BAB I

PENDAHULUAN

I.1. Latar Belakang

Dalam kemajuan teknologi sekarang ini banyak dibuat peralatan-

peralatan yang inovatif dan tepat guna. Salah satu contoh dalam bidang teknik

mesin terutama dalam bidang konversi energi dan pemanfaatan alam sebagai

sumber energi. Diantaranya adalah pemanfaatan air yang bisa digunakan untuk

menghasilkan tenaga listrik. Alat tersebut adalah berupa turbin yang digerakan

oleh air yang disambungkan dengan generator. Dalam konvesnsionalnya pada

zaman dahulu air juga dimanfaat untuk pemnagkit tenaga listrik yaitu utuk

meggerakan generator pembangkit digunakan sebuah kincir air, tetapi sekarang

ini kincir air sudah ditinggalkan dan digunakanlan turbin air. Dalam suatu sistim

PLTA, turbin air merupakan salah satu peralatan utama selain generator. Turbin

air adalah alat untuk mengubah energi air menjadi energi puntir. Energi puntir ini

diubah menjadi energi listrik oleh generator.

Listrik merupakan salah satu utilitas utama perumahan yang harus di

penuhi di dalam pembangunan suatu perumahan baik perumahan sederhana

maupun di dalam pembanguan rumah susun. Permasalahan yang ada saat ini

adalah terbatasnya suplai tenaga listrik yang mengakibatkan krisis energi tenaga

listrik.

Daerah-daerah terpencil dan pedesaan umumnya tidak terjangkau

jaringan listrik. Dalam kondisi dinamika, solusi yang memadai adalah dengan

menyediakan pembangkit listrik setempat seperti generator (genset) yang

1

menggunakan bahan bakar minyak (BBM). Solusi lainnya adalah menggunakan

sumber energi lain yang berasal dari air, angin, cahaya matahari, dan biomass.

System ini lazim disebut dengan pembangkit listrik skala kecil tersebar yang

dianjurkan untuk menggunakan energi terbarukan. Hal ini juga tidak

memungkinkan bagi perumahan di perkotaan mengingat krisisnya energy yang

ada pada saat ini.

Mini hidro adalah istilah yang digunakan untuk instalasi pembangkit

listrik yang menggunakan energy air. Kondisi air yang bisa dimanfaatkan sebagai

sumber daya (resources) penghasil listrik adalah memiliki kapasitas aliran dan

ketinggian tertentu dari instalasi. Semakin besar kapasitas aliran maupun

ketinggiannya dari instalasi maka semakin besar energy yang bisa dimanfaatkan

untuk menghasilkan energi listrik.

I.2. Tujuan Perencanaan

Dalam tugas perencanaan kali ini dijelaskan tentang perencanaan turbin

air yang bersekala kecil yang biasanya digunakan untuk pembangkit listrik

berskala kecil atau di daerah. Tujuan dari pembuatan perencanaan ini antara lain

menghitung debit serta daya yang bisa dihasilkan untuk suatu pembangkit listrik

tenaga mini hidro.

2

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

II.1. Turbin Air

Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Energi

mekanis diubah dengan generator listrik menjadi tenaga listrik. Berdasarkan

prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis.

Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk tenaga

industri untuk jaringan listrik. Sekarang lebih umum dipakai untuk generator

listrik. Turbin kini dimanfaatkan secara luas dan merupakan sumber energi yang

dapat diperbaharukan.

Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, namun yang

paling utama adalah klasifikasi turbin air berdasarkan cara turbin air tersebut

merubah energi air menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini, maka

turbin air dibagi menjadi dua yaitu :

1. Turbin impuls

2. Turbin reaksi

1. Turbin Impuls

Yang dimaksud dengan turbin impuls adalah turbin air yang cara

bekerjanya dengan merubah seluruh energi air (yang terdiri dari energy

potensial + tekanan + kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetic untuk

memutar turbin, sehingga menghasilkan energi puntir. Contoh: turbin Pelton.

3

2. Turbin Reaksi

Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin air yang cara

bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi

puntir. Turbin air reaksi dibagi menjadi dua jenis yaitu:

Francis

Propeller

Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro (PLTMH), mempunyai

kelebihan dalam hal biaya operasi yang rendah jika dibandingkan dengan

Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD), karena minihidro memanfaatkan

energi sumber daya alam yang dapat diperbarui, yaitu sumber daya air (Endardjo,

et, all 1998). Dengan ukurannya yang kecil penerapan mini hidro relative mudah

dan tidak merusak lingkungan. Rentang penggunaannya cukup luas, terutama

untuk menggerakkan peralatan atau mesin-mesin yang tidak memerlukan

persyaratan stabilitas tegangan yang akurat (Endardjo, et, all 1998).

Analisa hidrologi sangat diperlukan dalam merencanakan pembangkit

listrik mikrohidro, yaitu untuk menentukan debit andalan dan debit pembangkit

yang diperlukan untuk menentukan kapasitas dan energi yang dihasilkan oleh

PLTMH tersebut.

4

II.2. Pengertian dan Prinsip PLTA

Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) adalah suatu bentuk perubahan

tenaga air dengan ketinggian dan debit tertentu menjadi tenaga listrik, dengan

menggunakan turbin air dan generator.

Sebagaimana dapat dipahami, daya yang dihasilkan suatu pembangkit

listrik adalah hasil kali dari tinggi jatuh dan debit air, oleh karena itu berhasilnya

pembangkitan tenaga air tergantung dari pada usaha untuk mendapatkan tinggi

jatuh air dan debit yang besar secara efektif dan ekonomis. Pada umumnya debit

yang besar membutuhkan fasilitas dengan ukuran yang besar misalnya, bangunan

ambil air (intake), saluran air dan turbin (Arismunandar dan Kuwahara, 1991).

II.3. Penentuan Tinggi Jatuh Efektif

Tinggi jatuh efektif dapat diperoleh dengan mengurangi tinggi jatuh total

(dari permukaan air pada pengambilan sampai permukaan air saluran bawah) dengan

kehilangan tinggi pada saluran air (Arismunandar dan Kuwahara, 1991). Tinggi jatuh

penuh (Full head) adalah tinggi air yang bekerja efektif pada turbin yang sedang

berjalan. Untuk jenis saluran air, bila diketahui permukaan air pada bangunan

pengambilan dan saluran bawah serta debit air, maka tinggi jatuh efektif kemudian

dapat ditentukan, dengan dasar pertimbangan ekonomis. Misalnya, bila kehilangan

tinggi jatuh air dapat dikurangi dengan memperbesar penampang saluran air atau

memperkecil kemiringannya, maka tinggi jatuh dapat digunakan dengan efektif

(Arismunandar dan Kuwahara, 1991).

5

Ketinggian jatuh air efektif (Hefektif) adalah :

Hefektif = Hactual - Hlosses

(TEKNIK MESIN FTI-ITS, Perencanaan Turbin)

Dimana :

Hlosses = ⅓ . Hactual

(TEKNIK MESIN FTI-ITS, Perencanaan Turbin)

Masing-masing jenis turbin mempunyai nilai putaran spesifik berdasarkan

ketinggian air (H). Untuk mencari putaran spesifik turbin yang digunakan, dapat

dilihat pada table berikut :

Turbin Pelton (1 jet) ns= 85,49/H . 0,243 (Siervo & Lugaresi, 1978)

Turbin Francis ns= 3763/H . 0,854 (Schweiger & Gregory, 1989)

Turbin Kaplan ns= 2283/H . 0,486 (Schweiger & Gregory, 1989)

Turbin Crossflow ns= 513,25/H . 0,505 (Kpordze & Wamick 1983)

Turbin Propeller ns= 2702/ H . 0,5 (USBR, 1976)

Tabel 1. Perhitungan Putaran Spesifik Turbin (TEKNIK MESIN FTI-ITS,

Perencanaan Turbin)

II.4. Debit Turbin

Debit maksimum yang masuk ke turbin ditentukan sedemikian rupa

sehingga biaya konstruksinya menjadi minimum berdasarkan lengkung debit sepuluh

tahun terakhir atau lebih. Nilainya pada umumnya dua kali debit dalam musim

kemarau (Arismunandar dan Kuwahara, 1991).

Untuk mencari debit air berdasarkan putaran spesifik turbin maka

digunakan rumus :

6

nq = nn √Q n

H e3 /4 (Dasar-dasar Merencana Turbin Air :Syukri Himran)

Dimana :

nq = Putaran spesifik berdasar pada debit (rpm)

nn = Putaran turbin (rpm)

Qn = Debit (m3/menit)

He = Tinggi jatuh air efektif (m)

II.5. Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro (PLTMH)

Akhir-akhir ini di dunia termasuk negara-negara maju, memperhatikan

pembangunan PLTA berkapasitas kecil. Pembagian PLTA dengan kapasitas kecil

pada umumnya adalah sebagai berikut (Patty, 1995) :

1. PLTA mikro < 100 kW

2. PLTA mini 100 - 999 kW

3. PLTA kecil 1000 - 10000 kW

Dengan kemajuan teknis, tinggi antara 1 – 1,5 m dapat digunakan dan

kapasitas turbin dapat dibuat 4 – 5 kW. Salah satu sebab bagi negara-negara maju

membangun PLTA berkapasitas kecil ini adalah harga minyak OPEC yang terus

meningkat sekarang ini, di samping bertambahnya kebutuhan listrik (Patty, 1995).

Di Indonesia salah satu program pemerintah adalah listrik masuk desa

terpencil di daerah pegunungan, pembangunan PLTA menghubungkan desa ini

dengan hantaran tegangan tinggi tidaklah ekonomis. Berdasarkan pertimbangan

7

diambil langkah-langkah berikut dalam perencanaan PLTA mini hidro untuk

suatu daerah pedesaan (Patty, 1995) :

1. Mempelajari bangunan air irigasi (irigasi, drainase dan lain-lain) yang sudah

ada di desa tersebut.

2. Meneliti bahan bangunan yang terdapat di tempat serta pendidikan masyarakat

desa.

3. Meneliti mesin yang hendak dipakai, lebih baik digunakan mesin yang lebih

mahal tetapi memerlukan biaya yang lebih sedikit dan waktu yang lebih

singkat untuk reparasi.

Sekarang ini masih menghadapi berbagai kendala, sehingga baru

sebagian kecil dari potensi tenaga air yang ada di daerah irigasi dan sungai-sungai

kecil diseluruh Indonesia yang sudah dimanfaatkan untuk pembangkit tenaga mini

hidro. Kendala utama yang perlu diatasi dengan sebaik-baiknya adalah bahwa

sampai sekarang teknologi mini hidro belum dapat mencapai nilai komersial yang

baik. Mini hidro masih disebut secara pesanan, sehingga mini hidro dengan

kehandalan tinggi yang disebut dengan teknologi maju membutuhkan biaya

investasi awal yang besar. Sebaliknya, mini hidro yang dibuat dengan

menggunakan teknologi sederhana, walaupun tidak membutuhkan biaya investasi

awal yang besar, pada umumnya mempunyai kehandalan rendah dan masih

memerlukan biaya pemeliharaan yang tinggi untuk menjamin kelangsungan

operasinya. Selain itu, mini hidro yang kehandalannya rendah sering mengalami

8

gangguan pengopersaian yang dapat merugikan konsumen (Endardjo, et all,

1998).

PLTMH dengan tinggi jatuhan (head) 10-60 m, dapat dikategorikan pada

head rendah dan medium.

Jenis Turbin Variasi Head (m)

Kaplan & Propeller 2 < H < 20

Francis 10 < H < 350

Pelton 50 < H < 1000

Cross-flow 6 < H < 100

Turgo 50 < H < 250

Tabel 2. Daerah operasi turbin berdasarkan ketinggian head (TEKNIK MESIN

FTI-ITS, Perencanaan Turbin)

Pemilihan jenis turbin dapat ditentukan berdasarkan kelebihan dan

kekurangan dari jenis-jenis turbin, khususnya untuk suatu desain yang sangat

spesifik. Pada tahap awal, pemilihan jenis turbin dapat diperhitungkan dengan

mempertimbangkan parameter-parameter khusus yang mempengaruhi sistem

operasi turbin, yaitu :

1. Faktor tinggi jatuhan air efektif (Net Head) dan debit yang akan dimanfaatkan

untuk operasi turbin merupakan faktor utama yang mempengaruhi pemilihan

jenis turbin, sebagai contoh : turbin pelton efektif untuk operasi pada head

tinggi, sementara turbin proppeller sangat efektif beroperasi pada head rendah.

2. Faktor daya (Power) yang diinginkan berkaitan dengan head dan debit yang

tersedia.

9

3. Kecepatan (Putaran) turbin yang akan ditransmisikan ke generator. Sebagai

contoh untuk sistem transmisi direct couple antara generator dengan turbin

pada head rendah, sebuah turbin reaksi (propeller) dapat mencapai putaran

yang diinginkan, sementara turbin pelton dan crossflow berputar sangat lambat

(low speed) yang akan menyebabkan sistem tidak beroperasi.

Berikut ini adalah tabel yang menjelaskan tentang hubungan antara jenis turbin

dengan nilai putaran pada turbin.

Turbin Pelton 12 ≤ ns ≤ 25

Turbin Francis 60 ≤ ns ≤ 300

Turbin Crossflow 40 ≤ ns ≤ 200

Turbin Propeller 250 ≤ ns ≤ 1000

Tabel 3. Kisaran Putaran Spesifik Turbin Air (TEKNIK MESIN FTI-ITS,

Perencanaan Turbin)

Jenis Turbin Putaran Nominal, N (rpm)

Semi Kaplan (single regulated) 75-100

Kaplan (double regulated) 75-100

Small-medium Kaplan 250-700

Francis (medium & high head) 500-1500

Francis (low head) 250-500

Pelton 500-1500

Crossflow 100-1000

Turgo 600-1000

10

Tabel 4. Kecepatan Putaran Turbin (TEKNIK MESIN FTI-ITS, Perencanaan Turbin)

Berdasarkan hal tersebut, maka untuk menghitung daya yang dihasilkan

oleh suatu turbin adalah :

Nn = γQ H e

102 ɳ [kW] (Dasar-dasar Merencana Turbin Air :Syukri Himran)

Dimana :

Nn = Daya turbin (kW)

γ = Berat jenis air = 1000 kg/m3

Q = Debit air (m3/detik) = Qn

He = Tinggi air jatuh efektif (m)

ɳ = Efisiensi turbin = 80-90 %

II.6. Aplikasi Turbin Pada Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro (PLTMH)

Contoh pemakaian turbin dalam kehidupan sehari-hari adalah untuk

pembangkit listrik tenaga mini hidro (PLTMH). Jenis turbin yang banyak

digunakan adalah jenis turbin francis.

Indonesia memiliki sumber daya air yang banyak berupa sungai, air

terjun, danau dan laut yang dapat dimanfaatkan sebagai tenaga pembangkit listrik.

Dilatar belakangi oleh krisis energi listrik dan kebutuhan energi yang terus

meningkat, maka sumber daya yang ada dimanfaatkan semaksimal mungkin.

Maka Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro (PLTMH) adalah salah satu

pembangkit listrik tenaga air yang menjadi pilihan dimana PLTMH

memanfaatkan energi air yang memiliki kapasitas aliran yang tidak terlalu besar.

BAB III

PEMBAHASAN

11

III.1.Perhitungan Daya Listrik

Pada sebuah Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro (PLTMH) diasumsikan

data-data sebagai berikut :

Head actual (Hactual) = 60 m

Efisiensi turbin (η) = 80 %

Berat jenis air (γ) = 1000 kp/m3

Untuk menghitung daya listrik yang dapat dihasilkan oleh turbin, data-data

penunjang yang harus dicari terlebih dahulu antara lain :

1. Head efektif

2. Putaran Spesifik

3. Debit

4. Daya Turbin

1. Head Efektif

Diasumsikan head actual yang diketahui adalah 60 m, maka untuk mencari

nilai head efektif terlebih dahulu harus dicari head losses :

Hlosses = ⅓ . Hactual

= ⅓ . 60 m

= 20 m

Jadi, Ketinggian jatuh air efektif (Hefektif) adalah :

Hefektif = Hactual - Hlosses

= 60 m - 20 m

= 40 m

12

Berdasarkan table daerah operasi turbin berdasarkan ketinggian head (tabel 2),

maka jenis turbin yang digunakan untuk perencanaan kali ini adalah jenis

turbin Francis.

2. Putaran Spesifik (ns)

Menurut tabel perhitungan putaran spesifik (ns) turbin (tabel 1), untuk mencari

putaran spesifik pada turbin francis adalah :

ns = 3763

H . 0,854

= 3763

40 . 0,854

= 110 rpm

ns = (3,33) nq → nq = ns/3,33 = 110 / 3,33 = 33,03 rpm

Dari penjelasan tabel tentang kecepatan putaran turbin (tabel 4), maka dipilih

jenis turbin Francis (low head). Turbin Francis (low head) mempunyai putaran

antara 250-500 rpm, maka diambil nilai 400 rpm.

3. Debit

Rumus untuk menentukan debit air pada turbin adalah :

nq = nn √Q n

H e3 /4

33,03 = 400√Q

403/4

√Q = (403/4 . 33,03)

400

Q = 1,14 m3/s

13

4. Daya Turbin

Nn = γQ H e

102 ɳ

= 1000 x 1,14 x 40

102 0,8

= 36480

102

= 357,64 kW

= 357640 W

Diperkirakan dalam 1 rumah penggunaan daya listrik sebagai berikut :

2 buah lampu 15 W = 30 W

2 buah lampu 10 W = 20 W

1 buah peralatan elektronik = 40 W

Jadi rata-rata penggunaan listrik dalam 1 rumah adalah 90 W. Maka

berdasarkan daya yang dihasilkan oleh turbin tersebut, pembangkit listrik ini

dapat menerangi sekitar 3.973 buah rumah.

III.2.Analisa Segitiga Kecepatan

14

Gambar diatas menggambarkan segitiga kecepatan air pada sisi masuk dan

keluar pada turbin francis, dimana :

D = diameter luar roda

N = jumlah putaran roda per menit

V = Kecepatan absolut air memasuki sudu

v = kecepatan tangensial roda pada sisi masuk

= πDN

60 m/s

Vr = Kecepatan relatif air terhadap roda pada sisi masuk

Vf = Kecepatan aliran memasuki sudu bergerak

Vw = Kecepatan pusar pada sisi masuk sudu bergerak

15

α = Sudut air memasuki roda (disebut juga sudut sudu pengarah)

β = Sudut air meninggalkan roda

θ = Sudut masuk sudu

∅ = Sudut sudu pada sisi keluar

V1, D1, v1, Vr1, Vf1 = Besaran yang sama untuk sisi keluar sudu.

H = head total air

W = berat air yang memasuki roda, kg/s

V = √2g . H efektif

Di mana: V = Kecepatan absolut air memasuki sudu (m/s)

g = Percepatan gravitasi (10 m/s2)

Hefektif = Ketinggian jatuh air efektif (m)

Jadi:

V = √2 .9,81 . 40

V = √784,8

V = 28,01 m/s

v = π . D .n n

60

Di mana: v = kecepatan tangensial roda pada sisi masuk (m/s)

D = diameter luar roda (m)

nn = putaran Turbin (rpm)

Jadi :

v = π . D .n n

60

= (3,14 . 2 . 400)

60

= 41,81 m/s

16

a. Dari segitiga kecepatan pada sisi masuk, diperoleh:

Vw = V cos α

Dimana: Vw = Kecepatan pusar pada sisi masuk sudu bergerak (m/s)

α = Sudut air memasuki roda (disebut juga sudut sudu pengarah)

Vw = V cos α

= 28,01 cos 15°

= 27,05 m/s

Vf = V sin α

Dimana: Vf = Kecepatan aliran memasuki sudu bergerak (m/s)

Vf = V sin α

= 28,01 sin 15°

= 7,24 m/s

tan θ = V f

v−V w

Dimana: θ = Sudut masuk sudu (°)

tan θ = V f

v−V w

= 7,24

41,81−27,05

tan θ = 0,49

θ = 26°

Vr = V f

sin θ

Dimana: Vr = Kecepatan relatif air terhadap roda pada sisi masuk (m/s)

Vr = V f

sin θ

= 7,24

sin 26 °

17

= 16,51 m/s

b. Dari segitiga kecepatan pada sisi ke luar, diperoleh:

v1 = π . D1 .nn

60

Di mana: v1 = kecepatan tangensial roda pada sisi ke luar (m/s)

v1 = π . D1 .nn

60

= 3,14 .1.400

60

= 20,93 m/s

tan ϕ = V f 1

v1

Di mana: Vf1 = Kecepatan aliran meninggalkan sudu bergerak (m/s)

ϕ = Sudut sudu pada sisi keluar (°)

tan ϕ = V f 1

v1

= 7,2420,93

= 0,34

ϕ = 26°

18

BAB IV

PENUTUP

IV.1. Kesimpulan

Dari analisa perencanaan untuk pembangkit listrik tenaga mini hidro,

dengan nilai head efektif 40 m dan debit 1,14 m3/s didapat daya sebesar 357640

W, yang mampu menerangi sekitar 3.973 rumah dengan asumsi pemakaian daya

listrik setiap rumah tersebut adalah 90 W.

Berdasarkan nilai putaran spesifik turbin dan ketinggian head efektif

yang didapat, maka turbin yang sesuai untuk pembangkit listrik tenaga mini hidro

ini adalah turbin francis.

19

DAFTAR PUSTAKA

Arismunandar A, Dan Kuwahara S., Teknik Tenaga Listrik Jilid I, (1991).,

PT. Pradnya Paramita : Jakarta.

Endardjo P,Warga Dalam J, Setiadi A., Pengembangan Rancang Bangun

Mikrohidro Standar PU, (1998)., Prosiding HATHI : Bandung.

Himran, Syukri., Dasar-Dasar Merencana Turbin Air, (2006)., Bintang Lamumpatue : Makassar.

Patty F., Tenaga Air, Edisi Pertama, (1995)., Erlangga : Jakarta.

TEKNIK MESIN FTI-ITS., Perencanaan Turbin., Institut Teknologi Sepuluh

November : Surabaya.

20

21