STUDI POTENSI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDROO HEAD RENDAH DI SUNGAI CISANGKUY KABUPATEN BANDUNG (KAJIAN TEKNIS) TUGAS AKHIR Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Elektro Sekolah Teknik Elektro dan Informatika Institut Teknologi Bandung Oleh: GAMA PRAYOGA NIM : 13204003 / Teknikk Tenaga Elektrik (A) PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO SEKOLAH TEKNIKK ELEKTRO DAN INFORMATIKA INSTITUTT TEKNOLOGI BANDUNG 2008 i
STUDI POTENSI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO HEAD RENDAH DI SUNGAI CISANGKUY KABUPATEN BANDUNG (KAJIAN TEKNIS) Oleh: GAMA PRAYOGA NIM : 13204003 / Teknik Tenaga Elektrik (A) TUGAS AKHIR Telah diterima dan disahkan untuk memenuhi persyaratan memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Elektro Sekolah Teknik Elektro dan Informatika Institut Teknologi Bandung Bandung, September 2008 Pembimbing, Dr. Ir. Mukmin Widyanto Atmopawiro NIP. 130704300 ii
ABSTRAK NIM : 13204003 Nama : Gama Prayoga Pembimbing : Mukmin Widyanto A., Dr. Ir. Studi Potensi Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro Head Rendah Di Sungai Cisangkuy Kabupaten Bandung (Kajian Teknis) Indonesia memiliki potensi sumber energi terbarukan dalam jumlah besar, termasuk tenaga air. Banyak sungai di Indonesia yang belum dimanfaatkan untuk membangkitkan energi listrik. Disamping itu, krisis energi yang terjadi di dunia, meningkatkan kesadaran untuk mengembangkan pembangkit berbahan bakar energi terbarukan, termasuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH). Pembangunan PLTMH di berbagai daerah dapat membantu mewujudkan program pemerintah untuk meningkatkan rasio elektrifikasi. Penelitian tugas akhir ini dilakukan dalam kelompok, yang terdiri dari kajian teknis dan kajian ekonomis. Pada tugas akhir ini dibahas kajian teknis studi potensi PLTMH head rendah di Sungai Cisangkuy Kabupaten Bandung. Survey lokasi dilakukan untuk mengukur head yang berguna untuk menghitung potensi dan energi. Studi dilanjutkan dengan simulasi desain turbin dan desain awal berbagai komponen PLTMH. Pengoptimalan potensi dilakukan dengan metode sistem kaskade dan penggunaan dua turbin pada masing-masing PLTMH. Hasil studi menunjukkan bahwa aliran Sungai Cisangkuy secara teknis dapat digunakan untuk membangkitkan listrik menggunakan turbin propeller dengan potensi daya total sebesar 510 kw saat satu turbin bekerja pada masing-masing PLTMH dan energi per tahun sebesar 7426,22 MWH. Kata kunci: head efektif, debit rata-rata, sistem kaskade, PLTMH dua turbin, pengoptimalan potensi, efisiensi turbin, energi per tahun iii
ABSTRACT NIM : 13204003 Name : Gama Prayoga Advisor : Mukmin Widyanto A., Dr. Ir. Potential Study of Low Head Micro-hydro Power Plant at Cisangkuy River Bandung Regency (Technical Studies) Indonesia has a lot of renewable energy resources, included hydropower. A lot of river in Indonesia are not yet used to generate electricity. Beside that, energy crisis that occur in the world increase the awareness to develop renewable energy power plant, included Micro-hydro Power Plant (MPP). The development MPP in various regions may help to create government program to increase electrification ratio. This final project research was undertaken in a group; consist of technical study and economical study. This final project is concerned about technical study MPP low-head potential in Cisangkuy River Bandung Regency. A survey of the site was undertaken to determine available head for potential and energy calculating. Study was continued with turbine design simulation and initial design for various components of MPP. Potential optimizing was undertaken with cascade system method and double turbine utilizing in each MPP. The study confirmed that the flow of Cisangkuy River technically can be used to generate electricity using propeller turbine with potential total power output about 510 kw when single turbine work at each MPP and annual energy about 7426.22 MWH. Keywords: net head, rated discharge, cascade system, double turbine MPP, potential optimizing, turbine efficiency, annual energy iv
PRAKATA Bismillaahirrahmanirrahim. Alhamdulillaahi rabbil alamin. Allaahumma shalli alaa Muhammađ wa alaa aalihi wa shahbihi rasulillaahi aĵma in. Segala puji dan syukur kepada Allah SWT atas segala rahmat dan karunia-nya kepada penulis sehingga bisa menyelesaikan tugas akhir ini. Shalawat dan salam semoga selalu tercurah kepada pemimpin dan suri tauladan kita, Rasulullah SAW. Penelitian berjudul Studi Potensi Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro Head Rendah di Sungai Cisangkuy Kabupaten Bandung (Kajian Teknis) ini merupakan laporan tugas akhir sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan di Program Studi Teknik Elektro, Sekolah Teknik Elektro dan Informatika, Institut Teknologi Bandung. Dengan terselesaikannya tugas akhir ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada: Allah SWT. Ayah, Ibu dan dan kedua adikku yang telah mendorong, membantu, dan mendoakan saya sehingga dapat menyelesaikan tugas akhir ini. Bapak Dr. Ir. Mukmin Widyanto Atmopawiro sebagai pembimbing tugas akhir yang telah memberikan wawasan baru dan bimbingan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan tugas akhir ini. Seluruh dosen Teknik Elektro ITB yang telah memberikan banyak ilmu dan pengalaman yang bermanfaat, termasuk dosen-dosen penguji, yaitu bapak Dr. Ir. Gibson Hilman S., Dr. Ir. Suwarno, dan Ir. Nanang Haryanto MT. Teman-teman bimbingan Bapak Mukmin, yaitu Abdur, Setya, Ikbal, Anggi, Andika, Irwanto dan Ardo untuk diskusi-diskusi yang sangat membantu. Teman-teman dari Laboratorium PLN dan LPKEE untuk diskusi dan suasana penelitian yang menyenangkan. Rekan-rekan Aroes Koeat 2004 yang bersama-sama telah berjuang di kampus ITB tercinta ini, juga teman-teman dari Teknik Elektro dan teman-teman v
mahasiswa ITB lainnya. Abdur, Habib, Eka, Ardha, Ramadhan, Jaka, Rihan, Iwa, Citra, Kus, Febri, Arfan, Afif, Asep, Infal, Ghina, Eldi, Adib, Fikril, Nur, Riko, Eenk dan masih banyak lagi. Semoga kelak kita semua bisa reuni kembali. Akhmad Yulianto atas peminjaman motor dan helmnya untuk melakukan survey serta seluruh keluarga besarnya yang telah banyak membantu. Teman-teman permentoringan dan para aktivis da wah yang telah memberikan doa dan dukungan, semoga kita semua mendapat rahmat Allah dan bertemu kembali di surga-nya nanti. Amiin. Serta teman-teman dan pihak-pihak lainnya atas bantuan, dukungan dan kerjasamanya. Akhir kata, penulis menyadari bahwa penulisan tugas akhir ini masih terdapat kekurangan, baik menyangkut materi pembahasan maupun teknik penulisan. Oleh karena itu, penulis mohon maaf atas segala keterbatasan serta dengan segala kerendahan hati penulis menerima kritik dan saran yang bersifat membangun untuk perbaikan tugas akhir ini agar bermanfaat bagi perkembangan ilmu ketenagalistrikan. Kritik dan saran dapat disampaikan melalui e-mail gama_gp1@yahoo.com. Semoga tugas akhir ini bermanfaat serta pengerjaannya memperoleh rahmat dan pahala dari Allah SWT. Amiin. Wassalaamu alaikum warahmatullaah wabarakaatuh. Bandung, September 2008 Gama Prayoga vi
DAFTAR ISI Halaman Judul... Lembar Pengesahan... Abstrak... Abstract... Prakata... Daftar Isi... Daftar Gambar... Daftar Tabel... i ii iii iv v vii xi xiii BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1. Latar Belakang... 1 1.2. Tujuan Penelitian... 3 1.3. Batasan Masalah... 3 1.4. Metodologi Penelitian... 3 1.5. Sistematika Penulisan... 4 BAB II TEORI DASAR... 5 2.1. Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro... 5 2.1.1. Konversi Energi... 5 2.1.2. Jenis Sistem Pembangkit Mikrohidro... 8 2.1.2.1. Run-Off River... 8 2.1.2.2. Reservoir and Dam Based... 8 2.2. Pekerjaan Sipil... 9 2.2.1. Bendungan (Weir) dan Intake... 9 2.2.2. Kolam Endapan (Settling Basin atau Silt Basin)... 10 2.2.3. Saluran Kanal (Headrace Channel)... 10 2.2.4. Bak Penenang (Forebay Tank)... 11 2.2.5. Pipa Pesat (Penstock)... 11 2.2.6. Power House... 12 vii
2.3. Turbin Air... 12 2.3.1. Turbin Impuls... 13 2.3.1.1. Turbin Pelton... 14 2.3.1.2. Turbin Turgo... 15 2.3.1.3. Turbin Crossflow... 16 2.3.2. Turbin Reaksi... 16 2.3.2.1. Turbin Francis... 17 2.3.2.2. Turbin Propeller dan Kaplan... 18 2.3.3. Kecepatan Spesifik (N S )... 19 2.3.4. Pemilihan Jenis Turbin... 20 2.3.4.1. Pemilihan Jenis Turbin Berdasarkan Kecepatan Spesifik.. 20 2.3.4.2. Pemilihan Jenis Turbin Berdasarkan Debit dan Head... 20 2.3.5. Efisiensi Turbin... 21 2.3.6. Kavitasi... 22 2.3.6.1. Koefisien Kavitasi (σ)... 23 2.3.6.2. Letak Turbin Aman Kavitasi... 25 2.4. Survey Lokasi... 25 2.4.1. Identifikasi Kemungkinan Lokasi Pembangkit... 25 2.4.2. Pengukuran Head... 25 2.4.2.1. Water-Filled-Tube and Rods... 26 2.4.2.2 Theodolite... 27 2.4.3. Prediksi Debit Aliran Air... 28 2.4.3.1. Metode Lengkung Debit... 28 2.4.3.2. Salt Gulp Method... 31 2.4.3.3. Bucket Method... 33 2.4.3.4. Float Method... 34 2.5. Governor... 35 2.5.1. Governor Mekanik... 35 2.5.2. Governor Elektrik... 35 2.6. Transmisi Mekanik (Drive System atau Speed Increaser)... 36 2.6.1. Jenis Gearbox... 36 viii
2.6.2. Jenis Belt... 36 2.7. Generator... 36 2.7.1. Generator Sinkron... 36 2.7.2. Generator Induksi... 38 BAB III KEADAAN LOKASI DAN DATA LAPANGAN... 39 3.1. Mikrohidro Head Rendah... 39 3.2. Google Earth... 40 3.2.1. Spesifikasi... 41 3.2.2. Resolusi dan Akurasi... 41 3.2.3. Inisiasi Awal Daerah Berpotensi Dengan Google Earth... 42 3.3. Sungai Cisangkuy... 46 3.3.1. Data Geografis... 46 3.3.2. Keadaan Sungai... 47 3.3.3. Pencapaian Lokasi... 48 3.4. Data Debit... 48 3.5. Pengolahan Data... 49 3.5.1. Nilai Rata-Rata Debit... 49 3.5.2. Head Efektif... 49 3.5.2.1. Perhitungan Head Rugi-Rugi... 50 3.5.2.2. Perhitungan Head Efektif... 54 BAB IV SIMULASI DAN ANALISIS... 55 4.1. Perhitungan Potensi Secara Manual... 55 4.2. Simulasi... 57 4.2.1. TURBNPRO Version 3.2... 57 4.2.2. Data Masukan Untuk Simulasi... 57 4.2.3. Pemilihan Ukuran dan Kecepatan Spesifik Turbin... 59 4.2.4. Susunan dan Pengaturan Turbin... 61 4.2.5. Karakter dan Dayaguna Turbin... 61 4.2.6. Kecepatan Spesifik... 63 ix
4.2.7. Koefisien Kavitasi (σ)... 63 4.2.8. Konstruksi Turbin... 63 4.2.9. Crossplot Curve... 66 4.3. Perhitungan Energi Per Tahun... 70 4.3.1. Karakteristik Hidrolik Pada Lokasi... 70 4.3.2. PLTMH Dengan Satu Turbin... 72 4.3.3. PLTMH Dengan Dua Turbin... 73 4.3.4. Kurva Durasi Debit... 75 4.3.5. Kurva Efisiensi... 76 4.3.6. Hill Curve... 78 4.4. Pemilihan Transmisi Mekanik, Generator dan Transformator... 81 4.5. Bangunan Sipil... 82 4.5.1. Bendungan (Weir) dan Intake... 82 4.5.2. Kolam Endapan (Settling Basin)... 83 4.5.3. Saluran Kanal (Headrace Channel)... 84 4.5.4. Bak Penenang (Forebay)... 84 4.5.5. Pipa Pesat (Penstock)... 85 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 87 5.1. Kesimpulan... 87 5.2. Saran... 88 Lampiran... 89 Daftar Pustaka... 97 x
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Skema Konversi Energi Pada Pembangkit Listrik Tenaga Air 6 Gambar 2.2 Skema Pembangkit Mikrohidro Run-of-River... 9 Gambar 2.3 Contoh Bendungan... 9 Gambar 2.4 Contoh Kolam Endapan... 10 Gambar 2.5 Contoh Kanal... 11 Gambar 2.6 Contoh Bak Penenang... 11 Gambar 2.7 Contoh Pipa Pesat... 12 Gambar 2.8 Turbin Pelton... 14 Gambar 2.9 Sudu Turbin Pelton... 14 Gambar 2.10 Nozle... 14 Gambar 2.11 Turbin Pelton Dengan Banyak Nozle... 15 Gambar 2.12 Sudu Turbin Turgo dan Nozle... 15 Gambar 2.13 Skema Turbin Crossflow... 16 Gambar 2.14 Turbin Crossflow... 16 Gambar 2.15 Skema Turbin Francis... 17 Gambar 2.16 Turbin Francis... 18 Gambar 2.17 Rangkaian beban komplemen... 19 Gambar 2.18 Grafik Pemilihan Turbin... 21 Gambar 2.19 Grafik Efisiensi Vs Beban Untuk Beberapa Jenis Turbin Air. 22 Gambar 2.20 Kerusakan Pada Sudu Turbin Akibat Kavitasi... 23 Gambar 2.21 Skema Turbin Untuk Analisis Kavitasi... 24 Gambar 2.22 Langkah Yang Dilakukan Pada Water-Filled Method... 27 Gambar 2.23 Head Total Yang Tersedia... 27 Gambar 2.24 Pengukuran Dengan Theodolite... 28 Gambar 2.25 Pengukuran Luas Penampang... 29 Gambar 2.26 Berbagai Grafik Konduktivitas (sumbu y) - Waktu (sumbu x) 32 Gambar 3.1 Tampilan Google Earth... 40 Gambar 3.2 Rencana Lokasi... 43 Gambar 3.3 Rencana Lokasi Intake... 44 xi
Gambar 3.4 Rencana Lokasi Power House... 45 Gambar 3.5 Sungai Cisangkuy... 46 Gambar 3.6 Head Efektif Pada Desain Turbin... 50 Gambar 4.1 Grafik Pemilihan Turbin Yang Tepat Untuk Lokasi PLTMH. 56 Gambar 4.2 Data Masukan... 58 Gambar 4.3 Pemilihan Ukuran dan Kecepatan Spesifik Turbin... 59 Gambar 4.4 Data-Data Karakter dan Dayaguna Turbin Dengan Pengaturan Guide Vane Yang Dapat Diatur Bersudu Tetap... 62 Gambar 4.5 Desain Turbin... 64 Gambar 4.6 Desain Saluran Luaran Turbin... 65 Gambar 4.7 Susunan Turbin dan Generator... 66 Gambar 4.8 Kurva Efisiensi Dayaguna Turbin Pada Berbagai Debit Dengan Head Tetap... 67 Gambar 4.9 Data Karakteristik Hidrolik Lokasi Untuk Perhitungan Energi 70 Gambar 4.10 Kurva Durasi Debit Yang Digunakan Dengan Satu Turbin... 73 Gambar 4.11 Desain PLTMH Dengan Dua Turbin... 73 Gambar 4.12 Produksi Energi Total Per Tahun Dengan Dua Turbin... 74 Gambar 4.13 Kurva Durasi Debit Yang Digunakan Dengan Dua Turbin... 75 Gambar 4.14 Daerah Operasi Kerja Turbin... 76 Gambar 4.15 Kurva Efisiensi... 77 Gambar 4.16 Kurva Efisiensi Dayaguna Turbin Pada Berbagai Head dan Debit... 78 Gambar 4.17 Transmisi Mekanik Jenis Belt... 82 Gambar 4.18 Jenis Bendungan... 83 Gambar 4.19 Alternatif Desain Side Intake... 83 Gambar 4.20 Alternatif Desain Kolam Endapan Untuk Kedua PLTMH... 83 Gambar 4.21 Jenis Kanal Yang Dapat Digunakan Kedua PLTMH... 84 Gambar 4.22 Alternatif Desain Bak Penenang Untuk Kedua PLTMH... 85 Gambar 4.23 Pipa Pesat Jenis Pipa Besi dan Bentuk Support... 85 xii
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Pengelompokan Turbin... 13 Tabel 2.2 Klasifikasi Head... 13 Tabel 2.3 Jenis Turbin Air dan Kisaran Kecepatan Spesifiknya... 20 Tabel 2.4 Efisiensi Turbin Untuk Berbagai Kondisi Beban... 22 Tabel 2.5 Faktor Koreksi Float Method... 34 Tabel 3.1 Inisiasi Potensi Dengan Google Earth Untuk Dua PLTMH... 46 Tabel 3.2 Unit-Unit PLTA di Aliran Sungai Cisangkuy... 47 Tabel 3.3 Data Debit Sungai Cisangkuy 2001-2007... 48 Tabel 4.1 Data Masukan Untuk Simulasi... 57 Tabel 4.2 Data Dayaguna Turbin Pada Berbagai Debit Dengan Head Tetap... 68 Tabel 4.3 Titik-Titik Ekstrim Efisiensi Untuk PLTMH 1 dan 2... 78 Tabel 4.4 Daya Maksimum Untuk PLTMH 1 dan 2... 78 xiii