PENERAPAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO DI DESA HUKURILA KOTA AMBON UNTUK MENDUKUNG KETAHANAN ENERGI James Zulfan 1*, Erman Mawardi 1, dan Yanto Wibowo 1 1 Puslitbang Sumber Daya Air, Kementerian Pekerjaan Umum *jameszulfan@gmail.com Abstrak Semakin terbatasnya ketersediaan minyak bumi berdampak pada penyediaan energi nasional, dimana seiring dengan terus bertambahnya penduduk maka bertambah pula kebutuhan pasokan energi primernya. Oleh karena itu, perlu mengembangkan potensi energi terbarukan yang lain. Salah satu jenis energi energi terbarukan yang mempunyai potensi besar untuk dikembangkan adalah tenaga air skala kecil (mikrohidro). Berkaitan dengan hal tersebut Pusat Litbang Sumber Daya Air melakukan pengkajian di beberapa lokasi sungai di Indonesia yang berpotensi untuk dijadikan PLTMH, salah satunya di sungai Way Rupa desa Hukurila Kecamatan Lai Timur, Selatan Kota Ambon yang berpenduduk 623 jiwa dan 147 Kepala Keluarga. Berdasarkan hasil pengkajian lapangan diketahui bahwa di sungai Way Rupa ini mengalir aliran sungai yang cukup deras sehingga mempunyai potensi energi listrik yang cukup besar, dimana daya listrik yang dapat dihasilkan sebesar 3,3 kw dan potensi ini belum dimanfaatkan sehingga sangat berpotensi untuk dibangun Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH). Tulisan ini akan membahas hasil kajian lapangan, desain PLTMH, dan penerapannya. Kata kunci : sungai, turbin, mikrohidro, energi PENDAHULUAN Desa Hukurila terletak di Kecamatan Lai Timur, Selatan Kota Ambon. Desa ini berpenduduk sekitar 623 jiwa dengan 147 Kepala Keluarga. Mata pencaharian penduduk sebagian besar adalah petani dan nelayan. Desa ini mempunyai pantai yang indah tempat berlabuh perahu nelayan yang dijadikan juga tempat wisata, selain itu di desa ini juga mengalir aliran sungai yang cukup deras sehingga mempunyai potensi energi listrik yang cukup besar dan belum dimanfaatkan. Pemanfaatan potensi ini jika dilakukan dengan konsep yang tepat maka dalam jangka waktu panjang akan meningkatkan lapangan pekerjaan, dan memberdayakan masyarakat pedesaan untuk dapat melakukan kegiatan secara mandiri. Persyaratan pokok sebuah PLTMH adalah tersedianya debit air dan adanya perbedaan tinggi terjunan aliran sungai. Aliran akan dialirkan kedalam turbin dan daya air yang ada akan memutarkan generator untuk menghasilkan energi listrik. PLTMH dalam perkembangannya dapat disiapkan untuk interkoneksi pada jaringan listrik yang telah ada (grid connection). Pembangunan PLTMH merupakan salah satu upaya untuk menyediakan listrik yang dengan sendirinya dapat meningkatkan taraf hidup masyarakat pedesaan. Berkaitan dengan hal diatas, maka terjunan aliran sungai Way Rupa yang potensinya cukup besar dapat dijadikan PLTMH. 1
Pembangunan PLTMH di desa ini dimaksudkan pula sebagai penyebarluasan teknologi PLTMH. TINJAUAN PUSTAKA 1. Pengertian Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro adalah pembangkit energi skala kecil yang digerakkan oleh tenaga aliran air yang mempunyai tinggi energy (head) dan debit tertentu dengan menggunakan turbin yang menghasilkan energi putaran yang dihasilkan turbin. Selanjutnya digunakan untuk menggerakan generator sehingga menghasilkan energi listrik. Gambaran umum situasi PLTMH yang biasa ditemui di Indonesia dapat dilihat pada Gambar 1 (Wibowo, 2005). Gambar 1. Situasi umum PLTMH 2. Rumus Dasar a) Daya Aliran Air P = ρgqh (1) dimana : P : Daya hidraulik (Watt) ρ : Kerapatan massa air (1000 kg/m 3 ) g : Percepatan gravitasi (9,81 m/s 2 ) Q : Debit ( m 3 /s) H : Tinggi energi efektif (m) b) Tinggi Energi Efektif Turbin propeler H = Ht + vo2 2g h v2 2g dimana : H : Tinggi energi efektif (m) Ht : Tinggi energi total (m) h : kehilangan energi total antara pintu pengambilan dan saluran pengeluaran di hilir draft tube (m) vo : Kecepatan aliran disaluran masuk (m/s) v : Kecepatan aliran disaluran pelepas di hilir draft tube (m/s) (2) 2
c) Konversi Daya Hdraulik Konversi daya hidraulik menjadi daya turbin akan menghasilkan daya turbin yang lebih kecil dari daya hidrauliknya karena adanya kehilangan daya di turbin yang diperhitungkan dalam bentuk efisiensi turbin. P T = π T P A (3) dimana : P T : Daya Listrik (Watt) P A : Daya Turbin (Watt) π T: Efisiensi generator Konversi daya turbin menjadi daya listrik dengan menggunakan putaran turbin untuk memutar generator akan menghasilkan daya listrik yang lebih kecil dari daya turbin karena adanya kehilangan daya di generator yang diperhitungkan dalam bentuh efisiensi genarator. P e = π g Pr (4) dimana : P e : Daya Listrik (Watt) Pr : Daya Turbin (Watt) π g : Efisiensi generator d) Kehilangan Energi 1.) Kehilangan Energi untuk Pra Desain h T = 7 9% H T (5) dimana : H T : tinggi energi total (m) 2) Kehilangan Energi untuk Perencanaan Detail Kehilangan Energi pada inlet pipa pesat/penstok h i = f i v 2 /2g (6) dimana : h i : kehilangan energi pada inlet pipa pesat (m) f i : Koefisien gesekan yang diperoleh dari Diagram Moody v : kecepatan aliran didalam pipa pesat (m/s) Kehilangan Energi akibat gesekan sepanjang pipa pesat/penstok h gs = f gs Lv 2 /(2gD) (7) dimana : h gs : kehilangan energi akibat gesekan disepanjang pipa suplai (m) f gs : Koefisien gesekan yang diperoleh dari Diagram Moody L : Panjang pipa suplai (m) v : kecepatan aliran didalam pipa suplai (m/s) D : Diameter pipa suplai (m) 3. Pemilihan Jenis Turbin Pemilihan jenis turbin yang sesuai untuk suatu tinggi energi efektif tertentu diperlukan untuk menghindari terjadinya gejala kavitasi oleh aliran yang dapat menimbulkan kerusakan pada runner turbin. Hal ini dapat dilakukan dengan menghitung besar kecepatan spesifik runner maksimum pada suatu tinggi energi efektif tertentu, untuk masing-masing jenis turbin dan membandingkannya dengan kecepatan spesifik runner ijin dari masing-masing jenis turbin. 1. Kecepatan Spesifik Runner Maksimum Kecepatan spesifik runner maksimum (Japanese Institute of Irrigation and Drainage, Volume 1 dan 2, March 1987) sebagai berikut : Turbin Pelton : Ns Max 85,49 H -0,243 (8) Turbin Cross flow : Ns Max 650 H -0,5 (9) Turbin Francis : Ns Max 30 + (20000/(H+20)) (10) Turbin Propeller : Ns Max 50 + (20000/(H+20)) (11) 3
4. Perencanaan Pipa Pesat/Penstok Diameter pipa pesat/penstok direncanakan dengan memperhitungkan kecepatan aliran yang optimum didalam pipa pesat berdasarkan rumus empiris dari USBR sebagai berikut: v = 0,125 (2gH) (12) D = (4Q/( πv)) (13) dimana : v : kecepatan aliran optimum didalam pipa pesat (m/s) H : Tinggi energi efektif (m) D : Diameter pipa pesat (m) Q : Debit penggerak turbin (m 3 /s) METODOLOGI Metodologi yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Pengumpulan data primer dan sekunder serta studi literatur 2. Analisis data topografi, hidrometri. 3. Penyusunan detail desain PLTMH dan bangunan pelengkap lainnya. 4. Konstruksi dan penerapan bangunan. Untuk lebih jelasnya mengenai metodologi tersebut dapat dilihat dalam bagan alir pada Gambar 2. PENGUMPULAN DATA DATA PRIMER 1. Peta Situasi, profil melintang dan menanjang 2. Data debit sesaat saluran DATA SEKUNDER 1. Data topografi 2. Data curah hujan harian maksimum 3. Peta geologi permukaan 4. Skema sistem jaringan irigasi ANALISIS TOPOGRAFI 1. Tinggi terjunan 2. Kemiringan dasar saluran 3. Luas penampang saluran HIDROMETRI 1. Debit sesaat saluran HIDRAULIKA 1.Debit normal disaluran 2. Perhitungan bak simulasi 3. perhitungan garis energi 4. Perhitungan daya yang dihasilkan mikrohidro 5.Perhitungan debit pompa dan daya listrik DETAIL DESAIN Konstruksi Bendung, Bak penenang dan pelimpah PLTMH (Pipa pesat, turbin, generator) Pintu Struktur pelengkap PELAKSANAAN LAPANGAN Gambar 2. Bagan alir penelitian HASIL STUDI DAN PEMBAHASAN 1. Pengukuran Topografi Dan Hidrometri Sungai Way Rupa mengalir dari arah barat ke timur dan bermuara di Laut Banda. Sekitar 700 meter dari muaranya sungai Way Rupa terjun dengan beda ketinggian 7,5 meter, seperti terlihat pada Gambar 3. Lebar penampang sungai tepat di daerah terjunan 10,24 meter. Penampang sungai berbentuk tegak seperti huruf V. Dasar sungai dan tebing sungai berjenis batuan masif. Material angkutan sedimen jenis kerakal, kerikil, dan pasir. Beda ketinggian dasar sungai di udik terjunan dengan dasar sungai di terjunan 34,84 meter. Tepat di hilir terjunan alirann penampang sungai melebar dengan lebar sekitar 10 meter. Penampang sungai 20 meter dari terjunan ke arah hilir menyempit menjadi 8,1 meter. Sungai Way Rupa 4
merupakan keluaran (outflow) dari mata air dan terletak di daerah hulu dengan kemiringan dasar sungai cukup terjal, tebing dan dasar sungai terdiri dari batuan masif dan terdapat sedikit lapisan pasir dan kerikil pada dasar sungai dengan aliran cukup deras dan hydrograph banjir cepat naik dan cepat turun. Debit yang ada merupakan baseflow sehingga relatif tetap dan debit sesaat yang didapat dari hasil pengukuran sebear 0,092m 3 /s atau 92 liter per detik. Dari hasil pengukuran di lapangan diketahui bahwa tinggi terjunan = 6,5 meter, debit sesaat (baseflow) = 0,092m 3 /s, dan jarak PLTMH ke kampung terdekat = 486 meter. Gambar 3. Terjunan di sungai Way Rupa 2. Desain PLTMH Way Rupa 1) Perencanaan Hidrolis Untuk PLTMH Way Rupa ini, sumber air penggerak turbin berasal dari sebagian air sungai Way Rupa dengan lokasi pengambilan air di udik terjunan alam dengan membangun bendung dan bak penenang (head pond) yang kemudian aliran disalurkan melalui pipa pesat ke turbin yang ditempatkan di lokasi yang berjarak 20 m di hilir terjunan alam. Aliran yang keluar dari turbin dialirkan kembali ke sungai Way Rupa. Gambar denah desain bak penenang dan bendung dapat dilihat pada Gambar 4. Gambar 4. Denah desain bak penenang dan bendung 5
2) Debit Rencana Berdasarkan dari hasil pengukuran topografi, hasil pengukuran hidrometri sesaat dan rencana tinggi pembendungan, maka diperoleh tinggi energi total H sebesar 9,13 meter dan debit yang tersedia sebesar 92 liter per detik. Mengingat data debit yang diperoleh merupakan data debit sesaat, maka untuk perencanaan hidrolis debit aliran yang digunakan sebagai debit desain PLTMH Qd sebesar 80 liter per detik dan sisa debit sebesar 12 liter per detik tetap melimpas pada terjunan. 3) Perkiraan Tinggi Energi Efektif Dari persamaan (2) dapat diperkirakan besarnya kehilangan energi dan diperoleh nilai rentang kehilangan energi : H = 0,64 0,82 m, yang dipakai H = 0,82m Tinggi rentang efektif : H = 9,13 0,82 =8,31m 4) Pemilihan Jenis Turbin Dengan membandingkan hasil analisa kecepatan spesifik runner maksimum dengan kecepatan spesifik runner maksimum yang diijinkan, diperoleh hasil jenis turbin yang sesuai untuk PLTMH Way Rupa ini adalah Turbin Propeller. 5) Dimensi Pipa Pesat/Penstok Dari analisa sebelumnya diperoleh perkiraan tinggi energi efektif H = 8,31 m Maka sebagai pipa pesat digunakan pipa PVC dengan diameter D = 0,25 m 6) Perencanaan Pintu Pengambilan dan Bak Penenang/Pengendap (Head Pond) Berdasarkan data hasil pengukuran topografi dan rencana tinggi pembendungan diketahui : Elevasi dasar sungai di udik terjunan : +42,230 m Elevasi MA di udik Bendung Maksimum : +43,730 m Pintu Pengambilan Tinggi ambang pintu pengambilan dibagian hulu bak penenang diatas dasar sungai (p) P = 0,20 m Elevasi ambang pintu pengambilan : +42,430 m Kehilangan energi pada pintu pengambilan (z) : 0,25 m Kapasitas pintu pengambilan (Qd) : 0,080 m 3 /s Digunakan Pintu Sorong dengan : lebar pintu b = 1,00 m Koefisien pengaliran µ = 0,80 Tinggi bukaan pintu a = 0,045 m Elevasi muka air di hilir pintu/bak penenang : +43,630 m Bak Penenang/Pengendap (Head Pond) PLTMH ini direncanakan dengan pengontrol beban menggunakan dummy load, sedangkan untuk kasus bila hanya beban yang dikontrol maka kapasitas bak penenang 10-20 kali debit desain atau setara dengan 1600 liter, sedangkan untuk kondisi apabila beban dan debit dikontrol maka kapasitas bak penenang 30-60 kali dari debit desain atau setara dengan 4800 liter. (Direktorat Jendral Listrik dan Pemanfaatan Energi, 2008) Maka volume bak penenang = 7,2 m 3 (FK 1,5) dan lebar bak penenang = 1,50 m Untuk mencagah masuknya sedimen ke bak inlet pipa pesat, maka diantara bak pengendap dan bak inlet pipa pesat dibatasi ambang dengan ; Elevasi mercu ambang : +42,470 m 6
Dimensi pelimpah samping (sebelah kanan bak penenang) : hspw = 0,080 m 0,10 m 7) Saringan sampah Pada bagian muka pintu pengambilan harus dipasang saringan sampah dengan lebar bukaan saringan 5 cm, dengan jeruji saringan terbuat dari besi beton ø 12 mm. Diatas ambang pembatas antara bak pengendap dan bak inlet pipa pesat harus dipasang saringan sampah miring kearah hilir, dengan lebar bukaan 2 cm, dengan jeruji terbuat dari besi beton ø 12 mm. 8) Tinggi Energi Hidraulik Efektif Penggerak Turbin Berdasarkan perhitungan persamaan (7) dan (8) maka didapatkan : Total kehilangan energi dari pintu pengambilan samapi dengan bak inlet pipa pesat H = 0,3864 m, elevasi muka air di bak inlet pipa pesat = +43,630 m Total kehilangan energi sepanjang pipa pesat H = 0,263 m Tinggi energi efektif, H = 8,4288 m 9) Daya aliran air Dengan debit rencana sebesar Qd = 80 l/s dan tinggi energi total = 9,130 m maka dapat dihitung besarnya daya aliran air sebagai berikut : Tinggi energi efektif Hnet = 8,428 m Daya aliran air Pa = 6,608 kw 10) Konversi daya aliran air menjadi daya putaran turbin Besaran efisiensi turbin propeler dengan as horizontal, ƞt = 0,70 sehingga dengan menganggap efisiensi turbin ƞt = 0,70. (Direktorat Jendral Listrik dan Pemanfaatan Energi, 2008). Berdasarkan asumsi diatas maka daya yang dihasilkan turbin Pt = 4,625 kw. 11) Konversi daya putaran turbin menjadi daya listrik terbangkit Dengan menganggap efisiensi generator ƞg = 0,80 kemudian efisiensi transmisi ƞtrans = 0,95 dan efisiensi elektrik ƞelek = 0.95, maka daya listrik yang dihasilkan oleh PLTMH Way Rupa adalah sebesar Pe = ƞt ƞtrans ƞelek ρgqh = 3,339 kw 12) Saluran pembuang/pelepas Saluran pembuang dari draft tube turbin ke sungai direncanakan sebagai berikut : Panjang saluran penenang di hilir draft tube : 5,00 m Lebar saluran penenang : 0,80 m Elevasi MA di saluran penenang hilir draft tube : +34,70 Elevasi dasar di saluran penenang hilir draft tube : +33,30 Elevasi ambang di hilir penenang draft tube : +34,50 Elevasi dasar saluran pembuang di sungai : +33,30 Panjang saluran pembuang dari ambang saluran penenang sungai : 2,00 m Bentuk saluran penenang dan pembuang : persegi 13) Rumah pembangkit Ukuran 2m x 3m dengan arah panjang searah dengan arah masuknya pipa pesat Pondasi baru kali dengan balok sloof, kolom praktis pada sudut bangunan, balok ring dari beton bertulang, dinding pasangan bata diplester, dan tinggi pasangan bata 2,75 m. 7
PENERAPAN PLTMH Balai Wilayah Sungai (BWS) Maluku telah menerapkan hasil desain PLTMH ini di desa Hukurila Ambon yang diresmikan pengoperasiannya pada akhir tahun 2011. Penerapan PLTMH di desa Hukurila ini tidak dapat dilepaskan dari peran serta masyarakat local yang telah membantu dalam pelaksanaan pembangunannya. Pengoperasian PLTMH ini dilakukan hanya pada malam hari, sehingga air terjun Sungai Way Rupa di siang hari tetap dapat dinikmati sebagai daerah tujuan wisata. Jika PLTMH dioperasikan siang hari maka air terjun masih ada dengan debit 12 liter per detik. Hasil penerapan PLTMH dapat dilihat pada Gambar 5 dan Gambar 6. Gambar 5. Potongan memanjang desain PLTMH Hukurila Gambar 6. Foto-foto hasil penerapan PLTMH KESIMPULAN 1. Berdasarkan hasil analisa kecepatan spesifik runner diketahui bahwa turbin propeller tepat untuk digunakan pada tinggi energi H < 11m, dan turbin yang sesuai untuk PLTMH Way Rupa dengan Hef = 8,4288 m adalah turbin propeller. 2. Berdasarkan hasil perencanaan hidrolis PLTMH Way Rupa diperoleh hasil sebagai berikut : Sumber air penggerak turbin berasal dari air sungai Way Rupa yang disadap dari sebelah udik terjunan alam dengan membangun bendung dengan tinggi pembendungan 1,50 m, air yang keluar dari turbin dialirkan kembali ke sungai di hilir terjunan alami. 8
Debit desain turbin Qd = 80 l/s dan tinggi energi total Ht = 9,130 m. Dengan memperhitungkan kehilangan energi yang terjadi dari mulai intake sampai dengan saluran pelepas, menghasilkan daya aliran air, P = 6,608 kw. Daya yang dihasilkan turbin dengan efisiensi turbin ƞt = 70%, diperoleh hasil Pt= 4,625 kw Daya listrik yang dihasilkan dengan efisiensi generator ƞg = 80%. 3. Sesuai dengan hasil desain, PLTMH ini diterapkan di sungai Way Rupa desa Hukurilla Ambon yang pelaksanaan pembangunannya dilakukan oleh BWS Maluku dengan melibatkan tenaga kerja lokal. Pemanfaatan terjunan aliran sungai untuk PLTMH dilakukan pada malam hari, sedangkan di siang hari terjunan sungai masih dapat dimanfaatkan untuk kepentingan wisata. 4. PLTMH ini telah diresmikan pembangunannya dan siap dioperasikan untuk memenuhi kebutuhan akan energi listrik penduduk desa Hukurila. UCAPAN TERIMA KASIH Puji syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, dan juga kepada semua pihak yang sudah membantu dalam penyelesaian penulisan makalah tentang penerapan PLTMH Way Rupa di kota Ambon ini, semoga makalah ini bisa berguna bagi kita semua. REFERENSI Buletin IMIDAP, 2009. Serba-Serbi Teknologi Mikrohidro, Desain Struktur Mekanikal dan Elektrikal. Direktorat Jendral Listrik dan Pemanfaatan Energi, Departemen Energi Dan Sumber Daya Mineral, 2008. Pedoman Teknis Standarisasi Peralatan Dan Komponen Pembangkit Tenaga Mikrohidro. Direktorat Jendral Listrik dan Pemanfaatan Energi, Departemen Energi Dan Sumber Daya Mineral, 2008. Pedoman Studi Kelayakan Pengembangan PLTMH. Direktorat Jendral Pengairan, Departemen Pekerjaan Umum, 1986. Standar Perencanaan Irigasi, Kriteria Perencanaan Bagian Bangunan Utama, KP-02. Japanese Institute of irrigation and drainage, 1987. Smale scale hydro power generation. Engineering Manual for Irrigation and drainage, Volume 1 and 2. Mosonyi, Emil, 1987. Water Power Development Volume 1 Low Head Power Plants. Akademi kiado. Budapest. Pusat Litbang Sumber Daya Air, 2010. Pengkajian Penerapan Mikro Hidro Standar Untuk Masyarakat Pedesaan. Laporan Akhir. Wibowo, Catur. 2005. Langkah Pembangunan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH). Bandung. 9