Pemanfaatan Energi Limpasan Air untuk Pembangkit Listrik Microhydro di Bozem Morokrembangan Surabaya Subuh Isnur Haryudo1,2, Rudi Lazuardi1, Irfan Rasyidi1 1
Fakultas Teknik dan Ilmu Kelautan, Unversitas Hang Tuah Jl. Arif Rahman Hakim 150, Surabaya 60111 2 Fakultas Teknik, Universitas Negeri Surabaya, Jl. Ketintang, Surabaya
Abstract: The research is designed to learn potential energy which is empowered to move electrical generator in order to find the alternate of electrical power. The primer data instrument work system is used in making prototype as an energy potential comparison which is provided. And to try it out in researched location. By making prototype will result the study and new innovation in providing alternative energy in an unusual place, that is by placing the micro hydro empowerment in bozem area. The prediction of theoretical potential energy in bozem Morokrembangan Surabaya annually is 29.370 KwH for each door, so totally for six doors is 176.200 KwH, in rainy season is 25.900 KwH and in dry season is 14500 KwH and in the season between them is 80800 KwH and the try out of potential energy prototype which were exist, can be developed more. Keywords: waste energy, micro hydro, bozem
PENDAHULUAN Energi merupakan suatu kebutuhan utama dalam kehidupan manusia, Semakin maju suatu negara, semakin besar energi yang dibutuhkan. Bila ditinjau dari sumber pengadaan energi dunia saat ini, sumber energi dari migas merupakan sumber utama. Sumber migas yang terdapat di bumi sangat terbatas dan pada suatu saat akan habis, karena itu berbagai penelitian dilakukan para peneliti untuk menemukan sumber energi di luar migas, sebagai sumber energi alternatif. Keberadaan wilayah Indonesia dengan beragam sumber energi alternatif yang dapat dimanfaatkan merupakan tantangan bagi para peneliti Indonesia untuk melakukan penelitian atau kajian mendapatkan sumber energi alternatif tersebut. Salah satu sumber energi alternatif yang dapat dikembangkan adalah energi arus laut (Subuh, 2006). Energi arus laut merupakan energi alternatif sebagai pengganti BBM dan energi ini di samping ramah lingkungan juga terbarukan. Namun pengembangan energi ini terganjal oleh beberapa permasalahan teknis dan ekonomis. Pengembangan pembangkit listrik tenaga air sebenarnya cukup bisa diandalkan dan mendapat perhatian, meskipun terkendala oleh peruntukan lahan khususnya di Pulau Jawa. Pembangkit listrik tenaga air dapat beroperasi bila mempunyai daerah aliran sungai (DAS) yang potensial sebagai sumber air untuk memenuhi kebutuhan dalam pengoperasian pembangkit listrik tenaga air tersebut. Menurut Djiteng (2006) pengembangan teknologi PLTA dapat juga menggunakan tenaga air dari pasang surutnya air laut, misalnya di Prancis. Pada penelitian ini dipelajari kemungkinan-kemungkinan untuk membuat alat sederhana dengan skala kecil yang berfungsi sebagai penghasil tenaga listrik di tempat yang tidak lazim dalam penempatan pembangkit listrik tenaga air yaitu di daerah bozem. Berbagai permasalahan yang akan dikaji di dalam penelitian ini adalah tipe pasang surut di daerah Bozem
45
Morokrembangan, instrumen dan model prototipe pembangkit listrik tenaga air, maupun perkiraan potensi energi yang tersedia. Oleh karenanya tujuan dari penelitian ini menghasilkan inovasi baru dalam penyedian energi alternatif berdasarkan energi limpasan air.
METODE PENELITIAN Bozem adalah suatu penampungan atau kolam yang berfungsi sebagai tampungan dari sungai dan juga sebagai pengatur buangan air sungai ke laut. Bozem Morokrembangan sebagai tempat bertemunya tiga aliran sungai yaitu Sungai Greges, Sungai Solotigo dan Sungai Pesapen. Dari ketiga sungai itu penyumbang debit terbesar berturut-turut adalah Sungai Greges, Sungai Solotigo dan Sungai Pesapen. Kondisi di tempat penelitian adalah ketinggian air pasang dari laut lebih tinggi dibanding dengan ketinggian air sungai atau bozem. Hal ini berakibat jika air laut mengalami pasang maka daratan atau bangunan di sekitar bozem akan terendam air laut (banjir). Untuk mengatasinya maka disiasati dengan membangun pintu air di pertemuan air laut dan air tawar dari bozem. Dengan cara kerja air pasang dari laut tidak akan turun ke bozem dengan ditutupnya pintu air, sedangkan jika air surut maka air bozem bebas mengalir ke laut dengan terbukanya pintu air. Kejadian seperti di atas dapat dimanfaatkan dengan membuat alat yang dapat mengubah energi limpasan air (saat surut) untuk menghasilkan tenaga listrik yang disebut pembangkit listrik tenaga air. Beberapa teori tentang pembangkit Microhydro energi limpasan telah dikemukakan oleh beberapa peneliti. Menurut Djiteng (2006), pembangkit tenaga air adalah suatu bentuk konversi tenaga air dengan ketinggian dan debit tertentu menjadi tenaga listrik, dengan menggunakan turbin air dan generator. Pembangkit tenaga air tergantung pada kondisi geografis, keadaan curah hujan dan areal (penampungan) aliran (catchments area). Jadi pembangunan pembangkit Microhydro dapat dilaksanakan di banyak daerah dengan skala kapasitas yang bermacam-macam. Daya yang dihasilkan berdasarkan potensi energi dapat dihitung berdasarkan Persamaan 1 (Arismunandar & Kuwahara, 2004).
P 9,8 H Q (KW)
(1)
P merupakan daya yang dibangkitkan secara teoritis, H adalah tinggi jatuh air efektif (m) dan Q menunjukkan debit air (m3/s). Selain daya yang dibangkitkan generator yang diputar oleh turbin air akan diperhitungkan juga efisiensi turbin bersama generator (Djiteng , 2006).
P 9,8 H Q ( KW )
(2)
Pasang surut adalah fluktuasi muka air laut karena adanya gaya tarik-menarik benda-benda langit, terutama matahari dan bulan terhadap massa air laut di bumi. Mengingat elevasi muka air laut selalu berubah setiap saat, maka diperlukan suatu elevasi yang ditetapkan berdasarkan data pasang surut, yang dapat digunakan sebagai pedoman didalam perencanaan pembangkit Microhydro. Gerakan utama yang menentukan pasang surut menurut Laplace 1879-1922 (Nofendri, 2003) adalah: (1)Revolusi bulan terhadap bumi, yang orbitnya berbentuk ellips dan memerlukan waktu 29,5 hari untuk menyelesaikan revolusinya. (2) Revolusi bumi terhadap matahari yang berperiode 365,25 hari. (3) Perputaran bumi terhadap sumbunya sendiri selama 24 jam. Data-data pasang surut yang diperoleh dapat diolah dengan menggunakan metode Admiralty, yakni metode mendapatkan konstanta pasut (K1, O1, M2, S2, N2) dengan koreksi
46
Neptunus, Vol. 15, No. 1, Juli 2008: 45 -53
konstanta pengali yang ditetapkan IOC (International Oceanographic Commision). IOC adalah suatu wadah negara-negara yang mempunyai lembaga oseanografi. Dari konstanta-konstanta pasut tersebut dapat digunakan untuk mengetahui tipe pasut dengan rumus Formzahl (Nofendri, 2003). Nilai Formzahldapat dihitung dengan Persamaan 3. F
K1 Q1 M 2 S2
(3)
F merupakan nilai Formzahl, K1 dan Q1 sebagai konstanta pasut harian utama, M2 dan S2 adalah konstanta pasut ganda utama. Sedangkan aliran air dipelajari hal-hal yang berkaitan langsung dengan gerakan air seperti debit, kecepatan, energi aliran dan lain-lain (Maryono, et al., 2003). Debit air (Q) adalah volume (V) aliran air yang melewati penampang (A) tertentu pada tiap satuan waktu (t) (Persamaan 4).
Q
V t
m 3 /s
(4)
Untuk perubahan yang kecil (dV) tiap waktu (dt) maka debit airnya (Q) adalah :
Q
sedangkan
dV Adl dt dt
(5)
dl v (kecepatan), sehingga Persamaan 5 dapat lebih sederhana sebagai berikut. dt
Q v A m3 / s
(6)
Persamaan 7 menunjukkan perhitungan jatuh bebas akibat pengaruh dari ketinggian dan tekanan yang berbeda.
v 2 g h
(7)
Notasi v menunjukkan kecepatan aliran air (m/s), nilai gravitasi g ditetapkan 9,8 dan beda tinggi antara air bozem dan laut h.
HASIL DAN PEMBAHASAN Pengamatan Pasang Surut Dalam melakukan pengamatan pasang surut bagian terpenting yang harus diperhatikan salah satunya adalah palem atau rambu baca (Gambar 1). Palem yang digunakan di Bozem Morokrembangan menggunakan sistem tinggi elevasi yaitu posisi 0 (nol) adalah nilai absolut sebagai nilai tinggi muka laut rata-rata atau MSL. Dalam pengambilan data tinggi air laut harus diubah dengan mengurangkan nilai terbaca pada palem dengan nilai tinggi dari dasar ke 0 (nol) pada palem. Perubahan ini disebut koreksi pasut. Koreksi pasut di lokasi studi adalah sebagai
Penggunaan Energi Limpasan Air untuk .............................................................
47
berikut: (a) Nol palem elevasi bozem Morokrembangan = 190 cm dari dasar. (b) Nol palem elevasi laut Morokrembangan = 235 cm dari dasar.
Gambar 1. Palem elevasi Pada penelitian ini pengamatan pasut dilakukan setiap satu jam sekali selama 15 hari (piantan). Berdasarkan data pengamatan selama 15 hari tersebut perhitungan Admiralty menghasilkan konstanta- konstanta sebagai berikut: Konstanta A cm
S0 154
M2 35
S2 19
N2 18
K1 1
O1 30
M4 5
MS4 7
K2 5
P1 0
Berdasarkan konstanta-konstanta tersebut maka diperoleh nilai Formzahl melalui formulasi sesuai Persamaan 3. F
K1 O1 M 2 S2
1 30 0.57 35 19
Nilai Formzahl 0.57 memberikan arti bahwa laut Morokrembangan bertipe pasang surut campuran condong ke harian ganda, yakni dalam satu hari terjadi dua kali air pasang dan dua kali air surut dengan periode yang berbeda. Berdasarkan pengamatan bahwa surut air laut pada musim hujan didominasi dari pukul 00.00 sampai 06.00, berarti saat itulah dijadikan acuan ujicoba prototipe agar bekerja optimal. Arus dan Debit Air Untuk melakukan pengukuran arus dan debit air di lokasi penelitian dibutuhkan beberapa data, yaitu: (1) Data kontruksi atau dimensi pintu air. (b) Data tinggi air bozem. (c) Data kecepatan
48
Neptunus, Vol. 15, No. 1, Juli 2008: 45 -53
arus permukaan bozem. Data konstruksi atau dimensi pintu air berbentuk persegi panjang dengan 6 pintu air otomatis ukuran panjang 330 cm dan lebar 210 cm, sedangkan 1 pintu manual dengan panjang 330 cm dan lebar 600 cm. Karena turbin pembangkit hanya memanfaatkan limpasan air (arus) permukaan, maka arus permukaan diukur pada 3 tempat yaitu sebelum pintu air, tepat dipintu air dan setelah pintu air. Tabel 1 memperlihatkan data perbandingan arus permukaan di ketiga area tersebut. Tabel 1. Data perbandingan arus permukaan di 3 tempat Jam
11.15 11.30
Tinggi air laut (cm) -118 -125
Tinggi air bozem (cm) -107 -106
Putaran current meter (rpm) Tepat di pintu air Sesudah pintu air Sebelum pintu air 52 116
23 55
18 23
Dari data tabel 1 arus permukaan terkuat terletak pada posisi tepat di pintu air. Faktor yang membuat perbedaan nilai kecepatan adalah pada posisi tepat di pintu air mempunyai beda tinggi yang lebih besar karena ada gradien tinggi antara air laut dan bozem, sedangkan sebelum pintu air dan setelah pintu air kemiringannya sangat kecil. Dengan data dan analisis di atas lokasi penempatan turbin yang baik adalah tepat di pintu air. Tabel 2 memperlihatkan data perhitungan kecepatan arus sehingga debit air dapat ditentukan. Tabel 2. Pengukuran kecepatan arus dengan current meter ∆h 11 19 49 49
Current meter (m/s) 1,91 2,02 3,90 3,24
Rumus jatuh bebas (m/s) 1,47 1,93 3,10 3,10
Potensi Tenaga Air Bozem Morokrembangan mempunyai sumber energi yang dihasilkan dari limpasan air atau arus dari bozem keluar menuju laut. Dalam hal ini perlu diperhatikan adanya pintu air yang membuat arah arus hanya satu arah yaitu arah keluar bozem. Prediksi potensi energi tahunan ditampilkan pada tabel 3 yang merupakan data pada musim hujan dan kemarau pada tahun 2006. Untuk 1 pintu air, pada musim hujan prediksi potensi energi tahunannya selama Januari, Februari, Maret, April dan Desember adalah 2.590 KWh selama 15 hari; sedangkan untuk satu bulan dikalikan 2 dan dikalikan 5 bulan, hasilnya adalah 25.900 KWh. Prediksi potensoi energi musim kemarau, yaitu Juni, Juli, Agustus, September dan Oktober, untuk satu bulan adalah 1.450 KWh dikalikan 2 dan dikalikan 5 bulan sehingga didapat 14.500 KWh. Pada musim pancaroba, yakni antara musim hujan dan kemarau pada Mei dan November, diperkirakan besar nilai energinya sekitar 2.020 KWh dikalikan 2 untuk 1 bulan dan dikalikan 2 bulan sehingga didapatkan nilai 8.080 KWh. Total prediksi potensi energi tahunan perpintu adalah 29.370 KWh, sedangkan total untuk 6 pintu air adalah 176.220 KWh.
Penggunaan Energi Limpasan Air untuk .............................................................
49
Tabel 3. Prediksi potensi energi musim hujan dan kemarau
Hari ke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Total
Musim hujan Pintu membuka Energi (jam) (KWh) 14 260 15 260 8 70 9 70 7 200 9 210 9 260 11 170 12 200 10 160 13 190 12 160 13 120 14 130 12 150 168 2.590
Musim kemarau Pintu membuka (jam) Energi (KWh) 6 220 6 190 5 140 6 90 7 60 8 40 6 40 6 60 5 50 5 50 7 40 8 60 7 100 6 150 7 160 95 1.450
Ujicoba Prototipe Percobaan prototipe menggunakan 2 model turbin sebagai penggerak generator. Generator yang digunakan adalah dinamo sepeda dengan merk “Elephant” yang dianggap memadai karena memiliki dua kutup positif dengan keluaran 12V/5.5 W dan 25V/0.5W, sehingga dapat menimbulkan tegangan yang cukup pula untuk alat percobaan berskala kecil. Kedua model turbin tersebut (gambar 2 dan tabel 4) memiliki ciri fisik yang berbeda yaitu: (1) Model 1 dengan menggunakan diameter yang besar dan penampang yang kecil dengan tujuan mendapatkan keringanan dalam berputar dengan gaya yang kecil. (2) Model 2 dengan diameter yang relatif kecil tapi dengan penampang yang besar, tujuannya untuk mendapatkan tekanan yang kuat karena semakin besar luasan yang terdorong oleh air. 1
2
Gambar 2. Model turbin
50
Neptunus, Vol. 15, No. 1, Juli 2008: 45 -53
Tabel 4. Data perbandingan turbin model 1 dan 2 Parameter Diameter lintasan generator. Keliling. Diameter penuh. Ukuran pias.
Model 1 55 cm 172,7 cm 105 cm 23 cm X 23 cm
Model 2 50 cm 157 cm 50 cm 50 cm X 23 cm
Diameter kepala generator. Keliling kepala generator. Perbandingan putaran turbin terhadap kepala generator.
3 cm 9,42 cm 1 / 18,33 putaran
3 cm 9,42 cm 1 / 16,66 putaran
Banyaknya putaran dengan arus 122.5 cm/s. Total putaran generator.
37 rpm
73 rpm
678,58 rpm
1216,91 rpm
Dari analisis dan ujicoba peralatan (Gambar 3) dapat disimpulkan bahwa pada bozem Morokrembangan model turbin yang optimal adalah model 2 yaitu turbin kincir dengan penampang yang luas sehingga mendapat gaya yang besar dari limpasan air. Ujicoba PLTA dengan menggunakan turbin model 2 dipasang tepat di pintu air selama 2 hari sehingga didapatkan data pada tabel 5.
Gambar 3. Ujicoba prototype
Penggunaan Energi Limpasan Air untuk .............................................................
51
Tabel 5. Data kinerja prototipe PLTA tepat di pintu air Tinggi air Laut (cm) -118 -115 -133 -133 -130 -149 -152 -140 -157 -147 -156 -151 -154 -163 -163 -161 -162 -158 -161 -160 -158 -164 -160 -161 -163
Tinggi air bozem (cm) -104 -100 -116 -116 -104 -115 -117 -104 -116 -105 -114 -106 -107 -114 -114 -112 -112 -108 -111 -109 -107 -112 -108 -109 -110
∆h (cm) 14 15 17 17 26 34 35 36 41 42 42 45 47 49 49 49 50 50 50 51 51 52 52 52 53
Putaran turbin (rpm) 17 18 30 29 28 36 30 40 32 40 37 42 40 40 34 38 38 41 39 40 40 38 38 38 39
Tegangan (volt) 1.5 1.8 3.0 3.0 3.0 3.8 3.0 3.8 4.2 4.0 3.8 4.0 4.0 4.1 3.5 3.8 3.8 4.0 3.8 4.8 4.8 4.5 4.5 4.2 4.5
Kecepatan (m/s) 1.65 1.71 1.83 1.83 2.26 2.58 2.62 2.66 2.83 2.87 2.87 2.97 3.04 3.10 3.10 3.10 3.13 3.13 3.13 3.16 3.16 3.19 3.19 3.19 3.22
Percobaan penempatan posisi dinamo terhadap turbin mengalami 3 kali perubahan berikut. (a) As turbin diberi roda gigi yang akan dihubungkan dengan kepala dinamo yang juga diberi roda gigi, harapannya adalah mendapatkan perbandingan 1 putaran turbin akan menjadikan putaran kepala dinamo lebih banyak. Kelemahannya adalah as dinamo yang kecil tidak mampu menahan beban (tegangan) rantainya. (b) Dengan melepas roda gigi dan memasukan kepala dinamo langsung ke as turbin cara ini juga tidak efektif karena 1 putaran turbin hanya menghasilkan 1 putaran kepala dinamo sehingga dayanya juga kecil. (c) Menempelkan kepala dinamo ke sisi turbin dengan harapan kepala dinamo akan diputar lebih banyak oleh turbin dengan membuat lintasan kepala dinamo yang diberi perekat karet. Dari ketiga posisi percobaan di atas didapatkan keoptimalan pada pilihan ke-3. Pada saat dilakukannya percobaan dinamo sangat bergantung pada seberapa cepat turbin dapat memutar kepala dinamo: semakin cepat putaran, maka semakin besar medan listrik yang akan dihasilkan. Grafik hubungan putaran turbin terhadap tegangan dapat disajikan pada gambar 4.
52
Neptunus, Vol. 15, No. 1, Juli 2008: 45 -53
Gambar 4. Grafik hubungan putaran turbin terhadap tegangan yang dihasilkan dinamo
KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian ini adalah: (a) Laut Morokrembangan mempunyai tipe pasang surut campuran condong harian ganda. Air laut surut didominasi pada jam 00.00 sampai 06.00. Pintu air rata-rata akan membuka selama 6 jam. Arus permukaan terkuat terletak pada posisi tepat di pintu air sehingga prototipe PLTA ditempatkan tepat di posisi pintu air. (b) Model turbin yang tepat digunakan adalah model 2 (kincir) yang dapat memutar lebih cepat kepala dinamo. Pada turbin menggunakan 6 pias dengan sudut 60º hasilnya lebih baik daripada 12 pias. Turbin sebaiknya tidak menggunakan bahan polikarbonat. (c) Dalam waktu 15 hari pengamatan beda tinggi air maksimal 0.67 m, kecepatan arus permukaan maksimal 3,62 m/s, sedangkan debit air bozem Morokrembangan tertinggi adalah 11.49 m3/s. (d) Prediksi potensi energi teoritis tahunan bozem Morokrembangan, Surabaya adalah 29.370 KWH untuk tiap pintu, sehingga total 6 pintu adalah 176.220 KWH; musim hujan 25.900 KWH, musim kemarau 14.500 KWH, dan musim pancaroba 80.800 KWH. Prototipe hanya mampu menghasilkan 4,8 W tiap detiknya.
DAFTAR PUSTAKA Arismunandar. Kuwahara, S. 2004. Buku Pegangan Teknik Tenaga Listrik, Jilid I Pembangkitan Dengan Tenaga Air. Jakarta: Pradnya Paramita. Marsudi. Djiteng. 2006. Pembangkit Energi Listrik. Jakarta: Erlangga. Maryono, A. Muth, W. Eisenhauer, N. 2003. Hidrolika Terapan. Jakarta: Pradnya Paramita. Novendri. 2003. Laporan Sapu Bersih Ranjau Di Kecamatan Ujung Pangkah, Gresik. Jakarta: DIS-HIDROS TNI AL. Subuh, I. 2006. Prospek Penggunaan Energi Arus Di Indonesia, Prosiding Seminar Nasiona Kelautan II, Universitas Hang Tuah Surabaya.
Penggunaan Energi Limpasan Air untuk .............................................................
53
