WILLY BONA JANSEN SITANGGANG

(1)

EVALUASI DAYA YANG DIHASILKAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO HIDRO DI DESA PARDOMUAN

KABUPATEN DAIRI PROVINSI SUMATERA UTARA

PROPOSAL TUGAS AKHIR

Diajukan untuk melengkapi tugas-tugas dan memenuhi

Syarat untuk menempuh Colloqium Doqtum/Ujian Sarjana Teknik Sipil

WILLY BONA JANSEN SITANGGANG 09 0404 130

BIDANG STUDI TEKNIK SUMBER DAYA AIR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2016

(2)

ABSTRAK

Kabupaten Dairi merupakan kabupaten yang sedang berkembang.

Pertumbuhan penduduk di Kabupaten Dairil telah menyebabkan kekurangan energi listrik, dengan jumlah penduduk sebanyak 279.090 jiwa dengan tingkat pertumbuhan penduduk sebesar 1,90 pertahun. Untuk itu perlu adanya pembangunan energi listrik terbarukan khususnya diwilayah pedesaan guna meningkatkan taraf hidup masyarakat pedesaan. Energi terbarukan yang dimaksud dalam hal ini adalah PLTMH. Dimana kapasitas daya yang mampu dihasilkan melebihi 100 kw.

Metode yang digunakan dalam perhitungan debit menggunakan metode F.J.Mock. dalam perhitungan F.J.Mock dibutuhkan data curah hujan, penguapan, dan daerah tangkapan air. Data curah hujan yang dipakai adalah data curah hujan 10 tahun terakhir, serta metode Penman modifikasi untuk menghitung penguapan.

Berdasarkan perhitungan F.J.Mock, dengan menggunakan probabilitas 80% diperoleh debit rencana sebesar 1.09 m³/detik. Saluran pembawa berbentuk trapesium dengan dimensi lebar bawah 1.18 meter, lebar atas 2.37 meter dan tinggi 1 meter. Dari hasil perhitungan didapat pipa penstok dengan panjang 65 meter.

Dari hasil analisis dapat disimpulkan bahwa sungai Simbelin memiliki potensi sebagai pembangkit listrik tenaga mikro hidro. Daya yang dihasilkan sebesar 110.43 kw dengan tinggi jatuh (head) 15 meter.

Kata Kunci: Simbelin, F.J.Mock, PLTMH, Tinggi jatuh (head),

(3)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur saya panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat, rahmat, dan karunia-Nya, akhirnya penyusunan Tugas Akhir ini dapat saya selesaikan dengan baik. Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat yang harus dipenuhi untuk menyelesaikan Program Sarjana (S1) di Fakultas Teknik, Departemen Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara (USU).

Penulis menyadari bahwa selesainya Tugas Akhir ini tidak terlepas dari bimbingan, dukungan, motivasi, dan bantuan semua pihak. Untuk itu melalui tulisan ini penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang tulus dan tidak terhingga kepada :

1. Kedua orang tua tercinta, ayah saya Alm R.Sitanggang dan ibu F.Silalahi yang selalu memberikan yang terbaik serta tiada henti mengiringi dengan doa dan motivasi yang tidak ternilai.

2. Bapak Ir. Teruna Jaya,M.Sc sebagai dosen pembimbing saya, yang telah meluangkan waktu, tenaga, dan pikiran untuk memberikan dukungan dalam penyelesaian Tugas Akhir ini.

3. Bapak Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan selaku Ketua Departemen Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara.

4. Bapak Ir. Teruna Jaya,M.Sc. selaku Koordinator Subjurusan Teknik Sumber Daya Air.

5. Bapak Ir. Syahrizal, M.T. selaku Sekretaris Departemen Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara,

(4)

6. Bapak Ivan Indrawan. dan bapak Ir.Alferido Malik selaku dosen pembanding/penguji atas saran dan masukan yang diberikan kepada penulis terhadap Tugas Akhir ini.

7. Bapak/ Ibu staff pengajar Departemen Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara yang selama ini ikhlas dan sabar mencurahkan ilmunya kepada seluruh anak didiknya termasuk penulis.

8. Seluruh pegawai administrasi yang telah memberikan bantuan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

9. Kepada keluargaku tersayang kak kris, bang lintong, adek raja, lae reynold, bere reynardo terima kasih atas doa, motivasi dan rasa sayang kepada penulis.

10. Kepada Agave Yonathan Manulang terimakasih atas semua bantuannya sehingga TA yang terwujud ini dan .

11. Rekan-rekan mahasiswa Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara, sahabat seperjuangan stambuk 2009 : gembel, asa, pandu, bg ale, losot, odoy, bes, dewik, kiut, gagap, ucok, ersa, grandong, legend, bunda, idris, bos, bembeng, junet, ryan, dan seluruh rekan-rekan seperjuangan yang tidak bisa disebutkan semuanya, terima kasih atas bantuan, dukungan, dan doa kalian.

12. Kepada adik stambuk 2012 Lumayan dan nepri, Terima kasih atas bantuan KP.

(5)

Semoga Tuhan Yang Maha Esa membalas dan melimpahkan rahmat dan karunia-Nya kepada kita semua, dan atas dukungan yang telah diberikan, penulis ucapkan terima kasih sebesar-besarnya.

Penulis juga menyadari manusia tidak luput dari khilaf dan salah, demikian juga penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini sehingga Tugas Akhir ini masih memiliki kesalahan dan kekurangan walaupun penulis telah berusaha semaksimal mungkin. Oleh karena itu dengan tangan terbuka dan hati yang tulus penulis akan menerima saran dan kritikan yang positif demi kesempurnaan Tugas Akhir ini. Harapan penulis, semoga Tugas Akhir ini dapat memberikan manfaat bagi kita semua khususnya yang bergerak dalam bidang Teknik Sipil.

Medan, Desember2016 Hormat Saya

WILLY BONA JANSEN SITANGGANG

(6)

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... ii

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR GAMBAR ... ix

DAFTAR TABEL ... x

DAFTAR NOTASI ... xii

DAFTAR LAMPIRAN ... xiv

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Perumusan Masalah ... 3

1.3 Pembatasan Masalah ... 3

1.4 Tujuan Penulisan ... 4

1.5 Sistematika Penulisan ... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6

2.1 Pengertian dan Prinsip PLTA ... 6

2.2 Debit Andalan ... 7

2.2.1 Debit Andalan Metode F.J.Mock ... 7

2.3 Flow Duration Curve... 11

2.4 Pengukuran Debit Sungai ... 12

2.5 Pengukuran Tinggi Jatuh... 12

2.6 Tenaga Listrik dan Air ... 13

2.7 Komponen Utama PLTMH ... 15

2.8 Perencanaan Sipil ... 18

2.8.1 Dam/Bendungan Pengalih ... 18

2.8.2 Pengerjaan Saluran Penghantar (headrace) ... 19

2.8.2.1 Menentukan Potongan Melintang dan Kemiringan (slope) ... 21

2.8.3 Bak Pengendap ... 24

2.8.4 Perencanaan Pipa Pesat ... 24

2.8.4.1 Diameter Pipa Pesat ... 26

(7)

2.8.4.2 Kehilangan Akibat Gesekan Pada Pipa Pesat ... 27

2.8.5 Rumah Pembangkit... 31

2.9 Perencanaan Elektromekanikal ... 34

2.9.1 Pemilihan Turbin ... 34

2.9.2 Pemilihan Generator... 38

BAB III METODE PENELITIAN ... 39

3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ... 39

3.1.1 Daerah Pengaliran Sungai (DAS) Simbelin ... 41

3.2 Rancangan Penelitian ... 42

3.3 Variabel Yang Diamati ... 44

BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN ... 45

4.1 Analisis Debit Andalan ... 45

4.1.1 Evapotranspirasi ... 46

4.1.2 Perhitungan Debit Andalan Metode F.J.Mock ... 51

4.1.3 Analisis Flow Duration Curve (FDC) ... 65

4.2 Perhitungan Debit Banjir……... 68

4.2.1. Analisa Distribusi Curah Hujan ... 69

4.3. Perhitungan Debit Banjir... 79

4.4 Analisa Debit Sungai... 81

4.5 Desain Dasar Pekerjaan Sipil ... 82

4.5.1 Bendung ... 82

4.5.2 Pintu Pengambilan (intake) ... 84

4.5.3 Saluran Pembawa ... 85

4.5.4 Bangunan Pengendap Sedimen dan Bak Penenang ... 88

4.5.4.1 Bangunan Pengendap Sedimen ... 88

4.5.4.2 Bak Penenang ... 89

4.5.5 Pipa pesat (penstock) ... 90

4.5.6 Rumah Pembangkit ... 94

4.5.7 Saluran Pembuang Akhir (Tail Race) ... 94

4.6 Energi Listrik Yang Dihasilkan ... 95

4.7 Analisa Hidro Ekonomi ... 95

4.7.1. Metode Payback Period (PBP) ... 96

(8)

4.7.2. Metode Benefit Cost Ratio (BCR) ... 97

4.7.3. Metode Internal of Return (IRR)... 98

4.8 Analisa Dampak Lingkungan ... 100

4.8.1 Tahap Pra Konstruksi ... 100

4.8.2 Tahap Konstruksi ... 101

4.8.3. Tahap Pasca Operasional ... 105

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 107

5.1 Kesimpulan ... 107

5.2 Saran ... 108

DAFTAR PUSTAKA ... 109

(9)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Efisiensi sistem perencanaan aliran listrik ... 14

Gambar 2.2 Bagan sebuah PLTMH ... 15

Gambar 2.3 Bangunan bendung dan intake ... 19

Gambar 2.4 Saluran pembawa ... 20

Gambar 2.5 Pipa penstok ... 25

Gambar 2.6 Grafik faktor gesekan pada pipa... 29

Gambar 2.7 Pelton turbin ... 35

Gambar 2.8 Francis turbin... 36

Gambar 2.9 Kaplan turbin ... 36

Gambar 2.10 Perbandingan karakteristik turbin ... 37

Gambar 3.1 Peta lokasi penelitian ... 40

Gambar 3.2 Peta DAS PLTMH Simbelin ... 41

Gambar 3.3 Diagram alur penelitian ... 42

Gambar 4.1 Grafik FDC ... 67

Gambar 4.2 Grafik debit rerata bulanan tahun 2005-2014 ... 68

Gambar 4.3 Grafik Curah Hujan Renacan Maksimum dan Periode ulang 79 Gamabr 4.4 Skets Bangunan Bendung PLTM Simbelin ... 84

Gambar 4.5 Letak Intake ... 85

Gambar 4.6 Dimensi saluran pembawa ... 88

Gambar 4.7 Bangunan pengendap sedimen da bak penenang ... 90

Gambar 4.8 Dimensi Penstok... 94

(10)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Kecepatan maksimum pada saluran ... 22

Tabel 2.2 Kemiringan sisi saluran ... 22

Tabel 2.3 Koefisien kekasaran pipa dalam mm ... 28

Tabel 2.4 Koefisien ketajaman sudut masuk... 30

Tabel 2.5 Koefisien bukaan klep ... 31

Tabel 2.6 Daerah operasi turbin ... 38

Tabel 4.1 Curah Hujan Kab.Dairi dan Sekitarnya ... 45

Tabel 4.2 Hari Hujan Kab.Dairi dan Sekitarnya ... 45

Tabel 4.3 Data klimatologi ... 46

Tabel 4.4 Perhitungan Penman Modifikasi ... 50

Tabel 4.5 Analisa Debit Andalan F.J.Mock Sungai Simbelin Thn.2005 ... 55

Tabel 4.10 Analisa Debit Andalan F.J.Mock Sungai Simbelin Thn.2010 .... 60

Tabel 4. 15 Debit Andalan F.J. Mock Sungai Simbelin...65

Tabel 4.16 Probabilitas Debit Sungai Simbelin ... 66

Tabel 4.17 Debit rata-rata Perhitungan F.J.Mock ... 67

(11)

Tabel 4.18 Data Curah Hujan Harian Maksimum Stasiun Diperta ... 68

Tabel 4.19 Analisa Distribusi Curah Hujan dengan Distribusi Normal... 69

Tabel 4.20 Analisa Distribusi Curah Hujan dengan Distribusi Normal... 70

Tabel 4.21 Analisa Distribusi Curah Hujan dengan Distribusi Log Normal 71 Tabel 4.22 Analisa Distribusi Curah Hujan dengan Distribusi Log Normal 71 Tabel 4.23 Analisa Distribusi Curah Hujan dengan Distribusi Log Person III 73 Tabel 4.24 Analisa Distribusi Curah Hujan dengan Distribusi Log Person III 74 Tabel 4.25 Analisa Distribusi Curah Hujan dengan Distribusi Gumbel ... 76

Tabel 4.26 Analisa Distribusi Curah Hujan dengan Distribusi Gumbel ... 77

Tabel 4.27 Analisa Curah Hujan Rencana dengan Berbagai Distribusi ... 79

Tabel 4.28 Perhitungan Debit Banjir Rencana ... 81

Tabel 4.29 Tabel Pengukuran Debit Sungai di Lokasi penelitian ... 82

Tabel 4.30 Perhitungan Payback Period ... 97

Tabel 4.31 Perhitungan NPV terhadap nilai I ... 99

(12)

DAFTAR NOTASI = koefisien pengaliran

= koefisien reduksi

 = koefisien debit

A = luas daerah tangkapan (km²) A = luas penampang (m²)

a = tinggi bukaan (m) B = lebar bawah saluran (m)

b = lebar bukaan (m)

BF = aliran dasar (m³/detik/km)

C = angka koreksi

d = diameter (mm)

Ea = evapotransvirasi actual (mm) Eto = evapotranspirasi potensial (mm) g = gravitasi (m/s)

H = tinggi jatuh efektif (m) H = ketinggian saluran (m) H1 = tinggi energi ( m ) i = infiltrasi

I = intensitas curah hujan (m³/dtk/Km²) k = faktor resesi air tanah

K_a = koefisien kontraksi pangkal bendung Kp = koefisien kontraksi pilar

KT = faktor frekuensi

(13)

L = panjang (m)

M = perbandingan permukaan tanah tergantung jenis areal (%) N = penyinaran matahari maksimum ( jam)

n = jumlah hari dalam satu bulan P = panjang sisi basah (m)

P = tenaga listrik yang dikeluarkan (watt) Q = debit (m³/detik)

R = hujan bulanan (mm)

R = jari-jari hidrolis (m)

S = standard deviasi

t = ketebalan minimum pipa V = kecepatan air (m²/detik)

Vn = volume simpanan air tanah periode n (m³) WS = kelebihan air

T = lebar atas saluran (m)

z = kehilangan tinggi energi pada bukaan (m)

(14)

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Tipe-tipe saluran pembawa untuk pembangkit listrik tenaga air skala kecil

Lampiran 2 Angka koreksi (C) bulanan untuk rumus Penman modifikasi Lampiran 3 Hubungan T dengan ea, w, dan f(t)

Lampiran 4 Harga Ra untuk Indonesia Lampiran 5 Peta DAS

Lampiran 6 Perhitungan RAB PLTMH Aek Pohon

(15)

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Sumatera Utara, termasuk Kabupaten Dairi, memiliki potensi sumber energi terbarukan, diantaranya mikro hidro. Secara morfologi, Kabupaten Dairi terdiri dari berbagai satuan morfologi seperti pegunungan, dataran, dan perlipatan.

Sebagai daerah tangkapan air (catchment area), morfologi pegunungan merupakan daerah yang banyak terdapat sungai-sungai yang mengalir pada suatu ketinggian atau elevasi tertentu. Adanya perbedaan ketinggian dengan didukung debit air yang besar dan neraca air yang relatif stabil pada suatu sungai, merupakan salah satu sumber energi terbarukan yang dapat dimanfaatkan untuk membangkitkan tenaga listrik. Potensi debit air tersebut dapat digunakan untuk membangun Pembangkit Listrik Mikro Hidro (PLTMH).

Sumber daya alam Sumatera Utara memiliki berbagai potensi sumber daya energi yang dapat dikembangkan sebagai energi alternatif dalam penyediaan energi bagi masyarakat. Energi panas bumi, energi sumber daya air (PLTA dan PLTMH), dan energi biomas merupakan sumber daya energi yang bersifat ramah lingkungan dan bersifat dapat diperbaharui sehingga suplai energi yang diberikan akan bersifat kontinui.

Teknologi konversi tersebut sampai sekarang ini belum dimanfaatkan secara baik dan optimal. Diversivikasi energi yang bersumber pada potensi sumber daya alam (SDA) di daerah merupakan strategi kebijakan dalam upaya

(16)

mengatasi krisis energi di daerah Sumatera Utara, termasuk di lokasi studi Kabupaten Dairi.

Untuk menunjang pembangunan dan sebagai hasil pembangunan itu sendiri, maka kebutuhan energi dari suatu wilayah akan semakin meningkat.

Peningkatan ini diakibatkan oleh tumbuhnya berbagai kegiatan ekonomi dan industri serta bertambahnya kemakmuran masyarakat itu sendiri. Sebagai konsekuensinya dibutuhkan suatu perencanaan energi yang mempertimbangkan sifat, situasi, dan infrastruktur daerah bersangkutan.

Listrik merupakan salah satu kebutuhan hidup manusia yang primer sehingga diperlukan suatu pembangkit tenaga listrik yang efisien. Oleh karena itu, diperlukan adanya sumber energi alternatif untuk mengatasi kelangkaan energi tersebut. Pembangkit Listrik tenaga mikro dan mini hidro merupakan pilihan terbaik dalam banyak aspek dibandingkan dengan jenis-jenis EBT (energi baru dan terbarukan) lainnya. Dari aspek teknologi, terdapat keuntungan dan kemudahan pada pembangunan dan pengelolaan PLTM dibandingkan jenis-jenis pembangkit listrik lainnya, yaitu:

1. Dibandingkan dengan pembangkit listrik jenis yang lain, PLTMH ini cukup murah karena menggunakan energi alam.

2. Memiliki konstruksi yang sederhana dan dapat dioperasikan di daerah terpencil dengan tenaga terampil penduduk daerah setempat dengan sedikit latihan.

3. Tidak menimbulkan pencemaran.

4. Dapat dipadukan dengan program lainnya seperti irigasi dan perikanan.

(17)

5. Dapat mendorong masyarakat agar dapat menjaga kelestarian hutan sehingga ketersediaan air terjamin.

Oleh karena beberapa latar belakang di atas maka perlu diadakan evaluasi terhadap Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) Desa Pardomuan di Kabupaten Dairi.

Sehingga potensi sumber daya air yang tersedia dapat dimanfaatkan secara optimal untuk memenuhi kebutuhan daya yang dibutuhkan serta optimal untuk memenuhi kebutuhan daya yang dibutuhkan serta menentukan dan memperkirakan harga jual listrik kepada perusahaan agar besaran nilai investasi yang ditanamkan mendapatkan BEP dan keuntungan yang sesuai dengan jangka waktu yang ditetapkan.

1.2 Perumusan Masalah

Secara umum perumusan masalah pada penelitian tugas akhir ini dapat dinyatakan sebagai berikut:

1. Memanfaatkan sumber daya alam yang ada seperti sungai untuk menghasilkan enegi yang ramah lingkungan seperti PLTMH.

2. Membantu masyarakat pedesaan dalam pemakaian listrik karena PLTMH lebih murah dibanding pembangkit lain.

1.3 Pembatasan Masalah

Dalam penulisan tugas akhir ini, penulis ingin membatasi penelitian pada hal-hal berikut, di antaranya:

(18)

1. Penentuan debit air serta potensi keberlanjutannya dan besarnya energi listrik yang mampu dibangkitkan.

2. Mengkaji dan memperhitungkan besarnya nilai investasi (dalam jumlah IDR) yang dibutuhkan untuk meningkatkan kapasitas dan kinerja PLTMH yang dibutuhkan masyarakat setempat.

3. Mengakaji dan memperhitungkan perkiraan jangka waktu investasi dari mulai penanaman modal sampai dengan baik modal (BEP) dan perolehan keuntungan.

4. Mengkaji dan memperhitungkan harga jual listrik Kwh dalam IDR.

1.4 Tujuan Penulisan

Untuk mencapai maksud tugas akhir ini bertujuan sebagai berikut:

1. Menghitung daya yang dihasilkan oleh PLTMH di Desa Pardomuan dan mengevaluasi potensi sumber daya air yang tersedia.

2. Menghitung besaran nilai investasi (dalam jumlah IDR) dan memperkirakan jangka waktu investasi.

3. Menentukan dan memperkirakan harga jual per Kwh (dalm jumlah IDR) agar sesuai dengan jangka waktu investasi.

1.5 Sistematika Penulisan

Dalam penulisan skripsi ini agar pembahasannya lebih terarah dan sistematis, skripsi ini akan dibagi ke dalam 5 bab dengan susunan sebagai berikut:

(19)

Bab I Pendahuluan

Menguraikan tinjauan umum, latar belakang penyusunan laporan, maksud dan tujuan, pembatasan masalah, metodologi penelitian, lokasi survei tenaga air, ruang lingkup kegiatan, serta sistematika penulisan.

Bab II Tinjauan Pustaka

Pada bab ini dijabarkan uraian teoritis tentang PLTMH, yang meliputi penjelasan bagian-bagian PLTMH, pekerjaan sipil serta mekanikal dan elektrikal, serta standar yang digunakan dalam PLTMH.

Bab III Metodologi Penelitian

Pada bab ini dijelaskan metodologi mencakup konsep berpikir, pengambilan data, analisa data, dan berbagai pendekatan yang dipakai dalam pelaksanaan pekerjaan.

Bab IV Analisis dan Pembahasan

Berisikan tentang pengolahan dan perhitungan terhadap data-data yang dikumpulkan, dan kemudian dilakukan analisis secara komprehensif terhadap hasil-hasil yang diperoleh.

Bab V Kesimpulan Dan Saran

Merupakan penutup yang berisikan tentang kesimpulan dan saran yang diperoleh dari pembahasan bab-bab sebelumnya, dan saran-saran yang berkaitan dengan studi ini dan rekomendasi untuk diterapkan di lokasi studi.

(20)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pengertian dan Prinsip PLTA

Pembangkit listrik tenaga air (PLTA) adalah pembangkit yang mengandalkan energi potensial dan kinetik dari air untuk menghasilkan energi listrik. Energi listrik yang dibangkitkan ini biasa disebut sebagai hidroelektrik.

Suatu bentuk perubahan tenaga air dengan ketinggian dan debit tertentu menjadi tenaga listrik, dengan menggunakan turbin air dan generator. Daya (power) yang dihasilkan dapat dihitung berdasarkan rumus berikut :

P = 9,8 x H x Q (kW) (2.1) Dimana :

P = Tenaga yang dikeluarkan secara teoritis H = Tinggi air jatuh efektif (m)

Q = Debit Pembangkit (m³/det) 9,8 = Percepatan grafitasi = 9,81m/s²

Sebagaimana dapat dipahami dari rumus tersebut di atas, daya yang dihasilkan adalah hasil kali dari tinggi jatuh dan debit air, oleh karena itu berhasilnya pembangkitan tenaga air tergantung pada usaha untuk mendapatkan tinggi jatuh air dan debit yang besar secara efektif. Pada umumnya debit yang besar membutuhkan fasilitas dengan ukuran yang besar misalnya, bangunan ambil air (intake), saluran air dan turbin.

(21)

Pembagian jenis PLTA dengan kapasitas kecil sebagai berikut.

1. PLTA mikro < 100 kW 2. PLTA mini 100 - 999 kW 3. PLTA kecil 1000 - 10000 kW 2.2. Debit Andalan

Debit andalan adalah debit yang tersedia sepanjang tahun dengan besarnya resiko kegagalan tertentu (Lily 2010). Debit minimum sungai dianalisis atas dasar debit hujan sungai. Dalam Tugas Akhir Kajian Potensi Listrik Tenaga Mikro hidro ini, dikarenakan minimalnya data maka metode perhitungan debit andalan menggunakan metode simulasi perimbangan air dari Dr. F.J.Mock. Dengan data masukan dari curah hujan di Daerah Aliran Sungai, evapotranspirasi, vegetasi dan karakteristik geologi daerah aliran.

2.2.1. Debit Andalan Metode Dr. F.J. Mock

Dr.F.J. Mock (1973) memperkenalkan model sederhana simulasi keseimbangan air bulanan untuk aliran yang meliputi data hujan, evaporasi, dan karakteristik hidrologi daerah pengaliran. Dengan metode ini, besarnya aliran dari data curah hujan , karakteristik hidrologi daerah pengaliran dan evapotranspirasi dapat dihitung. Pada dasarnya metode ini adalah hujan yang jatuh pada catchment area sebagian akan hilang sebagai evapotranspirasi.

1. Data meteorologi

Data meterologi yang digunakan mencakup:

a. Data presipitasi dalam hal ini adalah curah hujan bulanan dan data curah hujan harian.

b. Data klimatologi berupa data kecepatan angin, kelembapan udara, temperatur udara dan penyinaran matahari untuk menentukan

(22)

evapotranspirasi potensial (Eto) yang dihitung berdasarkan metode Penman Modifikasi.

2. Evapotranspirasi Aktual (Ea)

Penentuan harga evapotranspirasi aktual ditentukan berdasarkan persamaan:

E = Eto x d/20 x m (2.2)

E = Eto x (m / 20) x (18-n) (2.3)

Ea = Eto – E (2.4)

di mana: Ea = Evapotranspirasi aktual (mm),

Eto = Evapotranspirasi potensial (mm), D=27 – (3/2) x n

N = Jumlah hari hujan dalam sebulan,

m = Perbandingan permukaan tanah yang tidak tertutup dengan tumbuhan-tumbuhan penahan jumlah koefisien yang tergantung jenis areal dan musiman dalam %,

M = Untuk lahan dengan hutan sekunder pada akhir musim dan bertambah 10 % setiap bulan berikutnya.

3. Keseimbangan air di permukaan tanah (ΔS)

a. Air hujan yang mencapai permukaan tanah dapat dirumuskan sebagai berikut:

ΔS = R – Ea (2.5)

di mana: ΔS = Keseimbangan air di permukaan tanah, R = Hujan Bulanan ,

Ea = Evapotranspirasi Aktual.

Bila harga positif (R > Ea) maka air akan masuk ke dalam tanah bila kapasitas kelembapan tanah belum terpenuhi. Sebaliknya bila kondisi kelembapan tanah sudah tercapai maka akan terjadi limpasan permukaan (surface runoff).

(23)

Bila harga tanah ΔS negatif (R > Ea), air hujan tidak dapat masuk ke dalam tanah (infltrasi) tetapi air tanah akan keluar dan tanah akan kekurangan air (defisit).

b. Perubahan kandungan air tanah (soil storage) tergantung dari harga ΔS. Bila ΔS negatif maka kapasitas kelembapan tanah akan kekurangan dan bila harga ΔS positif akan menambah kekurangan kapasitas kelembapan tanah bulan sebelumnya.

c. Kapasitas kelembapan tanah (soil moisture capacity). Di dalam memperkirakan kapasitas kelembaban tanah awal diperlukan pada saat dimulainya perhitungan dan besarnya tergantung dari kondisi porositas lapisan tanah atas dari daerah pengaliran. Biasanya diambil 50 s/d 250 mm, yaitu kapasitas kandungan air di dalam tanah per m³. Semakin besar porositas tanah maka kelembapan tanah akan besar pula.

d. Kelebihan Air (water surplus)

e. Besarnya air lebih dapat mengikuti formula sbb:

WS = ΔS - Tampungan tanah (2.6)

di mana:WS = water surplus,

S = R-Ea, Tampungan Tanah = Perbedaan Kelembaban tanah.

4. Limpasan dan penyimpanan air tanah (Run off dan Ground Water storage).

a. Infiltrasi (i)

Infiltrasi ditaksir berdasarkan kondisi porositas tanah dan kemiringan daerah pengaliran. Daya infiltrasi ditentukan oleh permukaan lapisan atas dari tanah. Misalnya kerikil mempuyai daya infiltrasi yang

(24)

lebih tinggi dibandingkan dengan tanah liat yang kedap air. Untuk lahan yang terjal di mana air sangat cepat menikis di atas permukaan tanah sehingga air tidak dapat sempat berinfltrasi yang menyebabkan daya infiltrasi lebih kecil. Formula dari infiltrasi ini adalah sebagai berikut:

i = Koefisien Infiltrasi x WS (2.7)

di mana : I = Infiltrasi (Koefisien Infiltrasi (i) = 0 s/d 1,0 ), WS = Kelebihan air.

b. Penyimpanan air tanah (ground water storage).

Pada permulaan perhitungan yang telah ditentukan penyimpanan air awal yang besarnya tergantung dari kondisi geologi setempat dan waktu. Persamaan yang digunakan adalah:

Vn = k. (Vn – 1) + ½ (1 + k ) in (2.8)

di mana: Vn = Volume simpanan ait tanah periode n ( m3), Vn – 1 = Volume simpanan air tanah periode n – 1 (m3),

K = qt/qo = Faktor resesi aliran air tanah (catchment area recession factor). Faktor resesi aliran tanah (k) berkisar antara 0 s/d 1 ,

qt = Aliran tanah pada waktu t (bulan ke t) , qo = Aliran tanah pada awal (bulan ke 0), in = Infiltrasi bulan ke n (mm).

Untuk mendapatkan perubahan volume aliran air dalam tanah mengikuti persamaan:

Vn = Vn - Vn – 1 (2.9)

c. Limpasan (Run off )

Air hujan atau presipitasi akan menempuh tiga jalur menuju kesungai.

Satu bagian akan mengalir sebagai limpasan permukaan dan masuk ke dalam tanah lalu mengalir ke kiri dan kananya membentuk aliran antara.

Bagian ketiga akan berperkolasi jauh ke dalam tanah hingga mencapai

(25)

lapisan air tanah. Aliran permukaan tanah serta aliran antara sering digabungkan sebagai limpasan langsung (direct run off) Untuk memperoleh limpasan, maka persamaan yang digunakan adalah:

BF = I - (Δ Vn ) (2.10)

Dro = WS – I (2.11)

Ron = BF +Dro (2.12)

di mana: BF = Aliran dasar (m³/dtk/km), I = Infltrasi (mm),

Δ Vn = Perubahan volume aliran tanah (m³), Dro = Limpasan Langsung (mm),

WS = Kelebihan air,

Ron = Limpasan periode n (m³/dtk/km²) d. Banyaknya air yang tersedia dari sumbernya.

Persamaan yang digunakan adalah:

Qn = Ron x A (2.13)

di mana : Qn = Banyaknya air yg tersedia dari sumbernya, periode n (m³/dtk),

A = Luas daerah tangkapan (catchment area) km². 2.3. Flow Duration Curve

Duration curve adalah suatu grafik yang memperlihatkan hubungan debit sungai terhadap waktu. Untuk kepentingan perancangan PLTMH, sangat penting untuk bisa mendapatkan data debit dari tahun ke tahun sebanyak mungkin sehingga dapat diketahui berapa banyak air (baik di musim kemarau atau penghujan) yang bisa dipergunakan untuk menggerakkan turbin. Data ini memberikan masukan paling mendasar bagi perancang untuk memilih jenis turbin yang paling efisien dan cocok dengan sumber daya yang ada. Dengan data debit di tangan ditambah dengan data kebutuhan energi listrik konsumen, maka perancang dapat memilih turbin dan generator yang cocok bagi sebuah PLTMH yang berdiri

(26)

sendiri. Flow Duration Curve (FDC) disusun dengan mengelompokkan data debit berdasarkan besar debitnya lalu memplotkannya pada grafik terhadap 100% waktu pengukuran.

2.4. Pengukuran Debit Sungai

Terhadap hasil pengukuran arus/kecepatan sungai di lapangan perlu dilakukan proses analisis/perhitungan sehingga diperoleh nilai besaran debit.

Dengan menggunakan rumus kontinuitas :

Q = A.v, (2.14)

di mana : Q = debit (m³/det),

A = luas penampang sungai (m²), dan v = kecepatan air (m/s),

Pengukuran debit secara langsung dapat dilakukan dengan : 1. Menentukan luas penampang sungai.

2. Mengukur kecepatan air (V) dengan alat pengukur kecepatan (current meter ) atau pelampung ( kecepatan diukur menggunakan stopwatch).

2.5. Pengukuran Tinggi Jatuh

Pengukuran tinggi jatuh air antara sumber air dengan lokasi turbin dilakukan menggunakan alat GPS Geodetic. Prinsip yang digunakan untuk menghitung tinggi jatuh (head) adalah beda ketinggian (elevasi) antara elevasi di atas air terjun dengan elevasi di rencana rumah pembangkit (power house).

Dengan menggunakan GPS Geodetic, dapat diperoleh perhitungan elevasi suatu tempat dengan ketelitian hingga milimeter. Sehingga nilai head untuk perhitungan daya yang dapat dibangkitkan cukup akurat.

(27)

2.6. Tenaga Listrik dan Air

Sebuah skema hidro memerlukan dua hal yaitu debit air dan ketinggian jatuh (head) untuk menghasilkan tenaga yang bermanfaat. Ini adalah sebuah sistem konversi tenaga, menyerap tenaga dari bentuk ketinggian dan aliran, dan menyalurkan tenaga dalam bentuk daya listrik atau daya mekanik. Tidak ada sistem konversi daya yang dapat mengirim sebanyak yang diserap dikurangi sebagian daya hilang oleh sistem itu sendiri dalam bentuk gesekan, panas, dan suara.

Persamaan konversinya adalah:

Daya yang masuk = Daya yang keluar + kehilangan daya (losess) atau

Daya yang keluar = Daya yang masuk x Efisiensi konversi

Persamaan di atas biasanya digunakan untuk menggambarkan perbedaan yang kecil. Daya yang masuk, atau total daya yang diserap oleh skema hidro adalah daya kotor. Daya yang bermanfaat adalah daya bersih (Pnet). Semua efisiensi dari skema gambar di atas disebut (E₀).

Pnet = Pgross x E0 (2.15) Daya kotor adalah head kotor (Hgross) yang dikalikan dengan debit air (Q) dan juga dikaitkan dengan sebuah faktor gravitasi bumi (g = 9,8m/s²), sehingga persamaan dasar dari pembangkit listrik adalah:

Pnet = g x Hgross x Q x Eo(kW) (2.16)

di mana head dalam meter, dan debit air dalam m³/s, dan total E0 sebagai berikut:

E0 = Ekonstruksi sipil x E_penstock x E_turbin x E_generator x Esistem control x E_jaringan x E_trafo(2.

17)

(28)

Dimana : Ekonstruksi sip = 1,0 – (panjang saluran x 0,002 – 0,005) /Hgross

Epenstock = 0,90 – 0,95 (tergantung pada panjangnya) Eturbin = 0,70 – 0,85 (tergantung pada tipe turbin)

Egenerator = 0,80 – 0,95 (tergantung pada kapasitas generator) Esistem control = 0,97

Ejaringan = 0,90 – 0,98 (tergantung pada panjang jaringan)

Etrafo = 0,98

E_konstruksi sipil dan E_penstock adalah yang biasa diperhitungkan sebagai “Head Loss (Hloass) / kehilangan ketinggian. Dalam kasus ini, persamaan di atas dirubah ke persamaan berikut.

Pnet = g x (Hgross – Hloss) x Q x (E0 – Ekonstruksi – Epenstock) (kW) (2.18) Persamaan sederhana ini harus diingat. Ini adalah inti dari semua perencanaan pekerjaan pembangkit listrik. Ini penting untuk menggunakan unit- unit yang benar.

Gambar 2.1. Efisiensi sistem yang spesifik untuk sebuah skema yang berjalan pada perencanaan aliran listrik. (sumber : micro hydro desidn manual adam Harvey 1993)

2.7. Komponen Utama PLTMH

Merupakan komponen yang paling diperlukan di dalam pembangunan PLTM. Komponen ini mempengaruhi besarnya biaya pembangunan. Skema sebuah PLTMH dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

(29)

Gambar 2.2. Bagan Sebuah PLTMH

(sumber:http://ezkhelenergy.blogspot.co.id/2013/11/pembangkit-listrik- tenaga microhydro.html)

Komponen utama pada PLTM dari gambar 2.2. diatas adalah:

1. Mercu Bendung (Weir)

Bangunan yang berada melintang sungai yang berfungsi untuk membelokkan arah aliran air

2. Bangunan Pengambilan(Intake)

Bangunan yang berfungsi mengarahkan air dari sungai masuk ke dalam Saluran Pembawa (Headrace). Bak Penangkap Pasir (Sand Trap) dapat menjadi satu (terintegrasi) dengan bangunan ini.

3. Saluran Pembawa (Headrace)

Bangunan yang berfungsi mengalirkan/membawa air dari Intake ke Forebay. Headrace dapat juga terbuat dari pipa.

(30)

4. Bak Penampungan (Forebay)

Bangunan yang mempunyai potongan melintang (luas penampang basah) lebih besar dari Headrace yang berfungsi untuk memperlampat aliran air.

5. Saringan (Trash Rack)

Terbuat dari plat besi yang berfungsi menyaring sampah-sampah atau puing-puing agar tidak masuk ke dalam bangunan selanjutnya. Trash Rack diletakkan pada posisi melintang di bangunan Intake atau Forebay dengan kemiringan 65 - 75º.

6. Saluran Pembuangan(Spillway)

Bangunan yang memungkinkan agar kelebihan air di dalam Headrace untuk melimpah kembali ke dalam sungai.

7. Pipa Pesat (Penstock)

Pipa bertekanan yang membawa air dari Forebay ke dalam Power House.

8. Rumah Pembangkit (Power House)

Bangunan yang di dalamnya terdapat turbin, generator dan peralatan control.

9. Tailrace

Saluran yang berfungsi mengalirkan/membawa air dari turbin kembali ke sungai.

10. Jaringan Transmisi

Terdiri dari tiang, kabel dan aksesoris lainnya (termasuk trafo; jika diperlukan) yang berfungsi mengalirkan energi listrik dari Power House ke konsumen (rumah-rumah dan pabrik).

(31)

Pembangkit listrik tenaga air merupakan suatu bentuk perubahan tenaga dari tenaga air dengan ketinggian dan debit tertentu menjadi tenaga listrik, dengan menggunakan turbin air dan generator.

Bentuk pembangkit tenaga mikro hidro adalah bervariasi, tetapi prinsip kerjanya adalah sama, yaitu:

"Perubahan tenaga potensial air menjadi tenaga elektrik (listrik)". Perubahan memang tidak langsung, tetapi berturut-turut melalui perubahan sebagai berikut :

 Tenaga potensial menjadi Tenaga kinetik

 Tenaga kinetik menjadi Tenaga mekanik

 Tenaga mekanik menjadi Tenaga listrik

Tenaga potensial adalah tenaga air karena berada pada ketinggian.

Tenaga kinetik adalah tenaga air karena mempunyai kecepatan. Tenaga mekanik adalah tenaga kecepatan air yang terus memutar kincir / turbin.

Tenaga elektrik adalah hasil dari generator yang berputar akibat berputarnya kincir / turbin.

Prinsip kerja PLTMH yang paling utama adalah memanfaatkan semaksimal mungkin energi air yang dapat ditangkap oleh peralatan utamanya yang disebut turbin/kincir air. Efisiensi kincir air yang dipilih untuk menangkap energi air tersebut menentukan besarnya energi mekanik atau energi poros guna memutar generator listrik.

Umumnya PLTMH yang dibangun jenis run off river dimana head diperoleh tidak dengan membangun bendungan besar, melainkan dengan mengalihkan aliran air sungai ke satu sisi dari sungai dan menjatuhkannya lagi ke sungai pada suatu tempat dimana beda tinggi yang diperlukan sudah

(32)

diperoleh. Dengan menggunakan pipa, air dialirkan kerumah pembangkit (power house) yang biasanya dibangun di pinggir sungai. Kemudian air akan

menyemprot keluar memutar roda turbin (runner), kemudian air tersebut dikembalikan ke sungai asalnya. Energi mekanik putaran poros turbin akan diubah menjadi energi listrik oleh sebuah generator.

2.8. Perencanaan Sipil

2.8.1. Dam/Bendungan Pengalih

Bendung berfungsi untuk menaikkan/mengontrol tinggi air dalam sungai secara signifikan sehingga memiliki jumlah air yang cukup untuk dialihkan ke dalam intake pembangkit mikro hidro di bagian sisi sungai ke dalam sebuah bak pengendap (Settling Basin). Sebuah bendung dilengkapi dengan pintu air untuk membuang kotoran/lumpur yang mengendap. Perlengkapan lainnya adalah saringan sampah. PLTMH umumnya merupakan pembangklit tipe run off river sehingga bangunan bendung dan intake dibangun berdekatan. Dengan pertimbangan dasar stabilitas sungai dan dampak terhadap banjir, dapat dipilih lokasi untuk bendung (Weir) dan intake.

Gambar 2.3. Bendung, intake (Sumber : Sakidiansyah, 2012)

(33)

2.8.2. Pengerjaan saluran penghantar (head race)

Saluran penghantar berfungsi untuk mengalirkan air dari intake sampai ke bak penenang kemudian diteruskan ke pipa penstock. Saluran pembawa mengikuti kontur dari sisi bukit untuk menjaga elevasi dari air yang disalurkan. Ada berbagai macam saluran pembawa, antara lain terowongan, saluran terbuka dan saluran tertutup. Konstruksi saluran pembawa dapat berupa pasangan batu kali atau hanya berupa tanah yang digali.Pada saluran yang panjang, perlu dilengkapi dengan saluran pelimpah pada jarak tertentu. Ini untuk menjaga jika terjadi banjir maka kelebihan air akan terbuang melalui saluran tersebut.

Perencanaan saluran penghantar berdasarkan pada kriteria:

 Nilai ekonomis yang tinggi

 Efisiensi fungsi

 Aman terhadap tinjauan teknis

 Mudah pengerjaannya

 Mudah pemeliharaannya

 Struktur bangunan yang memadai

 Kehilangan tinggi tekan (head losses) yang kecil.

Contoh bangunan headrace dapat dilihat pada gambar 2.4.

(34)

Gambar 2.4. Saluran pembawa (headrace) (Sumber : Sakidiansyah, 2012

Karena secara umum jumlah air yang terangkut kecil, saluran pembawa untuk sebuah pembangkit listrik tenaga air secara mendasar mengadopsi struktur terbuka, seperti sebuah saluran terbuka atau sebuah saluran tertutup. pada lampiran 1 dapat dijadikan referensi untuk menentukan tipe saluran pembawa untuk PLTA skala kecil.

2.8.2.1 Menentukan potongan melintang dan kemiringan (slope) longitudinal Ukuran potongan melintang dan kemiringan harus ditentukan supaya debit yang dibutuhkan turbin dapat diarahkan secara ekonomis ke bak penenang. Pada umumnya ukuran potongan melintang berhubungan erat dengan kemiringan.

kemiringan saluran Pembawa harus dibuat sehalus mungkin untuk mengurangi kehilangan ketinggian (perbedaan antara level air pada intake dan bak penenang) tetapi hal ini akan menyebabkan kecepatan yang lebih rendah dan potongan melintang yang lebih besar.selain itu kemiringan yang curam, akan menyebabkan kecepatan aliran yang tinggi dan bagian yang lebih kecil tetapi juga kehilangan ketinggian yang lebih besar.

pertama-tama kita harus mengetahui panjang saluran yang akan dibuat serta material yang digunakan pada saluran apakah saluran akan dilining atau tidak dan apakah menggunakan saluran talang.

Bagian penampang melintang dari saluran pembawa ditentukan berdasarkan metode dibawah ini.

(35)

Qd= A× R ^2/3 × n

1 SL ^1/2 (2.19)

Dimana :

Qd = disain debit untuk saluran pembawa (m³/s) A = luas dari potongan melintang (m²)

R = R=A/P (m)

P = panjang sisi-sisi basah (m)

SL = slope mendatar saluran pembawa (contoh SL= 1/100=0.01) n = koefisien kekasaran

Selain dengan menggunakan rumus manning diatas, dimensi saluran juga dapat dihitung dengan cara berikut :

a. tentukan harga kecepatan aliran pada saluran pembawa,dimana kecepatan tidak boleh melebihi kecepatan maksimum dan kurang dari kecepatan minimum yang diberikan oleh tabel 2.1

Tabel 2.1 Kecepatan maksimum pada saluran

Material Kecepatan

maksimum(m/detik)

Lempung berpasir 0,5

Lempung 0,6

Lanau berlempung 0.7

Lanau 1,8

Pasangan batu 2,0

Beton 2,0

(Sumber : Micro hydro desidn manual adam Harvey 1993)

Sementara untuk kecepatan minimum, diambil sebesar 0,3 m/detik untuk menghindari terjadinya sedimentasi.

b. Dari tabel 2.2. tentukan nilai kemiringan sisi saluran (N) bila saluran berbentuk trapesium dan untuk saluran persegi nilai N = 0. Kemudian tentukan nilai koefisien kekasaran (n).

Tabel 2.2 Kemiringan sisi saluran

Material Kemiringan sisi saluran

Lempung berpasir 2

Lempung 1,5

Lanau berlempung 1

(36)

Lanau 0,58

Pasangan batu 0,58

Beton 0,58

(Sumber : Micro hydro desidn manual adam Harvey 1993) c. Hitung luas penampang saluran (A) dengan menggunakan persamaan A=

V F

Q. (2.20)

Q = debit rencana saluran

F = freeboard yang biasanya bernilai 1,3

d. Hitung ketinggian saluran (H),lebar saluran bawah (B) dan lebar saluran atas (T) Gunakan suatu variable x sebagai bantuan untuk saluran trapezium yang berhubungan dengan harga N.

X= √ (2.21) H=√ (2.22) B = H x X (2.23) T = B + (2 x H x N) (2.24)

Untuk saluran persegi dengan nilai N = 0, maka X = 2 sehingga

H=√( ) (2.25) T = B = 2.H (2.26) e. Hitung jari-jari hidrolik (R) dan kemiringan dasar saluran (S) dengan

menggunakan Persamaan manning.

R=P

A (2.27)

S=( )² (2.28)

2.8.3. Bak Pengendap (Settling Basin) Fungsi bangunan ini adalah untuk :

a. Penyalur yang menghubungkan intake dengan bak pengendap sehingga panjangnya harus dibatasi.

(37)

b. Mengatur aliran air dari saluran penyalur sehingga harus

mencegah terjadinya kolam pusaran dan aliran turbulen serta mengurangi kecepatan aliran masuk ke bak pengendap sehingga perlu bagian melebar.

c. Sebagai bak pengendap adalah untuk mengendapkan sedimen di mana untuk detil desainnya perlu dihitung dengan formulasi hubungan panjang bak, kedalaman bak, antara kecepatan pengendap, dan kecepatan aliran.

2.8.4. Perencanaan Pipa Pesat (penstock)

Penstock (lihat gambar 2.5) dihubungkan pada sebuah elevasi yang lebih rendah ke sebuah turbin air. Kondisi topografi dan pemilihan skema PLTMH mempengaruhi tipe pipa pesat (penstock). Umumnya sebagai saluran ini harus didesain/dirancang secara benar sesuai kemiringan (head) sistem PLTMH. Pipa penstock merupakan salah satu komponen yang mahal dalam pekerjaan PLTMH, oleh karena itu desainnya perlu dipertimbangkan terhadap keseimbangan antara kehilangan energi dan biaya yang diperlukan. Parameter yang penting dalam desain pipa penstock terdiri dari material yang digunakan, diameter dan ketebalan pipa serta jenis sambungan yang digunakan.(Ramli kadir, 2010)

Gambar 2.5. Pipa pesat (penstock)

(38)

(sumber : http://www.tripmondo.com/indonesia/west-java/purbasari/picture- gallery-of-purbasari/)

Saat ini, bahan utama pipa pesat adalah pipa-pipa baja, pipa-pipa ductile dan pipa FRPM (fibre reinforced plastic multi-unit). Sedangkan pembangkit tenaga air skala kecil menggunakan pipa-pipa hard vinyl chloride, pipa-pipa howell atau pipa-pipa spiral welded dapat dipertimbangkan karena diameternya

kecil dan tekanan internalnya relatif rendah. Material yang digunakan.

Faktor-faktor utama yang perlu dipertimbangkan dalam menentukan material yang digunakan:

1. Besarnya tekanan air yang harus dipikul 2. Topografi dari lokasi penempatannya 3. Volume air yang harus ditampung 4. Metode penyambungan

5. Diameter pipa dan gaya gesek

6. Berat dan tingkat kesulitan dalam pemasangangannya 7. Umur rencana

8. Kondisi iklim dan cuaca 9. Harga dan biaya perawatan 10. Transportasi menuju lokasi

Material yang baik untuk digunakan untuk pipa pesat pada mikro hidro di antaranya:

1. Besi ringan (Mild steel)

2. Unplasticized polyvinyl choloride (UPVC) 3. High-density polyethylene (HDPE)

4. Medium-density polyethylene (MDPE).

(39)

Karakteristik pipa-pipa ini diperlihatkan pada lampiran 1.2 (Bahan pipa penstock untuk pembangkit listrik tenaga air skala kecil).

Untuk mendesain pipa pesat, pertama tentukan jenis bahan pipa pesat yang direncanakan dan hitung jarak antara saluran penampung menuju turbin dan beda tinggi (H) dari saluran penampung ke turbin.

Panjang pipa pesat, didapat dengan menggunakan rumus trigonometri Lpipa = L_Horizontal² H_gross²

(2.29) Kecepatan optimum dapat dicari dengan menggunakan rumus United State Bureau of Reclamation (USBR) sebagai hubungan anatara kecepatan dengan head

untuk pipa.

V = 0,125 2gH

(2.30) 2.8.4.1. Diameter Pipa pesat

Karena pipa pesat mengeluarkan biaya yang besar pada pemasangannya, sehingga dalam menentukan diameter pipa pesat harus berdasarkan perbandingan dengan biaya pipa pesat dan biaya kehilangan head pipa pesat.

Untuk memilih diameter terbaik dan tipe pipa pesat harus memperhitungkan faktor-faktor berikut:

1. Biaya pembelian pipa dan biaya tambahan seperti pemasangan, disain, sambungan dan transportasi.

2. Biaya perawatan pipa seperti pembersihan dan pengecatan ulang.

3. Daya yang dapat dihantarkan pipa setelah mengalami kehilangan akibat gesekan.

(40)

4. Jumlah aliran yang dapat menyuplai turbin untuk menghasilkan listrik terutama pada saat musim kemarau

5. Daya (power) optimum

Secara sederhana, diameter pipa dapat dicari dengan menggunakan persamaan dasar:

A = V Q

(2.31)

V d²  Q 4 .

1

(2.32) Ketebalan pipa:

40

80

 D t

(2.33) di mana, t = ketebalan minimum pipa,

D = diameter pipa

2.8.4.2. Kehilangan Akibat Gesekan Pada Pipa Pesat

Setelah mendapatkan diameter pipa pesat, kita akan menghitung nialai kehilangan head pada pipa pesat dengan mencari harga faktor gesekan (fl).Untuk mencari fl digunakan grafik pada gambar 2.6 dengan cara menghubungkan garis lengkung antara harga k/d terhadap nilai (1,2.Q/d). Dari table 2.3 didapat koefisien untuk beberapa material pipa dengan umur kondisinya.

Melalui grafik kehilangan akibat gesekan didapat faktor gesekan (fL).

Hkehilanganpadadinding ₅

. 2

08 , 0 . .

d Q L

fL _pipa



(2.34)

Tabel 2.3 Koefisien kekasaran pipa dalam mm

(41)

Material

Umur kondisi

< 5 tahun 5 - 15 tahun > 15 tahun

Pipa lunak

PVC, HDPE, MDPE 0,003 0,01 0,05

Fiberglas

Beton 0,06 0,15 1,5

Baja ringan :

Baja tak berlapis 0,01 0,1 0,5

Baja galvanis 0,06 0,15 0,3

Besi

Baru 0,15 0,3 0,6

Lama - karat rendah 0,6 1,5 3,0

- karat sedang 1,5 3,0 6,0

- karat tinggi 6,0 10,0 20,0

(Sumber : Micro hydro design manual adam Harvey 1993)

(42)

Gambar 2.6 Grafik faktor gesekan pada pipa.

(Sumber : Micro hydro design manual adam Harvey 1993)

Dari tabel 2.4 didapat faktor kehilangan akibat gerakan turbulen aliran pada pipa, diasumsikan pipa pesat tidak membengkok, namun terdapat putaran pada ketajaman sudut masuk (Kentrance) dan bukaan klep (KValve).

Tabel 2. 4 Koefisien ketajaman sudut masuk

No. Bentuk ketajaman sudut masuk K Valve

1 1,0

(43)

2 0,8

3 0,5

4 0,2

( Sumber : Micro hydro desidn manual adam Harvey 1993)

Tabel 2.5 Koefisien bukaan klep

Tipe Klep Bola Pintu Kupu-kupu

K Klep 0 0,1 0,3

( Sumber : Micro hydro desidn manual adam Harvey 1993) Hkehilangan pada turbin =

g V

. 2

2

(Kvalve + Kentrance)

Kehilangan akibat gesekan (Hkehilangan akibat gesekan)

Hkehilangan akibat gesekan = hkehilangan pada dinding + hkehilangan pada turbin

(44)

% Kehilangan =

gross loss

H

H x 100%

Efisiensi penstock =

gross loss gross

H H

H )

( 

2.8.5. Rumah Pembangkit

Sesuai posisinya, rumah pembangkit ini dapat diklasifikasikan ke dalam tipe di atas tanah, semi di bawah tanah, di bawah tanah. Sebagian besara rumah pembangkit PLTMH adalah di atas tanah. Untuk pertimbangan desain rumah pembangkit, perlu dipertimbangkan :

a. Lantai rumah pembangkit di mana peralatan PLTMH ditempatkan, perlu memperhatikan kenyamanan selama operasi, mengelola, melakukan perawatan di mana terjadi pekerjaan pembongkaran dan pemasangan peralatan.

b. Memiliki cukup cahaya masuk untuk penerangan di siang hari dan adanya ventilasi udara.

c. Kenyamanan jika operator berada di dalamnya seperti untuk melakukan pengendalian ataupun pencatatan secara manual pada jenis dan tipe turbin yang digunakan, dan sirkulasi air yang dikeluarkan setelah menggerakkan turbin. Karena itu ada beberapa pertimbangan tipe desain rumah pembangkit sesuai jenis turbin yang digunakan, sebagai berikut.

 Rumah pembangkit menggunakan turbin jenis Turbin Impuls

Desain konstruksi rumah pembangkit ini perlu mempertimbangkan jarak bebas antara dasar rumah pembangkit dengan permukaan air buangan turbin (afterbay). Pada kasus turbin implus (turbin pelton, turgo dan crossflow), air yang dilepas oleh runner turbin secara langsung dikeluarkan ke dalam udara di tailrace.

(45)

Permukaan air di bawah turbin akan bergelombang. Oleh karena itu jarak bebas antara rumah pembangkit dengan permukaan air afterbay harus dijaga paling tidak 30-50 cm. ke dalaman air di afterbay harus dihitung berdasarkan suatu formulasi antara desain debit dan lebar saluran di tailrace. Kemudian air di afterbay harus ditentukan lebih tinggi dari pada estimasi air banjir. Juga head antarapusat turbin dan level air pada outlet harus menjadi headloss (Ramli kadir, 2010).

 Rumah turbin menggunakan turbin jenis Turbin Reaction

Hal yang sama dalam desain konstruksi rumah turbin menggunakan jenis reaction (Francais, Propeller), adalah perilaku air afterbay. Pada kasus menggunakan turbin tipe reaction, air dikeluarkan ke dalam afterbay melalui turbin. Head antara turbin dan level air dapat digunakan untuk membangkitkan tenaga. Dengan demikan desain konstruksinya memperbolehkan posisi tempat pemasangan turbin berada di bawah level air banjir, dan pada desain konstruksinya perlu disediakan tempat untuk menempatkan peralatan seperti pintu tailrace, dan pompa.

Rumah pembangkit adalah rumah untuk system pembangkitan aliran listrik. Pada rumah pembangkit ini akan ditempatkan peralatan elektrikal – mekanikal yang terdiri dari:

1. Turbin dan sistem mekanik 2. Generator

3. Panel control 4. Ballast load

5. Tempat peralatan/tools.

Rumah pembangkit dilengkapi dengan pengamanan terhadap petir dan arus berlebih (lightning arrester). Rumah pembangkit berupa pasangan bata

(46)

dengan bangunan coran bertulang pada pondasi turbin dan penampungan air di bawah turbin sebelum keluar ke tail race.

Hal utama yang menjadi perhatian dalam pembangunan rumah pembangkit adalah aksesibilitas dan sirkulasi udara untuk melepas panas pada ballast load. Sirkulasi udara yang baik akan menjaga temperatur kerja sekitar

rumah pembangkit tidak berlebih, sehingga temperatur kerja mesin dapat dijaga dengan baik.

2.9. Perencanaan Elektromekanikal

2.9.1. Pemilihan Turbin

Turbin berfungsi mengubah energi air menjadi tenaga listrik (Dandekar dan Sharma 1991.) Air berperan untuk mengubah energi air (energi potensial,

tekanan, dan energi kinetik) menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros.

Putaran poros turbin ini akan diubah oleh generator menjadi tenaga listrik. Jenis turbin turbin dibagi menjadi dua kelompok.

1. Turbin impuls (cross-flow, pelton, dan turgo)

Turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya dengan merubah beda tinggi menjadi kecepatan karena perbedaan tinggi. Seluruh energi air (yang teridiri dari energi potensial-tekanan-kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Atau dengan kata lain, energi potensial air diubah menjadi energi kinetik.

2. Turbin reaksi

(47)

Turbin reaksi umumnya mempunyai putaran yang lebih kencang dari turbin impuls, turbin ini bekerja karena aliran air dengan tinggi terjun karena tekanan.

Adapun jenis–jenis turbin adalah sebagai berikut :

 Turbin Pelton

Turbin Pelton merupakan salah satu turbin impuls, turbin ini dipakai untuk tinggi terjun yang tinggi. Untuk mendapatkan tinggi terjun yang besar turbin harus diletakkan serendah mungkin. Keuntungan turbin ini yaitu mempunyai pengaturan kecepatan yang lebih baik dan konstruksinya sederhana.

Contoh Turbin pelton Pada gambar 2.7

Gambar 2.7 Pelton turbin

(Sumber : G. Cussins Ltd, Manchester, UK)

 Turbin Turgo

Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 250 m. Seperti turbin pelton turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nozzle membentur sudu pada sudut 20^o. Kecepatan putar turbin turgo lebih besar dari turbin Pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total.

 Turbin Francis.

(48)

Turbin francis (gambar 2.8) merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin Francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin Francis digunakan untuk tinggi terjun yang menengah.

Gambar 2.8 Francis turbin

(Sumber:http://hydropowerplantsttpln.blogspot.com/2012/02/pelatihan dibandung.html/)

 Turbin Kaplan dan Propeller

Turbin kaplan (lihat gambar 2.9 ) cara kerjanya menggunakan prinsip reaksi. Turbin ini bekerja pada tinggi terjun yang rendah yaitu dengan ketinggian 2 m – 20 m. turbin kaplan mempunyai efisiensi paling tinggi, hal ini dikarenakan sudut-sudut turbin yang bisa diatur sesuai dengan kondisi aliran.

(49)

Gambar 2.9 Kaplan turbin

(Sumber:http://hydropowerplantsttpln.blogspot.com/2012/02/pelatihan dibandung.html/)

Perbandingan Karakteristik Turbin Perbandingan karakteristik turbin dapat kita lihat pada grafik head (m) vs flow (m³/s) di bawah ini.

Gambar 2.10 Perbandingan karakteristik Turbin

Dapat dilihat pada gambar 2.11 turbin kaplan adalah turbin yang beroperasi pada head yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi atau bahkan beroperasi pada kapasitas yang sangat rendah. Sebaliknya, turbin pelton adalah turbin yang beroperasi pada head tinggi dengan kapasitas yang rendah. Untuk turbin francis mempunyai karakteristik yang berbeda dengan yang lainnya yaitu turbin francis dapat beroperasi pada head yang rendah atau beroperasi pada head yang tinggi. Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang didapatkan dan kurang lebih pada rata-rata alirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan untuk tempat dengan head tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat dengan head rendah.

(50)

Tabel 2. 6 Daerah Operasi Turbin

Jenis Turbin Variasi Head (m) Kaplan dan Propeller 2 < H < 20

Francis 10 < H < 350

Pelton 50 < H < 1000

Crossflow 6< H <100

Turgo 50 < H < 250

(Sumber : www.hydrogeneration.co.uk) 2.9.2. Pemilihan generator

Generator adalah suatu peralatan yang berfungsi mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.

Efisiensi generator secara umum adalah:

1. Aplikasi < 10 KVA efisiensi 0,70 - 0,80 2. Aplikasi 10 – 20 KVA efisiensi 0,80 - 0,85 3. Aplikasi 20 – 50 KVA efisiensi 0,85 4. Aplikasi 50 – 100 KVA efisiensi 0,85 - 0,90 5. Aplikasi > 100 KVA efisiensi 0,90 - 0,95

(51)

BAB III

METODE PENELITIAN 3.1. Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian ini dimulai pada semester genap tahun ajaran 2015-2016 dan studi kasus dilaksanakan pada Desa Pardomuan Kabupaten Dairi Kecamatan Siempat Nempu Hilir.

Secara geografis Kabupaten Dairi terletak pada 02˚44’55” LU dan

98˚22’32” BT. Secara administrasi batas wilayah Kabupaten Dairi adalah sebagai berikut:

- Sebelah Utara : Kecamatan Siempat Nempu - Sebelah Selatan : Kecamatan Kerajaan

- Sebelah Barat : Kecamatan Berampu - Sebelah Timur : Kabupaten Sitinjo/Sumbul

Kabupaten Dairi terdiri dari 15 Kecamatan, dengan total luas wilayah 1.927 Km². Kecamatan Siempat Nempu Hilir merupakan salah satu kecamatan di Kabupaten Dairi yang terdiri dari 10 (sepuluh) desa dengan luas total 105,12 Km² atau 3,34 % dari seluruh luas Kabupaten Dairi. Sebagian besar wilayah terdiri dari pegunungan yang bergelombang dan sebagian kecil merupakan dataran.

Ketinggian wilayah Siempat Nempu Hilir berkisar antara 500 – 1.100 m di atas permukaan laut.

Secara geografis Kecamatan Siempat Nempu Hilir terletak antara 02,15˚ - 3,00˚ LU dan 98˚ - 98,30˚ BT. Luas wilayah 105,12 km² dan berada pada 500- 1100 m diatas permukaan laut. Wilayah Kecamatan Siempat Nempu Hilir secara administrasi dibatasi wilayah sebagai berikut:

(52)

- Sebelah Utara : Kecamatan Tanah Pinem

- Sebelah Timur : Kecamatan Silima Pungga-Pungga - Sebelah Selatan : Daerah Istimewa Aceh

- Sebelah Barat : Kecamatan Siempat Nempu Berikut peta lokasi penelitian

Gambar 3.1. Peta lokasi penelitian

(53)

3.1.1 DAERAH PENGALIRAN SUNGAI (DAS) SIMBELIN

Pembangkit Listrik Tenaga Air Mini Hidro Simbelin 6 direncanakan sebagai proyek pusat pengembangan listrik dengan pengembangan seasonal run off river yang membangkitkan energi listrik dengan memanfaatkan sumber daya

air daerah aliran sungai Simbelin. Pola aliran sungai di Sungai Simbelin

mengikuti pola kipas, artinya pola aliran sungai bentuknya dengan cabang-cabang sungai kecil yang datangnya dari berbagai arah di lereng-lereng bukit terjal kemudian menyatu di sungai utamanya, yaitu Sungai Simbelin yang mengalir di lembahnya.

Berdasarkan studi topografi yang telah dilakukan, luas daerah pengaliran sungai (DAS) untuk PLTM Simbelin 6 (DAS Simbelin) adalah 340.220 km² dengan panjang total sungai ±50.00 km

Gambar 3.2 Peta DAS PLTMH Simbelin

Weir PLTM Simbelin : Luas DAS = 340.220 km²

(54)

3.2 Rancangan Penelitian 3.2.

Gambar 3.3. Diagram alur penelitian Studi Pustaka

Pengambilan Data

Pengambilan data primer - Kecepatan sesaat

sungai simbelin

Pengambilan data sekunder - Data curah hujan - Tofografi

Analisa data dan pengolahan data - Debit Q F.J.Mock

- Head -

Kesimpulan dan Saran

Selesai Daya yang dihasilkan Desain dasar komponen

sipil

Kajian Potensi Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) Pada Sungai Simbelin Kecamatan Siempat Nempu Hilir Kabupaten Dairi

(55)

Metodologi yang digunakan untuk mengolah data dalam penulisan ini adalah metode kuantitatif deskriptif, yaitu metode perhitungan dan penjabaran hasil pengolahan data lapangan dari lokasi yang ditinjau. Studi penelitian dilakukan sesuai urutan di bawah ini:

1. Studi Pustaka

Tahap ini adalah untuk referensi yang dibutuhkan dalam proses pengerjaan dan metode yang digunakan dalam menyelesaikan tugas akhir ini. Pada tahap ini penulis mengumpulkan berbagai teori yang berhubungan dengan permasalahan yang ada.

2. Pengumpulan data

Pengumpulan data dalam penelitian ini meliputi:

1. Data primer

Pengambilan data primer meliputi : - kecepatan sesaat pada sungai aek pohon 2. Data sekunder

Pengambilan data sekunder meliputi - Data curah hujan

- Tofografi 3. Pengolahan data

Setelah semua data yang dibutuhkan diperoleh, langkah selanjutnya adalah pengolahan data, sehingga didapatkan besar debit dan ketinggian efektif.

4. Daya yang dihasilkan

Setelah debit dan head ditetntukan mak diketahui potensi yang tersedia..

(56)

3.3. Variabel Yang diamati

Adapun variabel yang diamati pada penelitian yaitu : 1. Mengukur debit di sungai.