Studi Perencanaan Pembangkit Listrik Tenaga Picohydro (PLTPh) Rumah Tangga

Seminar Nasional Peranan Ipteks Menuju Industri Masa Depan (PIMIMD-4) Institut Teknologi Padang (ITP), Padang, 27 Juli 2017 ISBN: 978-602-70570-5-0 http://eproceeding.itp.ac.id/index.php/pimimd2017

Studi Perencanaan Pembangkit Listrik Tenaga Picohydro (PLTPh) Rumah Tangga Sepannur Bandri Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Padang Correspondence should be addressed to [email protected]

Abstrak Pembangkit Listrik Tenaga Picohydro (PLTPh) dapat digunakan sebagai alternatif pembangkit listrik energi terbarukan yang lebih murah dan tidak membutuhkan lahan yang luas. Secara teknis, picorohydro memiliki tiga komponen utama yaitu air (sumber energi), turbin dan generator. Potensi alam yang dapat dijadikan suatu pembangkit picohydro adalah air hujan. Perencanaan picohydro ini menggunakan curah hujan di Kota Padang sebagai sumber energi primer yang dihitung berdasarkan luas permukaan atap rumah, dimana curah hujan ratarata 24.154 mm/menit. Air hujan akan ditampung pada tangki berukuran 5100 liter dengan luas pipa pesat 1.2 inci dengan kecepatan air 6.26 m/s, sehingga debit air yang dimanfaatkan 6.9 liter/s. Turbin yang digunakan adalah turbin reaksi propeller open flume TC 60 dan generator sinkron satu fasa kapasitas dapat melebihi 100 Watt, 200 – 220 volt, 90 Hz dengan head 3 meter. Daya keluaran yang dihasilkan adalah 173.43 watt, dimana untuk turbin propeller efisiensi turbin 0.85 dan efisiensi generator 0.9. Rencana anggaran biaya yang dibutuhkan untuk pembangunan PLTPh ini adalah sebasar Rp. 12,713,855. Kata Kunci: Picohydro, PLTPh, Pembangkit listrik tenaga air, Turbin reaksi, Turbin Propeller open flume TC 60.

1. Pendahuluan Pembangkit listrik tenaga air skala kecil atau yang lebih populer disebut mikrohidro dapat digunakan sebagai alternatif pengganti pembangkit listrik tenaga diesel berbahan bakar minyak yang operasional lebih tinggi dan tidak ramah lingkungan. Pembangkit listrik tenaga air skala kecil dinilai ramah lingkungan karena energi primernya menggunakan aliran air yang dapat diperbaharui. Indonesia memiliki cukup potensi tenaga air untuk membuat suatu pembangkit mikrohidro di daerah yang belum teraliri listrik. Listrik dari pembangkit mikrohidro selain digunakan untuk penerangan dan alat elektronik juga dapat memberdayakan potensi ekonomi masyarakat setempat. Mikrohidro atau Pikohidro merupakan sebuah istilah. Mikro artinya kecil sedangkan hidro artinya air. Hal yang membedakan antara istilah Mikrohidro dengan Pikohidro adalah output daya yang dihasilkan. Mikrohidro menghasilkan daya lebih rendah dari 500 KVA, sedangkan untuk pikohidro daya keluarannya berkisar antara 100 sampai 5000 watt. Secara teknis, Mikrohidro memiliki tiga komponen utama

© 2017 ITP Press. All rights reserved.

yaitu aliran air (sumber energi), turbin dan generator.

2. Landasan Teori A. Pembangkit Listrik Tenaga Picohydro (PLTPh) Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) adalah pembangkit yang memanfaatkan konversi energy, yaitu: energi dari ketinggian (potensial) ,menjadi energi dari kecepatan (kinetik) air, akan berubah menjadi energi mekanik dan burubah menjadi energy listrik. Pada prinsipnya PLTA mengolah air menjadi listrik dengan memanfaatkan perubahan energi, yaitu energi potensial air diubah menjadi energi kinetis, dengan adanya head lalu energi kinetis berubah menjadi energi mekanis dengan adanya aliran air yang menggerakkan turbin, lalu energi mekanis ini berubah menjadi energi listrik melalui perputaran rotor pada generator. Daya yang keluar dari generator dapat diperoleh dari perkalian efisiensi turbin dan generator dengan daya yang keluar secara teoritis. Sebagaimana dapat dipahami dari rumus tersebut di atas, daya yang dihasilkan adalah hasil kali dari tinggi jatuh dan debit air, oleh karena itu berhasilnya pembangkitan DOI 10.21063/PIMIMD4.2017.210-216

Prosiding Seminar Nasional PIMIMD-4, ITP, Padang

tenaga air tergantung daripada usaha untuk mendapatkan tinggi jatuh air dan debit yang besar secara efektif dan ekonomis. B. Perencanaan Turbin Dalam merencanakan sebuah turbin air, ada beberapa hal mendasar yang perlu diketahui, sehingga dengan didapatnya harga–harga ini barulah perencanaan konstruksi turbin air bisa dilakukan. Debit Air Debit air merupakan hal yang sangat menentukan dalam perencanaan turbin air, karena daya yang dihasilkan oleh turbin sangat tergantung pada debit air yang tersedia Q = V. A (1) Keterangan : Q = Debit air (m3/s) V = Kecepatan aliran air (m/s) A = Luas penampang pipa (m2) Perhitungan Daya Perhitungan daya air menggunakan rumus : (2) P  xgxQxH Keterangan :  = Massa jenis air = 1000 kg/m3 G = Gravitasi = 9,8 m2/s Q = Debit air H = Head Daya Listrik Pada perencanaan ini turbin yang akan dipakai adalah turbin Francis dan ada beberapa kemungkinan tipe turbin francis yang memiliki efisiensi yang berbeda – beda. (untuk turbin francis) : P  Pair x g x t (3) Keterangan : Pair = daya air  g = efisiensi generator

 t = efisiensi turbin Kecepatan Spesifik Turbin Kecepatan spesifik ns sebagai tanda batasan untuk membedakan tipe roda turbin dan dipakai sebagai suatu besaran yang penting dalam merencanakan (desain) turbin air. Dalam bentuk persamaan kecepatan spesifik dapat dirumuskan sebagai :

Q

ns  n

(H e ) (4)

3 4

211

Keterangan : Debit air yang direncanakan(Q) = m3/s Tinggi jatuh air efektif (He) = m Diameter Turbin Untuk menentukan diameter digunakan persamaan berikut ini:

D  Ds

P (H ) 3 / 4

turbin (5)

Keterangan : D = diameter turbin Ds = diameter spesifik turbin H = tinggi efektif Tinggi Jatuh Air Ada dua macam tinggi jatuh air pada suatuinstalasi pembangkit listrik yaitu : tinggi jatuh air aktual dan tinggi jatuh air efektif. Untuk jenis turbin air tekanan sama tinggi jatuh air aktualnya dihitung dari permukaan air di kolam penampung sampai ke tengah–tengah pancaran air dari nozel. Sedangkan untuk jenis air tekanan lebih tinggi jatuh air aktual dihitung dari permukaan air di kolam penampung sampai ke permukaan air bawah. Pemilihan Daerah Operasi Turbin Pemilihan dengan berdasarkan tinggi jatuh air diperoleh, maka dapat dilihat pada tabelberikut : Tabel 1. Pemilihan daerah operasi turbin No Jenis Turbin Variasi Head, m 1 Kaplan d 2< H < 20 Propeller 1 < H < 2 Francis 0 350 5 < H < 3 Pelton 0 1000 < H < 4 Crossfiow 100 6 50 H < 5 Turgo 250 C. Aplikasian pada Atap Rumah Dalam menentukan atap rumah dapat melakukan peritungan sebagai berikut: 1. Menghitung Luas atap rumah dan debit air hujan Untuk menghuting luas atap rumah yang dapat dihitung dengan rumus di bawah:

L

l1  l 2 cos a

(6)

212

Keterangan : l1 = sisi kiri (m atau cm) l2 = sisi kanan (m atau cm) cos a = sudut kemiringan atap rumah Untuk menghitung luas dari atap rumah dapat dilakukan dengan rumus matematis sebagai berikut: Latap = p x l (7) Keterangan : Latap = Luas dari atap rumah (m2) p = Panjang atap rumah (m atau cm) Panjang atap rumah memiliki ukuran lebih panjang dari panjang bangunan, adanya penambahan panjang dari sisi kiri dan kanan pada sisi panjang atap. Untuk menghitung debit air hujan yang tertanpung pada luas permukaan atap rumah dapat dilakukan secara matematis sebagia berikut: Qairhujan  l atat xcurahhujan (8) Keterangan: Qair hujan = Debit air hujan (liter/menit) Latap = Luas dari atap rumah (m2) Curah hujan = hujan per m2 ( mm/m2/jam) Untuk mengubah satuan air hujan mm/m2/jam menjadi liter/menit dilakukan dengan mencari volume dari air hujan yang jatuh per m2. Dimana satuan mm diubah ke m. Misalkan: mm= 10-3 m, Maka curah hujan yang dapat diubah memjadi satuan liter. curah hujan = 10-3 m/jam x m2 = 10-3 m3/ jam = 1 liter/jam . jika per satuan waktu diubah menjadi per menit, maka curah air hujan dibagi dengan 60 menit karena 1jam = 60 menit. Sehingga 1 liter/60 menit =0.017 liter/menit. Menentukan Talang Air Untuk memghitumg volume dari daya tamping talang dapat dilakukan dengan perhitungan secara matematis sebagai berikut: 1. Untuk talang air yang memiliki sisi persegi (9) V  S 2 xt Keterangan: V = volume talang S = ukuran sisi dari talang T = tinggi talang yang di gunakan 2. Untuk talang air setengah silinder

V  1 / 2(r 2 t ) (10) Dimana: V = volume talang

Prosiding Seminar Nasional PIMIMD-4, ITP, Padang

R T

= jari-jari talang = panjang talang yang digunakan.

Menentukan Pipa Untuk perhitungan dapat adalah:

V  r 2 xt

pipa (11)

Keterangan : V = volume talang r = jari-jari talang t = panjang talang yang digunakan A = luas penampang atau pipa r = jari-jari talang Panjang pipa pesat yang digunakan untuk mengalirkan air rumah turbin agar turbin berputar dapat menggunakan rumus phytagoras.

P  h2  j 2 (12) Keterangan: P = panjang pipa ( m) h = head (m) J = jarak dari rumah turbin dari garis vertical head (m) Tangki Air Tangki air akan berfungsi sebagai bak penampungan air hujan. Dimana air hujan yang ada akan ditampumg pada tangki sebelum air dimanfaatkan.Untuk menghitung volume tangki dihitung secara matematis: (13) V  r 2 xt keterangan : V = volume talang r = jari-jari talang t = panjang talang yang digunakan (14) A  r 2 keterangan : A= luas penampang atau pipa (m2) r= jari-jari talang (D/2) (m atau inci) Untuk menghitung kecepatanair yang keluar dari lubang pada tangki air dihitung dengan:

V  2 xgxh (15) keterangan : v= kecepatan air g= kecepatan grafitasi bumi h= jarak antara lubang ke permukaan air

Prosiding Seminar Nasional PIMIMD-4, ITP, Padang

Untuk waktu pengisian tangki oleh air hujan dari atap ke tangki dapat dilakukan perhitungan sebagai berikut:

T

Vtan gkiair Qairhujan (16)

Di mana : T = waktu yang dibutuhkan V tangki air = daya tampun tangki Q air hujan = debit air hujan

3. Metodologi Deskripsi Data Untuk melengkapi data yang dibutuhkan dalam analisa dan perhitungan pada penelitian ini maka dibutuhkan data-data sesuai dengan tujuan dari penelitian. Adapun data tersebut diambil sesuai dengan aplikasi penelitian yaitu data curah hujan periode januari-desember 2016. Curah hujan Januari – Desembar 2016. Dimana data yang didapat dari BMKG merupakan data rekapitulasi rata-rata curah hujan pada luas daerah(m2) per jam dalam satu hari yang dapat dilihat pada lembar lampiran 1. Kemudian jumlah bulanan tersebut dijumlahkan dan dibagi dengan jumlah hari terjadinya hujan. Sehingga rata-rata curah hujan yang diperoleh adalah 24.154 mm/m2/ jam. Perhitungan Perencanaan Dalam perencanaan ini perhitungan dilakukan dari komponen awal yaitu atap rumah dari rumah yang berukuran 12 m x 8 m x 10 m.

213

rumah ke ujung atap rumah. Ukuran panjang atap memiliki ukuran 85 cm lebih panjang dari pada panjang bangunan rumah, sehingga ukuran atap rumah menjadi 12 m +0.85 m + 0.85 m= 13.7 m. 2. Luas atap rumah Rumus luas dituliskan sebagai berikut: 13.7 m X 11.2 m = 153.44 m2 Pengukuran Tinggi Rumah Tinggi yang dimilik oleh ruma dari atap rumah hingga puncak atau bagian atap tertinggi memiliki tinggi 10 m. Sedangkan umtuk tinggi dari atap talang air ke dasar rumah yaitu 7 m.

4. Hasil Penelitian Pengukuran Debit Air Debit air adalah banyaknya air hujan yang ditampung pada bak penampung(tangki). Sedangkan tinggi jatuh air adalah ketinggian bangunan rumah. Penentuan debit air hujandidapatkan dari data yang diperoleh dari BMKG dan untuk perhitungan debit dan tinggi jatuh air dilakukan dengan menggunakan rumus fluida fisika. Curah hujan rata-rata periode januaridesember 2016. Curah hujan berkisar 24.154 mm/m2/ jam. Dimana dalam 1m2 hujan yang turun 24.154 mm dalam 1 jam. Maka curah hujan didapatkan : = 0.403 liter/menit. Debit air hujan pada luas permukaan atap rumah: Dair= luas atap x curah hujan 153.44 m2 X 0.403

Perhitungan Luas Atap Rumah Pada perencanaan ini diaplikasikan pada rumah dengan panjang= 12 m dan lebar = 8 m. 1. Penentuan lebar atap: Untuk perhitungan lebar atap rumah dimana dari tiap sisi kanan memiliki ukuran lebih pajang 1 m dari dinding bangunan dan kiri memiliki ukuran lebih panjang yaitu 70 cm. Sudut dari atap rumah memiliki sudut sebesar 300 yang dapat dilihat pada gambar 4.2 . Perhitungan lebar atap rumah dapat lakukan dengan menggunakan persamaan 2.18 sebagai berikut: Penrhitungan panjang atap rumah. Untuk perhitungan panjang atap rumah, dimana pada sisi depan dan belakang rumah memiliki ukuran yang lebih panjang dari dari panjang rumah yang diukur dari jarak dinding

Penentuan Talang Air Untuk ukuran talang air yang dibutuhkan dipilih sesuai dengan ukuran talang air yang telah ada di pasaran. Dimana talang air yang dijual dipasaran memiliki ukuran 4 inci. Kapasitas dari daya tampung talang dapat dihitung dengan menggunakan panjang rumah, yaitu: Untuk talang 4 inci= 10 cm = 0.1 m, karena pada umumnya talang air memiliki sisi berbentuk persegi, maka: V= S2 x P V= (0,1 m)2 x 12 m

214

Prosiding Seminar Nasional PIMIMD-4, ITP, Padang

Pernentuan bak penampung (tangki air) Untuk menampung air hujan pada atap yang telah mengalir pada talang air, maka dibutuhkan sebuah bak penenang. Dalam perencaraan ini bak penenang akan berupa tangki silinder yang telah ada dijual di pasaran. Untuk dapat menentukan berapa kebutuhan tangki dapat di perhitungkan sebagai berikut: Tangki silinder berukuran 5100 liter dengan diameter 1,8 m dan tinggi 2,1 m. Maka dari itu untuk pengisian tangki tersebut oleh air hujan membutuhkan waktu:

P=3.35 m 3. Debit air yang digunakan

Perencanaan Pipa Pesat Air pada tangki akan dialirkan memlalui pipa pesat. Air pada tangki akan keluar melalui lubang keluarnya air yang akan dikontrol dengan menggunakan pelampung, dimana pelampung tersebut akan secara otomatis akan mengankat sekat yang menutupi lubang sehingga air akan mengalir melalui lubang yang terhubung ke pipa.

Berdasarkan hasil perhitungan dari tabel dan grafik diatas, maka hasil dari lama waktu pengisian tangki air yang direncanakan oleh debit air dari atap rumah yaitu sebesar 61.836 liter/menit. Dimana volume tangki air berpengaruh terhadap lama waktu pengisian tangki. Semakin besar tangki yang digunakan maka weaktu pengisian air akan semakin lama dan sebaliknya, semakin kecil volume tangki maka waktu pengisian semakin cepat.

Diameter Pipa Pesat Dalam perencanaan ini pipa yang digunakan sebagai pipa pesat yaitu pipa jenis PVC yang di jual dipasaran. Pipa yang memiliki diameter 1.5 inch. Bila jadikan pada satuan cm = 3,75 cm. A= 3,14 x (1/2 x 3,75 cm)2 A= 11,039 cm2 A= 0.0011 m2 1. Kecepatan Air Untuk menghitung kecepatan aliran air yang keluar dari tangki dapat digunakan persamaan: Maka untuk perhitungan dapat diperoleh: Untuk tangki 5100 liter dengan tinggi 2,1√2 ℎ m ( 210 cm), maka h= 2 m V=√2 9,8 2 V= V= 6,26 m/s 2. Panjang Pipa pesat Panjang pipa yang digunakan sepanjang tiga meter terhitunga dari jaraj lubang tangki ke tanah yaitu 3 meter. Dapat dihitung dengan cara: P=√h2 + j2 Maka untuk perhitungan dapat diperoleh: P=√h2 + j2 P=√32 + 0.52 P=√11.25

Debit air yang digunakan untuk memutar turbin yaitu debit air yang tertampun pada tangki air. Maka untuk perhitungan dapat diperoleh: Untuk tangki air 5100 liter: Q= AV Q= 0.0011 m2 x 6,26 m/s Q= 6.9 liter/s

Berdasarkan hasil perhitungan dari tabel dan grafik diatas, maka hasil dari kecepatan dari aliran air dari tanggki berkaitan dengan tinggiatau jarak dari lubang tepat keluarnya air ke permukaan air pada tangki. sehingga dapat dilihat dari grafik semakin tinggi jarak dari lubang ke permukaan air makan kecepatan airan air akan semakin besar. kecepatan aliran ini juga dipengaruhi oleh kecepatan grafitasi. Berdasarkan hasil perhitungan dari tabel dan grafik diatas, maka hasil dari debit air yang akan mengalir ke turbin untuk memutar turbin dipengaruhi dengan kecepatan aliran air. dimana aliran air tesebut dipengaruhi dengan tinggi dan volume tabung. Dari grafik dapat dilihat semakin cepat kecepatan aliran air yang mengalir maka debit yang mengalir dalam satuan waktu juga semakin besar. Besar debit air ini juga dipengaruhi oleh luas penampang yang di rencanakan sebesar 1.5 inci. Semakin besar luas dari penampang maka debit air yang dihasilkan semakin besar, sehingga waktu untuk pemanfaatan air pada tangki penampung juga semakin cepat. Berdasarkan perhitungan diatas untuk pengisian tangki lebih cepat dan kaasitas yang mendukung digunakan tangki yang berukuran 5100 liter. Dengan ketinggian tangki 2.1 meter .

Prosiding Seminar Nasional PIMIMD-4, ITP, Padang

Perencanaan turbin Setelah perhitungan pipa penstock telah didapat maka dapat diketahui ketinggian efektif air. Untuk perencanaan selanjutnya yaitu turbin dan generator dimana turbin yang digunakan adalah turbin propeller tipe open flume TC 60, dengan head minimumnya 3 m. 1. Jenis turbin Jenis turbin turbin yang digunakan yaitu turbin propeller tipe open flume TC 60. Putaran spesifik turbin yaitu ± 2700 rpm. 2. daya air (P) adalah : = 202.86 watt 3. Pada perencanaan nanti turbin yang akan dipakai adalah turbin propeller tipe open flume TC 60 memiliki efisiensi 0,85. = 173.43 W Daya listrik Dari hasil perhitungan diatas dengan menggunakan turbin propeller tipe open flume TC 60 dimana debit air yang digunakan berdasarkan debit air dari desain turbin tersebut yaitu sebesar 5.5 liter/s. Dimana pada perencanaan ini tinggi ( head) diatur berdasarka head maksimum dari desain turbin yaitu 3 m. Sehingga daya keluaran turbin akan dipengaruhi oleh debit dan head. semakin besar debit dan semakin tinggi head daya yang dihasilkan akan sekain besar. Namun dalam keadaan ini head hanya diatur pada ketinggian 3 m agar kerja turbin lebih optimal. Jika head rendah maka turbin akan bekerja kurang optimal.Kecepatan putaran dan jumlah batang generator. Nilai kecepatan putaran dispesifikasikan menurut frekuensi (50 Hz). Generator Synchronous Dari hasil perhitungan generator daya yang diperkirakan 154.63 VA dan daya yang didapatkan berdasarkan listrik yang dihasilkan dari putaran turbin sama dan terpenuhi. Generator yang digunakan disini merupakan generator maghnet permanen yaitu generator synckron 1 fasa. Perhitungan banyak kutub yang dilakukan berdasarkan dengan rumus matematis sama dengan jumlah kutub pada desain generator. Karena generator seporos dengan turbin maka putaran generator akan sama dengan putaran turbin yaitu ± 2700 rpm

215

5. Kesimpulan Dari hasil perhitungan dan pembahasan yang telah dilakukan untuk rencana pembangkit listrik tenaga picohydro (PLTPh) dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Debit air hujan yang didapat dari luas permukaan atap adalah 61.836 liter/menit. Volume tagki air yang digunakan untuk menampung air adalah 5100 liter. Sedangkan debit air yang dapat dimanfaatkan untuk memutar turbin adalah 6.9 liter/s yang dialiri oleh pipa berukuran 1.5 inch. 2. Jenis turbin yang digunakan pada perencanaan ini adalah turbin propeller tipe open flume TC 60 yang seporos dengan generator sinkron 1 fasa dengan kecepatan 2700 rpm. 3. Dari hasil perhitungan yang dilakukan terhadap daya, maka daya air yang tersedia 202.86 watt, daya turbin yang dihasilkan 173.43 W, dan daya listrik yang dihasilkan adalah 123.7 watt. Dengan efisiensi pada turbin 0.85. 4. Dari perhitungan dari data, perencanaan output generator adalah 154.63 VA dan output yang didapatkan yaitu 155.19 watt. Putaran pada generator akan sama dengan putaran turbin karena genetaror dipasang seporos dengan turbin. dan generator dapat menghasilkan lebih dari 100 watt. 5. Perkiraan biaya untuk pembangunan Pembangkit Listrik Tenaga Pichydro ini ± Rp. 12.713.855

Referensi [1]

[2]

[3]

Arismunandar. Artono, 2000. Buku Peganggan Teknik Tegangan Tenaga Listrik, Jilit I Pembangkitan Dengan Tenaga Air. Jakarta: PT. Pradya Paramita. Budiman, Wildan. 2004. Perancangan dan Realisasi Sistem Pengisian Baterai 12 Volt 54 AH Pada Pembangkit Listrik Tenaga Picohydro di UPI Bandung. Jurnal Universitas Pendidikan Indonesia, Bandung Vol.2, No.1 Ray. K. Linsley, Yoseph B. Franzini, 1985. Tekhnik Sumber Daya Air. Jilid I. (Alih bahasa Ir. Djoko Sasongko, M.Sc). Jakarta: Erlangga.

Prosiding Seminar Nasional PIMIMD-4, ITP, Padang

216

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

Ranald V. Giles, 1984. Mekanika Fluida dan Hidrolika. (Alih bahasa Ir. Herman Widodo Soemitro). Jakarta: Erlangga. Setiadi, Yogi. 2015. “Perencanaan Picohydro Portable Type KIncir Air Sebagai Pembangkit Energi Listrik”. Jurnal Universitas Bunghatta, Vol 05 No.01 Shantika, Tito. 2013.” Perancangan Prototipe Picohydro Portable 200 Watt”. Jurnal ITENAS Sugianto, Arif. 2012.” Studi Perencanaan Pembangkit Listrik Picohydro (PLTPh) Untuk Produksi Keripik di Daerah Banjarnegara”. Jurnal Teknik ElektroUniversitas Gajah Mada. S. Warsito, Abdul Syakur, Agus Adhi Nugroho. . “Studi Awal Perencanaan Sistem Pembangkit Listrik Pico Hidro, Undip, Semarang, 2015