BAB 3 STUDI LOKASI DAN SIMULASI
3.1
Letak Sungai Cisangkuy-Pataruman Sungai Cisangkuy-Pataruman terletak di dekat Kampung Pataruman,
Cikalong, Pangalengan Jawa Barat. Sungai ini merupakan terusan dari sungai Cisangkuy-Kamasan. Selain itu, sungai ini juga mendapatkan limpahan air dari outflow PLTA Plengan, PLTA Lamajan, dan PLTA Cikalong.
Gambar 3.1 Peta dan letak lokasi sungai Cisangkuy-Pataruman
24
Lokasi ini dipilih sebagai tempat penelitian karena jaraknya relatif dekat dengan pusat kota Bandung ( 35 km), kondisi jalannya bagus, dan sungainya memiliki potensi energi listrik yang cukup besar (mencapai 1 MW).
3.2
Pengukuran dan Pengamatan Keadaan Lokasi Lokasi tempat pengukuran berada di sekitar jembatan sungai Cisangkuy
sampai dengan kira-kira 300 m ke arah hulu sungai. Survei dilakukan pada bulan JuliAgustus 2008. Data yang didapat dari hasil pengukuran dan pengamatan adalah head gross lokasi, temperatur air sungai, dan dokumentasi hasil pengamatan. Temperatur air hasil pengukuran pada Juli 2008 adalah 22oC. Lebar rata-rata Sungai CisangkuyPataruman sekitar 15 m. Beda ketinggian lokasi (site gross head) hasil pengukuran adalah 11 m.
Gambar 3.2 Gambaran lokasi sungai Cisangkuy-Pataruman
25
Foto 3.1 Aliran sungai Cisangkuy-Pataruman difoto dari jembatan Cisangkuy. Aliran dari hulu (foto kiri), aliran ke hilir (kanan)
3.3
Perencanaan Sistem Pembangkit Pembangkit mikrohidro dalam studi ini direncanakan berjenis run-off-river,
dimana air sungai langsung disadap ke dalam intake, tidak memerlukan reservoir. Sarana sipil dipilih dengan konsep kanal-panjang pipa pesat-pendek dengan pertimbangan memperkecil biaya dan head loss di pipa pesat. Perhatikan gambar di bawah ini:
Gambar 3.3 Rencana sistem pembangkit
26
Pada gambar di atas, terlihat denah sarana sipil rencana sistem pembangkit ini. Lokasi pembangkit ini terletak tepat pada sebelah kanan aliran sungai. Intake (lingkaran hijau) berada pada daerah aliran sungai yang cukup tenang. Terlihat juga kanal (garis merah) berukuran panjang dan berkelok-kelok, tidak langsung lurus (dan lebih pendek) langsung ke powerhouse. Hal ini disebabkan adanya area persawahan yang cukup luas pada sebelah kanan lokasi pembangkit. Selain biaya pembebasan tanahnya yang mahal, area ini juga memiliki struktur perbukitan yang lebih tinggi daripada sisi pinggir sungai. Panjang kanal pada tahap awal diukur dengan bantuan Google Earth dan kemudian diukur lagi ketika pengukuran langsung di lapangan dengan pengukuran panjang selang transparan yang digunakan dalam proses pengukuran head. Diperkirakan, jarak antara intake dan powerhouse adalah sepanjang 300 m. Dengan desain pipa pesat sepanjang 50 m, maka panjang kanal diperkirakan 250 m. Powerhouse direncanakan berada pada daerah yang ditandai dengan lingkaran kuning yang memiliki elevasi sekitar 855 meter dpl. Pada pengukuran di lapangan, diperoleh gross head 11 meter. Namun, energi potensial yang akan memutar turbin bukan berasal dari ketinggian ini, melainkan berasal dari nett head, yaitu ketinggian efektif yang dirasakan oleh turbin. Head ini dihitung dengan mengurangi gross head hasil pengukuran dengan head rugi-rugi. Dalam studi ini, nett head yang didapat adalah 9,2 m (Lampiran 2).
3.4
Data Debit Data debit Sungai Cisangkuy-Pataruman diperoleh dari Balai Hidrologi Dinas
Pengelolaan Sumber Daya Air Jawa Barat. Pos pengukuran terletak dekat dengan jembatan Cisangkuy, Kampung Pataruman, Kecamatan Cikalong, Kabupaten Bandung. Data debit yang diperoleh adalah data dari tahun 2001 s.d 2007. untuk memperoleh hidrologi tahunan dan lengkung durasi debit, dalam studi ini data debit
27
harian tujuh tahun tersebut dirata-ratakan. Rangkuman data debit yang diperoleh adalah sebagai berikut : Tabel 3.1 Data Debit Sungai Cisangkuy-Pataruman 2001-2007 [2]
Debit
m3/s
Maksimum
14,62
Minimum
2,32
Rata-rata
5,85
Turbin Axial/Propeller yang digunakan dalam simulasi studi ini memiliki kemampuan untuk menjelajahi debit minimum hingga sekitar 0,65 kali debit desain. Dengan debit desain 3,5 m3/s, maka debit rata-rata minimum sungai CisangkuyPataruman dari tahun 2001-2007, sekitar 2,32 m3/s, dapat dicapai. Apabila digunakan debit yang lebih besar dari 3,5 m3/s, maka potensi debit minimum tersebut (2,32 m3/s) tidak akan terpakai (karena ada keterbatasan jelajah debit pada turbin). Selain itu, dengan debit desain yang lebih besar, kapasitas daya sistem juga lebih besar, dan investasinya pun menjadi lebih tinggi. Bila digunakan debit desain di bawah 3,5 m3/s, maka potensi energi yang dimanfaatkan menjadi lebih kecil. Untuk itu, studi ini dibatasi pada penggunaan debit desain (awal) 3,5 m3/s. Debit ini kira-kira 60% debit rata-rata tahun 2001-2007.
3,5
Simulasi
3.5.1
Simulasi Perancangan Turbin Simulasi dilakukan menggunakan software TURBNPRO version 3. Turbin
jenis Axial/Propeller dipakai karena net head yang ada (9,2 m) termasuk jenis low head. Data-data yang dimasukkan ke dalam entri data diperoleh dari hasil pengukuran dan perhitungan.
28
Gambar 3.4 Entri data turbin
Keterangan : Rated Discharge adalah debit air rating (nominal) yang akan melewati turbin. Debit desain yang digunakan dalam studi ini adalah sekitar 60% dari debit rata-rata hidrografi sungai Cisangkuy-Pataruman tahun 2005, yaitu 3,5 m3/s. Artinya solusi turbin yang akan ditawarkan software ini memiliki debit operasi 3,5 m3/s dan disekitarnya. Net Head at Rated Discharge adalah ketinggian netto yang akan digunakan untuk menghasilkan daya pada debit nominal. Pada turbin reaksi seperti Propeller dan Francis, net head adalah jarak antara muka air headwater dan muka air tailwater dikurangi losses. Pada gambar di atas, sesuai dengan hasil perhitungan, maka nilai nett head at rated discharge adalah 9,2 m. Site Gross Head adalah jarak antara muka air headwater dan muka air tailwater. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa site gross head lokasi sungai Cisangkuy-Pataruman ini adalah 11 m. Site Elevation adalah ketinggian lokasi turbin dari permukaan laut. Untuk sungai Cisangkuy-Pataruman, hasil pencitraan Google Earth menunjukkan bahwa titik terendah lokasi ini berada di ketinggian sekitar 855 meter dpl.
29
Temperatur air sungai yang terbaca saat pengukuran adalah 22oC. Desired setting to tailwater adalah setting jarak antara titik tengah turbin terhadap tailwater. Dalam studi ini, jarak tersebut didesain 1 meter. Artinya, TURBNPRO akan menghasilkan solusi-solusi turbin yang sesuai dan mampu beroperasi bila ditempatkan 1 meter di atas muka air tailwater. Efficiency Priority at max output adalah option cacah yang menentukan prioritas efisiensi dari debit rating yang diambil. Nilai “10” menunjukkan bahwa debit desain akan berada pada level efisiensi terbaik dari keseluruhan debit operasi turbin. Untuk itu, debit desain ini berada cukup jauh dari kisaran debit maksimum. Umumnya turbin propeller memiliki debit dengan effisiensi terbaik yang 20% kali lebih kecil dibanding debit maksimal. Nilai “0” menunjukkan debit desain berada dekat dengan debit maksimal, yaitu 1,2 kali debit dengan effisiensi terbaik. Dengan tingkat efisiensi terendah yang sama, sekitar 60%, maka prioritas “0” memungkinkan turbin untuk bekerja pada rentang debit yang jauh lebih lebar. Pemilihan prioritas efisiensi ini mempengaruhi keseluruhan energi tahunan yang dihasilkan turbin. Studi ini ditujukan untuk melihat kemampuan turbin bekerja pada debit desainnya, oleh karena itu, turbin harus memiliki efisiensi yang tinggi bila sedang bekerja dengan debit tersebut, maka prioritas efisiensi harus yang paling tinggi, yaitu 10. Namun, dengan EP 10, turbin hanya memiliki kemampuan menjelajahi debit yang sempit (hanya disekitar debit ratingnya). EP 8 dapat mengakomodasi kedua hal ini, karena turbin akan memiliki kemampuan jelajah debit yang lebih tinggi dan bekerja secara efisien pada debit ratingnya. Ratio of rated head to the best efficient head menunjukkan dimana letak net head bila dibandingkan dengan head dengan efisiensi terbaik (yaitu head tertinggi). Rasio 1 berarti net head memiliki ketinggian yang sama dengan net head maksimum, berarti turbin ini tidak bisa lagi menjangkau head yang lebih tinggi. Rasio 0,7 berarti turbin masih mampu mengakomodasi head 1/0.7 = 1,43 kali lebih tinggi dari net head nominalnya. Artinya kapasitas mampu dari turbin jauh lebih baik dibanding dengan
30
turbin dengan ratio di atanya. Namun, dengan meningkatkan kemampuan jelajah head turbin, maka harga pun akan meningkat. Untuk amannya, dipilih ratio 0,8. Frekuensi disamakan
dengan frekuensi jaringan (PLN)
yang akan
dikoneksikan, 50 Hz. Minimum nett head lokasi ini diasumsikan 8 m.
Berikut ini spesifikasi turbin yang dihasilkan oleh simulator :
Gambar 3.5 Summary turbin hasil simulasi
3,5.2
Simulasi Energi Tahunan Setelah turbin dirancang, maka langkah selanjutnya adalah memasang turbin
tersebut pada lokasi untuk dilihat seberapa besar energi tahunan yang dapat dihasilkannya. Spesifikasi dan keadaan lokasi dimasukkan pada menu Create/Modify Data Site. Data-data yang dimasukkan adalah data-data kurva durasi debit, level ketinggian headwater, tailwater, dan koefisien head losses. Data kurva durasi debit diambil dari hidrografi sungai Cisangkuy-Pataruman tahun 2001-2007.
31
Gambar 3.6 Entri data site
Pada debit desain keadaan normal, elevasi tailwater adalah 855 m. Elevasi air puncak (head water) pada keadaan normal berada pada 855 + 11 m = 866 m. Kedua tabel elevasi memuat keadaan debit dari 0 m3/s sampai 15 m3/s dengan tingkat kenaikan 2,5 m3/s setiap kenaikan 1 m3/s debit. Nilai koefisien headlosses diperoleh dengan menggunakan rumus: Net head head hasil pengukuran headlosses Headlosses K xQ 2
(3.1)
dimana, K : koefisien headlosse dan Q : debit total yang tersedia (m3/s) maka nilai K adalah (11 - 9.2)/14,22 = 0,0085.
Setelah simulasi dijalankan, maka akan tampak hasil perhitungan energi tahunan seperti gambar berikut ini :
32
Gambar 3.7 Hasil simulasi energi tahunan sistem 1 turbin 3,5 m3/s
Energi tahunan yang dihasilkan sebesar 2856,73 MWh. Daya keluaran turbin dapat dilihat pada menu spreadsheet hasil simulasi. Daya keluaran turbin sistem di atas adalah 374 kW. Dari Gambar 3.7, terlihat debit yang digunakan saat beroperasi masih kecil dibandingkan debit yang tersedia. Bagian berwarna merah di bawah kurva merupakan daerah yang telah dimanfaatkan dengan menggunakan satu turbin. Dapat dilihat bahwa dengan hanya menggunakan satu turbin saja, masih banyak potensi energi yang tersedia pada lokasi yang tidak dimanfaatkan. Daerah di bawah kurva yang berwarna putih masih cukup luas untuk dimanfaatkan menghasilkan energi. Agar dapat mengoptimalkan penyerapan potensi energi yang ada pada Sungai Cisangkuy-Pataruman, maka ada beberapa jalan keluar yang dapat diambil, yaitu dengan menambah kapasitas debit turbin, atau dengan menambah jumlah turbin. Keduanya memiliki tujuan untuk menghasilkan energi tahunan yang lebih besar. Dalam studi ini dilakukan peningkatan kapasitas debit turbin menjadi 1,5 kali lebih besar dibanding sistem pertama, yaitu 3,5 x 1.5 m3/s = 5,25 m3/s. Peningkatan kapasitas debit pada level lainnya dapat dilihat pada Lampiran 5. Pada penambahan jumlah turbin, studi ini membatasi masalah sampai pada penambahan sebuah turbin
33
3,5 m3/s, yang berarti sistem baru ini memiliki dua buah turbin kembar, masingmasing berkapasitas debit 3,5 m3/s. Artinya, debit total yang digunakan sistem ini adalah 7 m3/s. Dengan menambah kapasitas debit turbin menjadi 5,25 m3/s, maka energi tahunan yang dapat dihasilkan adalah 3126,10 MWh, seperti yang ditunjukan oleh Gambar 3.8 di bawah ini. Daya keluaran turbin sebesar 550 kW.
Gambar 3.8 Hasil simulasi energi tahunan sistem dengan 1 turbin 5,25 m3/s
Dengan menggunakan dua turbin 3,5 m3/s, energi per tahun yang dapat dihasilkan adalah 4172,65 MWh, dan daya total keluaran dua turbin sebesar 711 kW.
Gambar 3.9 Hasil simulasi energi tahunan sistem 2 turbin @ 3,5 m3/s
34
Gambar 3.10 Persentase penghasilan energi sistem 2 turbin @ 3,5 m3/s
Dari gambar di atas dapat diamati, pada sistem dengan 2 turbin, turbin pertama memproduksi 64% dari total energi dan turbin kedua memproduksi sisanya. Artinya, setiap tahun turbin pertama bekerja lebih lama dibandingkan turbin kedua. Sebagai keterangan, energi yang dihasilkan ini merupakan energi yang dihasilkan dari turbin, belum termasuk rugi-rugi dari generator atau transmisi. Tabel di bawah ini merangkum hasil simulasi tiga sistem di atas. Tabel 3.2 Hasil simulasi turbin dan energi tahunan
Sistem
Daya (kW)
Energi tahunan (MWh/tahun)
1 turbin debit 3,5 m3/s
374
2856,73
1 turbin debit 5,25 m3/s
550
3126,10
2 turbin debit @ 3,5 m3/s
711
4172,65
Dari tabel di atas, dapat dilihat bahwa semakin besar daya, semakin besar pula energi tahunan yang dihasilkan. Artinya, semakin besar pula pendapatan yang bisa didapat dari hasil penjualan energi. Namun, dengan semakin besarnya daya, semakin besar pula biaya investasi yang mesti dikeluarkan. Untuk itulah perlu dilakukan suatu studi ekonomi yang akan meneliti sistem mana yang akan menghasilkan keuntungan terbesar.
35
