BAB II
TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Umum
Rekayasa Sumber Daya Air adalah bagian dari pengembangan sumber daya air yang dititik beratkan pada masalah rekayasa dan teknologi pemanfaatan sumber daya air.
Dalam setiap proses yang berlangsung dibatasi oleh kebijakan yang termuat dalam perundang-undangan agar tercipta keselarasan, keseimbangan dan ketertiban dalam proses tersebut. Aspek yang berkaitan dengan perundangan irigasi meliputi aspek sumber daya air (SDA) yang didalamnya mencakup pengelolaan SDA serta kualitas air dan aspek irigasi didalamnya. Berikut ini undang-undang tentang pengairan:
a. UU No. 11 tahun 1974 tentang Pengairan.
b. PP No. 10 tahun 1989 tentang penyediaan dan Pemanfaatan Tenaga Listrik c. PP No. 42 tahun 2008 tentang Pengelolaan Sumber Daya Air.
d. PERMEN ESDM No. 09 tahun 2010 tentang Penetapan dan Pemberlakuan Standar Kompetensi Tenaga Teknik Ketenagalistrikan Bidang Pembangkitan Energi Baru Terbarukan Sub Bidang Konstruksi, Sub Bidang Operasi, Sub Bidang Pemeliharaan dan Sub Bidang Inspeksi.
e. PERMEN ESDM No. 03 tahun 2013 tentang Petunjuk Teknik Penggunaan Dana Alokasi Khusus Bidang Energi Perdesaan tahun Anggaran 2013.
Saat ini Indonesia masih sepenuhnya belum memanfaatkan sumber daya air, Sumber daya air dapat diubah menjadi sumber-sumber energi yang terbarukan.
untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro (PLTM). Kondisi air yang bisa dimanfaatkan sebagai sumber daya penghasil listrik adalah memiliki kapasitas aliran dan ketinggian tertentu. Semakin besar kapasitas aliran maka semakin besar energi yang bisa dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik. Berikut ini skema atau layout keseluruhan sistem PLTM.
Gambar 2.1 Skema Prinsip Kerja PLTM (Sumber: http://ezkhelenergy.blogspot.co.id ) 2.2 Pengertian Daerah Aliran Sungai
Daerah aliran sungai (DAS) adalah daerah yang dibatasi oleh punggung-punggung gunung atau pegunungandimana air hujan yang jatuh di daerah tersebut akan mengalir menuju sungai utama pada suatu titik atau stasiun yang ditinjau. DAS ditentukan dengan menggunakan peta topografi yang dilengkapi dengan garis – garis kontur. Garis garis kontur dipelajari untuk menentukan arah dari limpasan
yang lebih rendah dalam arah tegak lurus dengan garis-garis kontur. Garis yang mengelilingi DAS tersebut merupakan titik-titik tertinggi, air hujan yang jatuh di dalam DAS akan mengalir menuju sungai lain disebelahnya.
Luas DAS diperkirakan degan mengukur daerah itu pada peta topografi, luas DAS sangan berpengaruh terhadap debit sungai. Pada umumnya semakin besar DAS semakin besar jumlah limpasan permukaan sehingga semakin besar pula aliran permukaan atau debit sungai.
2.2.1 Jenis – Jenis Pola Aliran
1. Pola Aliran Radial ( Menjari )
Pola aliran ini berbentuk seperti jari,dibedakan menjadi dua yaitu radial sentrifugal dan radiasi sentripetal.
2. Pola Aliran Dendritik
Pola aliran ini tidak teratur, biasanya terdapatr didaerah dataran atau daerah pantai.
3. Pola Aliran Trelis
Pola aliran sungai ini menyerupai sirip. Sungai semacam ini terdapat di daerah pegunungan lipatan.
4. Pola Aliran Rectanguler
Pola aliran sungai ini saling membentuk sudut siku, pada daerah patahan atau pada batuan yang tingkat kekerasannya berbeda
5. Pola Aliran Anular
Pola aliran ini merupakan pola aliran yang semula merupakan aliran radial sentrifugal, selanjutnya muncul sungai subsekuen yangsejajar, sungai obsekuen dan resekuen.
Gambar 2.2 Pola Aliran Air
( Sumber : http://www.softilmu.com/2014/07/pengertian-dan-jenis-jenis-sungai.html )
2.3 Pengertian Hidrologi
Secara umum hidrologi diartikan ilmu yang mempelajari tentang seluk beluk air, kejadiannya, pergerakan dan distribusi di bumi, baik di atas, pada dan didalam permukaan bumi, tentang sifat fisik, kimia, serta reaksi terhadap lingkungan dan hubungannya dengan kehidupan.
Selain itu Hidrologi adalah ilmu yang mempelajari mengenai kejadian, sirkulasi, dan distribusi air di bumi. Hidrologi adalah ilmu dasar untuk engineer sipil & lingkungan, ahli hidrogeologis, dan ilmuan yang mempelajari bumi. Pokok pembahasan hidrologi menyangkut banjir dan kekeringan, penyediaan air bersih, drainase & pengendalian banjir, dan kualitas air bersih.
Gambar 2.3 Siklus Hidrologi (Triatmodjo, 2008) 2.3.1 Curah Hujan / Klimatologi
Beberapa pengertian yang berhubungan dengan curah hujan antara lain: 1. Hujan (Rain), adalah bentuk tetesan air yang mempunyai garis tengah lebih
dari 0.5 mm atau lebih kecil dan terhambur luas pada suatu kawasan.
2. Curah Hujan (rain fall), adalah banyak air yang jatuh kepermukaan bumi, dalam hal ini permukaan bumi dianggap datar dan kedap, tidak mengalami penguapan dan tersebar merata serta dinyatakan sebagai ketebalan air (rain fall depth, cm, mm).
Data klimatologi terdiri dari :
a. Temperatur, dalam derajat Celcius dapat berupa temperatur rata-rata harian atau sebagai temperatur maksimum dan minimum dalam bulanan.
b. Penyinaran (daily sunshine), dapat diberikan sebagai presentase dari perbandingan penyinaran terhadap panjang hari atau pecahan sebagai lamanya penyinaran dalam jam.
c. Kelembaban udara (air humidity) dapat diberikan sebagai kelembaban relatif dalam persen (relative humidity) atau dalam mbar (vapour pressure)
d. Kecepatan angin (windspeed), dapat diberikan dalam km/hari. 2.3.2 Evapotranspirasi
Evapotranspirasi merupakan gabungan dua proses biofisik yaitu evaporasi dan transpirasi. Evaporasi adalah perpindahan uap air dari permukaan tanah ke atmosfer, sedangkan transpirasi adalah perpindahan uap air melalui tumbuhan menuju atmosfer. Evapotranspirasi merupakan proses yang sangat penting bagi tanaman karena berpengaruh langsung terhadap transport nutrien dan hasil metabolisme tanaman. Selain itu, evapotranspirasi mendapat banyak perhatian karena kehilangan air dari tanaman maupun permukaan tanah dapat berakibat langsung terhadap ketersediaan air. Besar evaporasi sangat dipengaruhi oleh keadaan iklim, meliputi temperatur udara, kecepatan angin, kelembaban udara dan kecerahan penyinaran matahari. Besar transpirasi dipengaruhi oleh keadaan iklim, jenis tanaman, varietas tanaman dan umur tanaman, biasa disebut faktor tanaman.
Beberapa metode telah dikembangkan untuk menduga nilai evapotranspirasi. Pendugaan evapotranspirasi merupakan salah satu langkah penting dalam perencanaan dan pelaksanaan sistem irigasi serta sistem pengelolaan air. Beberapa metode dikembangkan untuk pendugaan nilai evapotranspirasi salah satunya adalah Metode Penmann.
Metode ini merupakan metode yang diadopsi dari metode Penman yang dikombinasikan dengan tahanan aerodinamik dan permukaan tajuk. Metode Penman mengalami berbagai perkembangan sehingga dapat digunakan untuk
menduga evapotranspirasi pada permukaan yang ditanami dengan menambahkan faktor tahanan permukaan (Rs) dan tahanan aerodinamik (Ra). Persamaan ini terdapat parameter penentu pertukaran energi dan berhubungan dengan fluks bidang tanaman (Allen, 1998).
Metode Penmann Modifikasi digunakan untuk menghitung evapotraspirasi. Metode Penman Modifikasi memiliki kelebihan dan kekurangan. Kelebihan tersebut yaitu dapat diaplikasikan secara global tanpa perlu adanya tambahan parameter lain, selain itu metode ini sudah dikalibrasi dengan beberapa software dan beberapa jenis lisimeter (Allen, 1998). Kelemahan utama dalam metode ini adalah membutuhkan data meteorologi yang cukup banyak seperti suhu, kelembaban, kecepatan angin, dan radiasi matahari. Badan pertanian dan pangan PBB (FAO) merekomendasikan rumus Penman untuk dipakai dalam perhitungan ETo. Prinsip rumus untuk menghitung Eto adalah Eto = c . ETo*. ETo sangat dipengaruhi keadaan iklim, sedangkan keadaan iklim sangat berhubungan erat dengan letak lintang daerah. Rumus Penman membutuhkan data terukur:
1. Temperatur udara (t) 2. Kecepatan angin (u) 3. Kelembaban relatif (RH) 4. Kecerahan matahari (n/N) 5. Letak lintang
Rumus Penman adalah sebagai berikut:
ETO = c x ET*, dengan ET* = w (0,75 Rs – Rn1) + (1 – w) f (u) (ea – ed)
W = faktor yang berhubungan dengan temperatur (T) dan elevasi daerah. Untuk daerah Indonesia dengan elevasi antara 0 – 500 m, hubungan harga T dan W.
Rn = Radiasi Netto ekivalen dengan evaporasi (mm/hari) = Rs – Rn1
Rs = radiasi gelombang pendek dalam satuan evaporasi (mm/hari) = (1 - α) Rs = (1 – α) (0.25+0.50n/N)Ra
Ra = radiasi gelombang pendek yang memenuhi batas luar atmosfir (angka angot) yang dipengaruhi oleh letak lintang daerah.
Tabel 2.1 Angka angot (ra) untuk daerah indonesia antara 50 LS sampai 100 LS
Bulan Lintang Utara Lintang Selatan
5 4 2 0 2 4 6 8 10 Januari 13.0 14.3 14.7 15.0 15.3 15.5 15.8 16.1 16.1 Pebruari 14.0 15.0 15.3 15.5 15.7 15.8 16.0 16.1 16.0 Maret 15.0 15.5 15.6 15.7 15.7 15.6 15.6 15.5 15.3 April 15.1 15.5 15.3 15.3 15.1 14.9 14.7 14.4 14.0 Mei 15.3 14.9 14.6 14.4 14.1 13.8 13.4 13.1 12.6 Juni 15.0 14.4 14.2 13.9 13.5 13.2 12.8 12.4 12.6 Juli 15.1 14.6 14.3 14.1 13.7 13.4 13.1 12.7 11.8 Agustus 15.3 15.1 14.9 14.8 14.5 14.3 14.0 13.7 12.2 September 15.1 15.3 15.3 15.3 15.2 15.1 15.0 14.9 13.3 Oktober 15.7 15.1 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7 15.8 14.6 Nopember 14.8 14.5 14.8 15.1 15.3 15.5 15.8 16.0 15.6 Desember 14.6 14.1 14.4 14.8 15.1 15.4 15.7 16.0 16.0
Rn1 = radiasi bersih gelombang panjang (mm/hari)
= f (t) . f (ed) . f (n/N)
f (t) = fungsi temperatur pada gelombang panjang radiasi. f (ed) = fungsi tekanan uap
f (n/N) = fungsi kecerahan = 0,1 + 0,9 n/N
f (u) = fungsi dari kecepatan angin pada ketinggian 2 m dalam satuan (m/dt)
= 0,27 (1 + 0,864 U) U = kecepatan angin (m/dt)
(ea – ed) = perbedaan tekanan uap jenuh dengan tekanan uap yang sebenarnya
ed = ea . Rh
RH = kelembaban udara relatif (%) ea = tekanan uap jenuh (mbar) ed = tekanan uap sebenarnya (mbar)
c = angka koreksi Penman yang memasukkan harga perbedaan kondisi cuaca siang dan malam.
Tabel 2.2 Hubungan Antara t, ea, w dan f(t) T 0 C Mbar ea W F(t) 24.00 29.50 0.735 15.40 25.00 31.69 0.745 15.65 26.00 33.62 0.755 15.90 27.00 35.66 0.765 16.10 28.00 37.81 0.775 16.30 28.60 39.14 0.781 16.42 29.00 40.06 0.785 16.50
Tabel 2.3 Angka Koreksi ( c ) Bulanan untuk Rumus Penmann Bulan C Bulan C Januari 1.04 Juli 0.90 Peruari 1.05 Agustus 1.00 Maret 1.06 September 1.10 April 0.90 Oktober 1.10 Mei 0.90 Nopember 1.10 Juni 0.90 Desember 1.10 2.3.3 Debit Andal
Debit andalan pada umumnya dianalisis sebagai debit rata-rata periode 10 tahuan dengan mempertimbangkan air yang diperlukan dari sungai hilir pengambilan untuk menentukan areal pengairan ataupun sumberdaya air yang dapat dialiri. Debit andalan (dependable flow) adalah debit minimum sungai yang sudah ditentukan untuk kebutuhan pengairan dimana debit minimum sungai dianalisis dari data debit harian sungai.
Dalam keadaan asli ternyata debit andalan dari waktu ke waktu mengalami penurunan seiring dengan fungsi daerah tangkapan air. Penurunan debit andalan dapat menyebabkan kinerja irigasi berkurang yang mengakibatkan pengurangan areal persawahan. Antisipasi keadaan ini perlu dilakukan dengan memasukkan factor koreksi sebesar 80% sampai dengan 90% untuk debit andalan. Faktor koreksi tersebut tergantung pada kondisi perubahan DAS (Direktorat Jendral Pengairan, 1986).
Pada penelitian ini digunakan analisis debit andalan yaitu dengan Metode NRECA dengan konsep water balance.
Debit andalan pada umumnya dianalisis sebagai debit rata-rata untuk periode harian, dua mingguan, dan bulanan. Dalam menghitung debit andalan harus mempertimbangkan air yang diperlukan di hilir pengambilan. Untuk penentuan debit andalan atau volume ada metode analisis yang dapat dipakai yaitu Neraca Air (Water Balance). Dengan menggunakan model neraca air (Water Balance) harga-harga debit bulanan dapat dihitung dari curah hujan bulanan, evapotranspirasi, kelembaban tanah dan tampungan air tanah.
2.3.3.1 Metode Nreca
Metode NRECA adalah salah satu model yang dipakai dalam menghitung ketersediaan air, model ini disarkan pada proses kesetimbangan air yang telah umum yaitu hujan yang jatuh diatas permukaan tanah dan tumbuhan penututp lahan sebagian akan menguap, sebagian akan menjadi aliranpermukaan dan sebagian lagi akan meresap masuk ke dalam tanah. Inflitrasi air akan menjenuhkan tanah permukaan dan kemudain air merambat menjadi perkolasi dan keluar menuju sungai sebagai aliran dasar. Model ini dapat mensimulasi kesetimbangan air bulanan pada suatu daerah tangkapan air dengan tujuan untuk menhitung total run off dari nilai nilai curah hujan bulanan, evapotranspirasi, kelembaban tanah dan ketersediaan air tanah.
Metode NRECA dikembangkan oleh Norman Cranford di USA (1985) untuk data debit bulanan yang merupakan model hujan-limpasan yang relatif sederhana, dimana jumlah parameter model hanya 3 sampai 4 saja. Pada perhitungan ini harus menggunakan tabel koefisien reduksi terhadap penguapan peluh.
Tabel 2.4 Koefisien Koreksi
Data masukan yang diperlukan untuk model NRECA antara lain: a. Data hujan harian/10 harian/ 2 mingguan/ bulanan
b. Evapotranspirasi c. Temperature
d. Intensitas Sinar Matahari e. Kelembaban Relatif f. Kecepatan Angin
g. Kondisi awal kadar kelembaban tanah h. Tampungan awal air tanah
i. Index soil moisture storage capacity pada daerah tangkapan j. Presentase run off yang mengalir pada jalur subsurface k. Presentase air yang masuk menjadi aliran air tanah
Metoda perhitungan yang dilakukan dalam model limpasan NRECA ini menggunakan data hujan bulanan dan evapotranspirasi untuk
menghitung debit bulanan yang terjadi. Persamaan dasar keseimbangan air yang digunakan:
𝑹𝒐 = 𝑷 − 𝑨𝑬 + ∆𝑺 Dimana :
AE = Penguapan aktual (mm)
ΔS = Perubahan tampungan (mm)
RO = Aliran permukaan (mm)
Beberapa parameter karakteristik daerah tangkapan yang digunakan dalam model limpasan ini diuraikan sebagai berikut :
NOMINAL (Index soil moisture storage capacity pada daerah tangkapan)
PSUB (Persentase runoff yang mengalir pada jalur subsurface) GWF (Persentase air yang masuk menjadi aliran air tanah) Karakteristik-karakteristik terrsebut dapat diperkirakan dengan cara sebagaimana berikut:
o NOMNAL
100 + C*(hujan tahunan rata-rata), Dimana:
C = 0.2 Untuk daerah dengan hujan sepanjang tahun
C < 0.2 Untuk daerah dengan hujan musiman.
Hujan NOMINAL dapat dikurangi hingga 25 % untuk daerah dengan tetumbuhan terbatas dan penutup tanah yang tipis.
o PSUB
PSUB = 0.5, untuk daerah tangkapan hujan yang normal/biasa
0.3<PSUB<0.5 , untuk daerah dengan akuifer terbatas dan lapisan tanah yang tipis.
o GWF
GWF = 0.5, untuk daerah tangkapan hujan yang normal/biasa,
0.5<GWF≤0.8, untuk daerah yang memiliki aliran menerus yang kecil,
0.2≤GWF<0.5, untuk daerah yang memiliki aliran menerus yang dapat diandalkan.
Pemilihan parameter karakteristik NOMINAL, PSUB dan GWF dilakukan dengan coba-coba sehingga koefisien korelasi antara debit aktual dan model mendekati satu. Langkah Perhitungan mencakup 18 tahap yang dinyatakan dengan contoh pada tabel berikut. Perhitungan dapat dilakukan kolom per kolom dari kolom (1) hingga (18) berikut ini.
Tabel 2.5 Tabel Perhitungan Debit Andal
KOLOM KETERANGAN
1 Nama bulan Januari sampai Desember 2 Presipitasi (hujan) bulanan rata-rata (mm) 3 Evapotranspirasi potensial (PET) (mm)
4
Penyimpanan kadar kelembaban tanah (moisture storage) (mm). Harga kelembaban tanaha ditetapkan dengan coba-coba dan sebagai kondisi awal dan digunakan untuk perhitungan selanjutnya.Moisture Storage (i) = Moisture Storage (i-1)+Delta Storage (i-1)
5 Rasio penyimpanan (Storage Ratio)
6 Rasio Presipitasi(Rb)/Evapotranspirasi potensial = kolom (2)/kolom (3)
7 Rasio AET/PET AET = Evopotranspirasi aktual. Rasio ini didapat dengan bantuan grafik 1, tergantung dari nilai Rb/PET
KOLOM KETERANGAN
9 Neraca air (water balance) = Rb – AET (kolom (2) – kolom (8)
10
Rasio kelebihan kelembaban tanah (excess moisture ratio) : 1. Bila neraca air pada kolom (9) positif, maka harga kelebihan kelembaban tanah didapatkan dengan bantuan graafik 2. Jika harga kesetimbangan air negatif, maka harga rasio ini sama dengan nol
11 Kelebihan kelembaban tanah (excess moiture) didapatkan dengan mengalikan harga kolom (10) dengan (9). Excess Moiisture(i) = Excess Moisture Ratio (i) x Water Balance (i) 12 Perubahan tampungan = kolom (9) – kolom (11) Delta Storage (i) = Water Balance (i) – Excess Moisture(i)
13 Pengisian air tanah (recharge to groundwater). Harga pengisian air tanah didapaatkan dengan mengalikan PSUB dengan kolom 11. Recharge to Ground Water(i) = PSUB x Excess moisture (i)
14 Tampungan awal air tanah (begin storage GW). Harga tampungan awal air tanah ditetapkan sebagai kondisi awal dan digunakan pada perhitungan selanjutnya.
15
Tampungan akhir air tan Huah (end storage Ground Water). Harga tampungan akhir air tanah didapatkan dari penjumlahan antara kolom (13) dan kolom (14).
End Storage GW (i) = Recharge to GW (i) + Begin Storage GW(i) 16 Aliran air tanah (GW flow). Harga ini didapatkan dari perkalian antara GWF dengan kolom (15) 17 Direct Flow. Harga direct flow didapatkan dari pengurangan antara kolom (11) dengan kolom (13) 18 Debit Total. = kolom (16) + kolom (17)
19 Debit pengamatan (observed discharge). Harga debit pengamatan digunakan untuk proses kalibrasi model. (Graha, 2015)
2.3.3.2 Penetepan Debit Andal
Debit andalan adalah debit minimum yang masih memungkinkan keamanan operasional suatu bangunan air, dalam hal ini untuk pembangkit listrik. Untuk mendapatkan debit andalan, dapat dengan menghitung probabilitas.
p = N𝑖 100% Dimana:
p = Probabilitas yang terjadi selama periode pengamatan (%) i = Banyaknya debit yang terjadi
N = Jumlah data 2.3.4 Neraca Air (Water Balance )
Neraca air adalah keseimbangan antara ketersediaan serta kebutuhan air yang direncanakan pada suatu Daerah Aliran Sungai ( DAS), pada jangka waktu tertentu (minimal 1 tahun). Konsep matematika pada keseluruhan neraca air akan menjadi seperti siklus hidrologi, dalam satuan kedalaman basins (inchi atau cm)
𝑷 − 𝑹 − 𝑮 − 𝑬 − 𝑻 = ∆𝑺 Dimana:
P = presipitasi
R = limpasan permukaan G = aliran air tanah E = evaporation T = transpiration
∆𝑆 = change in storage
Analisa Neraca Air dilakukan untuk mengetahui apakah air yang tersedia cukup memadai untuk kebutuhan irigasi ataupun untuk pembangkit listrik minihidro. Analisa Neraca Air akan sampai pada kesimpulan berupa seberapa banyak volume air suatu sungai yang dapat dimanfaatkan untuk kepentingan air minum maupun irigasi.
Analisa Neraca Air terdiri dari tiga unsur pokok, yaitu analisis ketersediaan air, analisis kebutuhan air, dan analisis neraca air. Ketersediaan air merupakan banyaknya volume air yang terdapat pada suatu Daerah Aliran Sungai (DAS).
yang terjadi. Semakin besar luas DAS dan semakin tinggi curah hujan yang terjadi, semakin besar juga volume air yang tersedia. Demikian juga sebaliknya, semakin kecil luas DAS dan semakin rendah curah hujan yang terjadi, maka semakin sedikit pula volume air yang tersedia. Ketersediaan air digunakan untuk memenuhi berbagai kebutuhan seperti air minum, irigasi, PLTA, industri, dan lain-lain.
2.3.5 Kurva Durasi (Flow Duration Curve)
Grafik Flow Duration Curve yaitu grafik hubungan antara probabilitas (%) dan debit (m3/detik), dari grafik tersebut dengan memplot pada nilai probabilitas
yang diperoleh ditarik vertikal berpotongan dengan grafik FDC dan ditarik sejajar dengan garis probabilitas sampai memotong sumbu vertical yang merupakan besarnya debit dengan demikian diperoleh debit potensi dari grafik FDC. Grafik ini menunjukan presentasi frekuensi dari debit air yang melalui sungai Cikaengan
Teknik membuat kurva FDC dapat dijelaskan secara urut sebagai berikut : a. Urutkan n data rata-rata debit air sungai Cikaengan selama periode waktu
tertentu mulai dari nilai tertinggi hingga terendah
b. Tetapkan m nomor rangking yang unik, dimulai dari angka 1 untuk debit terbesar hingga angka m untuk data n
c. Probabilitas dari debit air untuk setiap persentasi waktu dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :
𝑷 = 𝟏𝟎𝟎 𝒙 [ 𝑴
(𝒏+𝟏)]
Dimana :
M = Posisi rangking dari data debit
Informasi penting yang diberikan oleh FDC adalah debit aliran yang melewati lokasi tertentu dan dalam rentang waktu tertentu akan bermanfaat merancang PLTM yang dibutuhkan. Sebagai contoh, struktur dapat dirancang untuk beroperasi dengan optimal pada rentang debit waktu tertentu, misalnya antara 20% - 80% frekuensi waktu.
2.4 Potensi Sumber Daya Air untuk Pembangkit Listrik Tenaga Air
Semakin maju pembangunan suatu negara semakin banyak listrik yang diperlukan. Karena air adalah sumber daya alam yang banyak, tidak ada polusi serta topografi yang menunjang sehingga sumber daya air dapat dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik tenaga air.
Tinggi terjun adalah selisih tiggi antara muka air di waduk (hulu) dengan muka air di tailrace (hilir), Untuk tinggi terjunan minimum 3 m, dapat dibuat untuk pembangkit listrik tenaga air mikro hidro untuk keperluan listrik di desa. Sedangkan apabila potensi sumber daya airnya cukup banyak dapat dimanfaatkan sebagai Bendungan sehingga mempunyai tinggi jatuh yang sesuai untuk dibangun pembangkit listrk tenaga air.
Daya listrik dihasilkan akibat tinggi jatuh air, memberi tekanan yang memutar turbin dan selanjutnya memutar generator, mengubah energi potensial menjadi energi kinetik dan dihasilkan listrik, melalui transmisi disalurkan ke daerah-daerah yang membutuhkan.
Pada pemanfaatan sumber daya air sungai untuk PLTA dapat dikategorikan sebagai:
2.5 Dasar-dasar Pengembangan PLTA dan PLTM
Berdasarkan standar Perusahaan Umum Listrik Negara, Departemen Pertambangan dan Energi, No: 064/DIR1986.tgl 13 September 1986; ditetapkan standar sebagai dasar pengembangan sebagai berikut;
- Untuk PLTA secara umum dayanya (P) > 5 MW
- Untuk PLTM berlaku untuk daya (P) ≤ 5 MW atau< 50 kW - Untuk PLT Mini untuk daya (P) 50 kW s/d 5 MW
2.6 Bangunan Hidrolik
Bangunan hidrolik adalah bangunan yang dapat digunakan untuk mengalihkan, membatasi, menghentikan atau mengelola aliran alami air. Bangunan hidrolik dapat dibuat dari bahan mulai dari batu besar dan konkret. Bangunan tersebut dibuat untuk mengatur satu atau lebih parameter yang akan diatur, seperti debit air, tinggi muka air, volume air, kecepatan air dan arah air.
Terdapat berbagai jenis bangunan hidrolik, diantaranya adalah tanggul, pintu air, bendung, dan bendungan.
Sedangkan bangunan air adalah bangunan yang digunakan untuk memanfaatkan dan mengendalikan air di sungai maupun danau. Bentuk dan ukuran bangunan tergantung kebutuhan, kapasitas maksimum sungai, dana pembangunan dan sifat hidrolik sungai. Kebanyakan konstruksi bangunan air bersifat lebih masif dan tidak memerlukan segi keindahan dibanding dengan bangunan-bangunan gedung atau jembatan, dan perencanaan bangunannya secara detail tidak terlalu halus. Permukaan bangunan air atau bagian depannya sebaiknya berbentuk lengkung untuk menghindari kontraksi sehingga mempunyai efisiensi yang tinggi dan
mengurangi gerusan lokal (local scoure) di sekililing bangunan atau di hilir bangunan.
Berikut ini macam-macam Bangunan Hidrolik pada skema atau layout PLTM:
a. Bendung
Bendung (weir) atau bendung gerak (barrage) dipakai untuk meninggikan muka air di sungai sampai pada ketinggian yang diperlukan agar air dapat dialirkan ke saluran air, ketinggian itu akan menentukan luas daerah yang diairi. Atau dapat diartikan bangunan yang melintasi sungai yang dapat berfungsi mempertinggi elevasi air sungai dan membelokkan air agar dapat mengalir ke saluran dan masuk ke daerah pengairan untuk keperluan PLTM. Berdasarkan SNI 03-2401-1991 tentang Pedoman Perencanaan Hidrologi dan Hidraulik untuk Bangunan di Sungai adalah bangunan ini dapat didesain dan dibangunan sebagai bangunan tetap, bendung gerak, atau kombinasinya, dan harus dapat berfunsi untuk mengendalikan aliran dan angkutan muatan disungai sedemikian sehingga dengan menaikkan muka airnya, air dapat dimanfaatkan secara efisien sesuai denga kebutuhannya.
Gambar 2.4 Bendung
http://waliteknologi.blogspot.co.id/2012/07/perkembangan-pembangkit-b. Bangunan Intake
Bangunan Intake adalah suatu bangunan yang berfungsi sebagai penyadap atau penangkap air baku yang berasal dari sumberna atau badan air seperti sungai, situ, danau, dan kolam sesuai dengan debit yang di perlukan untuk pengolahan. Bangunan intake harus disesuaikan menurut konstruksi bangunan air, dan pada umumnya memiliki konstruksi beton bertulang agar memiliki ketahanan yang baik terhadap kemungkinan hanyut oleh arus sungai.
Gambar 2.5 Bangunan Intake
(Sumber: http://waliteknologi.blogspot.co.id/2012/07/perkembangan-pembangkit-listrik-tenaga.html)
c. Bangunan Sand Trap
Bangunan ini dipasang didepan pintu pengambilan air, berguna untuk menyaring kotoran-kotoran atau sampah yang terbawa sehingga air menjadi bersih dan tidak mengganggu operasi mesin PLTM. Atau digunakan untuk memindahkan partikel-partikel pasir dari air.
Gambar 2.6 Bangunan Sand Trap
(Sumber: http://waliteknologi.blogspot.co.id/2012/07/perkembangan-pembangkit-listrik-tenaga.html)
d. Penstock
Penstock atau pipa pesat adalah saluran yang digunakan untuk mengalirkan air dari kolam tandu ke rumah pembangkit. Pipa pesat berfungsi untuk mengalirkan dan mengarahkan air ke turbin, dan untuk mendapatkan tekanan hidrolistika yang sebesar-besarnya. Secara mekanis penstock berfungsi sebagai sarana pengubah tenaga kinetis dari hidrostatik pada reservoir (penampung) menjadi tenaga potensial. Tenaga air tersebut menjadi tenaga mekanik pada turbin. Turbin akan menggerakan generator sehingga menimbulkan listrik
Gambar 2.7 Penstock
(Sumber: http://waliteknologi.blogspot.co.id/2012/07/perkembangan-pembangkit-listrik-tenaga.html)
e. Waterway
Waterway adalah saluran pembawa atau juga dinamakan head race mengikuti kontur dari sisi bukit untuk menjaga elevasi dari air yang disalurkan dan menjaga energi potensial air tetap pada nilainya.
Gambar 2.8 Waterway
(Sumber: http://waliteknologi.blogspot.co.id/2012/07/perkembangan-pembangkit-listrik-tenaga.html)
f. Power House
Power House atau rumah pembangkit adalah bangunan sentral atau rumah pembangkit yang didalamnya ditempatkan turbin dan generator.
Beberapa instalasi PLTM dalam ruang pembangkit adalah:
Turbin merupakan salah satu bagian penting dalam PLTM yang menerima energi potensial air dan mengubahnya menjadi putaran (energi mekanis). Putaran turbin dihubungkan dengan generator untuk menghasilkan listrik. Dalam penelitian ini untuk memilih jenis turbin yang akan digunakan dapat dilihat dari grafik berikut :
Gambar 2.9 Grafik Pemilihan Jenis Turbin
(Sumber: https://aliefworkshop.wordpress.com/tag/turbin/)
Generator yang digunakan adalah generator pembangkit listrik AC. Untuk memilih kemampuan generator dalam menghasilkan energi listrik disesuaikan dengan perhitungan daya dari data hasil survey. Kemampuan generator dalam menghasilkan listrik biasanya dinyatakan dalam
2.7 Analisis Hidraulik
Analisis hidraulik berupa analisis tentang tinggi terjun (head) dan kehilangan energi (head loss), sebagai berikut:
2.7.1 Tinggi Terjun (Head)
Tinggi terjun yang dimaksud terdiri dari :
- Terjun Bruto = Hbruto = Hkotor, Yaitu selisih tinggi muka air di dalam
kolam (reservoir atas) dengan muka air pembuangan jika turbin tidak berputar.
- Terjun Bersih = Hbruto - Headloss, Dibedakan menjadi dua yaitu :
1. Terjun Reaksi, yaitu selisih antara tenaga total (tenaga potensial dan tenaga kinetis) yang terkandung dalam air tiap satuan berat sebelum masuk turbin dan setelah keluar turbin.
2. Terjun Impuls, yaitu tinggi tekanan dan tinggi kecepatan pada titik ujung curat yang dikurangi tinggi titik terendah pada pusat berat turbin yang merupakan utik akhir dan ini lazimnya merupakan pusat ujung curat.
Terjun Rencana = Design Head, yaitu terjun bersih untuk turbin yang telah direncanakan oleh pabrik pada efisiensi yang baik.
Terjun Terukur = Rated Head, yaitu terjun bersih dimana turbin dengan pintu terbuka penuh (full gate point) akan memberikan rated capacity dan generator dalam KiloWatt atau terjun efektif dimana daya turbin dijamin oleh pabrik.
2.7.2 Kehilangan Energi (Head Loss)
Perhitungan kehilangan energi pada intake kemudian saluran hingga intake tunnel merupakan salah satu tahapan yang diperlukan dalam penentuan tinggi jatuh bersih (Hnetto) maupun perhitungan daya yang dapat dibangkitkan.
Perhitungan kehilangan energi dibedakan dalam dua bagian antara lain: 2.7.2.1 Kehilangan Energi (Losses) pada Saluran Terbuka :
1. Pada Bangunan Pengambilan
he =
1,3 x
𝑉 22𝑔
2. Pada Saluran Pengahantar
he = 𝑉 2
2𝑔
3. Apabila ada trash rack
Hf = β (𝑏𝑡)
4 3𝑉2
2𝑔sin 𝛼
Dimana :
β = koefisien penampang kisi t = tebal kisi (m)
V = kecepatan air dalam pipa (m/dt) g = percepatan gravitasi (m/det2)
2.7.2.2 Kehilangan energi (looses) pada Saluran Tertutup
Terjadi dua macam kehilangan energi pada saluran tertutup (penstock), yaitu major losses dan minor losses. Major losses adalah kehilangan energi yang timbul akibat gesekan dengan material, sedangkan minor looses diakibatkan oleh tumbukan dan turbulensi, misal terjadi pada
saat melewati kisi-kisi (trashrack), perubahan penampang,belokan dan lain-lain. 1. Trashrack Menurut O.Kirschmer: he = 𝜑 (𝑠𝑏) 4 3 𝑉2 2𝑔sin 𝛼
Tabel 2.6 Nilai 𝝋 pada Trashrack
(R.Permatasari, 2008) 2. Inlet Penstock he = K x 𝑉 2 2𝑔 Dimana:
k = 0.5 untuk bentuk persegi/tegak k = 0.05 untuk bentuk yang dibulatkan 3. Gesekan Dinding Penstock
he = 𝑓 𝐿 𝑉 2 2𝑔 𝐷
Dimana:
f = koefisien gesekan dinding pipa didapat dari diagram Moody berikut ini merupakan grafik Moody
Gambar 2.10 Grafik Moody (Graha, 2015) D = Diameter Pipa
V = Kecepatan Aliran Dalam Pipa 4. Belokan di pipa terhadap pipa yang lain
he = Kb 𝑉 2 2𝑔
Dimana:
Tabel 2.7 Koefisien Kb sebagai fungsi sudut belokan 𝜶 (Graha, 2015)
20o 40o 60o 80o 90o
Kb 0.05 0.14 0.36 0.74 0.98
Tabel 2.8 Koefisien Kb sebagai fungsi R/D (Graha, 2015)
R/D 1 2 4 6 10 16 20
Kb 0.35 0.19 0.17 0.22 0.32 0.38 0.42
5. Bangunan Pengambilan ( Pintu Intake ) Q = 𝜇 𝑏 𝑎 √2𝑔𝑧
Dimana: Q = Debit m3/s
µ = koefisien debit (untuk bukaan dibawah permukaan air dengan kehilangan tinggi energi µ= 0.8)
b = lebar bukaan a = tinggi bukaan g = percepatan gravitasi
z = kehilangan tinggi energi pada bukaan
Gambar 2.11 Tipe Pintu Pengambilan
6. Transisi Kotak-Trapesium E = 𝑒 (𝑉1−𝑉2)2𝑔 2
Dimana:
e = koefisien yang bergantung pada perubahan tipe desain
Gambar 2.12 Tipe Desain (Ven Te Chow Ph.D, 1959) Tabel 2.9 Koefisien Nilai e
(Ven Te Chow Ph.D, 1959) 7. Belokan di Saluran Terbuka
Jari-jari minimum lengkung untuk saluran pasangan diambil tiga kali lebar permukaan air. Jika dibutuhkan tikunganyang lebih tajam, maka mungkin diperlukan kincir pengarah (guide vane) agar sebaran aliran di ujung tikungan itu lebih merata Kehilangan tinggi energi tambahan juga harus diperhitungkan.
8. Valve Penstock he = K 𝑉
2 2𝑔
Tabel 2.10 Koefisien k sebagai fungsi pada Pipa
(Sumber:http://www.engineeringtoolbox.com/minor-loss-coefficients-pipes-d_626.html) 2.8 Faktor Kapasitas (Plant Factor)
Faktor kapasitas adalah perbandingan antara jumlah energi yang di produksi setahun dengan jumlah beban yang dilayani dalam satu tahun (8760 jam) dan didefinisikan sebagai berikut:
Faktor kapasitas dari suatu PLTM nilainya variasi antara 0,25 sampai 0,75 tergantung dari faktor beban, faktor kapasitas tidak melebihi angka 0,75 terkecuali untuk waduk yang kapasitasnya besar.
2.9 Daya Terbangkit
Pembangkit tenaga air adalah suatu bentuk perubahan tenaga, dari tenaga air dengan ketinggian dan debit tertentu menjadi tenaga listrik, dengan menggunakan turbin air dan generator.
𝑷 = 𝒈. 𝑯. 𝑸. 𝜼𝑻. 𝜼𝑮 Dimana:
P = daya (kW)
g = percepatan gravitasi (m/s²) Q = debit air (m³/det)
H = tinggi efektif (m)
ηTηG = efisiensi peralatan (turbin dan generator) 2.10 Efisiensi Turbin
Efisiensi turbin tidak tetap nilainya, tergantung dari keadaan beban dan jenis turbinnya. Kinerja dari suatu turbin dapat dinyatakan dalam beberapa keadaan: tinggi terjun maksimum, tinggi terjun minimum, tinggi terjun normal, dan tinggi terjun rancangan. Pada tinggi terjun rancangan turbin akan memberikan kecepatan terbaiknya sehingga efisiensinya mencapai maksimum. Berikut disajikan efisiensi turbin untuk berbagai kondisi sebagai gambaran mengenai kisaran nilai efisiensi terhadap beban dan jenis turbin.
Tabel 2.11 Efisiensi Turbin untuk Berbagai Kondisi Beban
(Luknanto, 2007)
Gambar 2.13 Grafik Efesiensi Beberapa Jenis Tubin terhadap Debit Air
2.11 Optimasi Energi
Optimasi energi dapat diartikan produksi energi pertahun yang dapat dihasilkan dari perhitungan hasil perkalian jumlah daya yang dihasilkan (kW) dengan waktu yang diperlukan (t) selama satu tahun (8760 jam) dengan faktor kapasitas. Secara persamaan disimpulkan dengan rumus sebagai berikut:
𝑬𝒏𝒆𝒓𝒈𝒊 𝒑𝒆𝒓 𝒕𝒂𝒉𝒖𝒏 = 𝑷 𝒙 𝟖𝟕𝟔𝟎 𝒙 𝑷𝑭 Dimana:
P = Daya PF = Plant Factor
