POTENSI PEMANFAATAN CURAH HUJAN SEBAGAI
SUMBERDAYA PEMBANGKIT LISTRIK NANOHIDRO
EDYANTO
DEPARTEMEN GEOFISIKA DAN METEOROLOGI
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Potensi Pemanfaatan Curah Hujan sebagai Sumberdaya Pembangkit Listrik Nanohidro adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, September 2014
Edyanto
ABSTRAK
EDYANTO. Potensi Pemanfaatan Curah Hujan sebagai Sumberdaya Pembangkit Listrik Nanohidro. Dibimbing oleh BREGAS BUDIANTO.
Sumberdaya air menjadi sumber energi alternatif yang saat ini banyak digunakan oleh berbagai negara berkembang maupun negara maju sebagai sumber utama pembangkit listrik nasional. Umumnya, pembangkit listrik yang menggunakan sumberdaya air memerlukan aliran yang besar dari sungai maupun melalui bendungan. Sedangkan, pemanfaatan curah hujan untuk menghasilkan energi listrik masih belum banyak dilakukan. Pembangkit listrik nanohidro yang dikembangkan dalam penelitian ini memanfaatkan curah hujan yang jatuh langsung ke permukaan bangunan. Alat ini memiliki ukuran kecil dan dapat dipindah-pindahkan (portable/moveable) dengan sitem kerja alat yang sederhana sehingga dapat mempermudah penggunaannya. Akibat besar curah hujan yang berubah-ubah sepanjang waktu, maka dalam pemanfaatannya air yang jatuh ke permukaan bangunan dikondisikan terlebih dahulu hingga mencapai batas debit minimum yang dibutuhkan untuk memutar dan mempertahankan perputaran turbin. Debit minimum yang dibutuhkan untuk memutar dan mempertahankan turbin adalah sebesar 5 liter perdetik dan 4 liter perdetik. Pembangkit listrik nanohidro memiliki efisiensi alat sebesar 5,23% dengan nilai efisiensi generator dan efisiensi turbin sebesar 40,96% dan 12,76%. Turbin dari pembangkit listrik ini dapat berputar dengan kecepatan 60 rpm pada ketinggian head aliran 0,4 meter dan debit aliran sebesar 5 liter perdetik. Dengan kecepatan putar turbin tersebut, pembangkit listrik nanohidro dapat menghasilkan daya sebesar 2 watt dan dapat menghidupkan lampu LED 3 watt dengan tingkat penyalaan kriteria terang.
ABSTRACT
EDYANTO. Rainfall Potential Utilization as Nanohydro Resources Energy. Supervised by BREGAS BUDIANTO.
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains
pada
Departemen Geofisika dan Meteorologi
POTENSI PEMANFAATAN CURAH HUJAN SEBAGAI
SUMBERDAYA PEMBANGKIT LISTRIK NANOHIDRO
DEPARTEMEN GEOFISIKA DAN METEOROLOGI
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR
Judul Skripsi : Potensi Pemanfaatan Curah Hujan sebagai Sumberdaya Pembangkit Listrik Nanohidro
Nama : Edyanto NIM : G24100019
Disetujui oleh
Ir Bregas Budianto, Ass.Dipl Pembimbing I
Diketahui oleh
Dr Ir Tania June, M.Sc Ketua Departemen
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala karunia-Nya sehingga penelitian dan penulisan karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Judul yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Maret 2014 ini ialah Potensi Pemanfaatan Curah Hujan sebagai Sumberdaya Pembangkit Listrik Nanohidro.
Terima kasih penulis ucapkan kepada:
1. Bapak Ir Bregas Budianto, Ass.Dipl selaku dosen pembimbing yang telah membimbing penulis selama penelitian dan penulisan tugas akhir.
2. Bapak Prof Dr Ir Hidayat Pawitan, MS selaku dosen pembimbing akademik yang telah banyak mengarahkan penulis.
3. Bapak Dr Perdinan, MNRE yang telah banyak memberi saran.
4. Para dosen dan staf Departemen Geomet yang telah banyak memberi ilmu dan membantu penulis selama kuliah.
5. Ayah, ibu, kakak dan adik serta seluruh keluarga atas segala doa dan kasih sayangnya.
6. Team PKM 2014 (Furqon, Gigih, Bude, Desul dan Ina), kak Khabib dan kak Sholah yang telah membantu penulis selama penelitian berlangsung. 7. Seluruh sahabat GFM 47 (Shailla, Em, Murni, Dety, Enggar, Mani, Daus, Thaisir, Nunung, Fiqih, Aulia, Indy, Aret, Rifqi, Iftah, Haikal, Basit, Hamzah, Ernat, Icha, Irza, dede Icha, Ryan, Putri, Pipit, Neni, Nani, Onif, Linda, Hima, Alan, Arisal, Jidin, Fey, Dede, Jeffry, Duwi, Aji, Mail, Angga, Fitri, Givo, Anggi, Hasby, Disty, Jeny, Niki, Dirgha, Ade, Reza, Ghalib, Hendy, Lira, Hasan, Bayu, Frimadi, Rony, Andrini dan Rizal) dan anggota SUIJI atas semangat dan doanya.
8. Direksi CV PI-AREA atas dorongan dan wawasannya.
9. Special thank’s penulis sampaikan kepada Resti Salmayenti, S.Si yang telah banyak membantu dan memberi saran, semangat serta pengetahuan selama kuliah maupun penyelesaian tugas akhir.
Semoga karya ilmiah ini dapat memberikan pengetahuan dan bermanfaat bagi yang memerlukannya.
Bogor, September 2014
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL vi
DAFTAR GAMBAR vi
DAFTAR LAMPIRAN vi
PENDAHULUAN 1
Latar Belakang 1
Tujuan Penelitian 2
METODOLOGI 2
Waktu dan Tempat 2
Alat dan Bahan 2
Metode Penelitian 3
HASIL DAN PEMBAHASAN 8
SIMPULAN DAN SARAN 16
Simpulan 16
Saran 17
DAFTAR PUSTAKA 18
LAMPIRAN 20
DAFTAR TABEL
1 Nilai hasil pengukuran tegangan dan arus sesaat setiap kumparan 10
DAFTAR GAMBAR
1 Konstruksi pembuatan turbin 3
2 Konstruksi pembuatan generator 4
3 Diagram alir metode penelitian 7
4 Skema sistem pembangkit listrik nanohidro yang dikembangkan 8 5 Grafik hubungan hasil pengukuran tegangan dan arus terhadap jumlah
lilitan kawat yang digunakan 9
6 Grafik hasil pengukuran tegangan (volt) sesaat pada jumlah kumparan
yang berbeda dengan rangkaian seri 11
7 Grafik hasil perhitungan arus (mA) sesaat pada jumlah kumparan yang
berbeda dengan rangkaian seri 12
8 Grafik proyeksi hubungan head aliran pada sepuluh skenario debit air
terhadap daya yang dapat dihasilkan 13
9 Grafik hubungan debit air dan head aliran saat turbin mulai berputar dan turbin sudah berputar (untuk turbin yang didesain) 15
DAFTAR LAMPIRAN
1 Hasil pengukuran perubahan panjang pegas terhadap penambahan
volume air 20
2 Contoh perhitungan 20
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Energi dibutuhkan sebagai penunjang kehidupan manusia, salah satu bentuk energi yang tidak lepas dari aktivitas sehari-hari adalah energi listrik. Hampir semua sektor terikat dengan listrik, mulai dari sektor industri, pendidikan, transportasi, hingga kesehatan. Pesatnya laju pertumbuhan pembangunan perlu didukung dengan kebutuhan listrik yang besar, hal ini akan berdampak terhadap lingkungan.
Penggunaan bahan bakar fosil sebagai sumber energi untuk menghasilkan energi listrik menghasilkan berbagai jenis bahan pencemar atau polutan, hal ini berakibat pada menurunnya kualitas lingkungan. Polutan yang dihasilkan bahan bakan fosil biasanya dikelompokan menjadi hidrokarbon (HC), nitrogen oksida (NOx), dan karbon monoksida (CO) yang dapat menyebabkan terjadinya asap, hujan asam dan pemanasan global serta perubahan iklim (Astra 2010). Menurut EIA (2007), produksi minyak Indonesia cenderung mengalami penurunan dari tahun 1980 hingga 2006, sebaliknya tingkat konsumsi masyarakat terhadap minyak justru mengalami peningkatan yang signifikan, bahkan melebihi total produksi pada tahun 2004.
Peningkatan jumlah penduduk yang disertai peningkatan gaya hidup masyarakat Indonesia dapat mempengaruhi konsumsi energi listrik nasional Indonesia. Berdasarkan data dari PLN Statistic and Electricity, Directorate General of Electricity, konsumsi energi listrik nasional dari tahun 2000 hingga tahun 2012 terus mengalami peningkatan yang cukup signifikan. Pada tahun 2012, total produksi energi listrik dari berbagai jenis pembangkit listrik yang terdiri dari PLTA, PLTP, PLTU batubara, PLTU minyak, PLTU gas, PLTU biomas, PLTG, PLTGU, PLTD, PLTS dan PLT angin yaitu sebesar 197,328 GWh dengan rata-rata peningkatan produksi energi listrik setiap tahunnya sebesar 8 GWh (Pusdatin ESDM 2013).
Energi listrik alternatif merupakan energi yang ramah lingkungan karena tidak mengeluarkan emisi gas pencemar ke udara (Adaganti et al.
2013; Setyaningsih 2011). Istilah ini merujuk kepada sumber energi yang digunakan untuk menggantikan penggunaan bahan bakar konvensional, yaitu bahan bakan fosil. Beberapa sumber energi alternatif yang telah dimanfaatkan dan diaplikasikan pada berbagai bidang, diantaranya adalah energi air, angin, sinar matahari, biogas, pasang surut dan ombak.
2
sungai atau air terjun alam dan membutuhkan biaya operasional yang cukup tinggi. Besarnya biaya pembuatan dan perawatan merupakan salah satu kendala dalam penerapan teknologi ini.
Sebagai kawasan tropis yang kondisi atmosfernya di pengaruhi oleh berbagai macam fenomena iklim, Indonesia merupakan satu-satunya kawasan unik di daerah ekuator yang disebut Benua Maritim Indonesia (BMI) dengan potensi curah hujan yang besar (Hermawan 2010). Potensi curah hujan yang berlimpah ini seharusnya dapat dimanfaatkan, salah satunya sebagai sumber energi pembangkit listrik. Saat ini, belum banyak sumber energi pembangkit listrik yang menggunakan energi potensial dari air hujan yang jatuh langsung ke permukaan bumi (Tinaikar 2013). Padahal, sumber utama input air dalam berbagai aliran air adalah curah hujan. Sehingga, dalam penelitian ini dilakukan perancangan sebuah alat pembangkit listrik dengan sumber energi dari potensi curah hujan dengan memanfaatkan energi potensial curah hujan yang jatuh pada permukaan bangunan yang dapat diterapkan di saluran air bangunan.
Tujuan Penelitian
1. Menciptakan pembangkit listrik dengan memanfaatkan energi potensial curah hujan.
2. Mengetahui efisiensi dan besar daya yang dapat dihasilkan generator yang dikembangkan.
METODOLOGI
Waktu dan Tempat
Penelitian berlangsung pada bulan Februari 2014 sampai bulan Juli 2014 di Workshop Instrumentasi Departemen Geofisika dan Meteorologi Institut Pertanian Bogor.
Alat dan Bahan
Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah:
1. Seperangkat personal computer (PC) dengan perangkat lunak microsoft office 2013
2. Multimeter (DVM).
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah: 1. Magnet neodymium
2. Pipa PVC diameter 5” dan 4” 3. Kipas (blade) fan DC
4. Kawat email diameter 0,5mm
3 Metode Penelitian
Tahap Penentuan Desain
Tahap desain ialah tahap merancang arsitektur dan bentuk alat. Bentuk alat yang diinginkan adalah mudah dibawa serta ukuran dan bentuk yang efisien dan mudah digunakan diberbagai situasi dan kondisi sumber energi (sumberdaya air).
Tahap Pembuatan Alat
Langkah 1. Pembuatan Turbin. Turbin di buat menggunakan kipas fan DC sebanyak enam buah yang disatukan menjadi sebuah turbin dalan satu kesatuan. Untuk membuat struktur turbin kuat, maka digunakan sebuah as dari batang logam antara enam kipas. Turbin yang sudah dibuat, dipasang pada pipa PVC 4” sebagai media untuk menempelkan magnet. Magnet neodymium sebanyak 308 buah diletakkan dalam dua lapis magnet dengan posisi 22 kolom dan 7 baris di sepanjang pipa.
Gambar 1 Konstruksi pembuatan turbin
4
pengukuran lagi, hal tersebut terus dilakukan hingga tidak terjadi peningkatan nilai tegangan maupun arus. Kumparan dibuat sebanyak 22 buah dengan jumlah lilitan optimal. Kumparan dipasang pada pipa PVC 5” dan di satukan dengan pipa 4” tempat dipasangnya turbin dan magnet. Semua kumparan disambungkan dengan cara seri untuk mengoptimalkan pemanenan energi sesuai perpindahan fase magnet, sehingga didapatkan dua bagian kawat sebagai media pengaliran arus lisrik yang dihasilkan.
Gambar 2 Konstruksi pembuatan generator
Tahap Uji Coba
1. Uji coba kumparan
Setiap kumparan dilakukan pengukuran tegangan dan arus. Kemudian dilanjutkan pengukuran tegangan dan arus saat kumparan pertama disambungkan secara seri dengan kumparan kedua, dan seterusnya hingga kumparan ke-22.
2. Uji coba alat
5 Tahap Pengukuran Efisiensi Alat
Perhitungan nilai efisiensi alat diperoleh melalui dua jenis efisiensi, yaitu efisiensi turbin dan generator dan ditunjukkan dengan persamaan (Murehwa et al. 2012):
ηA= ηT x ηG x % Keterangan:
ηA : efisiensi alat (%)
ηT : efisiensi turbin
ηG : efisiensi generator
A. Perhitungan nilai efisiensi turbin. Efisiensi turbin diperoleh dengan rumus berikut (Elliott 1989; Valenzuela and Mainak 2003):
ηT =PP
a x %
Keterangan:
Pk : daya yang dihasilkan ketika turbin sudah berputar(watt)
Pmaks : daya maksimal yang dapat dihasilkan (watt)
Sebelum mendapatkan efisiensi turbin, perlu dihitung nilai daya yang dihasilkan ketika turbin sudah berputar dan daya maksimum yang dapat dihasilkan dengan rumus (Martin and Shrivastava 2013; Tinaikar 2013):
P = F x s
P a = Q x g x x h
Keterangan:
Fk : gaya kinetis (Newton)
s : kelG : keliling generator (m)
Q : debit air (m3/s)
g : percepatan gravitasi (9,8 m/s2)
⍴ : massa jenis air (Kg/m3) h : head aliran (meter)
Untuk mendapatkan besarnya nilai daya ketika turbin sudah berputar, diperlukan nilai gaya kinetis, dimana (Elliott 1989):
F = Δx x F ega
F ega = m. g Keterangan:
Fpegas : gaya pegas tiap 1 cm (Newton/cm)
Δxk : perubahan panjang pegas ketika turbin sudah berputar(cm)
6
B. Perhitungan nilai efisiensi generator. Efisiensi generator diperoleh dengan rumus berikut (Elliott 1989; Valenzuela and Mainak 2003):
ηG= PP x AC %
Keterangan:
PAC : daya arus AC (watt)
Untuk menghitung efisiensi generator diperlukan nilai daya arus AC. Nilai ini diperoleh dari rumus (Budiman et al. 2012; Kuecken 1979):
PAC = i x V V = i x R Keterangan:
V : tegangan (volt) i : arus (ampere) R : hambatan (Ω)
C. Perhitungan debit untuk menggerakkan turbin. Terdapat dua jenis debit yang dibutuhkan yaitu debit saat turbin mulai berputar dan saat turbin telah berputar. Besar debit untuk menggerakkan turbin saat mulai berputar dihitung dengan rumus berikut (Elliott 1989; Taufik 2012):
Q =g x x hF x s
F = Δx x F ega
Keterangan:
Fs : gaya statis (Newton)
Qs : debit untuk menggerakkan turbin ketika turbin mulai berputar(L/s)
Δxs : perubahan panjang pegas ketika turbin mulai berputar(cm)
Sedangkan rumus untuk menghitung debit yang dibutuhkan saat turbin telah berputar adalah (Elliott 1989; Taufik 2012):
Q =g x x hF x s
Keterangan:
Qk : debit untuk menggerakkan turbin ketika turbin sudah berputar(L/s)
D. Perhitungan daya optimal yang dapat dihasilkan alat. Untuk menentukan besar daya yang dihasilkan oleh pembangkit listrik nanohidro dapat dihitung melalui persamaan berikut (Warsito et al. 2011):
P i a = Q x g x h x x ηT x ηG
Keterangan:
7
Gambar 3 Diagram alir metode penelitian No
No
Yes Yes Mulai
Penentuan desain
Pembuatan turbin dan kumparan
Uji coba kumparan
Pembuatan generator
Uji coba alat
Arus (i)
Tegangan (V) = i x R Hambatan (R)
Daya arus AC (PAC) = i x V
Gaya Kinetis (Fk) = Δx x F ega
Daya turbin sudah berputar (Pk) = F x s
Efisiensi generator (ηG) = PAC
Pk x %
Efisiensi turbin (ηT)
= Pk
Pmaks x %
Efisiensi alat (ηA) = ηT x ηG x %
Daya optimal (Poptimal) = Q x g x h x ηT x ηG
Debit aliran (Q)
Head
aliran (h)
Selesai Gaya pegas (Fpegas) = m x g
Daya maksimal (Pmaks) =
8
Energi listrik
HASIL DAN PEMBAHASAN
Analisis Sistem Kerja Pembangkit Listrik Nanohidro
Pembangkit listrik nanohidro merupakan teknologi pemanen energi yang berasal dari sumber daya air. Pembangkit listrik ini memiliki ukuran yang lebih kecil dibandingkan pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH), sehingga daya yang dihasilkan dari teknologi ini juga lebih kecil daripada PLTMH. Penerapan dari pembangkit listrik nanohidro juga lebih mudah dan tidak memerlukan tempat yang luas.
Gambar 4 Skema sistem pembangkit listrik nanohidro yang dikembangkan
Dari gambar 4 menjelaskan bahwa sistem kerja pembangkit listrik bersumber dari hujan yang kemudian dialirkan ke penampungan sebagai titik pengkondisian lalu dialirkan ke turbin dan generator. Pada umumnya, turbin dan generator pembangkit listrik terpisah satu sama lain (Vineesh and Immanuel 2012). Akan tetapi hal ini tidak terjadi pada pembangkit listrik nanohidro, turbin dan generator pada alat ini menjadi satu kesatuan sehingga sistem kerja dan ukurannya lebih sederhana. Adanya titik pengkondisian pada alat ini berfungsi sebagai pengatur debit aliran. Apabila curah hujan yang turun kecil maka tidak menjadi kendala, karena debit air yang kecil akan ditampung terlebih dulu dan terakumulasi, setelah memenuhi batas debit minimum yang diperlukan untuk memutar turbin maka tampungan air tersebut akan dialirkan ke turbin dan generator. Jika curah hujan yang terjadi besar dan sesuai dengan batas minimum yang dibutuhkan, maka aliran
Aliran keluar Turbin dan
generator
Curah hujan
Energi potensial
Energi kinetik Pengkondisian
9 tersebut tidak perlu dikondisikan melainkan langsung dialirkan. Debit air yang dialirkan keluar dari titik pengkondisian memiliki energi potensial yang dapat menggerakkan turbin sehingga energi tersebut berubah menjadi energi kinetik yang selanjutnya perputaran turbin tersebut dapat menginduksi generator di bagian luarnya dan kemudian menghasilkan energi listrik (Tumbelaka dan Mohammad 2011).
Dengan ukuran yang lebih kecil dan sistem yang lebih sederhana dibandingkan PLTMH, maka pembangkit listrik nanohidro memiliki kemudahan untuk dipindah-pindahkan (portable/moveable) sesuai dengan keperluan. Kelebihan ini jelas mempermudah pengguna dalam pemenuhan kebutuhan akan energi listrik dengan memanfaatkan sumber daya air yang tersedia disekitar. Selain itu, pembangkit listrik nanohidro tidak memerlukan memerlukan dam, waduk atau bendungan. Hanya menggunakan pengkondisian sederhana untuk memanfaatkan debit aliran langsung yang kecil dan berubah-ubah (Taufik 2012).
Analisis Jumlah Lilitan Optimal
Gambar 5 Grafik hubungan hasil pengukuran tegangan dan arus terhadap jumlah lilitan kawat yang digunakan
10
magnet dan medan magnet. Selain itu, ukuran kawat juga mempengaruhi nilai tegangan dan arus yang dihasilkan. Ukuran kawat yang besar dapat menghasilkan arus yang lebih tinggi dibandingkan kawat yang kecil. Sedangkan ukuran kawat yang kecil dengan jumlah lilitan yang lebih banyak dapat menghasilkan tegangan yang lebih tinggi dibandingkan ukuran kawat yang besar (Budiman et al. 2012).
Grafik pada gambar 5 menunjukkan nilai tegangan dan arus yang dihasilkan oleh suatu kumparan kawat dengan jumlah lilitan yang berbeda. Pada grafik terlihat bahwa peningkatan jumlah kawat menyebabkan peningkatan tegangan dan juga arus secara linear. Setiap penambahan 20 lilitan, maka rata-rata terjadi peningkatan tegangan sebesar 0,27 volt dan peningkatan arus sebesar 0,0018 mA. Namun peningkatan nilai tersebut hanya terjadi hingga jumlah lilitan sebanyak 120, nilai tegangan dan arus mengalami penurunan yang signifikan setelah jumlah lilitan melampaui 120 lilitan. Dari grafik tersebut maka diketahui bahwa jumlah lilitan optimal yang menghasilkan nilai tegangan dan arus maksimum adalah 120 lilitan. Jumlah lilitan ini diterapkan untuk pembuatan 22 kumparan untuk generator.
Analisis Nilai Tegangan dan Arus yang Dihasilkan Pembangkit Listrik Nanohidro
Tabel 1 Nilai hasil pengukuran tegangan dan arus sesaat setiap kumparan Kumparan ke- Tegangan (volt) Arus (mA)
11
Besarnya tegangan dan arus sesaat yang dihasilkan oleh setiap kumparan yang digunakan pada alat pembangkit listrik nanohidro ini diukur dan ditampilkan pada tabel 1. Pengukuran dilakukan saat turbin berputar, namun perputaran turbin tersebut tidak menggunakan tenaga potensial air hujan melainkan menggunakan tangan. Pada tabel terlihat bahwa 18 dari 22 kumparan yang digunakan dapat menghasilkan tegangan masing-masing berkisar 0.2 hingga 0.8 volt dan arus yang dihasilkan saat turbin diputar sekitar 20-90 mA. Empat kumparan lainnya cenderung menghasilkan tegangan dan arus yang bernilai kecil, berkisar 0.03-0.08 dan 10-20. Tegangan dan arus yang dihasilkan kecil dapat disebabkan oleh posisi penempatan kumparan yang tidak sesuai dengan perubahan fase magnet sehingga energi hasil induksi yang berasal dari magnet tidak dapat dipanen secara efisien.
Rangkaian penggabungan kumparan sangat menentukan peningkatan tegangan dan arus yang dihasilkan. Kumparan yang digabung secara seri akan meningkatkan nilai tegangan bahkan terkadang berlipat ganda atau merupakan penjumlahan nilai tegangan antara kumparan yang satu dengan yang lainnya, namun hal ini tidak terjadi pada nilai arus. Rangkaian seri hanya sedikit meningkatkan nilai arus dan peningkatan tersebut akan cepat mencapai tingkat kejenuhan. Sebaliknya, kumparan yang digabung secara paralel akan meningkatkan nilai arus secara signifikan tetapi hal ini tidak terjadi pada nilai tegangan (Mackichan 2010).
Gambar 6 Grafik hasil pengukuran tegangan (volt) sesaat pada jumlah kumparan yang berbeda dengan rangkaian seri
Gambar 6 menunjukkan nilai tegangan sesaat yang keluar dari generator nanohidro saat satu kumparan digabungkan secara seri dengan kumparan lainnya, hingga tergabung 22 kumparan. Pada grafik terlihat bahwa semakin banyak kumparan yang digabungkan secara seri, maka nilai
12
tegangan yang dihasilkan juga akan semakin tinggi. Satu kumparan menghasilkan 0.2-0.4 volt, saat digabungkan dengan satu kumparan lainnya, maka terjadi penigkatan sekitar 0.2-0.3 volt, hingga saat 22 kumparan digabung menghasilkan 4.6 volt.
Gambar 7 Grafik hasil perhitungan arus (mA) sesaat pada jumlah kumparan yang berbeda dengan rangkaian seri
Hasil perhitungan besar arus sesaat yang dihasilkan oleh alat nanohidro terlihat pada gambar 7. Sama halnya dengan nilai tegangan, hasil pengukuran arus juga mengalami peningkatan seiring dengan digabungnya atau dihubungkannya antara satu kumparan dengan kumparan lainnya. Satu kumparan menghasilkan arus berkisar 5-10 mA, dan setiap penambahan satu kumparan, umumnya terjadi peningkatan arus berkisar 5 mA. Nilai arus mencapai optimal saat 22 kumparan telah digabungkan secara seri sehingga arus sesaat yang dihasilkan mencapai 110-115 mA.
Analisis Efisiensi Pembangkit Listrik Nanohidro
Nilai efisiensi pembangkit listrik nanohidro didapatkan dari besar efisiensi generator dan efisiensi turbin. Dari hasil pengukuran arus dan hambatan yang dilakukan yakni 0,16 A dan 40 Ω, diketahui nilai tegangan sebesar 6,4 volt . Karena sistem menghasilkan daya arus bolak-balik yang disebut arus AC, maka nilai tegangan tersebut menghasilkan daya arus AC sebesar 1,024 watt. Untuk menghitung efisiensi generator dibutuhkan nilai daya turbin kinetik yang diperoleh dari besaran sebesar 0,98 Newton/cm dengan nilai perubahan panjang pegas yang berputar 8 cm sehingga menghasilkan gaya kinetik 7,84 Newton. Daya turbin kinetik juga dipengaruhi bentuk fisik turbin berupa keliling generator yang berukuran 0,319 meter, sehingga menghasilkan daya turbin kinetik sebesar 2,5 watt. Nilai efisiensi generator (ηG) dihitung dari nilai daya arus AC dan daya turbin
13
ηG= , , watt x watt % = , %
Sama halnya dengan efisiensi generator, untuk mengetahui efisiensi turbin yang dikembangkan diperlukan nilai daya turbin kinetik yaitu sebesar 2,5 watt dengan daya maksimal yang bisa dihasilkan saat turbin berputar sebesar 19,6 watt, sehingga diperoleh besar efisiensi turbin (ηT) adalah:
ηT = , watt, watt x % = , %
Efisien turbin yang dihasilkan kecil dapat disebabkan karena pengaruh sudut turbin yang tidak dapat memanen energi potensial air dengan efektif (momentum dari sudut kemiringan turbin relatif masih rendah). Hal ini terjadi karena turbin yang digunakan merupakan kipas van DC yang sudah ada dengan desain sudut kemiringan rendah yang dirancang untuk merubah energi listrik menjadi energi kinetik supaya dapat menghasilkan angin yang kencang atau besar. Sedangkan alat yang dikembangkan memanen energi potensial air menjadi energi kinetik kemudian menjadi energi listrik. Oleh karena itu, untuk meningkatkan nilai efisiensi turbin diperlukan desain atau bentuk turbin yang lebih tepat dengan sudut kemiringan yang lebih besar (momentum yang lebih besar).
Tinggi atau rendahnya efisiensi alat tergantung pada kinerja sistem dari turbin dan generator. Dari hasil perhitungan didapatkan efisiensi turbin 12,76% dan efisiensi generator 40,96%, sehingga efisiensi dari alat ini (ηA)
menjadi:
ηA = , x , x % = , %
Analisis Daya Optimal yang dapat Dihasilkan Pembangkit Listrik Nanohidro
Gambar 8 Grafik proyeksi hubungan head aliran pada sepuluh skenario debit air terhadap daya yang dapat dihasilkan
0
18-20 16-18 14-16 12-14 10-12 8-10 6-8 4-6 2-4 0-2
14
Kinerja alat dapat dilihat dari daya optimal yang dihasilkan, hal ini menunjukkan berapa besar daya listrik yang bisa dimanfaatkan. Nilai ini dipengaruhi oleh efisiensi dari alat tersebut dan debit serta head aliran air yang dimanfaatkan sebagai sumber energi listrik.
Gambar 8 menunjukkan nilai daya optimal yang dapat dihasilkan oleh pembangkit listrik nanohidro terhadap perbedaan head aliran pada sepuluh skenario nilai debit yang berbeda. Perhitungan dilakukan pada sebuah gedung kuliah Institut Pertanian Bogor dengan asumsi luas atap bangunan sebesar 678 meter2 yang terbagi menjadi dua sisi. Namun nilai debit yang digunakan pada perhitungan ini hanya debit dari salah satu sisi bagian bangunan dengan luas atap 339 meter2.
Dari grafik terlihat bahwa semakin tinggi head aliran, maka daya yang dihasikan akan semakin tinggi. Setiap penambahan jarak 0,1 meter dengan nilai debit yang sama akan meningkatkan daya yang dihasilkan sebesar 0,5 watt. Peningkatan daya yang terjadi disebabkan oleh meningkatnya energi potensial air hujan yang jatuh melalui pipa dengan jarak yang semakin jauh serta akibat adanya faktor percepatan gravitasi (Tinaikar 2013).
Selain melihat pengaruh ketinggian terhadap daya yang dihasilkan, besar debit air yang keluar dari pipa juga mempengaruhi daya. Debit dipengaruhi oleh massa air, dan massa air merupakan faktor penentu terhadap besarnya energi yang akan dihasilkan. Pada grafik terlihat bahwa kenaikan nilai debit akan mempengaruhi besar daya. Dari sepuluh skenario yang dilakukan dengan nilai debit 0-20 liter perdetik, peningkatan debit sebesar 1 liter perdetik menyebabkan peningkatan daya sebesar 0,1 watt pada ketinggian head aliran yang sama. Jika pada skenario tersebut juga diperlakukan peningkatan ketinggian, dimana setiap peningkatan ketinggian sebesar 0,1 meter akan menghasilkan pertambahan daya sebesar 0,5 watt hingga 2 watt untuk setiap peningkatan ketinggian antara 0,1-4 meter. Jadi, daya optimal yang dapat dihasilkan alat sangat dipengaruhi oleh besarnya debit air dan ketinggian antara alat nanohidro dengan head aliran.
Analisis Pergerakan Turbin Pembangkit Listrik Nanohidro
15 coba, perbedaan tersebut berkisar 3,5 kali hasil perhitungan debit minimum untuk mulai menggerakkan turbin dan 6,7 kali hasil perhitungan debit minimum untuk mempertahankan perputaran turbin. Hal ini dapat terjadi karena disebabkan oleh pengaruh gaya gesek pada poros turbin yang semakin besar ketika aliran air melewati poros dan penyangga turbinnya. Selain itu, ketidakseimbangan perputaran turbin juga menjadi salah satu faktor penyebab terjadinya hal tersebut (Ladino 2004).
Dari hasil uji coba juga diketahui debit aliran 5 liter perdetik menghasilkan kecepatan putar turbin sebesar 60 rotasi permenit (rpm) pada
head aliran 0,4 meter. Kecepatan putaran ini dapat menghidupkan lampu LED 1 watt, 3 watt ,5 watt , 7 watt dan 9 watt dengan tingkat penyalaan lampu masing-masing terang, cukup terang, redup, sangat redup dan tidak nyala. Secara umum, daya yang dihasilkan oleh alat tidak jauh berbeda dengan hasil perhitungan sebelumnya yaitu sebesar 1 watt pada debit aliran atau kecepatan putar turbin dan ketinggian head aliran yang sama. Untuk meningkatkan daya yang dapat dihasilkan generator dapat dilakukan dengan penambahan debit aliran yang mempengaruhi kecepatan putar turbin menjadi semakin tinggi sehingga dapat menghasilkan nilai tegangan dan arus yang lebih tinggi pula kemudian mengalirkan daya yang semakin besar (Warsito et al. 2011). Analisis Debit Air dan Head Aliran Optimal
Gambar 9 Grafik hubungan debit air dan head aliran saat turbin mulai berputar dan turbin sudah berputar (untuk turbin yang didesain) Pergerakkan turbin sangat ditentukan oleh besarnya debit aliran dan ketinggian head aliran. Semakin besar debit yang mengalir dan semakin tinggi head alirannya maka energi potensial yang dimiliki air akan semakin besar sehingga semakin mudah memutar turbin dan mempertahankan perputaran tersebut (Martin and Shrivastava 2013). Gambar 9 menunjukkan hubungan nilai debit dengan head aliran yang dapat menyebabkan turbin mulai berputar dan mempertahankan perputaran turbin. Pada grafik terlihat
16
hubungan dan pola yang sama antara nilai debit dan head aliran yang dibutuhkan baik untuk menggerakkan turbin maupun untuk mempertahankan agar turbin tetap berputar. Saat nilai head aliran rendah atau mendekati nol, maka dibutuhkan debit aliran yang tinggi melebihi 10 liter perdetik untuk dapat menggerakkan turbin pembangkit listrik nanohidro, namun saat nilai
head aliran semakin tinggi mencapai satu meter, maka turbin dapat bergerak saat debit aliran rendah atau berkisar 2-6 liter perdetik. Namun saat head
aliran semakin tinggi, melebihi satu meter, maka nilai debit yang dibutuhkan untuk menggerakkan turbin cenderung menurun tetapi tidak signifikan, berkisar antara 1,94 liter perdetik dan menjadi 0,48 liter perdetik saat head
aliran mencapai empat meter. Jadi, untuk menggerakkan dan mempertahankan perputaran turbin dibutuhkan head aliran optimal berkisar antara 0,3-0,6 meter dan debit aliran optimal berkisar antara 3-6 liter perdetik. Analisis Potensial Pemanfaatan Curah Hujan
Berdasarkan hasil proyeksi sebelumnya, dapat disimulasikan dengan curah hujan sebesar 10mm yang jatuh selama satu jam pada suatu atap bangunan (rumah) yang memiliki luas 130 meter2 pada ketinggian head aliran 3 meter dan debit aliran 5 liter perdetik maka dapat menghasilkan daya sebesar 2,08 kilowatt. Jika bangunan atau rumah tersebut berada di kota Bogor dengan rata-rata curah hujan tahunan sebesar 3500mm (Pemprov Jabar 2013), maka pembangkit listrik tersebut dapat menghasilkan daya sebesar 728 kilowatt pertahun. Apabila area tersebut terdapat 1000 unit rumah dengan luas atap bangunan yang sama maka daya yang dapat dihasilkan sebesar 728 megawatt pertahun.
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Pembangkit listrik nanohidro dapat memanfaatkan curah hujan yang jatuh ke permukaan atap bangunan sebagai sumber energi pembangkit listrik. Akibat besar curah hujan yang jatuh berubah-berubah sepanjang waktu, maka dalam pemanfaatannya diperlukan titik pengkondisian untuk mendapatkan debit air yang sesuai dengan batas minimum perputaran turbin. Energi potensial yang dimiliki air hujan dikonversi menjadi energi kinetik dan kemudian menghasilkan energi listrik yang dapat dimanfaatkan oleh pengguna. Pembangkit listrik ini memiliki efisiensi alat sebesar 5,23% dengan nilai efisien generator dan turbin sebesar 40,96% dan 12,76%
17 memiliki hubungan yang sama. Semakin besar debit aliran dan semakin tinggi
head aliran akan menghasilkan perputaran turbin yang semakin cepat, begitu pula dengan sebaliknya. Pada ketinggian head aliran 0,4 meter dan debit aliran 5 liter perdetik atau setara dengan kecepatan putar turbin 60 rpm dapat menghasilkan daya sebesar 2 watt.
Saran
18
DAFTAR PUSTAKA
[EIA] Energy Information Administration Official Energy Statistics from US Government. 2007. Indonesia Country Analysis Briefs [Internet]. [diacu 18 Juli 2014] http://www. eia.doe.gov.
[Pemprov Jabar] Pemerintah Provinsi Jawa Barat. 2013. Kota Bogor [Internet]. [diacu 3 Oktober 2014] http://www.jabarprov.go.id.
[Pusdatin ESDM] Pusat Data dan Informasi Energi dan Sumber Daya Mineral. 2013. Handbook of Energy and Economic Statistics of Indonesia. Jakarta: Ministry of Energy and Mineral Resources Republic of Indonesia.
Adaganti S Y, Basavaraj M K, Gururaj P D, Shivappa S. 2014. Effect of hydrothermal explosion pretreatment on the composition and structure of Calliandra calothyrsus shrub – a lignocellulosic biomass.
International Journal of Renewable and Sustainable Energy 3(1): 1-5. Doi: 10.11648/j.ijrse.20140301.11.
Astra I M. 2010. Energi dan dampaknya terhadap lingkungan. Jurnal Meteorologi dan Geofisika 11(2): 127-135.
Budiman A, Hasyim A, Arief R H. 2012. Desain generator magnet permanen untuk sepeda listrik. Jurnal Emitor 12(1): 59-67. ISSN: 1411-8890. Elliott Thomas C. 1989. Standard Hanbook of Power Plant Engineering.
New York: McGraw-Hill Co.
Hermawan Eddy. 2010. Pengelompokkan pola curah hujan yang terjadi di beberapa kawasan P. Sumatera berbasis hasil analisis teknik spektral.
Jurnal Meteorologi dan Geofisika 11 (2): 75-84.
Kuecken John A. 1979. How to Make Home Electricity from Wind, Water and Sunshine. United States: Tab Books Inc.
Ladino Andres Felipe Rey. 2004. Numerical simulation of the flow field in a friction-type turbine (tesla turbine). [Diploma Thesis]. Colombia: National University of Colombia, School of Engineering.
Mackichan Barry. 2010. Investigations in series and parallel circuit combinations. School Science and Mathematics 60(8): 646-652. Doi: 10.1111/j.1949-8594.1960.tb08462.x.
Martin S and K K Shrivastava. 2013. Feasibility of rainwater harvesting in high rise building for power generation. International Journal of Engineering Trends and Technology 4(3): 522-527. ISSN: 2231-5381. Murehwa G, Davison Z, Wellington T, Samson M. 2012. Energy efficiency improvement in thermal power plants. International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE) 2(1): 20-25. ISSN: 2278-3075.
Polyanin A D and Alexei I C. 2010. A Concise Handbook of Mathematics, Physics, and Engineering Sciences. Chernoutsan: CRC Press.
Setyaningsih Wahyu. 2011. Potensi lapangan panasbumi gedongsongo sebagai sumber energi alternatif dan penunjang perekonomian daerah.
Jurnal Geografi 8(1): 11-14.
19 dan Penerapan MIPA. Yogyakarta: FMIPA Universitas Negeri Yogyakarta.
Tinaikar Aashay. 2013. Harvesting energy from rainfall. International Journal of Renewable and Sustainable Energy 2(3): 130-132. Doi: 10.11648/j.ijrse.20130203.18.
Tumbelaka B Y dan Mohammad T. 2011. Optimization model of nano-hydropower generation design. Prosiding Seminar Nasional Fisika 2011. Serpong: Pusat Penelitian Fisika-LIPI.
Valenzuela J and Mainak M. 2003. Commitment of electric power generators under stochastic market prices. Operations Research 51(6): 880-893. ISSN: 1526-5463.
Vineesh V and A Immanuel S. 2012. Design of micro hydel power plant.
International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT) 2(2): 136-140. ISSN: 2249-8958.
20
LAMPIRAN
Lampiran 1 Hasil pengukuran perubahan panjang pegas terhadap penambahan volume air
Lampiran 2 Contoh perhitungan
Dari hasil pengukuran pembangkit listrik yang dikembangkan, diketahui besar arus = 160 mA atau 0,16 A dan hambatan = 40 Ω
Dengan diketahui data-data sebagai berikut:
Rata-rata ΔV= 10 mL/cm = 10-2 Kg/cm, hasil ini menunjukkan setiap penambahan massa sebesar 10-2 Kg maka akan terjadi penambahan panjang sebesar 1 cm.
21 Pegas yang digunakan adalah karet gelang dan objek bendanya adalah air
F = Δx x F ega
Qs : debit yang dibutuhkan untuk menggerakkan turbin ketika turbin mulai
berputar(L/s)
Qk : debit yang dibutuhkan untuk menggerakkan turbin ketika turbin sudah
berputar(L/s)
Dari hasil uji coba, satu putaran turbin ditunjukkan dengan berkedipnya lampu LED sebanyak 11 kali dalam satu detik dengan debit sebesar 5 liter per detik pada head aliran setinggi 0,4 meter. Sehingga :
P a = Q x g x x h
22
= , watt
Kemudian diperoleh efisiensi turbin (ηT) sebagai berikut:
ηT =PP
a x %
ηT = , watt, watt x %
= , x %
= , %
Selanjutnya diperoleh efisiensi generator (ηG) sebagai berikut:
ηG =PP x AC %
ηG= , , watt x watt %
= , x %
= , %
Jadi, diperoleh efisiensi alat (ηA) sebagai berikut:
ηA = ηT x ηG x %
ηA = , x , x %
= , %
Sehingga untuk menentukan besar daya yang dihasilkan oleh pembangkit listrik nanohidro dapat dihitung melalui persamaan berikut:
P i a = Q x g x h x x ηT x ηG
= . − m s⁄ x , m s⁄ x , m x Kg/m x , x ,
= , watt
Lampiran 3 Hasil pengamatan perbedaan tingkat penyalaan lampu LED dengan daya yang berbeda-beda pada kecepatan putar turbin 60 rpm atau debit 5 L/s
Daya lampu LED (watt) 3 5 7 9 11
Kecepatan putar turbin (rpm) 60
Tingkat penyalaan Terang Cukup
terang Redup
Sangat redup
23
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Singkawang, Kalimantan Barat, pada tanggal 26 Nopember 1991, anak ketiga dari empat bersaudara dari pasangan Bapak Suyanto dan Ibu Melly. Penulis lulus dari SMA N 1 Cikarang Pusat tahun 2010 dan melanjutkan pendidikan di Departemen Geofisika dan Meteorologi Institut Pertanian Bogor melalui jalur mahasiswa undangan (USMI) dan dinyatakan lulus pada bulan September 2014. Selama kuliah, penulis menerima beasiswa Bidikmisi sebagai angkatan penerima pertama.
Selama menjalani perkuliahan, penulis aktif dalam berbagai organisasi kepanitiaan dan mengikuti berbagai pelatihan. Penulis pernah menjadi anggota Badan Eksekutif Mahasiswa Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (BEM FMIPA) dan asisten praktikum mata kuliah Hidrometeorologi dan Analisis Meteorologi. Selain aktif dalam kegiatan kampus, penulis juga aktif di beberapa kegiatan di luar kampus, diantaranya IPB Goes to Field dengan tema Pemetaan Irigasi dan Kesuburan Tanah di Kabupaten Nganjuk, Youth for Climate Camp 2013 dari DNPI dan JICA, serta
Six University Initiative Japan-Indonesia (SUIJI) 2014 di Kabupaten Tegal. Penulis cukup aktif pada kegiatan sosial seperti Bina Cinta Lingkungan (BCL) di desa lingkar kampus dan merupakan salah satu pendiri dari organisasi yang bergerak dibidang lingkungan tersebut yang bernama “sekolah sampah” atau Trashsure Foundation. Selain itu, penulis juga memiliki jiwa enterpreneurship dan berhasil mendirikan usaha yang bergerak dibidang entertainment, pendidikan dan lingkungan yang diberi nama CV PI-AREA, pada usaha ini penulis berposisi sebagai direktur. Semangat dan ketertarikan penulis pada bidang teknik bersama Ir Bregas Budianto, Ass Dipl menghasilkan karya yang diapresiasi oleh Bussiness Innovation Center (BIC) Kementerian Riset dan Teknologi (Kemenristek) yang kemudian dimuat
dalam buku “106 Inovasi” dan menerima dana hibah dalam Program
Kreativitas Mahasiswa (PKM) dari Direktorat Pendidikan Tinggi (Dikti) dengan dua judul bertemakan pembangkit listrik tenaga air dan angin. Dalam PKM tersebut, dengan karya yang diciptakan penulis berhasil lolos pada event
