RANCANG BANGUN TURBIN ULIR VERY LOW HEAD SEBAGAI PEMBANGKIT LISTRIK
TENAGA MIKROHIDRO
Oleh
Muliadi
1), Erna Wijayanti Rahayu
2) 1Fakultas Teknik, Universitas Nusa Tenggara Barat
2Fakultas Teknik, Universitas Nusa Tenggara Barat
Abstract: Indonesia's energy needs are still dominated by energy-based fossil fuels. This study is expected
to realize an energy independent village in Indonesia, which is the goal of the government in the field of
energy. Utilization of water energy strongly supports the achievement of the government program. Water
energy conversion in the conventional manner which is very commonly done is to use a water turbine.
Turbines that have not been studied in Indonesia, one of which is the turbine screw. Turbine screw fit with
water potential in society. Potential available in West Lombok district is mostly irrigation channels and
rivers that have a low head between 2 meters to 8 meters. The method used in this research is the method of
measuring directly through field testing of the tool directly at the site of potential. Results of measurements
in the field is analyzed to obtain the characteristics of the turbine design. This research obtains characteristic
whorl very low head turbine design results with 0.025 testing discharge (m
3/s), high head 2.64 (m), 0.75 flow
velocity (m/s) and the potential for mechanical power generated 72 watts maximum awakened. 769 shaft
rotational speed (rpm), large torque 0.9 (kg/cm
2) and 11, 42 turbine efficiency (%). Turbines will be used by
people who have the potential contained around. Electrical energy can be used for lighting homes, places of
worship, street lighting and small and medium-sized industry.
Key word: screw turbine, very low head.
1.
PENDAHULUAN
Kebutuhan energi di Indonesia saat ini masih
didominasi oleh energi yang berbasis bahan bakar
fossil, seperti minyak bumi dan batu bara. Kerugian
dari bahan bakar fosil adalah sifatnya yang tidak
ramah lingkungan, karena hasil pembakaran bahan
bakar fossil adalah CO2 yang merupakan gas
rumah kaca. Perlu dikembangkan sumber energi
alternatif yang dapat menggantikan sumber energi
berbasis fosil yang tidak ramah lingkungan dan
bersifat terbarukan. Teknologi energi terbarukan
memberikan harapan besar sebagai alternatif yang
bebas polusi untuk menggantikan instalasi tenaga
berbahan bakar nuklir dan fosil untuk memenuhi
pertumbuhan kebutuhan energi listrik. Salah satu
kategori teknologi energi terbarukan yang sangat
menjanjikan adalah hidrokinetik yang
menawarkan cara untuk menyediakan energi dari air
yang mengalir tanpa memerlukan bendungan atau
atau pengarah sebagaimana pada kebanyakan
fasilitas hidroelektrik konvensional.
Potensi air di pulau Lombok yang berpotensi
untuk dikembangkan sumber energi pembangkit
listrik tenaga mikrohidro. Keterbatasan daya listrik
PLN yang digerakkan dengan tenaga diesel
merupakan salah satu penyebab banyaknya
masyarakat yang belum mendapat aliran listrik
disekitar potensi tersebut. Provinsi Nusa Tenggara
Barat sampai tahun 2008 rasio elektrifikasinya baru
mencapai 47,81%, sedangkan Pulau Lombok baru
mencapai 33,42%, hal ini menunjukan bahwa masih
banyak masyarakat Lombok yang belum menikmati
pelayanan listrik. Solusi untuk mengatasi hal
tersebut telah banyak dikembangkan pembangunan
pembangkit listrik menggunakan potensi energi
setempat, khususnya mikrohidro(Hadi Sutrisno,
2010).
Tujuan penelitian ini adalah mendapatkan
karakteristik turbin ulir hasil desain yang memiliki
head rendah 1 meter. Karakteristik yang ingin
diketahui adalah efisiensi turbin dalam hal ini
efisiensi mekanikal dan elektrikal (ɳ%), putaran
maksimum (rpm) dan torsi maksimum (kg/cm
2),
daya keluaran terbangkitkan optimal (KW) dari
potensi yang tersedia.
Muliadi(2012), potensi PLTMH di Kabupaten
Lombok Barat terfokus di tiga kecamatan yaitu
Narmada Lingsar dan Gunung Sari dengan total
potensi daya adalah 1,54 MW mewakili 11% dari
potensi yang ada di NTB. Potensi masing-masing
lokasi adalah 294 KW kecamatan Lingsar, 1,09 MW
kecamatan Narmada dan 156,8 KW untuk
kecamatan Gunung Sari, rata-rata potensi ini
dimiliki oleh saluran irigasi.
2.
KAJIAN PUSTAKA
Turbin ulir adalah alat yang digunakan untuk
mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.
Adapun proses perubahan energi pada turbin ulir
hingga menjadi energi listrik yaitu dimana energi
yang berasal dari energi mekanik yang terdapat pada
air dan perubahan tekanan yang terjadi pada sudu
mengakibatkan sudu berputar dan memutar poros.
Daya dari poros ditransmisikan ke generator yang
kemudian diubah menjadi energi listrik
Potensi tenaga air skala mikrohidro di Indonesia
tersebar hampir mencapai 7.500 MW; sementara itu
pemanfaatannya baru mencapai 4,5% dari potensi
yang ada. Pengembangan teknologi, penerapan
dan standarisasi sistem dan komponen
mini/mikrohidro perlu terus dilaksanakan untuk
memberi kontribusi pada pemenuhan target
pemakaian energi baru dan terbarukan sebesar
15% pada tahun 2025 (ARN, 2006-2009).
Blueprint pengelolaan energi nasional 2005-2025
mengisyaratkan besaran sumber daya energi
mini/mokrohidro setara 0,45 GW dengan
kapasitas terpasang sebesar 0,206 GW, data tersebut
memberikan
konsekuensi
bahwa
peluang
pengembangan dan pengelolaan sumber energi air
masih terbuka sangat luas(DJLPE, 2008).
Ketersediaan
air
yang
melimpah
bisa
dimanfaatkan melalui teknologi turbin air, artinya
ikut
serta
membantu
program
pemerintah
mewujudkan desa mandiri energi dengan energi
terbarukan. Sebagaimana anjuran pemerintah yang
telah menggalakkan pemanfaatkan sumber energi
listrik selain BBM. Energi listrik telah menjadi
kebutuhan pokok dan memainkan peranan yang
penting dalam kehidupan manusia. Penduduk
Indonesia hanya 53% dari jumlah total yang
memiliki akses pada jaringan tenaga listrik yang
telah ada. Sekitar 47% penduduk Indonesia yang
hidup di wilayah yang tidak terjangkau jaringan
listrik karena keterbatasan infrastruktur dan
kapasitas pembangkit listrik yang tersedia (Imidap,
2008).
Rorres(2000), menyatakan bahwa geometri
dari sebuah turbin Archimedes (Archimedes screw)
ditentukan oleh beberapa parameter eksternal yaitu
jari-jari terluar, panjang ulir, dan kemiringan.
Parameter
lain
yang
mempengaruhi
adalah
parameter internal seperti jari-jari dalam, jumlah
blade, dan pitch blade. Parameter-parameter
eksternal tersebut biasanya ditentukan oleh lokasi
penempatan ulir Archimedes dan seberapa banyak
air yang akan diangkat. Sementara
parameter-parameter internal adalah bebas ditentukan sendiri
untuk mengoptimalkan performansi atau kinerja dari
ulir.
Peter walker(2012), BHA mengidentifikasi
keuntungan sebagai berikut PLTA atas teknologi
terbarukan lainnya: Efisiensi tinggi (70-90%) lebih
baik daripada teknologi lainnya. Faktor kapasitas
tinggi biasanya lebih besar dari 50%, Solar 10%
angin 30%.
Stergiopoulou, A., dan Stergiopoulos,
V.(2009), Penemuan dari ulir air secara tradisional
dikreditkan ke ilmuwan dan insinyur Archimedes
dari Syracuse, atas dasar berbagai teks Yunani dan
Latin. Penciptaan turbin ulir mungkin didasarkan
pada studi spiral, Archimedes menulis sebuah risalah
berjudul "On spiral", di 225 SM Pompa ulir ini
pertama kali disebutkan oleh Diodorus dari Sisilia,
Athenaeus dari Naucratis, oleh Moschion insinyur
Romawi Vitruvius memberikan penjelasan rinci dan
informatif
dari
pembangunan
sebuah
ulir
Archimedes dalam bukunya "De Architectura"
3.
METODE PENELITIAN
Penelitian ini akan berlangsung sebagai berikut:
3.1.
Rancangan penelitian
a.
Penelitian dimulai dengan melakukan studi
literatur yang mendukung dan terkait dengan
tema penelitian.
b.
Survei potensi sebagai lokasi pengujian dan
sebagai dasar dalam perancangan dimensi
turbin ulir.
c.
Perancangan turbin ulir sesuai dengan lokasi
potensi.
d.
Pengujian
untuk
pengambilaan
data,
pengujian dilakukan di Taman Narmada ,
Desa
Narmada
Kecamatan
Narmada
Kabupaten Lombok Barat Provinsi NTB.
e.
Data dianalisa untuk mendapatkan debit
optimal, kecepatan aliran, putaran turbin,
torsi yang dihasilkan, besarnya efisiensi turbin
dari potensi yang tersedia, dan daya potensi
terbangkitkan.
3.2.
Teknik Pengumpulan dan Analisis Data
Teknik pengumpulan data yang digunakan
adalah pengukuran langsung di lapangan. Metode
analisis
data
adalah
dengan
perhitungan
menggunakan formula yang ada untuk mendapatkan
daya terbangkitkan, efisiensi turbin maksimum.
3.3.
Lokasi dan Waktu Penelitian Penelitian
Lokasi penelitian adalah Taman Narmada
Dusun Narmada Kecamatan Narmada, Kabupaten
Lombok Barat Provinsi NTB. Waktu penelitian
bulan Maret s.d Desember 2015
3.4.
Variabel Penelitian
Variabel-variabel yang diteliti adalah debit,
kecepatan aliran air, putaran turbin, torsi yang
dihasilkan, besarnya efisiensi dari potensi yang
tersedia dan daya potensi terbangkitkan.
3.5.
Model Yang Digunakan
Model yang digunakan adalah turbin ulir
prototype yang dibuat menggunakan skala tertentu
sesuai dengan dimensi saluran tempat pengujian.
Turbin ulir hasil perancangan sebagai model tersebut
diuji di lapangan. Turbin hasil desain dapat
dikonversi dengan skala tertentu yang digunakan
untuk mendapatkan karakteristik turbin ulir jika
discale up.
4.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil analisa formula didapatkan dimensi desain
turbin ulir seperti tabel 1di bawah ini:
Tabel 1. Dimensi turbin desain
Komponen
Symbol Nilai Satuan
Panjang turbin
L
1
meter
Dia.poros
dalam
Din
4.4
inchi
Dia.poros luar
D out
12.5
inchi
Dia.poros pully
Dshaft
1.5
Inchi
Diameter pully
D Pully
30
cm
Tebal blade
d
3
mm
Jumlah ulir
m
11
ulir
Panjang
gelombang ulir
A
12
cm
Sudut α
α
20
drajat
Sudut ϴ
ϴ
45
drajat
Gambar 1. Turbin hasil desain
Hasil pengukurannya putaran turbin tanpa
beban adalah kecepatan putaran turbin naik dari
minimal 411 rpm menjadi maksimal 631 rpm. Jika
diberikan pully atau gearbox dengan perbandingan 5
kali maka akan didapatkan 3155 rpm kecepatan ini
sudah cukup untuk memutar generator standar
dengan daya 1500 watt dengan kebutuhan speed
minimal 1500 rpm. Keadaan putaran liar turbin
diukur torsinya dengan harapan torsi yang kuat dan
besar dapat memutar beban generator.
Pengukuran putaran turbin dan putaran
generator yang dihubungkan dengan pully dan
dengan perlakukan debit diberikan perbedaan sedikit
sampai debit maksimum. Menunjukan bahwa
kecepatan putaran turbin mulai dengan kecepatan
370 rpm pada debit 22.2 l/s meningkat dengan
diberikan tambahan debit menjadi 23.3 l/s kecepatan
putar
turbin
meningkat
menjadi
414
rpm
penambahan jumlah debit sebesar 1 l/s berpengaruh
pada penambahan kecepatan putaran turbin 100 rpm.
Sampai pada debit maksimal yang tersedia sebesar
24.5 l/s turbin berputar maksimal sebesar 764 rpm.
Penambahan debit berikutnya tidak menambah
kecepatan putar turbin. Kecepatan turbin ini sudah
cukup untuk bisa digunkan untuk memutar generator
dalam menghasilkan energi listrik dengan bantuan
gearbox dalam menaikan putaran sesuai dengan
spesifikasi generator yang digunakan. Pengukuran
putaran generator bersamaan dengan pengukuran
putaran turbin untuk melihat kemapuan pully dalam
mentransper energi mekanik yang dihasilkan air
melalui turbin menuju generator. Rendahnya putaran
turbin menunjukan bahwa turbin tersebut memiliki
nilai torsi yang besar yang sangat berguna dalam
memutar generator.
Hasil pengukuran kecepatan generator
menunjukan bahwa kecepatan generator meningkat
dengan diberikan tambahan debit dari 22 l/s
kecepatan
generator
mulai
berputar
dengan
kecepatan sebesar 743 rpm penambahan jumlah
debit sebesar 1 liter/sekon berpengaruh pada
penambahan kecepatan putaran generator 10 rpm
menjadi 754 rpm sampai pada debit maksimum yang
tersedia di lokasi sebesar 24.5 liter/sekon
menghasilkan putaran generator sebesar 769 rpm
selanjutnya penambahan debit tidak menambah
kecepatan putar generator mungkin ini adalah
kecepatan optimal turbin pada debit maksimal.
Perbedaan putaran generator dengan putaran
turbin terjadi karena adanya perbedaan diameter
pully pada turbin dan generator tetapi perbedaan
diameter tersebut tidak signifikan dengan perbedaan
putaran hal ini terjadi karena adanya slip yang terjadi
pada transmisi belted turbin tersebut sehingga
putaran turbin sebesar 370 rpm seharusnya
menghasilkan putran generator sebesar 2220 rpm
karena perbandingan diameternya adalah 6 kali.
Model transmisi yang digunakan dalam system
picohidro maupun mikrohidro sangat penting
diperhatikan untuk mendapatkan transmisi putaran
yang maksimal.
Ketika air dimasukan dalam turbin dengan
ketinggian air jatuh(head) 2.64 meter turbin
berputar semakin tinggi sampai putaran maksimal
sebesar 764 rpm. Apabila turbin dihentikan dengan
diberikan gaya rem dengan semakin diperbesar
maka turbin akan melawan dengan gaya putar yang
semakin besar pula apabila beban pengereman
ditambah juga maka gaya putar juga akan semakin
besar. Gaya putar maksimal didapatkan apabila
putaran turbin diremsampai kecepatan mendekati
nol tetapi tidak berhenti. Hasil pengujian dari gaya
putar turbin ulir ini atau sering disebut dengan torsi
adalah sebesar 0.90 Nm. Gaya torsi inilah yang
dimanfaatkan untuk memutar generator yang
dihubungkan dengan transimisi belted. Gaya torsi
sebesar 0.9 Nm termasuk besar karena torsi sebesar
itu tdk bisa dihentikan putarannya dengam tangan
dan dapat memutar beban sebesar sekitar 6 kg.
Gambar 2. Grafik debit terhadap daya output
Gambar 2 di atas menunjukan daya keluaran
mekanik turbin dari daya potensi hidrolik potensi
tempat pengujian. Debit sebesar 22 l/s menghasilkan
potensi daya hidrolik sebesar 576.8 watt dari potensi
daya tersebut menghasilkan daya mekanik sebesar
34.8 watt debit yang meningkat sampai 25 l/s pada
pengujian menghasilkan 634.5 watt potensi dengan
daya mekanik 72.4 watt. Semakin besar potensi air
yang diberikan daya mekanik semakin tinggi tetapi
nilai daya mekanik yang dihasilkan tidak signifikan
dengan potensi daya karna kemungkinan rendahnya
efisiensi.
Gambar 3. Grafik Hubungan Debit Dengan
Efisiensi Turbin
Gambar 3 menunjukan hubungan debit dan
efisiensi turbin. Debit yang dimasukkan pada turbin
maksimal adalah 25 l/s padahal debit desain turbin
ini adalah 1000 liter/skon dengan head 1 meter,
maka akibat dari kekurangan debit dan kelebihan
head tersebut mengakibatkan efisiensi turbin tidak
maksimal. Grafik menunjukan bahwa debit 22 l/s
menghasilkan efisiensi turbin 6.04% penambahan
debit membuat efisiensi semakin meningkat sampai
pada 11.42% pada debit 25 l/s trend efisiensi
semakin meningkat dengan bertambahnya debit
secara linier dengan debit perkiraan maksimum debit
33 l/s dengan efisiensi maksimum 91,3 %.
5.
SIMPULAN
Kesimpulan yang dapat diambil dari hasil
penelitian ini mengenai karakteristik turbin ulir hasil
desain meliputi:
a)
Nilai putaran maksimum 769 (rpm), dengan
torsi maksimum 0.9 (kg/cm
2), daya mekanik
terbangkitkan sebesar 72 (Watt) dengan debit
25 liter/detik pada head 2.64 meter, efisiensi
turbin ulir prototipe ini sebesar 11.42%
termasuk rendah karena debit desain sebesaar
500 liter/detik dan debit pengujian yang
digunakan 25 liter/detik.
b)
Menurut perhitungan jika menggunakan debit
desai dalam pengujian maka efisiensi turbin
desain menjadi 91.3% mendekati efisiensi
secara umum turbin ulir mencapai 92%.
c)
Analisis ekonomi mikrohidro menunjukan
bahwa usaha pengadaan listrik dengan
teknologi ini dengan harga jual sebesar
Rp.1.075/kwh akan memberikan keuntungan
yang besar.
REFERENSI
BPDP-BPPT. 2005. Laporan Teknis Penelitian dan
Pengembangan Kelistrikan (Oscillating Water
Column). Sleman Yogyakarta.
DJLPE. 2008. Direktorat Jenderal Listrik dan
Pemanfaatan Energi.
Imidap. 2008. Pelatihan Operator Mikrohidro
Implementasi
Pembangunan
Mikrohidro
Berbasis Masyarakat Angkatan II.
Lisdiyanti, 2012. Pengaruh Kemiringan Turbin Ulir
Dan Debit Air Terhadap Daya Turbin Ulir Dua
Blade, Dinamika TEKNIK SIPIL/Vol. 12/No.
1/Januari 2012. Yogyakarta
Misno. 2007. Pembangkit Listrik Mikrohidro Kecil
& Tersebar sebuah Solusi Atasi Krisis Energi.
Paper Contest Seminar Nasional. Lustrum Ke 9
Himpunan Mahasiswa Teknik Geologi, FT
UGM.
Muliadi. 2012. Pemetaan Potensi PLTMH Di
Kabupaten Lombok Barat NTB. Lembaga
Penelitian UNTB. Mataram. Media Bina Ilmiah.
Volume 7, No. 2, Hal 1-4.
576,8 605,7 634,5 34,854 38,9988 72,4398 0 100 200 300 400 500 600 700 22 23 25 D a y a ( Wa tt ) Debit(l/s)
Daya Hidrolik Daya Mekanik
6,04 6,44 11,42 y = 2,69x + 2,5867 0 2 4 6 8 10 12 22 23 25 E fi si en si T u rb in (%) Debit(l/s)
