STUDI PERENCANAAN PLTA KARANGKATES IV & V PADA BENDUNGAN KARANGKATES KABUPATEN MALANG Septian Maulana1, Suwanto Marsudi2, Ussy Andawayanti2 1 Mahasiswa Program Sarjana Teknik Jurusan Pengairan Universitas Brawijaya 2 Dosen Teknik Pengairan Fakultas Teknik Universitas Brawijaya e-mail:
[email protected]
ABSTRAK Pengembangan sumber daya air bisa dilakukan dengan memanfaatkan bangunan air yang dibangun untuk dikembangkan menjadi unit pembangkit listrik (PLTA). Studi ini diperlukan untuk mengidentifikasi potensi dan keuntungan dari sebuah unit pembangkit. Studi ini dilakukan untuk mengetahui besarnya energi paling efektif yang dapat dilakukan berdasarkan kelayakan teknis maupun ekonomi. Studi berlokasi di bendungan Karangkates dengan memanfaatkan debit pada bendungan. PLTA direncanakan untuk menambah kapasitas terpasang dengan memanfaatkan tinggi jatuh dan debit pada bendungan. Studi ini menggunakan alternatif debit untuk mendapatkan hasil yang optimum. Hasil kajian menunjukan debit 107,53 m3/dt (alternatif 2) dapat dibangkitkan energi tahunan 143.015,06 MWh dan mereduksi emisi gas karbon sekitar 97.050 tCO2/tahun, PLTA dibangun dengan komponen bangunan sipil (pintu pengambilan, terowongan, pipa pesat, tangki gelombang, saluran pembuang, dan rumah pembangkit) dan komponen peralatan mekanik elektrik seperti turbin, governor dan generator. Total biaya pembangunan sebesar 1.055,57 milyar rupiah dengan nilai BCR 1,23, NPV 271,06 milyar rupiah, IRR 14,89 % dan pay back period 14,20 tahun, sehingga pembangunan PLTA layak secara ekonomi. Kata kunci: PLTA, debit, energi, emisi, kelayakan ekonomi ABSTRACT Development of water resources can be done by utilizing the water building built to be developed into a electric generating units (Hydropower). This study is required to identify the potential and advantages of a generating unit. This study was conducted to determine the most effective energy that can be done based on the technical and economic feasibility. This study is located at the dam Karangkates by utilizing head effective of dam. Hydropower planned to add instalied capacity by utilizing head dam fall and discharge at the dam. This study uses an alternative discharge to obtain optimum results.. The results of the study showed the discharge of 107,53 m3/sec (Alternative 2) can be produced 143.015,06 MWh of annual energy and reduce carbon emissions around 97.050 tCO2/year, Hydropower is constructed including: civil structures component (intake, tunnels, penstock, surge tanks, Tailrace channel, and power house) electrical and mechanical equipment such as turbines, governors and generator. The construction cost of 1.055,57 billion rupiah to the value of BCR: 123, NPV: 271,06 billion, IRR: 14,89 % and pay back period: 14,20 years, so the development of hydropower is economically viable . Keywords: hydropowers, discharge, energy, emissions, economic feasibility
1. Pendahuluan Keberadaan listrik merupakan hal yang sangat essensial bagi kehidupan manusia karena hampir semua kegiatan manusia tidak terlepas dari kebutuhan terhadap listrik mulai dari kalangan perumahan biasa sampai kepada kalangan perindustrian, kebutuhan yang besar tehadap listrik inilah kemudian melahirkan Industri pembangkitan listrik. Begitu juga yang terjadi di Indonesia kebutuhan terhadap energi listrik sangat besar, bahkan setelah pulih dari krisis moneter 1998 kebutuhan enegri listrik di Indonesia mengalami trend peningkatan, menurut data pada tahun 1995 – 2000 konsumsi listrik di Indonesia mengalami peningkatan sebesar 2,9 % pertahun, sedangkan pada tahun 2000 – 2004 konsumsi energi listrik juga mengalami peningkatan signifikan yaitu sebesar 5,2% per tahunnya. Berdasarkan data Rencana Usaha Penyediaan Tenaga Listrik (RUPTL) PLN, kebutuhan energi di Indonesia pada tahun 2014 mencapai 225,4 terawatt (Twh), terdiri dari Jawa-Bali 174,9 Twh dan luar Jawa-Bali sebesar 50,5 Twh. Sementara, pada tahun 2018 permintaan listrik nasional diperkirakan mencapai 352,2 Twh terdiri dari Jawa-Bali 250,9 Twh dan luar Jawa-Bali 74,3 Tw. Pertumbuhan listrik nasional pada 2014 diperkirakan mencapai 9,8%. Sungai Brantas merupakan salah satu sungai besar di pulau Jawa yang memiliki potensi yang masih belum dimaksimalkan pasalnya sebagian besar air dari sungai Brantas dipergunakan untuk kebutuhan irigasi, air baku, dan PLTA. Dengan peningkatan kebutuhan energi listrik maka sungai Brantas harus lebih dimaksimalkan lagi potensinya mengingat masih banyak potensi yang tersimpan. Pemanfaatan bendungan saat ini bukan lagi hanya untuk irigasi dan air baku saja, tetapi bisa dimanfaatkan untuk PLTA juga. Selain memiliki tinggi jatuh yang sangat besar bendungan pula
memiliki potensi debit yang sangat mencukupi untuk operasi PLTA. Pembangkit listrik tenaga air dapat membantu kebutuhan energi yang sedang meningkat. Studi ini bertujuan untuk menganalisa kelayakan dari perencanaan PLTA dengan memanfaatkan debit air sungai yang tersimpan pada bendungan yang dirasa dapat meningkatkan produksi energi listrik untuk memenuhi kebutuhan energi listrik yang meningkat. 2. Pustaka dan Metodologi Klasifikasi pembangkit listrik tenaga air Klasifikasi pembangkit listrik tenaga air dapat dibedakan menjadi lima jenis berdasarkan masing-masing parameter, antara lain (Patty, 1995) : 1. Pembagian secara teknis PLTA dilihat secara teknis dapat dibagi atas : a. PLTA yang menggunakan air sungai atau air waduk. b. PLTA yang menggunakan air yang telah dipompa ke suatu reservoir yang diletakan lebih tinggi. c. PLTA yang menggunakan pasang surut air laut. d. PLTA yang menggunakan energi ombak. Ditinjau dari cara membendung air, PLTA dapat dikategorikan menjadi dua macam: a. PLTA run of river yaitu air sungai di hulu dibelokkan dengan menggunakan dam yang dibangun memotong air sungai, air sungai kemudian diarahkan ke bangunan PLTA kemudian dikembalikan ke aliran semula di hilir. b. PLTA dengan Bendungan (DAM) yaitu yaitu aliran air sungai dibendung dengan menggunakan bendungan yang besar agar diperoleh jumlah air yang sangat besar dalam kolam tandon kemudian baru air dialirkan ke PLTA. Air di sini dapat diatur
pemanfaatannya misalnya mengenai debit air yang digunakan dalam pembangkitan dapat diatur besarnya. 2. Pembagian menurut kapasitas a. PLTA mikro yaitu dengan daya 99 kW. b. PLTA kapasitas rendah yaitu dengan daya 100 sampai 999 kW. c. PLTA kapasitas sedang yaitu dengan daya 1000 sampai 9999 kW. d. PLTA kapasitas tinggi dengan daya diatas 10.000 kW. 3. Pembagian menurut tinggi jatuh a. PLTA dengan Tekanan rendah; H < 15 m b. PLTA dengan tekanan sedang; H = 15 hingga 50 m c. PLTA dengan tekanan tinggi; H = 50 m. 4. Pembagian berdasarkan ekonomi a. PLTA yang bekerja sendiri. Jadi tidak dihubungkan dengan sentralsentral listrik yang lain. b. PLTA yang bekerjasama dengan sentral-sentral listrik yang lain dalam pemberian listrik kepada konsumen. Sehubungan dengan ini PLTA dapat dipakai untuk: - Beban dasar; PLTA bekerja terus-menerus - Beban maksimum; PLTA bekerja pada jam-jam tertentu. Simulasi operasi waduk untuk PLTA Dalam simulasi pola operasi waduk untuk PLTA digunakan konsep beban puncak yaitu dengan mengalihkan debit dasar ke debit puncak dengan tujuan agar distribusi listrik lebih efisien dan efektif. Operasi waduk pada PLTA dioperasikan untuk keadaan sebagai berikut : a. Operasi beban puncak dengan lama waktu operasi standard dalam satu hari selama 5 jam, mulai dari jam 17.00 – 22.00. b. Operasi beban dasar dengan lama waktu operasi standard dalam satu
hari selama 19 jam, mulai dari jam 23.00 – 16.00, jika terdapat debit lebih dari pemakaian operasi beban puncak. Perencanaan Bangunan PLTA PLTA Karangkates IV & V merupaka PLTA dengan kategori kolam tendon (reservoir) meliputi: A. Pintu Pengambilan Pintu pengambilan adalah pintu untuk mengatur jumlah air yang masuk ke saluran / terowongan sesuai kebutuhan. Desain pintu pengambilan ini direncanakan berdasar atas kebutuhan air sesuai dengan desain perencanaan. Jenis dan type intake antara lain ; Canal Intake Reservoir Intake Tunnel Intake B. Bangunan Pembawa Bangunan pembawa merupakan bangunan yang berfungsi untuk mengantarkan air atu membawa air mulai dari bangunan pengambilan menuju ke rumah pembangkit. Terdapat bermacam bentuk dari bangunan pembawa tergantung dari sistem pembawaan air menuju rumah pembangkit, bangunan pembawa antara lain: 1. Terowongan (Tunnels), Fungsi terowongan adalah membawa air dari intake menuju penstock dan akhirnya ke turbin pembangkit. 2. Pipa Pesat (Penstock), Pipa pesat adalah saluran yang menyalurkan dan mengarahkan air dari waduk ke turbin. Parameter desain yang direncanakan pada pipa pesat adalah: 1. Diameter pipa pesat Diameter ekonomis pipa pesat dapat dihitung dengan persamaan: Sarkaria formula: 0,25
Q2
D = 3,55. (2.g.H)
ESHA formula: 10,3n2 Q2
0,1875
D = ( hf ) Dimana: D : diameter pipa (m) n : koef kekasaran pipa
Q : debit pada pipa (m3/dt) Hf : kehilangan tinggi tekan total pada pipa (m) H : tinggi jatuh (m) Namun dalam penentuan diameter pipa pesat perlu diperhitungkan besarnya kehilangan tinggi dikarenakan hal ini akan mempengaruhi besarnya daya yang akan dihasilkan. 2. Tebal pipa pesat Tebal pipa pesat dapat dihitung dengan persamaan: ASME (Mosonyi,1963): t = 2,5 D +1,2 USBR (Varshney,1971): t = (d+500)/400 ESHA (Penche,2004) : e = PD/2σkf+es Barlow’s Formulae (Varshney,1971): H = (0,002+σ x t)/(D+0,002 t) Dimana: H : Tinggi tekan maksimum ( m ) : tekanan statis + tinggi tekan akibat pukulan air σ : tegangan baja yang digunakan (ton/m2 ) D : diameter pipa pesat (m) t : tebal pipa pesat ( m ) P : tekan hidrostatis pipa (kN/mm2) kf : efisiensi ketahanan es : tebal jagaan untuk sifat korosif (mm) 3. Kebutuhan terhadap tangki gelombang Pipa pesat membutuhkan tangki gelombang jika L > 4H 4. Kedalaman minimum pipa pesat Kedalaman minimum akan berpengaruh terhadap gejala vortex, kedalaman minimum dapat dihitung dengan persamaan (Penche,2004): Ht > s s = c V √D Dimana: c : 0,7245 untuk inlet asimetris
0,5434 untuk inlet simetris V : kecepatan masuk aliran (m/dt) D: diameter inlet pipa pesat (m)
Gambar 1. Skema Inlet Pipa Pesat 5. Sistem Pengambilan Melalui Pipa Pesat (Inlet) Sistem pengambilan pada mulut pipa pesat perlu diperhitungkan dengan tujuan untuk mengatur sistem regulasi debit air yang masuk ke dalam turbin baik saat kondisi operasional maupun kondisi perawatan ,intake pipa pesat biasanya didesain dengan menggunakan sistem katup (valve), Tipe katup yang sering diaplikasikan adalah : a. Gate valve b. Butterfly valve c. Needle valve C. Tangki Gelombang (Surge Tanks) Tangki gelombang adalah pipa tegak di ujung hilir saluran air tertutup untuk menyerap kenaikan tekanan mendadak serta dengan cepat memberikan air selama penurunan singkat dalam tekanan. Surge tanks biasanya disediakan pada PLTA besar atau menengah ketika ada jarak yang cukup jauh antara sumber air dengan unit daya, sehingga diperlukan sebuah penstock panjang. 1. Luas Surge tanks (Thoma) 𝐴𝑡 𝐿𝑡 Ast = 2 𝑔 𝑐 𝐻 𝐴𝑠𝑡
Dst = √0,25 𝛱 Dimana : Ast = Luas Surge Tanks (m2) Dst = Diameter Surge Tanks (m) Lt = panjang terowongan (m)
At = Luas Terowongan (m2) H = Gross Head (m) g = gravitasi (m2/s) c = koefisien thoma 2. Tinggi air dalam Surge tanks 𝐿𝑡 𝐴𝑡 Zst : v (𝑔 𝐴𝑠𝑡 )0,5 Dimana : Zst = Tinggi muka air (m) V = kecepatan terowongan (m/s) Lt = panjang terowongan (m) At = Luas Terowongan (m2) g = gravitasi (m2/s) Ast = Luas Surge Tanks (m2) D. Bangunan Pembuang Bangunan pembuang digunakan untuk mengalirkan debit setelah melalui turbin meuju ke sungai, bangunan pembauang sendiri bisa direncanakan sesuai dengan kondisi lapangan, umunya bangunan pembuang direncanakan dengan tipe saluran terbuka (saluran tailrace). Tinggi Jatuh Efektif Tinggi jatuh efektif adalah selisih antara elevasi muka air pada bangunan pengambilan atau waduk (EMAW) dengan tail water level (TWL) dikurangi dengan total kehilangan tinggi tekan (Ramos, 2000). Persamaan tinggi jatuh efektif adalah: Heff = EMAW – TWL – hl dimana: Heff : tinggi jatuh efektif (m) EMAW: elevasi muka air waduk atau hulu bangunan pengambilan (m) TWL : tail water level (m) hl : total kehilangan tingi tekan (m)
Gambar 2. Sketsa Tinggi Jatuh Effektif Kehilangan tinggi tekan digolongkan menjadi 2 jenis yaitu kehilangan pada
saluran terbuka dan kehilangan pada saluran tertutup. Kehilangan tinggi tekan pada saluran terbuka biasanya terjadi pada intake pengambilan, saluran transisi dan penyaring. Kehilangan tinggi pada saluran tertutup dikelompokkan menjadi 2 jenis yaitu kehilangan tinggi mayor (gesekan) dan kehilangan tinggi minor. Kehilangan tinggi mayor dihitung dengan persamaan Chezy-Manning (Penche,2004): hf =
n 2 v2 4
R3
sedangkan kehilangan minor dihitung dengan persamaan (Ramos, 2000): V2
hf = ξ
2g
dimana: hf : kehilangan tinggi tekan V : kecepatan masuk (m/dt) g : percepatan gravitasi (m/dt2) L : panjang saluran tertutup / pipa (m) D : diameter pipa (m) f : koefisien kekasaran(moody diagram) ξ : keofisien berdasarkan jenis kontraksi Perencanaan Peralatan Mekanik Dan Elektrik Perencanaan peralatan mekanik dan elektrik meliputi: A. Turbin Hidraulik Turbin dapat diklasifikasikan berdasarkan tabel berikut (Ramos,2000): Tabel 1. Klasifikasi Jenis Turbin
Dalam perencanan turbin parameter yang mendasari adalah kecepatan spesifik turbin (Ns) dan kecepatan putar/sinkron (n) dimana kedua parameter tersebut dihitung dengan persamaan (Anonim, 1976:): √P
Ns = n H5/4 n=
120 f 𝑃
dimana: Ns : Kecepatan spesifik turbin (mkW) n : kecepatan putar/sinkron (rpm) P : daya (kW) H : tinggi jatuh effektif (m) f : frekuensi generator (Hz) p : jumlah kutub generator Nilai n bisa didapatkan dengan melakukan nilai coba-coba dengan persamaan: Untuk turbin francis: 2334 1553 n’ = atau n’ = √H √H Untuk turbin propeller: 2088 2702 n’ = atau n’ = √H √H Setelah didapatkan nilai parameter tersebut maka dapat ditentukan parameter lain seperti: 1. Titik Pusat Dan Kavitasi Pada Turbin Titik pusat perlu diletakkan pada titik yang aman sehingga terhindar dari bahaya kavitasi kavitasi akan terjadi bila nilai σaktual < σkritis, dimana σdapat dihitung dengan persamaan (Anonim, 1976): Ns1.64
σc = 50327 Hs = Ha – Hv – H.σ Sedangkan titik pusat turbin dapat dihitung dengan persamaan: Z = twl + Hs + b dimana: Ns : Kecepatan spesifik turbin (mkW) σc : koefisien thoma kritis σ : koefisien thoma Ha: tekanan absolut atmosfer (Pa/gρ) Hv: tekanan uap jenuh air (Pw/gρ) H : tinggi jatuh effektif (m) Hs : tinggi hisap turbin (m) Z : titik pusat tubrin twl: elevasi tail water level b : jarak pusat turbin dengan runner (m) 2. dimensi turbin Dimensi turbin reaksi meliputi: Dimensi runner turbin, dimensi wicket gate, dimensi spiral case dan dimensi draft tube. 3. effisiensi turbin Effisiensi turbin sangat tergantung pengaruh dari debit aktual dalam turbin
dengan debit desain turbin (Q/Qd), effisiensi turbin ditunjukkan pada gambar berikut (Ramos,2000):
Gambar 3. Grafik Effisiensi Turbin B. Peralatan Elektrik Peralatan elektrik PLTA berfungsi sebagai pengaturan kelistrikan setelah dilakukan proses pembangkitan listrik, peralatan elektrik meliputi generator, governor, speed increaser, transformer, switchgear dan auxiliary equipment. Analisa Pembangkitan Energi Produksi energi tahunan dihitung berdasarkan tenaga andalan. Tenaga andalan dihitung berdasarkan debit andalan yang tersedia untuk pembangkitan energi listrik yang berupa debit outflow dengan periode n harian.(Arismunandar,2005) E = 9,8 x H x Q x ηg x ηt x 24 x n Dimana: E : Energi tiap satu periode (kWh) H : Tinggi jatuh efektif (m) Q : Debit outflow (m3/dtk) ηg : effisiensi generator ηt : efisiensi turbin n : jumlah hari dalam satu periode. Analisa Reduksi Emisi Gas Karbon Analisa reduksi emisi gas karbon dihitung dengan persamaan (Anonim, 2005): ΔGHG : (ebase – eprop) Eprop (1- λprop) Dimana: ΔGHG : Besaran reduksi gas karbon ( kgCO2e ) ebase : faktor emisi gas karbon dari sumber tidak terbarukan eprop : faktor emisi gas karbon dari sumber terbarukan Eprop : besarnya daya bangkitan (kWh) λprop : kehilangan daya pada grid
nilai unit konversi produksi emsisi gas karbon per kWh adalah sebagai berikut: Tabel 2. Nilai Konversi Produksi Emisi
Sumber: IPCC,2006 Analisa Kelayakan Ekonomi Analisa ekonomi dilakukan untuk mengetahui kelayakan suatu proyek dari segi ekonomi. Dalam melakukan analisa ekonomi dibutuhkan dua komponen utama yaitu: cost (komponen biaya) Meliputi biaya langsung (biaya konstruksi) dan biaya tak langsung (O&P, contingencies dan engineering) benefit (komponen manfaat). Manfaat didapatakan dari hasil penjualan listrik berdasarkan harga tarif yang berlaku dan pendapatan dari reduksi emisi gas karbon (CER). Parameter kelayakan ekonomi meliputi: 1. Benefit Cost Ratio PV dari manfaat BCR = PV dari biaya capital dan O&𝑃 2. Net Present Value NPV = PV Benefit – PV Cost 3. Internal Rate Of Return NPV′ (I′′ − I′) IRR = I′ + NPV ′ − NPV′′ 4. analisa sensitivitas Analisa sensitivitas dilakukan pada 3 kondisi yaitu: Cost naik 20%, benefit tetap Cost tetap, benefit turun 20% Cost naik 20%, benefit turun 20% 3. Hasil dan Pembahasan Konsep perencanaan PLTA adalah dengan memanfaatkan debit yang berlebih pada sungai Brantas khususnya pada bendungan Karangkates. Debit yang tidak digunakan akan dialirkan melalui intake yang berbeda dengan intake PLTA sebelumnya, kemudian debit akan dialirkan menuju sistem PLTA secara
sistem pengaliran aliran (diversion) dan akan dialirkan kembali menuju sungai Brantas. Konsep PLTA ditunjukkan pada gambar berikut:
Gambar 4. Konsep Dasar PLTA Karangkates IV & V Berdasarkan analisa inflow harian digunakan debit desain rencana untuk desain PLTA dengan keandalan tertentu seperti pada kurva durasi aliran (FDC) seperti berikut:
Gambar 5. Kurva Durasi Aliran Outflow Dari kurva maka dilakukanlah simulasi waduk untuk menentukan daya terpasang dan debit yang dibutuhkan. Debit yang dapat digunakan untuk perencanaan PLTA adalah sebagai berikut : Tabel 3. Alternatif Debit Desain Debit daya Alternatif MW m3/dt 1 67,4 2x50 2 53,76 2x40 Maka dari perencanaan alternatif tersebut direncanakan komponen bangunan sipil, pada studi ini digunakan alternatif 1 sebagai acuan debit desain bangunan sipil, bangunan sipil yang direncanakan meliputi:
1. Bangunan Pengambilan Bangunan pengambilan direncanakan berupa pintu pengambilan (intake) dan dilengkapi dengan trashrack, pintu pengambilan didesain menggunakan tipe pintu reservoir intake dengan data teknis sebagai berikut: Debit desain : 134,79 m3/dt Tinggi pintu : 13 meter Lebar pintu : 8 meter Jumlah Pintu : 2 pintu Sedangkan desain penyaring (trashrack) adalah sebagai berikut : Bentuk jeruji : bulat memanjang Kemiringan trashrack : 45o Tebal jeruji (s) : 10 mm Lebar trashrack : 6,5 m Jarak antar jerujui : 100 mm Jumlah jeruji : 65 jeruji 2. Bangunan Pembawa Bangunan pembawa yang dimaksud dalam studi ini adalah terowongan dan pipa pesat, kedua bangunan tersebut adalah tipe tertutup bertekanan. Perencanaan Terowongan : Data yang dibutuhkan untuk perencanaan terowongan adalah sebagai berikut ; Debit : 134,79 m3/dt Debit desain : 148,270 m3/dt Daya PLTA : 2x50 MW Gross headi : 94,59 m Panjang terowongan : 551,5 m Perencanaan diameter terowongan: Pendekatan yang digunakan dalam perencanaan diameter terowongan adalah kecepatan izin, menurut mosonyi kecepatan izin pada terowongan berbahan beton adalah 2-4 m/dt. Tabel 4. Perhitungan Diameter V A D 2 74.135 9.716 2.5 59.308 8.690 3 49.423 7.933 3.5 42.363 7.344 4 37.067 6.870 4.5 32.949 6.477 Sumber : Hasil Perhitungan
Maka dari hasil diatas didapatkan hasil sebagai berikut : Kecepatan : 3,5 m/dt Diameter : 7,4 m Tebal luar : 1,3 m Tebal total : 10 m Kedalaman Aliran Tekan Kedalaman aliran pada terowongan diperlukan untuk menjaga debit air yang masuk menuju terowongan agar selalu berada pada keadaan tertekan. Data yang dibutuhkan: Kecepatan : 3,5 m/dt Diameter : 7,40 m g : 9,81 m2/dt Persamaan Knauss : 1+2,3𝑣 ht > D (𝑔𝐷)0,5 1+2,3 3,5
ht
> 7,40
ht
= 14,392 m
(9,81 7,40)0,5
Desain lubang udara Lubang udara pada terowongan berfungsi untuk melepaskan udara sebelum masuk kedalam terowongan. Direncanakan luas lubang 20% dari luas terowongan, sehingga di dapatkan : Aterowongan : 43,008 m2 Alubang udara : 8,602 m2 Dlubang udara : 3,309 m Perencanaan Pipa Pesat : Data yang dibutuhkan dalam perencanaan pipa pesat adalah sebagai berikut : Debit total : 134,79 m3/dt Panjang pipa pesat : 279 m Tinggi jatuh : 94,59 m Jumlah pipa pesat : 2 buah Kekasaran manning : 0,015 Debit tiap pipa : 67,40 m3/dt Debit desain : 74,135 m3/dt Diameter pipa pesat Diameter pipa pesat harus direncakan berdasarkan aspek hirdolik dan aspek ekonomis, menurut mosonyi kecepatan yang disarankan untuk pipa baja adalah sebesar 2,5 m/dt – 7 m/dt, berikut ini adalah persamaan empirik untuk mene-ntukan diameter pipa pesat: Persamaan sarkaria:
Q2
0,25
D = 3,55. (2.g.H)
74,1352
0,25
Tabel 5. Hubungan Diameter Dengan Headloss
D = 3,55. (2 9,81 94,59) D = 4,657 m, maka: A = 17,033 m2 V = 3,957 m/dt (memenuhi kecepatan izin) Persamaan diameter ekonomis ESHA (Penche,2004): Jika tinggi tekan karena gesekan pipa direncanakan 3% dari gross head maka: D =(
𝑛2 𝑄 2 𝐿 𝐻𝑓
0,1875
)
0,0152 74,1352 279
0,1875
=( ) 2,838 = 3,81 m, maka: = 6,51 m2 = 6,51 m/dt (memenuhi kecepatan izin) Dari kedua persamaan diketahui bahwa metode Sarkaria dan ESHA bisa dipergunakan namun perlu dilakukan analisa pengaruh diameter terhadap beberapa faktor seperti kehilangan energi. Maka selanjutnya diameter dihitung dengan pendekatan kecepatan berdasarkan mosonyi, maka : Kecepatan potensial aliran pada pipa pesat berdasarkan tinggi jatuh : V = √2 𝑔 𝐻 = √2 9,81 94,59 V = 43,079 m/dt Sedangkan kecepatn izin yang mampu dicapai oleh pipa pesat adalah v maks = 7 m/dt. V min = 2,5 m/dt V maks = 7 m/dt D maks = 4,825 m D min = 2,883 m Maka nilai kisaran diameter pipa pesat adalah 2,883 – 4,825 m. D D A V
Sumber : Hasil Perhitungan Jadi diameter pipa pesat adalah sebagai berikut : D = 3,9 m A = 11,94 m2 V = 6,209 m/dt Tebal pipa pesat Tebal pipa direncanakan dengan tujuan untuk menjaga keamanan pipa akibat tekanan dari dalam dan luar pipa, dengan menggunakan beberapa metode diperoleh hasil sebagai berikut: USBR : 8.77 mm PG&E : 16,542 mm Direncanakan tebal pipa pesat adalah 17 mm (tebal pipa terbesar dari analisa diatas) Jenis baja untuk pipa pesat Jenis baja yang dipilih untuk perencanaan pipa pesat adalah baja SM 400B dengan spesifikasi sebagai berikut : Tabel 6. Spesifikasi Baja SM 400B Steel properties type tensile strenght
notation value SM 400B σs
value
unit
2 4079 kg/cm
2 4.00E+08 N/m
kg/cm2
0.00E+00 N/m2
2
0.00E+00 N/m2 2 2.45E+08 N/m 3 7.70E+04 N/m
compresivve stress shearing stress
unit
Yield strength
σy
kg/cm 2 2498 kg/cm
unit weight of pipe
gs
3 7860 kg/m
modulus elastic of steel
Es
1.94E+06 kg/cm
coefficient of linier expansion of steel
αs
o 0.000012 / C
temperature change in penstock poisson ratio of steel
ΔT vs
15 0.26
2
2 1.90E+11 N/m
o
C
Sumber : Bringas, 2004 Pengaruh pukulan air terhadap pipa pesat
Perhitungan tekanan hidrostatis untuk pipa perlu memperhatikan pengaruh pukulan air (Water Hammer) terhadap pipa, dimana kenaikan air akibat pukulan air ini dihitung dengan persamaan allevi : 𝛼𝑉𝑜 ρallevi : 2𝑔𝐻𝑜 : ρallevi θ
771,416 5,642 2 9,81 94,59
: 2,345 𝛼𝑇 : 𝛼𝐿𝑜
771,416 5
: 2 279 θ : 6,912 Dimana perhitungan pukulan air untuk turbin francis adalah sebagai beriku ; ℎ𝑜 0,75 : (𝜃√𝜃 +1,25) n 𝐻𝑜 ho : 41,437 m, ℎ𝑜 : 43,437 % 𝐻𝑜 Pipa pesat membutuhkan tangki 𝛴𝐿 𝑣 gelombang bila 𝐻 > 3 sampai 5, dalam studi ini panjang pipa pesat (L) adalah 279 m, kedepatan dalam pipa pesat 4,4 m/detik sedangkan tinggi jatuh (H) adalah 94,59 m maka dalam studi ini pipa pesat membutuhkan tangki gelombang. 3. Tangki gelombang (Surge Tanks) Diameter tangki gelombang perlu direncanakan sedemikian rupa agar mampu mereduksi tekanan akibat Water Hammer pada pipa pesat. Rumus yang digunkan dalam merencanakan tangki gelombang adalah sebagai berikut : Persaman Thoma 𝐴𝐿 Ast : 2𝑔 𝑐 𝐻 43,01 551,5
Ast
: 1,2 2 9,81 0,06 94,59
Ast Sehingga,
: 255,618 m2
Dst
𝐴𝑠𝑡
: √0,25𝛱 255,618
: √0,25 3,14 Dst 4. Bangunan chanel)
Saluran tailrace direncanakan sistem pengaturan / regulasi pada bagian akhir dari draft tube berupa pintu atau katup kemudian debit air akan dialirkan melalui saluran terbuka dimana diujung saluran akan direncanakan ambang lebar sebagai kontrol elevasi muka air (TWL). Dalam perencanan saluran pembuang digunakan data teknis rencana sebagai berikut: Debit rencana :134,79 m3/dt Elv dasar saluran : +170 Lebar saluran : 20 meter Bentuk saluran : persegi Jenis pasangan : beton Koefisien manning : 0,020 Aliran air dari saluran pembuang akan dialirkan melaui ambang (weir) pada ujung saluran dengan data perencanaan: Bentuk ambang : ogee tipe I Lebar ambang : 20 meter Tinggi ambang : 0,5 meter Elevasi ambang : +170,50 Elevasi dasar : +170,00 Dengan menggunakan persamaan Q = C B H1,5 dengan nilai koefisien debit untuk pengaliran tenggelam (C = 1,7) maka akan didapatkan lengkung kapasitas debit (ratingcurve) berdasarkan debit operasional pada ambang tailrace sebagai berikut:
: 18,041 m Pembuang
(tailrace
Sumber : Hasil Perhitungan Gambar 6. Rating Curve Pada Ambang Tailrace Perhitungan Tinggi Jatuh Effektif Dengan menggunakan persamaan empir-ik berdasarkan potensi kehilangan tinggi tekan maka tinggi jatuh effektif diten-tukan seperti pada tabel berikut:
Tabel 7. Perhitungan Tinggi Jatuh Effektif paremeter tinggi tekan Hf kehilangan pada intake trashrack 0.013 intake 0.188 kehilangan pada Terowongan akibat gesekan 0.954 inlet 0.150 outlet 0.100 trashrack 2.961E-05 kehilangan pada pipa pesat gesekan 2.503 inlet 0.589 belokan 1.965 katup 0.393 outlet 0.100 kehilangan sebelum turbin diasumsikan 0.1 7.056 total kehilangan elevasi TWL +177.9 TWL tinggi jatuh (head) 87.02 net head 94.59 gross head Sumber : Hasil Perhitungan Perencanaan Peralatan Hidromekanikal Dan Elektrikal Peralatan hidromekanikal dan elektrikal yang direncanakan dalam studi ini meliputi: turbin hidraulik, peralatan elect-rik dan rumah pembangkit. Turbin hidraulik Berdasarkan besarnya debit desain dan tinggi jatuh effektif dapat dipilih tipe turbin yang digunakan. Debit desain : 67,40m3/dt Tinggi jatuh effektif : 87,02 m Daya teoritis : 50 MW atau 43012,39HP
Gambar 7. Pemilihan Turbin
Gambar 8. Pemilihan Turbin Reaksi Maka direncanakan: Tipe turbin : Francis Jumlah turbin : 2 unit Debit : 67,40 m3/dt Frekuensi generator : 50Hz Kutub generator : 28 buah Kecepatan putar : 214,29 rpm Kecepatan spesifik : 184,86 mkW Diameter runner : 2,84 m σkritis : 0,12 σaktual : 0,12 elv pusat turbin : +176,91 tinggi hisap : -0,47 m dan direncanakan sistem intake turbin tipe spiral case dan draft tube tipe elbow dengan dimensi: lebar total spiral case : 9,71 m diameter intake spiral case : 3,23 m tinggi draft tube : 5,68 m panjang draft tube : 9,00 m peralatan elektrik yang direncanakan meliputi: generator 3 fasa, governor, speed increaser, transformer, switchgear dan auxiliary equipment. rumah pembangkit direncanakan dengan tipe dalam tanah (underground facility) dengan dimensi: Tinggi : 15 meter
Lebar : 20 meter Panjang : 50 meter Material rumah : beton Tebal dinding rumah : 0.3 meter Kedalaman pondasi : 1.5 meter Analisa Pembangkitan Energi Energi yang dihasilkan pada PLTAKarangkates IV & V tiap satu hari operasi ditabelkan sebagai berikut: Tabel 8. Hasil Pembangkitan Energi harian Tiap Alternatif
Sumber : Hasil Perhitungan Sedangkan hasil pembangkitan tahunan untuk tiap alternatif adalah: Tabel 9. Hasil Pembangkitan Energi Tahunan Tiap Alternatif
Analisa Ekonomi Biaya proyek dan OP dihitung dengan menggunakan persamaan empirik sebagai berikut: Tabel 11. Estimasi Biaya PLTA No
Biaya (milyar rupiah)
item pekerjaan
Alt 1
Alt 2
1
biaya engineering
19.27
17.08
2
peralatan hidromekanik
474.78
384.86
3
pemasangan hidromekanik
71.22
57.73
4
pemasangan jalur transmisi
3.96
3.96
5
travo dan substansi
22.23
18.20
6
pemasangan travo dan substansi
3.33
2.73
7
sipil
154.10
128.24
8
pipa pesat
45.96
39.62
9
pemasangan pipa pesat
5.95
5.13
10
Terowongan
20.96
15.44
11
Surge Tanks
18.62
14.11
12
lain lain
238.34
185.27
No.
Unit Turbin (unit)
Debit Desain (m3/dt)
Hari Operasional (hari)
Energi Tahunan (MWh)
1
2
11
134,79
163552,654
2
2
22
107,53
143015,159
13
biaya contingencies
107.87
87.24
Sumber : Hasil Perhitungan Analisa CER Berdasarkan hasil pembangkitan energi tahunan maka didaptakan nilai reduksi emisi dan pendapatan utnuk tiap alternatif sebagai berikut: Tabel 10. Hasil Reduksi Emisi Dan CER
14
biaya O & P
10.79
8.72
15
capital cost
1,186.60
959.61
16
PPN 10%
118.66
95.96
17
total cost
1,305.27
1,055.57
18
rasio rp/kWh
7,981
7,381
Alt
1
2
Jenis Bahan Bakar
Nilai konversi kgCO2
Energi Bersih Tahunan MWh
Nilai Reduksi tCO2/th
Nilai CER/Th Milyar Rp
Minyak
0,754
147197
110987
18.44
Diesel Batu Bara Gas Alam Minyak
0,764
147197
112459
18.69
0,94
147197
138366
22.99
0,581
147197
85522
14.21
0,754
128714
97050
16.13
Diesel Batu Bara Gas Alam
0,764
128714
98337
16.34
0,94
128714
120991
20.11
0,581
128714
74783
12.43
Sumber : Hasil Perhitungan
Sumber : Hasil Perhitungan Sedangkan estimasi manfaat tahunan dari penjualan energi listrik adalah: Tabel 12. Estimasi Manfaat PLTA No.
Harga Listrik Rp/Kwh
Energi tahunan Mwh
income Milyar Rp
CER Milyar Rp
Total Milyar Rp
1
1175,4
163553
192,24
18,44
210,68
2
1175,4
143015
168,10
16,13
184,23
Sumber : Hasil Perhitungan Dengan rencana usia proyek adalah 35 tahun maka akan didapatkan parameter kelayakan ekonomi sebagai berikut: Tabel 13. Analisa Ekonomi Tiap Alternatif Dengan CER Alt
PV Cost
PV Benefit
BCR
NPV
IRR (%)
Pay Back Period
1
1468,16
1661,17
1,13
193,01
13,68
17,86
2
1187,31
1458,37
1,23
271,06
14,89
14,89
Tanpa CER 1
1468,16
1483,47
1,01
15,30
12,13
30,23
2
1187,31
1302,98
1,10
115,68
13,24
19,81
Sumber : Hasil Perhitungan Dan analisa sensitivitas sebagai berikut: Kondisi 1:benefit turun 20%, cost tetap Kondisi 2:benefit tetap, cost naik 20% Kondisi 3:benefit turun 20%, cost naik 20% . Hasil analisa sensitivitas untuk tiap alternatif ditabelkan sebagai berikut: Tabel 13. Hasil Analisa Sensitivitas Tiap Alternatif PV Benefit
Kondisi
PV Cost
NPV
BCR
1
1468.16
1328.93
-139.23
0.91
2
1761.79
1661.17
-100.63
0.94
3
1761.79
1328.93
-432.86
0.75
1
1187.31
1166.69
-20.61
0.98
2
1424.77
1458.37
33.60
1.02
3
1424.77
1166.69
-258.07
0.82
Alternatif 1
Alternatif 2
Sumber : Hasil Perhitungan Sehingga dari analisa ekonomi dipilih alternatif 2 sebagai alternatif yang paling mengguntungkan 4. Kesimpulan 1. Berdasarkan analisa, kapasitas daya terpasang berdasarkan alternatif terpilih adalah sebesar 2x40 MW. 2. Produksi energi PLTA Karangkates IV & V selama setahun berdasarkan alternatif terpilih adalah sebesar 143.015,06 MWh 3. Desain bangunan PLTA Karangkates IV & V yang dipergunakan dalam studi ini adalah sebagai berikut: a Bangunan sipil: Pintu pengambilan, dengan detail sebagai berikut : Jenis pintu : Reservoir Intake Tinggi pintu : 13 m Lebar pintu :8m Jumlah pintu : 2 Buah Lebar pilar : 1,5 m
Lebar tiap pintu : 3,25 m Kecepatan : 3,5 m/dt Bangunan terowongan, dengan detail desain sebagai berikut : Kecepatan : 3,5 m/dt Dterowongan : 7,40 m Tebal luar : 1,3 m Tebal Total : 10,0 m Panjang : 551,5 m Bangunan pipa pesat, dengan detail desain sebagai berikut : Material pipa pesat: SM 400B Panjang pipa pesat: 279 m Tinggi jatuh : 94,59 m Jumlah pipa pesat : 2 buah Diameter pipa pesat: 3,9 m Luas pipa pesat : 11,94 m2 Kecapatan : 6,209 m/dt Tebal pipa pesat : 17 mm Tangki gelombang (Surge Tanks), dengan detail sebagai berikut : Diameter : 18 m Luas : 255,618 m2 Diameter orifice : 5 m Luas orifice : 19,635 m2 Tinggi tangki : 10 m Rumah pembangkit (Power House), dengan detail desain sebagai berikut: Bentuk Power house: tipe dalam tanah (underground type) Tinggi : 15 meter Lebar : 20 meter Panjang : 50 meter Material rumah : Beton Tebal dinding rumah: 0,3 meter Kedalaman pondasi: 1,5 meter Bangunan pembuang (saluran tailrace dan ambang lebar), dengan detail sebagai berikut : Luas saluran : 158,23 m2 Keliling basah : 35,82 m Jari-jari hidraulik : 4,42 m Slope : 0,000023 Kecepatan saluran: 0,852 m/dt b Peralatan mekanik dan elektrik: Turbin francis beserta kelengkapanya (spiral case, draft tube dan wicket gate), generator 50Hz 3 fasa dengan 28 kutub, governor, speed increaser,
travo, switchgear dan aksesoris kelistrikan. 4. Berdasarkan analisa ekonomi terhadap alternatif terpilih (alternatif 2) didapatkan besar biaya total sebesar 1.187,31 milyar rupiah dengan nilai BCR 1,23 , NPV 271,06 milyar rupiah, IRR 14,89 % dan pay back period 10,02 tahun, sehingga pembangunan PLTA layak secara ekonomi. Daftar Pustaka 1. Anonim. 2006. Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories. Switzerland: IPCC (International Panel In Climate Change). 2. Anonim. 2005. RETScreen® Engineering & Cases Textbook. Kanada: RETScreen International. 3. Anonim, 1976. Engineering Monograph No. 20 Selecting Reaction Turbines. Amerika: United States Bureau Of Reclamation. 4. Arismunandar A. dan Kuwahara S. 2004. Buku Pegangan Teknik Tenaga Listrik. Jakarta : PT Pradnya Paramita. 5. Bringas, John E. 2004. Handbook of Comparative World Steel Standarts. USA. ASTM International. 6. Mosonyi, Emil. 1963. Water Power Development Volume One Low Head Power Plant. Budapest : Akademiai Kiado 7. Patty, O.F. 1995. Tenaga Air. Erlangga : Surabaya. 8. Penche, Celso. 2004. Guidebook on How to Develop a Small Hydro Site. Belgia : ESHA (European Small Hydropower Association). 9. Ramos, Helena. 2000. Guidelines For Design Small Hydropower Plants. Irlandia : WREAN (Western Regional Energy Agency & Network) and DED (Department of Economic Development).
10. Varshney,R.S. 1977. Hydro-Power Structure. India : N.C Jain at the Roorkee Press.
