Gambar 1.1 Skema jaringan irigasi dan lokasi bangunan terjun di Saluran Primer Kromong

PEMANFAATAN BEDA ENERGI PADA BANGUNAN TERJUN (BKR2) UNTUK PEMBANGKIT LISTIK TENAGA MIKROHIDRO PADA IRIGASI PRIMER KROMONG II , DESA SAJEN KECAMATAN PACET KABUPATEN MOJOKERTO. Zuhan Lmanae, Ir. Abdullah Hidayat SA, MT, dan Bambang Winarta ST,MT.Ph.D Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil & Perencanaan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: [email protected]

Abstrak Seiring dengan meningkatnya kebutuhan energi listrik serta menipisnya cadangan bahan bakar fosil, maka dibutuhkan suatu alternatif sumber energi terbarukan. Salah satu sumber energi alternatif yang bisa digunakan adalah dengan memanfaatkan potensi head rendah pada sebuah sungai. Indonesia yang sebagian besar wilayahnya berupa perairan mempunyai karakteristik sungai dengan debit besar dan head rendah. Penerapan teknologi Mikrohidro sebagai pembangkit listrik merupakan solusi yang tepat untuk memanfaatkan potensi tersebut. Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro dapat dibangun dengan syarat perbedaan ketinggian minimal 1,5 - 2 meter dan debit selalu tersedia, karena yang digunakan hanya energi potensialnya, sehingga debit air masih dapat dimanfaatkan untuk pengairan. Saluran primer Kromong II yang terletak di desa Sajen, Kecamatan Gondang, Kabupaten Mojokerto Memiliki 1 bangunan terjun dengan beda elevasi total setinggi ±2 meter dan debit minimum sebesar 567 liter/detik. Sehingga dapat dimanfaatkan sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH). Dengan debit saluran 935 liter/detik dari data debit 10 tahunan dan tinggi efektif sebesar 1,60 meter serta menggunakan turbin Cross Flow yang digunakan adalah XFlow T-14 D300 Low Head Series maka, kehilangan energi akibat bangunan terjun pada saluran irigasi primer Kromong berpotensi menghasilkan daya sebesar 8,668 kW dan energi 74.086,27 kWh pertahun yang dapat digunakan untuk memenuhi kebutuhan listrik sekitar PLTMH. I. PENDAHULUAN Bendung Kromong terletak di Desa Sajen Kecamatan Pacet, Kabupaten Mojokerto, Bendung Kromong terletak dialiran Sungai Kromong dan memiliki fungsi utama untuk memenuhi kebutuhan irigasi dan digunakan untuk didaerah sekitar sungai. Pada Bendung Kromong terdapat satu intake pengambilan debit sungai tampak terlihat Gambar 1.1 tersebut. Untuk mengaliri kebutuhan irigasi pada daerah irigasi di Kromong. Di daerah Sungai Kromong saluran terdiri dari saluran Primer Kromong, Sekunder Kromong dan Sekunder Treceh. Saluran Primer Kromong memiliki debit kemarau maksimum sebesar 2143 liter/detik dengan luas daerah pengairan sebesar 930 Ha.

Gambar 1.1 Skema jaringan irigasi dan lokasi bangunan terjun di Saluran Primer Kromong Pada Saluran Primer Kromong terdapat 3 bangunan terjun yang terletak berdekatan dengan beda elevasi sekitas 5,2 meter, Untuk saluran sepanjang 302 meter. Maka Saluran Primer Kromong berpotensi untuk digunakan sebagai pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH). Bila PLTMH terelasisasi maka listrik yang dihasilkan dapat digunakan untuk menerangi Desa sekitar saluran serta digunakan untuk hal yang bermanfaat. Maka tugas akhir saya yang akan angkat adalah “ Pemanfaatan Beda Energi pada Bangunan Terjun Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro “, Studi kasus Saluran Primer Kromong, daerah irigasi Desa Sajen, Kecamatan Pacet, Kabupaten Mojokerto. 1.1 Perumusan Masalah  Bagaimana menghitung debit untuk memenuhi syarat mikrohidro ?  Bagaimana menghitung angkutan sedimen yang diperbolehkan dalam aliran ?  Bagaimana menentukan dimensi pipa pesat ?  Bagaimana menentukan desain turbin dan generator agar menghasilkan listrik yang efektif ?  Berapa tenaga listrik yang mampu dihasilkan?

2

1.2 Batasan Masalah  Tidak merencanakan penyaluran listrik yang 3.1. dihasilkan  Tidak menyertakan bangunan sekitar saluran  Air yang mengalir diasumsikan terbebas dari benda hanyutan.  Perencanaan bangunan sipil hanya sebatas dimensi bangunan.  Tidak menghitung stuktur kontruksi sipil bangunan. 1.3 Tujuan Perencanaan.  Mendapatkan debit  Mendapatkan jumlah angkutan sedimen yang terkandung dalam aliran.  Mendapatkan dimensi pipa pesat.  Mendapatkan desain turbin dan generator agar dapat menghasilkan daya listrik yang efektif.  Mengetahui besar tenaga listrik yang mampu dihasilkan. 1.4 Manfaat Perencanaan.  Dapat memanfaatkan kehilangan energi pada bangunan terjun sebagai pembangkit listrik II. METODOLOGI A. Umum Langkah – langkah pengerjaan proyek akhir ini akan dilakukan seperti diagram alir beriku

III. ANALISA DAN HASIL Analisa Debit Data yang didapat dari analisa atau dari data pengambilan debit 6 hari selama 10 tahun, langka – langka perhitungan untuk Analisa Debit adalah: 1. Mengurutkan data dari terkecil hingga data yang terbesar 2. Mencari selisih data besar dan data terkecil sebagai jarak data (R) R = Data debit terbesar – Data debit terkecil = 2134 l/dt – 567 l/dt = 1576 l/dt = 1,576 m3/dt 3. Menghitung jumlah data yaitu n n = Banyak n bulan * banyaknya n tahun n= 12 x 10 n = 120 4. Mencari jumlah kelas data (k) 1 + 3,3 log n 1 + 3,3 log (120) = 7,86 ≈ 8 5. Mencari kelas interval (i) i = R/k = 1,576 / 8 = 0,2005 6. 8 kelas dengan jarak interval kelas 0,2005 7. Menghitung probabilitas tiap kelas dengan menggunakan rumusan California. P = x 100% = x 100%

Tabel 4.1. Perhitungan debit dalam 10 tahun Nilai Interva Tengah Frekuensi Frekuensi Propabilitas m3/dt Komulatif % 2,143 1,943 2,043 10 10 18 1,942 1,741 1,841 18 28 23 1,740 1,540 1,640 17 45 38 1,539 1,338 1,438 13 58 48 1,337 1,137 1,237 8 66 55 1,136 0,935 1,035 7 73 60 0,934 0,734 0,834 38 111 90 0,733 0,532 0,632 9 120 100

Gambar 3.1 Flowchart metode studi Gambar 4.1. Duration Curve untuk mencari debit disaluran

3 3.2.

Perencanaan Kapasitas Tenaga Air Kapasitas daya dipengaruhi debit yang mengalir dalam saluran dan tinggi air yang jatuh dibangunan terjun tersebut. 3.2.1. Tinggi jatuh efektif Tinggi jatuh efektif didapat dengan memperkirakan kehilangan energi yang terjadi sebesar 10% dari tinggi bruto sebagai asumsi awal. Hbruto = elevasi upstream – elevasi downstram = +480,52 – +478,77 = 1,75 m Hlosses = 10% x Hbruto = 10% x 1,75 = 0,175 m Sehingga perkiraan awal untuk tinggi jaruh efektif Heff = Hbruto – Hlosses = 1,75 m – 0,175 m = 1,60 m 3.2.2. Daya yang dihasilkan Dari perhitungan debit dan tinggi efektif yang kita laukan maka selanjutnya kita dapat daya yang dihasilkan dari perhitungan sebelumnya P = 9,8 x 0,935 x 1,60 = 14,66 kW = 19,64 Hp

3.3.

Sehingga daya yang terpasang diperkirakan sebesar: P’ = P x ∑η P’ = P x ηt x ηg x ηtr P’ = 14,66 x 0,76 x 0,89 x 0,95 P’ = 9,42 kW Perencanaan Bangunan Pembangkit 3.3.1 Perhitungan muka air Didapat data dari lapangan atau existing dapat dihitung tinggi muka air saat debit rencana yaitu sebesar debit disaluran. Koefisien manning (n) = 0,02 Kemiringan dasar saluran (S) = 0,00157 Lebar dasar saluran (B) = 2,5 m Untuk kecepatan aliran dan debit saluran digunakan rumus : Q =vxA A=bxh P = b + 2h v = x

x

Q = (bxh) x x

x

Sehingga didapat perbandingan kedalaman muka air dan debit sebagai berikut :

Tabel 4.2. Hububungan h dan Q h

A 2

p

R

V

Q 3

(m)

(m )

(m)

(m)

(m/dt)

(m /dt)

0

0

2,50

0

0

0

0,1

0,250

2,700

0,093

0,405

0,101

0,2

0,500

2,900

0,172

0,614

0,307

0,3

0,750

3,100

0,242

0,769

0,577

0,4

1,000

3,300

0,303

0,894

0,894

0,5

1,250

3,500

0,357

0,997

1,247

Gambar 4.2 Rating curve untuk mencari tinggi muka air Muka air waktu debit disaluran yaitu : Q = 0,935 m3/dt adalah 0,41 meter 3.3.2.

Perencanaan bangunan pengatur tinggi muka air Bangunan pengatur tinggi muka air dipasang melintang pada saluran dan berada didepan pintu pengambilan debit/intake. Bangunan ini berfungsi untuk mengatur tinggi muka air di saluran depan intake sehingga debit yang masuk intake sesuai dengan perencanaan yaitu debit perencanaan / debit saluran. Bangunan pengatur tinggi muka air yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah skot balok. Dari grafik Rating Curve didapat tinggi muka air pada saat debit perencanaan sebesar 0,4 meter, sehingga elevasi muka air didepan pintu intake adalah + 480,52 + 0,4 = +480, 92. Tinggi skot balok disesuaikan dengan ada dipasaran yaitu (20 cm x 10 cm) sehingga dipasang 2 skot balok, jadi tinggi skot balok 0,4 meter dari dasar saluran. 3.3.3. Perencanaan saluran pengarah Saluran pengarah digunakan untuk mengarahkan air yang akan masuk menuju bak pengendap, saluran tersebut direncanakan merupakan saluran terbuka berbentuk persegi sebesar debit perncanaan yaitu 0,935 m3/dt Direncanakan : Saluran terbuka berbentuk segiempat dari pasangan beton dengan data sebagi berikut: Q = 0,935 m3/dt b = 2h v = 0,905 m/dt n = 0,015 (saluran pasangan beton)

4

Q 0,935 m3/dt A A 1,033 m2 h b P R

h / = 0,365 h = 0,547 m ≈ 0,6 m > 5 cm (OK)

=VxA = 0,905 m/dt x A = 1,033 m2 =bxh = 2 h2 = 0,75 m = 2 x 0,75 = 1,50 m = 2h + b = 2 x (0,75) + 1,5 =3m = A/P = 1,158 / 3 = 0,35 m

v0 = = ,

0,905 m/dt S

= x =

,

Parameter

Luas penampang basah Keliling basah Jari - jari basah Kemiringan dasar Koefisien manning Tinggi jagaan Kontruksi

x 0,35 x

,

Setelah didapat desain drempel, maka dikontrol menggunakan debit minimum saluran yang masuk yaitu; Q20% = 0,187 m3/dt Q = 1,71 b h / 0,187 = 1,71 x 1,5 x h / h / = 0,073 h = 0,208 m ≈ 0,21 m > 5 cm (OK)

= 0,0276 = 0,00076

Notasi

Nilai

Satuan

Q v b h

0,935 0,905 1,50 0,75

m /dt m/dt m m

3

2

Dari perencanaan bengunan drempel tersebut didapatkan bahwa bangunan drempel mampu mengukur sampai debit minimum yang masuk kesaluran.

m A 1,033 P 3,0 m R 0,35 m S 0,00076 n 0,015 W 0,30 m Saluran persegi dengan pasangan beton

3.3.4.

Perencanaan pintu pengambilan Intake Pintu pengambilan Intake berfungsi untuk memasukan debit rencana dari saluran pengambilan. Pintu direncanakan dibuka setinggi 0,4 meter, yaitu setinggi muka air debit rencana dan debit air maksimum yang masuk pada pintu yaitu sebesar 0,935 m3/dt dan debit yang melebihi akan kembali ke saluran induk BK 2 dan melimpah diatas skot balok. Maka kehilangan energi akibat pintu : Q =μxbxa 2 0,935 m3/dt = 0,8 x 1,5 m x 0,4 √2 9,8 3.3.6. Z = 0,19 m 3.3.5. Perencanaan Bangunan Ukur Bangunan ukur diperlukan untuk mengukur banyaknya debit air yang akan digunakan sebagai PLTMH. Bangunan ukur direncanakan mampu mengukur sampai debit minimum. Bangunan ukur yang digunakan adalah tipe drempel dan terdapat pada saluran pengarah, dengan perhitungan sebagai berikut: Data – data saluran: Q80% = 0,935 m3/dt b = 1,5 m p = 0,30 m

/

,

= 0,6 m sehingga, L = 1,95 H1 max L = 1,95 x 0,6 L = 1,1 m r = 0,2 H1 max r = 0,2 x 0,6 r = 0,122 m ≈ 0,1 m

x

Alat Ukur Drempel : Q80% = 1,71 b h / 0,935 = 1,71 x 1,5 x h

v0 2

2g

= 0,60 +

Tabel 4.3. Dimensi saluran pengarah Debit Kecepatan Lebar saluran Tinggi basah

)

H1max = h+

Mencari kemiringan saluran pengarah v

(

= , = 0,738 m/dt

Data teknis alat ukur drempel adalah sebagai berikut: Tabel 4.4. Data perencanaan bangunan Drempel Parameter Debit rencana Kecepatan disaluran Kecepatan diatas Drempel Lebar Tinggi Panjang Jari-jari Kelengkungan Tinggi muka air atas Drempel

Notasi

Nilai

Satuan

Q v vo B P L r H1

0,935 0,905 0,738 1,5 0,3 1,1 0,1 0,6

m3/dt m/dt m/dt m m m m m

Perencanaan Bak Pengendap Sedimen Air yang dimanfaatkan sebagai PLTMH biasanya mengandung banyak kerikil dan pasir yang membahayakan kerja turbin apabila dibiarkan begitu saja, Bahan endapan yang perlu diendapkan tergantung pada jenis PLTA yang direncanakan. Diameter maksimum yang diijinkan dari jenis PLTA nya adalah:  0,2 – 0,5 mm untuk PLTA tekanan rendah  0,1 – 0,2 mm untuk PLTA tekanan sedang  0,01 – 0,05 mm untuk PLTA tekanan tinggi PLTMH masuk ke dalam kategori PLTA bertekanan rendah, sehingga nilai batas diameter sedimen maksimum diambil sebesar 0,2 mm. 3.3.6.1 Perhitungan Kecepatan Kritis Sedangkan besar kecepatan kritis, nilai kecepatan dimana sedimen dengan diameter tertentu

5 akan bergerak sehingga terjadi pengendapan, menurut Camp adalah: vcr = √ Diambil ukuran partikel maksimum = 0,2 mm, maka vcr = 44√0,2 vcr = 19,67 cm/dt ≈ 0,197 m/dt dimana: d = diameter butir (mm) a = 36 bila d > 1 mm = 44 bila 1 mm >d > 0,1 mm = 51 bila d < 0,1 mm

Waktu turun butir (t) = = , = 47,62 dt Volume bak (V) = Q x t = 0,935 x 47,62 = 44 m3 = 44 m3 < 45 m3… OK Kemiringan energi: Luas penampang (A)

3.3.6.2. Perhitungan Kecepatan Saluran Dari data pengukuran debit saluran irigasi pada satu waktu didapat kecepatan aliran pada saluran adalah: Lebar dasar saluran (B) = 1,5 meter Kedalaman muka air (h) = 0,75 meter Debit (Q) = 0,935 m3/dt Luas penampang air (A)

= 0,75 x 1,5

kecepatan saluran (v)

= 1,121 m2 , = =

Keliling penampang basah (P)= b + 2h = 5 + (2 x 1) =7m Jari – jari hidrolis (R) = = = 0,72 koefisien manning (n) = 0,015 (beton) Kemiringan bak pengendap (in) in

,

= 0,83 m/dt > vcr = 0,197 m/dt Dari hasil perhitungan diatas diketahui kecepatan aliran pada saluran yaitu 0,83 m/dt, melebihi dari kecepatan kritis pada sedimen ijin yaitu sebesar 0,197 m/dt. Artinya sedimen yang terangkut dalam aliran air memiliki diameter yang lebih besar atau sama dengan diameter batas yang diijinkan, sebesar 0,2 mm, sehingga dalam PLTMH ini perencanaan bak pengendap sedimen diperlukan. 3.3.6.3. Perhitungan Perencanaan Bak Pengendap Sedimen Direncanakan ukuran bak pengendap sedimen berdasarkan: Qrencana = 0,935 m3/dt Diameter butir = 0,2 mm Tinggi air dalam bak (h) = 1 m Kecepatan di bak pengendap (vn) harus dibawah kecepatan kritis, diambil = 0,18 m/dt Dari Gambar 2.3 didapatkan kecepatan turun butir (ω)=2,1 cm/dt, maka: Menurut Velikanov : : dengan menetapkan sebesar W = 0,95 maka = 1,2 Panjang bak pengendap (L) = ,

Lebar bak pengendap (B)

= = 9m

, , ,

(√

(√ ,

, )

, )

,

= , =5m Volume bak (V) = L x B x h =9x5x1 = 45 m3 Kontrol :

= = ,

,

,

= 0,000009

Tabel 4.5. Data teknis bak pengendap Notasi

Nilai

Satuan

h

1

m

L

9

m

B

5

m

A

5

m2

in

0,000009

-

3.3.7. Perhitungan Perencanaan Kantong Pasir Untuk asumsi awal dalam menentukan kemiringan energi di kantong pasir (is), kecepatan aliran untuk pembilasan diambil 1 m/dt. Debit (Q50%) = 0,467 m3/dt , Luas permukaan (As) = = = 0,467 m2 Lebar dasar (bs) =3m maka, kemiringan dasar kantung adalah: As = bs x hs 0,467= 3 x hs hs = 0,16 m , RS = = = 0,141 m n = 0,015

=

=hxb = 1 x 5 = 5 m2

vs2

is =

2 2 1 R3 x n

=

,

12

2 1 0,141 3 X 0,015

2

=0,00083

Agar pembilasan dapat dilakukan dengan baik, kecepatan aliran harus dijaga agar tetap subkritis atau Fr < 1 = = = = 0,81 < 1 … √ ,

,

6 Dari diagram Shields dapat diperoleh diameter partikel yang Dari Standart Perencanaan Irigasi KP-02 diketahui akan terbilas. kedalaman kantong pasir di bawah saluran pengendap pasir τ = ρ x g x hs x is = 1000 x 9,81 x 0,16 x 0,00083 = 1,27 N/m2 bervariasi antara 1-10 m untuk jaringan kecil (sampai 10 m3/dt), sedangkan lebar bagian bawah kantong bervariasi berdasarkan Dengan menghitung τ dari diagram Shields dapat diketahui rencana, Volume kantong pasir dihitung dengan persamaan bahwa partikel – partikel yang lebih kecil dari 5 mm akan sebagai berikut: terbilas pada saat pembilasan. V = +( ( − ) sehingga, volume kantong pasir adalah: V = 3 9 + ( (0,00083 − 0,000009) 9 3) V = 13,62 m3 Dengan demikian periode pengurasan adalah: , = 2,35 ≈ 2 hari sekali

in is

Gambar 4.4 Kemiringan kantong pasir Tabel 4.6. Data teknis kantong pasir Notasi

Nilai

Satuan

hs

0,16

m

,

3.3.9. Efisiensi Pengendapan Kantong Pasir Dari diagram Camp efisiensi kantong lumpur untuk berbagai diameter sedimen dapat ditentukan, Dengan panjang (L) 9 meter dan kedalaman air rencana (h) 1 meter, serta kecepatan 0,18 m/dt, kecepatan endap rencana dapat disesuaikan: h L h x vn =  ω0 = ω0

vn

1 x 0,18

L

ω0 = = 0,02 m/dt 9 dengan ω = 0,02, dari Gambar 2.5 diameter yang sesuai 0 B 3 m adalah 0,19 mm. A 0,467 m2 Fraksi rencana 0,2 mm dengan kecepatan endapan (ω) 0,021 m/dt. Efisiensi pengendapan fraksi 0,2 mm dapat iS 0,00083 dihitung sebagai berikut: ω = 0,021 m/dt 3.3.8. Perencanaan Periode Pengurasan ω = 0,02 m/dt Volume tampungan dari bak pengendap tergantung 0 v = 0,18 m/dt pada banyaknya sedimen yang masuk dan mengendap sehingga n , = = 1,05 dapat dihitung periode pengurasannya, Hasil analisa , laboratorium terhadap sample sedimentasi adalah sebagai ω = , = 0,12 vn , berikut: Dari grafik Camp, diperoleh efisiensi 0,89 Konsentrasi sedimen = 191 mg/l Vol.sedimen = kons sedimen x Qdebit 3.3.10. Perencanaan pipa pesat (Penstock) = 191 x 0,935 Pipa pesat pada perencanaan PLTMH ini digunakan = 178517 mg/dt sebagai pengarah air menuju turbin dan juga untuk menjaga diketahui Gs = 2,6583 kestabilan debit yang akan digunakan sebagai PLTMH, Dalam γS = Gs x γw perencanaan ini akan dihitung besarnya diameter, tebal, 3 = 2,6583 x 1000 kg/m maupun gaya yang terjadi pada pipa pesat, 3 = 2658,3 kg/m 3.3.10.1. Perencanaan Diameter Pipa Pesat Volume = Dalam perhitungan diameter pipa pesat digunakan perumusan USBR, Namun sebelum = mengitung besarnya diameter perlu diketahui terlebih , -5 3 dahulu kecepatannya sebagai berikut: = 6,7 x 10 m /dt v = 0,125 2 x g x Heff Volume sedimen yang terjadi dalam satu hari : = Vol x hari v = 0,125 (2 x 9,81 x 1,647)0,5 -5 3 = 6,7 x 10 m /dt x (3600x24) v = 0,71 m/dt = 5,802 m3/hari dimana : v = kecepatan aliran (m/dtk) Tabel 4.7. Hasil analisa Suspended Load g = percepatan gravitasi (m/dtk²) Heff = tinggi jatuh efektif (m) Volume Debit Konsentrasi Sedimen Namun kecepatan dalam pipa pesat untuk sedimen Tanggal pengambilan Posisi tinggi efektif yang tidak besar diambil nilai 2 – 3 3 3 mg/l m /dt m /hari m/detik. Maka direncanakan nilai 2 m/detik pada pipa 18-12-2012 0,935 Tengah 191 5,802 pesat, sehingga didapat diameter pipa pesat : L

9

m

Berdasarkan hasil analisa sedimen diatas, maka volume sedimen pada saat Q debit, 0,935 m3/dt, diperkirakan sebesar 5,802 m3/hari atau 191 m3/bulan.

D = =

Q 0,25 x π xv 0,935 0,25 , π ,0,71

= 1,30 m

7 dimana: D = Diameter pipa pesat Qandalan = debit andalan (m3/dt) v = kecepatan aliran (m/dtk) Besar diameter pipa baja direncanakan sesuai dengan diameter yang tersedia di pasaran, Sehingga diameter yang diambil adalah 25 inchi atau sebesar 0,635 meter. Sehingga kecepatan aliran dalam pipa pesat yang terjadi adalah : v= = = = 0,70 m/dt ,

3.3.10.2 . Perencanaan posisi pengambilan Jarak muka air dengan posisi pipa pesat disebut dengan minimum operational level (MOL). Menurut O.F Patty, untuk menghitung MOL maka jarak MOL diukur dari sisi bahwa pipa dengan rumusan: Menurut O.F Patty, pipa pesat harus berada di D + 1,5

Maka, jarak MOL = D + 1,5

,

= 1,30 + 1,5 , = 1,3 m Nilai MOL yang dipakai diukur dari muka air saat debit minimum Q20% = 0,207 m3/dt yaitu 0,14 meter. Sehingga perlu dicari nilai selisih dari ketinggian muka air minimum dan muka air saat debit rencana, yaitu : Δh = hrencana - hmin = 0,4 – 0,14 = 0,26 meter Jadi jika diukur dari muka air debit rencana, dibutuhkan ketinggian : H MOL = Δh + MOL = 0,26 + 1,3 = 1,60 meter Elevasi muka air pada posisi pengambilan pipia pesat adalah: z1 = (akibat pintu) = 0,19 m z2 = (akibat alat ukur drempel) = xH = x 0,21 m = 0,069 m z3 = kemiringan saluran pengarah sebelum drempel =LxS = 5 x 0,00073 = 0,0038 z4 = kemiringan saluran pengarah setelah drempel =LxS = 8 x 0,00073 = 0,0061 z5 = kemiringan bak pengendap = L x in = 9 x 0,000009 = 0,000081

Maka elevasi muka air pada posisi pengambilan pipa pesat adalah: MA = MA. Pada intake –z1 – z2 – z3 – z4 – z5 = +480,52 – 0,19 – 0,069 – 0,0038 – 0,0061 – 0,000081 = +480,25 Sehingga elevasi sisi bawah pipa pengambilan adalah : = +480,25 – 1,60 = +478.65 Berdasarkan muka air pada posisi pengambilan pipa maka didapat beda tinggi sebesar : Hbrutto = elevasi upstream – elevasi downstream = +480,25 - +478,65 = 1,6 meter Hlosses = 10% x Hbrutto = 0,16 meter Sehingga didapat tinggi jatuh efektif sebesar Heff = Hbrutto - Hlosse = 1,6 – 0,16 = 1,44 meter ≈ 1,5 meter 3.3.10.3 Perencanaan tebal Pipa Pesat Dalam penentan tebal pipa pesat diperhitungkan gaya akibat tekanan air dalam pipa yang arahnya tegak lurus aliran air, Perhitungan gaya tekan air: Po = γ x Heff Po = 1000 x 1,5 Po = 1500 kg/m Sehingga tebal pipa pesat adalah: Po x D δ= 2 x φ x σbaja 1500 x 1,3 δ= 2 x 0,9 x 24. 106 δ = 0,000045 m = 0,045 mm Dimana : δ = Tebal pipa pesat (m) Po = Tekanan yang terjadi pada pipa (kg/m2) D = Diameter pipa (m) = Koefisien kekuatan sambungan las (0,9) σbaja = tegangan ijin baja (kg/m2) Sedangkan syarat minimum tebal pipa perlu diperhatikan dimana : Sampai dengan diameter 0,8 m…… 5 mm Sampai dengan diameter 1,5 m…… 6 mm Sampai dengan diameter 2,0 m…… 7 mm Sehingga diambil ketebalan pipa minimum (δ) = 5 mm Dan tebal pipa harus ditambah sekitar 1 – 3 mm untuk cadangan karena karat pada pipa, sehingga dengan penambahan penebalan pipa 1 mm, tebal pipa rencana (δ) adalah: δ = 5+2 = 7 mm sehingga memenuhi syarat pipa tipis, yaitu: ≥ 20 ≥ 20 186,26 ≥ 20 … OK

8 3.3.10.4. Tegangan yang terjadi pada pipa pesat 1.Tegangan pada perletakan Pada perletakan akan terjadi momen maksimum yang terjadi karena berat dari pipa dan air sepanjang jarak dari perletakan. Sehingga dari perencanaan diusahakan agar nilai dari jarak perletakan tidak akan memberikan tegangan yang melebihi tegangan ijin baja. Untuk berat pipa per meter adalah: Gs = 0,25 x π{(D+2δ)² - D²} x γbaja = 0,25 x π{(1,300 +2x0,007)² - 1,300²} x 7850 = 226,18 kg/m Untuk berat air per meter adalah: Gw = 0,25x π x D² x γw = 0,25x π x 1,300² x 1000 = 1334,53 kg/m Sehingga momen maksimum yang didapat adalah: (Gs + Gw) x ( b cos ) M = =

(226,18 +1334,53) x ( 12 cos 2°) = 18705,65 kgm Dimana : M = Momen maksimum (kgm) b = jarak perletakan (12 m) Gs = Berat pipa per meter (kg/m) γw = massa jenis air 1000 (kg/m³) GW= Berat air per meter (kg/m γbaja= massa jenis baja 7850 (kg/m³) = sudut kemiringan 2° Momen perlawanan yang terjadi : S= 1

I

2(D + 2 x δ)

=

1

= 64

1

x π x (D+2 x δ)4 - 64 x π x (D)4 1 x (D + 2 x δ) 2

1 1 x π x (1,300+2 x 0,007)4 - 64 x π x (1,300)4 64 1 x (1,300 + 2 x 0,007) 2

3. Tegangan pergeseran pipa dan perletakan Pergeseran disebabkan karena terjadinya pemuaian dan penyusutan pada bagian perletakan, Sebelum mendapatkan nilai tegangan yang terjadi perlu dicari nilai yang lain, yaitu: Gaya geser pada perletakan F = f (Gs + Gw) cos β = 0,5(226,18 +1334,53) cos 2° = 779,88 kg Luas tebal pipa A = π ( + 2 ) −D = π (1,300 + 2x0,007) − 1,300 = 0,0288 m2 Titik tangkap gaya geser 2R sinθ a =R a =R

Sehingga tegangan yang terjadi adalah : M σ = <σ =

18705,65

< 16 x 106

θ

= 0,652 x = 0,010 m

sin45

Dimana : F = Gaya geser pada perletakan (kg) f = Koefisien gesek pipa 0,5 A = Luas tebal pipa (m2) a = Titik tangkap gaya geser (m) S = Momen perlawanan (kgm) D = Diameter pipa (m) δ = Tebal pipa pesat (m) R = Jari – jari pipa ½ x D (m) Ѳ = 0,5 sudut perletakan Sehingga tegangan yang terjadi adalah : σ =

∑F

=

= 0,0094 m3

Dimana : S = Momen perlawanan (cm3) I = Momen Inersia pipa (cm4) D = Diameter pipa (cm) δ = Tebal pipa pesat (m)

2θR sin θ

A

+

∑F , a

769,48

0,0286

+

769,48 x 0,010 0,0093

= 27744,78 kg/m2 < 16, 10 kg/m2 ….. Ok!

4. Berat pipa kosong Tegangan tekan yang diakibatkan dari pipa miring adalah: ∑ Gs σ = =

Dδ

,

x 1,300 x 0,007

= 275,44 kg/m2 < 16, 10 kg/m2 ….. Ok!

Dimana : Gs = Berat pipa per meter (kg/m) δ = Tebal pipa (m) 2. Tegangan karena perubahan temperatur D = Diameter pipa (m) Tegangan yang terjadi karena perubahan temperatur = Sudut kemiringan adalah : σ =Exλxt<σ 5. Expantion joint Tegangan yang diakibatkan tekanan air pada expantion = 2,1.106 x 1,2.10-5 x 25 < 16. 10 joint adalah: = 630 kg/cm2 < 16, 10 kg/cm2 …..ok! F f Pa π D e f Pa e Dimana : σ = = = Dδ Dδ δ 6 2 E = Modulus elastis baja (2,1, 10 kg/cm ) -5 λ = 1,2 , 10 /°C 0,25 x 160 x 0,2 = t = perubahan temperatur (dianggap suhu kamar = 25°C) 0,007 = 11428,57 kg/m2 < 16, 10 kg/m2 …… ok! 0,0094

= 1.991.578,51 kg/m2 < 16, 10 kg/m2 …… ok!

Dimana : f = Faktor koefisien diambil sebesar 0,25 e = Lebar packing

9 Pa = Tekanan air = γw ,Heff (kg/m2) δ = Tebal pipa (m) 6. Gaya tekan pada pipa sambungan Tegangan pada pipa sambungan ini dapat diketahui, yaitu: σ

=

Pa π D δ(bruto) πDδ

=

Pa δ(bruto) δ(netto)

1600 x 0,014 = 0,007 = 3200 kg/m2 < 16, 10 kg/m2 ….. ok!

Dimana : Pa = Tekanan air = γw ,Heff (kg/m2) δ(bruto)= 2 δ(netto) (m) δ(netto) = Tebal pipa (m)

4.5. Estimasi kehilangan Energi 4.5.1. Kehilangan energi karena saringan kasar Posisi saringan kasar berada sebelum pipa pesat, sehingga kehilangan energi yang terjadi tidak banyak mempengaruhi tinggi yang ada, Dengan digunakan profil bulat dengan diameter 1 cm dan jarak 5 cm, kehilangan energi yang terjadi adalah: h =φ

= 1,79

, ,

sin ∝

= 0,00826 m

,

,

sin 70

Dimana : Hr = Kehilangan energi sepanjang pipa ( m ) φ= Koefisien profil s = Lebar profil dari arah aliran (m) b= Jarak antar profil saringan ( m ) v= Kecepatan aliran ( m/dt ) g= Gravitasi bumi, diambil 9,81 m/dt² α= Sudut kemiringan saringan 4.5.2. Kehilangan energi karena belokan pipa Nilai koefisien belokan tergantung dari jari-jari belokan dan diameter pipa pesat yang digunakan, Dalam perencanaan ini terdapat belokan arah horisontal, Dari Tabel 2.5 untuk nilai r/D yang lebih besar dari 9 akan diambil nilai koefisien 0,08, Sehingga koefisien kehilangan energi yang terjadi adalah:

Tabel 4.9. Rekapitulasi belokan pada pipa pesat Arah keterangan r (mm) 200 D (mm) 130 r/D 2 Kb 0,16

H = K ,

= 0,16 x

= 0,0040 m

,

,

Dimana : Hl = Kehilangan energi karena belokan pipa (m) v= Kecepatan aliran pada pipa ( m/dt ) g= Gravitasi bumi ( 9,81 m/dt² ) Kb = Koefisien kehilangan energi yang nilainya tergantung r/D 4.5.3. Kehilangan energi karena gesekan sepanjang pipa Untuk menentukan nilai f ( koefisien gesek ) digunakan diagram moddy. Sebelum menetukan harga f terlebih dahulu harus dicari angka Reynold ( Re ) dari . aliran tersebut yang dapat dirumuskan; = dan koefisien kekasaran bahan ( ε ). Dalam hal ini angka kekasaran bahan diambil 0,46. 10-6.v adalah viskositas yang harganya tergantung dari suhu air yang ada. Dalam perhitungan ini dianggap bahwa suhu air adalah 25° C sehingga harga viskositas kinematisnya 0,884.10 6 m²/dt. . , , Re = = , = 1,03 .10-6 H = f.

= 0,017 .

.

,

.

= 0,0039 m

,

,

Dari perhitungan beberapa faktor kehilangan energi pada pipa pesat dapat diketahui kehilangan energi total, yaitu: Htotal= hr + Hl + Hf = 0,00826 + 0,0040 + 0,0039 = 0,016 m Nilai ini lebih kecil dari asumsi awal kehilangan energi sebesar 10% dari tinggi bruto sebesar 0,175 m. Sehingga perencanaan ini dapat digunakan. 4.6. Perhitungan Energi Listrik Dari data duration curve data 10 tahunan dapat dihitung energi listrik total yang akan dihasilkan dalam 1 tahun, Total energi tersebut dihitung berdasarkan energi yang terdapat selama 80% dari satu tahun dari Q80, dan 10% sisanya diantara Q90 dan Q100, Maka dari grafik duration curve dapat diketahui sebagai berikut:

10

Dari grafik diketahui nilai Q yaitu : Q80 = 935 liter/detik = 0,935 m3/detik Q90 = 834 liter/detik = 0,834 m3/detik Q100 = 632 liter/detik = 0,632 m3/detik Efisiensi yang digunakan berdasarkan spesifikasi jenis turbin yang digunakan adalah: Efisiensi turbin (ηt) = 0,85 (lihat gambar 2.11) Efisiensi generator (ηg) = 0,89 Efisiensi transformator (ηtr) = 0,95 sehingga efisiensi total yang dihasilkan adalah: ∑η = ηt x ηg x ηtr = 0,85 x 0,89 x 0,95 = 0,719 dengan Heff = Hbruto - Hlosses = 1,75 – 0,016 = 1,7 meter daya yang dihasilkan adalah: P80 = g x Qrencana x H x ∑η = 9,81 x 0,935 x 1,7 x 0,719 = 11,413 kW P90 = g x Qrencana x H x ∑η = 9,81 x 0,834 x 1,7 x 0,719 = 10,183 kW P100 = g x Qrencana x H x ∑η = 9,81 x 0,632 x 1,7 x 0,719 = 7,718 kW maka energi yang diperoleh adalah : E1 = P80 x 80% x 365 x 24 = 11,413 x 0,8 x 365 x 24 = 79.984,624 kWh E2 = (P80 + P90)/2 x 10% x 365 x 24 = (11,413 + 10,183)/2 x 0,1 x 365 x 24 = 9.485,188 kWh E3 = (P90 + P100)/2 x 10% x 366 x 24 = (10,183 + 7,718)/2 x 0,1 x 366 x 24 = 7.840,545 kWh Sehingga total energi yang diperoleh dalam 1 tahun adalah: ΣE = E1 + E2 + E3 = 79.984,624 + 9.485,188 + 7.840,545 = 97.310,357 kWh BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro merupakan alternatif yang sesuai untuk mengatasi kelangkaan energi yang terjadi. Perencanaan desain PLTMH di saluran irigasi BKR 2 desa Sajen, Kecamatan Pacet, Kabupaten Mojokerto adalah sebagai berikut:

1. Analisa Debit Dari data debit irigasi saluran Primer Kromong 2 selama 10 tahun terakhir didapat debit andalan yang bisa digunakan sebagai PLTMH adalah sebesar 935 liter/detik. 2. Tinggi bangunan terjun H brutto = 1,66 meter Kehilangan energi : Akibat saringan kasar = 0,00826 m Akibat belokan pipa = 0,0040 m Gesekan sepanjang pipa = 0,0039 m Heff = Hbrutto - Hlosse = 1,75 - 0,016 = 1,7 meter 3. Sedimen yang diperbolekan terangkut dalam saluran maksimum berdiameter 0,2 mm dan diameter yang lebih besar diendapkan dalam bak pengendap 

4. Perencanaan Bangunan Pembangkit Saluran pengarah Lebar = 1,5 meter Kedalaman air = 0,75 meter Panjang = 13 meter



Alat ukur Drempel Lebar = 1,5 meter Tinggi drempel = 0,3 meter Panjang drempel = 1,1 meter Jari-jari kelengkungan drempel = 0,1 meter



Bak pengendap Lebar = 2,5 x 2 = 5 meter Kedalaman air = 1 meter Panjang = 9 meter Kemiringan (in) = 0,000009



Kantong pasir Panjang kantong = 9 meter Kemiringan (is) = 0,00083 Waktu pembilasan = 2 hari sekali



Pipa pesat Diameter = 50” atau 1,3 meter Kecepatan aliran = 0,71 m/detik Tebal = 7 mm



Forebay M.O.L = 1,6 meter



Turbin Jenis Turbin = Cross Flow T-14 Putaran spesifik turbin = 120 rpm Putaran jenis turbin = 50 rpm

11

Frekwensi = 50 Hz Jumlah katup = 52 

Estimasi Kehilangan Energi Akibat saringan kasar = 0,00826 m Belokan pipa = 0,0041 m Gesekan sepanjang pipa = 0,0039 m

5. Kapasitas Tenaga Air Dengan perkiraan tinggi jatuh efektif awal sebesar 1,60 meter dan menghasilkan daya 14,66 kW, tetapi setelah dihitung kehilangan energinya maka dapat diketahui bahwa tinggi jatuh efektifnya sebesar 1,70 meter dan menghasilkan daya 11,413 kW atau 97.310,357 kWh. 5.2. Saran Dalam pengerjaan tugas akhir ini masih jauh dari sempurna, dikarenakan literatur yang tentang PLTMH baik dari segi konstruksi maupun perhitungan terbatas, sehingga adanya literatur terbaru dapat menunjang pengerjaan ini untuk mendapatkan hasil yang lebih baik lagi. DAFTAR PUSTAKA

Standard Perencanaan Irigasi KP-02 Standart Perencanaan Irigasi KP-04 Anggrahini, ” Hidorlika Saluran Terbuka ” , Srikandi, Surabaya, 2005 Patty, O.F., “ Tenaga Air “ , Erlangga, Jakarta, 1995 Haimerl. L.A.(1960). The Cross Flow Turbine. Jerman Barat The Entec Cross Flow Turbine, Entec Consulting & Engineering, St. Gallen, Switzerland. Warnick, C.C., Hydropower Engineering, Prentice Hall, Inc.,Englewood Cliffs, New Jersey, 1984