STUDI PERENCANAAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO DI DESA GUNUNG RINTIH KECAMATAN STM HILIR KABUPATEN DELI SERDANG Diajukan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro Sub Konsentrasi Teknik Energi Listrik Oleh DAVID P. ARITONANG NIM : 090402098 DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2016
LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR STUDI PERENCANAAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO DI DESA GUNUNG RINTIH KECAMATAN STM HILIR KABUPATEN DELI SERDANG Oleh: DAVID P. ARITONANG NIM: 090402098 Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN Sidang pada tanggal 16 bulan Maret tahun 2016 di depan penguji: 1. Ketua Penguji : Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si 2. Anggota Penguji : Ir. Eddy Warman, M.T Disetujui oleh: Pembimbing Tugas Akhir Ir. Syamsul Amien, M.S NIP. 195306221981031002 Diketahui oleh: Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si NIP. 195405311986011002
ABSTRAK Dalam studi perencanaan pembangkit listrik tenaga mikrohidro di Desa Gunung Rintih Kecamatan STM Hilir Kabupaten Deli Serdang, dihitung potensi potensi tenaga air yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi listrik. Potensi energi air tersebut akan digunakan untuk perencanaan pembangkit listrik tenaga mikrohidro. Mikrohidro merupakan sebuah istilah yang terdiri dari kata mikro yang berarti kecil dan hidro yang berarti air. Mikrohidro atau yang dimaksud dengan pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH) adalah suatu pembangkit listrik skala kecil yang menggunakan tenaga air sebagai tenaga pengeraknya seperti saluran irigasi, sungai atau air terjun alam dengan cara memanfaatkan tinggi terjunan (head) dan jumlah debit air. Untuk mengembangkan potensi mikrohidro tersebut, maka dilakukan studi di Desa Gunung Rintih Kecamatan STM Hilir Kabupaten Deli Serdang. Di desa ini terdapat suatu sungai yaitu Sungai Besamat yang memiliki potensi yang dapat dikembangkan untuk merencanakan pembangkit listrik tenaga mikrohidro. Dari penelitian ini, didapatkan potensi daya listrik yang dapat dibangkitkan adalah sebesar 7,3 kw dan debit air yang diperoleh ialah 0,243 m 3 /s dengan tinggi efektifnya (Hef) 5,74 m. Komponen elektrikal dan mekanikal yang digunakan yaitu jenis turbinnya adalah turbin crossflow, diameter pipa pesat yang digunakan ialah 0,346 m dengan menggunakan material berupa plat baja (welded rolled steel), generator yang digunakan adalah generator sinkron tiga fasa 4 kutub, dan transmisi mekanik yang digunakan yaitu transmisi sabuk V-Belt. Untuk sistem kontrol yang digunakan ialah jenis Electronic Load Controller. Kata kunci : Pembangkit listrik tenaga mikrohidro, energi air, head, debit
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa dimana atas berkat, karunia, dan rahmat-nyalah penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini, dengan judul: STUDI PERENCANAAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO DI DESA GUNUNG RINTIH KECAMATAN STM HILIR KABUPATEN DELI SERDANG. Tugas Akhir ini merupakan suatu syarat bagi penulis untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik dari Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Dengan selesainya Tugas Akhir ini, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini, antara lain kepada: 1. Orangtua penulis J. Aritonang (Alm) dan H. Tampubolon beserta abang-abang dan adik penulis yang telah memberi dukungan dan doa yang tiada hentinya bagi penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 2. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si selaku Ketua Departemen Teknik Elektro FT-USU. 3. Bapak Rahmat Fauzi, S.T, M.T selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT-USU. 4. Bapak Ir. Syamsul Amien, M.S selaku dosen pembimbing penulis yang telah membantu dan membimbing penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 5. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si selaku dosen penguji penulis yang telah membantu dan membimbing penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 6. Bapak Ir. Eddy Warman, M.T selaku dosen penguji penulis yang telah membantu dan membimbing penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 7. Ibu Naemah Mubarakah, S.T, M.T selaku dosen wali penulis yang telah membantu dan membimbing penulis dalam menjalani masa perkuliahan.
8. Seluruh staf pengajar di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik yang telah membekali penulis dengan ilmu pengetahuan selama menjalani perkuliahan. 9. Seluruh karyawan di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 10. Sahabat sekaligus teman-teman penulis stambuk 2009 yang tak dapat disebutkan satu per satu terutama komunitas sendok. 11. Serta untuk semua yang telah mendukung penyelesaian Tugas Akhir ini yang tidak dapat disebutkan penulis satu persatu. Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari kata sempurna, baik itu dari segi isi maupun susunan tata bahasanya. Untuk itu penulis dengan tangan terbuka menerima saran dan kritik dari pembaca dengan tujuan menyempurnakan dan mengembangkan Tugas Akhir ini. Akhir kata, penulis berharap Tugas Akhir ini bisa bermanfaat dan menambah wawasan bagi para pembacanya. Medan, Februari 2016 Penulis, David P. Aritonang
DAFTAR ISI ABSTRAK...i KATA PENGANTAR...ii DAFTAR ISI...iv DAFTAR GAMBAR...viii DAFTAR TABEL...ix BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang...1 1.2 Rumusan Masalah...2 1.3 Batasan Masalah...3 1.4 Tujuan Penelitian...3 1.5 Manfaat Penelitian...3 1.6 Metode Penulisan...4 1.7 Sistematika Penulisan...4 BAB II DASAR TEORI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO 2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Air...6 2.2 Klasifikasi Pembangkit Listrik Tenaga Hidro...6 2.3 Energi Tenaga Air...7 2.3.1 Debit...7 2.3.2 Curah Hujan dan Aliran Sungai...9 2.3.2.1 Curah Hujan dan Pengukuran Curah Hujan...9 2.3.2.2 Aliran Sungai...9 2.3.2.3 Hubungan antara Curah Hujan dan Aliran Sungai...10
2.3.3 Tinggi Jatuh Efektif (Head)...10 2.3.4 Hubungan Debit dan Head...11 2.4 Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro...11 2.4.1 Pengertian Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro...11 2.4.2 Prinsip Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro...13 2.4.3 Komponen-Komponen Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro.13 2.4.3.1 Bendungan (Weir)...14 2.4.3.2 Saluran Penyadap (Intake)...15 2.4.3.3 Saluran Pembawa (Headrace)...15 2.4.3.4 Saluran Pelimpah (Spillway)...15 2.4.3.5 Kolam Penenang (Forebay)...15 2.4.3.6 Pipa Pesat (Penstock)...16 2.4.3.7 Rumah Pembangkit (Power House)...16 2.4.3.8 Saluran Pembuang (Tailrace)...16 2.4.3.9 Turbin...16 2.4.3.9.1 Pengelompokan Turbin...16 2.4.3.9.2 Pemilihan Turbin...20 2.4.3.9.3 Kriteria Pemilihan Jenis Turbin...21 2.4.3.10 Generator...23 2.4.3.11 Sistem Transmisi Mekanik...24 2.4.3.12 Sistem Kontrol...25 2.4.3.13 Panel Hubung dan Lemari Hubung...26 2.4.3.14 Jaringan Distribusi...27 2.4.4 Manfaat Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro...28 BAB III KONDISI UMUM DESA GUNUNG RINTIH 3.1 Kondisi Geografis...29 3.2 Kondisi Masyarakat...30 3.3 Aksesibilitas...31 3.4 Kondisi Ketenagalistrikan...31 3.5 Potensi Tenaga Air...31 3.6 Pengukuran Debit dan Tinggi Jatuhan Air (Head)...31
3.6.1 Tempat dan Waktu Penelitian...31 3.6.2 Bahan Pengukuran...31 3.6.3 Alat Penelitian...32 3.6.4 Prosedur Percobaan...32 3.6.4.1 Pengukuran Debit Air dengan Menggunakan Metode Benda Apung...32 3.6.4.2 Pengukuran Tinggi Jatuh Air (Head)...33 BAB IV ANALISIS PERENCANAAN PLTMH 4.1 Data Hasil Pengukuran...35 4.1.1 Pengukuran Luas Penampang Sungai...35 4.1.2 Pengukuran Kecepatan Aliran Sungai...35 4.1.3 Pengukuran Tinggi Jatuh Air...36 4.2 Analisa Data...36 4.2.1 Luas Penampang Sungai...36 4.2.2 Kecepatan Aliran Sungai...37 4.2.3 Debit...37 4.2.4 Tinggi Jatuh Air (Head)...37 4.3 Desain Fasilitas Sipil...38 4.3.1 Bendungan...38 4.3.2 Saluran Penyadap (Intake)...39 4.3.3 Saluran Pembawa (Headrace)...39 4.3.4 Saluran Pelimpah (Spillway)...40 4.3.5 Kolam Penenang (Forebay)...41 4.3.6 Rumah Pembangkit (Power House)...41 4.3.7 Saluran Pembuang (Tailrace)...42 4.4 Desain Peralatan Elektrikal dan Mekanikal...43 4.4.1 Perhitungan Pipa Pesat...43 4.4.1.1 Diameter Pipa Pesat...43 4.4.1.2 Perhitungan Kehilangan Tinggi Tekanan Akibat Pemasukan...44 4.4.1.3 Perhitungan Kehilangan Tinggi Tekanan Akibat Gesekan...45
4.4.2 Perencanaan Turbin...47 4.4.3 Transmisi Mekanik...49 4.4.4 Generator...49 4.4.5 Sistem Kontrol dan Pengaman...51 4.5 Perhitungan Daya Listrik pada Sistem PLTMH...51 4.6 Manajemen Kebutuhan Energi Listrik...52 4.7 Skema Layout PLTMH Gunung Rintih...54 4.8 Analisa Ekonomi...54 4.9 Analisa Lingkungan...55 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan...56 5.2 Saran...57 Daftar Pustaka...58 Lampiran A Lampiran B Lampiran C
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Head PLTMH...10 Gambar 2.2 Skema Suatu PLTMH...13 Gambar 2.3 Turbin Pelton...17 Gambar 2.4 Turbin Turgo...17 Gambar 2.5 Prinsip Kerja Turbin Crossflow...18 Gambar 2.6 Turbin Crossflow...19 Gambar 2.7 Turbin Francis...19 Gambar 2.8 Turbin Kaplan...20 Gambar 2.9 Diagram Klasifikasi Turbin Air...20 Gambar 2.10 Grafik Klasifikasi Turbin...21 Gambar 2.11 Komponen Generator dalam PLTA...23 Gambar 3.1 Peta Lokasi Desa Gunung Rintih...29 Gambar 3.2 Jarak dari Kota Medan ke Desa Gunung Rintih...30 Gambar 3.3 Pengukuran Luas Penampang Sungai...33 Gambar 3.4 Pengukuran Kecepatan Aliran Sungai...33 Gambar 3.5 Pengukuran Tinggi Jatuh Air (Head)...34 Gambar 4.1 Head yang Diukur...38 Gambar 4.2 Rencana Letak Bendungan...39 Gambar 4.3 Rencana Letak Saluran Penyadap...39 Gambar 4.4 Rencana Letak Saluran Pembawa...40 Gambar 4.5 Rencana Letak Saluran Pelimpah...40 Gambar 4.6 Rencana Letak Kolam Penenang...41 Gambar 4.7 Rencana Letak Rumah Pembangkit...42 Gambar 4.8 Rencana Letak Saluran Pembuang...42 Gambar 4.9 Diameter dan Tebal Pipa Pesat...44 Gambar 4.10 Rencana Letak Pipa Pesat...46 Gambar 4.11 Jenis Penggunaan (Seleksi) Turbin...48 Gambar 4.12 Transmisi-V...49 Gambar 4.13 Skema Layout PLTMH Gunung Rintih...54
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Jenis Pembangkit Tenaga Air dan Kapasitasnya...7 Tabel 2.2 Kecepatan Spesifik Beberapa Turbin...22 Tabel 2.3 Kecepatan Putar Sinkron dari Generator (rpm)...24 Tabel 2.4 Jenis-Jenis Panel Hubung untuk PLTA...27 Tabel 4.1 Kedalaman Sungai...35 Tabel 4.2 Waktu Kecepatan Aliran Sungai...35 Tabel 4.3 Properti Teknis Material Pipa Pesat...43