EVALUASI KINERJA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO HIDRO DI DESA BULUH AWAR KECAMATAN SIBOLANGIT KABUPATEN DELI SERDANG PROPINSI SUMATERA UTARA TUGAS AKHIR Diajukan untuk melengkapi tugas-tugas dan memenuhi syarat untuk menempuh Colloqium Doqtum/ Ujian Sarjana Teknik Sipil Disusun Oleh : SAKIDIANSYAH 07 0404 005 BIDANG STUDI SUMBER DAYA AIR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2011
Medar, NoYember 2011 Kepada Yth: Ketua Departemen Teknik Sipil di Tempat Dengan hormat, Dengan ini kami beritahukan kepada saudam, bahwa tugas akhir dari mahasiswa tersebut di bawah ini: Nama NIM hdul Tugas Akhir Sakidiansyah 07 0404 005 Evalu{si Kinerja Pembangkit Listfik Tenaga Mik$ Hidro Di Desa Buluh Awar Kecamatao Sibolangit Kabupaten Deli Serdatrg Propirsi Sumatera Utara Kelompok Studi Teknik Sumber Drya Air telah selesai diperbaiki dar memenuhi syarat untuk Colloqium Dochrm sesuai dengan jadwal. Atas perhatian dan kerjasama dad saudara diucapkan tedma kasih. Dosen Pem Dr, Ir. Ahmad Perwira Mulia. M.Sc NIP. 19660417199303 I 004
ABSTRAK Saat ini, listrik merupakan salah satu kebutuhan yang sangat penting bagi kehidupan manusia. Listrik dibutuhkan tidak hanya untuk penerangan, melainkan juga untuk melakukan aktivitas kehidupan sehari-hari yang berhubungan dengan kegiatan sosial dan ekonomi masyarakat. Tak jarang, keberadaan jaringan listrik pada suatu daerah menentukan kemajuan dan perkembangan daerah tersebut. Permasalahan yang ada saat ini adalah terbatasnya suplai tenaga listrik yang mengakibatkan krisis energi listrik, terutama di daerah-daerah terpencil yang tidak terjangkau oleh jaringan listrik PLN. Salah satu solusi untuk pengadaan energi listrik di daerah terpencil tersebut adalah dengan pembangunan Pembangkit Listrik Tenaga Mini/Mikro Hidro (PLTMH). PLTMH adalah istilah yang digunakan untuk instalasi pembangkit listrik yang menggunakan energi 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 energi yang bisa dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik. Penelitian ini dilatarbelakangi oleh kondisi Desa Buluh Awar, Kecamatan Sibolangit, Kabupaten Deliserdang yang sudah terdapat jaringan pembangkit listrik tenaga mikro hidro, namun dengan bertambahnya jumlah penduduk membuat kebutuhan akan listrik juga semakin meningkat. Apalagi diikuti tuntutan dan perkembangan teknologi informasi yang membutuhkan suplai energi listrik yang besar. Studi ini bertujuan untuk menganalisis kinerja PLTMH yang sudah ada, di mana analisis yang dihasilkan akan menunjukkan potensi energi yang ada di Sungai Peipei, sebagai sumber air untuk memutar turbin, apakah daya yang selama ini dimanfaatkan masih dapat ditingkatkan. Dalam melakukan studi ini dilakukan pengumpulan data primer dan data sekunder. Data primer mencakup pengukuran debit sesaat, inventarisasi komponen PLTMH, mulai dari intake, saluran pembawa, hingga rumah pembangkit (power house), dan pengukuran topografi lokasi PLTMH. Data sekunder meliputi data curah hujan, data klimatologi, daerah tangkapan air (catchment area), data penduduk, dll. Hasil studi menunjukan bahwa perhitungan debit andalan dengan Metode F.J. Mock menghasilkan debit andalan sebesar 0,7.85 m 3 /detik dan daya yang dihasilkan sebesar 93.86 kw. Kata Kunci: debit, tinggi jatuh (head), energi listrik iv
KATA PENGANTAR Alhamdulillah, segala puji syukur bagi allah SWT yang telah memberi karunia kesehatan dan kesempatan kepada penulis untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini. Shalawat dan salam ke atas Baginda Rasullah Muhammad SAW yang telah memberi keteladanan tauhid, ikhtiar dan kerja keras sehinggga menjadi panutan dalam menjalankan setiap aktifitas kami sehari-hari, karena sungguh suatu hal yang sangat sulit yang menguji ketekunan dan kesabaran untuk tidak pantang menyerah dalam menyelesaikan penulisan ini. Penulisan skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan studi pada Program Studi Stara Satu (S1) Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun judul skripsi yang diambil adalah: Evaluasi Kinerja Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro Di Desa Buluh Awar Kecamatan Sibolangit Kabupaten Deli Serdang Propinsi Sumatera Utara Penulis menyadari bahwa dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini tidak terlepas dari dukungan, bantuan serta bimbingan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada beberapa pihak yang berperan penting yaitu : 1. Bapak Dr. Ir. Ahmad Perwira Mulia M.Sc selaku Dosen Pembimbing, yang telah banyak memberikan bimbingan yang sangat bernilai, masukan, dukungan serta meluangkan waktu, tenaga dan pikiran dalam membantu penulis menyelesaikan Tugas Akhir ini. 2. Bapak Muhammad Faisal ST, MT, yang telah banyak memberikan dukukungan, masukan, bimbingan serta meluangkan waktu, tenaga dan pikiran dalam membantu saya menyelesaikan tugas akhir ini. 3. Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME selaku Dekan Fakultas Teknik. 4. Bapak Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan selaku Ketua Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik. i
5. Bapak Ir. Syahrizal, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik. 6. Bapak Ir. Terunajaya,MSc, Bapak Ir. Makmur Ginting, MSc, Bapak Ir.Sufrizal M Eng (Alm), Bapak Ivan Indrawan ST, MT, selaku Dosen Pembanding, atas saran dan masukan yang diberikan kepada penulis terhadap Tugas Akhir ini. 7. Bapak Nadirin, Bapak Trimo, Bapak Tarigan, Bapak Kepin, Yang telah membantu dan menyelesaikan survey di lokasi study di desa buluh awar. 8. Ibunda Suriani SST tercinta dan Ayahanda Syahrial Effendi yang telah banyak berkorban, memberikan motivasi hidup, semangat dan nasehat, beserta saudarasaudari tersayang: Yose Rizal Efeendi, Fifi Ayu Effendi, yang selalu mendoakan dan mendukung penulis. 9. Bapak/Ibu seluruh staff pengajar Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik. 10. Seluruh pegawai administrasi Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik yang telah memberikan bantuan selama ini kepada penulis. 11. Kawan-kawan seperjuangan angkatan 2007, Alfri (Kancil), Aulia(Akong), Dipa, Faiz, dikin, Alef, Ghufran, Tomo, Iqbal, Bagus, Jora, Dicky, Juangga, Febri, Ihsan, Arsyad, Muna, Herry, Ari Manalu, Iwan, Dhani, Vivi, Adean, Putri, Tessa, Vina, Dina, Dita, Gina, serta teman-teman angkatan 2007 yang tidak dapat disebutkan seluruhnya terima kasih atas semangat dan bantuannya selama ini. 12. Abang/kakak senior: Bang Maijer, Bang Roy, Bang Syawal, Bang Andre, Bang Hazian, Bang Riski, Bang Leo, Bang Ghafur, Bang Emir, Bang Acah, Bang Atha, Bang Gabe, Bang Afif, Bang Rivan, Bang Muhajir, Bang Tami, Bang Fahim, kak Nurhafni, Kak Icha, Kak Dzi, Kak Sheila, Kak Wynda, Kak Citra, Kak Diana. Adik-adik angkatan 2010: Abdul, Iqbal, Ijeb, Patra, Rissa, Reby, Dilla, Cika, Sari, Dara, dan lain-lain yang tidak dapat disebutkan seluruhnya terima kasih atas semangat dan bantuannya selama ini. 13. Buat Sahabat saya Yasin, Tino, Andi, Tagor, Alex, Serta orang-orang yang penulis yang saya sayangi. 14. Dan segenap pihak yang belum penulis sebut di sini atas jasa-jasanya dalam mendukung dan membantu penulis dari segi apapun, sehingga Tugas Akhir ini dapat diselesaikan dengan baik. ii
Mengingat adanya keterbatasan-keterbatasan yang penulis miliki, maka penulis menyadari bahwa laporan Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, segala saran dan kritik yang bersifat membangun dari pembaca diharapkan untuk penyempurnaan laporan Tugas Akhir ini. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih dan semoga laporan Tugas Akhir ini bermanfaat bagi para pembaca. Medan, November 2011 Penulis Sakidiansyah 07 0404 005 iii
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i ABSTRAK... iv DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR TABEL... xi BAB I...1 1.1 Umum...1 1.2 Latar Belakang...3 1.3 Maksud dan Tujuan...8 1.4 Ruang Lingkup Kegiatan...8 1.5 Pembatasan Masalah... 10 1.6 Lokasi Penelitian... 10 1.7 Metodologi Penelitian... 11 1.7.1 Kapasitas Aliran Air (debit) dan Tinggi Jatuh (head)... 12 1.7.2 Energi Lisrik... 12 1.7.3 Bangunan Sipil... 13 1.8 Sistematika Penulisan... 13 BAB II... 15 2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro PLTMH... 15 2.1.1 Kelebihan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH)... 24 2.1.2 Kekurangan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH)... 25 2.2 Tenaga Listrik dan Air... 25 2.3 Perencanaan Pembangunan PLTMH... 27 2.3.1 Perencanaan Sipil... 30 v
2.3.2 Perencanaan Elektromekanikal... 34 2.3.3 Standar Nasional Indonesia untuk PLTMH... 41 2.3.4 Manfaat PLTMH... 44 2.3.5 Aspek Lingkungan... 46 2.3.6 Aspek Sosial Ekonomi... 47 2.3.7 Aspek Lembaga Kemasyarakatan... 47 2.4 Perhitungan Debit Andalan... 48 2.4.1 Perhitungan Curah Hujan Regional... 49 2.4.1.1 Cara rata-rata aritmatik... 49 2.4.1.2 Cara Poligon (Thiessen polygon)... 50 2.4.2 Debit Andalan Metode Meteorological Water Balance Dr. F.J. Mock. 50 2.4.3 Flow Duration Curve (FDC)... 55 2.5 Dam dan intake... 57 2.6 Tipe dan Struktur Dasar Saluran... 62 2.7 Pipa Pesat (Penstock)... 68 2.7.1 Diameter Pipa pesat... 72 2.7.2 Kehilangan Akibat Gesekan Pada Pipa Pesat... 73 2.8 Rumah Pembangkit (Power House)... 76 2.9 Daya Energi Listrik... 77 2.10 Penerapan Teknologi Mikro Hidro... 80 2.11 Identifikasi Potensi dan Pengukuran Debit Air... 81 2.12 Analisis Debit Sesaat... 81 2.12.1 Peralatan Yang Digunakan... 82 2.12.2 Mengukur Kecepatan Air Sungai... 82 2.12.3 Mengukur debit dengan metode Direct Step... 85 2.13 Pengukuran tinggi jatuh... 87 vi
2.14 Pengukuran lebar dan kedalaman sungai... 88 2.15 Perkiraan jarak jaringan listrik PLN terdekat dengan desa setempat... 88 BAB III... 89 3.1 Umum... 89 3.2 Kondisi Hidroklimatologi... 94 3.2.1 Sungai... 94 3.2.2 Kualitas Air... 94 3.2.3 Data Curah Hujan dan Klimatologi... 94 BAB IV... 96 4.1 Konsep Berfikir... 96 4.2 Studi Pustaka... 99 4.3 Pengambilan Data... 99 4.4 Pengolahan Data... 99 4.5 Analisis Data... 100 BAB V... 101 5.1 Kondisi Komponen-Komponen PLTMH... 101 5.1.1 Dam/bendung pengalih intake (diversion weir dan intake)... 101 5.1.2 Saluran Pembawa (Head Race)... 101 5.1.3 Saluran pembuang (Spillway)... 103 5.1.4 Bak Penenang (Headtank)... 104 5.1.5 Pipa Pesat (Penstock)... 104 5.1.6 Rumah Pembangkit (Power House)... 105 5.1.7 Jaringan transmisi... 106 5.2 Evaluasi Data... 106 5.2.1 Analisis Data Curah Hujan... 107 5.2.2 Perhitungan Metode Empiris Debit Andalan Sungai... 107 vii
5.2.3 Analisis Flow Duration Curve (FDC)... 123 5.2.4 Analisis Debit sesaat... 126 5.2.5 Daya yang Dapat Dihasilkan... 127 5.2.6 Perhitungan Ekonomis... 128 BAB VI... 130 6.1. Kesimpulan... 130 6.2. Saran... 131 DAFTARPUSTAKA... 132 LAMPIRAN... viii
DAFTAR GAMBAR Gambar 1. 1 Peta Lokasi Studi di Desa Buluh Awar Kecamatan Sibolangit.... 11 Gambar 2. 1 Bagan komponen-komponen PLTMH.... 17 Gambar 2. 2 Contoh bendung, intake, dan saluran pembawa di PLTMH.... 19 Gambar 2. 3 Contoh bak pengendap yang sudah beroperasi, kelebihan air dari saluran pembawa akan melimpah ke samping dan terdapat penyaring sampah.... 19 Gambar 2. 4 Contoh pipa pesat, perhatikan beda ketinggian yang ada.... 20 Gambar 2. 5 Contoh Rumah pembangkit... 20 Gambar 2. 6 Contoh turbin, perhatikan generator yang berwarna silver dan sabuk pemutar.... 21 Gambar 2. 7 Contoh pengontrol beban listrik atau electric load controller.... 21 Gambar 2. 8 Contoh jaringan kabel listrik pada tiang jaringan.... 22 Gambar 2. 9 Contoh jaringan listrik tepatnya pada sambungan rumah.... 22 Gambar 2. 10 Efisiensi sistem yang spesifik untuk sebuah skema yang berjalan pada perencanaan aliran listrik.... 27 Gambar 2. 11 Contoh Hidrograf dari data sepanjang 16 tahun... 55 Gambar 2. 12 Contoh Flow Duration Curve (Kurva Durasi Debit Air)... 56 Gambar 2. 13 Contoh low duration curve dalam satu tahun.... 56 Gambar 2. 14 grafik faktor gesekan pada pipa.... 74 Gambar 2. 15 Efiesiensi pada skema PLTMH... 79 Gambar 2. 16 Rambu-rambu Lokasi Pengukuran Debit Sungai.... 83 Gambar 2. 17 Alat pengukur kecepatan arus (current meter)... 83 Gambar 2. 18 Contoh format hitungan debit dengan current meter sederhana.... 84 Gambar 2. 19 Distribusi kecepatan aliran pada suatu tampang sungai... 85 Gambar 2. 20 Distribusi kecepatan aliran sungai secara horizontal dan vertikal.... 85 Gambar 3. 1 Peta Lokasi PLTMH Dalam Wilayah Kecamatan Sibolangit... 90 Gambar 3. 2 Peta Lokasi PLTMH Dalam Wilayah Desa Buluh Awar... 91 Gambar 3. 3 Peta Tata Guna Lahan Kecamatan Sibolangit Kabupaten Deli Serdang. 93 Gambar 3. 4 Akses jalan menuju Desa Buluh Awar.... 93 ix
Gambar 3. 5 Kondisi sungai di lokasi studi (a) kondisi badan sungai (b) lokasi PLTMH.... 94 Gambar 4. 1 Digram Alir Konsep Berpikir Pembangunan PLTMH.... 98 Gambar 5. 1 Dam/bendung pengalih intake (diversion weir dan intake).... 101 Gambar 5. 2 Situasi/Komponen PLTMH... 103 Gambar 5. 3 saluran pembawa (Head Race)... 103 Gambar 5. 4 Saluran Pembuang (spillway)... 103 Gambar 5. 5 (a) bak penenang, (b) saringan, (c) salurang pelimpah... 104 Gambar 5. 6 pipa pesat (penstock)... 105 Gambar 5. 7 Power house dan generator... 105 Gambar 5. 8 jaringan transmisi dari lokasi PH (Power House) ke penduduk... 106 Gambar 5. 9 Grafik PDC (Flow Duration Curve)... 125 Gambar 5. 10 Grafik Debit rata-rata bulanan dari Tahun 2001-2010... 126 x
DAFTAR TABEL Tabel 2. 1 Komponen PLTMH dan Fungsinya... 17 Tabel 2. 2 Material Pipa Pesat... 33 Tabel 2. 3 Daerah Operasi Turbin... 35 Tabel 2. 4 Range kecepatan spesifik berbagai jenis turbin... 36 Tabel 2. 5 Rumusan kecepatan spesifik berbagai jenis turbin... 37 Tabel 2. 6 Putaran Generator Sinkron (rpm)... 38 Tabel 2. 7 Run-away speed turbin, N maks/n... 38 Tabel 2. 8 Standar Nasional Indonesia untuk PLTMH... 41 Tabel 2. 9 Perhitungan prosentasi luas daerah (a i ) pada suatu wilayah A (10.000 ha)... 50 Tabel 2. 10 Perhitungan Curah Hujan rata -rata cara poligon di suatu Wilayah A... 50 Tabel 2.11 Jenis dam Intake... 58 Tabel 2.12 Tipe-Tipe Saluran Pembawa Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Air Skala Kecil... 63 Tabel 2.13 Struktur Dasar Saluran Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Air Skala Kecil.... 65 Tabel 2. 14 Bahan-bahan pipa penstock untuk pembangkit listrik tenaga air Skala kecil... 70 Tabel 2. 15 Koefisien kekasaran pipa dalam mm... 74 Tabel 2. 16 koefisien ketajaman sudut masuk... 75 Tabel 2. 17 Koefisien bukaan klep... 75 Tabel 3. 1 Curah Hujan Bulanan Stasiun Tuntungan dan Sekitarnya... 95 Tabel 3. 2 Curah Hujan Bulanan Stasiun Tongkoh (Kabupaten Karo)... 95 Tabel 3. 3 Curah Hujan Bulanan Stasiun Kuta Gadung (Kabupaten Karo)... 95 Tabel 5. 1 Curah Hujan Regional DAS Peipei... 107 Tabel 5. 2 Analisa Debit Andalan dengan Metode F.J.Mock Sungai Peipei Thn. 2001... 113 Tabel 5. 3 Analisa Debit Andalan dengan Metode F.J.Mock Sungai Peipei Thn. 2002... 114 xi
Tabel 5. 4 Analisa Debit Andalan dengan Metode F.J.Mock Sungai Peipei Thn. 2003... 115 Tabel 5. 5 Analisa Debit Andalan dengan Metode F.J.Mock Sungai Peipei Thn. 2004... 116 Tabel 5. 6 Analisa Debit Andalan dengan Metode F.J.Mock Sungai Peipei Thn. 2005... 117 Tabel 5. 7 Analisa Debit Andalan dengan Metode F.J.Mock Sungai Peipei Thn. 2006... 118 Tabel 5. 8 Analisa Debit Andalan dengan Metode F.J.Mock Sungai Peipei Thn. 2007... 119 Tabel 5. 9 Analisa Debit Andalan dengan Metode F.J.Mock Sungai Peipei Thn. 2008... 120 Tabel 5. 10 Analisa Debit Andalan dengan Metode F.J.Mock Sungai Peipei Thn. 2009... 121 Tabel 5. 11 Analisa Debit Andalan dengan Metode F.J.Mock Sungai Peipei Thn. 2010... 122 Tabel 5. 12 Debit S. Peipei di Desa Buluh Awar (2001 2010)... 123 Tabel 5. 13 Probabilitas Kejadian Debit di S. Peipei Desa Buluh Awar 2001 2010... 124 Tabel 5. 14 Hasil Perhitungan Debit Andalan Metode F.J.Mock... 125 Tabel 5. 15 Pengukuran Perhitungan Kecepatan dan Debit Air Sungai... 127 xii