STUDI PENGEMBANGAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR LODOYO I PADA BENDUNG LODOYO DI DESA GOGODESO KECAMATAN KANIGORO KABUPATEN BLITAR JAWA TIMUR Andrianus Suryanto Bere1, Suwanto Marsudi2, Rispiningtati2 1 Mahasiswa Program Sarjana Teknik Jurusan Pengairan Universitas Brawijaya 2 Dosen Teknik Pengairan Fakultas Teknik Universitas Brawijaya e-mail:
[email protected] ABSTRAK Pengembangan PLTA merupakan salah satu usaha pemenuhan kebutuhan energi listrik. Tenaga air merupakan sumber daya terpenting setelah tenaga uap atau panas. Studi ini diperlukan untuk mengidentifikasi potensi dan keuntungan dari sebuah unit pembangkit. Studi ini dilaksanakan untuk memanfaatkan potensi energi air waduk yang tidak dapat dimanfaatkan oleh unit PLTA Lodoyo eksisting karena keterbatasan kapasitas terpasang yaitu sebesar 4,5 MW. Dengan pembangunan PLTA Lodoyo II potensi air yang belum termanfaatkan tersebut akan digunakan untuk pembangkitan tenaga listrik. Studi ini menggunakan alternatif debit untuk mendapatkan hasil yang optimum. Hasil kajian menunjukan debit 11,99 m3/det (alternatif 1) dapat dibangkitkan energi tahunan 10,598 MWh. PLTA dibangun dengan komponen bangunan sipil (pintu pengambilan, terowongan, pipa pesat, tangki gelombang, saluran pembuang dan rumah pembangkit) dan komponen peralatan mekanik elektrik seperti turbin, governor dan generator. Total biaya pembangunan sebesar Rp 87,822,983,315 miliar dengan nilai BCR 1,02, NPV 1,87 miliar rupiah, IRR 12,31% dan paid back period 6,86 tahun, sehingga pembangunan PLTA layak secara ekonomi. Kata kunci : PLTA, debit, energi, kelayakan ekonomi ABSTRACT Hydropower development is one of the business needs of electrical energy. Hydropower is the most important resource after steam or heat. This study is required to identify the potential and advantages of a generating unit. This study was undertaken to harness the energy potential of water reservoirs that can not be utilized by Lodoyo existing hydropower unit due to the limitations of installed capacity at 4.5 MW. With Lodoyo II hydropower development potential untapped water will be used for power generation. The study used a alternative discharge to obtain optimum results. The study results showed a debit 11.99 m3 / sec (alternative 1) can be produced 10.598 MWh of annual energy. Hydropower is built with components of civil buildings (intake, tunnels, penstock, surge tank, tailrace channel and power house ) and electrical and mechanical equipment components such as turbine governor and generator. The construction cost of Rp 87,822,983,315 billion, with the value of BCR 1.02, NPV 1.87 billion, IRR 12.31% and paid back period 6.86 years, so the development of hydropower is economically viable. Keywords: hydropower, discharge, energy, economic feasibility
1. Pendahuluan Energi listrik merupakan kebutuhan mutlak bagi aktifitas keseharian masyarakat, terutama untuk kebutuhan rumah tangga, sector usaha dan industry. Adapun salah satu pembangkit energi listrik adalah tenaga air. Hampir 30% dari seluruh tenaga di dunia dipenuhi oleh pusat – pusat tenaga air namun masih banyak sekali negara – negara yang memiliki potensi air namun belum dimanfaatkan secara maksimal. Sampai saat ini pembangkit listrik dengan tenaga air merupakan pembangkit yang paling ekonomis (Patty, 1995:134) karena dengan dioptimalkannya penggunaan tenaga air untuk membangkitkan tenaga listrik maka dapat menekan penggunaan Bahan Bakar Minyak (BBM) yang harganya cenderung meningkat dan juga cadangannya semakin kecil. Di Kabupaten Blitar Pembangunan PLTA Lodoyo II dilaksanakan untuk memanfaatkan potensi energi air waduk yang tidak dapat dimanfaatkan oleh unit PLTA Lodoyo eksisting karena keterbatasan kapasitas terpasang yaitu sebesar 4,5 MW. Berdasarkan data operasional Waduk Lodoyo selama ini, sebagian air waduk yang dialirkan ke hilir Bendung lodoyo melalui pintu air. Dengan pembangunan PLTA Lodoyo II tersebut, potensi air yang belum termanfaatkan tersebut akan digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik. Dari hasil studi terdahulu yang dibuat pada tahun 2002, debit air rata-rata yang dibutuhkan untuk operasi PLTA Lodoyo I adalah sebesar 50 m3/det, padahal debit total air yang masuk ke Waduk Lodoyo adalah lebih dari 140 m3/det pada musim basah yang berasal dari PLTA Wlingi dan remaining basin Lodoyo, sehingga ada kelebihan air sekitar 90 m3/det yang dibuang atau dilimpaskan melalui spillway. Sungai Brantas merupakan salah satu sungai besar di pulau Jawa yang memiliki
potensi yang masih belum dimaksimalkan pasalnya sebagian besar air dari sungai Brantas dipergunakan untuk kebutuhan irigasi, air baku, dan PLTA. Dengan peningkatan kebutuhan energi listrik maka sungai Brantas harus lebih dimaksimalkan lagi potensinya mengingat masih banyak potensi yang tersimpan. Pemanfaatan bendung saat ini bukan lagi hanya untuk irigasi dan air baku saja, tetapi bisa dimanfaatkan untuk PLTA juga. Selain memiliki tinggi jatuh yang sangat besar bendung pula memiliki potensi debit yang sangat mencukupi untuk operasi PLTA. Pembangkit listrik tenaga air dapat membantu kebutuhan energi yang sedang meningkat. Studi ini bertujuan untuk mengetahui seberapa besar daya terpasang dan energi yang dapat dibangkitkan oleh PLTA Lodoyo II berdasarkan alternatif terpilih. 2. Pustaka dan Metodologi Klasifikasi pembangkit listrik tenaga air Klasifikasi pembangkit listrik tenaga air dapat ditentukan dari beberapa factor (Dandekar, Sharma,1991:118) yaitu 1. Klasifikasi Pembangkit Listrik Tenaga Air berdasarkan: a. Berdasarkan tujuan Hal ini disebabkan karena fungsi yang berbeda-beda misalnya untuk mensuplai air, irigasi, kontrol banjir dan lain sebagainya disamping produksi utamanya yaitu tenaga listrik. b. Berdasarkan keadaan hidraulik Suatu dasar klasifikasi pada pembangkit listrik tenaga air adalah memperhatikan prinsip dasar hidraulika saat perencanaannya. Ada empat jenis pembangkit yang menggunakan prinsip ini. Yaitu: Pembangkit listrik tenaga air konvensional yaitu pembangkit yang menggunakan kekuatan air secara wajar
c.
d.
yang diperoleh dari pengaliran air dan sungai. Pembangkit listrik dengan pemompaan kembali air ke kolam penampungan yaitu pembangkitan menggunakan konsep perputaran kembali air yang sama denagn mempergunakan pompa, yang dilakukan saat pembangkit melayani permintaan tenaga listrik yang tidak begitu berat. Pembangkit listrik tenaga air pasang surut yaitu gerak naik dan turun air laut menunjukkan adanya sumber tenaga yang tidak terbatas. Gambaran siklus air pasang adalah perbedaan naiknya permukaan air pada waktu air pasang dan pada waktu air surut. Air pada waktu pasang berada pada tingkatan yang tinggi dan dapat disalurkan ke dalam kolam untuk disimpan pada tingkatan tinggi tersebut. Air akan dialirkan kelaut pada waktu surut melalui turbin-turbin. Pembangkit listrik tenaga air yang ditekan yaitu dengan mengalihkan sebuah sumber air yang besar seperti air laut yang masuk ke sebuah penurunan topografis yang alamiah, yang didistribusikan dalam pengoperasian ketinggian tekanan air untuk membangkitkan tenaga listrik. Berdasarkan Sistem Pengoperasian Pengoperasian bekerja dalam hubungan penyediaan tenaga listrik sesuai dengan permintaan, atau pengoperasian dapat berbentuk suatu kesatuan sistem kisi-kisi yang mempunyai banyak unit. Berdasarkan Lokasi Kolam Penyimpanan dan Pengatur. Kolam yang dilengkapi dengan konstruksi bendungan/tanggul. Kolam tersbut diperlukan ketika terjadi pengaliran tidak sama untuk kurun waktu lebih dari satu tahun. Tanpa kolam penyimpanan, pembangkit/instalasi dipergunakan dalam pengaliran keadaan normal.
e. Berdasarkan Lokasi dan Topografi Instalasi pembangkit dapat berlokasi didaerah pegunungan atau dataran. Pembangkit di pegunungan biasanya bangunan utamanya berupa bendungan dan di daerah dataran berupa tanggul. f. Berdasarkan Kapasitas PLTA Pembangkit listrik yang paling kecil sampai dengan : 100 kW Kapasitas PLTA yang terendah sampai dengan : 1000 kW Kapasitas menengah PLTA sampai dengan : 10000 kW Kapasitas tertinggi diatas: 10000 kW g. Berdasarkan ketinggian tekanan air PLTA dengan tekanan air rendah kurang dari : < 15 m PLTA dengan tekan air menengah berkisar :15 m – 70 m PLTA dengan tekanan air tinggi berkisar :71 m – 250 m PLTA dengaan tekanan air yang sangat tinggi : >250 m h. Berdasarkan bangunan/konstruksi utama Berdasarkan bangunan / konstruksi utama dibagi atas: Pembangkit listrik pada aliran sungai, pemilihan lokasi harus menjamin bahwa pengalirannya tetap normal dan tidak mengganggu bahan-bahn konstruksi pembangkit listrik. Dengan demikian pembangkit listrik walaupun mempunyai kolam cadangan untuk penyimpanan air yang besar, juga mempunyai sebuah saluran pengatur jalannya air dari kolam penyimpanan itu. Pembangkit listrik dengan bendungan yang terletak di lembah, maka bendungan itu merupakan lokasi utama dalam menciptakan sebuah kolam penampung cadangan air, dan konstruksi bangunan terletak pada sisi tanggul. Pembangkit listrik tenaga air dengan pengalihan terusan, aliran air yang
dialirkan melalui sebauh terusan ke konstruksi bangunan yang lokasinya cukup jauh dari kolam penyimpanan. Air dari lokasi bangunan dikeringkan ke dalam sungai semula denagn suatu pengalihan aliran air. Pembangkt listrik tenaga air dengan pengalihan ketinggian, tekanan air dialirkan melalui sebuah sitem terowongan dan terusan yang menuju kolam cadangan diatas, atau aliran lain melalui lokasi bangunan ini. i. Klasifikasi PLTA menurut Patty (Patty ,1995: 34) yakni : 1. Pembagian secara teknis PLTA dilihat secara teknis dapat dibagi atas : a. PLTA yang menggunakan air sungai atau air waduk. b. PLTA yang menggunakan air yang telah dipompa ke suatu reservoir yang diletakan lebih tinggi. c. PLTA yang menggunakan pasang surut air laut. d. PLTA yang menggunakan energi ombak. Ditinjau dari cara membendung air, PLTA dapat dikategorikan menjadi dua macam: a. PLTA run of river yaitu air sungai di hulu dibelokkan dengan menggunakan dam yang dibangun memotong air sungai, air sungai kemudian diarahkan ke bangunan PLTA kemudian dikembalikan ke aliran semula di hilir. b. PLTA dengan Bendungan (DAM) yaitu yaitu aliran air sungai dibendung dengan menggunakan bendungan yang besar agar diperoleh jumlah air yang sangat besar dalam kolam tandon kemudian baru air dialirkan ke PLTA. Air di sini dapat diatur pemanfaatannya misalnya mengenai debit air yang digunakan dalam pembangkitan dapat diatur besarnya.
2. Pembagian menurut kapasitas a. PLTA mikro yaitu dengan daya 99 kW. b. PLTA kapasitas rendah yaitu dengan daya 100 sampai 999 kW. c. PLTA kapasitas sedang yaitu dengan daya 1000 sampai 9999 kW. d. PLTA kapasitas tinggi dengan daya diatas 10.000 kW. 3. Pembagian menurut tinggi jatuh a. PLTA dengan Tekanan rendah; H < 15 m b. PLTA dengan tekanan sedang; H = 15 hingga 50 m c. PLTA dengan tekanan tinggi; H = 50 m. 4. Pembagian berdasarkan ekonomi a. PLTA yang bekerja sendiri. Jadi tidak dihubungkan dengan sentral-sentral listrik yang lain. b. PLTA yang bekerjasama dengan sentral-sentral listrik yang lain dalam pemberian listrik kepada konsumen. Sehubungan dengan ini PLTA dapat dipakai untuk: - Beban dasar; PLTA bekerja terusmenerus - Beban maksimum; PLTA bekerja pada jam-jam tertentu. Kajian Hidrologi Dalam Perencanaan PLTA 1. Debit andalan Debit yang tersedia guna keperluan tertentu misalnya irigasi, PLTA, air baku,dll sepanjang tahun, dengan resiko kegagalan yang telah diperhitungkan (Soemarto,1986:214). Debit andalan yang digunakan untuk tujuan pembangkit listrik tenaga air adalah 50%95%(Mosonyi, 1963:93). Terdapat dua metode dalam penentusn debit andalan yaitu flow duration curve (FDC) dan streamflow routing method (SRR). Flow duraton curve adalah grafik yang memperlihatkan debit sungai selama
beberapa waktu tertentu dalam tahun tertentu. Dalam perencanaan debit desain perlu diperhatikan target luaran energi yang bisa dihasilkan dari debit tersebut (Patty,1995:14). Debit andalan dapat dihitung peluang probabilitasnya dengan persamaan weibull (Soemarto, 1987:239) P = m/(n+1) Dengan : P : peluang kejadian m : no urut kelas data n : banyaknya kelas data Sistem Operasi Long Storage Tergantung dari kebutuhannya maka lingkup waktu dari simulasi mencakup 1 tahun operasi atau lebih. Aturan umum dalam simulasi waduk : 1. Air waduk tidak boleh turun di bawah tampungan aktif. Dalam banyak keadaan, maka batas bawah tampungan aktif ini ditentukan oleh tingginya lubang outlet waduk. 2. Air waduk tidak dapat melebihi batas atas tampungan aktif. Dalam banyak keadaan maka batas atas tampungan aktif ini ditentukan oleh puncak spillway. Apabila terjadi kelebihan air, maka kelebihan ini akan melimpah (spillout). 3. Ada beberapa waduk (waduk multiguna) yang memiliki batasan debit yang dikeluarkan (outflow), baik debit maksimum atau debit minimum. Rencana Desain PLTA Lodoyo II PLTA Lodoyo II merupakan tipe PLTA low head dengan komponen bangunannya meliputi: A. Bangunan Pengambilan (Intake) Bangunan pengambilan adalah bangunan air untuk mengelakkan air dari sungai dalam jumlah yang diinginkan Desain pintu pengambilan ini direncanakan berdasar atas kebutuhan air sesuai dengan desain perencanaan. B. Bangunan Pembawa Bangunan pembawa merupakan bangunan yang berfungsi untuk meng-
antarkan air atu membawa air mulai dari bangunan pengambilan menuju ke rumah pembangkit. Terdapat bermacam bentuk dari bangunan pembawa tergantung dari sistem pembawaan air menuju rumah pembangkit, bangunan pembawa antara lain: 1. Terowongan (Tunnels), Fungsi terowongan adalah membawa air dari intake menuju penstock dan akhirnya ke turbin pembangkit. 2. Pipa Pesat (Penstock), Pipa pesat adalah saluran yang menyalurkan dan mengarahkan air dari waduk ke turbin. Jenis pipa pesat yang digunakan adalah pipa pesat tertanam. Parameter desain yang direncanakan pada pipa pesat adalah: 1. Diameter pipa pesat Diameter ekonomis pipa pesat dapat dihitung dengan persamaan: Sarkaria formula: D = 3,55.
Q2 2. g. H
0,25
ESHA formula: 10,3n 2 Q 2
0,1875
D= hf Dimana: D : diameter pipa (m) n : koef kekasaran pipa Q : debit pada pipa (m3/dt) Hf : kehilangan tinggi tekan total pada pipa (m) H : tinggi jatuh (m) Namun dalam penentuan diameter pipa pesat perlu diperhitungkan besarnya kehilangan tinggi dikarenakan hal ini akanmempengaruhi besarnya daya yang akan dihasilkan. 2. Tebal pipa pesat Tebal pipa pesat dapat dihitung dengan persamaan: ASME (Mosonyi,1963): t = 2,5 D +1,2 USBR (Varshney,1971): t = (d+500)/400
ESHA (Penche,2004) : e = PD/2σkf+es Barlow’s Formulae (Varshney,1971): H = (0,002+σ x t)/(D+0,002 t) Dimana: H: Tinggi tekan maksimum ( m ) : tekanan statis + tinggi tekan akibat pukulan air σ : tegangan baja yang digunakan (ton/m2 ) D : diameter pipa pesat (m) t : tebal pipa pesat ( m ) P : tekan hidrostatis pipa (kN/mm2) kf : efisiensi ketahanan es : tebal jagaan untuk sifat korosif (mm) 3. Kedalaman minimum pipa pesat Kedalaman minimum akan berpengaruh terhadap gejala vortex, kedalaman minimum dapat dihitung dengan persamaan (Penche,2004): Ht > s s=cV D Dimana: c : 0,7245 untuk inlet asimetris 0,5434 untuk inlet simetris V : kecepatan masuk aliran (m/dt) D: diameter inlet pipa pesat (m) 3. Tangki Gelombang (Surge Tanks) Tangki gelombang adalah pipa tegak di ujung hilir saluran air tertutup untuk menyerap kenaikan tekanan mendadak serta dengan cepat memberikan air selama penurunan singkat dalam tekanan. Surge tanks biasanya disediakan pada PLTA besar atau menengah ketika ada jarak yang cukup jauh antara sumber air dengan unit daya, sehingga diperlukan sebuah penstock panjang. 1. Luas dan diameter Surge tanks (Thoma) 𝐴𝑡 𝐿𝑡 Ast = 2 𝑔 𝑐 𝐻 Dst=
𝐴𝑠𝑡 0,25 𝛱
Dimana : Ast= Luas Surge Tanks (m2)
Dst= Diameter Surge Tanks (m) Lt= panjang terowongan (m) At= Luas Terowongan (m2) H = Gross Head (m) g = gravitasi (m2/s) c = koefisien thoma 2. Tinggi air dalam Surge tanks 𝐿𝑡 𝐴𝑡 Zst : v (𝑔 𝐴𝑠𝑡 )0,5 Dimana : Zst= Tinggi muka air (m) V= kecepatan terowongan (m/s) Lt = panjang terowongan (m) At= Luas Terowongan (m2) g = gravitasi (m2/s) Ast= Luas Surge Tanks (m2) 3. Kebutuhan terhadap tangki gelombang Pipa pesat membutuhkan tangki gelombang jika L > 4H Dengan : L : panjang total pipa pesat (m) H : tinggi jatuh (m) D. Bangunan Pelengkap Saluran pembuang (tailrace cannal) Bangunan pembuang digunakan untuk mengalirkan debit air yang keluar dari turbin untuk kemudian dibuang ke sungai, saluran irigasi atau ke laut. Saluran pembuangan dimensinya harus sama atau lebih besar daripada saluran pengambilan mengingat adanya kemungkinan perubahan mendadak dari debit turbin air. Rumah pembangkit (Power House) Rumah pembangkit merupakan bangunan tempat diletakannya seluruh perangkat konversi energi, mulai dari turbin air lengkap dengan governornya, sebagai pengatur tekanan air, system transmisi mekanik, generator, dan perangkat pendukung lainnya. Bangunan ini yang melindungi turbin, generator dan peralatan pembangkit lainnya. Tinggi Jatuh Efektif (Net Head) Tinggi jatuh efektif adalah selisih antara elevasi muka air pada bangunan pengambilan atau waduk (EMAW) dengan
tail water level (TWL) dikurangi dengan total kehilangan tinggi tekan (Ramos, 2000). Persamaan tinggi jatuh efektif adalah: Heff = EMAW – TWL – hl dimana: Heff : tinggi jatuh efektif (m) EMAW: elevasi muka air waduk atau hulu bangunan pengambilan (m) TWL : tail water level (m) hl : total kehilangan tingi tekan (m)
Gambar 1. Sketsa Tinggi Jatuh Effektif Kehilangan tinggi tekan digolongkan menjadi 2 jenis yaitu kehilangan pada saluran terbuka dan kehilangan pada saluran tertutup. Kehilangan tinggi tekan pada saluran terbuka biasanya terjadi pada intake pengambilan, saluran transisi dan penyaring. Kehilangan tinggi pada saluran tertutup dikelompokkan menjadi 2 jenis yaitu kehilangan tinggi mayor (gesekan) dan kehilangan tinggi minor. Kehilangan tinggi mayor dihitung dengan persamaan ChezyManning (Penche,2004): hf =
n2v2 4
R3
sedangkan kehilangan minor dihitung dengan persamaan(Ramos, 2000): hf = ξ
V2 2g
dimana: hf : kehilangan tinggi tekan V : kecepatan masuk (m/dt) g : percepatan gravitasi (m/dt2) L : panjang saluran tertutup / pipa (m) D : diameter pipa (m) f : koefisien kekasaran(moody diagram) ξ : keofisien berdasarkan jenis kontraksi
Perencanaan Peralatan Mekanik Dan Elektrik Perencanaan peralatan mekanik dan elektrik meliputi: A. Turbin Hidraulik Turbin dapat diklasifikasikan berdasarkan tabel berikut (Ramos,2000): Tabel 1. Klasifikasi Jenis Turbin
Dalam perencanan turbin parameter yang mendasari adalah kecepatan spesifik turbin (Ns) dan kecepatan putar/sinkron (n) dimana kedua parameter tersebut dihitung dengan persamaan (Anonim, 1976:): Ns = n
P H 5/4
120 f
n= 𝑃 dimana: Ns :Kecepatan spesifik turbin (mkW) n : kecepatan putar/sinkron (rpm) P : daya (kW) H : tinggi jatuh effektif (m) f : frekuensi generator (Hz) p : jumlah kutub generator Nilai n bisa didapatkan dengan melakukan nilai coba-coba dengan persamaan: Untuk turbin francis: 2334 1553 n’ = H atau n’ = H Untuk turbin propeller: 2088 2702 n’ = H atau n’ = H Setelah didapatkan nilai parameter tersebut maka dapat ditentukan parameter lain seperti: 1. Titik Pusat Dan Kavitasi Pada Turbin Titik pusat perlu diletakkan pada titik yang aman sehingga terhindar dari bahaya kavitasi kavitasi akan terjadi bila
nilai σaktual < σkritis, dimana σdapat dihitung dengan persamaan (Anonim, 1976):
transformer, equipment.
switchgear
dan
auxiliary
Ns 1 .64
σc = 50327 Hs = Ha – Hv – H.σ Sedangkan titik pusat turbin dapat dihitung dengan persamaan: Z = twl + Hs + b dimana: Ns :Kecepatan spesifik turbin (mkW) σc : koefisien thoma kritis σ : koefisien thoma Ha: tekanan absolut atmosfer (Pa/gρ) Hv: tekanan uap jenuh air (Pw/gρ) H : tinggi jatuh effektif (m) Hs : tinggi hisap turbin (m) Z : titik pusat tubrin twl: elevasi tail water level b : jarak pusat turbin dengan runner(m) 2. dimensi turbin Dimensi turbin reaksi meliputi: Dimensi runner turbin, dimensi wicket gate, dimensi spiral case dan dimensi draft tube. 3. effisiensi turbin Effisiensi turbin sangat tergantung pengaruh dari debit aktual dalam turbin dengan debit desain turbin (Q/Qd), effisiensi turbin ditunjukkan pada gambar berikut (MECH7350,214:6):
Gambar 2. Grafik Effisiensi Turbin B. Peralatan Elektrik Peralatan elektrik PLTAberfungsi sebagai pengaturan kelistrikan setelah dilakukan proses pembangkitan listrik, peralatan elektrik meliputi generator,governor, speed increaser,
Analisa Pembangkitan Energi Produksi energi tahunan dihitung berdasarkan tenaga andalan. Tenaga andalan dihitung berdasarkan debit andalan yang tersedia untuk pembangkitan energi listrik yang berupa debit outflow dengan periode n harian.(Arismunandar,2005) E = 9,8 x H x Q x ηg x ηt x 24 x n Dimana: E : Energi tiap satu periode (kWh) H : Tinggi jatuh efektif (m) Q : Debit outflow (m3/dtk) ηg : effisiensi generator ηt : efisiensi turbin n : jumlah hari dalam satu periode. Analisa Kelayakan Ekonomi Analisa ekonomi dilakukan untuk mengetahui kelayakan suatu proyek dari segi ekonomi. Dalam melakukan analisa ekonomi dibutuhkan dua komponen utama yaitu: a. Cost (komponen biaya) Meliputi biaya langsung (biayakonstruksi) dan biaya tak langsung (O&P, contingencies dan engineering) b. Benefit (komponen manfaat) Manfaat didapatakan dari hasil penjualan listrik berdasarkan harga tarif yang berlaku dan pendapatan dari reduksi emisi gas karbon (CER). Parameter kelayakan ekonomi meliputi: 1. Benefit Cost Ratio PV dari manfaat BCR = PV dari biaya capital dan O&𝑃 2. Net Present Value NPV = PV Benefit – PV Cost 3. Internal Rate Of Return NPV′ IRR = I ′ + I ′′ − I′ ′ NPV − NPV′′ 4. analisa sensitivitas Analisa sensitivitas dilakukan pada 3 kondisi yaitu:
Cost naik 20%, benefit tetap Cost tetap, benefit turun 20% Cost naik 20%, benefit turun 20% 3. Hasil dan Pembahasan Konsep perencanaan PLTA adalah dengan memanfaatkan debit yang berlebih pada sungai Brantas khususnya pada bendungan Karangkates. Debit yang tidak digunakan akan dialirkan melalui intake yang berbeda dengan intake PLTA sebelumnya, kemudian debit akan dialirkan menuju sistem PLTA secara sistem pengaliran aliran (diversion) dan akan dialirkan kembali menuju sungai Brantas. Konsep PLTA ditunjukkan pada gambar berikut:
Gambar 3. Konsep Dasar PLTA Lodoyo II Berdasarkan analisa inflow harian digunakan debit desain rencana untuk desain PLTA dengan keandalan tertentu seperti pada kurva durasi aliran (FDC) seperti berikut:
Gambar 4. Kurva Durasi Aliran Outflow Dari kurva maka dilakukanlah simulasi waduk untuk menentukan daya terpasang. Debit yang dapat digunakan untuk perencanaan PLTA adalah sebagai berikut : Tabel 2. Alternatif Debit Desain Debit Daya Alternatif (m3/det) (MWh) 1 11,99 10.598 2 23,53 15.365 3 36,94 20.597 4 61,27 28.237 5 74,77 30.960 Maka dari perencanaan alternatif tersebut direncanakan komponen bangunan sipil, pada studi ini digunakan alternatif 4 sebagai acuan debit desain bangunan sipil, bangunan sipil yang direncanakan meliputi: 1. Bangunan Pengambilan Bangunan pengambilan direncanakan berupa pintu pengambilan (intake) dan dilengkapi dengan trashrack, pintu pengambilan didesain menggunakan tipe pintu reservoir intake dengan data teknis sebagai berikut: Jenis pintu : pintu sorong Debit desain : 61,20 m3/dt Tinggi pintu : 14 meter Lebar pintu : 3 meter Jumlah Pintu : 2 pintu Sedangkan desain penyaring (trashrack) adalah sebagai berikut : Bentuk jeruji : bulat memanjang Kemiringan trashrack : 45o Tebal jeruji (s) : 10 mm Jarak antar jerujui : 500 mm Jumlah jeruji : 13 jeruji 2. Bangunan Pembawa Bangunan pembawa yang dimak-sud dalam studi ini adalah terowongan dan pipa pesat, kedua bangunan tersebut adalah tipe tertutup bertekanan.
Perencanaan Terowongan : Data yang dibutuhkan untuk perencanaan terowongan adalah sebagai berikut ; Debit : 61,27 m3/dt Debit depan terowongan : 73,521 m3/dt Daya PLTA : 2x3,16 MW Tinggi jatuh : 14,02 m Panjang terowongan : 314 m Perencanaan diameter terowongan: Pendekatan yang digunakan dalam perencanaan diameter terowongan adalah kecepatan izin, yaitu 2-4 m/dt dengan persamaan sarkaria : D
𝑃 0,43
= 0,62 𝐻 0,65
6330 0 ,43
= 0,62 14,02 0,65 D = 4,804 m, maka didapat : A = 18,126 m2 V = 3,380 m/dt (memenuhi kecepatan izin) Maka dari hasil diatas didapatkan hasil sebagai berikut : Kecepatan : 3,380 m/dt Diameter : 4,804 m Tebal luar : 0,9 m Tebal total : 6,7 m Kedalaman Aliran Tekan Kedalaman aliran pada terowongan diperlukan untuk menjaga debit air yang masuk menuju terowongan agar selalu berada pada keadaan tertekan. Data yang dibutuhkan: Kecepatan : 3,380 m/dt Diameter : 4,9 m g : 9,81 m2/dt Persamaan Knauss : 1+2,3𝑣 ht >D 0,5 ht
(𝑔𝐷 ) 1+2,3 3,380
> 4,90 (9,81 4,90)0,5
ht = 11 m Desain lubang udara Lubang udara pada terowongan berfungsi untuk melepaskan udara sebelum masuk kedalam terowongan. Direncanakan
luas lubang 20% dari luas terowongan, sehingga di dapatkan : Aterowongan = 18,857 m2 Alubang udara = 3,771 m2 Dlubang udara = 2,191 m Perencanaan Pipa Pesat : Data yang dibutuhkan dalam perencanaan pipa pesat adalah sebagai berikut : Debit total : 61,27 m3/dt Panjang pipa pesat : 60 m Tinggi jatuh : 14,02 m Jumlah pipa pesat : 2 buah Kekasaran manning : 0,012 Debit tiap pipa : 30,63 m3/dt Diameter pipa pesat Diameter pipa pesat harus direncakan berdasarkan aspek hirdolik dan aspek ekonomis, menurut mosonyi kecepatan yang disarankan untuk pipa baja adalah sebesar 2,5 m/dt – 7 m/dt, berikut ini adalah persamaan empirik untuk menentukan diameter pipa pesat: Persamaan sarkaria: 0,25 Q2 D = 3,55. 2. g. H 0,25
30,632 D = 3,55. 2.9,81.14,02 D = 4,825 m, maka: A = 18,284 m2 V = 1,675 m/dt (tidak memenuhi kecepatan izin minimum) Persamaan diameter ekonomis ESHA (Penche,2004): Jika tinggi tekan karena gesekan pipa direncanakan 3% dari gross head maka: D=
𝑛 2 𝑄2 𝐿
0,1875
𝐻𝑓
D = 10,3
0,012 2 30,63 2 .60
0,1875
0,701
D = 2,45 m, maka: A = 4,71 m2 V = 6,49 m/dt (memenuhi kecepatan izin)
Dari kedua persamaan diketahui bahwa metode ESHA bisa dipergunakan namun perlu dilakukan analisa pengaruh diameter terhadap beberapa faktor seperti kehilangan energi. Maka selanjutnya diameter dihitung dengan pendekatan kecepatan berdasarkan mosonyi, maka : Kecepatan potensial aliran pada pipa pesat berdasarkan tinggi jatuh : V = 2𝑔𝐻 V = 2 9,81 14,02 V = 16,58 m/dt Sedangkan kecepatn izin yang mampu dicapai oleh pipa pesat adalah v maks = 7 m/dt. V min = 2,5 m/dt V maks = 7 m/dt D maks = 3,951 m D min = 2,361 m Maka nilai kisaran diameter pipa pesat adalah 2,361 – 3,951 m. Tabel 3. Hubungan Diameter Dengan Headloss No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
D (m) 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4
L (m2) 4.15 4.52 4.91 5.31 5.72 6.15 6.60 7.07 7.54 8.04 8.55 9.07 9.62 10.17 10.75 11.34 11.94 12.56
V (m/dt) 7.38 6.78 6.24 5.77 5.35 4.98 4.64 4.34 4.06 3.81 3.58 3.38 3.19 3.01 2.85 2.70 2.57 2.44
n 0.012 0.012 0.012 0.012 0.012 0.012 0.012 0.012 0.012 0.012 0.012 0.012 0.012 0.012 0.012 0.012 0.012 0.012
Hf 1 (m) 0.983 0.784 0.630 0.511 0.418 0.344 0.286 0.238 0.200 0.169 0.143 0.122 0.105 0.090 0.078 0.068 0.059 0.051
Hf 2 (m) 0.555 0.468 0.397 0.340 0.292 0.253 0.219 0.192 0.168 0.148 0.131 0.116 0.103 0.092 0.083 0.074 0.067 0.061
Hf 3 (m) 0.832 0.702 0.596 0.510 0.438 0.379 0.329 0.287 0.252 0.222 0.196 0.174 0.155 0.139 0.124 0.112 0.101 0.091
Hf 4 (m) 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
Hf tot (m) 2.47 2.05 1.72 1.46 1.24 1.07 0.93 0.81 0.72 0.63 0.57 0.51 0.46 0.42 0.38 0.35 0.32 0.30
Heff (m) 11.55 11.96 12.29 12.56 12.77 12.94 13.08 13.20 13.30 13.38 13.45 13.50 13.55 13.60 13.63 13.66 13.69 13.71
Sumber : Hasil Perhitungan Jadi diameter pipa pesat adalah sebagai berikut : D = 2,45 m A = 4,52 m2 V = 6,78 m/dt
Tebal pipa pesat Tebal pipa direncanakan dengan tujuan untuk menjaga keamanan pipa akibat tekanan dari dalam dan luar pipa, dengan menggunakan beberapa metode diperoleh hasil sebagai berikut: Barlow : 13 mm USBR : 10,33 mm Direncanakan tebal pipa pesat adalah 13 mm (tebal pipa terbesar dari analisa diatas) Pengaruh pukulan air terhadap pipa pesat Perhitungan tekanan hidrostatis untuk pipa perlu memperhatikan pengaruh pukulan air (Water Hammer) terhadap pipa, dimana kenaikan air akibat pukulan air ini dihitung dengan persamaan allevi : 𝛼𝑉𝑜 ρallevi : 2𝑔𝐻𝑜 :
767 ,146 6,772 2 9,81 14,02
ρallevi θ
: 18,889 𝛼𝑇 : 𝛼𝐿𝑜
θ n
: 2 60 : 31,964 𝜌 :𝜃
767 ,146 5
18,889
: 31,964 : 0,591 Dimana perhitungan pukulan air untuk turbin francis adalah sebagai beriku ; 𝑜 0,75 = (𝜃 𝜃 +1,25)n 𝐻𝑜 0,75
𝑜 =(𝜃
𝜃
+1,25) n x Ho 0,75
=(31,964
31,964
+1,25) 0,591 x 14,02
= 10,389 m Berdasarkan hasil perhitungan di atas tinggi water hammer adalah 10,389 m 3. Tangki gelombang (Surge Tanks) Pipa pesat membutuhkan tangki gelombang bila L > 4H, dalam studi ini panjang pipa pesat (L) adalah 60 meter sedangkan tinggi jatuh (H) adalah 14,02 meter maka: L > 4H = 60 > 56,068.
Sehingga pipa pesat membutuhkan adanya tangki gelombang (surge tank). Diameter tangki gelombang perlu direncanakan sedemikian rupa agar mampu mereduksi tekanan akibat Water Hammer pada pipa pesat. Rumus yang digunkan dalam merencanakan tangki gelombang adalah sebagai berikut : Persaman Thoma 𝐴𝐿 Ast : 2𝑔 𝑐 𝐻 Ast
60 4,52
: 0,02 14,02 2 9,81
Ast Sehingga,
: 2,47 m2
Dst
:
42,47
: Dst = 0,25 3,14 Zst
:𝑣
𝐿𝑡 𝑥 𝐴𝑠 0,5 𝑔 𝑥 𝐴𝑠𝑡 60 𝑥 4,52
0,5
: 6,78 9,81 𝑥 42,47 : 5,46 m 4. Bangunan Pembuang (tailrace chanel) Saluran tailrace direncanakan sistem pengaturan / regulasi pada bagian akhir dari draft tube berupa pintu atau katup kemudian debit air akan dialirkan melalui saluran terbuka dimana diujung saluran akan direncanakan ambang lebar sebagai kontrol elevasi muka air (TWL). Dalam perencanan saluran pembuang digunakan data teknis rencana sebagai berikut: Debit rencana :61,27 m3/dt Elv dasar saluran : +120 Lebar saluran : 20 meter Bentuk saluran : persegi Jenis pasangan : beton Koefisien manning : 0,015 Aliran air dari saluran pembuang akan dialirkan melaui ambang (weir) pada ujung saluran dengan data perencanaan: Bentuk ambang : ogee tipe I Lebar ambang : 20 meter Tinggi ambang : 1 meter Elevasi ambang : +121,00 Zst
3 2 1 0
y = 0.095x0.666
50.00
100.00
150.00
rating curve pada ambang
0,25𝛱
:8m
rating curve pada ambang
0.00
𝐴𝑠𝑡
Dst
Elevasi dasar :+120,00 Dengan menggunakan persamaan Q = C B H1,5dengan nilai koefisien debit untuk pengaliran tenggelam (C = 1,7) maka akan didapatkan lengkung kapasitas debit (ratingcurve) berdasarkan debit operasional pada ambang tailrace sebagai berikut:
Sumber : Hasil Perhitungan Gambar 5. Rating Curve Pada Ambang Tailrace Perhitungan Tinggi Jatuh Effektif Dengan menggunakan persamaan empirik berdasarkan potensi kehilangan tinggi tekan maka tinggi jatuh effektif ditentukan seperti pada tabel berikut: Tabel 4. Perhitungan Tinggi Jatuh Effektif Hf (m) kehilangan pada bangunan pengambilan Inlet 0.00617 Trashrack 0.00059 Kehilangan pada terowongan Inlet 0.162 Trashrack 3.72E-06 Manning 0.569 kehilangan pada pipa pesat Gesekan 0.784 Belokan 0.468 Inlet 0.702 kehilangan sebelum turbin Diasumsikan 0.1 2.791 Total kehilangan Diasumsikan waduk dalam keadaan penuh Elevasi tampungan normal 136.000 elevasi TWL Debit alternatif 1 121.3 Debit alternatif 2 121.5 Debit alternatif 3 121.7 Debit alternatif 4 121.9 Debit alternatif 5 122.1 Head Efektif Debit alternatif 1 12.03 Debit alternatif 2 11.85 Debit alternatif 3 11.68 Debit alternatif 4 11.41 Debit alternatif 5 11.15 Gross Head 14.07 Sumber : Hasil Perhitungan Paremeter Tinggi Tekan
Perencanaan Peralatan Hidromekanikal Dan Elektrikal Peralatan hidromekanikal dan elektrikal yang direncanakan dalam studi ini meliputi: turbin hidraulik, peralatan electrik dan rumah pembangkit. Turbin hidraulik Berdasarkan besarnya debit desain dan tinggi jatuh effektif dapat dipilih tipe turbin yang digunakan. Debit desain :61,27 m3/dt Tinggi jatuh effektif :11,41 m Daya teoritis :6,77MW
Gambar 6. Pemilihan Turbin
Gambar 7. Pemilihan Turbin Reaksi Maka direncanakan: Tipe turbin :Kaplan Jumlah turbin :2 unit Debit : 61,27 m3/dt Frekuensi generator : 50Hz Kutub generator : 30 buah Kecepatan putar : 200 rpm Kecepatan spesifik : 738,79 mkW Diameter runner : 2,70 m σkritis : 1,01 σaktual : 1,05 elv pusat turbin : +118,24 tinggi hisap : -3,69 m
dan direncanakan sistem intake turbin tipe spiral case dan draft tube dengan dimensi: lebar total spiral case : 10,77 m diameter intake spiral case : 4,05 m tinggi draft tube : 5,40 m panjang draft tube : 10,77 m peralatan elektrik yang direncanakan meliputi: generator 3 fasa, governor, speed increaser, transformer, switchgear dan auxiliary equipment. rumah pembangkit direncanakan dengan dengan dimensi: Tinggi : 12 meter Lebar : 20 meter Panjang : 50 meter Material rumah : beton Tebal dinding rumah : 0.3 meter Kedalaman pondasi : 1.5 meter Analisa Pembangkitan Energi Energi yang dihasilkan pada PLTA Lodoyo II tiap satu hari operasi ditabelkan sebagai berikut: Tabel 5. Hasil Pembangkitan Energi harian Tiap Alternatif
Sumber : Hasil Perhitungan Sedangkan hasil pembangkitan tahunan untuk tiap alternatif adalah: Tabel 6. Analisa kapasitas terpasang tiap alternatif Alternatif
Rated Capacity
Install Capacity
(Kw)
1
1330
2 x 600kw
2
2550
2 x 1200kw
3
3930
2 x 2000kw
4
6330
2 x 3000kw
5
7610
2 x 3500kw
Sumber : Hasil Perhitungan
Analisa Ekonomi Biaya proyek dan OP dihitung dengan menggunakan persamaan empirik sebagai berikut: Tabel 7. Estimasi Biaya PLTA
Sumber : Hasil Perhitungan Sedangkan estimasi manfaat tahunan dari penjualan energi listrik adalah: Tabel 8. Estimasi Manfaat PLTA Alt
Harga Jual Listrik (Rp/Kwh)
Pembangkitan Tahunan
Pendapatan
Total
1
1175.4
10598
12.46
12.46
2
1175.4
15365
18.06
18.06
3
1175.4
20597
24.21
24.21
4
1175.4
28237
33.19
33.19
5
1175.4
30960
36.39
36.39
Dan analisa sensitivitas sebagai berikut: Kondisi 1:benefit turun 20%, cost tetap Kondisi 2:benefit tetap, cost naik 20% Kondisi 3:benefit turun 20%, cost naik 20% Hasil analisa sensitivitas untuk tiap alternatif ditabelkan sebagai berikut: Tabel 10. Hasil Analisa Sensitivitas Tiap Alternatif
Sumber : Hasil Perhitungan Sehingga dari analisa ekonomi dipilih alternatif 1 sebagai alternatif yang paling mengguntungkan 4. Kesimpulan 1. Berdasarkan analisa besar debit yang akan digunakan dalam perencanaan PLTA Lodoyo II adalah No
Alt
1 2 3 4 5
1 2 3 4 5
Sumber : Hasil Perhitungan Dengan rencana usia proyek adalah 35 tahun maka akan didapatkan parameter kelayakan ekonomi sebagai berikut: Tabel 9. Analisa Ekonomi Tiap Alternatif Npv
Irr
Paid Back Period
1.02
1.87
12.31%
6.86
0.87
(17.17)
10.29%
8.06
968.29
0.82
(33.29)
9.60%
8.56
1,062.0
901.94
0.74
(73.76)
8.45%
9.67
1,164.5
1,250.5
0.79
(63.59)
9.07%
9.02
Alt
Suku Bunga
Pv Cost
Pv Benefit
Bcr
1
12.00%
411.08
828.27
2
12.00%
595.96
891.10
3
12.00%
774.70
4
12.00%
5
12.00%
Sumber: Hasil perhitungan
2.
3.
Debit (Q) (m3/det) 11,99 23,53 36,94 61,27 74,77
Head (m) 11,90 11,72 11,55 11,28 11,15
Power (kW) 1.210 2.339 3.617 5.861 7.069
Berdasarkan analisa, kapasitas daya terpasang berdasarkan alternatif terpilih adalah sebesar 2 x 0,6 mW. Produksi energi PLTA Lodoyo II selama setahun berdasarkan alternatif terpilih adalah sebesar 10598 MWh
4.
Komponen bangunan PLTA yang dipergunakan dalam studi ini adalah: a Bangunan sipil: Pintu pengambilan. Bangunan pembawa, bangunan pembawa terrdiri dari terowongan, dan pipa pesat. Tangki gelombang (Surge Tanks) Rumah pembangkit (Power House) Bangunan pembuang (saluran tailrace). b Peralatan mekanik dan elektrik: Turbin kaplan beserta kelengkapanya (spiral case, draft tube), generator 50Hz dengan 30 kutub, governor, speed increaser, travo, switchgear dan aksesoris kelistrikan. 5. Berdasarkan hasil analisa ekonomi terhadap alternatif debit andalan terpilih (alternatif 1) diperoleh besar biaya total sebesar 87,82 milyar rupiah dengan nilai BCR 1,02, NPV 1,87 milyar rupiah, IRR 12,31% dan paid back period 6,86 tahun. Dengan hasil analisa tersebut dapat disimpulkan bahwa perencanaan PLTA lodoyo II dengan alternatif 1 layak secara ekonomi. Daftar Pustaka 1. Anonim. 1986. Standar Perencanaan Irigasi (Kriteria Perencanaan 02). Bandung : CV. Galang Persada. 2. Anonim. 1986. Standar Perencanaan Irigasi (Kriteria Perencanaan 04). Bandung : CV. Galang Persada. 3. Anonim, 1976. Engineering Monograph No. 20 Selecting Reaction Turbines. Amerika: United States Bureau Of Reclamation. 4. Arismunandar A. dan Kuwahara S. 2004. Buku Pegangan Teknik Tenaga Listrik. Jakarta : PT Pradnya Paramita. 5. Bringas, John E. 2004. Handbook of Comparative World Steel Standarts. USA. ASTM International.
6.
7.
8.
9. 10.
11.
12.
13.
14.
15.
Dandekar, MM dan K.N. Sharma. 1991. Pembangkit Listrik Tenaga Air. Jakarta : Universitas Indonesia. Mosonyi, Emil. 1963. Water Power Development Volume One Low Head Power Plant. Budapest : Akademiai Kiado Mosonyi, Emil. 1963. Water Power Development Volume Two High Head Power Plant. Budapest : Akademiai Kiado Patty, O.F. 1995. Tenaga Air. Erlangga : Surabaya. Penche, Celso. 2004. Guidebook on How to Develop a Small Hydro Site. Belgia : ESHA (European Small Hydropower Association). Ramos, Helena. 2000. Guidelines For Design Small Hydropower Plants. Irlandia : WREAN (Western Regional Energi Agency & Network) and DED (Department of Economic Development). Shahin, M. 1993. Engineering Hydrology. Delft : Instintute of Hydraulic Engineering. Soemarto, C.D. 1987. Hidrologi Teknik Edisi 1. Surabaya : Usaha Nasional. Varshney,R.S. 1977. Hydro-Power Structure. India : N.C Jain at the Roorkee Press. Warnick, C. C., Mayo, H. A., Carson, J. L., & Sheldon, L. H. 1984. Hydropower Engineering. New Jersey: Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs.
