STUDI TEKNIS PEMILIHAN TURBIN KOBOLD PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ARUS BAWAH LAUT DI SELAT MADURA M.WAHID ANDRIANTO*) *) Mahasiswa Teknik Sistem Perkapalan FTK-ITS Abstrak Untuk memenuhi kebutuhan energi listrik yang semakin meningkat. Saat ini PLN melaksanakan proyek percepatan pembangunan pembangkit listrik 10.000 Mega Watt. Namun selain membangun pembangkitpembangkit listrik berkapasitas besar tersebut, pada daerah-daerah terpencil dan jauh dari lokasi jaringan transmisi diperlukan pasokan dari pembangkit-pembangkit listrik berkapasitas kecil terutama yang memanfaatkan potensi energi setempat yang bersifat terbarukan ( renewable ) yang ramah lingkungan. Selat madura merupakan selat yang memisahkan antara pulau jawa dengan pulau madura dimana di selat tersebut terdapat arus laut yang terbentuk, maka dari itu dimungkin untuk dilakukan perencanaan system pembangkit listrik tenaga arus bawah laut. Dengan Kebutuhan listrik untuk Pulau Madura sampai sekarang masih dipenuhi melalui sistem Jawa-Bali interkoneksi dengan Transmisi 150 kv dibawah laut. Dengan kekurangan kebutuhan listrik di pulau madura di siang hari sebesar 40 MW dan kebutuhan listrik pada saat malam hari sebesar 65 MW Kata kunci :BMG, CFD, SELAT MADURA
1. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Energi listrik telah menjadi kebutuhan pokok dan memainkan peranan yang penting dalam kehidupan manusia. Namun demikian saat ini hanya 53 % dari jumlah total penduduk Indonesia yang memiliki akses pada jaringan tenaga listrik yang telah ada. Sementara 47% penduduk Indonesia yang hidup di daerah yang tidak terjangkau jaringan listrik karena keterbatasan infrastruktur dan kapasitas pembangkit listrik yang tersedia. Secara umum potensi listrik yang bersumber dari energi terbarukan di Indonesia cukup besar dan belum dimanfaatkan secara optimal. Salah satu sumber energi yang terbarukan dan ramah terhadap lingkungan tersebut adalah tenaga air. Arus laut merupakan salah satu energi yang ramah lingkungan yang tidak akan pernah habis tidak seperti halnya dengan energi fosil.. Di Indonesia mempunyai banyak pulau dan selat sehingga dimungkinkan terbentuk arus laut sebagai akibat interaksi Bumi-Bulan-Matahari yang mengalami percepatan. Indonesia adalah tempat pertemuan arus laut yang diakibatkan oleh konstanta pasang surut M2 yang dominan di Samudra Hindia dengan periode sekitar 12 jam dan konstanta pasang surut K1 yang dominan di Samudra Pasifik dengan periode lebih kurang 24 jam. M2 adalah konstanta pasang surut akibat gerak Bulan mengelilingi Bumi, sedangkan K1
adalah konstanta pasang surut yang diakibatkan oleh kecondongan orbit Bulan saat mengelilingi Bumi. Interaksi Bumi-Bulan diperkirakan menghasilkan daya energi arus pasang surut setiap harinya sebesar 3.17 TW, lebih besar sedikit dari kapasitas pembangkit listrik yang terpasang di seluruh dunia pada tahun 1995 sebesar 2.92 TW (Kantha & Clayson, 2000). Namun, untuk wilayah Indonesia potensi daya energi arus laut tersebut belum dapat diprediksi kapasitasnya. Keuntungan penggunaan energi arus laut adalah selain ramah lingkungan, energi ini juga mempunyai intensitas energi kinetik yang besar dibandingkan dengan energi terbarukan yang lain. Hal ini disebabkan densitas air laut 830 kali lipat densitas udara sehingga dengan kapasitas yang sama, turbin arus laut akan jauh lebih kecil dibandingkan dengan turbin angin. Keuntungan lainnya adalah tidak perlu perancangan struktur yang kekuatannya berlebihan seperti turbin angin yang dirancang dengan memperhitungkan adanya angin topan karena kondisi fisik pada kedalaman tertentu cenderung tenang dan dapat diperkirakan. Kekurangan dari energi arus laut adalah outputnya mengikuti grafik sinusoidal sesuai dengan respons pasang surut akibat gerakan interaksi BumiBulan-Matahari. Pada saat pasang purnama, kecepatan arus akan deras sekali, saat pasang perbani, kecepatan arus akan berkurang kira-kira setengah dari pasang purnama. Kekurangan lainnya adalah biaya instalasi dan pemeliharaannya yang cukup besar. Kendati begitu bila turbin arus laut dirancang dengan kondisi pasang perbani, yakni saat di mana kecepatan arus paling kecil, dan dirancang untuk bekerja secara terus-menerus tanpa reparasi
selama lima tahun, maka kekurangan ini dapat diminimalkan dan keuntungan ekonomisnya sangat besar. Hal yang terakhir ini merupakan tantangan teknis tersendiri untuk para insinyur dalam desain sistem turbin, sistem roda gigi, dan sistem generator yang dapat bekerja secara terus-menerus selama lebih kurang lima tahun. Dari penelitian PL Fraenkel (J Power and Energy Vol 216 A, 2002) lokasi yang ideal untuk instalasi pembangkit listrik tenaga arus mempunyai kecepatan arus dua arah (bidirectional) minimum 2 meter per detik. Yang ideal adalah 2.5 m/s atau lebih. Kalau satu arah (sungai/arus geostropik) minimum 1.2-1.5 m/s. Kedalaman tidak kurang dari 15 meter dan tidak lebih dari 40 atau 50 meter. Relatif dekat dengan pantai agar energi dapat disalurkan dengan biaya rendah. Cukup luas sehingga dapat dipasang lebih dari satu turbin dan bukan daerah pelayaran atau penangkapan ikan. Sementara itu krisis energi terjadi di Indonesia kusunya di pulau jawa dan bali dengan cadangan minyak yang hanya 10-20 tahun lagi akan habis, maka dari itu diperlukan energi alternative untuk memback up habisnya bahan bakar seperti minyak bumi, batu bara dll. Melihat kenyataan tersebut perlu untuk mencari sumber-sumber energi pengganti di massa akan datang. Banyak penelitian yang dilakukan untuk merekayasa alam mejadi sumber energi misalnya panas bumi, sinar mataharii, arus laut, gelombang laut. Khususnya di selat madura yang memiliki potensi tersebut yang mempunyai arus laut yang tinggi sehingga dapat dijadikan sebagai energi lsitrik tambahan untuk daerah pulau madura. Salah satu gejala alam yang sangat berpotensi melimpah air dan alirannya untuk digunakan kemaslahatan manusia. Turbin kobold ini diproyeksikan untuk menjadi element utama dalam kompleks pembangkit listrik tenaga arus bawah laut dengan kecepatata rata-rata 1-2 m/dtk. Perencanaan pembangkit listrik menggunakan turbin cross flow dengan jumlah ratusan bahkan ribuan adalah potensial karena berdasarkan penelitian bahawa perairan tersebut sangat sesuai dengan karakteristik arus laut dan kondisi geografis. Selat madura merupakan selat yang menghubungkan pulau jawa dengan pulau madura sehingga dimungkinkan adanya pasang surut yang besar diantara dua pulau tersebut. Kondisi tersebut dimungkinkan utuk merencanakan instasi turbin bawah laut sebagai pembangkit listrik
tenaga arus laut dengan menggunakan turbin kobold.
1.2.
Perumusan Masalah Merencanakan Instalasi Pembangkit Listrik Tenaga Arus Bawah Laut Berdasarkan kondisi arus bawah Laut yag tidak Menentu adalah :
1.3.
Tujuan 1. Mengetahui bentuk perencanaan dan kapsitas daya output dari sistem pembangkit listrik tenaga arus bawah laut di parairan selat Madura menggunakan turbine KOBOLD 2.Sebagai Pertimbangan Instalasi pembangkit listrik untuk Pulau madura dan sekitarnya.
1.4.
Batasan masalah Adapun batasan masalah dalam pengerjaan skripsi ini adalahljkljk 1. Kajian dilakukan di sekitar selat madura 2. Tidak Memperhatikan kondisi dan keadaan topography di dasar laut serta lalu lintas kapal. 3. Perencanaan pembangkit hanya memenuhi kekurangan kebutuhan listrik di pulau madura saja 4. Kajian Hidrodimis tidak merupakan pembahasan pokok 5. Perencanaan distribusi energi listrik sampai pada tingkat konsumen tidak dibahas dalam skripsi ini.
1.5
Manfaat Skripsi Manfaat yang diperoleh dari penulisan skirpsi ini adalah sebagai berikut 1. Mengatasi penyelesain kekurangan daya listrik di Pulau Madura 2. Memeberikan alternatif pembangkit tenaga listrik yang ramah lingkungan 3. Untuk Merencanakan sistem pembangkit listri tenaga arus bawah laut menggunakan turbine kobold 2. METODOLOGI Dalam menyelesaikan skripsi ini dibutuhkan tahapan-tahapan yang berupa proses yang dimulai dari mengidentifikasi masalah yang ada hingga hasil akhir yang diharapkan. Tahapan-tahapan proses yang dimaksud antara lain : 2.1. Identifikasi dan Perumusan Masalah Masalah yang diajukan sebagai bahan dasar dari skripsi ini adalah bagaimana mengatasi masalah kekurangan suplai listrik yang ada di pulau madura.
b.
Menabrak pantai : elombang yang sampai ke pantai akan terjadi hempasan dan pecah. Air yang pacah itu akan terjadi arus balik dan membentuk gelombang, oleh karena itu arahnya akan berlawanan dengan arah datangnya gelombang c. Gempa bumi : Gelombang laut terjadi karena adanya gempa di dasar laut. Gempa terjadi karena adanya gunung laut yang meletus atau adanya getaran/pergeseran kulit bumi di dasar laut. Gelombang yang ditimbulkan biasanya besar dan disebut dengan gelombang “tsunami”. Gerakan permukaan gelombang dapat dikelompokan sebagai berikut: a. Gerak osilasi yaitu gerak gelombang akibat molekul air bergerak melingkar. Gerak osilasi biasanya terjadi di laut lepas, yaitu pada bagian laut dalam. Adanya gelombang dibangkitkan oleh kecepatan angin, lamanya angin bertiup, luas daerah yang ditiup angin (fetch), dan kedalaman laut. Gelombang ini memiliki tinggi dan lembah gelombang. Puncak gelombang akan pecah di dekat pantai yang disebut breaker atau gelora. b. Gerak translasi yaitu gelombang osilasi yang telah pecah yang kemudian menuju garis pantai arah geraknya searah dengan gerak gelombang tanpa diimbangi gerakan mundur. Gelombang ini tidak memiliki puncak dan lembah yang kemucian dikenal dengan istilah Surf. c. Gerak swash dan Back swash berbentuk gelombang telah menyentuh garis pantai. Kedatangan gelombang disebut swash, sedangkan ketika kembali disebut back swash
Dengan adanya potensi arus laut yang ada di selat madura maka dari itu potensi tersebut akan dijadikan sebuah referensi untuk membuat sistem tenaga lsitrik arus bawah laut dengan menggunakan turbin kobold yang ramah lingkungan.
2.2. Studi Literatur Tahapan selanjutnya adalah melakukan studi literatur dengan tujuan untuk merangkum teori-teori dasar, acuan secara umum dan khusus, serta untuk memperoleh berbagai informasi pendukung lainnya yang berhubungan dengan pengerjaan skripsi ini. Gerak Air Laut. Ada 3 gerakan air laut yang akan kita bahas yaitu: arus laut, gelombang laut, dan pasang surut air laut : 1. Arus Laut. Arus laut (sea current) adalah gerakan massa air laut dari satu tempat ke tempat lain baik secara vertikal (gerak ke atas) maupun secara horizontal (gerakan ke samping). Contohcontoh gerakan itu seperti gaya coriolis, yaitu gaya yang membelok arah arus dari tenaga rotasi bumi. Pembelokan itu akan mengarah ke kanan di belahan bumi utara dan mangarah ke kiri di belahan bumi selatan. Gaya ini yang mengakibatkan adanya aliran gyre yang searah jarum jam (ke kanan) pada belahan bumi utara dan berlawanan dengan arah jarum jam di belahan bumi selatan. Perubahan arah arus dari pengaruh angin ke pengaruh gaya coriolis dikenal dengan spiral ekman. Menurut letaknya arus dibedakan menjadi dua yaitu arus atas dan arus bawah. Arus atas adalah arus yang bergerak di permukaan laut. Sedangkan arus bawah adalah arus yang bergerak di bawah permukaan laut. 2.
Gelombang Laut Gelombang laut atau ombak merupakan gerakan air laut yang paling umum dan mudah kita amati. Helmholts menerangkan prinsip dasar terjadinya gelombang laut. Adapun prisnsipnya adalah sebagai berikut : “ Jika ada dua massa benda yang berbeda kerapatannya (densitasnya) bergesekan satu sama lain, maka pada bidang gerakannya akan terbentuk gelombang ”. Gelombang terjadi karena beberapa sebab, antara lain : a. Angin : Gelombang terjadi karena adanya gesekan angin di permukaan, oleh karena itu arah gelombang sesuai dengan arah angin.
3.
Pasang Surut. (ocean ride) Pasang naik dan pasang surut merupakan bentuk gerakan air laut yang terjadi karena pengaruh gaya tarik bulan dan matahari terhadap bumi. Hal ini didasarkan pada hukum Newton yang berbunyi : “Dua benda akan terjadi saling tarik menarik dengan kekuatan yang berbanding terbalik dengan pangkat dua jaraknya”. Berdasarkan hukum tersebut berarti makin jauh jaraknya makin kecil daya tariknya, karena jarak dari bumi ke matahari lebih jauh dari pada jarak ke bulan, maka pasang surut permukaan air laut lebih banyak dipengaruhi oleh bulan. Ada 2 macam pasang surut antara lain : padang Purnama dan Perbani.
Flow Chart
Dalam tahap pemodelan ini dilakukan penggambaran benda yang nantinya akan dianalisa. Model yang dibutuhkan antara lain adalah blade dari turbin yang akan dianalisa. Semua model tersebut digambar berdasarkan pada data yang sebelumnya telah diperoleh. 3.2 Pemodelan pada Software CFD Model dari blade turbin yang digunakan untuk analisa digambar dengan menggunakan bantuan software AutoCAD. Pembuatan foil blade ini menggunakan software AutoCAD karena lebih mudah dalam penggambaran garis – garis lengkung yang membentuk foil. Gambar : Konsep Design Menggunakan CFD
3. Dasar Teori 3.1 Umum Tujuan dilakukan analisa turbin dengan menggunakan CFD adalah mengetahui besarnya gaya putar yang terjadi pada turbin tersebut akibat arus laut yang mengenainya. Dari nilai gaya tersebut nantinya akan digunakan untUk Menghitung besarnya torsi hinga didapatkan daya hasil turbin. Dari daya analisa turbin menggunakan CFD akan dibandingkan dengan perhitungan matematis Pemodelan
Gambar Blade
3.3 Simulasi ¾ Domain Domain merupakan daerah batas atau ruang lingkup fluida dimana fluida tersebut berada dan bekerja. Pada simulasi ini akan dibuat satu domain yaitu domain stationer dimana fluida yang bekerja pada domain tersebut adalah air
¾ Post
Kontur Gaya pada Blade ¾
Boundary
Kontur tekanan pada Blade
4.2 Analisa Data Dari Proses Simulasi BULAN JANUARI FEBRUARI MARET
KECEPATAN RATA2 ARUS LAUT 1.02 1.15 1.09
5558.35 N 7888.56 N 8563.35 N
APRIL
1.19
9302.36 N
1.12
7589.36 N
JUNI
1.1
5635.56 N
JULI
1.02
5558.35 N
AGUSTUS
1.01
5423.82 N
SEPTEMBER
0.95
4578.49 N
OKTOBER
0.85
3125.41 N
NOPEMBER
0.9
3825.42 N
DESEMBER
0.98
5123.28 N
BULAN
TORSI
JANUARI
KECEPATAN RATA2 ARUS LAUT 1.02
32495.22
FEBRUARI
1.15
46570.67
MARET
1.09
39655.04
APRIL
1.19
51601.2
MEI
1.12
43020.26
JUNI
1.1
40756.51
JULI
1.02
32495.22
AGUSTUS
1.01
31548.82
SEPTEMBER
0.95
26253.65
OKTOBER
0.85
18805.1
NOPEMBER
0.9
22322.69
DESEMBER
0.98
28820.21
JANUARI FEBRUARI MARET APRIL MEI JUNI JULI AGUSTUS SEPTEMBER OKTOBER NOPEMBER DESEMBER
KECEPATA N RATA2 ARUS LAUT 1.02 1.15 1.09 1.19 1.12 1.10 1.02 1.01 0.95 0.85 0.90 0.98
Kekurangan listrik di P.madura 2008/2009
GAYA (N)
MEI
BULAN
4.3 Perhitungan Jumlah Turbin Kobold
Time Siang Malam
2008 37 MW 55 MW
2009 40 MW 65 MW
Kebutuhan turbine Koblod daya Listrik pada waktu siang hari Tahun 2008 .
BULAN JANUARI FEBRUARI MARET APRIL MEI JUNI JULI AGUSTUS SEPTEMBER OKTOBER NOPEMBER DESEMBER
(Nm)
DAYA YG DIHASILKAN (KW)/turbin 10.83 15.52 13.21 17.20 14.34 13.58 10.83 10.51 8.750 6.260 7.440 9.600
KEKURANGAN (MW) 37 37 37 37 37 37 37 37 37 37 37 37
∑ TURBI N 3410 2380 2790 2150 2580 2720 3410 3510 4220 5900 4970 3850
Kebutuhan Turbine Kobold pada waktu malam Hari berdasarkan Bulan Tahun 2008 BULAN
TORSI (Nm)
Daya (Kw)
32495.22 46570.67 39655.04 51601.20 43020.26 40756.51 32495.22 31548.82 26253.65 18805.10 22322.69 28820.21
10.83 15.52 13.21 17.20 14.34 13.58 10.83 10.51 8.750 6.260 7.440 9.600
JANUARI FEBRUARI MARET APRIL MEI JUNI JULI AGUSTUS SEPTEMBER OKTOBER NOPEMBER DESEMBER
DAYA YG DIHASILKAN (KW)/turbin 10.83 15.52 13.21 17.20 14.34 13.58 10.83 10.51 8.750 6.260 7.440 9.600
KEKURANGAN (MW)
∑ TURBIN
55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55
5070 3540 4160 3190 3830 4040 5070 5220 6280 8770 7390 5720
Table Kebutuhan Turbine Kobold pada waktu Siang Hari berdasarkan Bulan Tahun 2009
BULAN JANUARI FEBRUARI MARET APRIL MEI JUNI JULI AGUSTUS SEPTEMBER OKTOBER NOPEMBER DESEMBER
DAYA YG DIHASILKAN (KW)/turbin 10.83 15.52 13.21 17.20 14.34 13.58 10.83 10.51 8.750 6.260 7.440 9.600
KEKURAN GAN (MW) 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40
∑ TURBIN 4150 2890 3400 2610 3130 3310 4150 4270 5140 7170 6040 4680
Grafik Σ Turbin vs Bulan Tahun 2008 Malam Hari
Table Kebutuhan Turbine Kobold pada waktu malam Hari berdasarkan Bulan Tahun 2009 BULAN JANUARI FEBRUARI MARET APRIL MEI JUNI JULI AGUSTUS SEPTEMBER OKTOBER NOPEMBER DESEMBER
DAYA YG DIHASILKAN (KW)/turbin 10.83 15.52 13.21 17.20 14.34 13.58 10.83 10.51 8.750 6.260 7.440 9.600
KEKURANG AN (MW) 65 65 65 65 65 65 65 65 65 65 65 65
∑ TURBI N 6000 4180 4910 3770 4530 4780 6000 6180 7420 10360 8730 6760
Grafik Σ Turbin vs Bulan Tahun 2009 Siang Hari
Grafik Σ Turbin vs Bulan Tahun 2008 Siang Hari
Grafik Σ turbin vs Bulan Tahun 2009 Malam Hari
4.4 Kesimpulan dan Saran. Beberapa kesimpulan yang didapat setelah melalui proses perhitungan data dan analisa serta simulasi adalah sebagai berikut : a. untuk beberapa titik Longitudinal dari perairan selat Madura potensi arus laut ada yang sangat kecil sekali b. Dari proses running ANSYS untuk menentukan besarnya gaya/torsi didapat paling besar di bulan Januari s/d Maret c. Setelah melakukan perhitungan degan analisa CFD daya yang dihasilkan berkisar antara 6 Kw – 17 Kw d. Perencanaan jumlah maximum turbin kobold yang digunakan untuk memenuhi kekurangan kebutuhan listrik dipulau Madura sebesar 10360 pada tahun 2009. e. Daya yang dihasilkan turbin kobold tiap turbin yang diasumsikan dengan kecepatan rata-rata yang paling rendah pada bulan Oktober. f. Pada arus laut yang besar maka didapatkan gaya yang ditimbulkan besar pulan dan juga sebaliknya. g. Pada musim penghujan daya yang dihasilkan pada puncaknya. Saran : Beberapa saran yang digunakan untuk perencanaan yang selanjutnya adalah sebagai berikut : a. Untuk keakuratan data sebaiknya menggunakan data yang yang Up to Date b. Untuk simulasi menggunakan CFD diaharapkap menggunakan beberapa variasi turbin untuk mendapatkan data yang lebih akurat dan terpercaya 4.5 Daftar Pustaka Montella F, D.P Coiro, A. Demarco, F. Nocolosi (2005). Dynamic Behaviour of the Kobold Tidal Current Turbine : Numerical and Experimental Aspect. Messina. Erikson Helena, Alberto Moroso (2006). Experimental and Numerical of an inovative Technology fot Marine Current Explotion : The kobold Turbine. Italian Ship Model Basin Rome. Italy Garret, Christ, Patrick Cummins (2008).Limits to Tidal Current Power.Departement of Physics and
Astronomi University Of Victoria. Victoria Hardianto,Nanang, Yuni Almaadin (2008).Analisa Potensi Energi Laut sebagai Pembangkit Listrik di Dunia dan Indonesia. Jurusan Teknik Elektro-FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Surabaya Batten, W.M.J, A.S Bahaj. Dkk. The Prediction of The Hidrodinamics Performance Marine Current Turbine (2007).School of Engineering Science and Environment, University of Shouthampton.UK Kiho,S. M.Shiono, K.Suzuki(1996).The Power Generation From Tidal Current By Darrieus Turbine.Departement of Electrical Engineering,Nihon University. Japan Http:\\www.tubosquid.com/FullPreview/Index. cfm/ID/305852
