1) (2) (3) (4) Dimana,, dan adalah kecepatan tangensial, radial, dan axial pada masing-masing komponen, ρ adalah massa jenis fluida, g adalah percepatan gravitasi dan ν adalah viskositas kinematik. Karena persamaan tersebut terlalu komplex, maka persamaan tersebut sulit dipecahkan dengan solusi analitik (Dipesh Thapa, 2017). Maka dari itu digunakanlah simulasi CFD untuk dapat memprediksi aliran fluida dengan hasil yang mendekati keadaan sebenarnya. Simulasi akan dilakukan pada software ANSYS Fluent 536
2. Rancangan Profil Sudu Turbin Rancangan dibuat dalam empat tipe dengan menggunakan software CAD. Rancangan ini dianalisis dan dibandingkan dan disimulasikan menggunakan CFD ANSYS Fluent. Tipe turbin disajikan berdasarkan referensi dari berbagai peneliti (Nauman Hanif Khan, 2016)( Dhakal, R., Bajracharya, 2017). Rancangan tipe-tipe profil turbin ditunjukkan pada Gambar 2 berikut. (a) (b) (c) Gambar 2. Tipe-tipe sudu turbin (a) Profil 1: Curved (b) Profil 2: Crossflow (c) Profil 3: Inverted Conical 3. Pemodelan Masing-masing Profil Sudu pada ANSYS Fluent Untuk dapat melakukan simulasi PLMTH Vortex, perlu dilakukan pemodelan turbin didalam basin untuk kebutuhan simulasi pada ANSYS Fluent. Pemodelan dirancang menggunakan software CAD untuk masing-masing profil sudu. Hasil pemodelan dapat dilihat pada Gambar 3. Gambar 3. Pemodelan turbin didalam basin 4. Meshing Pada Geometri Basin Beserta Turbin Meshing adalah proses membagi-bagi geometri menjadi bentuk yang lebih kecil untuk kebutuhan perhitungan numerik pada simulasi ANSYS. Semakin besar jumlah meshing akan semakin akurat. Meshing pada basin beserta turbin ditunjukkan pada Gambar 4. Jumlah meshing yang diatur pada tiap-tiap rancangan adalah 510376 untuk profil curved, 509007 untuk profil crossflow, dan 508914 untuk profil inverted conical. Gambar 4. Meshing pada basin beserta turbin 537
5. Perhitungan Analitik Untuk menjalankan sebuah simulasi, maka dibutuhkan beberapa data pendukung yang akan berperan sebagai input pada ANSYS. Data-data tersebut diperoleh dari hasil perhitungan perancangan dengan berbagai persamaan. Untuk mendapatkan harga kecepatan air (V) dan laju aliran massa ( ) dapat dihitung menggunakan rumus berikut (Bruce R. Munson, Donald F. Young, 2009): (5) (6) (7) Nilai laju aliran massa yang didapatkan kemudian disimulasikan pada ANSYS Fluent. Hasil yang didapat dari simulasi berupa torsi,, yang akan dikalikan oleh variabel bebas yang ditentukan yaitu kecepatan angular,, untuk mendapatkan daya yang dihasilkan. Daya input, daya output serta efisiensi yang dihasilkan dapat dicari menggunakan persamaan-persamaan berikut (Christine Power, Aonghus McNabola, 2016): P in = (8) P out = (9) 100% (10) Hasil dan Pembahasan 1. Efek dari RPM Terhadap Torsi Pada tahap ini, tiga buah profil sudu yang telah dirancang dtempatkan pada basin. Ketika sudu-sudu tersebut ditempatkan pada posisi yang telah ditentukan, maka kecepatan angular air yang mengalir pada basin akan berkurang. Ketika kecepatan angular air berkurang, maka kecepatan angular sudu pun akan berkurang. Berkurangnya kecepatan angular pada sudu akan berdampak pada bertambahnya nilai torsi pada sudu. Hal ini dibuktikan pada hasil analisis dalam Gambar 5. Profil sudu crossflow (profil 2) menghasilkan torsi yang paling tinggi dibanding dengan profil sudu lainnya. Hal ini dikarenakan bentuknya yang mengakibatkan sedikitnya distorsi atau pembelokan air pada vortex ketika melewati sudu-sudu turbin dan menghasilkan energi kinetik air yang lebih maksimal dibanding profil sudu lainnya. Sudu inverted conical (profil 3) memiliki nilai torsi paling rendah karena bentuknya yang memiliki area kontak lebih sedikit dan dapat juga disebabkan oleh kurang halusnya proses penumbukkan air pada turbin karena bentuknya yang datar, sedangkan sudu curved (profil 1) berada di posisi kedua. Hal ini dapat disebabkan karena rancangan yang dibuat sesuai dengan perhitungan analitik untuk mendapatkan harga torsi yang tinggi. Gambar 5. Grafik pengaruh kecepatan angular terhadap torsi. 2. Daya yang Dihasilkan Daya yang dihasilkan setelah simulasi akan ditunjukkan pada Tabel 1 berikut: 538
No. Sudu Tabel 1. Data daya yang dihasilkan Kecepatan Angular Laju Aliran Massa Torsi Daya Input Daya Output RPM kg/s Nm kw kw 1 50 2960.691 2506.29 31.981 13.1 2 100 2960.691 2041.01 31.981 21.4 Profil 1 3 150 2960.691 1503.57 31.981 23.6 Curved 4 200 2960.691 1025.55 31.981 21.5 5 250 2960.691 483.762 31.981 12.7 6 50 2960.691 2839.78 31.981 14.9 7 100 2960.691 2187.08 31.981 22.9 Profil 2 8 150 2960.691 1546.54 31.981 24.3 Crossflow 9 200 2960.691 1005.39 31.981 21 10 250 2960.691 480.389 31.981 12.6 16 50 2960.691 1209.8 31.981 6.3 17 Profil 3 100 2960.691 1064.63 31.981 11.1 18 Inverted 150 2960.691 846.099 31.981 13.3 19 Conical 200 2960.691 588.508 31.981 12.3 20 250 2960.691 328.589 31.981 8.6 3. Efek dari RPM Terhadap Efisiensi Efisiensi yang tertinggi untuk profil crossflow dan inverted conical terjadi pada kecepatan angular 150 rpm sedangkan efisiensi tertinggi untuk sudu curved terlihat pada kecepatan angular 150 rpm seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Nilai efisiensi pada profil crossflow adalah yang paling tinggi. Hal ini dapat dikarenakan profil sudu crossflow memiliki torsi yang paling tinggi. Profil inverted conical merupakan profil yang memiliki efisiensi paling rendah. Pada profil crossflow dihasilkan efisiensi sebesar 76% pada 150 rpm, profil curved 67% pada 150 rpm, dan profil inverted conical 42% pada 150 rpm. Gambar 6. Grafik pengaruh kecepatan angular terhadap efisiensi Hasil Penelitian Sebelumnya Perbandingan hasil analisis pengaruh kecepatan angular terhadap efisiensi yang telah diperoleh dengan hasil analisis penelitian sebelumnya, akan disajikan pada grafik dalam Gambar 7. 539
Gambar 7. Grafik perbandingan pengaruh kecepatan angular terhadap efiensi antara hasil analisis dengan penelitian sebelumnya. Pada grafik ditunjukkan bahwa nilai efisiensi sudu curved milik R. Dhakal pada 100 rpm memiliki efisiensi paling tinggi yang diikuti dengan sudu crossflow pada 150 rpm milik penulis. Posisi ketiga diduduki oleh sudu curved milik penulis dimana nilai efisiensi yang didapatkan tidak jauh berbeda dengan nilai efisiensi pada sudu crossflow milik penulis. Sudu datar/lurus (flat/straight) cenderung memiliki efisiensi yang rendah oleh tiap penulis. Hasil data oleh penulis dan Nauman Hanif Khan memiliki sudu crossflow sebagai efisiensi tertinggi. Karena penulis R. Dhakal tidak meneliti mengenai performa sudu crossflow, maka hasil analisis penulis memiliki kecenderungan yang sama dengan hasil penelitian sebelumnya yang didukung oleh hasil penelitian Nauman Hanif Khan, dan untuk sudu curved yang menduduki posisi kedua dapat didukung dengan penelitian R.Dhakal dimana sudu curved memiliki efisiensi lebih tinggi dibanding sudu straight/flat. Simpulan Dari hasil penelitian yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa dari tiga profil yang telah dirancang, profil crossflow memiliki nilai efisiensi tertinggi dengan nilai 76% pada 150 rpm diikuti oleh profil curved dengan nilai 67% pada 150 rpm, dan profil inverted conical 42% pada 150 rpm. Daftar Pustaka Bruce R. Munson, Donald F. Young, et al, Fundamentals of Fluid Mechanics, edisi 6, USA : John Wiley & Sons, Inc. 2009, bab 12, hal 682-685. Christine Power, Aonghus McNabola, et al, 2016, A Parametric Experimental Investigation of the Operating Conditions of Gravitational Vortex Hydropower (GVHP), Journal of Clean Energy Technologies, vol. 4 No. 2, 112-119. Dewan Energi Nasional. Outlook energi indonesia 2016. Jakarta, 2016. Dhakal, R., Bajracharya, et al., 2017, Computational and experimental investigation of runner for gravitational water vortex power plant, 6th International Conference on Renewable Energy Research and Applications, 365 373. Dhakal, S., Timilsina, A. B., et al., 2015, Mathematical modeling, design optimization and experimental verification of conical basin : Gravitational water vortex power plant, dalam World Largest Hydro Conference. 540
International Energy Agency. Energy access outlook 2017. Paris, 2017. Nauman Hanif Khan, 2016, Blade Optimization of Gravitational Water Vortex Turbine, Tesis MT, Teknik Mesin, Ghulam Ishaq Khan Institute of Engineering Sciences and Technology. Thapa, D., Mishra, A., et al., 2017, Effect of inlet geometry in the quality of vortex formed using vortex flow channel, International Journal of Mechanical Engineering and Technology, vol 8 no 5, 515 524. 541