A. PENDAHULUAN

Dewasa ini  minyak bumi (bahan  bakar fosil) merupakan sumber utama pemakaian energi di  dalam negeri. Penggunaannya terus meningkat, sedang jumlah persediaan  terbatas. Dalam situasi seperti ini sumber energi terbarukan khususnya sumber daya air dan lebih khusus lagi adalah Mikrohidro menjadi alternatif yang sangat penting untuk dikedepankan dan dikembangkan. Tidak sedikit diberbagai pelosok desa di Indonesia  dalam taraf hidup dibawah garis kemiskinan, tetapi memiliki potensi sumber daya air yang memadai untuk pembangkit enerji listrik mikrohidro. Perlu diyakini dengan adanya PLTMH, akan merangsang pertumbuhan ekonomi pedesaan terutama industri kecil dan rumah tangga. Selain itu Rasio Elektrifikasi Nasional (yang saat ini baru mencapai 60%) akan meningkat.

Kebutuhan energi dapat meningkat secara eksponensial, baik ditinjau dari kapasitasnya, kualitasnya maupun ditinjau dari tuntutan distribusinya. Tahun 2004/2005 kebutuhan energi di Jawa dan Bali sebesar 90.000 MWh sedangkan di luar Jawa-Bali sebsar 25.000 MWh. Tahun 2010 nanti diperkirakan kebutuhan energi meningkat drastis menjadi 140.000 MWh untuk Jawa-Bali dan 35.000 MWh untuk luar Jawa-Bali. Jika masing-masing Kabupaten dan Provinsi di seluruh Indonesia melakukan fungsi otonominya secara intensif dengan menyelenggarakan pembangunan dimasing-masing daerah, maka prakiraan kebutuhan tersebut jelas akan jauh terlampaui. Salah satu sumber energi yang sangat cocok di Indonesia adalah Pembangkit Listrik Tenga Mikrohidro (PTMH). PLTMH adalah salah satu Pembangkit Lidtrik Tenaga Air (PLTA) low head dengan kapasitas kurang dari 500 Kilo Watt (KW). Potensi total PLTMH di Indonesia tahun 2002 adalah sebesar 500 Mega Watt (MW), yang sudah dimanfaatkan baru 21 MW, (Maryono, 2008). Potensi tersebut sebenarnya masih akan meningkat sejalan dengan intensitas studi potensi yang dilakukan untuk menemukan lokasi-lokasi baru. Jika potensi PLTMH dapat di kembangkan maka paling tidak 12.000 MWh atau sebesar 14 % dari kebutuhan energi total Indonesia tahun 2015 dapat disumbang dari PLTMH. Jika studi potensi dan pengembangan PLTMH dapat diintensifkan, maka prosentase sumbangan PLTMH terhadap kebutuhan energi nasional akan meningkat.

Dengan rancangan turbin air dengan nozel sebanyak 2 buah dan modifikasi sudu sudu turbin serta tersedianya potensi air terjun dengan tingkat curah hujan dan tinggi jatuh air yang memadai serta cukupnya persediaan air, maka dapat diasumsikan, bahwa dengan rancangan prototipe pembangkit listrik tenaga minihidro dengan efisiensi tinggi maka potensi air terjun tersebut dapat dimanfaatkan untuk membangkitkankan tenaga listrik yang efisien. Potensi tenaga listrik ini dapat digunakan sebagai pemasok enerji listrik. Selain itu dapat diasumsikan, bahwa dengan pemanfaatan potensi air terjun dan rancangan PLTMH, maka Prototipe hasil rancangan akan efektif untuk tinggi jatuh air yang pendek. Dengan demikian yang menjadi permasalahan adalah: (1) Bagaimanakah desain dan fabrikasi  pengembangan prototipe pembangkit listrik tenaga minihidro yang mempunyai  efisiensi tinggi.?, (2) Bagaimakah pengaruh variasi bucket runner dan diameter runner terhadap efisiensi turbin. Hasil yang Diharapkan Terdapatnya prototype pembangkit listrik tenaga minihidro dengan efesiensi tinggi..

TINJAUN PUSTAKA

a. Komponen PLTM

Pada umumnya PLTM mempunyai tiga komponen utama yang  masing-masing fungsinya sangat menentukan, yaitu : turbin air,  generator, dan  governor (ELC). Pada pembangkit, pengendalian  putaran dimaksudkan untuk mengendalikan putaran generator sehingga pengendalian putaran dalam hal ini diutamakan  berfungsi sebagai pengendali frekuensi generator.  Perubahan putaran  (frekuensi) generator dapat disebabkan karena adanya perubahan  daya penggerak.  Jika daya air yang masuk ke turbin dibuat selalu  tetap sehingga daya penggerak turbin selalu tetap, maka frekuensi dan  respon generator akan menjadi fungsi dari beban.  Agar frekuensi  yang dihasilkan oleh generator besarnya selalu tetap, maka besar  beban dari generator harus selalu tetap.  Untuk itu diperlukan beban tiruan yang besar bebannya dapat diatur sesuai dengan

pengurangan  beban dari PLTM.  Beban tiruan ini disebut beban komplemen.  Pada  suatu kondisi beban tertentu (misal pada beban sebesar 75% beban

Pembangkit Listrik Tenaga Minihidro (PLTMH) adalah suatu pembangkit listrik skala kecil yang mengubah energi potensial air menjadi kerja mekanis, memutar turbin dan generator untuk menghasilkan daya listrik skala kecil, yaitu sekitar 0-100 Kw (Dandeker, 2001). Turbin merupakan salah satu mesin fluida yang mengubah energi mekanis fluida menjadi kerja poros. Terdapat dua jenis utama turbin, yaitu turbin aksi/impuls dan turbin reaksi. Pada turbin impuls, pancaran (jet) air bebas mendorong bagian turbin yang berputar yang ditempatkan pada tekanan atmosfir. Sebagai contoh turbin ini adalah turbin pelton, turgo, dan crossflow. Sedangkan pada turbin reaksi, aliran air terjadi pada tekanan tertutup. Sebagai contoh turbin ini adalah turbin kaplan, propeller dan turbin francis. Kedua jenis turbin tersebut tergantung pada perubahan momentum dari air, sehingga gaya dinamiklah yang mengenai bagian yang berputar (Runner) dari turbin tersebut (Davis, 1998).

Gambar 1. Komponen PLTMH

Electrical power needed by:

A building: 900 watt

B building: 1500 watt

C building: 4000 watt

5 m

4 m

Workshop : 3000 watt

Laboratorium Dasar: 1300 watt

UNDIP Dam is planned to be build near UNDIP’s main gate over a river having average annual water debit 10 m3/s to supply a micro hydro electricity system. The cross sectional area of the river basin is a U type as

TUGAS: Design a micro hydro electricity to supply campus electricity needed. The electricity transportation loss from the turbine generator at the river basin to campus is about 10%. Water flow rate reduces from 10 to 3m3/s after passing the turbine of 10 m height. Consider the type of cable used, height of the cable installation for safety, possibility of double or multi micro hydro units if a unit cannot supply the electricity.

b. Perencanaan Pipa pesat (penstock)

Pipa pesat (penstock) berfungsi untuk menyalurkan dan mengarahkan air ke cerobong turbin. Salah satu ujung pipa pesat dipasang pada bak penenang minimal 10 cm diatas lantai dasar bak penenang. Sedangkan ujung yang lain diarahkan pada cerobong turbin. Pada bagian pipa pesat yang keluar dari bak penenang, dipasang pipa udara (Air Vent) setinggi 1 m diatas permukaan air bak penenang. Pemasangan pipa udara ini dimaksudkan untuk mencegah terjadinya tekanan rendah (Low Pressure) apabila bagian ujung pipa pesat tersumbat. Tekanan rendah ini akan berakibat pecahnya pipa pesat. Fungsi lain pipa udara ini untuk membantu mengeluarkan udara dari dalam pipa pesat pada saat start awal  ½ inch.Æ PLTMH mulai dioperasikan.   Jenis bahan dan ukuran pipa pesat  Ada beberapa jenis dan bahan pipa pesat yaitu: (1). Pipa Carbon (Pipa baja) (2. Pipa spiral welded steel (Pipa baja spiral) (3). Pipa PVC (4). Pipa rolled weided steel (pipa baja gulung)

Pipa PVC lebih baik digunakan pada konstruksi pipa pesat yang tertanam ditanah, karena tidak tahan terhadap panas matahari. Sebaiknya digunakan pipa pesat dengan tebal minimal 3 – 4 mm (Kensaku, 1993). Perawatan pipa pesat dilakukan dalam jangka waktu tertentu. Misalnya pertahun dengan melaksanakan pengecatan ulang. Sedangkan secara rutin dilakukan kontrol terhadap kebocoran yang mungkin terjadi.  Hal yang perlu diperhatikan dalam pemilihan penstock untuk PLTMH adalah diameter pipa. Semakin kecil diameter maka kecepatan air dalam penstock akan semakin naik untuk debit yang sama, rugi – rugi pada penstock disebabkan debit air dan tinggi jatuh yang relatif kecil dan ketersediaan material di daerah lokal. Perhitungan diemeter menggunakan rumus sebagai berikut: A = ¼ π.d2 ; A = Q / V, Sehingga diameter pipa pesat  (Asdak, 2005) adalah:

Dimana:

A = Luas Penampang pipa (m2)

Q = Debit Air (m3/detik)

d = Diameter (m)

V = Kecepatan Air (m/detik)

Dalam perencanaan pipa pesat diupayakan dibuat lurus untuk mengurangi rugi – rugi pusaran dan rugi gesekan. Untuk mengurangi rugi-rugi pusaran air pada sisi masuk penstock maka harus ditentukan jarak minimum intake penstok dari permukaan air penampungan air (forebay).  Jarak minimum batang pipa dari permukaan penampung air digunakan rumus :

Dimana:

X = Jarak Minimum (m)

d = Diameter (m)

V = Kecepatan Air (m/detik)

g = 9.8 P = Tekanan Air pada kepala pipa pesat (kg/cm2)

b. Perencanaan Turbin Air

Pada dasarnya pemilihan tipe turbin untuk PLTMH sama seperti pemilihan tipe turbin pada PLTA konvensional. Dasar pemilihan tipe turbin sebagai penggerak generator pada Pembangkit Listrik Tenaga Minirohidro (PLTMH) terlebih dahulu harus diketahui besaran Head (meter), debit air (m3/detik), dan besarannya kecepatan putar turbin (n). Kecepatan putaran turbin diperoleh dengan mengetahui kecepatan air yang akan masuk sudu-sudu turbin, dengan merubah kecepatan linear menjadi kecepatan keliling (sentrifugal) pada poros turbin tersebut yang disebut dengan kecepatan keliling (U1 = D x phi x n).  Dimana: U1 = Kecepatan Keliling D= Diameter Roda Turbin n = Putaran Turbin

Pemilihan kecepatan putaran  ditentukan setinggi mungkin, karena dengan kecepatan putar yang tinggi akan didapat momen punter (kopel) yang kecil, poros yang kecil, dan diameter roda turbin yang kecil, sehingga akan membuat ukuran generator lebih kecil (Nechleda, 2002). Kecepatan keliling U1 meningkat dengan membesarnya n. Selanjutnya yang sangat penting untuk diketahui dalam merencanakan turbin adalah menentukan kecepatan spesifik (nq ) yang akan sangat menentukan dalam perencanaan tipe turbin yang akan digunakan dalam PLTMH. Besar kecepatan spesifik ( nq) dapat diperoleh dengan rumus:

Dimana:

n = Jumlah putaran permenit

V = Kapasitas air ( m3/detik)

H = Head/ tinggi air jatuh (m).

D =Lebar dan Diameter Runner Turbin

L =     2047,98

D

Dimana :

L dan D dalam inch, dan nilai D mulai dari 50 cm sampai 100 cm. 

Paramater perencanaan turbin secara manual dapat ditentukan dengan rumus (Patty, 1995) sebagai berikut:

Tebal Pancaran  :            A = Q/V

Jarak Antar Sudut  ;         s1 = kD1 ; maka  t =  s1/sinβ1

Jumlah Sudut, jarak antar sudut dan jumlah sudut (n)  diperoleh :  N = π.D1/t

Lebar Keliling Radial ;   a = 0,17.D1

Kelengkungan Sudu ;      ρ = 0,326.r1

Jarak Pancaran dari Pusat Poros ;             y1 = (0,1986 – 0,945.k)D1

Jarak Pancaran dari Tepi Dalam Runner ; y2 = (0,1314 – 0,945.k)D1

Selain dengan menggunakan rumus diatas, nilai dapat juga diperoleh dengan menggunakan grafik kecepatan spesifik dibawah ini setelah diketahui besar nilai head, putaran turbin, dan kapasitas air. Setelah mengetahui kecepatan spesifik tersebut dapat ditentukan jenis turbin yang akan digunakan. Apakah akan digunakan turbin propeller, pelton, cross flow atau yang lainnya. Penentuan jenis turbin untuk PLTMH juga dapat secara langsung melalui grafik (Warnick, 1994) dibawah berikut setelah diketahui nilai kecepatan spesifik dari cara perhitungan diatas.

Efisiensi Turbin Air

Perhitungan shaft power dan effisiensi dari turbin adalah sebagai berikut: dimana parameter berikut dapat digunakan dalam pengukuran, diantaranya adalah tekanan air, aliran rata rata air, torsi output, kecepatan putar dari turbin Pemilihan debit dan tinggi ter jun menentukan kapasitas terpasang PLTMH

yang direncanakan yang dapat digambarkan sebagai berikut:

P, Q, H, lt, lg = sama dengan di atas.

µ =  berat jenis (kg /m3).

Sebagaimana yang telah dijelaskan di atas bahwa daya yang dihasilkan turbin ditransmisikan ke generator listrik melalui komponen transmisi daya. Besarnya daya yang masuk ke generator listrik diketahui dengan menggunakan  sabuk–V harga effisiensinya berkisar antara 0,7–0,9.

1. Jawab:

Daya yang dapat dihasilkan oleh turbin dengan melihat keadaan tinggi jatuh air dan kapasitas air yang tersedia :

P = γ xQxHx ηt

10700 =1000.10.h.90%

10700 =9000h

h =1,18m

mencari kecepatan turbin,

dengan efisiensi 90% maka turbin yang digunakan adalah tubin Kaplan

P=12ρ v2

10700=1/2.1000 . v2

V=4,626 m/s

Q=A.v

10=14π d2 .4,626

d=1,659 m