EKO RENDI SETIAWAN NRP 4205 100 060
STUDI SIMULASI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ARUS LAUT MENGGUNAKAN HORIZONTAL AXIS TURBIN DENGAN METODE CFD
TUGAS AKHIR – LS 1336
STUDI SIMULASI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ARUS LAUT MENGGUNAKAN HORIZONTAL AXIS TURBIN DENGAN METODE CFD EKO RENDI SETIAWAN NRP 4205 100 060 Dosen Pembimbing Ir. Sardono Sarwito, M.Sc Muh. Badrus Zaman, ST, MT JURUSAN TEKNIK SISTEM PERKAPALAN Fakultas Teknologi Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2009
2009
TUGAS AKHIR – LS 1336
STUDI SIMULASI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ARUS LAUT MENGGUNAKAN HORIZONTAL AXIS TURBIN DENGAN METODE CFD EKO RENDI SETIAWAN NRP: 4205 100 060 Dosen Pembimbing Ir. Sardono Sarwito, M.Sc Muh. Badrus Zaman, ST, MT JURUSAN TEKNIK SISTEM PERKAPALAN Fakultas Teknologi Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2009
FINAL PROJECT – LS 1336
POWER PLANT SIMULATION STUDY OF CURRENT ENERGY WITH HORIZONTAL AXIS TURBIN AIDED BY CFD EKO RENDI SETIAWAN NRP: 4205 100 060 Supervisor Ir. Sardono Sarwito, M.Sc Muh. Badrus Zaman, ST, MT DEPARTMENT of MARINE ENGINEERING Faculty of Ocean Technology Sepuluh Nopember Institute of Technology Surabaya 2009
LEMBAR PENGESAHAN STUDI SIMULASI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ARUS LAUT MENGGUNAKAN HORIZONTAL AXIS TURBIN DENGAN METODE CFD
TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik pada Bidang Studi Marine Electrical and Automation System (MEAS) Program Studi S-1 Jurusan Teknik Sistem Perkapalan Fakultas Teknologi Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember Oleh : EKO RENDI SETIAWAN NRP 4205 100 060 Disetujui oleh Pembimbing Tugas Akhir : 1. Ir. Sardono Sarwito, M.Sc
……(
)
2. Muh. Badruz Zaman, ST. MT.
……(
)
SURABAYA JULI, 2009
iii
.... HALAMAN INI SENGAJA DIKOSONGKAN ...
iv
LEMBAR PENGESAHAN STUDI SIMULASI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ARUS LAUT MENGGUNAKAN HORIZONTAL AXIS TURBIN DENGAN METODE CFD
TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik pada Bidang Studi Marine Electrical and Automation System (MEAS) Program Studi S-1 Jurusan Teknik Sistem Perkapalan Fakultas Teknologi Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember Oleh : EKO RENDI SETIAWAN NRP 4205 100 060
Disetujui oleh Ketua Jurusan Teknik Sistem Perkapalan FTKITS :
Ir. Alam Baheramsyah, M.Sc............ (
SURABAYA JULI, 2009
v
)
.... HALAMAN INI SENGAJA DIKOSONGKAN ...
vi
STUDI SIMULASI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ARUS LAUT MENGGUNAKAN HORIZONTAL AXIS TURBIN DENGAN METODE CFD Nama Mahasiswa NRP Jurusan Dosen Pembimbing
: Eko Rendi Setiawan : 4205 100 060 : Teknik Sistem Perkapalan FTK – ITS : Ir. Sardono Sarwito, M.Sc Muh. Badruz Zaman, ST. MT.
Abstrak Dalam penelitian ini membahas pemanfaatan sumber energy arus laut untuk membangkitkan energy listrik dengan menggunakan Horizontal Axis Turbin untuk mengubah energy kinetik dari laju aliran arus laut menjadi energy listrik yang digunakan untuk memenuhi kebutuhan energy listrik di daerah perairan Prancak, di sekitar selat Bali. Pembahasan akan dilakukan dengan pendekatan uji simulasi menggunakan metode CFD dengan memanfaatkan software ANSYS CFX. Dimana uji simulasi tersebut dilakukan untuk mengetahui besarnya torsi yang mampu dihasilkan oleh turbin pada kecepatan arus laut tertentu dengan mamvariasikan jumlah blade turbin dan tip angle dari blade turbin. Selain itu pada penelitian ini akan dilakukan analisa besarnya daya listrik yang dapat dihasilkan oleh turbin berdiameter 20 meter pada kecepatan arus laut tertentu dengan total 11 unit pembangkit yang mengahasilkan daya sebesar 9,11 MW dengan masingmasing turbin menghasilkan daya sebesar 843,88 kW. Kata kunci: Horizontal axis turbin, Metode CFD, Energy arus laut, Energy listrik vii
....HALAMAN INI SENGAJA DIKOSONGKAN....
viii
POWER PLANT SIMULATION STUDY OF CURRENT ENERGY WITH HORIZONTAL AXIS TURBIN AIDED BY CFD Name NRP Department Supervisor
: Eko Rendi Setiawan : 4205 100 060 : Marine Engineering FTK – ITS : Ir. Sardono Sarwito, M.Sc Muh. Badruz Zaman, ST. MT.
Abstrac In this research discusses the use of marine currents energy sources to generate electrical energy by using the Horizontal Axis turbine to change the kinetic energy from flow rate of water flow into electrical energy that is used to meet the energy needs of electricity in the area of water Prancak, around the Bali strait. The discussion will be done with the approach using a simulation test method using the CFD software ANSYS CFX. Where is the simulation test is conducted to know the size of the torque capable generated by the turbine in the flow speed of the sea with a number of variation tip angle of the turbine blade. In addition the research will be conducted this analysis the amount of power that can be generated by the turbine at 20 meters diameters on a certain speed of sea currents with total of unit is 11 units can be generated power about 9,11 MW which each of turbin can generated power about 843,88 kW. Keyword : Horizontal axis turbin, CFD Method, Current energy, Electrical energy
ix
....HALAMAN INI SENGAJA DIKOSONGKAN....
x
KATA PENGANTAR Penulis mengucapkan puji syukur kehadirat Allah SWT atas limpahan rahmat serta hidayah-Nya sehingga tugas akhir dengan judul "STUDI SIMULASI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ARUS LAUT MENGGUNAKAN HORIZONTAL AXIS TURBIN DENGAN METODE CFD" ini dapat diselesaikan dengan baik. Penulis juga mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Bapak Ir. Alam Baheramsyah, M.Sc. selaku Ketua Jurusan Teknik Sistem Perkapalan FTK- ITS Surabaya. 2. Bapak Ir. Sardono Sarwito, M.Sc. selaku dosen pembimbing I dan Muh. Badruz Zaman, ST. MT. Selaku dosen pembimbing II yang telah banyak memberikan masukan, semangat, dorongan, dan arahan serta fasilitas kepada penulis terhadap penyelesaian tugas akhir ini. 3. Bapak dan Ibu tercinta, serta adik-adikku yang tercinta yang telah memberikan do’a dan semangat kepada penulis, serta fasilitas-fasilitas yang telah diberikan demi kelancaran penyelesaian tugas akhir ini. 4. Teman-teman member lab design yang telah membantu dalam menggunakan program ANSYS CFX untuk menyelesaikan tugas akhir ini. 5. Para Dosen penguji Tugas Akhir bidang MEAS yang telah bersedia mengevaluasi dan memberikan penilaian untuk Tugas Akhir ini. 6. Teman-teman seperjuangan, anggota MEAS (Marine Electrical and Automation System); Ryan, Seto, Gandos, Farit (komting), Kuncung, yang telah bersama-sama menyelesaikan tugas akhir masing-masing. Dan terima kasih kepada mereka atas kerja sama dan bantuannya demi kelancaran penyelesaian tugas akhir ini. 7. Teman-teman anggota lab Safety 8. Teman-teman seperjuangan MAGNEEFORCE dan semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu.
xi
9. Saya juga ucapkan terima kasih kepada kekasih hati saya yang telah memberikan kenangan yang terindah, dan kepada Pita dan Tiwi yang telah membantu dan memberikan semangat demi kelancaran penyelesaian tugas akhir ini 10. Dan saya juga minta maaf kepada semua pihak jika ada salah baik sengaja maupun tidak sengaja yang penulis lakukan, karena penulis menyadari bahwa masih banyak kelemahan dan kekurangan dari penulis yang perlu diperbaiki. Penulis menyadari bahwa penyusunan tugas akhir ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, segala saran serta masukan yang membangun sangat penulis harapkan demi perbaikan dan kemajuan dalam tugas akhir ini, semoga tugas akhir ini bisa menjadi referensi dalam penelitian tentang pembangkit listrik tenaga arus laut yang selanjutnya. Akhir kata semoga Allah SWT melimpahkan berkah dan rahmatNya kepada kita semua. Semoga laporan tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi kita semua khususnya yang membaca. Amin. Paiton, Juli 2009 Penulis
xii
DAFTAR ISI Halaman Judul .......................................................................... i Lembar Pengesahan ..................................................................... iii Abstrak ....................................................................................... vii Kata Pengantar............................................................................. xi Daftar Isi .................................................................................... xiii Daftar Gambar .......................................................................... xvii Daftar Tabel ............................................................................... xix Daftar Grafik ............................................................................. xxi BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang .................................................................... 1 I.2 Perumusan Masalah ............................................................ 3 I.3 Tujuan Penelitian ................................................................ 3 I.4 Batasan Penelitian ............................................................... 3 I.5 Metode Penelitian ............................................................... 4 I.5.1 Studi Literature ........................................................... 4 I.5.2 Pengumpulan Data ..................................................... 4 I.5.3 Analisa Data................................................................ 5 I.5.4 Kesimpulan dan Saran ............................................... 5 I.6 Manfaat Penelitian .............................................................. 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA II.1. Pengertian Energy....................................................... 7 II.1.1 Renewable Energy ................................................... 7 II.1.2 Non-Renewable Energy....................................... 8 II.2. Ocean Energy ............................................................. 8 II.2.1 Energi Gelombang ............................................... 8 II.2.2 Energi Pasang Surut .......................................... 10 II.2.3 Energi Arus Laut ............................................... 11 II.2.4 Daya Yang Dihasilkan ....................................... 13 xiii
II.2.5 Putaran Turbin Yang Dihasilkan ....................... 16 II.3 Pemanfaatan Energy Arus Laut ................................. 17 II.3.1 Horizontal Axis Turbin...................................... 17 II.3.2 Technology Pembangkit Energy Arus Laut ...... 19 II.4 Pembangkit Listrik .................................................... 20 II.4.1 Generator ........................................................... 20 II.4.2 Direct-Current Generators ................................. 23 II.4.3 Alternating-Current Generators ......................... 25 II.5 Computational Fluid Dinamics .................................. 28 II.5.1 Pre Prosessor .................................................... 28 II.5.2 Solver ................................................................ 29 II.5.2.1 Metode Numeric Pada CFD ...................... 29 II.5.2.2 Model Matematik dan Algoritma Solusi Pada CFX-Solver 5.41 .............................. 35 II.5.2.3 Solusi Matematik Pada Boundary Condition .................................................. 37 II.5.3 Post Prosessor ................................................... 39 II.5.4 Proses Validasi.................................................. 42 BAB III METODOLOGI III.1 Pengumpulan Data ................................................... 45 III.2 Pemilihan 3 Kecepatan Arus .................................... 45 III.3 Perhitungan Daya Listrik ......................................... 46 III.4 Menentukan Generator ............................................. 46 III.5 Menggambar Turbin ................................................. 46 III.6 Uji Simulasi Dengan Metode CFD .......................... 46 III.7 Perhitungan Putaran Turbin ..................................... 47 III.8 Pemilihan Gear Unit ................................................. 47 III.9 Aplikasi Daya Listrik Di Daerah Negara ................. 47 III.10 Memenuhi Target Listrik Di Daerah Negara ......... 48 xiv
BAB IV ANALISA DATA dan PEMBAHASAN IV.1 Turbin ....................................................................... 50 IV.2 Analisa Daya Listrik Yang Dihasilkan .................... 52 IV.3 Proses Simulasi ........................................................ 60 IV.3.1 Proses Icem CFD ............................................. 60 IV.3.2 Ansys CFX ...................................................... 61 IV.4 Analisa Putaran Generator ....................................... 64 IV.5 Pembahasan.............................................................. 66 IV.6 Analisa Daya Listrik Pada Perairan Prancak ........... 73 BAB V KESIMPULAN dan SARAN V.1 Kesimpulan................................................................ 77 V.2 Saran .......................................................................... 79 Daftar Pustaka Lampiran
xv
....HALAMAN INI SENGAJA DIKOSONGKAN....
xvi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Aliran arus laut di dunia ..........................
12
Gambar 2.2 Prototype dari marine current turbine ......
19
Gambar 2.3 Komponen utama dari generator .............
21
Gambar 2.4 Proses kerja dari generator DC dalam menghasilkan voltage....................
23
Gambar 2.5 Konstruksi alternating current Secara sederhana ......................................
26
Gambar 2.6 Generator sederhana yang mempunyai Rataring field dan stationary armature ....
27
Gambar 4.1 Profile dari blade NACA 63-212 .............
51
Gambar 4.2 Turbin 3 blade ..........................................
52
Gambar 4.3 Turbin 2 blade ..........................................
52
Gambar 4.4 Proses ICEM ............................................
61
Gambar 4.5 Proses running yang dilakukan ...............
62
Gambar 4.6 Hasil proses running ................................
63
Gambar 4.7 Jarak unit pembangkit dari garis pantai ...
74
Gambar 4.8 Jarak tiap unit pembangkit .......................
74
Gambar 4.9 Lokasi Tanjung Rening di pulau Bali ......
75
xvii
....HALAMAN INI SENGAJA DIKOSONGKAN....
xviii
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1
Kecepatan arus laut pada kedalaman 40,42 m ...................................................
Tabel 4.2
Daya listrik dari turbin berdiameter 10 meter ...................................................
Tabel 4.3
59
Besarnya torsi dan putaran yang Dihasilkan dari uji simulasi .....................
xix
57
Persentase kenaikan daya listrik pada Dimensi turbin yang berbeda ...................
Tabel 4.6
56
Daya listrik dari turbin berdiameter 20 meter ..................................................
Tabel 4.5
55
Daya listrik pada berbagai dimensi turbin ........................................................
Tabel 4.4
49
65
....HALAMAN INI SENGAJA DIKOSONGKAN....
xx
DAFTAR GRAFIK
Grafik 4.1
Perbandingan kecepatan arus laut dengan torsi ..............................................
Grafik 4.2
Perbandingan kecepatan arus laut dengan putaran ........................................
Grafik 4.3
68
Perbandingan daya turbin dengan putaran .....................................................
xxi
67
70
....HALAMAN INI SENGAJA DIKOSONGKAN....
xxii
