ABSTRAK Ketergantungan pembangkit listrik terhadap sumber energi seperti solar, gas alam dan batubara yang hampir mencapai 75%, mendorong dikembangkannya energi terbarukan sebagai upaya untuk memenuhi pasokan listrik. Salah satunya adalah pada pembangkit listrik tenaga mikro hidro dengan memanfaatkan potensi air yang ada. Prinsip kerja PLTMH adalah dengan cara merubah energi potensi air menjadi energi listrik. Pada tugas akhir ini telah dirancang pemodelan pembangkit listrik tenaga mikro hidro dengan menggunakan kincir overshot wheel. Kincir yang digunakan memiliki bentuk sudu setengah lingkaran, dengan diameter kincir 50 cm, lebar kincir 10 cm, dan jumlah sudu 16 buah. Pengukuran yang dilakukan pada pemodelan pembangkit listrik tenaga mikro hidro ini, meliputi : debit air, tekanan air, putaran kincir, putaran generator, tegangan, arus, serta daya output generator dan torsi serta efisiensi. Parameter parameter tersebut diukur dengan cara merubah jatuhnya air pada kincir dari posisi sudut nozzle 0 0, 5 0, 10 0, 15 0, 20 0, 25 0, 30 0, 35 0 dan 40 0. Hasil pengukuran yang telah dilakukan terhadap parameter parameter pemodelan pembangkit listrik tenaga mikro hidro ini, diperoleh hasil pengukuran tertinggi pada sudut nozzle 30 0. Daya output yang dihasilkan adalah 0,153 watt, torsi adalah 0,012 Nm dan efisiensi sebesar 25,5%. Hasil yang diperoleh masih rendah dikarenakan putaran kincir kurang mampu untuk memutar generator, dimana torsi generator lebih besar dari torsi pada kincir. Hal tersebut dipengaruhi oleh debit air yang kecil pada pemodelan pembangkit listrik tenaga mikro hidro ini. Dari kinerja dan efisiensi pemodelan pembangkit listrik tenaga mikro hidro yang masih kurang baik, nantinya dapat dikembangkan dengan beberapa cara, seperti menambahkan ketinggian head, mengganti jenis pompa yang digunakan atau menambahkan jumlah pompa dan memvariasikan rasio pulley kincir dan pulley generator. Kata Kunci : PLTMH, Sudut Nozzle, Debit Air, Torsi, Efisiensi vii
DAFTAR ISI Halaman JUDUL... i HALAMAN PERSYARATAN GELAR... ii HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS... iii HALAMAN LEMBAH PENGESAHAN... iv UCAPAN TERIMA KASIH... v ABSTRAK... vii ABSTRACT... viii DAFTAR ISI... ix DAFTAR GAMBAR... xii DAFTAR TABEL... xiv DAFTAR GRAFIK... xv DAFTAR SINGKATAN... xvi DAFTAR LAMPIRAN... xvii BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Rumusan Masalah... 2 1.3 Tujuan Penelitian... 3 1.4 Manfaat Penelitian... 3 1.5 Batasan Masalah... 4 BAB II KAJIAN PUSTAKA... 6 2.1 Tinjauan Mutakhir... 6 2.2 Tinjauan Pustaka... 7 2.2.1 Pengertian Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro... 7 2.2.2 Bagian-bagian Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro... 8 2.2.2.1 Bangunan Pemasok Air... 8 2.2.2.2 Bak Penenang... 8 2.2.2.3 Pipa Pesat (Penstock)... 9 2.2.2.4 Curat (Nozzel)... 11 2.2.2.5 Turbin... 12 2.2.2.6 Generator... 13 2.2.2.7 Rumah Pembangkit... 14 2.2.3 Prinsip Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro... 15 2.2.4 Kelebihan dan Kekurangan PLTMH... 15 2.2.4.1 Kelebihan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro... 15 2.2.4.2 Kekurangan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro... 16 2.2.5 Potensi Air... 16 2.2.6 Turbin Air... 18 2.2.6.1 Pengertian Dasar Tentang Turbin Air... 18 2.2.5.2 Jenis-jenis Turbin Air... 19 2.2.7 Kincir Air... 20 viii
2.2.7.1 Overshot Wheel... 20 2.2.7.2 Breast Wheel... 21 2.2.7.3 Undershot Wheel... 22 2.2.8 Kriteria Pemilihan Jenis Turbin... 23 2.2.9 Alat Ukur... 25 2.2.9.1 Tachometer... 25 2.2.9.2 Multimeter... 26 2.2.9.3 Manometer... 27 BAB III METODE DAN PERANCANGAN SISTEM... 29 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian... 29 3.2 Data... 29 3.2.1 Sumber Data... 29 3.2.2 Metode Pengumpulan Data... 29 3.2.3 Jenis Data... 29 3.3 Langkah-langkah Penelitian... 30 3.4 Perancangan Perangkat... 32 3.4.1 Perancangan Perangkat Keras... 32 3.4.2 Perencanaan Sistem... 33 3.4.3 Perencanaan Kincir... 34 3.4.4 Desain Model Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro Menggunakan Program Komputer... 35 3.4.4.1 Desain Kincir Overshot Wheel... 35 3.4.4.2 Desain Rangka Kincir serta Rangka Pompa dan Generator... 36 3.4.4.3 Desain Rotor Kincir dan Pillow... 37 3.4.4.4 Desain Pulley Kincir dan Pulley Generator... 38 3.4.4.5 Pemilihan Box... 39 3.4.4.6 Pemilihan Pompa Air... 40 3.4.4.7 Pemilihan Generator... 40 3.4.4.8 Pemilihan Jenis Pipa... 41 3.4.4.9 Desain PLTMH... 41 3.5 Metode Perancangan... 42 3.5.1 Rancangan Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro... 42 3.5.1.1 Cara Kerja Sistem PLMH... 43 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 44 4.1 Pemodelan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro... 44 4.2 Realisasi Hasil Perancangan... 44 4.2.1 Realisasi Kincir Overshot Wheel... 45 4.2.2 Realisasi Box... 45 4.2.3 Realisasi Pompa Air... 46 4.2.4 Realisasi Generator... 46 4.2.5 Realisasi Pulley Kincir Dan Pulley Generator... 47 4.2.6 Realisasi Rangka Kincir Serta Pompa Dan Generator... 48 ix
4.2.7 Realisasi Rotor Kincir Dan Pillow... 49 4.2.8 Realisasi Pipa... 50 4.2.9 Realisasi Pemodelan PLTMH... 50 4.3 Pengukuran Dan Pembahasan Rancang Bangun Pemodelan PLTMH 51 4.3.1 Posisi Sudut Nozzle Dan Jatuhnya Air Terhadap Kincir... 52 4.3.2 Pengukuran Debit Air... 57 4.3.3 Pengukuran Tekanan Air... 58 4.3.4 Pengukuran Putaran Kincir... 58 4.3.5 Pengukuran Putaran Generator... 60 4.3.6 Pengukuran Tegangan Generator... 62 4.3.7 Pengukuran Arus Generator... 64 4.3.8 Pengukuran Daya Generator... 66 4.3.9 Hasil Pengukuran PLTMH... 69 4.4 Pengujian Pada Rancang Bangun Pemodelan PLTMH... 72 4.4.1 Perhitungan Torsi Pada Rancang Bangun PLTMH... 72 4.4.2 Perhitungan Efisiensi Pada Rancang Bangun PLTMH... 75 4.5 Hubungan Antar Parameter Pada Rancang Bangun PLTMH... 78 4.5.1 Hubungan Antara Sudut Nozzle Dengan Putaran Kincir... 79 4.5.2 Hubungan Antara Sudut Nozzle Dengan Putaran Generator... 81 4.5.3 Hubungan Antara Sudut Nozzle Dengan Daya Output... 82 4.5.4 Hubungan Antara Sudut Nozzle Dengan Torsi... 83 4.5.5 Hubungan Antara Sudut Nozzle Dengan Efisiensi... 84 4.6 Analisis Pemodelan PLTMH... 84 BAB V PENUTUP 5.1 Simpulan... 90 5.2 Saran... 90 DAFTAR PUSTAKA... 92 LAMPIRAN x
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Bangunan Pemasok Air... 8 Gambar 2.2 Bak Pengendap atau Penenang... 9 Gambar 2.3 Pipa Baja di Atas Tanah dengan 2 Anker Blok... 10 Gambar 2.4 Pipa Plastik HDPE (High Density Polyethylene)... 10 Gambar 2.5 Pipa PVC (Polyvinyl Chloride)... 11 Gambar 2.6 Pipa Pesat, Nozel dan Tekanannya... 12 Gambar 2.7 Grafik Perbandingan Karakteristik Turbin... 18 Gambar 2.8 Overshot Wheel... 21 Gambar 2.9 Breast Wheel... 22 Gambar 2.10 Undershot Wheel... 23 Gambar 2.11 Tachometer... 26 Gambar 2.12 Multimeter... 27 Gambar 2.13 Manometer... 27 Gambar 3.1 Alur Penelitian... 30 Gambar 3.2 Desain Kincir Overshot Wheel... 36 Gambar 3.3 Desain Rangka Kincir... 36 Gambar 3.4 Desain Rangka Pompa dan Generator... 37 Gambar 3.5 Desain Rotor Kincir... 37 Gambar 3.6 Desain Pillow... 38 Gambar 3.7 Desain Pulley Generator... 38 Gambar 3.8 Desain Pulley Kincir... 39 Gambar 3.9 Box... 39 Gambar 3.10 Pompa Air... 40 Gambar 3.11 Generator... 41 Gambar 3.12 Pipa... 41 Gambar 3.13 Desain PLTMH... 42 Gambar 3.14 Diagram Blok Sistem... 42 Gambar 4.1 Realisasi Kincir Overshot Wheel... 45 Gambar 4.2 Realisasi Box... 45 Gambar 4.3 Realisasi Pompa Air... 46 Gambar 4.4 Realisasi Generator... 46 Gambar 4.5 Realisasi Pulley Kincir... 47 Gambar 4.6 Realisasi Pulley Generator... 47 Gambar 4.7 Realisasi Rangka Kincir... 48 Gambar 4.8 Realisasi Rangka Pompa Dan Generator... 48 Gambar 4.9 Realisasi Rotor Kincir... 49 xi
Gambar 4.10 Realisasi Generator... 49 Gambar 4.11 Realisasi Pipa... 50 Gambar 4.12 Realisasi Pemodelan PLTMH... 51 Gambar 4.13 Jatuhnya Air Terhadap Kincir Pada Posisi Sudut Nozzle 0 0... 52 Gambar 4.14 Jatuhnya Air Terhadap Kincir Pada Posisi Sudut Nozzle 5 0... 53 Gambar 4.15 Jatuhnya Air Terhadap Kincir Pada Posisi Sudut Nozzle 10 0.. 53 Gambar 4.16 Jatuhnya Air Terhadap Kincir Pada Posisi Sudut Nozzle 15 0.. 54 Gambar 4.17 Jatuhnya Air Terhadap Kincir Pada Posisi Sudut Nozzle 20 0.. 54 Gambar 4.18 Jatuhnya Air Terhadap Kincir Pada Posisi Sudut Nozzle 25 0.. 55 Gambar 4.19 Jatuhnya Air Terhadap Kincir Pada Posisi Sudut Nozzle 30 0.. 56 Gambar 4.20 Jatuhnya Air Terhadap Kincir Pada Posisi Sudut Nozzle 35 0.. 56 Gambar 4.21 Jatuhnya Air Terhadap Kincir Pada Posisi Sudut Nozzle 40 0.. 57 xii
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1 Jenis Turbin Untuk PLTMH... 13 Tabel 3.1 Data Perencanaan Sistem... 33 Tabel 3.2 Data Perencanaan Kincir... 34 Tabel 4.1 Hasil Pengukuran Putaran Kincir... 59 Tabel 4.2 Hasil Pengukuran Putaran Generator... 61 Tabel 4.3 Hasil Pengukuran Tegangan Generator... 63 Tabel 4.4 Hasil Pengukuran Arus Generator... 65 Tabel 4.5 Hasil Pengukuran Daya Generator... 67 Tabel 4.6 Hasil Pengukuran PLTMH... 69 Tabel 4.7 Rata rata Hasil Pengukuran PLTMH... 71 Tabel 4.8 Perhitungan Torsi Pada Masing masing Sudut Nozzle... 74 Tabel 4.9 Perhitungan Efisiensi Pada Masing masing Sudut Nozzle... 77 xiii
DAFTAR GRAFIK Halaman Grafik 4.1 Hubungan Sudut Nozzle Dengan Putaran Kincir Sebelum Dikopel... 78 Grafik 4.2 Hubungan Sudut Nozzle Dengan Putaran Kincir Setelah Dikopel 79 Grafik 4.3 Hubungan Antara Sudut Nozzle Dengan Putaran Generator... 80 Grafik 4.4 Hubungan Antara Sudut Nozzle Dengan Daya Output... 81 Grafik 4.5 Hubungan Antara Sudut Nozzle Dengan Torsi... 82 Grafik 4.6 Hubungan Antara Sudut Nozzle Dengan Efisiensi... 83 Grafik 4.7 Pengaruh Debit Terhadap Daya Output... 86 Grafik 4.8 Pengaruh Head Terhadap Daya Output... 88 xiv
DAFTAR SINGKATAN AC DC GGL HDPE PLTMH PLTU PVC rpm : Alternating Current : Direct Current : Gaya Gerak Listrik : High Density Polyethylene : Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro : Pembangkit Listrik Tenaga Uap : Polyvinyl Chloride : Rotation per Minute xv
DAFTAR LAMPIRAN Tabel Jadwal Kegiatan... 94 Tabel Daftar Anggaran Biaya... 95 Foto Pengukuran Putaran Kincir Sebelum Dikopel... 96 Foto Pengukuran Putaran Kincir Setelah Dikopel... 96 Foto Pengukuran Putaran Generator... 97 Foto Pengukuran Tegangan Generator Tanpa Beban... 97 Foto Pengukuran Tegangan Generator Dengan Beban Lampu 3 Watt... 98 xvi
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Listrik merupakan energi yang sangat berperan penting di dalam kehidupan manusia, dimana energi listrik dapat di konversi menjadi energi cahaya, energi panas, energi gerak dan lain-lain. Manusia sangat membutuhkan listrik untuk digunakan sebagai sumber energi, dari sebagian besar peralatanperalatan yang dipergunakan untuk mempermudah kehidupan manusia, dimana listrik telah dipergunakan mulai dari rumah tangga, sekolah, perkantoran, perdagangan, maupun industri. Kebutuhan energi lstrik di dunia dari tahun ke tahun semakin meningkat seiring dengan peradaban manusia. Sementara itu, suplai energi listrik yang bersumber dari minyak bumi, gas bumi, dan batubara memiliki beberapa keterbatasan, antara lain tidak dapat terbarukan, pencemaran, dan kerusakan lingkungan yang dihasikan ketiga sumber energi ini dalam jangka pendek maupun jangka panjang. (Kristiati, M. T.H., 2011) Krisis listrik yang terjadi di Indonesia disebabkan oleh ketidak sesuaian antara kebutuhan masyarakat yang semakin meningkat dari waktu ke waktu dan kemampuan pemerintah menyediakan listrik. Sampai saat ini, sumber energi pembangkit listrik di Indonesia sebagian besar tergantung pada solar, gas alam, dan batubara yang hampir di atas 75 %. Ketiga jenis bahan bakar ini membutuhkan transportasi agar dapat sampai ke lokasi pembangkit listrik. Jika transportasi pengangkut bahan bakar ini terganggu karena cuaca buruk atau gelombang laut besar, pembangkit listrik akan terganggu. Sebagaimana yang kita rasakan, fenomena yang banyak terjadi akhir akhir ini adalah pemadaman listrik secara bergilir baik di kota kota besar maupun di daerah. (Kristiati, M. T.H., 2011) Hingga tahun 2007 kondisi kelistrikan di Bali sebenarnya sudah tergolong kritis. Apabila pembangkit terbesar di Bali, PLTG Gilimanuk yang memiliki daya 130 MW keluar dari sistem, maka cadangan listrik di Bali sudah minus. xvii 1
2 Akibatnya akan terjadi pemadaman bila tidak ada tambahan pembangkit atau pasokan energi baru. Melihat kondisi ini, sejak tahun 2000 telah digalakkan program hemat energi untuk mengantisipasi kekurangan daya tersebut, yaitu dengan mengurangi pemakaian sumber energi primer dari BBM dan beralih ke sumber energi thermal, seperti : batu bara, gas dan panas bumi, matahari (solar energi) dan hydro (air) serta pemanfaatan energi alternatif seperti energi surya, angin, dan energi samudra. (Dewa, N.K.P.N., 2009) Salah satu pembangkit energi listrik yang ada saat ini adalah PLTMH, dimana PLTMH adalah pembangkit listrik tenaga mikro hidro yang artinya pembangkit listrik ini menggunakan energi dari tenaga air untuk menghasilkan energi listrik. Pembangkit listrik mikro hidro adalah pembangkit listrik tenaga air yang tidak memerlukan bendungan besar seperti pada pembangkit listrik tenaga air pada umumnya. Bersifat moveable, portable, mudah dan praktis dalam pengoperasiannya, dapat memanfaatkan debit air yang kecil, dan biaya investasi kecil. Pembangkit listrik mikro hidro menghasilkan kapasitas daya 5 100 kw. (Hadiyanto, R., Bakri, F., 2013) Komponen utama pada pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH) adalah generator, turbin air dan instalasi perpipaan. Turbin air berfungsi untuk mengubah energi hidrolik menjadi energi mekanik. Kemudian energi mekanik ini dipergunakan untuk menggerakkan generator sehingga menghasilkan energi listrik. Pada penelitian ini dipergunakan kincir overshot wheel dengan sudut sudu setengah lingkaran. Dipergunakannya kincir overshot wheel dikarenakan pada kincir jenis ini ketinggian head dan debit air yang diperlukan relatif rendah, dan diameter kincir ini dapat dibuat kurang lebih 50cm, sehingga sangat cocok dipergunakan pada pembuatan pemodelan pembangkit listrik tenaga mikro hidro. 1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan pada latar belakang di atas, maka dapat dirumuskan beberapa rumusan masalah yang ada, yaitu : xviii
3 1. Bagaimana merancang pemodelan pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH) berkapasitas kecil? 2. Menganalisis kinerja dari pemodelan pembangkit listrik tenaga mikro hidro berkapasitas kecil yang dibangun? 3. Menganalisis persentase error hasil pemodelan pembangkit listrik tenaga mikro hidro berkapasitas kecil yang dibangun? 1.3 Tujuan Penelitian Adapun tujuan yang ingin dicapai dalam penulisan usulan tugas akhir ini adalah sebagai berikut : 1. Untuk menghasilkan rancang bangun pemodelan pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH) berkapasitas kecil. 2. Untuk menganalisis kinerja pemodelan pembangkit listrik tenaga mikro hidro berkapasitas kecil yang dibangun. 3. Untuk menganalisis persentase error hasil pemodelan pembangkit listrik tenaga mikro hidro berkapasitas kecil yang dibangun. 1.4 Manfaat Penelitian Dengan dibuatnya usulan tugas akhir ini diharapkan dapat memberikan manfaat sebagai berikut : 1. Memberdayakan energi terbarukan yaitu potensi air guna menghasilkan energi listrik yang ramah lingkungan, dan sebagai energi terbarukan diharapkan dapat mengurangi penggunaan bahan bakar fosil sebagai sumber energi. 2. Pemodelan pembangkit listrik tenaga mikro hidro yang dirancang, direncanakan sebagai sarana praktikum. 3. Dapat digunakan sebagai referensi bagi penelitian selanjutnya dalam masalah serupa.. xix
4 1.5 Batasan Masalah Agar tujuan laporan usulan tugas akhir ini sesuai dengan yang diharapkan serta terfokus pada judul dan bidang yang telah disebutkan di atas, maka penulis membatasi permasalahan yang akan dibahas sebagai berikut : 1. Pada pemodelan pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH) ini kincir overshot wheel yang dipakai dirancang memiliki bentuk sudu setengah lingkaran, berdiameter 50cm, lebar kincir 10cm, dan jumlah sudu turbin 16 sudu. 2. Pada pemodelan pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH) ini posisi disalurkannya air hanya pada satu posisi, yaitu pada bagian atas kincir dengan menggunakan nozel. 3. Pada pemodelan pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH) ini pengukuran difokuskan untuk mengetahui debit air, tekanan air, kecepatan putaran kincir, kecepatan putaran generator, tegangan, arus serta daya output generator dari pemodelan PLTMH yang dibangun. 4. Pada pemodelan pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH) ini analisis difokuskan untuk mengetahui kinerja serta persentase error dari PLTMH yang dibangun. xx