STUDI PERENCANAAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR (PLTA) DI SUNGAI SIBUNDONG UPPER KABUPATEN TAPANULI UTARA PROVINSI SUMATERA UTARA
Nadia Ulfah1, Suwanto Marsudi2, Pitojo Tri Juwono2 Mahasiswa Program Sarjana Teknik Jurusan Pengairan Universitas Brawijaya 2 Dosen Jurusan Pengairan Fakultas Teknik Universitas Brawijaya 1
[email protected]
1
ABSTRAK Bertambahnya jumlah penduduk mengakibatkan krisis energi listrik khususnya di wilayah Sumatera Utara, karena terbatasnya sumberdaya yang takterbarukan maka dicari alternatif lain untuk menanggulangi krisis listrik tersebut, maka dimanfaatkan aliran sungai Sibundong yang berpotensi besar untuk dijadikan PLTA yang nantinya diharapkan bisa mengatasi krisis energi listrik di Sumatera Utara. Studi ini dilakukan untuk mengetahui besarnya debit andalan yang digunakan untuk keperluan pembangkit PLTA dan untuk mendesain bangunan hantar PLTA mulai dari intake, kantong lumpur, waterway, headpond, penstock dan tail race, selain itu debit andalan juga digunakan untuk menghitung dimensi turbin, kecepatan putar turbin dan generator, kavitasi, elevasi pusat titik turbin dan menghitung daya dan energi yang di hasilkan tiap tahun dan bagaimana hasil analisa ekonomi apakah PLTA Sibundong Upper layak untuk dibangun atau tidak, analisa ekonomi dalam studi ini menggunakan parameter BCR, NVP, IRR, Analisa Sensitivitas dan Payback Period. Dari analisa perhitungan yang dilakukan, menggunakan debit andalan 60% (Q60) sebesar 13,04 m 3/det dan didapatkan tinggi jatuh efektif sebesar 143,86 m. Dengan debit andalan dan tinggi jatuh tersebut PLTA direncanakan menggunakan turbin Francis dengan poros horizontal dan didapatkan daya sebesar 2 x 8,04 MW dan energi sebesar 83,96 GWh pertahun dengan nilai Capacity Factor (CF) sebesar 59,59%. Penstock direncanakan dengan panjang 470 m dengan adanya percabangan, penstock utama berdiameter 2m dengan panjang 420 m, penstock cabang berdiameter 1,4 m dengan panjang 50 m dengan ketebalan penstock 21 mm. Dari analisa ekonomi yang dilakukan dengan menggunakan suku bunga 6,5% didapatkan nilai BCR = 1,64, NPV = Rp. 508.086.525.453,19, IRR = 12,52% dan payback period selama 7 tahun. Kata kunci: PLTA, daya dan energi, analisa ekonomi, debit andalan, Sumatera Utara ABSTRACT The growing population in North Sumatra has been causing a crisis energy for its area. Consider there are lacking of non-renewable energy in the area, so the another way to overcome the problem is to find the alternate, that is the renewable energy, by utilize the stream of Situbundong River which having great potential to be installed a hydropower station. This study aims to find out the value of Situbundong River’s dependable discharge that used to power the hydropower and design the conduit of hydropower plant start from intake, sand trap, waterway, headpond, penstock and tail race, dependable discharge value also used to figure out the dimension of turbine, the rotation velocity of turbine and generator, the kavitation numbers, the elevation point of installed turbines, and the produced power and energy every year. The parameters of economic analysis that used are BCR, NVP, IRR, Sensitivity Analysis and Payback Period. From analysis calculation, using dependable discharge 60% (Q 60) by 13,04 m3/det and obtained head effective by 143,86 m. With dependable discharge and head effective the hydropower planned using francis turbine with horizontal shaft and obtained power of 2 x 8,04 MW and energy of 83,96 GWh per year with CF value 59,59%. Penstock planned with length of 470 m with the branching, diameters of main penstock is 2 m with a lenghth 420 m, diameters of penstock’s branch is 1,4 m with a lenghth 50 m with the penstock’s thickness 21 mm. From the result of economic analysis with using interest rate 6,5% obtained BCR = 1,64, NPV = Rp. 508.086.525.453,19, IRR = 12,52% and payback period during 7 years . Keywords: Hydropower, power and energy, economy analysis, flow discharge, North Sumatera
PENDAHULUAN Bertambahnya jumlah penduduk mengakibatkan krisis energi listrik khususnya di wilayah Sumatera Utara, karena terbatasnya sumberdaya yang tak terbarukan maka dicari alternatif lain untuk menanggulangi krisis listrik tersebut, maka dimanfaatkan aliran Sungai Sibundong yang berpotensi besar untuk dijadikan PLTA yang nantinya diharapkan bisa mengatasi krisis energi listrik di Sumatera Utara. Dalam Undang-Undang No. 30 Tahun 2009 Pasal 2 Ayat 2 menyebutkan bahwa pembangunan ketenagalistrikan bertujuan untuk menjamin ketersediaan tenaga listrik dalam jumlah yang cukup, kualitas yang baik, dan harga yang wajar dalam rangka meningkatkan kesejahteraan dan kemakmuran rakyat secara adil dan merata serta mewujudkan pembangunan yang berkelanjutan. Tujuan dari studi ini adalah untuk memanfaatkan potensi sumber daya air khususnya pada aliran sungai di Sungai Sibundong, dalam rangka rangka pemanfaatan sumber daya air untuk dibangun sebuah PLTA untuk menghasilkan energi listrik untuk memenuhi kebutuhan listrik masyarakat disekitar daerah Tapanuli Utara dan sebagai alternatif lain sebagai energi pembangkit listrik yang lebih ramah lingkungan mengingat ketersediaan sumber daya yang tidak dapat diperbaharui keberadaannya terbatas. METODE Lokasi Studi Lokasi rencana PLTA Sibundong Upper terletak di Sungai Sibundong (Aek Sibundong), Dusun Sipohong, Desa Paratusan, Kecamatan Parmonangan, Kabupaten Tapanuli Utara. Kabupaten Tapanuli Utara terletak di wilayah dataran tinggi. Sumatera Utara berada pada ketinggian antara 150 – 1700 meter di atas permukaan laut. Secara geografis Kabupaten Tapanuli Utara terletak pada koordinat 1o20’00’’ – 2o41’00’’ Lintang
Utara (LU) dan 98o05’’ – 99o16’’ Bujur Timur (BT), sedangkan Kecamatan Tarutung terletak pada 1o54’00’’ 2o01’00’’ Lintang Utara (LU) dan 98o52’’ – 99o04’’ Bujur Timur (BT). Klasifikasi PLTA Klasifikasi PLTA dapat dibagi oleh beberapa faktor, yaitu: 1. Berdasarkan Tujuan: Singel Purpose Multi Purpose 2. Berdasarkan Teknis: PLTA Run of River (ROR) PLTA Waduk (Tampungan) PLTA Pompa PLTA Pasang Surut Air Laut 3. Berdasarkan Kapasitas PLTA: PLTA Mikro (100 – 1000 kW) PLTA Menengah (≥ 10.000 kW) PLTA Tinggi (> 10.000 kW) 4. Berdasarkan Tinggi Jatuh: PLTA tekanan rendah (H < 15 m) PLTA tekanan sedang (H 15 – 50 m) PLTA tekanan tinggi (H > 50 m) 5. Berdasarkan Topografi: Daerah lembah Daerah bukit Daerah pegunungan 6. Berdasarkan Ekonomi: PLTA isolated grid PLTA non isolated grid PLTA Run of River (ROR) PLTA Run of River (ROR) adalah PLTA yang langsung memanfaatkan aliran sungai tanpa adanya tampungan. Air sungai dialihkan dengan menggunakan bendung (dam) yang dibangun memotong aliran sungai. Air sungai ini kemudian disalurkan kebangunan hantar PLTA.
Gambar 1 Skema PLTA Run of River
Debit Andalan Debit andalan didefinisikan sebagai debit yang tersedia sepanjang tahun dengan probabilitas keandalan tertentu. Debit andalan digunakan untuk perhitungan bangunan hantar, analisa hidrolika dan untuk menentukan besarnya daya dan energi yang dihasilkan PLTA tiap tahunnnya. Kurva Durasi Aliran (Flow Duration Curve) Untuk menghitung nilai debit andalan sesuai dengan probabilitas keandalannya dapat digunakan Kurva Durasi Aliran (Flow Duration Curve, FDC). Kurva durasi aliran adalah suatu grafik yang menggambarkan hubungan antara debit sungai selama beberapa waktu tertentu dengan probabilitas keandalan, sehingga dari kurva tersebut dapat diketahui besarnya debit air sungai sesuai dengan probabilitas keandalannya. Dalam studi ini dihitung besarnya debit andalan dengan tingkat keandalan 60% dengan probabilitas tersebut dihitung dengan persamaan Weibull: Pw = m / (n+1) x 100% dengan: Pw = probabilitas (%) m = nomor urut data n = jumlah data Pipa Pesat Pipa pesat (penstock) direncanakan untuk dapat menahan tekanan tinggi dan berfungsi untuk mengalirkan air dari outlet headpond menuju saluran pembuangan akhir (tail race). Dalam perencanaan penstock perlu didesain diameter yang seekonomis mungkin, beberapa persamaan empiris yang dipergunakaan untuk merencanakan diameter ekonomis penstock sebagai berikut: 0,72 x P 0, 43 • Warnick (1984) : D H 0,63 0 , 466 P • Bier (1945): D 0,176 x Hr
0,71 x P 0, 43 Hr 0,65 0,52 x P 0, 43 • Moofat (1990): D Hr 0,60 1,517 x Q 0,5 • USBR (1989): D Hr 0,52 1,12 x Q 0, 45 • Flashbuch: D Hr 0,12 dengan: D = diameter penstock (m) Q = debit pembangkit (m3/det) P = daya (kW) Hr = tinggi jatuh efektif (m)
•
Sarkaria (1979): D
Kehilangan Tinggi (Headloss) Kehilangan tinggi energi adalah menurunnya besarnya energi akibat gesekan maupun konstraksi yang terjadi selama proses pengaliran. Pada studi ini headloss dihitung mulai dari intake sampai tail race. Kehilangan Tinggi Pada Saringan (Trashrack): 4
2 t 3 Vo sin ht = Kt b 2g Kehilangan Tekan Pada Pintu Intake: Q = ba 2g z Kehilangan Tinggi Pada Kantong Lumpur:
V2 hl = 0,30 2g
Kehilangan Tinggi Pada Waterway:
V2 hl = 1,30 2g
Kehilangan Waterway:
Tinggi
Pada
Belokan
V2 ht = Kb 2g
Kehilangan Tinggi Pada Headpond:
V2 hl = 1,0 2g
Kehilangan Tinggi Tekan Pada Inlet Headpond Menuju Penstock:
V2 hl = Ke 2g Kehilangan Tinggi Tekan Akibat Gesekan Pada Sepanjang Penstock: 10,29 n 2 Q 2 D5,333 S = Hf = S x L Kehilangan Tinggi Tekan Pada Percabangan Penstock: V2 hl = K 2g Kehilangan Tinggi Tekan Pada Belokan Penstock: V2 hl = K 2g Kehilangan Tinggi Tekan Pada Perubahan Diameter Penstock: V2 hl = K 2g Kehilangan Tinggi Tekan Pada Buterfly Valve: V2 hl = Kv 2g Kehilangan Tinggi Tekan Pada Spiral Casing Turbin: V2 hl = Kt 2g Pada Draft Tube: Kehilangan Tinggi Tekan 2
2
D 2 V 2 D 2 V 2 hf = K 1 1 1 K 1 2 2 D2 2 g D1 2 g Kehilangan Tinggi Di Tail Race: hl = 1,0
V2 2g
Tinggi Jatuh Efektif (Heff) Tinggi jatuh efektif (Heff) digambarkan pada gambar di bawah ini. HL1 diperhitungkan dari kehilangan tinggi (headloss) dari intake sampai ke headpond. HL2 diperhitungkan dari kehilangan tinggi (headloss) dari headpond sampai ke penstock. HL3 dihitung dari kehilangan
tinggi (headloss) dari turbin sampai ke tail race. Untuk menghitung tinggi jatuh efektif (Heff) dapat menggunakan persamaan: Heff = Hg – (HL2 + HL2 + HL3) Heff = Hg – (total headloss) Heff = (El. M.A headpond – El. TWL) – (total headloss) dengan: Heff = tinggi jatuh efektif (m) HL1 = headloss dari intake – headpond (m) HL2 = headloss dari headpond – penstock (m) HL3 = headloss dari turbin sampai ke tail race (m) Hg = tinggi jatuh kotor (m)
Gambar 2 Tinggi Jatuh Efektif Turbin Hidraulik Dalam pemilihan jenis turbin harus diperhatikan karakteristik dari masingmasing turbin, turbin reaksi biasanya digunakan untuk pembangkit listrik dengan tinggi jatuh kecil sampai dengan sedang, sedangkan turbin impuls digunakan untuk tinggi jatuh yang besar, faktor lain yang perlu diperhatikan adalah tentang putaran dan kecepatan spesifik turbin, karena kecepatan spesifik turbin merupakan karakteristik yang mendasari dalam perencanaan turbin. Persamaan untuk menentukan besarnya nilai kecepatan spesifik turbin (ESHA, 2004:168): Q NQE =n 3 E 4 dengan: NQE = kecepatan spesifik (tak berdimensi) Q = debit desain (m3/det) E = energi hidraulik spesifik n = putaran dasar turbin (t/s)
Hubungan atau kesetaraan dari nilai NQE dengan nilai parameter turbin dengan menggunakan metode lain seperti: kecepatan spesifik (Ns), faktor kecepatan (φ) dan putaran satuan (NQ) adalah sebagai berikut: Ns = 995 N QE NQ= 333 N QE φ = 2,11 NQE Dalam perhitungan kecepatan spesifik turbin, nilai putaran dasar turbin harus dicoba-coba terlebih dahulu untuk memperkirakan besarnya putaran dasar turbin maka digunakan persamaan empiris untuk mengetahui nilai kecepatan spesifik turbin (NQE’) dengan persamaan berikut: Turbin Pelton NQE’= 0,0859/ H0,243 Turbin Francis NQE’ =1,924/H0,512 Turbin Kaplan NQE’= 2,294 / H0,2486 Turbin Propeller NQE’= 2,716 / H0,5 Turbin Bulb NQE’= 1,528 / H2837 Elevasi Pusat Titi Turbin Penentuan titik berat turbin atau elevasi pusat turbin dapat dinyatakan dalam persamaan: (Mosonyi, 1991:878) D Z = TWL0, 2 Qd Hs 3 2 dengan: Z = titik pusat turbin (m) TWL = elevasi tail water level (m) Hs = tinggi hisap turbin (m) D3 = diameter runner turbin (m) Kavitasi Kavitasi adalah suatu kejadian yang timbul dalam aliran dengan kecepatan yang besar sehingga tekanan air menjadi lebih kecil daripada tekanan uap air maksimum di temperatur itu. Proses ini menimbulkan gelembung-gelembung uap air yang dapat menimbulkan erosi pada turbin. kavitasi terjadi jika σ aktual < σc. perhitungan kavitasi pada studi ini menggunakan persamaan: (Patty, 1995:100) dan (ESHA, 2004:178) σ aktual =
Ha Hv Hs H eff
dengan: σ = kavitasi Ha = tekanan atmosfer (atm) Hv = tekanan uap air disebelah bawah sudu rotor atau pada bagian atas pipa lepas (m) Hs = tinggi hisap atau draft head (m) Heff = tinggi jatuh efektif (m) V2 1, 41 σc = 1,2715 NQE 2 gH dengan: σc = koefisien kritis Thoma NQE = Kecepatan spesifik Daya dan Energi Keuntunga suatu proyek Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) ditentukan dari besar daya yang hasilkan dan jumlah energi yang dihasilkan tiap tahun. Dari hasil analisa kurva durasi aliran (Flow Duration Curve, FDC) serta besarnya nilai tinggi jatuh dari hasil analisa topografi melalui konsep desain rencana PLTA Sibundong Upper. Perhitungan besarnya daya dan energi listrik dapat dihitung menggunakan persamaan berikut: P = 9,81 x Q x Heff x turbin x generator E = 9,81 x H x Q x x 24 x n = P x 24 x n dengan: P = daya yang dihasilkan (kW) E = energi (kWh) Q = debit pembangkit (m3/det) Heff = tinggi jatuh efektif (m) ɳ = efisiensi turbin dan generator n = jumlah hari operasional Analisa Ekonomi Suatu proyek dikatakan layak secara ekonomi apabila memenuhi indikator kelayakan ekonomi. Menurut Suyanto (2001:39) indikator yang sering dipakai dalam analisa ekonomi, yaitu: Benefit Cost Ratio (BCR) Benefit Cost Ratio (BCR) adalah perbandingan antara nilai sekarang (present value) dari manfaat (benefit) dengan nilai sekarang (present value) dari biaya (cost).
Secara umum rumus untuk perhitungan BCR ini adalah (Suyanto, 2001:39): BCR =
𝑁𝑖𝑙𝑎𝑖 𝐵𝑒𝑛𝑒𝑓𝑖𝑡 𝑆𝑒𝑘𝑎𝑟𝑎𝑛𝑔 𝑃𝑉 𝑑𝑎𝑟𝑖 𝑚𝑎𝑛𝑓𝑎𝑎𝑡 𝑁𝑖𝑙𝑎𝑖 𝐵𝑖𝑎𝑦𝑎 𝑆𝑒𝑘𝑎𝑟𝑎𝑛𝑔
𝑃𝑉 𝑑𝑎𝑟𝑖 𝑏𝑖𝑎𝑦𝑎
dengan : PV = present value BCR = perbandingan manfaat terhadap biaya (Benefit Cost Ratio) Sebagai ukuran dari penilaian suatu kelayakan proyek dengan metode BCR ini adalah jika BCR > 1 maka proyek dikatakan layak dikerjakan dan sebaliknya. Net Present Value (NVP) Harga Net Present Value diperoleh dari pengurangan present value komponen benefit dengan present value komponen cost. 𝑁𝑉𝑃 = 𝑃𝑉 𝐾𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛 𝐵𝑒𝑛𝑒𝑓𝑖𝑡 − 𝑃𝑉 𝐾𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛 𝐶𝑜𝑠𝑡
dengan: PV = Present value NPV = Net Present Value Dalam evaluasi kegiatan, nilai NPV pada suku bunga pinjaman yang berlaku harus mempunyai harga > 0. Jika NPV = 0, berarti kegiatan tersebut mempunyai tingkat pengembalian sama dengan nilai investasinya. Jika NPV > 0, maka kegiatan tersebut dari segi ekonomi layak. Internal Rate of Return (IRR) Internal Rate of Return merupakan nilai suku bunga yang diperoleh jika BCR bernilai sama dengan 1, atau nilai suku bunga jika NPV bernilai sama dengan 0. Perhitungan nilai IRR ini dapat diperoleh dengan rumus sebagai berikut (Kodoatie, 1995:112):
NPV ' I "I ' IRR I ' NPV ' NPV " dengan : I’ = suku bunga memberikan nilai NPV positif I” = suku bunga memberikan nilai NPV negatif NPV = selisih antara present value dari manfaat dan present value dari biaya NPV’ = NPV positif NPV” = NPV negatif
Analisa Sensitivitas Dalam penentuan nilai-nilai untuk keadaan sesudah proyek seperti produksi, harga, dan lain-lain merupakan estimasi dari perencana, terdapat kemungkinan bahwa keadaan sebenarnya yang akan terjadi tidak sama dengan nilai estimasi tersebut. Dengan melakukan analisa sensitivitas, kita dapat memperkirakan dampak yang akan terjadi apabila keadaan yang sebenarnya terjadi sesudah proyek tidak sama dengan estimasi awal. Payback Period Payback Period merupakan jangka waktu periode yang diperlukan untuk membayar kembali (mengembalikan) semua biaya-biaya yang telah dikeluarkan dalam investasi suatu proyek. Perhitungan payback period ini dapat diperoleh dengan rumus sebagai berikut: I Payback Pe riode Ab dengan: I = Besarnya biaya investasi yang diperlukan Ab = Benefit bersih yang dapat diperoleh pada setiap tahun HASIL DAN PEMBAHASAN Debit Andalan Tabel 1 Debit Sungai Sibundong m 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 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
Q (m3/detik) 61,48 55,56 53,55 51,42 48,61 40,50 40,06 36,30 36,10 35,21 34,69 32,72 32,44 31,61 31,19 29,33 29,18 28,82 28,65 28,61 27,94 27,84 27,04 26,87 26,56 25,61 24,92 24,78 24,74 24,46 24,24 23,46 23,16 23,15 22,80 22,50 22,43 22,23 21,78 21,55
P(%)
m
0,83 1,65 2,48 3,31 4,13 4,96 5,79 6,61 7,44 8,26 9,09 9,92 10,74 11,57 12,40 13,22 14,05 14,88 15,70 16,53 17,36 18,18 19,01 19,83 20,66 21,49 22,31 23,14 23,97 24,79 25,62 26,45 27,27 28,10 28,93 29,75 30,58 31,40 32,23 33,06
41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80
Q (m3/detik) 21,52 21,33 21,05 20,42 20,14 19,98 19,65 19,58 19,35 19,16 19,09 18,95 18,85 18,55 18,49 18,21 17,42 17,37 17,00 16,96 16,76 16,23 15,98 15,82 15,81 15,43 15,31 15,17 14,16 13,63 13,48 13,04 13,02 12,99 12,92 12,90 12,80 12,59 12,45 12,23
P(%)
m
33,88 34,71 35,54 36,36 37,19 38,02 38,84 39,67 40,50 41,32
81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120
42,15 42,98 43,80 44,63 45,45 46,28 47,11 47,93 48,76 49,59 50,41 51,24 52,07 52,89 53,72 54,55 55,37 56,20 57,02 57,85 58,68 59,50 60,33 61,16 61,98 62,81 63,64 64,46 65,29 66,12
Q (m3/detik) 12,18 12,13 12,04 11,97 11,88 11,80 11,71 11,46 11,44 11,41 11,05 10,99 10,88 10,77 10,58 10,55 10,44 10,11 9,85 9,44 9,23 9,13 8,89 8,72 8,40 7,73 7,54 7,51 7,48 6,86 6,80 6,53 6,39 5,47 5,08 3,62 3,56 2,59 2,30 1,61
P(%) 66,94 67,77 68,60 69,42 70,25 71,07 71,90 72,73 73,55 74,38 75,21 76,03 76,86 77,69 78,51 79,34 80,17 80,99 81,82 82,64 83,47 84,30 85,12 85,95 86,78 87,60 88,43 89,26 90,08 90,91 91,74 92,56 93,39 94,21 95,04 95,87 96,69 97,52 98,35 99,17
Kurva Durasi Aliran (Flow Duration Curve)
Gambar 3 Kurva Durasi Aliran Pemilihan debit andalan berkisar melebihi 30% sampai dengan 60%. Pada studi ini dipilih debit andalan sebesar 60% karena debit andalan 60% memberikan nilai debit yang lebih kecil dibandingkan dengan debit andalan diatas 30% sehingga diharapkan dengan debit andalan 60% ini debitnya lebih sering tersedia dalam satu tahun sehingga untuk kebutuhan PLTA akan lebih sering terpenuhi. Bangunan Hantar Intake Fungsi utama bangunan pengambilan adalah untuk mengelakan dan mengontrol besarnya debit yang masuk ke sistem pembangkit, mencegah masuknya debris, sampah dan sedimen dalam ukuran besar, menyediakan ruang terisolasi dari sungai terhadap sistem pembangkit. Berdasarkan hasil analisa hidrolika, besarnya dimensi bangunan intake adalah: Debit pembangkit (Qp) = 13,04 m3/det Debit desain (Qd) (2 x Qp) = 26,08 m3/det Lebar intake = 7,20 m Panjang intake = 20,59 m Jumlah pintu = 4 buah @1,40 m Jumlah pilar = 3 buah @ 0,53 m Tinggi pintu = 3 m Slope (S) = 0,0016 (desain) Manning (n) = 0,017 (pasangan batu) Elevasi dasar intake = +834,26 m Tinggi muka air = 1,84 m Kecepatan aliran (v) = 2,53 m
Kantong Lumpur Kantong lumpur berfungsi untuk mengendapkan sedimen yang ikut masuk bersama aliran air. Berdasarkan hasil analisa hidrolika, besarnya dimensi bangunan kantong lumpur adalah: Debit pembangkit (Qp) = 13,04 m3/det Debit desain (Qd) (1,1 x Qp) = 14,34 m3/det Lebar kantong lumpur = 12,5 m @6 m dengan lebar separator 0,5 m Panjang kantong lumpur = 214,66 m Kecepatan aliran (v) = 0,47 m3/det Waterway Saluran pembawa (waterway) berfungsi sebagai saluran pembawa debit pembangkit dari bangunan pengambilan menuju ke pipa pesat (penstock). Berdasarkan hasil analisa hidrolika, besarnya dimensi bangunan waterway adalah: Debit pembangkit (Qp) = 13,04 m3/det Debit desain (Qd) (1,1 x Qp) = 14,34 m3/det Lebar waterway = 3 m Panjang waterway = 2040,68 m Slope (S) = 0,002 (desain) Manning (n) = 0,015 (beton precast) Tinggi muka air = 1,83 m Kecepatan aliran (v) = 2,62 m3/det Headpond Headpond diusahakan untuk memiliki tampungan sebesar debit operasi dikalikan dengan waktu 2 - 3 menit atau 120Qp – 180 Qp untuk menjaga kestabilan turbin akibat regulasi governor. Berdasarkan hasil analisa hidrolika, besarnya dimensi bangunan headpond adalah: Debit pembangkit (Qp) = 13,04 m3/det Debit desain (Qd) (1,1 x Qp) = 14,34 m3/det Lebar headpond = 6 m Panjang headpond = 197,52 m Volume headpond = 2347,2 m3 Slope (S) = 0,00006 (desain)
Manning (n) = 0,013 (beton) Tinggi muka air = 2,98 m Kecepatan aliran (v) = 0,80 m3/det
Tail Race Saluran pembuang akhir (tail race) berada setelah draft tube turbin yang berfungsi untuk mengalirkan debit pembuangan dari PLTA kembali ke sungai. Saluran ini direncanakan berbentuk segi empat dari pasangan batu. Berdasarkan hasil analisa hidrolika, besarnya dimensi bangunan tail race adalah: Debit pembangkit (Qp) = 13,04 m3/det Debit desain (Qd) (1,1 x Qp) = 14,34 m3/det Lebar tail race = 8 m Panjang tail race = 63,90 m Elevasi ambang tail race = + 673,5 m Elevasi tail water level (TWL) = + 674,47 m Dimensi Pipa Pesat Data teknis yang gunakan untuk perhitungan adalah: Debit pembangkit (Qp) = 13,04 m3/dt Tinggi jatuh kotor (Hg) = 151,22 m Headloss (HL) = 6,05 m Tinggi jatuh efektif (Heff) = 145,17 m Daya (P) = 16,23 MW = 16230 kw Tabel 2 Diameter Pipa Pesat D Persamaan
Warnick (1984)
Bier (1945)
Rumus
0,72 x P 0, 43 H 0,63
D
P D 0,176 x Hr
A 2
1,0 Q V (m/det)
(m)
(m )
2,00
3,21
4,06
1,59
1,97
6,61
0 , 466
Sarkaria (1979)
D
0,71 x P 0, 43 Hr 0,65
1,81
2,56
5,10
Moffat (1990)
D
0,52 x P 0, 43 Hr 0,60
1,70
2,26
5,77
USBR (1986)
D
1,517 x Q 0,5 Hr 0,52
1,58
1,96
6,667
Falshbusch (1987)
D
1,12 x Q 0, 45 Hr 0,12
1,96
3,01
4,33
1,77
2,47
5,47
Rata-rata
Kehilangan Tinggi (Headloss) Tabel 3 Rekapitulasi Total Headloss Letak Headloss
Notasi
Satuan
1.0 Q
Trashrack
Ht
m
0,0051
Pintu intake bendung
z
m
0,1620
Kantong Lumpur
Ht
m
0,0034
Waterway
Ht
m
0,4548
Belokan waterway 1 - 9
Hl
m
1,0789
Headpond
Ht
m
0,0327
Trashrack di headpond
Ht
m
0,0173
Inlet headpond menuju penstock
Ht
m
0,0013
Gesekan di sepanjang pipa penstock 1
hf
m
2,4762
Percabangan pipa penstock
hs
m
0,5379
Belokan pipa pada penstock
HL
m
0,4515
Perubahan diameter pipa penstock
HL
m
0,1036
Gesekan di sepanjang pipa penstock 2
hf
m
0,4679
Main Intake Valve (butterfly valve)
Ht
m
0,5043
Spiral Casing Turbin
Hl
m
0,5182
Draft Tube
hf
m
0,4043
Tailrace
Ht
m
0,1436
TOTAL
hl
m
7,36
Tinggi Jatuh Efektif Berdasarkan gambar di bawah ini, tinggi jatuh efektif (Heff) dapat diperoleh dengan mengurangi tinggi jatuh kotor (Hg) dengan total kehilangan tinggi (headloss). Heff = Hg - total headloss = (El. M.A Headpond – El. TWL) – (total headloss) = (825,69 – 674,47) - (7,36) = 151,22 – 7,36 = 143,86 m Turbin Hidraulik Pemilihan Tipe Turbin Dengan parameter besarnya debit desain dan tinggi jatuh maka dapat dipilih tipe turbin yang dapat digunakan untuk PLTA Sibundong Upper, berdasarkan kapasitas daya terpasang data tinggi jatuh dengan grafik tersebut:
Gambar 4 Penentuan Tipe Turbin Berdasarkan Tinggi Jatuh dan Daya
Dari gambar di atas diketahui bahwa dengan tinggi jatuh efektif pada debit Q60 adalah 143,86 meter dan daya yang dihasilkan sebesar 2 x 8,04 MW, maka digunakan tipe Turbin Francis sumbu horizontal, dipilih turbin dengan sumbu horizontal karena biasanya turbin dengan sumbu horizontal digunakan pada turbin dengan daya < 10 MW.
putar turbin maka kecepatan sinkron generator: f n = 120 x P dimana: P = Jumlah pole (harus genap) Maka,
120 x f n 120 x 50 = =11,99 500 ,06 Dikarenakan nilai kutub (pole) generator harus memiliki nilai genap dan tidak berbentuk bilangan desimal, maka jumlah kutub (pole) dibulatkan menjadi 12 buah. P
Kecepatan Putar Turbin dan Generator Kecepatan spesifik coba-coba (trial specific speed): 1,924 NQE’ = H 0,512 1,924 = 143,86 0,512 = 0,15 Besarnya nilai spesifik coba-coba (NQE’) ini harus dikontrol, apakah Ns-max ≤ 3200 H-2/3. Dari hasil perhitungan Ns-max di dapatkan nilai Ns-max sebesar 142,37 m kW, sehingga 142,37 ≥ 114,50 atau Ns-max ≥ 3200 H-2/3 sehingga hasilnya tidak kontrol. Maka nilai NQE’ harus dihitung secara coba-caoba (trial & error) sehingga didapatkan nilai NQE’ sebesar 0,1. Kecepatan spesifik: Ns = 955 x NQE’ = 955 x 0,1 = 98,47 m, kW Kecepatan putaran turbin dengan persamaan: N QE E 0, 75 n = Q dimana: n = kecepatan putaran turbin (t/det) E = energi potensial (Hg) Maka, 0,1 x 9,81 x (143 ,86 ) 0, 75 n = 8,12 = 8,33 t/s = 500,06 rpm Turbin direncanakan dengan menggunakan generator tipe sinkron dengan frekuensi (f) 50 Hz maka kecepatan sinkron generator sama dengan keceparan
=
Penentuan Elevasi Titik Pusat Turbin Analisa titik pusat turbin sangat berpengaruh terhadap gejala kavitasi, penempatan turbin yang tidak tepat akan menyebabkan kavitasi terjadi pada turbin. Jadi, koefisien Thoma kritis (σc) untuk turbin francis dapat dihitung dengan persamaan: (Mosonyi, 1991:843) Ns1, 4 - σc = 12500 97,81, 4 = 12500 = 0,05 - Hb = Ha – Hv = 9,33 – 0,24 = 9,09 m - Tinggi hisap turbin: Hs = Hb H eff = 9,09 0,05 .143,86 = 1,98 m - Elevasi titik pusat turbin D Z = TWL0, 2 Qd Hs 3 2 1,14 = 673,83 1,98 2 = +671,27 m
Kontrol Gejala Kavitasi Kavitasi adalah fenomena dimana terdapat gelembung udara pada turbin yang akan membentur dinding runner sehingga akan mengakibatkan korosi. Perhitungan tinnghi hisap (Hs) dalam perhitungan kavitasi menggunakan persamaan: (ESHA, 2004:169) V2 1, 41 σc = 1,2715 N QE 2 gH = 1,2715 0,11, 41
HS
22 2 . 9,81.147,75
= 0,053 P atm Pv V 2 H = g 2g =
91459,20 2333,92 22 0,053 .143,86 1000 x 9,81 2 x 9,81
= -1,67 m Dimana kavitasi akan terjadi jika nilai tinggi hisap (Hs) berada pada nilai diatas 1,67 m jadi untuk keamanan direncanakan 2 m. Ha Hv Hs σ aktual = H eff
9,32 0,24 (2) 143 ,86 = 0,077 Kavitas terjadi jika σ aktual < σc sehingga dari perhitungan di atas didapatkan 0,077 > 0,053 maka desai turbin aman terhadap gejala kavitasi. =
Daya dan Energi Keuntungan suatu proyek Pembangkit Listrik Tenaga Air ditentukan dari besar daya yang dibangkitkan dan jumlah energi yang dihasilkan tiap tahun. Daya listrik yang dibangkitkan dihitung dengan memakai persamaan: P = 9,81 x Q x Heff x turbin x generator = 9,81 x 13,04 x 143,86 x 0,92 x 0,95 = 16,08 MW E = 9,81 x H x Q x x 24 x n = P x 24 x n
Dari persamaan energi diatas, maka di dapatkan total energi pertahun sebesar 83,96 GWh. Analisa Ekonomi Benefit Cost Ratio (BCR) PVmanfaat B = C PV PV biaya mod al
=
biayaO & P
Rp .1.300.156.619.417,56 Rp. 631.690.391.340,14 Rp.160.379.702.624,23
= 1,64 Net Present Value (NVP) NPV = PV manfaat – (PV biaya modal + PV biaya O&P) = Rp.1.300.156.619.417,56 – (Rp. 631.690.391.340,14 + Rp. 160.379.702.624,23) = Rp. 508.086.525.453,19 Internal Rate of Return (IRR) IRR
= I '
NPV ' I "I ' NPV ' NPV "
Dimana: I’ = suku bunga yang memberikan nilai NPV positif = 12% I” = suku bunga yang memberikan nilai NPV negatif = 13% NPV’ = NPV positif NPV” = NPV negatif Sehingga, IRR = 12% 28 .742 .166 .485 (13 % 12 %) 28 .742 .166 .485 (26 ..351 .626 .547 )
= 12,52% Analisa Sensitifitas Analisa sensitivitas biasanya dilakukan dengan mengubah salah satu elemen proyek (misalnya harga, biaya) dan menghitung nilai IRR nya dengan harga tersebut. Analisa sensitivitas yang dihitung pada studi ini adalah sebagai berikut: 1. Terjadi 10% kenaikan pada nilai biaya yang diperkirakan dan nilai manfaat tetap 2. Terjadi 10% penurunan pada nilai biaya yang diperkirakan dan nilai manfaat tetap 3. Terjadi 10% kenaikan pada nilai manfaat yang diperkirakan dan nilai biaya tetap
4. Terjadi 10% penurunan pada nilai manfaat yang diperkirakan dan nilai biaya tetap 5. Terjadi 10% kenaikan pada nilai biaya yang diperkirakan dan 10% penurunan pada nilai manfaat. 6. Terjadi 10% penurunan pada nilai biaya yang diperkirakan dan 10% kenaikan pada nilai manfaat
tahunnya adalah sebesar 83,96 GWh dengan nilai CF sebesar 59,59%. 6. Dari hasil analisa ekonomi yang telah dilakukan didapatkan nilai-nilai sebai berikut: - BCR = 1,64 - NVP = Rp. 508.086.525.453,19 - IRR = 12,52% - Payback period = 7 tahun
Payback Period (PBP) I PBP = Ab = biaya mod al biaya O & P
SARAN Agar PLTA yang direncanakan dapat digunakan dalam jangka waktu yang lama, maka perlu diperhatikan beberapa hal berikut: 1. Pengawasan dan pemeliharaan PLTA yang dilakukan dalam jangka waktu tertentu apabila terjadi kerusakan pada instalasi PLTA ini dapat segera diadakan perbaikan. 2. Keseriusan dari pihak pengembang swasta / independent power producer (IPP) untuk mengembangkan manfaat sungai Sibundong sebagai salah satu upaya guna memenuhi kebutuhan listrik khususnya di Sumatera Utara yang sekarang ini sedang mengalami krisis pasokan listrik. 3. Harus lebih sering dilakukan seperti pekerjaan pre feasibility khususnya di sepanjang Sungai Sibundong guna untuk mengindentifikasi awal potensi PLTA atau PLTM/H di Sungai Sibundong guna memenuhi pasokan listrik di wilayah Sumatera Utara. 4. Usaha pemeliharaan lingkungan dari semua pihak agar kelestarian lingkungan sekitar PLTA tetap terjaga sehingga debit yang tersedia di sungai tetap terjaga.
manfaat
=
Rp. 593.136.517.690 Rp.12.254.886.729,14 Rp. 98.666.389.883,93
= 6,14 tahun Dari perhitungan di atas dapat diketahui, biaya modal dapat terbayar seluruhnya pada tahun ke-7 (tujuh). KESIMPULAN Berdasarkan hasil analisa dan perhitungan yang telah dilakukan dengan memperhatikan rumusan masalah, maka dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Debit andalan yang digunakan dalam perencanaan PLTA Sibundong Upper adalah debit andalan 60% sebesar 13,04 m3/det. 2. Pada perencanaan PLTA Sibundong Upper direncanakan pipa pesat dengan adanya percabangan, pipa pesat utama panjangnya 420 m dengan diameter 2 m dan pipa pesat cabang sepanjang 50 m dengan diameter 1,4 m dengan tebal pipa pesat 21 mm. 3. Tinggi jatuh efektif pada perencanaan PLTA Sibundong Upper adalah sebesar 143,86 m. 4. Jenis turbin yang digunakan pada perencanaan PLTA Sibundong Upper adalah jenis turbin francis dengan poros horizontal. 5. Besarnya daya yang dihasilkan pada perencanaan PLTA Sibundong Upper adalah sebesar 16,08 MW (2 x 8,04 MW) dan energi yang dihasilkan tiap
DAFTAR PUSTAKA Anonim. 1986. Standart Perencanaan Irigasi Bangian Bangunan Utama (KP-02). Jakarta: Direktorat Jenderal Pengairan Departemen Pekerjaan Umum. Direktorat Jenderal Listrik Dan Pemanfaatan Energi Departemen Energi Dan Sumber Daya Mineral.
2009. Pedoman Studi Kelayakan Hidrologi Buku 2A. Jakarta: Direktorat Jenderal Listrik Dan Pemanfaatan Energi Departemen Energi Dan Sumber Daya Mineral. Harto Br, S. 1993. Analisis Hidrologi. Jakarta: PT. Gramedia Pustaka Utama. Kodoatie, R.J. 2005. Analisa Ekonomi Teknik. Yogyakarta: Andi Offset. Anonim. 2007. Peraturan Menteri Pekerjaan Umum Penyelenggaraan Pengembangan SPAM. Jakarta: Departemen Pekerjaan Umum. Mosonyi, E. 2009. Water Power Development, Vol.1 Low Head Power Plants. Budapest: Water Power Development. Mosonyi, E. 1991. High Head Power Plants, Vol.2A. India: Nem Chand & Brothers. Patty, O.F. 1995. Tenaga Air. Jakarta: Erlangga. Penche, C. 2004. Guidebook on How to Develop a Small Hydro Site. Belgia : ESHA (European Small Hydropower Association). Ramos, H. 2000. Guidelines For Design Small Hydropower Plants. Irlandia : WREAN (Western Regional Energy Agency & Network) and DED (Department of Economic Development). RETScreen International. 2001. Small Hydro Project Analysis. Minister of Natural: Canada. Sekretariat Negara RI. 2009. UndangUndang Republik Indonesia Nomor 30 Tahun 2009 Tentang Ketenagalistrikan. Jakarta: Sekretariat Negara RI. United States Departement of The Interior Bureau of Reclamation (USBR). 1976. Engineering Monographs No. 20. US. Government: Washington.
