PERANCANGAN DAN SIMULASI

ALIRAN SISTEM PEMBANGKIT PICOHIDRO HEAD RENDAH

KAPASITAS 2 kW

TESIS

Disusun Untuk Memenuhi Salah Satu Persyaratan Memperoleh

Gelar Magister Teknik Mesin

Institut Teknologi Nasional

Oleh

AGUNG MUKTI WERDHANA

81 2014 003

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI NASIONAL

BANDUNG

2017

iii

ABSTRAK

Melimpahnya potensi energi air pada head rendah belum termanfaatkan

sepenuhnya terutama aliran air di saluran irigasi, umumnya pemanfaatan

saluran irigasi hanya digunakan sebagai pengairan pesawahan dan

perkebunan. Kontur yang dimiliki pada saluran irigasi memiliki perbedaan

ketinggian yang tidak tinggi sehingga potensi energi yang ada pada saluran

irigasi perlu di kembangkan. Untuk itu diperlukan pengembangan dan

pemanfaatan potensi energi air pada head rendah secara optimal melalui

penelitian mengenai perancangan dan mengetahui fenomena pola aliran air

yang terjadi pada sistem pembangkit picohidro head rendah pada head bersih

1,5 m yang terverifikasi dengan menggunakan turbin jenis aliran aksial

horizontal.

Rancangan sistem pembangkit memiliki bentuk yang sederhana dan mudah

diaplikasikan di saluran irigasi. Untuk mendapatkan daya pembangkitan

sebesar 2 kW dibutuhkan daya yang tersedia sebesar 3,3 kW dengan

kebutuhan debit air sebesar 0,22 m3/s, dimensi turbin yang dibutuhkan untuk

kecepatan putar 500 rpm pada saat operasi dengan kecepatan spesifik 0,53

memerlukan diameter sebesar 0,34 m dan diameter hub sebesar 0,15 m

memiliki sudut sudu pada sisi masuk di diameter rata-rata yaitu 146o dan pada

sisi keluar pada sudut 26o. Rancangan sistem pembangkit disimulasikan

dengan perangkat lunak komputasi fluida dinamik memberikan hasil

kecenderungan yang sama tetapi perlu ada perbaikan disisi geometri untuk

mendapatkan potensi daya rancangan dapat memenuhi kebutuhan daya

pembangkit.

Kata kunci : Perancangan, Picohidro, Head Rendah, Pola Aliran dan Simulasi.

iv

ABSTRACT

The abundance of water energy potential at a low head completely particularly

untapped flow of water on the irrigation, generally the irrigation channel

utilization is only used as irrigation rice fields and plantations. The contours of

the irrigation channel have a different height level that is low so that the

potential energy available on the irrigation channel needs to be developed.

Therefore, it is necessary to develop and utilize the potential of water energy

in the low head optimally through research on design and to know the

phenomenon of water flow pattern that occurs on the low picohidro head plant

system a verified where net head is 1,5 m using horizontal axial flow turbine

type.

The design of the generating system has a simple form and easily applied on

the irrigation canal. To obtain 2 kW of power generation needed 3,3 kW of

available power where a water discharge requirement of 0,22 m3/s, the turbine

dimension required for 500 rpm rotational speed at operation by a specific

speed of 0,53 requires outside diameter amount 0,4 m and hub diameter

amount 0,15 m has an angle at the inlet side in the mean diameter of 146 o

and at the out side at an angle of 26 o. The design of simulated generating

systems with dynamic fluid computation software gives the aquivalent trend

results, another hand there needs to be improvements to the geometry to get

the design power potential to meet the power requirements of the plant.

Key word : Design, Picohydro, Low Head, Flow Pattern and Simulation.

v

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, puji syukur panjatkan penulis kepada khadirat Allah SWT

atas rahmat dan hidayah – nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan

penelitian ini dengan judul “PERANCANGAN DAN SIMULASI ALIRAN SISTEM

PEMBANGKIT PICOHIDRO HEAD RENDAH KAPASITAS 2 kW”.

Selama dalam penyusunan dan kegiatan penelitian ini, banyak sekali

rintangan dan cobaan yang di hadapi dengan adanya dorongan, motivasi,

dukungan yang tidak terhingga, akhirnya dapat menyelesaikan penyusunan

laporan penelitian. Laporan ini saya dedikasikan untuk ibunda tercinta alm.

Asih Sukasih dan ayahanda tercinta Bambang Muktiono, dan dukungan yang

tak henti-hentinya dari istri tercinta Nida Novianti, anak-ku tersayang Raka

Putra Mukti beserta keluarga besar dan kerabat yang tidak dapat di sebutkan

satu persatu. Penulis juga mengucapkan terima kasih dan penghargaan

kepada:

Yth. Dr. Agus Hermanto Ir., M.T., selaku pembimbing penelitian ini yang

tak henti-hentinya memberikan arahan, motivasi dan masukan selama

kegiatan peneltian ini dilakukan.

Yth. Tri sigit M.T., telah memberikan arahan dan masukan selama

kegiatan penelitian.

Yth. Dr. Ing. M.Alexin Putra, selaku ketua Program Studi S2 Teknik

Mesin Institut Teknologi Nasional Bandung

Penulis menyadari dalam penyusunan penelitian ini banyak kekurangan

yang perlu di perbaiki maka dengan hal ini penulis mengharapkan masukkan,

koreksi dan saran untuk menutupi kekurangan tersebut.

Bandung, 14 September 2017

Penulis

vi

Daftar Isi

PERNYATAAN ............................................................................................ i

LEMBAR PENGESAHAN .............................................................................. ii

ABSTRAK ................................................................................................. iii

ABSTRACT ............................................................................................... iv

KATA PENGANTAR .................................................................................... v

Daftar Isi ................................................................................................. vi

Daftar Tabel ........................................................................................... viii

Daftar Gambar ......................................................................................... ix

BAB I PENDAHULUAN ............................................................................... 1

1.1 Latar Belakang ................................................................................ 1

1.2 Rumusan Masalah ........................................................................... 2

1.3 Batasan Masalah ............................................................................. 3

1.4 Tujuan ............................................................................................ 3

1.5 Manfaat Penelitian ........................................................................... 3

1.6 Sistematika Penulisan ...................................................................... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...................................................................... 5

2.1 Pengertian Pembangkit Picohidro Head Rendah ................................. 5

2.2 Prinsip Picohidro .............................................................................. 5

2.3 Prinsip Kerja Pembangkit Tenaga Air ................................................ 7

2.4 Sistem Pembangkit Picohidro Head Rendah pada Saluran Air Irigasi ... 9

2.5 Irigasi ........................................................................................... 10

2.6 Turbin Air ..................................................................................... 11

vii

2.6.1 Konsep dan Persamaan Dasar Turbin Air ............................... 12

2.6.2 Turbin Impuls ...................................................................... 14

2.6.3 Turbin Reaksi ....................................................................... 14

2.6.4 Turbin Kaplan dan Propeller .................................................. 16

BAB III METODE PENELITIAN ................................................................. 19

3.1 Metodologi Penelitian ..................................................................... 19

3.2 Survei Lokasi ................................................................................. 21

3.3 Kriteria Desain............................................................................... 23

3.4 Perhitungan .................................................................................. 24

3.4.1 Desain Turbin ...................................................................... 24

3.4.2 Desain Komponen Turbin...................................................... 34

3.4.3 Head Loss............................................................................ 36

3.5 Simulasi ........................................................................................ 38

3.6 Hasil Simulasi ................................................................................ 39

BAB IV ANALISA ..................................................................................... 41

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................. 47

5.1 Kesimpulan ................................................................................... 47

5.2 Saran............................................................................................ 47

DAFTAR PUSTAKA .................................................................................. 48

viii

Daftar Tabel

Tabel 2.1 Batas Kecepatan Aliran pada Saluran Irigasi Terhadap

Bahan Bangunan yang Digunakan .................................................... 11

Tabel 3.1 Kriteria Design .................................................................... 23

Tabel 3.2 Hasil Perhitungan Kecepatan Spesifik dan Kecepatan Putar

Berdasar pada Parameter Standard .................................................. 26

Tabel 3.3 Hasil Perhitungan Untuk Diameter Tip dan Hub .............. 27

Tabel 3.4 Hasil Perhitungan Sudut Sudu Turbin ............................... 29

Tabel 3.5 Hasil Perhitungan Nilai Chord dan Pitch pada Kecepatan

Putar 500 rpm ..................................................................................... 31

ix

Daftar Gambar

Gambar 2.1 Potensi tenaga air ........................................................... 6

Gambar 2.2 Komponen utama pada sistem pembangkit listrik tenaga

air ......................................................................................................... 7

Gambar 2.3 Dimensi sudu .................................................................. 15

Gambar 2.4 Segitiga kecepatan untuk turbin air jenis aliran aksial

............................................................................................................. 16

Gambar 2.5 Turbin kaplan double regulated .................................... 17

Gambar 3.1 Diagram alir ................................................................... 20

Gambar 3.2 Peta lokasi ...................................................................... 22

Gambar 3.3 (a)Desain sistem yang akan dikembangkan, (b) Foto

lokasi saluran irigasi ........................................................................... 23

Gambar 3.4 Geometri turbin .............................................................. 31

Gambar 3.5. Geometri head tank ...................................................... 37

Gambar 3.6 Model Head Tank ............................................................ 38

Gambar 3.7 Kontur Kecepatan Fluida ............................................... 39

Gambar 4.1 Kontur kecepatan ........................................................... 43

Gambar 4.2 Kontur tekanan ............................................................. 43

Gambar 4.3 Vektor Kecepatan Sistem Pembangkit Picohidro ......... 44

Gambar 4.4 Detail 1 Vektor kecepatan ............................................. 44

Gambar 4.5 Detail 2 Vektor Kecepatan ............................................. 45

Gambar 4.6 Detail 3 Vektor Kecepatan ............................................. 45

Gambar 4.7 Detail 4 Vektor Kecepatan ............................................. 46

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Kondisi ratio elektrifikasi (RE) rumah tangga di Jawa Barat pada tahun

2014 sebesar 83.41% dan merupakan provinsi dengan pengguna listrik

terbesar di Indonesia (ESDM, 2016), secara umum rumah tangga yang belum

mendapatkan energi listrik berada di luar perkotaan yang jauh dari jaringan

distribusi listrik seperti halnya didaerah pedesaan. Ketersediaan energi listrik

di daerah pedesaan sangat di perlukan mengingat belum meratanya pasokan

listrik ke seluruh daerah, diperlukan usaha-usaha dalam penyediaan energi

listrik. Pemerintah Indonesia saat ini ke depannya dalam rencana usaha

pengadaan tenaga listrik (RUPTL) pada tahun 2025 akan lebih ditekankan

pada energi yang ramah lingkungan sebesar 25% dari total konsumsi bahan

baku yang digunakan untuk pembangkit tenaga listrik, seperti kita ketahui

bahwa pembangkit listrik yang ada menghandalkan sumber energi yang

berasal dari bahan bakar fosil, selain itu potensi akan tenaga air di Indonesia

berkisar 75000 mega watt dan yang baru termanfaatkan sekitar 5.2% (PLN,

2016).

Dilihat dari struktur geografis di Indonesia terutama daerah pedesaan

memiliki sumber energi air yang melimpah diantaranya aliran air pada

saluran irigasi, umumnya hanya di manfaatkan sebagai pengairan pada

lahan pertanian maupun perkebunan, di indonesia saluran irigasi memiliki

kontur dengan beda ketinggian yang relatif tidak tinggi terutama di daerah

saluran irigasi tersier yang langsung menuju daerah pesawahan dan

perkebunan serta terdapat aliran air di dalamnya, dua parameter tersebut

memiliki potensi energi yang tersedia untuk dapat dibangkitkan menjadi

energi listrik tenaga air, hal ini yang menjadi pertimbangan untuk dilakukan

2

suatu pengembangan dan pemanfaatan potensi energi melalui kegiatan

perencanaan sistem pembangkit picohidro berkapasitas 2 kW dengan

memanfaatkan head bersih yang rendah 1,5 m. Sistem Pembangkit tersebut

dapat menerangi rumah dengan asumsi 200 watt per rumah sehingga dapat

menerangi rumah-rumah disekitar saluran irigasi untuk 10 rumah, besarnya

energi yang dihasilkan oleh sistem pembangkit picohidro ini cukup untuk

digunakan sebagai penerangan pada malam hari dan untuk keperluan

pertanian pada siang hari salah satunya adalah penggunaan pompa air dalam

pengairan.

Sistem pembangkit picohidro ini hanya memanfaatkan aliran air yang

berada di saluran irigasi desa sebagai sumber energi sehingga tidak

mengurangi jumlah air dan tidak terganggunya ekosistem yang berada di

sepanjang aliran irigasi karena air yang masuk kedalam sistem pembangkit

hanya digunakan untuk memutarkan turbin sebagai penggerak mula dan air

yang telah digunakan akan kembali lagi ke saluran irigasi.

Saat ini sistem pembangkit picohidro dengan memanfaatkan head

yang rendah pada jenis turbin aliran aksial horisontal belum banyak di

kembangkan dan masih tahap penelitian dalam bentuk prototip pada skala

laboratorium antara lain turbin propeller dengan aliran aksial yang dipasang

secara miring dengan jumlah blade runner turbin 8 buah di gunakan pada

kondisi jatuh air setinggi 1,2 m yang di koneksikan dengan generator pada

satu poros pada kondisi tercelup (Priyono Sutikno, 2011) dan turbin propeller

diposisikan pada kondisi aliran air mendatar dengan kapasitas 500 Watt

(Susatyo & Subekti, 2016).

1.2 Rumusan Masalah

Belum ada yang mengembangkan dan mengaplikasikan sistem

pembangkit picohidro head rendah pada saluran irigasi sehingga butuh

perancangan untuk mendapatkan jumlah energi aliran air yang dapat

dimanfaatkan oleh sistem pembangkit picohidro yang terverifikasi.

3

1.3 Batasan Masalah

Pada penelitian ini masalah akan di batasi pada:

a. Perancangan sistem pembangkit picohidro dengan head bersih

1,5 m.

b. Kapasitas daya pembangkitan sebesar 2 kW.

c. Fenomena pola aliran air di sistem menggunakan bantuan

perangkat lunak komputasi aliran fluida dinamik.

1.4 Tujuan

Rancangan sistem pembangkit picohidro berkapasitas 2 kW dengan head

bersih rendah 1,5 m menggunakan turbin aliran aksial horizontal

memanfaatkan saluran irigasi yang terverifikasi dengan potensi energi yang

di hasilkan dan fenomena pola aliran pada sistem pembangkit tanpa

melibatkan sudu turbin.

1.5 Manfaat Penelitian

Penelitian yang dilakukan dapat memberikan manfaat berupa

memberikan gambaran dalam perencanaan sistem pembangkit picohidro

head rendah dan fenomena pola aliran air yang terjadi pada sistem terhadap

potensi daya yang dihasilkan dari aliran air tanpa melibatkan sudu turbin.

1.6 Sistematika Penulisan

Penelitian ini dalam penyusunan penulisan dilakukan secara

terstruktur dan sistematik agar memudahkan dalam pemahaman untuk

pemecahan masalah hingga mencapai suatu kesimpulan. Sistematika

penulisan yang dilakukan adalah sebagai berikut:

4

1. BAB I Pendahuluan

Bab ini menguraikan mengenai latar belakang dilakukannya

penelitian ditinjau dari sisi permasalahan, ruang lingkup kajian,

batasan dalam penelitian, dan menjelaskan tujuan dari penelitian

ini.

2. BAB II Tinjauan Pustaka

Bab ini berisikan mengenai dasar teori dan informasi yang terkait

dengan rancangan turbin dan sistem pembangkit daya yang

berhubungan dengan energi air baik dari buku, standard dan

jurnal.

3. BAB III Metode Peneltian

Bab ini menjelaskan mengenai alur proses penelitian yang

terangkum dalam diagram alir, survey lapangan yang berisikan

data lokasi, kriteria design sebagai dasar untuk melakukan

perencanaan, melakukan perhitungan perancangan dengan

beberapa persamaan yang terkait, dan simulasi dengan

menggunakan bantuan komputasi aliran fluida dinamik.

4. BAB IV Analisa

Bab ini menguraikan mengenai analisa dari hasil proses

perhitungan dan simulasi.

5. BAB V Kesimpulan dan Saran

Bab ini membahas mengenai kesimpulan dari hasil penelitian dan

memberikan saran sebagai bahan kajian dalam penelitian

selanjutnya.

48

DAFTAR PUSTAKA

Air, D. J. (1986). Standar Perencanaan Air. Jakarta: Departemen Pekerjaan

Umum Indonesia.

C.C.Warnick, Howard A.Mayo, J., Carson, J. L., & H, L. (1984). Hydro Power

Engineering. New Jersey: Prentice-Hall,Inc.

EM20, E. M. (1976). Selecting Hydraulic Reaction Turbine. Washington:

U.S.Goverment Printing Office.

ESDM. (2016, june). Data Rasio Elektrifikasi Jawa Barat. Diunduh dari

http://www.esdm.jabarprov.go.id.

European Small Hydropower Association, Celso Pence. (2004). The Guide on

How to Develop a Small Hydropower Plant. European: European

Renewable Energy Council.

F.Dietzel, & Sriyono, D. (1990). Turbin Pompa dan Kompresor. Jakarta:

Erlangga.

Fox, R. w., & McDonald, A. T. (1998). Introduction to Fluid Mechanics.

Singapore: John Wiley & sons.

Garut, K. (2016, july). Sumber Daya Air. Diunduh dari http://

www.garutkab.go.id.

Indian Institute of Technology Roorkee. (1990).

Standard/Manuals/Guidelines fo Selection of Turbine and Governing

System for SHP. India: Ministry of New and Renewable energy Govt.

of India.

JICA. (2009). Manuals and Guidelines for Micro-Hydropower Development in

Rural Electrification. Japan: Energy Utilization Management Bureau.

49

Mott, R. L. (1994). Apllied Fluid Mechanics. United State of America: Prentice

Hall.

Pence, C. (1998). Guide on How to Develop a Small Hydropower Plant.

Europe: ESHA.

PLN. (2016, june). Rencana Usaha Pengadaan Tenaga Listrik (RUPTL).

Diunduh dari http://www.listrik.org.

Priyono Sutikno, I. K. (2011). Design, Simulation and Experimental of The

Very Low Head Turbine with Minimum Pressure and Free Vortex

Criterations. International Jurnal of Mechanical & Mechatronics

Engineering IJMEE-IJENS, 8.

Sayers, A. T. (1992). Hydraulic and Compressible Flow Turbomachines.

Singapore: MCGraw-Hill Book.

SDA. (2016, May). Sumber Daya Air. Diunduh dari http://garutkab.go.id.

Sularso, & Suga, K. (1997). Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin.

Jakarta: Pradnya Paramita.

Susatyo, A., & Subekti, R. A. (2016). Rancang Bangun Turbin Arus Sungai/

Head Sangat Rendah. LIPI, 8.

Tuakia, F. (2008). Dasar-dasar CFD Menggunakan Fluent. Bandung:

Informatika.

Yahya, S. M. (2015). Turbine, Compressors and Fans. India: McGraw Hill

Education (India) Private Limited.