PEMANFAATAN KEHILANGAN ENERGI PADA BANGUNAN TERJUN ( B.Sb.2b) UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO
(STUDI KASUS SALURAN IRIGASI SEKUNDER SEBAUNG, DI PEKALEN, PROBOLINGGO )
Nama Mahasiswa NRP Jurusan
: Fathur Rahman : 3108 100 628 : Teknik Sipil FTSP-ITS
Secara umum potensi listrik yang bersumber dari energy terbarukan pada desa-desa Indonesia cukup besar dan belum dimanfaatkan secara optimal, dimana salah satunya adalah sumber energy tenaga air. Kota Probolinggo mempunyai potensi tenaga air yang cukup besar. Pekalen adalah salah satu daerah irigasi di Jawa Timur memiliki beragam bangunan irigasi.. Daerah Irigasi Pekalen merupakan sistem yang sangat kompleks. Salah satunya adalah di DI Pekalen yang banyak menggunakan bangunan terjun karena memiliki perbedaan kemiringan lahan dengan rencana yang cukup besar. Sebagai studi kasus diambil Saluran Sekunder Sebaung. Beda tinggi saluran tersebut dapat dimanfaatkan perbedaan ketinggian sebesar 5,215 m dan debit sebesar 0,400 m3/dt.Dengan menggunakan jenis turbin crossflow tipe X-Flow T-15 D300 Low Head Series, dari beda head ini berpotensi menghasilkan daya sebesar 92146,1 kWh per tahun yang direncanakan dapat memenuhi kebutuhan 78 rumah. Kata Kunci : Mikrohidro, energi alternatif, bangunan irigasi, pembangkit, listrik
PENDAHULUAN Kabupaten Probolinggo merupakan salah satu Kabupaten yang terletak di Provinsi Jawa Timur, Secara topografi Kabupaten Probolinggo mempunyai ciri fisik yang menggambarkan kondisi geografis, terdiri dari dataran rendah pada bagian utara, lereng-lereng gunung pada bagian tengah dan dataran tinggi pada bagian selatan, dengan tingkat kesuburan dan pola penggunaan tanah yang berbeda. Sedangkan jumlah sungai yang ada di wilayah Kabupaten Probolinggo antara lain terdiri dari Sungai Pekalen, Pancarglagas, Krasak, Kertosuko, Rondoningo, Pendil, Gending, Banyubiru, Ronggojalu, Kedunggaleng dan Patalan. Sungai-sungai yang mengalir di wilayah Kabupaten Probolinggo tersebut sangat dipengaruhi oleh iklim yang berlangsung tiap tahun. Pekalen sebagai salah satu daerah irigasi di Jawa Timur memiliki beragam bangunan irigasi. Jaringan Irigasi Pekalen memiliki areal 686 ha. Daerah Irigasi Pekalen merupakan sistem yang sangat kompleks. Potensi-potensi yang ada dalam tiap bangunan irigasi tampaknya belum termanfaatkan dengan maksimal. Jika ditelaah lebih jauh ada hal-hal yang sebenarnya bisa dimanfaatkan namun terbuang sia-sia. Salah satunya adalah kehilangan energi pada bangunan terjun dan pada saluran. Fungsi utama dari
bangunan terjun adalah sebagai penyesuai dari kemiringan medan yang terlalu besar dari kemiringan rencana saluran. Penyesuaian tersebut diikuti dengan terjadinya penurunan tinggi energi. Pada saluran terjadi akibat adanya perbedaan ketinggian di hulu dan di hilir saluran. Beda ketinggian dan debit yang mengalir akan menghasilkan energi, namun belum dimanfaatkan. Kehilangan energi inilah yang dapat dimanfaatkan untuk membangkitkan listrik dengan tenaga air. Salah satunya adalah di DI Pekalen yang banyak menggunakan bangunan terjun karena memiliki perbedaan kemiringan lahan dengan rencana yang cukup besar. Sebagai studi kasus diambil Saluran Sekunder Sebaung. Terdapat bangunan bagi sadap, dan dilengkapi bangunan terjun 5,215 m. Sehingga perbedaan ketinggian tersebut menyebabkan kehilangan energi yang terjadi cukup besar. PLTA merupakan sumber tenaga listrik yang dapat diperbarui (renewable) dan bebas dari polutan (white energi). Berbeda dengan pembangkit listrik dengan bahan bakar fosil, yang digunakan bukan materinya namun hanya energi potensialnya saja. Sehingga massa air akan tetap baik sebelum masuk ataupun saat keluar sistem pembangkit listrik. Air sebagai materi pembangkit listrik juga merupakan proses bersih dan bebas dari polutan.
1.2. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 1.3.
1.4.
Rumusan Masalah Berapa besar debit yang direncanakan? Berapa tinggi efektif yang diperoleh? Desain Bangunan Sipil yang diperoleh? Berapa besar kehilangan energi yang terjadi? Berapa tenaga listrik yang dapat dihasilkan? Berapa energi yang didapat dari PLTMH tersebut?
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 ANALISA DEBIT Debit yang tersedia merupakan debit pada saluran irigasi. Debit andalan adalah debit yang dapat diperhitungkan untuk keperluan tertentu ( irigasi, air minum, PLTA ) untuk pembangkit listrik tenaga mikrohidro. Namun perlu diperhatikan untuk mengambil data-data debit pada saluran irigasi sebaiknya minimal selama 15 tahun dan merupakan data terbaru.
Batasan Masalah 1. Asumsi bahwa air irigasi yang digunakan bebas dari sampah dan benda hanyut yang lain. 2. Masalah kerusakan saluran yang akan mempengaruhi debit tidak dibahas. 3. Tidak dilakukan penghitungan secara detail pada konstruksi sipil. 4. Tidak dilakukan penghitungan secara detail pada perangkat pembangkit. 5. Tidak membahas masalah kebisingan yang ditimbulkan dari pusat listrik thermal. 6. Besarnya listrik yang dihasilkan hanya 1 unit PLTMH, dan tidak menutup seluruh kekurangan pasokan listrik.
Menghitung probabilitas tiap kelas dengan perumusan California T P
T
(2.1)
m n
(2.2) (2.3)
dimana : P = probabilitas m = frekwensi komulatif data kelas n = jumlah data total Selanjutnya data debit tersebut disajikan dalam bentuk grafik hubungan debit dengan probabilitas yang disebut dengan duration curve. Dalam perencanaan PLTMH debit yang digunakan yaitu debit andalan 80%. Yaitu besar debit minimal yang tersedia dalam kurun waktu 80% dari satu tahun.
Tujuan 1. Dapat diketahui besar debit rencana 2. Dapat diketahui beda ketinggian 3. Dapat diketahui cara mengatasi kendala tersebut 4. Dapat menetukan desain dari bangunan sipil yang digunakan 5. Dapat mengetahui besar kehilangan energi yang terjadi 6. Dapat diketahui tenaga listrik yang dapat dihasilkan 7. Dapat diketahui energi yang didapat dari PLTMH
1.5.
n m
2.2.PERENCANAAN TENAGA AIR 2.2.1 Pengertian dan prinsip PLTM Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) adalah suatu bentuk perubahan tenaga air dengan ketinggian dan debit tertentu menjadi tenaga listrik, dengan menggunakan turbin air dan generator. oleh karena itu berhasilnya pembangkitan tenaga air tergantung dari pada usaha untuk mendapatkan tinggi jatuh air dan debit yang besar secara efektif dan ekonomis.
Manfaat Dengan memanfaatkan kehilangan energi pada bangunan irigasi sebagai pembangkit listrik akan menjadi alternatif solusi bagi keadaan krisis energi khususnya listrik. Dengan penggunaan energi yang terbuang dari bangunan irigasi dapat memberikan manfaat yang lebih optimal.
2.2.2
Tinggi jatuh efektif
Tinggi jatuh efektif diperoleh dengan mengurangi tinggi jatuh air total (dari permukaan air pada pengambilan sampai permukaan air saluran bawah) dengan kehilangan tinggi pada saluran air dapat dirumuskan: Heff=HBru-Hlosses
2
Dimana : Hbruto = tinggi bruto Hlosses= tinggi dari tekan air yang hilang
a2. pelimpah Tipe Bulat: Pelimpah tipe bulat. Tipe ini biasanya dipilih karena lazim dan mudah pengerjaannya.
2.2.3 Daya terpasang Sebuah skema hidro memerlukan dua hal yaitu debit air dan ketinggian jatuh (biasa disebut „Head‟) untuk menghasilkan tenaga yang bermanfaat. Ini adalah sebuah sistem konversi tenaga, menyerap tenaga dari bentuk ketinggian dan aliran, dan menyalurkan tenaga dalam bentuk daya listrik atau daya gagang mekanik. Tidak ada sistem konversi daya yang dapat mengirim sebanyak yang diserap dikurangi sebagian daya hilang oleh sistem itu sendiri dalam bentuk gesekan, panas, suara dan sebagainya.
Gambar 2.2. Bendung Mercu Bulat 2.3.2.
Saluran Pengarah Saluran pengarah direncanakan untuk mengalirkan air dari saluran irigasi menuju ke bak pengendap sedimen, sebesar debit andalan dengan perhitungan sebagai berikut: Q=Axv
Perhitungan daya listrik pada sistem PLTMH P = 9,8 x Heff x Q (kW) Dimana : P = Tenaga yang dikeluarkan secara teoritis H = Tinggi air jatuh efektif (m) Q = Debit Pembangkit (m3/det) 9,8 = Percepatan grafitasi = 9,81m/s2
karena saluran merupakan saluran persegi maka: Q = (b x h) x R S n
2.3. Perencanaan Bangunan Pembangkit
dimana : v Q A R S n m
2.3.1. Bangunan Pelimpah 2.3.1.1. Pelimpah Bangunan pelimpah diperlukan untuk melimpahkan kelebihan debit yang tidak terpakai dari PLTMH. a1. pelimpah tipe mercu ogee
2.3.3.
= kecepatan aliran (m/dt) = debit(m3/dt) = luas penampang (m2) = jari-jari hidrolis (m) = kemiringan dasar saluran = koefesien kekasaran manning = kemiringan tebing saluran
Bak pengendap Bak penegendap diperlukan apabila besarnya dimensi butir sedimentasi yang terjadi pada saluran existing lebih besar daripada dimensi butir sedimen maksimum yang diijinkan. Bak pengendap direncanakan berdasarkan fungsi bahwa dengan kecepatan endap partikel (ω) dan kecepatan air (v) harus mencapai dasar saluran. Maka selama waktu (h ω) yang iperlukan untuk mencapai dasar, akan berpindah secara horizontal sepanjang jarak L dalam waktu L/v.
Gambar 2.1. Bentuk-bentuk bendung mercu Ogee (U.S.Army Corps of Engineers,Waterways Experimental Stasion)
3
d
= Diameter pipa (m) θ =Koefisien kekuatan sambungan las (0,9) ζ baja = tegangan ijin baja (kg/m2) 2.3.4.3. Tegangan yang terjadi pada pipa pesat
Gambar 2.10. Skema bak pengendap 2.3.4.
a. 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. Momen maksimum pada pipa diambil sebesar :
Perencanaan Pipa Pesat
Pipa pesat adalah suatu pipa tekan yang berfungsi untuk mengalirkan air dari embung atau langsung dari head race tunnel ke turbin. Selain itu juga menjaga besarnya debit yang mengalir agar konstan. Saluran pipa tekan adalah nama umum untuk dasar terowongan yang digunakan menempatkan pipa-pipa pesat dan blok angker yang akan menahan pipa pesat tersebut. Dalam hal perencanaan pipa pesat ini hal-hal yang perlu diperhatikan adalah: a. Diameter pipa pesat b. Tebal pipa pesat c. Posisi pengambilan d. Tegangan-tegangan yang terjadi pada pipa pesat
M Gs Gw) . ( b Dengan : Gs 0, 5.π{(D δ)² - D²} . γbaja Gw 0, 5.π .D².γw dimana : = momen maksimum (kgm) = jarak perletakan (m) = berat pipa sepanjang b (kg/m) = massa jenis air 1000 (kg/m³) = berat air sepanjang b (kg/m) a= massa jenis baja 7850 (kg/m³) = sudut kemiringan
M b Gs γw Gw γbaj P
2.3.4.1. Perencanaan diameter pipa pesat Dalam perhitungan diameter pipa pesat digunakan perumusan USBR dan Sarkia. Dari perumusan USBR bahwa kecepatan air yang melalui pipa pesat adalah : (2.17) √ dimana : v = kecepatan aliran (m/dtk) g = percepatan gravitasi (m/dtk²) Heff = tinggi jatuh efektif (m)
Momen perlawanan potongan pipa adalah : S
(D) D
δ)
D
δ)
dimana : S = momen perlawanan (cm3) I = momen Inersia pipa (cm4) D = diameter pipa (cm) δ = tebal pipa pesat (m) Tegangan yang terjadi pada pipa adalah:
2.3.4.2. Perencanaan tebal pipa pesat
M
Dalam penentuan tebal pipa pesat diperhitungkan gaya akibat tekanan air dalam pipa yang arahnya tegak lurus aliran air. Perhitungan pipa pesat dirumuskan :
b. Kontrol Lendutan Lendutan yang terjadi (Δ) L
5
x
Gs x ExI
Lendutan ijin (Δijin)= 0 Dimana: G = Berat beban (kg/m) E = Modulus elastisitas 2,1 x 106 kg/cm2 I = Momen inersia (cm4)
Dan Po adalah: Po γ . Heff dimana : δ Tebal pipa pesat (m) Po = Tekanan yang terjadi pada pipa (kg/m2) γ massa jenis air (kg m³)
4
c. Perubahan temperatur Tegangan ini terjadi akibat perubahan suhu yang timbul dari pipa, dan bila pipa tersebut terikat pada dua blok angker dan tidak mempunyai sambungan muai, maka tegangan yang terjadi dirumuskan dengan : ζ dimana : E t
E. .t
f. Expantion joint Tekanan air mengakibatkan gaya tekan pada expantion joint, yaitu pada alat sambungan. Perumusan tegangan ini adalah :
ζ
ζ
= modulus elastis baja = 1,2 . 10-5/°C = perubahan temperatur
f e Pa δ
d. Pergeseran pipa dan perletakan Perubahan temperatur menyebabkan pipa akan berubah menjadi lebih panjang atau pendek yang menimbulkan pergerakan (bergeser) pada perletakannya. Gaya geser maksimum terjadi bila benda pada keadaan hendak bergerak dan selama bergerak. Perumusan yang digunakan adalah : ζ
dimana:
∑F
f (Gs π{
f Pa e δ
dimana : = faktor koefisien diambil sebesar 0,25 = lebar packing tekanan air γw .Heff (kg m ) = tebal pipa (m)
Perumusan tegangan yang diakibatkan gaya ini adalah: ζ Pa
Gw) D }
2.3.5.
D
Dδ
dimana : = tekanan air
δ(bruto) δ(netto)
R sin a R. R β 0,5 sudut perletakan F f A a S D δ R
fPa π D e Dδ
g. Gaya tekan pada pipa sambungan
∑F . a
F
F Dδ
γw .Heff (kg m )
δ (netto) (m) tebal pipa (m)
Perencanaan Bak penyaring
Besaran diameter sedimen yang diijinkan masuk melewati turbin ditentukan untuk menjaga kinerja turbin tetep optimal terjaga. Batasan diameter sedimen ditentukan menurut jenis PLTA yang akan direncanakan yaitu: 0,2 – 0,5 mm …. PLT tekanan rendah 0,1 – 0, mm ….PLT tekanan tinggi 0,01- 0.05 mm … PLT tekanan tinggi (O.F. Patty. “Tenaga ir, 1995)
dimana : = gaya geser pada perletakan (kg) = koefisien gesek pipa = luas tebal pipa (m2) = titik tangkap gaya geser (m) = momen perlawanan (kgm) = diameter pipa (m) = tebal pipa pesat (m) = jari – jari pipa (m)
2.3.6.
Perencanaan posisi pengambilan Sehingga didapat :
e. Berat pipa kosong Karena pipa miring menekan pada blok angker, sehingga penampang pipa di tempat ini mendapat tegangan tekan. Perumusan tegangan yang dipakai adalah : ∑ Gs ζ Dδ dimana : Gs = berat pipa sepanjang b (kg/m) δ = tebal pipa (m) D = diameter pipa (m) Β = sudut kemiringan
(2.33) dimana : MOL = Minimum operational level (m) D = diameter pipa pesat (m) v = kecepatan di saluran(m/detik) g = percepatan gravirasi (m/detik2) 2.3.7.
Perencanaan Turbin
Pemilihan jenis turbin dapat ditentukan berdasarkan kelebihan dan kekurangan dari
5
jenis-jenis turbin, khususnya untuk suatu desain yang sangat spesifik. Pada tahap awal, pemilihan jenis turbin dapat diperhitungkan dengan mempertimbangkan parameter-parameter khusus yang mempengaruhi sistem operasi turbin, yaitu : Faktor tinggi jatuhan air efektif (Net Head) dan debit yang akan dimanfaatkan untuk Faktor daya (power) yang diinginkan berkaitan dengan head dan debit yang tersedia. Kecepatan (putaran) turbin akan ditransmisikan ke generator. Pengelompokan Turbin Jenis Turbin
High Head
Turbin Impuls
Pelton Turgo
Turbin Reaksi
Medium Head Crossflow Multi-Jet Pelton Turgo Francis
2.4 Estimasi Kehilangan Energi 2.4.1. Kehilangan energy karena saringan kasar Saringan kasar digunakan untuk menghindarkan sampah maupun benda-benda hanyut lain yang ikut dalam aliran air yang berpotensi untuk menyumbat pipa pesat dan mengganggu kerja turbin. Saringan akan mengurangi energi yang tergantung dari profil, jarak dan sudut kemiringan yang digunakan. Sehingga dapat digunakan perumusan:
( ) Dimana: Hr= Kehilangan energi sepanjang pipa (m) θ Koefisien profil s=lebar profil dalam arah aliran (m) b= jarak antar profil saringan (m) v= kecepatan aliran (m/dt) g= gravitasi bumi (9,81 m/dt2) α sudut kemiringan saluran
Low head Crossflow Propeler Kaplan
Tabel 2.3. Daerah Operasi Turbin Jenis Turbin Variasi Head, m Kaplan dan Propeller 2 < H < 20 Francis 10 < H < 350 Pelton 50 < H < 1000 Crossflow 5 < H < 100 Turgo 50 < H < 250
Gambar 2.27. Posisi dan bentuk profil saringan Tabel 2.5. Nilai koefisien profil saringan Profil Φ
Pemilihan turbin didasarkan pada head air dan Debit
A 2,42
B 1,83
c 1,67
d 1,03
e 0,92
f 0,76
g 1,79
2.4.2. Head Losses pada Entrance Perumusan yang digunakan untuk menghitung kehilangan energi pada entrance ialah : (2.38) (R.S. Varsney,”Hidro Power Structure”, edition, 1977) Tabel 2.6 Nilai koefisien bentuk entrance
Water Turbine Chart
( Sumber: Layman's Guide on how to develop a small micro-hydro site)
6
nd
E = Energi Listrik ( kWH ) P = daya yang dihasilkan generator ( kW ) γ = massa jenis air (1 t/m3) ηt = efisiensi turbin diambil 0,9 ηg = efisiensi generator diambil 0,95 g = percepatan grafitasi, diambil 9,81 m/dt² Qandalan = debit andalan (m3/dt) Heff = tinggi effektit (m) t = waktu ( jam )
2.4.3. Head Losses Gesekan sepanjang pipa Pada dinding-dinding pipa terdapat gesekan yang dapat memperkecil energy. Besarnya kehilangan energi selain dari panjang pipa juga tergantung dari nilai lainya. Sehingga Kehilangan energi akibat gesekan di dalam pipa pada umumnya dipakai persamaan DarcyWeisbach. Sehingga diambil rumusan:
f
(2.39)
2.4. Dimana: =Kehilangan energy akibat gesekan (m) = koef gesek pipa = kecepatan aliran pada pipa (m/dt) = gravitasi bumi (9,81 m/dt2) = diameter pipa (m)
Hf f V g D
Analisa Ekonomi
Analisa ekonomi akan dihitung harga satuan listrik per kWh serta nilai kelayakan investasi bila dijual kepada pihak PLN maupun langsung kepada masyarakat sebagai konsumen layanan listrik.
2.6.1. Harga satuan listrik
Harga satuan listrik per kWh akan dihitung dari biaya yang dikeluarkan dan daya yang dihasilkan dalam kurun waktu satu tahun. Investasi awal yang dipinjam dari bank akan dikembalikan dalam tingkat suku bunga tertentu dan dalam jangka waktu yang tertentu pula. Sedangkan biaya pertahun yang dikeluarkan selain pengembalian pinjaman ke bank juga tergantung dari besarnya operasional dan perawatan. Energi yang dihasilkan merupakan energi komulatif yang digunakan oleh baik oleh PLN maupun masyarakat. Namun perhitungan energi untuk masyarakat harus diperhitungkan nilai efisiensi jaringan. Biaya per kWh didapatkan dalam beberapa perhitungan sebagai berikut: Biaya pengembalian pinjaman per tahun : = (Capital Recovery Factor) x (Biaya pembangunan) Biaya pengeluaran per tahun : = (biaya pengembalian pinjaman) + (biaya operasional dan perawatan) Energi per tahun: =(efisiensi jaringan) x (energi kom.) x (total hari) Biaya per kWh:
2.4.4. Kehilangan energy karena Belokan Pada bagian-bagian tertentu terdapat belokan pipa yang bertujuan untuk menyesuaikan dengan kontur maupun geometri dari tempat pemasangan pipa pesat. Kehilangan energi pada bagian ini dapat dirumuskan:
H L Kb
u2 2g
(2.40)
Harga koefisien kehilangan tinggi energi pada belokan
2.3.
Perhitungan Energi listrik
Perhitungan daya listrik pada sistem PLTMH E= P x t (2.41) dengan P γ x g x Qandalan x H eff x ∑η (2.42) γ x g x Q x Heff x ηt x ηg Dimana:
2.6.2. Kelayakan nilai jual
Diperkirakan kebutuhan listrik rata-rata warga, sehingga dapat menjadi acuan dari kebutuhan energi per bulan. Sehingga dapat diketahui jumlah konsumen listrik yaitu :
7
Jumlah konsumen listrik :
BAB III METODOLOGI
Digunakan beberapa perbandingan biaya perbulan dengan pembagian golongan berdasar tari PT PLN, baik secara subsidi maupun tidak. Tabel 2.8. Tarif dasar listrik untuk keperluan Rumah Tangga
3.1 SURVEY PENDAHULUAN Dilakukan untuk mengenal dan mengidentifikasi dari seluruh permasalahan
Catatan: *) Diterapkan Rekening Minimum (RM):
RMI = Daya tersambung (kVA) x Biaya pemakaian Sumber : Peraturan Menteri ESDM, 2010
Jika dijual kepada pihak PLN, maka tarif pemakaian didasarkan pada Biaya Pokok Penyediaan (BPP). Berdasarkan PT.PLN 2010, BPP untuk pelanggan bertegangan tinggi Rp. 1.069 per kWh,BPP bertegangan menengah Rp. 781 per kWh, dan BPP pelanggan bertegangan rendah yaitu Rp.673 per kWh. Dengan penerapan PLTMH didapat biaya per bulan yang dibagi dalam 2 macam biaya : - Biaya beban (Rp/kW/bulan) ditetapkan hanya untuk menutup biaya pembangunan sistem jaringan. . - Biaya pemakaian (Rp/kWh) dihitung berdasarkan biaya operasional dan pemeliharaan. Sehingga dapat dihasilkan perbandingan setiap perhitungan dengan cara : Golongan
yang ada di lapangan dan membantu sebagai acuan dan gambaran awal dari daerah yang akan ditinjau. Meninjau daerah studi Wawancara petugas dan warga sekitar tentang kondisi dan sejarah bangunan irigasi 3.2 STUDI PUSTAKA Melakukan studi literatur tentang teknologi mikrohidro untuk mengetahui langkah – langkah yang pernah dilakukan atau terkait dengan studi yang dilakukan agar mendapat bahan acuan yang tepat dalam penyusunan Tugas Akhir ini sesuai dengan tahapan – tahapan yang benar. Bahan acuan didapat dari berbagai buku dan sumber referensi yang lain yang mendukung.
= Biaya PLN – Biaya PLTMH
8
6. Merangking data debit dari terbesar sampai dengan terkecil dan menghitung frekuensi data sesuai dengan kelas interval 7. Menghitung probabilitas untuk masing – masing data P Keterangan : P = Probabilitas (%) m = Nomor urut Frekuensi n = Frekuensi Total
3.3 Pengumpulan Data Data yang digunakan dalam penulisan ialah data primer dan data sekunder. Data primer diperoleh dari pengukuran langsung di lapangan, seperti data diameter sedimen dan pengukuran kondisi existing. Data sekunder adalah data yang diperoleh secara tidak langsung berupa catatan maupun hasil penelitian dari pihak lain. Adapun data-data tersebut meliputi: Skema DI Pekalen Hilir dan Sal. Sekunder Sebaung. Data debit pada saluran irigasi Data ketinggian muka air dan dimensi saluran Data elevasi dan kondisi geografi
Tabel 4.2. Probabilitas debit Kelas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3.4. ANALISA DAN PERHITUNGAN Langkah berikutnya setelah data terkumpul adalah tahap analisa dan perhitungan yang meliputi: 1. Analisa Debit Andalan 2. Perencanaan kemampuan tenaga air 3. Perencanaan dan Perhitungan Bangunan Pembangkit 4. Perhitungan Kehilangan Energi 5. Analisa Produksi Listrik 6. Analisa Ekonomi
Titik Frekuensi Tengah 1033.001 - 1124.000 1078.5005 2 942.001 - 1033.000 987.5005 9 851.001 - 942.000 896.5005 39 760.001 - 851.000 805.5005 19 669.001 - 760.000 714.5005 39 578.001 - 669.000 623.5005 131 487.001 - 578.000 532.5005 81 396.001 - 487.000 441.5005 75 305.001 - 396.000 350.5005 85 214.001 - 305.000 259.5005 60
Frekuensi Komulatif 2 11 50 69 108 239 320 395 480 540
Interval Debit
Probabilitas 0.37 2.04 9.26 12.78 20.00 44.26 59.26 73.15 88.89 100.00
Membuat grafik duration curve (debit dan probabilitas) dari hasil perhitungan diatas untuk mencari besarnya debit andalan. Kurva Duration Curve 1150
1100
3.5. KESIMPULAN DAN SARAN Merupakan hasil dari analisa dan jawaban akan permasalahan yang ada.
1050 1000
950 900 850 800
750
BAB IV PEMBAHASAN
Debit (liter/detik)
700
4.1. Debit Andalan Debit yang digunakan dalam analisa debit andalan ini merupakan data debit 10 harian selama 15 tahun. Langkah perhitungan adalah: 1. Mengurutkan data dari terkecil sampai terbesar 2. Menghitung jumlah data yaitu sebesar n=540 3. Menentukan jumlah/banyaknya kelas data yang diperlukan (k) k = 1 + 3,3 log n k , log 0, 0 ≈ 0 4. Menentukan rentangan/wilayah data (R) R = Data tertinggi – Data terendah R = 1122 – 215 = 907 5. Mencari lebar interval kelas (C) C R k 907 0 90,70 ≈ 9
650
600 550 500
450 400 350
300 250 200 150
100 50 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Probabilitas (%)
Gambar 4.1 Duration Curve 4.2. Perencanaan Kemampuan Tenaga Air Kapasitas daya suatu pembangkit listrik selain ditentukan oleh debit yang ada, juga ditentukan melalui tinggi jatuh energi yang terjadi. 4.2.1. Tinggi Jatuh Efektif Diperoleh dengan menghitung tinggi bruto dikurangi dengan perkiraan kehilangan
9
110
energi yang akan terjadi. Dalam perencanaan awal diasumsikan kehilangan energi sebesar 10% dari tinggi bruto. Hbruto = +89,345 – (+84,01) = 5,335 m Diperkirakan : Hlosses = 10% x Hbruto = 10% x 5,335 = 0,5335 m Sehingga tinggi jatuh efektif diperkirakan sebesar: Heff = HBruto - Hlosses Heff = 5,335 – 0,5335 Heff = 4,8015 m
h (m) 0 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.685 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30
A (m2) 0 0.225 0.450 0.675 0.900 1.125 1.350 1.541 1.575 1.800 2.025 2.250 2.475 2.700 2.925
P (m) 2.250 2.450 2.650 2.850 3.050 3.250 3.450 3.619 3.650 3.850 4.050 4.250 4.450 4.650 4.850
R (m) 0 0.092 0.170 0.237 0.295 0.346 0.391 0.426 0.432 0.468 0.500 0.529 0.556 0.581 0.603
v (m/dt) 0 0.012 0.041 0.080 0.125 0.172 0.220 0.260 0.267 0.313 0.358 0.402 0.444 0.483 0.521
Q (m3/dt) 0 0.003 0.019 0.054 0.112 0.193 0.296 0.400 0.420 0.564 0.726 0.904 1.098 1.305 1.525
Dimana : h = Ketinggian muka air (m) A = Luas penampang basah (m2) Q = Debit (m3/dt) Rating Curve
4.2.2.
Daya terpasang Dari tinggi jatung efektif dan debit yang mengalir pada saluran dapat dihitung daya yang dihasilkan sebesar: P = g x Qandalan x H (k ) P = 9, x x P = 18,841 kW Sehingga daya yang terpasang : P‟ P x ηt x ηg x ηtr P‟ 18,841 x 0,70 x 0,80 x 0,95 P‟ 10,023 kW 4.2.3. Perhitungan muka air Dari data perhitungan muka air dan debit saluran irigasi direncanakan saluran segi empat dan mencari kecepatan aliran, yaitu: Lebar dasar saluran (B) = 2,25 m Kemiringan Saluran (S) = 0,00740 Koefisien manning (n) = 0,02
Rating Curve 1.4
1.2
1
h (meter)
0.8
0.685 0.6
0.4
0.2
0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
Debit (m3/dt)
Dari grafik rating curve didapat kedalaman muka air pada saaat Q80%=Qandalan = 0,685 m
Untuk menghitung kecepatan aliran dan debit saluran digunakan rumus: A= (b . h) P=b . 2h R=A/P ⁄ ⁄ V= Q= v . A
4.3.
Perencanaan Bangunan Pembangkit
Debit air yang dimanfaatkan untuk memutar turbin dalam PLTMH ini merupakan debit andalan 80% yaitu sebesar 0,400 m3/dt, Sehingga ketika debit yang terjadi lebih besar daripada debit andalan, maka diperlukan bangunan untuk melimpahkan debit sisa yang tidak terpakai. Tipe pelimpah direncanakan menggunakan pintu baja dan lazim dipakai di Indonesia.
Sehingga didapat perbandingan kedalaman muka air dan debit sebagai berikut: Tabel 4.3 Hubungan h dan Q
4.3.1
Perencanaan Bangunan Pelimpah
Debit air yang dimanfaatkan untuk memutar turbin dalam PLTMH ini merupakan debit andalan 80% yaitu sebesar 0,400 m3/dt, Sehingga ketika debit yang terjadi lebih besar daripada debit andalan, maka diperlukan
10
bangunan untuk melimpahkan debit sisa yang tidak terpakai. Tipe pelimpah direncanakan menggunakan tipe pelimpah yang mudah dibuat dan lazim dipakai di Indonesia yaitu pelimpah ambang tetap dengan tipe mercu bulat. Dimensi pelimpah samping yang akan direncanakan sebatas dimensi mulut pelimpah. Sehingga akan direncanakan penyesuaian tinggi muka air yang akan didapat nilai tinggi energi yaitu: Dari rating curve diatas didapatkan tinggi air (h) pada saat Q andalan = 0.400 m3/dt adalah sebesar 0.685 m, sehingga tinggi mercu spillway (P) direncanakan sebesar = 0.70 m, maka tinggi mercu spillway (z)direncanakan sebesar 0,25+ 0,70 = 0,95 m. 4.3.1.1. Perhitungan Puncak Pelimpah Direncanakan Q terpakai = Q andalan = 0,400 m3/dt Q maksimum = 1,204 m3/dt Q outflow = Q maksimum – Q andalan = 1,122 – 0,400 = 0,722 m3/dt Lebar pelimpah (L) = 2,25 m Tinggi mercu pelimpah (z) = 0,70 m Elevasi mercu pelimpah = +89,36 4.3.1.2. Debit Aliran Diatas Mercu Persamaan tinggi energi debit diatas ambang mercu bulat adalah sebagai berikut: √
No
H1 (m)
Elevasi
Cd
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
0 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.060 0.070 0.080 0.090 0.100 0.110 0.120 0.130 0.140 0.150 0.160 0.170 0.180 0.190 0.200 0.210 0.220 0.230 0.240 0.250 0.253 0.260
89.36 89.37 89.38 89.39 89.40 89.41 89.42 89.43 89.44 89.45 89.46 89.47 89.48 89.49 89.50 89.51 89.52 89.53 89.54 89.55 89.56 89.57 89.58 89.59 89.60 89.61 89.61 89.62
1.48 1.48 1.48 1.48 1.48 1.48 1.48 1.48 1.48 1.48 1.48 1.48 1.48 1.48 1.48 1.48 1.48 1.48 1.48 1.48 1.48 1.48 1.48 1.48 1.48 1.48 1.48 1.48
Be (m) Q(m3 /dt)
2.25 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25
0 0.006 0.016 0.030 0.045 0.063 0.083 0.105 0.128 0.153 0.180 0.207 0.236 0.266 0.297 0.330 0.363 0.398 0.434 0.470 0.508 0.546 0.586 0.626 0.668 0.710 0.722 0.753
4.3.1.3. Perencanaan Kolam peredam energi (Stilling Basin) Pada perencanaan ini akan digunakan kolam peredam energi tipe USBR, Untuk panjang kolam golak type USBR yang dipakai tergantung dari Froude Number (Fr) yang ada. Data – data yang diperlukan: Qo = 0,722 m3/dt B = 2,25 m z = 0,7 +0,3 =1 m h = 0,253 √
Direncanakan: Lebar efekif bendung (Be) = 2,25 m Tinggi mercu pelimpah (p) = 0,7 m Jari – jari mercu (r) = 0,06 m Maka dapat diketahui besarnya tinggi energi hulu dan debit yang dilimpahkan adalah sebagai berikut: Dicoba pada H1= 0,07 m Pakai Cd=1,48
√ x 9, x( ,5 - 0,5 x 0, 5 ) √ √
Qo Qo 0,722 d1
=0,105 m3/dt
Tabel 4.4. Debit dan tinggi energi diatas pelimpah
Fr
11
= 4,13 m/dt = A x V1 = (B x d1) x V1 = (2,25 x d1)x 4,13 = 0,0956 m v √gxd
√9,
, x 0,095
,7
dengan angka Froude 10,04 kolam olak USBR tipe III Sedangkan untuk mengetahui panjang kolam olak yang sesuai maka besarnya d2 dan L ditentukan dengan Grafik Dengan angka froud 4,73 didapatkan d d
L
d
= 2,6
= (√ d
0,095
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.
= (√
F- ) - )
d2 = 0, 482 m maka, panjang kolam olak (L) = d2 x 2,6 = 0,482 x 2,7 = 1,25 m
Dimana: Z = tinggi terjun yang dihitung dari mercu spillway sampai kaki spillway d1 = tinggi arus air yang terdapat di kaki bendung (m) V1 = adalah kecepatan air di kaki spillway 4.3.2.
4.3.3.1 Perhitungan Kecepatan Kritis Sedangkan besar kecepatan kritis, nilai kecepatan dimana sedimen dengan diameter tertentu akan bergerak sehingga terjadi pengendapan, menurut Camp adalah: vcr = √ Diambil ukuran partikel maksimum = 0,2 mm, maka vcr = 44√ vcr 9, 7 cm dt ≈ 0, 97 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
Perencanaan Saluran Pengarah
Saluran pengarah direncanakan untuk mengalirkan air dari saluran irigasi menuju ke bak pengendap sedimen, Saluran tersebut direncanakan merupakan saluran terbuka yang mengalirkan debit sebesar debit andalan yaitu 0,400 m3/detik. Saluran terbuka berbentuk persegi dari pasangan beton Tabel 4.6. Data teknis saluran pengarah
4.3.3.2. Perhitungan Kecepatan Saluran Dari hasil perhitungan diatas diketahui grafik hubungan h dan Q didapat kecepatan aliran pada saluran yaitu 0,260 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. 4.3.3.3. Perhitungan Perencanaan Bak Pengendap Sedimen Direncanakan ukuran bak pengendap sedimen berdasarkan: Q andalan = 0,400 m3/dt Diameter butir = 0,2 mm Tinggi air dalam bak (h) = 1,01 m
12
Kecepatan di bak pengendap (vn) harus dibawah kecepatan kritis, diambil = 0,18 m/dt
4.3.3.5. Perencanaan Periode Pengurasan Volume tampungan dari bak pengendap tergantung pada banyaknya sedimen yang masuk dan mengendap sehingga dapat dihitung periode pengurasannya, periode pengurasan adalah:
Tabel 4.7. Data teknis bak pengendap Notasi Nilai Satuan h
1,01
m
L
9,12
m
B
2,20
m
A
2,22
m2
in
0,000037
-
= 22 hari sekali 4.3.3.6 Efisiensi Pengendapan Kantong Pasir Dari diagram Camp efisiensi kantong lumpur untuk berbagai diameter sedimen dapat ditentukan, Efisiensi pengendapan fraksi 0,2 mm dapat dihitung sebagai berikut: ω = 0,021 m/dt ω0 = 0,0197 m/dt vn = 0,18 m/dt
4.3.3.4. Perhitungan Perencanaan Kantong Pasir Untuk asumsi awal dalam menentukan kemiringan energi di kantong pasir (is), kecepatan aliran untuk pembilasan diambil 1,5 m/dt. Debit (Qs) Luas permukaan (As)
= 0,400 m3/dt =
ω
≈ 0, 7 m2 Lebar dasar (bs) = 0,8 m Agar pembilasan dapat dilakukan dengan baik, kecepatan aliran harus dijaga agar tetap subkritis atau Fr < 1 = = √
vn
Dalam perhitungan diameter pipa pesat digunakan perumusan USBR, Namun sebelum mengitung besarnya diameter perlu diketahui terlebih dahulu kecepatannya sebagai berikut: v 0, 5 √ x g x Heff v = 0,125 (2 x 9,81 x 4,80)0,5 v = 1,213 m/dt Namun kecepatan dalam pipa pesat untuk tinggi efektif yang tidak besar diambil nilai 2 – 3 m/detik. Maka direncanakan nilai 2 m/detik pada pipa pesat, sehingga didapat diameter pipa pesat :
Gambar 4.5. Kemiringan kantong pasir
D
Tabel 4.8. Data teknis kantong pasir Satuan
hs
0,34
m
L
9,1
m
B
0,8
m
A
0,27
m2
iS
0,0106
-
= 0,12
4.3.4.1. Perencanaan Diameter Pipa Pesat
Dari diagram Shields dapat diperoleh diameter partikel yang akan terbilas. η ρ x g x hs x is 000 x 9, x 0, 4 x 0,0106 = 35,263 N/m2 Dengan menghitung η dari diagram Shields dapat diketahui bahwa partikel – partikel yang lebih kecil dari 45 mm akan terbilas pada saat pembilasan.
Nilai
=
Dari grafik Camp, diperoleh efisiensi 0,88
√
Notasi
= 1,06
=
m2
Qandalan √ 0, 5 x π x,v 0, 00 , ,
= √ 0, 5 , π
= 0,648 m 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 :
13
7850 = 94,80 kg/m Untuk berat air per meter adalah: Gw 0, 5x π x D² x γw 0, 5x π x 0,635² x 1000 = 316,531 kg/m Sehingga momen maksimum yang didapat adalah: Gs Gw) x ( b M =
= 1,26 m/dt 4.3.4.2 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 kg/ m3 x 4,80 m Po = 4800 kg/ m2 Sehingga tebal pipa pesat adalah:
δ
,5 ) x ( = - 2191,096 kgm Momen perlawanan yang terjadi :
S=
x θ x ζ baja
δ
x (D
x π x (0, 5
x 0,00 ) -
x (0, 5
x π x (D) x δ)
x π x (0, 5)
x 0,00 )
= 0,001917 m
0
Sehingga tegangan yang terjadi adalah :
δ 0,0000705 m = 0,0705 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) ζ baja = tegangan ijin baja (kg/m2) Sedangkan syarat minimum tebal pipa perlu diperhatikan dimana : Sampai dengan diameter 0, m…… 5 mm Sampai dengan diameter ,5 m…… 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 mm
M
=
-
9 ,09
x
0,00 9 7
= …… ok!
0 kg/m2
kg m
b. Tegangan temperatur
Karena
Perubahan
Tegangan yang terjadi karena perubahan temperatur adalah : ζ
Ex xt ζ , . 0 x , . 0 -5 x 7 0, kg cm kg/cm2 …..ok! Dimana : E = Modulus elastis baja (2,1, 106 kg/cm2) = 1,2 , 10-5/°C t = perubahan temperatur (dianggap suhu kamar = 25°C)
4.3.4.3. Tegangan yang terjadi pada pipa pesat
c. Tegangan perletakan
a.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, 5 x π{(D δ)² - D²} x γbaja 0, 5 x π{(0,635 +2x0,006)² - 0,635²} x
x δ)
x δ) -
3
0 0 x 0, 5
x 0,9 x
(D
=
Po x D
x π x (D
I
Pergeseran
pipa
dan
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
14
f (Gs Gw) 0,5(9 , 0
,5 )
= 205,54 kg
Luas tebal pipa π{
f. Gaya tekan pada pipa sambungan
Tegangan pada pipa sambungan ini dapat diketahui, yaitu:
D }
π{
0,
ζ
5 }
Pa π D δ(bruto)
Pa δ(bruto)
πDδ
δ(netto)
= 0,0120 m2
Titik tangkap gaya geser R= a
R
a =R
9 00 kg m
R
sin
Dimana : Pa Tekanan air γw ,Heff (kg/m2) δ(bruto) δ(netto) (m) δ(netto) = Tebal pipa (m)
sin 5
4.3.5.
Perencanaan Bak Penenang (Forebay) Aliran sebelum masuk ke pipa pesat perlu dibuat seragam agar tidak terjadi turbulensi dan pusaran yang memungkinkan masuknya udara bersama aliran air di dalam pipa pesat, Sehubungan dengan hal tersebut, bak penenang harus memenuhi kriteria sebagai berikut: Menurut O.F Patty,
Sehingga tegangan yang terjadi adalah : ∑F ∑F , a ζ 05,5
05,5 x 0,00 9 9
0,0 0
0,00 9 7
7.55 ,75 kg m
kg m ….. ok!
d. Berat pipa kosong
Tegangan tekan yang diakibatkan dari pipa miring adalah:
pipa pesat harus berada di
∑ Gs
ζ
Karena bentuk mulut pipa kerucut maka direncanakan
Dδ x 0, 5 x 0,00
pipa pesat harus berada di
= 7 ,5 kg m kg m ….. Ok! Dimana : Gs = Berat pipa per meter (kg/m) δ = Tebal pipa (m) D = Diameter pipa (m) = Sudut kemiringan
Sehingga didapat :
= 0,716 m dimana : MOL = Minimum Operation Level D = Diameter penstock (m) v = kecepatan di saluran(m/detik) g = percepatan gravirasi (m/detik2)
e. Expantion joint
Tegangan yang diakibatkan tekanan air pada expantion joint adalah:
ζ
kg m ….. ok!
R sin
= 0, 75 x = 0,004989 m
= -
x
F
f Pa π D e
Dδ
Dδ
0, 5 x
f Pa e δ
00 x 0,
Perencanaan MOL diambil dari perhitungan persamaan O.F Patty, sebesar 0,716 m diukur dari dasar forebay sampai ketinggian muka air pada saat debit minimum, Selisih dari ketinggian muka air saat debit andalan dan muka air minimum, yaitu: Δh handalan - hmin = 0,685 – 0,523 = 0,162 meter Bak penenang direncanakan dengan lebar yang sama dengan saluran pengarah, yaitu sebesar 2,2 m.
0,00
000 kg m kg m …… ok! Dimana : f = Faktor koefisien diambil sebesar 0,25 e =Lebar packing Pa Tekanan air γw ,Heff (kg/m2) δ = Tebal pipa (m)
15
N 4.4. 4.4.1.
Perencanaan turbin Pemilihan jenis turbin Pada perencanaan kali ini turbin yang digunakan adalah jenis Cross Flow yang merupakan modifikasi dari turbin Banki, Turbin ini merupakan turbin yang biasa dipakai untuk perencanaan mikrohiro dengan head yang tidak terlalu tinggi, Jenis turbin Cross Flow yang digunakan adalah X- Flow T-15 D300 Low Head Series yang memiliki spesifikasi dengan tinggi jatuh efektif 3 - 9 meter dan debit 200 – 800 liter/detik,
= Putaran jenis turbin (rpm)
Heff
= tinggi jatuh efektif (m) Dengan putaran jenis turbin yang telah diketahui dan dari daftar standar kecepatan putar sinkron, jumlah katup dan frekwensi yang digunakan yaitu: 0f N 1,11
f P
p 0f p
Umumnya frekuensi listrik yang dihasilkan suatu generator sinkron di Indonesia (f) = 50 Hz. Didapat jumlah katup (P) = 56
4.4.2. Putaran spesifik dan putaran jenis turbin Turbin jenis Cross Flow T-15 bekerja dengan efisiensi sekitar 70%, maka dari hasil penelitian dari Entec Consulting & Engineering Switzerland nilai putaran spesifik 60 adalah yang terbaik untuk jenis T-15.
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:
Gamabr 4.6. Efisiensi Cross Flow T-15
( ) (
) = 0,00033 m
4.5.2.
Kehilangan energi pada entrance Kehilangan energi pada entrance ini tergantung dari bentuk mulut pemasukan pipa pesat/ entrance. Direncanakan bentuk mulut adalah circular bellmouth entrances dari tabel 2.3. didapatkan koefisien rata-rata sebesar 0,05 Sehingga nilai kehilangan energi adalah:
Sehingga dari rumus putaran spesifik (Ns), dapat diketahui nilai putaran jenis turbin (N), yaitu: √
( (
)
= 0,0040 m
√
0 N
)
N x 0, 5
4.5.3. Kehilangan energi karena gesekan sepanjang pipa Untuk menentukan nilai f ( koefisien gesek ) digunakan diagram moddy (Gambar 2.12), Sebelum menentukan harga f terlebih dahulu harus dicari angka Reynold ( Re ) dari
dimana : Ns = Putaran spesifik turbin (rpm) P = Daya Listrik (KW)
16
Kb
aliran tersebut yang dapat dirumuskan;
0,12
0,08
0,08
0,08
, dan koefisien kekasaran bahan (ε), Dalam hal ini angka kekasaran bahan diambil 46 x 106 m, sedangkan v adalah viskositas yang harganya tergantung dari suhu air yang ada, Dalam perhitungan ini dianggap bahwa suhu air adalah 20° C sehingga harga viskositas kinematisnya 3,64x10-7 m²/dt
= 0,0291 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 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 seperti pada tabel dibawah ini
0 ,
Dari perhitungan beberapa faktor kehilangan energi pada pipa pesat dapat diketahui kehilangan energi total, yaitu: Htotal= Hr +He + Hf + Hl = 0,00033 + 0,0040 + 0,0944 + 0,0291 = 0,108 m ≈ 0, 1 m Nilai ini lebih kecil dari asumsi awal kehilangan energi sebesar 10% dari tinggi bruto sebesar 0,512 m. Sehingga perencanaan ini dapat digunakan
Gambar 4.7 Diagram Moody Sehingga kehilangan energinya adalah:
0,0
5.
5 ,90 0, 5
.
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, 10% dari satu tahun dari Q80 dan Q90, dan 10% sisanya diantara Q90 dan Q100, Maka dari grafimduration curve dapat diketahui sebagai berikut:
, x 9,
= 0,0944 m dimana : Hf= Kehilangan energi sepanjang pipa ( m ) f= Koefisien gesek pipa v= Kecepatan pada pipa ( m/dt ) g= Gravitasi bumi, diambil 9,81 m/dt² D= Diameter pipa ( m ) 4.5.4. Kehilangan energi karena belokan pipa Nilai koefisien belokan tergantung dari jari-jari belokan dan diameter pipa pesat yang digunakan. Dalam perencanaan ini terdapat 3 belokan arah vertikal. Sehingga koefisien kehilangan energi yang terjadi adalah: Tabel 4.10. Rekapitulasi belokan pada pipa pesat Arah Vertikal r (mm) 1766 5563 27684 17507 D (mm) 635 635 635 635 r/D 2,78 8,76 43,60 27,57
Kurva Duration Curve 1150 1100 1050 1000
950 900 850
800 750
Debit (liter/detik)
700
650 600 550
500 450 400 350
300 250 200
150 100 50
0 0
10
20
30
40
50
60
Probabilitas (%)
Gambar 4.8 Duration curve
17
70
80
90
100
110
Dari grafik diketahui nilai Q yaitu : Q80 = 400 liter/detik = 0,400 m3/detik Q90 = 350 liter/detik = 0,350 m3/detik Q100 = 215 liter/detik = 0,215 m3/detik Efisiensi yang digunakan berdasarkan spesifikasi jenis turbin yang digunakan adalah: Efisiensi turbin (ηt) = 0,70 Efisiensi generator (ηg) = 0,80 Efisiensi transformator (ηtr) = 0,95 sehingga efisiensi total yang dihasilkan adalah: ∑η = ηt x ηg x ηtr = 0,70 x 0,80 x 0,95 = 0,525 dengan Heff = Hbruto - Hlosses = 5,335 – 0,11 = 5,225 m daya yang dihasilkan adalah: P80 = g x Qandalan x H ∑ = 9,81 x 0,400 x 5,225 x 0,532 = 10,907 kW P90 = g x Qandalan x H x ∑η = 9,81 x 0,350 x 5,225 x 0,532 = 9,544 kW P100 = g x Qandalan x H x ∑η = 9,81 x 0,215 x 5,225 x 0,532 = 5,862 kW maka energi yang diperoleh adalah : E1 = P80 x 80% x 365 x 24 = 10,90 x 0,8 x 365 x 24 = 76293, 8 kWh E2 = (P80 + P90)/2 x 10% x 365 x 24 = (10,90 + 9,544)/2 x 0,1 x 365 x 24 = 8957,82 kWh
Untuk investasi awal akan digunakan dari pinjaman di bank diasumsikan dengan nilai suku bunga 10% dengan masa pengembalian selama 20 tahun. Sehingga nilai Capital Recovery Factor (CRF) yang digunakan yaitu 0,11746. CRF ini akan menjadi faktor pengembalian investasi di bank tiap tahunnya. Sehingga biaya pengembalian tiap tahun selama 20 tahun adalah: Biaya pengenbalian = = = Rp. 25.671.940 Biaya pengeluaran per tahun selanjutnya akan disusun dalam tabel sebagai berikut: Tabel 4.13.Biaya pengeluran per tahun (1)
E3
= (P90 + P100)/2 x 10% x 365 x 24 = (9,54 + 5,86)//2 x 0,1 x 365 x 24 = 6748,22 kWh Sehingga total energi yang diperoleh dalam 1 tahun adalah: ΣE = E1 + E2 + E3 = 76440, 8 + 8957,82 + 8957,82 = 92146,1 kWh
4.7.1. Harga satuan listrik untuk masyarakat Harga satuan listrik untuk masyarakat diambil berdasarkan pola harian penggunaan listrik rumah tangga selama satu hari. Penggunaan listrik ini mencapai puncaknya pada jam 18.00 sampai dengan 21.00. Nilai puncak ini akan diambil nilai daya maksimum dari kapasitas pembangkit yaitu 10,90 kW. Sehingga
4.7.
Analisa Ekonomi Dalam perhitungan analisa ekonomi ini akan dihitung besarnya harga yang satuan listrik per kWh dari total biaya investasi yang diperlukan untuk membangun PLTMH ini.
18
Untuk penggunaaan listrik rata-rata per rumah tangga akan diasumsikan sebagai berikut:
besarnya energi listrik komulatif tiap tahun yang digunakan tidaklah seluruhnya. Pola penggunaan listrik komulatif tiap harinya adalah sebagai berikut :
Tabel 4.16. Kebutuhan listrik rumah tangga rata-rata
Sehingga total per bulan tiap rumah tangga adalah: Energi : 56850 Wh = 56,85 kWh Sehingga total pengguna listrik maksimum adalah: =
Gambar 4.9. Daily Load Curve Tabel 4.15. penggunaan Listrik rata-rata
= Besarnya investasi untuk penyediaan listrik ke masyarakat akan lebih besar daripada untuk PLN. Hal ini dikarenakan adanya penyediaan jaringan listrik serta beberapa perlengkapan penunjang yang harus disediakan. Sehingga besarnya investasi untuk penyediaan jaringan adalah: Tabel 4.17. Rencana pembangunan jaringan
Energi yang digunakan oleh masyarakat dalam 1 tahun adalah: ∑Etahun η j x ∑Ehari x 365 = 0,95 x 153,36 x 365 = 53.177,58 kWh dimana : ∑Etahun = Energi komulatif dalam 1 tahun ηj = efisiensi jaringan diambil 0,95 ∑Ehari = Energi komulatif dalam 1 hari 365 = Jumlah hari dalam 1 tahun
anggaran
biaya
Dengan menggunakan nilai suku bunga 10% untuk 20 tahun dengan CRF 0,11746, pengembalian tiap tahun adalah: = =0,11746 x 90.015.000
19
= Rp. 10.573.161,90 Untuk biaya beban tiap rumah akan dikenakan tarif karena pengadaan jaringan, yaitu minimal sebesar: (Investasi jaringan) =
direncanakan : Biaya beban : Rp. 30.000,00 nilai jual per kWh Rp. 750,00
(jumlah konsumen) 90.0 5.000
4.7.4. Kelayakan nilai jual untuk masyarakat Besarnya pendapatan tiap tahun dari listrik tanpa biaya beban adalah : = (harga per kWh) x (Energi 1 tahun) = 750 x 92.146,10 = Rp 69.109.577,63
= 7 = Rp 1.154.038,46 Karena pengembalian pinjaman selama 20 tahun dengan nilai CRF 0,11746, maka per rumah akan dikenakan biaya per bulan sebesar: =
CRF x biaya jaringan
Nilai kelayakan investasi ini didasarkan pada nilai nett present value (NPV). Karena adaya kemungkinan terjadinya inflasi dan kenaikan harga di masa yang akan datang, maka ada beberapa anggaran biaya yang direncanakan meningkat tiap tahunnya. Biaya operasional dan perawatan direncanakan meningkat setiap lima tahun sekali sebesar 2% dengan pendapatan yang konstan setiap tahun. Pada tahun pertama diasumsikan bahwa pemakai jaringan PLTMH sebesar 25% dari total jumlah total calon pengguna, 50% pada tahun kedua, dan sisanya 25% pada tahun ke-3. Sehingga neraca Cash Flow untuk mencari NPV adalah sebagai berikut:
0, 7 x
= = Rp. 11.296,11 Sehingga diambil besarnya biaya beban per bulan per rumah Rp. 30.000,00. Biaya ini akan dikenakan kepada masyarakat untuk sepuluh tahun pertama.
Sehingga nilai jual listrik minimal sebesar :
= Rp 677,75 /kWh Nilai jual listrik bersubsidi dari PLN yang akan digunakan adalah rumah tangga dengan tegangan rendah (R-1/TR) dengan daya 1300 VA. Menurut PLN memiliki tarif dasar listrik per bulan sebagai berikut: Biaya beban berdasarkan Rekening Minimum (RM) : = 40 (Jam Nyala) x Daya tersambung (kVA) x Biaya pemakaian Biaya listrik : Reguler Rp. 795,00
20
25.671.940 1.154.038 47.124.000
22.503.750 25.671.940 288.510 46.200.000
1
45.007.500 25.671.940 865.529 46.200.000
2
22.503.750 25.671.940 1.154.038 46.200.000
3
25.671.940 1.154.038 46.200.000
4
6
25.671.940 1.154.038 47.124.000
5
25.671.940 1.154.038 46.200.000
8
25.671.940 1.154.038 47.124.000
7
25.671.940 1.154.038 47.124.000
25.671.940 1.154.038 47.124.000
9
25.671.940 1.154.038 48.066.480
11
25.671.940 1.154.038 48.066.480
12
25.671.940 1.154.038 48.066.480
13
25.671.940 1.154.038 50.008.366 2.340.000 69.109.578 21.892.524 44.663.105
25.671.940 1.154.038 49.027.810 2.340.000 69.109.578 22.338.231 22.770.582
2.340.000 69.109.578 22.338.231 432.351
2.340.000 2.340.000 2.340.000 2.340.000 69.109.578 69.109.578 69.109.578 69.109.578 22.775.199 22.775.199 22.338.231 22.338.231 -89.357.542 -66.582.343 -44.244.112 -21.905.880
25.671.940 1.154.038 49.027.810
25.671.940 1.154.038 49.027.810
25.671.940 1.154.038 48.066.480
20
25.671.940 1.154.038 49.027.810
25.671.940 1.154.038 48.066.480
17
16
19
15
18
14
585.000 1.755.000 2.340.000 2.340.000 2.340.000 2.340.000 2.340.000 2.340.000 2.340.000 17.277.394 51.832.183 69.109.578 69.109.578 69.109.578 69.109.578 69.109.578 69.109.578 69.109.578 -218.559.000 -87.326.594 -38.957.786 1.119.849 23.623.599 23.623.599 23.203.599 23.203.599 23.203.599 23.203.599 -218.559.000 -305.885.594 -344.843.380 -343.723.531 -320.099.932 -296.476.333 -273.272.734 -250.069.135 -226.865.536 -203.661.937
-218.559.000
0
2.340.000 2.340.000 2.340.000 2.340.000 69.109.578 69.109.578 69.109.578 69.109.578 23.203.599 22.775.199 22.775.199 22.775.199 -180.458.338 -157.683.139 -134.907.940 -112.132.741
10
Tahun ke PENGELUARAN 1 Investasi - Pembangunan PLTMH - Pembangunan jaringan 2 Pengembalian Pembangkit 3 pengembalian Jaringan 4 Pengeluaran O & M PEMASUKAN 1 Pemasukan Beban 2 Pendapatan Listrik TOTAL NPV
Tabel 4.19. Neraca Cash Flow untuk nilai jual pada masyarakat Tabel 4.20. Biaya listrik per bulan untuk PLN
Golongan R-1/TR
Beban Pemakaian
Masa pengembalian investasi masingmasing sampai dengan 20 tahun, namun untuk pengembalian pengadaan jaringan 25% pada tahun ke-1, 50% pada tahun ke-2, dan 25% sisanya pada tahun ke -3. Sehingga investasi dari PLTMH ini pada tahun ke-18 baru menghasilkan profit.
Jika dilakukan perbandingan biaya pengeluaran rata-rata masyarakat untuk listrik perbulan akan didapat harga sebagai berikut: Pengeluaran listrik masyarakat rata-rata per bulan dengan jaringan dari PLN adalah:
21 Batas Daya
1.300 VA
Nilai 1,3 56,85
Rp/Kwh
Rp/Kwh
*) 790
Biaya Beban REGULER Biaya Pemakaian
Catatan: *) Diterapkan Rekening Minimum (RM): RMI = 40 (Jam Nyala) x Daya tersambung (kVA) x Biaya pemakaian Satuan 44.911 790 Total Rp/bulan 58.384,30 44.911,50 103.300
Sedangkan pengeluaran masyarakat rata-rata per bulan Mikrohidro adalah: listrik dengan
Tabel 4.21. Biaya listrik tahun ke-1 sampai 20 untuk PLTMH Nilai Satuan Rp/bulan Beban 1 30.000 30.000 Pemakaian 56,85 750 42.673,50 Total 72.637,50
Sehingga didapat perbandingan: R1/TR 1300 kV = 103.300– 72.637,50 = Rp. 30.663 Keuntungan = = 0,29 = 29%
Tabel 4.22. Biaya listrik mulai tahun ke-21 untuk PLTMH Nilai Satuan Rp/bulan Beban 0 30.000 0 Pemakaian 56,85 750 42.673,50 Total 42.673,50
Sehingga didapat perbandingan: R-1/TR 1300 VA = 103.300– 42.673 = Rp 60.633 = 0,59 = 59% Keuntungan =
3. Perhitungan ekonomi secara terperinci agar bisa diketahui hasil paling mendekati kenyataan di lapangan.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro merupakan alternatif yang sesuai untuk mengatasi kekurangan energi yang terjadi. Perencanaan desain PLTMH di saluran irigasi B.Sb.2b Sebaung DI Pekalen, Probolinggo adalah sebagai berikut: 1. Analisa Debit Dari data sekunder, data debit irigasi 10 harian selama 15 tahun terakhir didapat debit andalan yang bisa digunakan sebagai PLTMH adalah sebesar 400 liter/detik.
DAFTAR PUSTAKA Anggrahini, 1997, “Hidrolika Terbuka”, Srikandi Surabaya.
Saluran
Bramantyo, E.P., TA 2010, Pemanfaatan Debit Irigasi pada bangunan Terjun Sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro, ITS, Surabaya. Chow V.T, 1964. Hand Book of Applied Hydrology, Mc Graw-Hill, New York. Direktorat Jendral Listrik dan Pemanfaatan Energi, ESDM, 2009, Pedoman Studi Kelayakan Sipil Buku 2B, Jakarta. Patty, O.F., 995, “Tenaga ir”, Erlangga, Jakarta. Dandekar, M.M., 1991, pembangkit listrik tenaga Air, universitas Indonesia, Jakarta. On how to develop a small micro hydro site,1998, Layman's Guidebook, Comission of the European Communities. Pedoman Teknis PLTMH, 2008, Direktorat Jendral Listrik dan Pemanfaatan Energi, ESDM, Jakarta. Peraturan Menteri Energi dan Sumber Daya Mineral, Tarif Dasar Listrik 2010, Nomor 07 tahun 2010 Simon, Darly B., Sedimen Transport Technology, 1976, Water Resources Publication, Michigan U.S.A Standar Perencanaan Irigasi KP-02, 1986, Badan Penerbit Pekerjaan Umum, Jakarta. Standar Perencanaan Irigasi KP-04, 1986, Badan Penerbit Pekerjaan Umum, Jakarta. The Entec Cross Flow Turbine T15, Brosur Entec Consulting and Engineering, St. Gallen, Switzerland Varsney, R.S., 977, ”Hidro Power Structure”, 2nd edition, New Chand & Bros Roorkee
2. Kapasitas Tenaga Air Dengan perkiraan tinggi jatuh efektif awal sebesar 4,80 meter dan menghasilkan daya 10,02 kW, tetapi setelah dihitung kehilangan energinya maka dapat diketahui bahwa tinggi jatuh efektifnya sebesar 5,225 meter dan menghasilkan daya 10,90 kW atau 92146,1 kWh per tahun yang direncanakan dapat memenuhi kebutuhan 78 rumah. 3. Energi yang dihasilkan Energi listrik yang diperoleh dari PLTMH tersebut layak untuk dijual pada PLN ataupun masyarakat dengan nilai jual: Harga satuan listrik : PLN = Rp 720,00/kWh Masyarakat = Rp 750,00/kWh Biaya beban (*)= Rp 30.000,00 *(untuk penggunaan bagi masyarakat pada Tahun ke-1 sampai ke-20 ) Kelayakan investasi : Masyarakat = sampai tahun ke -18 5.2. Saran Dalam pengerjaan tugas akhir ini masih jauh dari sempurna, Sehingga ada beberapa pengerjaan yang masih dapat dikerjakan untuk mendapatkan hasil yang lebih baik. Beberapa diantaranya: 1. Penggunaan literatur terbaru untuk menunjang pengerjaan. 2. Perhitungan Terperinci dari bangunan sipil yang lain untuk melengkapi pengerjaan.
22
