64
Media Bina Ilmiah
ISSN No. 1978-3787
RANCANG BANGUN TURBIN ULIR VERY LOW HEAD SEBAGAI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO Oleh Muliadi1), Erna Wijayanti Rahayu2) 1 Fakultas Teknik, Universitas Nusa Tenggara Barat 2 Fakultas Teknik, Universitas Nusa Tenggara Barat Abstract: Indonesia's energy needs are still dominated by energy-based fossil fuels. This study is expected to realize an energy independent village in Indonesia, which is the goal of the government in the field of energy. Utilization of water energy strongly supports the achievement of the government program. Water energy conversion in the conventional manner which is very commonly done is to use a water turbine. Turbines that have not been studied in Indonesia, one of which is the turbine screw. Turbine screw fit with water potential in society. Potential available in West Lombok district is mostly irrigation channels and rivers that have a low head between 2 meters to 8 meters. The method used in this research is the method of measuring directly through field testing of the tool directly at the site of potential. Results of measurements in the field is analyzed to obtain the characteristics of the turbine design. This research obtains characteristic whorl very low head turbine design results with 0.025 testing discharge (m3/s), high head 2.64 (m), 0.75 flow velocity (m/s) and the potential for mechanical power generated 72 watts maximum awakened. 769 shaft rotational speed (rpm), large torque 0.9 (kg/cm2) and 11, 42 turbine efficiency (%). Turbines will be used by people who have the potential contained around. Electrical energy can be used for lighting homes, places of worship, street lighting and small and medium-sized industry. Key word: screw turbine, very low head. 1. PENDAHULUAN Kebutuhan energi di Indonesia saat ini masih didominasi oleh energi yang berbasis bahan bakar fossil, seperti minyak bumi dan batu bara. Kerugian dari bahan bakar fosil adalah sifatnya yang tidak ramah lingkungan, karena hasil pembakaran bahan bakar fossil adalah CO2 yang merupakan gas rumah kaca. Perlu dikembangkan sumber energi alternatif yang dapat menggantikan sumber energi berbasis fosil yang tidak ramah lingkungan dan bersifat terbarukan. Teknologi energi terbarukan memberikan harapan besar sebagai alternatif yang bebas polusi untuk menggantikan instalasi tenaga berbahan bakar nuklir dan fosil untuk memenuhi pertumbuhan kebutuhan energi listrik. Salah satu kategori teknologi energi terbarukan yang sangat menjanjikan adalah hidrokinetik yang menawarkan cara untuk menyediakan energi dari air yang mengalir tanpa memerlukan bendungan atau atau pengarah sebagaimana pada kebanyakan fasilitas hidroelektrik konvensional. Potensi air di pulau Lombok yang berpotensi untuk dikembangkan sumber energi pembangkit listrik tenaga mikrohidro. Keterbatasan daya listrik PLN yang digerakkan dengan tenaga diesel merupakan salah satu penyebab banyaknya masyarakat yang belum mendapat aliran listrik disekitar potensi tersebut. Provinsi Nusa Tenggara Barat sampai tahun 2008 rasio elektrifikasinya baru mencapai 47,81%, sedangkan Pulau Lombok baru mencapai 33,42%, hal ini menunjukan bahwa masih
banyak masyarakat Lombok yang belum menikmati pelayanan listrik. Solusi untuk mengatasi hal tersebut telah banyak dikembangkan pembangunan pembangkit listrik menggunakan potensi energi setempat, khususnya mikrohidro(Hadi Sutrisno, 2010). Tujuan penelitian ini adalah mendapatkan karakteristik turbin ulir hasil desain yang memiliki head rendah 1 meter. Karakteristik yang ingin diketahui adalah efisiensi turbin dalam hal ini efisiensi mekanikal dan elektrikal (ɳ%), putaran maksimum (rpm) dan torsi maksimum (kg/cm2), daya keluaran terbangkitkan optimal (KW) dari potensi yang tersedia. Muliadi(2012), potensi PLTMH di Kabupaten Lombok Barat terfokus di tiga kecamatan yaitu Narmada Lingsar dan Gunung Sari dengan total potensi daya adalah 1,54 MW mewakili 11% dari potensi yang ada di NTB. Potensi masing-masing lokasi adalah 294 KW kecamatan Lingsar, 1,09 MW kecamatan Narmada dan 156,8 KW untuk kecamatan Gunung Sari, rata-rata potensi ini dimiliki oleh saluran irigasi. 2. KAJIAN PUSTAKA Turbin ulir adalah alat yang digunakan untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Adapun proses perubahan energi pada turbin ulir hingga menjadi energi listrik yaitu dimana energi yang berasal dari energi mekanik yang terdapat pada air dan perubahan tekanan yang terjadi pada sudu
_________________________________________________________________
Vol. 10 No. 4 April 2016
http://www.lpsdimataram.com
ISSN No. 1978-3787 mengakibatkan sudu berputar dan memutar poros. Daya dari poros ditransmisikan ke generator yang kemudian diubah menjadi energi listrik Potensi tenaga air skala mikrohidro di Indonesia tersebar hampir mencapai 7.500 MW; sementara itu pemanfaatannya baru mencapai 4,5% dari potensi yang ada. Pengembangan teknologi, penerapan dan standarisasi sistem dan komponen mini/mikrohidro perlu terus dilaksanakan untuk memberi kontribusi pada pemenuhan target pemakaian energi baru dan terbarukan sebesar 15% pada tahun 2025 (ARN, 2006-2009). Blueprint pengelolaan energi nasional 2005-2025 mengisyaratkan besaran sumber daya energi mini/mokrohidro setara 0,45 GW dengan kapasitas terpasang sebesar 0,206 GW, data tersebut memberikan konsekuensi bahwa peluang pengembangan dan pengelolaan sumber energi air masih terbuka sangat luas(DJLPE, 2008). Ketersediaan air yang melimpah bisa dimanfaatkan melalui teknologi turbin air, artinya ikut serta membantu program pemerintah mewujudkan desa mandiri energi dengan energi terbarukan. Sebagaimana anjuran pemerintah yang telah menggalakkan pemanfaatkan sumber energi listrik selain BBM. Energi listrik telah menjadi kebutuhan pokok dan memainkan peranan yang penting dalam kehidupan manusia. Penduduk Indonesia hanya 53% dari jumlah total yang memiliki akses pada jaringan tenaga listrik yang telah ada. Sekitar 47% penduduk Indonesia yang hidup di wilayah yang tidak terjangkau jaringan listrik karena keterbatasan infrastruktur dan kapasitas pembangkit listrik yang tersedia (Imidap, 2008). Rorres(2000), menyatakan bahwa geometri dari sebuah turbin Archimedes (Archimedes screw) ditentukan oleh beberapa parameter eksternal yaitu jari-jari terluar, panjang ulir, dan kemiringan. Parameter lain yang mempengaruhi adalah parameter internal seperti jari-jari dalam, jumlah blade, dan pitch blade. Parameter-parameter eksternal tersebut biasanya ditentukan oleh lokasi penempatan ulir Archimedes dan seberapa banyak air yang akan diangkat. Sementara parameterparameter internal adalah bebas ditentukan sendiri untuk mengoptimalkan performansi atau kinerja dari ulir. Peter walker(2012), BHA mengidentifikasi keuntungan sebagai berikut PLTA atas teknologi terbarukan lainnya: Efisiensi tinggi (70-90%) lebih baik daripada teknologi lainnya. Faktor kapasitas tinggi biasanya lebih besar dari 50%, Solar 10% angin 30%.
Media Bina Ilmiah
65
Stergiopoulou, A., dan Stergiopoulos, V.(2009), Penemuan dari ulir air secara tradisional dikreditkan ke ilmuwan dan insinyur Archimedes dari Syracuse, atas dasar berbagai teks Yunani dan Latin. Penciptaan turbin ulir mungkin didasarkan pada studi spiral, Archimedes menulis sebuah risalah berjudul "On spiral", di 225 SM Pompa ulir ini pertama kali disebutkan oleh Diodorus dari Sisilia, Athenaeus dari Naucratis, oleh Moschion insinyur Romawi Vitruvius memberikan penjelasan rinci dan informatif dari pembangunan sebuah ulir Archimedes dalam bukunya "De Architectura" 3. METODE PENELITIAN Penelitian ini akan berlangsung sebagai berikut: 3.1. Rancangan penelitian a. Penelitian dimulai dengan melakukan studi literatur yang mendukung dan terkait dengan tema penelitian. b. Survei potensi sebagai lokasi pengujian dan sebagai dasar dalam perancangan dimensi turbin ulir. c. Perancangan turbin ulir sesuai dengan lokasi potensi. d. Pengujian untuk pengambilaan data, pengujian dilakukan di Taman Narmada , Desa Narmada Kecamatan Narmada Kabupaten Lombok Barat Provinsi NTB. e. Data dianalisa untuk mendapatkan debit optimal, kecepatan aliran, putaran turbin, torsi yang dihasilkan, besarnya efisiensi turbin dari potensi yang tersedia, dan daya potensi terbangkitkan. 3.2. Teknik Pengumpulan dan Analisis Data Teknik pengumpulan data yang digunakan adalah pengukuran langsung di lapangan. Metode analisis data adalah dengan perhitungan menggunakan formula yang ada untuk mendapatkan daya terbangkitkan, efisiensi turbin maksimum. 3.3. Lokasi dan Waktu Penelitian Penelitian Lokasi penelitian adalah Taman Narmada Dusun Narmada Kecamatan Narmada, Kabupaten Lombok Barat Provinsi NTB. Waktu penelitian bulan Maret s.d Desember 2015 3.4. Variabel Penelitian Variabel-variabel yang diteliti adalah debit, kecepatan aliran air, putaran turbin, torsi yang dihasilkan, besarnya efisiensi dari potensi yang tersedia dan daya potensi terbangkitkan. 3.5. Model Yang Digunakan Model yang digunakan adalah turbin ulir prototype yang dibuat menggunakan skala tertentu sesuai dengan dimensi saluran tempat pengujian. Turbin ulir hasil perancangan sebagai model tersebut diuji di lapangan. Turbin hasil desain dapat _____________________________________________________________
http://www.lpsdimataram.com
Vol. 10 No. 4 April 2016
66
Media Bina Ilmiah
dikonversi dengan skala tertentu yang digunakan untuk mendapatkan karakteristik turbin ulir jika discale up. 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil analisa formula didapatkan dimensi desain turbin ulir seperti tabel 1di bawah ini: Tabel 1. Dimensi turbin desain Komponen Symbol Nilai Satuan L 1 meter Panjang turbin Din 4.4 inchi Dia.poros dalam D out 12.5 inchi Dia.poros luar Dshaft 1.5 Inchi Dia.poros pully 30 cm Diameter pully D Pully d 3 mm Tebal blade m 11 ulir Jumlah ulir A 12 cm Panjang gelombang ulir α 20 drajat Sudut α ϴ 45 drajat Sudut ϴ
Gambar 1. Turbin hasil desain Hasil pengukurannya putaran turbin tanpa beban adalah kecepatan putaran turbin naik dari minimal 411 rpm menjadi maksimal 631 rpm. Jika diberikan pully atau gearbox dengan perbandingan 5 kali maka akan didapatkan 3155 rpm kecepatan ini sudah cukup untuk memutar generator standar dengan daya 1500 watt dengan kebutuhan speed minimal 1500 rpm. Keadaan putaran liar turbin diukur torsinya dengan harapan torsi yang kuat dan besar dapat memutar beban generator. Pengukuran putaran turbin dan putaran generator yang dihubungkan dengan pully dan dengan perlakukan debit diberikan perbedaan sedikit sampai debit maksimum. Menunjukan bahwa kecepatan putaran turbin mulai dengan kecepatan 370 rpm pada debit 22.2 l/s meningkat dengan
ISSN No. 1978-3787 diberikan tambahan debit menjadi 23.3 l/s kecepatan putar turbin meningkat menjadi 414 rpm penambahan jumlah debit sebesar 1 l/s berpengaruh pada penambahan kecepatan putaran turbin 100 rpm. Sampai pada debit maksimal yang tersedia sebesar 24.5 l/s turbin berputar maksimal sebesar 764 rpm. Penambahan debit berikutnya tidak menambah kecepatan putar turbin. Kecepatan turbin ini sudah cukup untuk bisa digunkan untuk memutar generator dalam menghasilkan energi listrik dengan bantuan gearbox dalam menaikan putaran sesuai dengan spesifikasi generator yang digunakan. Pengukuran putaran generator bersamaan dengan pengukuran putaran turbin untuk melihat kemapuan pully dalam mentransper energi mekanik yang dihasilkan air melalui turbin menuju generator. Rendahnya putaran turbin menunjukan bahwa turbin tersebut memiliki nilai torsi yang besar yang sangat berguna dalam memutar generator. Hasil pengukuran kecepatan generator menunjukan bahwa kecepatan generator meningkat dengan diberikan tambahan debit dari 22 l/s kecepatan generator mulai berputar dengan kecepatan sebesar 743 rpm penambahan jumlah debit sebesar 1 liter/sekon berpengaruh pada penambahan kecepatan putaran generator 10 rpm menjadi 754 rpm sampai pada debit maksimum yang tersedia di lokasi sebesar 24.5 liter/sekon menghasilkan putaran generator sebesar 769 rpm selanjutnya penambahan debit tidak menambah kecepatan putar generator mungkin ini adalah kecepatan optimal turbin pada debit maksimal. Perbedaan putaran generator dengan putaran turbin terjadi karena adanya perbedaan diameter pully pada turbin dan generator tetapi perbedaan diameter tersebut tidak signifikan dengan perbedaan putaran hal ini terjadi karena adanya slip yang terjadi pada transmisi belted turbin tersebut sehingga putaran turbin sebesar 370 rpm seharusnya menghasilkan putran generator sebesar 2220 rpm karena perbandingan diameternya adalah 6 kali. Model transmisi yang digunakan dalam system picohidro maupun mikrohidro sangat penting diperhatikan untuk mendapatkan transmisi putaran yang maksimal. Ketika air dimasukan dalam turbin dengan ketinggian air jatuh(head) 2.64 meter turbin berputar semakin tinggi sampai putaran maksimal sebesar 764 rpm. Apabila turbin dihentikan dengan diberikan gaya rem dengan semakin diperbesar maka turbin akan melawan dengan gaya putar yang semakin besar pula apabila beban pengereman ditambah juga maka gaya putar juga akan semakin besar. Gaya putar maksimal didapatkan apabila putaran turbin diremsampai kecepatan mendekati
_________________________________________________________________
Vol. 10 No. 4 April 2016
http://www.lpsdimataram.com
ISSN No. 1978-3787
Media Bina Ilmiah
nol tetapi tidak berhenti. Hasil pengujian dari gaya putar turbin ulir ini atau sering disebut dengan torsi adalah sebesar 0.90 Nm. Gaya torsi inilah yang dimanfaatkan untuk memutar generator yang dihubungkan dengan transimisi belted. Gaya torsi sebesar 0.9 Nm termasuk besar karena torsi sebesar itu tdk bisa dihentikan putarannya dengam tangan dan dapat memutar beban sebesar sekitar 6 kg. Daya Hidrolik 700
576,8
Daya Mekanik 634,5 605,7
Daya (Watt)
600 500 400 300 200 100
34,854
38,9988
22
23 Debit(l/s)
72,4398
0 25
Gambar 2. Grafik debit terhadap daya output Gambar 2 di atas menunjukan daya keluaran mekanik turbin dari daya potensi hidrolik potensi tempat pengujian. Debit sebesar 22 l/s menghasilkan potensi daya hidrolik sebesar 576.8 watt dari potensi daya tersebut menghasilkan daya mekanik sebesar 34.8 watt debit yang meningkat sampai 25 l/s pada pengujian menghasilkan 634.5 watt potensi dengan daya mekanik 72.4 watt. Semakin besar potensi air yang diberikan daya mekanik semakin tinggi tetapi nilai daya mekanik yang dihasilkan tidak signifikan dengan potensi daya karna kemungkinan rendahnya efisiensi. 11,42
12
y = 2,69x + 2,5867
Efisiensi Turbin(%)
10 8 6,04
6,44
22
23 Debit(l/s)
6 4 2 0 25
Gambar 3. Grafik Hubungan Debit Dengan Efisiensi Turbin Gambar 3 menunjukan hubungan debit dan efisiensi turbin. Debit yang dimasukkan pada turbin maksimal adalah 25 l/s padahal debit desain turbin
67
ini adalah 1000 liter/skon dengan head 1 meter, maka akibat dari kekurangan debit dan kelebihan head tersebut mengakibatkan efisiensi turbin tidak maksimal. Grafik menunjukan bahwa debit 22 l/s menghasilkan efisiensi turbin 6.04% penambahan debit membuat efisiensi semakin meningkat sampai pada 11.42% pada debit 25 l/s trend efisiensi semakin meningkat dengan bertambahnya debit secara linier dengan debit perkiraan maksimum debit 33 l/s dengan efisiensi maksimum 91,3 %. 5. SIMPULAN Kesimpulan yang dapat diambil dari hasil penelitian ini mengenai karakteristik turbin ulir hasil desain meliputi: a) Nilai putaran maksimum 769 (rpm), dengan torsi maksimum 0.9 (kg/cm2), daya mekanik terbangkitkan sebesar 72 (Watt) dengan debit 25 liter/detik pada head 2.64 meter, efisiensi turbin ulir prototipe ini sebesar 11.42% termasuk rendah karena debit desain sebesaar 500 liter/detik dan debit pengujian yang digunakan 25 liter/detik. b) Menurut perhitungan jika menggunakan debit desai dalam pengujian maka efisiensi turbin desain menjadi 91.3% mendekati efisiensi secara umum turbin ulir mencapai 92%. c) Analisis ekonomi mikrohidro menunjukan bahwa usaha pengadaan listrik dengan teknologi ini dengan harga jual sebesar Rp.1.075/kwh akan memberikan keuntungan yang besar. REFERENSI BPDP-BPPT. 2005. Laporan Teknis Penelitian dan Pengembangan Kelistrikan (Oscillating Water Column). Sleman Yogyakarta. DJLPE. 2008. Direktorat Jenderal Listrik dan Pemanfaatan Energi. Imidap. 2008. Pelatihan Operator Mikrohidro Implementasi Pembangunan Mikrohidro Berbasis Masyarakat Angkatan II. Lisdiyanti, 2012. Pengaruh Kemiringan Turbin Ulir Dan Debit Air Terhadap Daya Turbin Ulir Dua Blade, Dinamika TEKNIK SIPIL/Vol. 12/No. 1/Januari 2012. Yogyakarta Misno. 2007. Pembangkit Listrik Mikrohidro Kecil & Tersebar sebuah Solusi Atasi Krisis Energi. Paper Contest Seminar Nasional. Lustrum Ke 9 Himpunan Mahasiswa Teknik Geologi, FT UGM. Muliadi. 2012. Pemetaan Potensi PLTMH Di Kabupaten Lombok Barat NTB. Lembaga Penelitian UNTB. Mataram. Media Bina Ilmiah. Volume 7, No. 2, Hal 1-4. _____________________________________________________________
http://www.lpsdimataram.com
Vol. 10 No. 4 April 2016
68
Media Bina Ilmiah
ISSN No. 1978-3787
Müller G., Senior J., 2009. Simplified Theory Of Archimedean Screws. International Association of Hydraulic Engineering and Research.Journal of Hydraulic Research Vol. 47, No. 5 (2009), pp. 666–669 Rorres, C., 2000. The turn of the screw: Optimal design of the Archimedean screw.Journal Hydraulic Engineering. 126(1), 72–80. Stergiopoulou A., and Stergiopoulos V., 2012. Quo Vadis Archimedean Turbines Nowadays in Greece, in the Era of Transition. Journal of Environmental Science and Engineering A 1 (2012) 870-879 Formerly part of Journal of Environmental Science and Engineering. ISSN 1934-8932 Stergiopoulou, A., Stergiopoulos, V., 2009. Return of Archimedes:Harnessing with new Archimedean spirals the hydraulic potential of the Greek watercourses. Proceedings of the Conference for Climate Change-Sustainable development and Renewable energy Sources. Thessaloniki. October 2009 Sutrisno H.dan Budi A. M., 2010. Kajian Tarif Berdasarkan Biaya Pokok Penyediaan (BPP) Pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro Lantan (Study Based On The Costs Of Supplying Rates (Cos)Power Generation In Lantan Microhydro). Mataram. Dielektrika, ISSN 20869487, Vol. 1, No. 1 : 50 – 55. Walker P. 2012. Hydropower:A closer look at Archimedes Screws. APEM Senior Aquatic Scientist.
_________________________________________________________________
Vol. 10 No. 4 April 2016
http://www.lpsdimataram.com
