SKRIPSI
STUDI PERANCANGAN HYBRID PLTA SIGURA-GURA DENGAN PUMPED STORAGE DANAU TOBA SEBAGAI BACKBONE ENERGI
BARU TERBARUKAN SUMATERA UTARA
Diajukan sebagai salah satu syarat menyelesaikan Program Pendidikan Sarjana Ekstensi (PPSE)
Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
Oleh INDRA ALWI NIM : 110422019
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
ABSTRAK
Sistem kelistrikan Sumatera bagian Utara adalah sistem kelistrikan yang termasuk ke dalam kondisi daerah krisis. Kondisi tersebut menyebabkan pertumbuhan perekonomian di daerah tersebut menjadi lambat. Untuk memperbaiki kondisi tersebut, diperlukan suatu perancangan sistem pembangkitan yang andal dan ekonomis. Hasil studi menunjukkan Penambahan pembangkit baru sampai tahun 2030 sebanyak 128 pembangkit, terdiri dari: 3 PLTA 11 MW, 3 PLTA 170 MW, 50 PLTP 30 MW, 21 PLTU 100 MW, 34 PLTGU 100 MW, 5 PLTG 30 MW, dan 12 PLTN 100 MW. Komposisi pembangkit pada tahun 2030 sebagai berikut: PLTU 25% (2330 MW), PLTP 16% (1511 MW), PLTA 7% (659 MW), PLTN 13% (1200 MW), PLTGU 36% (3400 MW), PLTG 2% (150 MW), dan PLTD 1% (78 MW).
Kata kunci:perancangan, kelistrikan, Hybrid,PLTA,Pumped Storage
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, segala puji syukur bagi Allah SWT yang telah memberi karunia kesehatan dan kesempatan kepada penulis untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini. Shalawat dan salam kepada Baginda Rasulullah Muhammad SAW yang telah memberi keteladanan tauhid, ikhtiar dan kerja keras sehingga menjadi panutan dalam menjalankan setiap aktivitas sehari-hari, karena suatu hal yang sangat sulit yang menguji ketekunan dan kesabaran untuk tidak pantang menyerah dalam menyelesaikan penulisan Tugas Akhir ini.
Penulisan Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan Studi pada Program Pendidikan Sarjana Ekstensi (PPSE) Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun Judul Tugas Akhir penulis adalah:
“Studi Perancangan Hybrid PLTA Sigura-gura dengan Pumped Storage Danau Toba Sebagai Backbone Energi Baru
Terbarukan Sumatera Utara”
Penulis menyadari bahwa dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini tidak terlepas dari dukungan, bantuan serta bimbingan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-sebesarnya kepada beberapa pihak yang berperan penting yaitu :
1. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si selaku Dosen Pembimbing penulis dalam penyelesaian Tugas Akhir ini yang telah menyumbangkan waktu, ilmu, dan pengalamannya kepada penulis.
2. Bapak Dr.Fahmi,St,M.Sc.IPM selaku Ketua Departemen Teknik Elektro, Universitas Sumatera Utara.
3. Bapak Ir. Eddy Warman, MT dan Bapak Ferry R.A.Nukit ST.,MT selaku Dosen Penguji Tugas Akhir yang telah banyak memberikan masukan pada penulis guna perbaikan Tugas Akhir ini.
4. Seluruh staff pengajar dan administrasi Departemen Teknik Elektro, Universitas Sumatera Utara.
5. Ibunda Hj. Nurmiah Daulay tercinta dan Ayahanda Maluddin Panjaitan yang telah banyak berkorban, memberikan motivasi, semangat, dan nasehat, beserta saudara-saudari tersayang: Abangda Eri Irawan, Adinda Wilda Yani, Nurjannah, Fahmi Saad yang selalu mendoakan dan mendukung penulis..
6. Rekan-rekan Konversi Energi Ekstensi.
Penulis sadar betul bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari kata sempurna, maka kritik dan saran yang bersifat membangun sangat penulis harapkan. Semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi saya pribadi khususnya dan bagi pembaca.
Bermanfaat bagi ilmu pengetahuan dan teknologi, juga bagi kejayaan umat manusia sekarang, dan seterusnya di masa-masa yang akan datang.
Medan, 31 Oktober 2018 Penulis
Indra Alwi NIM:110422019
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
KATA PENGANTAR ... iv
DAFTAR ISI ... vi
DAFTAR TABEL ... xi
BAB 1 PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 3
1.3 Tujuan Penelitian ... 3
1.4 Manfaat Penelitian ... 4
1.5 Batasan Masalah ... 4
1.6 Metodologi Penelitian ... 4
BAB 2 DASAR TEORI ... 6
2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Air ... 6
2.2 Pengertian PLTA Pumped Storage ... 6
2.3 Prinsip Kerja PLTA Pumped Storage... 7
2.4 Prinsip Kerja Pumped Storage ... 8
2.5 Geografis Danau Toba ... 9
2.6 Data Geografis Kabupaten Samosir ... 11
2.8 Data Hidrologi ... 13
2.9 Head Desain... 14
2.10 Efisiensi PLTA Pump Storage... 15
2.10.1 Efisiensi Turbin ... 15
2.10.2 Efisiensi Generator ... 16
2.11 Potensi Daya ... 16
2.12 Proyeksi Beban Puncak ... 17
2.12.1 Kurva Durasi Beban (Load Duration Curve/LDC) ... 17
2.12.2 Rencana Pengembangan Pembangkit ... 18
2.13 Potensi Energi Baru Terbarukan di Sumbagut ... 20
2.13.1 Kandidat Pembangkit yang Diusulkan ... 21
BAB 3 METODE PENELITIAN ... 26
3.1 Karakteristik Beban ... 26
3.2 ReversiblePumpedTurbine ... 27
3.3 ParameterPumpedStorage ... 30
BAB 4 ... 36
4.1 Analisa Prakiraan Potensi PLTA Pumped Storage ... 36
4.2 Analisa Debit Pembangkitan dan Pipa Pesat (Penstock) ... 36
4.3 Perhitungan Kehilangan Tinggi Tekan (Head Losses) pada pipa Akibat Pemasukan ... 39
4.4 Perhitungan Kehilangan Tinggi Tekan (Read Losses) pada
pipa Akibat Gesekan ... 40
4.5 Perencanaan Turbin ... 41
4.6 Perencanaan Transmisi Mekanik ... 44
4.7 Perencanaan Generator ... 46
4.8 Perencanaan Pompa ... 47
4.9 Tinggi Muka Air (TMA)Danau Sidihoni dan Danau Toba ... 48
4.10 Perhitungan Besarnya Debit yang akan dipompakan (In flow) ... 48
4.11 Perhitungan Besarnya Debit yang keluar dari Turbin (Outflow). 50 4.12 Perhitungan Daya Listrik pada Sistem PLTA Pumped Storage .. 51
4.13 Analisa Ekonomi Biaya Modal (Capital Cost) ... 53
4.14 Biaya Bahan Bakar,Operasi dan Pemeliharaan. ... 55
4.15 Biaya Pembangkitan Total ... 56
4.16 Harga Pokok Produksi ( HPP) per kWh ... 58
4.17 Waktu Pengembalian Modal (Payback Periode) ... 59
4.18 Analisa Beban dan Konsumen Tenaga Listrik ... 60
4.18.1 Biaya Pokok Penyediaan (BPP) dan Kemampuan Daya Beli Masyarakat 60 BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN... 62
5.1 Kesimpulan ... 62
DAFTAR PUSTAKA ... 64 LAMPIRAN...65
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Prinsip Pembangkit Listrik Tenaga Air ... 6
Gambar 2.2 Skematis PLTA Pompa Storage ... 7
Gambar 2.3 Skema Umum Pumped Storage ... 8
Gambar 2.4 Peta lokasi objek studi PLTA Pumped Storage Kabupaten Samosir 10 Gambar 2.5 Danau Sidihoni Desa Sabungan ni Huta ... 12
Gambar 2.6 Elavasi Ketinggian dan Volume Waduk ... 15
Gambar 2.9 Perkembangan Beban Puncak Sumatera bagian Utara ... 17
Gambar 2.10 LDC Sumatera Bagian Utara... 18
Gambar 2.11 Pengembangan Pembangkit Sistem Kelistrikan Sumatera BagianUtara... 20
Gambar 2.12 Perencanaan Pembangunan Pembangkit per Tahun... 22
Gambar 2.13 Kapasitas Terpasang Setelah Dilakukan Pengembangan Pembangkit ... 23
Gambar 2.14 Komposisi Pembangkit (a) Tahun 2010, (b) Tahun 2030 ... 24
Gambar 2.15 Komposisi Energi Yang Dibangkitkan Tiap Tahun ... 25
Gambar 3.1 Kurva Karakteristik Beban ... 26
Gambar 3.2 Kurva Karakteristik Beban dengan Pemanfaatan Pumped Storage .. 27
Gambar 3.3 Diagram Blok Sistem Power Pumped Storage ... 28
Gambar 3.4 Diagram Blok Sistem Kontrol Pumped Storage ... 28
Gambar 3.5 Reversible Pumped Turbine ... 29
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Karakteristik Morfometri Danau Sidihoni ... 13
Tabel 2.2 Karakteristik Morfometri Danau Toba ... 13
Tabel 2.3 SpesifikasiTurbin Pada PLTA Pumped Storage ... 15
Tabel 2.4 Desain Generator Pada PLTA Pumped Storage ... 16
Tabel 2.5 Pembangkit Eksisting Sistem Pembangkitan Sumatera Bagian Utara.. 19
Tabel 2.6 Potensi Panas Bumi Provinsi NAD dan Sumatera Utara ... 21
Tabel 2.7 Parameter Teknis dan Ekonomis Pembangkit Kandidat *) ... 21
Tabel 4.1 Spesifikasi Pipa Pesat (Penstock) Pada PLTA Pumped Storage ... 37
Tabel 4.2 Properti Teknis Material Pipa Pesat ... 38
Tabel 4.3 SpesifikasiTurbin Pada PLTA Pumped Storage ... 42
Tabel 4.4 Rencana Transmisi Mekanik Pada PLTA Pumped Storage... 45
Tabel 4.5 Desain Generator Pada PLTA Pumped Storage ... 46
Tabel 4.6 Spesifikasi Pompa Pada PLTA Pumped Storage ... 47
Tabel 4.7 Biaya Pembangkitan Energi Listrik ... 57
Tabel 4.8Jumlah Penduduk di Kabupaten Samosir Pada Tahun 2018... 61
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Sistem kelistrikan Sumatera bagian Utara yang sistem dikelola oleh PT.PLN (Persero)Unit Pembangkit ke wilayah Provinsi Nangroe Aceh Darussalam dan Provinsi Sumatera Utara. Sistem kelistrikan ini termasuk dalam kondisi daerah krisis, atau belum memiliki reversed margin yang ideal.Kenyataan ini disebabkan karena kemampuan sistem pembangkit yang ada di wilayah Sumatera bagian Utara unit pembangkitnya telah aging (Mature) sehingga bilamana salah satu unit mengalami gangguan maka pemdaman listrik terpaksa dilakukan dan menyebakan investor tidak tertarik unutk berinvestasi,mengakibatkan pertumbuhan perekonomian di daerah ini menjadi stagnan .semenjak pasca krisis ekonomi 1997.
Salah satu indeks energi listrik yang dapat digunakan untuk melihat tingkat perekonomian suatu wilayah adalah konsumsi energi listrik per kapita. Konsumsi energi listrik per kapita adalah jumlah konsumsi energi listrik dibagi dengan jumlah penduduk. Konsumsi energi listrik per kapita di Indonesia baru mencapai 628,99 kWh per kapita[1]. Konsumsi energi listrik tersebut adalah rata-rata konsumsi energi listrik di seluruh wilayah Indonesia. untuk Provinsi Sumatera Utara, konsumsi energi listrik per kapita sebesar 493,33 kWh[1]. Sebagai Rendahnya konsumsi energi listrik Indonesia khususnya wilayah Sumatera Utara disebabkan oleh terbatasnya pasokan energi listrik yang disebabkan oleh kapasitas pembangkit yang belum bisa mencukupi kebutuhan yang ada. Kebutuhan energi
listrik tersebut didominasi oleh konsumen rumah tangga yang berarti bahwa sektor industri di wilayah tersebut belum berkembang.
Salah satu cara untuk membuat industri di wilayah Sumatera Bagian Utara berkembang adalah dengan menjamin adanya pasokan energi listrik yang sustainable dan andal. Dengan adanya kepastian pasokan energi listrik tersebut, investor akan tertarik untuk menginvestasikan dananya pada sektor-sektor industri yang berpotensi di wilayah Sumatera Bagian Utara. Pasokan energi listrik yang sustainable dan andal bergantung pada perbandingan antara kapasitas pembangkit dengan beban yang ada. Kapasitas pembangkit harus lebih besar dari beban yang ada sehingga apabila ada salah satu pembangkit yang berhenti beroperasi, pasokan energi listrik tidak terganggu. Kriteria keandalan yang dipakai di Indonesia saat ini adalah N-1. N adalah jumlah pembangkit. Keandalan N-1 berarti pasokan energi listrik tidak akan terganggu pada saat pembangkit terbesar di dalam sistem tersebut berhenti beroperasi (Sistem menyediakan cadangan daya minimal sebesar pembangkit berdaya paling besar).
Untuk memenuhi kriteria keandalan tersebut maka harus dilakukan perencanaan pengembangan pembangkit di wilayah Sumatera Bagian Utara.
Berdasarkan Perpres No.5 Tahun 2006, bauran energi baru terbarukan ditargetkan sebesar 17% pada tahun 2025. Untuk memenuhi target kebijakan tersebut maka diperlukan suatu perencanaan pengembangan pembangkit yang memperhatikan pemanfaatan energi baru terbarukan (EBT). Berdasarkan hal tersebut maka opsi nuklir dimasukkan dalam rencana pengembangan pembangkit dalam studi ini belum memperhitungkan pembangkit comitted yang telah direncanakan PLN untuk dibangun. Tidak diperhitungkannyapembangkit comitted PLN tersebut
bertujuan agar studi ini dapat digunakan sebagai pembanding terhadap perencanaan yang telah dilakukan oleh PLN.
Berdasarkan hal-hal tersebut di atas, tujuan dari studi ini adalah untuk membuat suatu sistem kelistrikan yang handal dan ekonomis di wilayah Sumatera bagian Utara dengan memperhatikan pemanfaatan Energi Baru Terbarukan (EBT).Oleh sebab itu, Skripsi ini mengambil judul :
“Studi Perancangan Hybrid PLTA Sigura-gura dengan Pumped Storage Danau Toba Sebagai Backbone Energi baru Terbarukan Sumatera Utara’’.
1.2 Rumusan Masalah
Adapun rumusan masalah dari tugas akhir ini adalah sebagai berikut:
1. Bagaimana Perancangan Hybrid PLTA Sigura-gura dengan Pumped Storage Danau Toba ini dapat direalisasikan ?
2. Bagaimana Prinsip Kerja Sistem Hybrid PLTA Sigura-gura dengan Pumped Storage Danau Toba?
1.3 Tujuan Penelitian
Adapun tujuan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut:
1. Membahas Sistem Hybrid PLTA Sigura-gura dengan Pumped Storage Danau Toba
2. Mengevaluas Parameter Kinerja Pumped Storage Danau Toba
1.4 Manfaat Penelitian
1. Untuk mengetahui bagaimana merencanakan suatu perancangan Hybrid PLTA Sigura-gura dengan Pumped Storage Danau Toba 2. Untuk mengetahui berapa besar potensi dari suatu perancangan
Hybrid PLTA Sigura-gura dengan Pumped Storage Danau Toba 3. Untuk Mengetahui bagaimana Pengaruh dari Hybrid PLTA Sigura-
gura dengan Pumped Storage Danau Toba terhadap krisis listrik di sumatera Utara
1.5 Batasan Masalah
Dalam setiap permasalahan, ada banyak yang menjadi cakupannya.
Sehubungan dengan keterbatasan penulis, untuk itu penulis membatasi masalah yang akan dibahas meliputi :
1. Hanya Membahas Perancangan Hybrid PLTA Sigura-gura dengan Pumped Storage Danau Toba
2. Memperkirakan atau Mengasumsikan daya yang akan dibangkitkan oleh Hybrid PLTA Sigura-gura dengan Pumped Storage Danau Toba untuk menaikkan air ke Danau Sidohoni
1.6 Metodologi Penelitian
Metodologi penelitian yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah :
1. Studi Literatur yaitu suatu teknik pengumpulan data yang dilakukan dengan membaca teori-teori yang berkaaitan dengan topik tugas akhir yang terdiri dari buku-buku referensi baik yaang dimiliki oleh penulis atau diperpustakaan dan internet
2. Observasi yaitu suatu teknik pengumpulan data yang dilakukan dengan pengamatan langsung terhadap objek yang akan diteliti yaitu dengan melakukan pengamatan ke lapangan tentang kendala-kendala yang terjadi.
3. Bimbingan yaitu suatu teknik pengumpulan data yang dilakukan dengan diskusi dengan Dosen Pembimbing yang telah ditunjuk oleh Ketua Departemen Teknik Elektro
BAB 2 DASAR TEORI 2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Air
Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) Merupakan Pembangkit Listrik Tenaga yang mengubah energi potensial air (energi gravitasi air) menjadi energi listrik. Mesin penggerak yang digunakan adalah turbin air untuk mengubah energi potensial air menjadi kerja mekanis poros yang akan memutar rotor generator untuk menghasilkan energi listrik.
Gambar 2.1 Prinsip Pembangkit Listrik Tenaga Air 2.2 Pengertian PLTA Pumped Storage
Pembangkit Listrik Tenaga Air Pompa (Pumped Storage) adalah sebuah tipe khusus dari pembangkit Listrik Konvensional. Keistimewaan dari stasiun pembangkit listrik ini terletak pada keadaannya apabila stasiun pembangkit demikian tidak memproduksi tenaga listrik,maka dapat dipergunakan sebagai stasiun pompa yang memompa air dari sumber air yang berada di bawah ke atas saat cadangan air tinggi lalu dijatuhkan menuju turbin dan turbin akan memutar generator menghasilkan energi listrik.
2.3 Prinsip Kerja PLTA Pumped Storage
Pada PLTA Pompa terdapat dua buah waduk, yaitu waduk bawah dan waduk atas. Pada saat kebutuhan beban dalam system tenaga listrik rendah, maka kelebihan daya yang tidak diserap oleh konsumen dipakai untuk memompa air dari waduk bawah ke waduk atas. Sedangkan pada saat beban puncak, air yang terkumpul pada waduk atas akan dialirkan ke waduk bawah untuk memutar turbin dan menghasilkan daya listrik untuk memenuhi kebutuhan beban puncak.
Gambar 2.2 Skematis PLTA Pompa Storage ketika siang hari
Gambar 2.3 Skematis PLTA Pompa Storage ketika Malam hari
2.4 Prinsip Kerja Pumped Storage
Pumped storage bekerja dengan prinsip pembangkit listrik tenaga air, yaitu dengan memanfaatkan aliran air dengan kecepatan tertentu untuk menggerakkan turbin sehingga dapat menghasilkan listrik.
Gambar 2.4 Skema Umum Pumped Storage
Pumped storage membutuhkan 2 tempat penampungan air/reservoir yaitu atas dan bawah. Tujuannya yaitu agar air yang mengalir dari penampungan atas yang menggerakkan turbin dapat ditampung kembali di penampungan bawah untuk kemudian di pompa kembali ke penampungan atas sehingga dapat digunakan terus menerus.Secara umum, prinsip kerja pumped storage yaitu sebagai berikut :
1. Air dari penampungan atas dialirkan kepenampungan bawah sehingga aliran air dapat menggerakkan turbin, sehingga generator bisa menghasilkan listrik.
2. Pada saat ketinggian air di penampungan atas mencapai ketinggian tertentu hingga minimum, air akan dihentikan alirannya dengan menutup aliran air tersebut.
3. Air yang ditampung pada penampungan bawah akan kembali dialirkan kepenampungan atas dengan cara dipompa.
Karena air pada penampungan atas dan bawah dapat dikatakanterus menerus bervolume sama (dengan mengabaikan faktor resapan tanah, penguapan air, dll) maka pumped storageini dapat digunakan secara terus menerusdariharikehari.
Pumped storageharus dimanfaatkan pada waktu yang tepat karena pumped storage memiliki keterbatasan karena air pada penampungan atas mempunyai keterbatasan volume dan ketinggian efektif. Sementara itu air pada penampungan bawah yang volumenya bertambah harus dipompa kembali ke atas.Pemompaan air dari bawah ke atas ini membutuhkan tenaga listrik dari pembangkit lain.Oleh karena itu pumped storage biasanya akan dioperasikan sebagai pembangkit listrik tambahan pada saat beban mencapai puncaknya dan dioperasikan untuk memompa air dari bawah ke atas pada saat beban terendah dalam suatu sistem interkoneksi jaringan listrik.
2.5 Geografis Danau Toba
Danau Toba adalah danau kaldera terbesar di dunia yang terletak di Provinsi Sumatera Utara, berjarak 176 km ke arah Barat Kota Medan sebagai ibu kota provinsi. Danau Toba (2,88o N – 98,5o 2 E dan 2,35o N – 99,1o E) adalah danau terluas di Indonesia (90 x 30 km2) dan juga merupakan sebuah kaldera volkano- tektonik (kawah gunungapi raksasa) Kuarter terbesar di dunia. Sebagai danau volcano tektonik terbesar di dunia, Danau Toba mempunyai ukuran panjang 87
km berarah Baratlaut-Tenggara dengan lebar 27 km dengan ketinggian 904 meter dpl dan kedalaman danau yang terdalam 505 meter.
Kawasan Danau Toba merupakan bagian dari WPS Pusat Pertumbuhan Terpadu Metro Medan – Tebing Tinggi – Dumai – Pekanbar yang memiliki luas 369.854 Ha. Secara administratif Kawasan Danau Toba berada di Provinsi Sumatera Utara dan secara geografis terletak di antara koordinat 2°10’3°00’
Lintang Utara dan 98°24’ Bujur Timur.
Kawasan ini mencakup bagian dari wilayah administrasi dari 8 (delapan) kabupaten yaitu Kabupaten Samosir, Kabupaten Toba Samosir, Kabupaten Dairi, Kabupaten Karo, Kabupaten Humbang Hansudutan, Kabupaten Tapanuli Utara dan Kabupaten Simalungun dan Kabupaten Pak Pak Barat. Secara fisik, Kawasan Danau Toba merupakan kawasan yang berada di sekitar Danau Toba dengan deliniasi batas kawasan didasarkan atas deliniasi Daerah Tangkapan Air (Catchment Area) dan CAT.
Gambar 2.5 Peta lokasi objek studi PLTA Pumped Storage Kabupaten Samosir
2.6 Data Geografis Kabupaten Samosir
Secara geografis Kabupaten Samosir terletak di antara adalah 20 21’38’’ -20 49’48” Lintang Utara dan 980 24’00” - 990 01’48” Bujur Timur,dengan ketinggian antara 904 – 2.157 meter di atas permukaan laut. Luas Wilayah ±2.069,05 km2 terdiri dari luas daratan 1.444,25 km2 ( 69,80 % ) yaitu seluruh pulau samosir yang dikelilingi oleh Danau Toba dan sebagian pulau sumatera, dan luas wilayah danau ± 624,80 km2 ( 30,20 % ).
Gambar 2.6 DTA Danau Toba
2.7 Data Geografis Danau Sidihoni
Danau Sidihoni terletak di Desa Sabungan ni huta Kecamatan Ronggur ni Huta Kabupaten Samosir. Letak geografis Danau sidihoni Kecamatan Ronggur ni Huta adalah 20 30’ - 20 45’ Lintang Utara dan 980 45’ - 990 00’ Bujur Timur, dan terletak pada ketinggian 1532 meter diatas permukaan laut.
Adapun batas – batas wilayahnya adalah sebagai berikut :
Sebelah Utara :Desa Salaon Toba,
Sebelah Timur :Desa Sabungan ni Huta,
Sebelah Selatan :Desa Lintong ni Huta,
Sebelah Barat : Desa Paraduan.
Gambar 2.7 Danau Sidihoni Desa Sabungan ni Huta
2.8 Data Hidrologi
Hidrologi PLTA Pumped Storage dianalisa menggunakan data curah hujan tahunan yang terdapat di kawasan Daerah Tangkapan Air Danau Toba berkisar antara 1.700 sampai dengan 2.400 mm/tahun. Sedangkan puncak musim hujan terjadi pada bulan November – Desember dengan curah hujan antara 190 – 320 mm/bulan dan puncak musim kemarau terjadi selama bulan Juni – Juli dengan curah hujan berkisar 54 – 151 mm/bulan. Penggunaan data curah hujan terbatas pada data bulanan dengan jumlah hari hujan yang tidak tersedia, maka analisa debit andalan PLTA Pumped Storage di lakukan dengan metode penghitungan neraca air.
Tabel 2.1 Karakteristik Morfometri Danau Sidihoni
No. Parameter Dimensi
1 Luas Permukaan 39,5 km2
2 Kedalaman 35 m
3 Volume Air 15,7 juta m3
4 Kedalaman rata – rata 30 m
5 Jarak Danau Toba ke Danau Sidihoni 1000 m 6 Tinggi Danau Toba ke Danau Sidihoni 907 m 7 Tinggi Danau Toba di atas permukaan laut 1532 m 8 Tinggi Danau Sidihoni ke Daratan Bawah 427 m
Tabel 2.2 Karakteristik Morfometri Danau Toba
No Parameter Dimensi
1. Luas Permukaan 1.124 km2
2. Kedalaman 508 m
3. Volume 256,2 x 109 m3
4. Kedalaman rata – rata 228 m
2.9 Head Desain
Untuk merencanakan pembangunan PLTA Pumped Storage Danau Sidihoni Kabupaten Samosir, maka diperlukan 2 buah waduk dengan elevasi ketinggian yang berbeda. Waduk atas (Danau Sidihoni) dengan dayatampung/volume air mencapai 15,7 juta m3 dan luas genangan 39,5 km2 dan waduk bawah (danau toba) dengan daya tampung/volume air mencapai 256,2 x109 m3dan luas genangan 1.124 km2. Jarak antara waduk bawah dengan waduk atas yaitu 1000 meter dengan beda ketinggian (Head) yaitu 907 meter.
Head desain ditetapkan berdasarkan data pengukuran tofografi dengan pengukuran lokasi rencana PLTA Pumped Storage yang terdapat pada karekteristik morfometri danau sidihoni dan danau toba, head gross desain untuk PLTA Pumped Storage ditentukan setinggi 200 m. Head desain untuk penentuan kapasitas pembangkit harus dihitung berdasarkan head yang di peroleh. Seperti yang didapat setelah adanya pengurangan head gross terhadap perhitungan rugi rugi penstock.
Gambar 2.8 Elavasi Ketinggian dan Volume Waduk
2.10 Efisiensi PLTA Pump Storage 2.10.1 Efisiensi Turbin
Dengan head yang telah didapat maka sesuai dengan teori pemilihan turbin dipilihlah turbin jenis francis. Range effisiensi turbin francis sangat tergantung dari head dan debit desain, maka dengan entri masing-masing didapatlah effisiensi turbin seperti pada tabel berikut.
Tabel 2.3 SpesifikasiTurbin Pada PLTA Pumped Storage
No. Parameter Simbol
1 Type Francis Hydro Turbine
2 Place of Origin China ( Mainland )
3 Output Voltage 400 V
4 Color Blue
5 Material Carbon Steel
6 Diameter Runner 0,35 – 2,5 meter
7 Runner Material Stainless Steel
8 The Power Output 100 MW
11 Frekuensi 50 Hz
12 Speed 850 rpm
13 Efisiensi 0,8
14 Sudut Turbin terhadap Penstock 45 °
2.10.2 Efisiensi Generator
Generator merupakan komponen fasilitas mekanikal – elektrikal pada PLTA Pumped Storage ini Tipe generator yang akan digunakan adalah BrushlessSynchronous Generator Three phase Star Connected dengan kapasitas 2 x 150MW yang dilengkapi dengan AVR (Automatic Voltage Regulator) untuk pengatur tegangan.
Adapun Spesifikasi Generator yang digunakan untuk PLTA PumpedStorage ini adalah sebagai berikut :
Tabel 2.4 Desain Generator Pada PLTA Pumped Storage
No. Parameter Simbol
1 Type Brushless Synchronous Generator Three phase Star Connected 2 Rating Power 167 MVA / 150 MW
3 Frekuensi 50 Hz
4 I nominal 6200 A
5 Merk HYUNDAI
6 AVR Standard
7 Kecepatan Poros 400 rpm 8 Output Voltage 15,5 kV 9 Power Factor 0,9
10 Efisiensi 0,98
2.11 Potensi Daya
PLTA Pumped Storage adalah salah satu jenis pembangkit listrik tenaga air konvensional yang digunakan sebagai pembangkit penyeimbang beban. Dimana keistimewaan dari pembangkit listrik ini terletetak pada energi yang disimpan dalam bentuk air dalam jumlah besar yang ditempatkan pada bak raksasa / danau
yang dipompa pada level bawak ke level yang lebih tinggi. Pada saat beban rendah pembangkit berfungsi sebagai pompa, dan pada saat beban puncak pembangkit menghasilkan energi listrik.Daya yang dibangkitkan oleh generator atau daya terpasang pada PLTA Pumped Storage 2 x 150 MW dengan gross head 200 m dan debit 177,48 m3/s dimana daya tersebut akan digunakan untuk kebutuhan pelanggan di kabupaten samosir untuk 25 tahun kedepan.
2.12 Proyeksi Beban Puncak
Dalam studi ini proyeksi beban puncak berdasarkan proyeksi yang terdapat di RUPTL PLN.
Beban puncak Sumatera bagian Utara berkembang rata-rata 8,3% setiap tahunnya. Perkembangan beban puncak ini menentukan jumlah pembangkit yang akan dibangun.
2.12.1 Kurva Durasi Beban (Load Duration Curve/LDC)
Berdasarkan kurva realisasi beban Sumatera bagian Utara, dapat diperoleh LDC (loadduration curve) Sumatera bagian Utara. LDC ini menentukan jenis pembangkit yangdibangun. LDC yang berbentuk landai menunjukkan bahwa perubahan beban yang terjadi tidak terlalu besar sehingga tidak memerlukan
Gambar 2.9 Perkembangan Beban Puncak Sumatera bagian Utara
pembangkit yang memiliki respon cepat. LDC yang berbentuk curam menunjukkan bahwa perubahan beban yang terjadi cukup besar sehingga memerlukan pembangkit yang memiliki respon cepat seperti PLTG danPLTD untuk memenuhi kebutuhan beban yang ada. Gambar 2.10 menunjukkan LDC Sumatera bagian Utara.
Pada tahun 2009,Sistem Kelistrikan Sumatera Bagian Utara memiliki kapasitas terpasang sebesar 1848,8 MW. Sebagian besar pembangkit yang ada di Sistem kelistrikan Sumatera bagian Utara sudah berumur tua sehingga dalam jangka waktu beberapa tahun ke depan sebagian besar pembangkit tersebut sudah tidak beroperasi lagi. Sedangkan beban puncak Sistem kelistrikan Sumatera bagian Utara terus meningkat setiap tahunnya.Untuk mengantisipasi hal tersebut, maka diperlukan sebuah perencanaan pengembangan pembangkit di Sistem Kelistrikan Sumatera Bagian Utara.
2.12.2 Rencana Pengembangan Pembangkit
Perencanaan pengembangan pembangkit dilakukan untuk memenuhi perkembangan beban setiap tahunnya. Suatu sistem kelistrikan idealnya memiliki cadangan yang mencukupi sehingga apabila ada pembangkit dengan kapasitas terbesar yang lepas dari sistem karena terjadi kerusakan atau sedang dilakukan perawatan tidak akan menyebabkan terjadinya pemadaman. Penentuan besarnya
Gambar 2.10 LDC Sumatera Bagian Utara
cadangan harus diperhitungkan dengan matang sehingga cadangan yang ada tidak terlalu kecil atau terlalu besar. Oleh karena itu perlu ditetapkan batas cadangan (reserve margin) minimal dan batas cadangan (reservemargin) maksimal. Studi ini menggunakan reserve margin maksimal sebesar 30%. Sedangkanuntuk reserve margin minimalnya sebesar 10%. Penentuan reserve margin minimal tersebut bertujuan agar indeks keandalan (LOLP) sesuai dengan standar yang ditentukan PLN. Pengembangan pembangkit dilakukan apabila kapasitas pembangkit sudah berada di bawah beban puncak ditambah batas cadangan minimal. Pembangkit yang terpasang di Sistem Pembangkitan Sumatera Bagian Utara ditunjukkan pada Tabel 2.5
Tabel 2.5 Pembangkit Eksisting Sistem Pembangkitan Sumatera Bagian Utara
No. Unit Pembangkit
Jenis Pembangkit
Jumlah (Unit)
Kapasitas Terpasang
(MW)
Tahun Operasi A. Pembangkit Thermal
1 PLTU Belawan PLTU 4 260 1984
2 PLTGU Belawan PLTGU 6 817.9 1988
3 PLTD Sewa Belawan PLTD 1 65 2008
4 PLTG Glugur PLTG 2 31.8 1975
5 PLTG Paya Pasir PLTG 4 83.2 1978
6 PLTD Titi Kunig PLTD 6 24.6 1976
7 PLTD Sewa Paya Pasir PLTD 1 22 2008
8 PLTD Lueng Bata PLTD 14 60.2 1978
9 PLTD Sewa Lueng Bata PLTD 1 30.7 2008
10 PLTU Labuhan Angin PLTU 2 230 2008
11 PLTD Cot Trueng PLTD 1 14.2 1990
12 PLTD Pulau Pisang PLTD 1 13.4 1990
13 PLTP Sibayak PLTP 1 11.3 2008
B. Pembangkit Hidro Jenis Pembangkit
Jumlah (Unit)
Kapasitas Terpasang
(MW)
Tahun Operasi
1 PLTMH PLTMH 10 7,5 1987
2 PLTA Sipansihaporas PLTA 2 50 2003
3 PLTA Lau Renun PLTA 2 82 2006
4 PLTA Sigura-gura INALUM PLTA 1 45 2008
Jumlah 15 184.5
Berdasarkan perkiraan pertumbuhan beban dan pembangkit yang terpasang di Sistem Sumatera Bagian Utara, dapat diperoleh skema pengembangan pembangkit seperti Gambar 2.11. Gambar 2.11 menunjukkan bahwa penambahan pembangkit baru dilakukan mulai tahun 2010. Hal tersebut disebabkan karena pada tahun 2010, kapasitas pembangkit terpasang di Sumatera Bagian Utara lebih kecil dari beban puncak ditambah reserved margin minimal.
2.13 Potensi Energi Baru Terbarukan di Sumbagut
Provinsi Nagroe Aceh Darussalam dan Sumatera Utara memiliki potensi energi baru terbarukan yang cukup besar untuk dikembangkan. Potensi yang Gambar 2.11 Pengembangan Pembangkit Sistem Kelistrikan Sumatera
BagianUtara
dimiliki adalah panas bumi dan air. Potensi energi air dapat dikembangkan hingga 2900 GWh[3].
Berdasarkan data yang diperoleh dari Kementerian ESDM, total potensi panas bumi yang tersimpan di Provinsi NAD dan Sumatera Utara adalah 4936 MWe. Lebih lengkap dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2.6 Potensi Panas Bumi Provinsi NAD dan Sumatera Utara
Provinsi Jumlah Lokasi
Potensi Energi (MWe)
Total
Sumber Daya Cadangan
Spekulatif Hipotesis Terduga Mungkin Terbukti
NAD 17 630 398 282 - - 1310
Sumatera
Utara 16 1500 170 1627 - 329 3626
2.13.1 Kandidat Pembangkit yang Diusulkan
Berdasarkan kondisi kelistrikan dan potensi energi yang ada di Sumatera Bagian Utara, maka dapat ditentukan kandidat pembangkit yang akan digunakan.
Kandidat pembangkit yang akan digunakan adalah: PLTP 30 MW, PLTU 100 MW, PLTGU 100 MW, PLTG 30 MW, PLTA , PLTA 11 dan 170 MW, dan PLTN 100 MW. Tabel 3 menunjukkan parameter teknis dan ekonomis pembangkit kandidat.
Tabel 2.7 Parameter Teknis dan Ekonomis Pembangkit Kandidat *)
No Jenis
Pembangki Bahan
Kapasita s
Capacit y Factor
Capital Cost
Fix O&M
Cost
Var O&M
Cost
1 PLTU Batubar
a 100 80 1400 2,61 2
2 PLTGU Gas 100 70 1023 1,6 1
3 PLTG Minyak 20 30 1200 0,97 2
4 PLTA
besar - 170 50 2584 0,55 -
5 PLTA
kecil - 11 50 2584 0,25 -
6 PLTP - 30 80 2329 2,5 1
7 PLTN Nuklir 100 80 3500 0,003 6,1
Berdasarkan hasil keluaran Program WASP IV, dapat diketahui suatu pola perencanaan pengembangan sistem pembangkitan yang ekonomis dan handal.
Gambar 3.6 menunjukkan pembangkit yang akan dibangun tiap tahunnya.
Penambahan pembangkit baru sampai tahun 2030 sebanyak 128 pembangkit, terdiri dari: 3 PLTA 11 MW, 3 PLTA 170 MW, 50 PLTP 30 MW, 21 PLTU 100 MW, 34 PLTGU 100 MW, 5 PLTG 30 MW, dan 12 PLTN 100 MW.
Pada awal perencanaan dibangun pembangkit-pembangkit baru dalam jumlah yang cukup banyak. Hal itu disebabkan karena pada awal perencanaan, sistem kelistrikan Sumatera bagian Utara dalam kondisi krisis dengan beban puncak yang hampir sama dengan kapasitas pembangkit yang terpasang. Untuk
Gambar 2.12 Perencanaan Pembangunan Pembangkit per Tahun
mengatasi hal tersebut maka diperlukan pembangunan pembangkit-pembangkit baru untuk menambah kapasitas pembangkit terpasang.
Gambar 2.12. menunjukkan bahwa pada tahun 2013, banyak pembangkit eksisting yang berhenti beroperasi karena umurnya telah melebihi umur ekonomis pemakaian. Hal tersebut menyebabkan terjadinya penambahan kapasitas pembangkit baru dalam jumlah yang besar. Total penambahan kapasitas pembangkit baru pada tahun 2013 adalah 1010 MW. Disamping faktor keekonomisan, penambahan pembangkit baru tersebut harus memperhatikan faktor ketersediaan pembangkit. Faktor ketersediaan adalah faktor-faktor yang menyatakan bahwa pembangkit tersebut dapat dibangun pada tahun tersebut.
Penambahan pembangkit baru harus memperhatikan reserve margin yang telah ditentukan . Gambar 2.13. menunjukkan kapasitas terpasang sistem kelistrikan Sumatera bagian Utara setelah adanya perencanaan pembangunan pembangkit. Dengan adanya perencanaan tersebut akan membuat kapasitas terpasang di sistem Sumatera bagian Utara menjadi diantara batas minimal (beban puncak + reserved margin 10%) dan batas maksimal (beban puncak + reserve margin 30%) sehingga akan memenuhi syarat keandalan yang dibutuhkan. LOLP Gambar 2.13 Kapasitas Terpasang Setelah Dilakukan Pengembangan
Pembangkit
(Lost of Load Probability) sistem selama masa perencanaan masih berada dalam standar keandalan yang ditentukan PLN (≤0,274%).
Komposisi pembangkit yang terpasang pada tahun 2010 dan 2030 ditunjukkan oleh Gambar 2.13. Komposisi pembangkit tahun 2010 adalah sebagai berikut: PLTU 25% (490 MW), PLTP 2% (41 MW), PLTA 10% (196 MW),
PLTGU 42% (818 MW), PLTD 15% (288 MW), dan PLTG 6% (115 MW). Pada tahun tersebut, beban dasar (base load) dipikul oleh PLTA, PLTP dan PLTU. Beban menengah (medium load) dipikul oleh PLTGU. Beban Puncak dipikul oleh PLTG dan PLTD. PLTP, PLTA dan PLTU dipilih untuk memikul beban dasar dengan pertimbangan biaya bahan bakarnya murah dan untuk PLTP dan PLTU, respon pembangkit kurang cepat untuk menanggapi perubahan beban.
PLTGU dipilih untuk memikul beban menengah dengan pertimbangan biaya bahan bakar pnya lebih murah dibandingkan PLTD dan PLTG. Selain itu, respon PLTGU cukup cepat untuk menanggapi perubahan beban.PLTG dan PLTD
Gambar 2.14 Komposisi Pembangkit (a) Tahun 2010, (b) Tahun 2030
dipilih untuk memikul beban puncak karena respon perubahan bebannya cepat dan harga bahan bakar nya mahal.
Pada tahun 2030, komposisi pembangkit yang beroperasi adalah sebagai berikut: PLTU 25% (2330 MW), PLTP 16% (1511 MW), PLTA 7% (659 MW), PLTN 13% (1200 MW), PLTGU 36% (3400 MW), PLTG 2% (150 MW), dan PLTD 1% (78 MW). Beban puncak dipikul oleh PLTG, PLTD, dan sebagian PLTGU.
Gambar 2.15 menunjukkan energi yang dibangkitkan masing-masing pembangkit setiap tahunnya. Komposisi energi pada tahun 2010 adalah sebagai berikut: PLTP 3,92%, PLTU 26,43%, PLTA 12,03%, PLTGU 57,32%, dan PLTD 0,31%. PLTG tidak membangkitkan energi karena hanya digunakan sebagai pembangkit cadangan apabila terjadi hal-hal diluar perkiraan seperti adanya pembangkit yang rusak. Komposisi energi pada tahun 2030 adalah sebagai berikut: PLTN 25,33%, PLTP 30,61%, PLTU Batubara 33,37%, PLTA 7,58%, PLTGU 3,11%, PLTG 0,01%, dan PLTD 0,01%.
Gambar 2.15Komposisi Energi Yang Dibangkitkan Tiap Tahun
BAB 3
METODE PENELITIAN 3.1 Karakteristik Beban
dalam pembangkitan pembangkit listrik konvensional, dibutuhkan ketepatan dan perhitungan agar pembangkit dapat beroperasi secara efisien dalam mensupply beban. Hal ini tidak terlepas dari prinsip dasar ekonomi untuk mencapai efisiensi tertinggi.
Pada saat beban mencapai puncak, dibutuhkan lebih banyak pembangkitan dari unit pembangkit listrik agar beban dapat terpenuhi.Sedangkan pada saat beban rendah,maka unit-unit pembangkit yang ada akan dipadamkan agar biaya bahan bakar dapat ditekan.
Namun, biasanya pada saat beban rendah ini masih terdapat pembangkit yang beroperasi tidak pada pengoperasian optimumnya atau dalam kata lain masih terdapat spinning reserve pada pembangkit-pembangkit tersebut.
Pumped Storage memanfaatkan hal tersebut. Dalam kata lain pumped storage berfungsi untuk mengoptimumkan pembangkitan dari unit-unit pembangkit tersebut untuk disimpan energinya untuk digunakan pada saat yang tepat,yaitu pada saat beban puncak.Pada saat beban puncak, pumped
Gambar 3.1 Kurva Karakteristik Beban
storage akan bekerja sebagai pembangkit untuk memenuhi permintaan beban yang ada karena secara ekonomis memiliki biaya paling rendah dibanding dengan unit pembangkit konvensional lain, sehingga unit-unit pembangkit konvensional lain yang biasanya digunakan pada saat beban puncak dapat dibiarkan padam.
Dengan kata lain, biaya-biaya yang harus dikeluarkan untuk menghidupkan unit pembangkit pada saat beban puncak ini dapat disimpan.Pada saat beban rendah, spinning reserve dari unit-unit pembangkit yang ada dapat digunakan untuk memompa air kembali kepenampungan atas.
Dengan begitu, unit-unit pembangkit yang ada dapat dioptimalkan penggunaannya sehingga mencapai keadaan yang efisien.
3.2 ReversiblePumpedTurbine
Merupakan penggabungan fungsi dari turbin dan pompa dalam satu unit.
Reversible pumped turbin akan bekerja sebagai turbin generator untuk menghasilkan listrik dan akan menjadi pompa bila berputar pada arah yang
Gambar 3.2 Kurva Karakteristik Beban dengan Pemanfaatan Pumped Storage
Diagram diatas menggambarkan sistem power pada pumped storage yaitu pada saat air dilepas dari upperreservoir menuju lowerreservoir unit yang bekerja adalah turbin yang menggerakkan rotor generator untuk menghasilkan daya listrik yang selanjutnya dikirimkan kejaringan prosesini digambarkan pada anak panah yang berwarna abu-abu.
Adapun proses air dipompa dari lower reservoir menuju ke upperr eservoir adalah dengan cara dipompa dengan gaya penggeraknya dari motor yang mendapat supply daya dari power jaringan. Sistem pumped storage tersebut dapat dikontrol kecepatan motor/generatornya dengan menggunakan sistem seperti gambar dibawah ini.
Rumusan dasar bagi reversible pumped turbine adalah perhitungan berdasarkan rumusan generator induksi, yaitu :
Gambar 3.3 Diagram Blok Sistem Power Pumped Storage
Gambar 3.4 Diagram Blok Sistem Kontrol Pumped Storage
F = B . i . l
Dimana :
F = gaya medan magnet
B = Aliran massa jenis I = aruslistrik
L =panjangkumparan
Disaat ada arus listrik yang mengalir , maka akan terjadi medan magnet yang akan menggerakkan rotor sehingga pumped turbine akan bekerja sebagai pompa.
Disaat terjadi gaya medan magnet, dalam artian generator sedangbergerak, maka akan dihasilkan arus listrik sehingga pumped turbine akan bekerja sebagai generator.
Pada perkembangannya, hampir semua pumped storage yang ada sekarang menggunakan reversible pumped turbine karena lebih efisien dalampenggunaannya.
3.3 ParameterPumpedStorage
Dalam pembuatannya pumped storage membutuhkan beberapa parameter secara umum seperti ketinggian, debit air, ukuran pumped-turbine yang tepat, dan lain-lain. Parameter tersebut dapat di jadikan acuan secara umum dalam menentukan faktor-faktorteknis,disamping memperhitungkan faktor keadaan struktural dan demografis lokasi serta faktor- faktor lain seperti peresapan air,penguapan,curah hujan,dan lain sebagainya.
Dengan asumsi untuk melakukan perhitungan berdasarkan parameter yang mungkin dilakukan seperti debit air, ketinggian (jarak) head, dan daya serta efisiensi pumped turbine yang bisa diperoleh dari spesifikasi teknik mesin pumped turbine, maka perhitungan dasar yang dapat diperhitungkan secara teoritis adalah perhitungan daya output dari turbin maupun pompa dalam Mega Watt (MW), yaitu :
el pumped pumped pumped
hf H Q
g P p
.
. 1000
) .(
.
.
el turbine pumped
turbine
hf H Q
g
P p . .
1000
) .(
.
.
Dimana :
Ppumped = daya yang diperlukan oleh pompa,(KW)
Pturb = daya yang dihasilkan oleh turbin, (KW) ρ = berat jenis air (x 1000), (kg/m3)
g =percepatangravitasi(9.81m/s2)
Q = debit air, (m3/s)
H = head/jarak,(m)
hf = rugi-rugi head/jarakdalampipa
ηpumped = efisiensipompa
ηturb = efisiensiturbin
ηel = efisiensi elektrikal motor/generator
dimana :
ρ =didapat1(beratjenisair=1)
hf = dapat diasumsikan 0 (tanpa rugi-rugi gesekan padapipaair)
ηel = dapat diasumsikan 1 (efisiensi electrical 100%)
sehingga perumusan tersebut dapat disederhanakan menjadi :
pumped pumped
H Q P g
. 1000
.
.
turbine turbine
H Q
P g .
1000 .
.
Data-data mengenai daya keluaran dan efisiensi turbin serta daya yang diperlukan dan efisiensi pompa biasanya terdapat dalam spesifikasi mesin pumped-turbine tersebut. Sedangkan ketinggian/head dapat diukur
Dari rumusan tersebut, maka didapatkan perumusan untuk mengetahui kecepatan minimal debit air pada saat air mengalir dari penampungan atas ke penampungan bawah (Q pada turbin) agar turbin dapat bekerja optimal dan kecepatan perkiraan debit air pada saat dipompa dari penampungan bawah ke penampungan atas (Q pada pompa), yaitu :
H g Qpumped Ppumped pump
.
1000 . .
turbine turbine turbine
H g Q P
. .
1000
.
Perhitungan dasar yang dilakukan berdasarkan perumusan ini hanyamerupakan asumsi sederhana untuk dapat melihat atau menentukan berbagai parameter dari seginon-teknis seperti keadaan lingkungan (alam) dimana pumped storage akan dibangun. Karena dengan melihat perhitungan dasar ini dapat dinilai apakah lingkungan (alam) sekitar berpotensi untuk dibangun pumped storage atau tidak serta dapat menentukan pumped-turbin yang tepat agar dapat beroperasi secara maksimal, juga dapat untuk menggambarkan secara sederhana keefektifan dari pumped storage yanga kandibangun.
Desain perhitungan pompa yang akan dibahas berikut merupakan gambaran umum mengenai pumped storage, dimana terdapat spesifikasi teknis mengenai pumped turbine dan ketinggian (head) sehingga akan dilakukan penghitungan sederhana mengenai jumlah daya yang dihasilkan bila sebagai generator dan jumlah daya yang digunakan bila sebagai pompa
dengan volume air yang sama antara air yang mengalir dari penampungan atas kebawah (sebagai generator) dan air yang dipompa dari penampungan bawah ke penampungan atas (sebagai pompa).
Contoh kasus :
Sebuah pumped-turbine memiliki perencanaan untuk didesign dengan spesifikasi berikut :
Output = 100MW
EfisiensiTurbin =89%
EfisiensiPompa =92%
Ketinggianefektif =305meter
Maka:
Debit air minimal pada saat menghidupkan turbin :
turbine turbine turbine
H Q g Q P
. . .
1000
.
) 89 , 0 ).(
305 ).(
8 , 9 (
) 1000 ).(
100
(
turbine
Q
turbine
Q
37,6 m3/sDebit air perkiraan pada saat dipompa :
P . .1000
) 305 ).(
8 , 9 (
1000 ).
92 , 0 ).(
100
(
pumped
Q
pump
Q 30,8 m3/s
Bila diasumsikan daya yang dihasilkan dan yang diperlukan untuk memompa adalah sama, yaitu 100 MW, dan pumped storage akan digunakan untuk memenuhi permintaan beban untuk 4jam,maka:
Waktu = t = 4jam= 14.400 detik
Total airyangmengalir = 14.400 s x 37,6m3/s= 541.440 m3 Total dayayangdihasilkan = 4 x 100MW= 400 MW
Maka, untuk memompa air ke atas sebanyak volume air yang turun kebawah yaitu :
waktupompa
8 , 30
440 .
541
= 17.579 detik
= 4,883 jam
Total dayayangdiperlukan = 4,883 x 100MW= 488,3 MW
Dari perhitungan diatas, jelas bahwa daya yang diperlukan untuk memompa lebih besar daripada yang dihasilkan. Jelas bahwa pumped storage tidak dapat digunakan seperti pembangkit listrik konvensional pada umumnya.
Pumped storage masih bergantung pada pembangkit listrik lainnya, umumnya pembangkit konvensional, sehingga tidak dapat berdiri sendiri seperti pembangkit-pembangkit terbarukan lainnya. Oleh karena itu pumped storage hanya digunakan sebagai penyimpan energi pada saat pembangkit konvensional memiliki cukup banyak spinning reserve.
BAB 4
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
4.1 Analisa Prakiraan Potensi PLTA Pumped Storage
Untuk merencanakan pembangunan PLTA Pumped Storage Danau Sidihoni Kabupaten Samosir. maka diperlukan 2 buah waduk dengan elevasi ketinggian yang berbeda. Waduk atas (Danau Sidihoni) dengan daya tampung/volume air mencapai 15,7 juta m3 dan luas genangan 39,5 km2 dan waduk bawah (danau toba) dengan daya tampung/volume air mencapai 256,2 x 109 m3 dan luas genangan 1.124 km2. Jarak antara waduk bawah dengan waduk atas yaitu 1000 meter dengan beda ketinggian (Head) yaitu 907 meter.
4.2 Analisa Debit Pembangkitan dan Pipa Pesat (Penstock)
Untuk mendapatkan debit air PLTA Pumped Storage terlebih dahulu kita mengetahui data pipa pesat (penstock) nya. Adapun rumus yang digunakan untuk menghitung debit air adalah sebagai berikut :
A = V
Q atau Q = A x V
Dimana :
A = Luas penampang pipa (m2) Q = debit desain (m3/s)
V = Kecepatan rata-rata air dalam pipa pesat (m)
Dari Hasil data yang diperoleh dari hasil penelitian, bahwa spesifikasi pipa pesat yang akan digunakan adalah seperti tabel di bawah ini :
Tabel 4.1 Spesifikasi Pipa Pesat (Penstock) Pada PLTA Pumped Storage
Parameter Simbol Nilai Satuan
Head H 200 m
Panjang pipa Lp 380 m
Kecepatan air dalam Pipa V 13,987 m/s
Luas Pipa A 12.869 m2
Diameter Pipa D 4,02 m
Ketebalan T 5 mm
Place of Origin PO CHINA
Perusahaan C Tianjin Xin Lian Xin Steel Pipe
Co., Ltd.
Material SSAW Steel Pipe / Spiral Steam double-side submerged arc welded steel pipe
Dari Tabel di atas diketahui bahwa Kecepatan dalam pipa (V): 13,987 m/s, Luas Pipa (A) sebesar 12,689 m2, dengan Diameter pipa 4,049 m dengan panjang pipa 380 m, dan tinggi (H) 200 meter maka dari data tersebut akan diperoleh Debit air yang dihitung yaitu sebagai berikut :
Q = A x V
Q = 12,689 m2 x 13,987 m/s Q = 177,48 m3/s
Setelah dilakukan perhitungan maka didapatkan debit air pipa pesat adalah
Storage danau sidihoni kabupaten samosir adalah dengan menggunakan debit air dalam pipa pesat yaitu sebesar 177,48 m3/s .
Untuk Diameter pipa pesat dapat dihitung dengan rumus di bawah ini : D = 2,69 ( )0,1875
2 2
H xL xQ n
Dimana:
n = koefisien kekesaran untuk welded steel (0,012) Q = debit desain (m3/s)
L = panjang penstock (m) H = tinggi jatuhan air (m)
Tabel 4.2 Properti Teknis Material Pipa Pesat
Material
Welded steel
Young's modulus of elasticity E(N/m2)x109
206
linear expansion
a (n/m QC)x106
12
Ultimate tensile strength (N/m2 )x106
400
N
0.012
Polyethylene 0.55 140 5 0.009
Polyvinyl chloride (PVC)
2.75 54 13 3,009
Maka didapat :
D = 2.69 )
200
380 /
3 48 , 177 012 , (0
2
2x m s x
0,1875
= 4,02 m
Setelah dilakukan perhitungan, maka diameter pipa yang didapat dari hasil penelitian sama dengan diameter yang dihitung yaitu sebesar 4,02 m.
Untuk perhitungan Luas Penampang di awal pipa pesat adalah : A= ¼ x Y x D2
= ¼ x 3,14 x 4,022
= 12,68 m2
Maka luas penampang pipa yang didapat dari hasil penelitian sama dengan luas penampang yang dihitung yaitu sebesar 12,68 m2.
4.3 Perhitungan Kehilangan Tinggi Tekan (Head Losses) pada pipa Akibat Pemasukan
Dari hasil survey yang diperoleh sesuai dengan topografi dan geologi, bahwa tinggi jatuh air aktual yang didapat adalah 200 meter, sedangkan kemiringan pipa pesat nya adalah 45°, Untuk Kehilangan tinggi tekan pada pemasukan disebabkan oleh perubahan arah aliran juga karena adanya kontraksi mendadak dari luar daerah pembelokan.
Kehilangan tinggi tekan akibat pemasukan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :
= K V2
Dimana:
Ke = koefisien kehilangan tinggi tekan karena pemasukan
= 0,04 (sesuai data dilapangan) V = Kecepatan aliran pada pemasukan
= 13,987 m/s g g = gravitasi bumi
=9.81 m/s2 Jadi :
H1= 0,04
81 , 9 2
987 ,
13 2
x
= 0,399 m
Maka Kehilangan tinggi tekan akibat pemasukan adalah 0,399 meter.
4.4 Perhitungan Kehilangan Tinggi Tekan (Read Losses) pada pipa Akibat Gesekan
Kehilangan tinggi tekan akibat gesekan (friction loss) dihitung dengan menggunakan rumus :
hif = f.
g d LxV
2 .
2
Dimana:
L = panjang pipa pesat = 380 m V =Kecepatan aliran = 13,987 m/s g = gravitasi bumi = 9,81 m/s2 d = diameter pipa pesat = 4 m
f = koefisien gesek (0,026 )
Dengan demikian diperoleh head loss karena gesekan sebesar:
hlf = 0,026
8 , 9 2 4
987 , 13
380 2
x x
x
= 24,654 m
Total kerugian yang terjadi pada saluran arus adalah : Ʃhl = 0,399 m + 24,654 =25,053 m
Maka tinggi tekan efektif (head efektif) adalah : Hef =head-Ʃhl
= 200 - 25,053
= 174,947 m
Setelah dihitung, maka didapatlah Q : 177,48 m3/s dan Hef: 174,947 m Maka, Daya listrik sebelum masuk ke turbin dalam satuan kW adalah :
P = 9,8 x Q x h (kW)
= 9,8 x 177,48 x 174,947
= 304.286.016 kW atau sama dengan 304,286 MW
4.5 Perencanaan Turbin
Pemilihan jenis turbin dilakukan dengan menghitung kecepatan spesifik.
Kecepatan spesifik (Ns) didefinisikan sebagai kecepatan putaran per menit dari turbin.
Adapun spesifikasi turbin yang akan digunakan pada PLTA Pumped Storage Danau Sidihoni Kabupaten Samosir adalah :
Tabel 4.3 SpesifikasiTurbin Pada PLTA Pumped Storage
Parameter Simbol
Type Francis Hydro Turbine
Place of Origin China ( Mainland )
Output Voltage 400V
Color Blue
Material Carbon Steel
Diameter Runner 0,35 – 2,5 meter
Runner Material Stainless Steel
The Power Output 100MW
Desain Net Head 10 - 300 m
Desain Debit 180 m3/s
Frekuensi 50 Hz
Speed 850 rpm
Efisiensi 0,8
Sudut Turbin terhadap Penstock 45°
Spesifik Speed ditentukan dengan rumus di bawah ini :
Ns =
) (
) (
25 , 1
5 , 0
He P x N
Dimana :
Ns = Kecepatan Spesifik
N = Kecepatan putaran turbin (850 rpm) P =Daya yang keluar (100 MW)
He = Head efektif (174,947 m) Maka didapat :
Ns =
) 947 , 174 (
) 000 . 100 850 (
25 , 1
5 ,
x 0
= 422,46 rpm
Untuk menentukan daerah kecepatan jenis turbin dapat menggunakan rumus di bawah ini :
Turbin Francis : NS = 30 20 000 .
20
H
NS = 30
20 200
000 .
20
NS = 120,90 rpm
Jika kecepatan jenis diketahui, maka dapat dihitung kecepatan putar N, berdasarkan rumus :
N = ( )
) (
25 , 0
4 / 5
P H x S N
Maka :
N = (100.000 ) ) 947 , 174 850 (
5 , 0
25 ,
x 1
= 214,428 rpm
Dengan didapatnya harga kecepatan spesifik maka jenis turbin yang cocok digunakan adalah Turbin Francis.
4.6 Perencanaan Transmisi Mekanik
Untuk meneruskan daya dari poros turbin ke generator maka diperlukan komponen transmisi tambahan. Komponen transmisi yang digunakan adalah sabuk. Jarak yang cukup jauh yang memisahkan antara dua buah poros mengakibatkan tidak memungkinkannya menggunakan transmisi langsung dengan roda gigi. Sabuk-V merupakan sebuah solusi yang dapat digunakan. Sabuk-V adalah salah satu transmisi penghubung yang terbuat dari karet dan mempunyai penampang trapezium.
Sabuk-V banyak digunakan karena sabuk-V sangat mudah dalam penangananya dan murah harganya. Selain itu sabuk-V juga memiliki keunggulan lain dimana sabuk-V akan menghasilkan transmisi daya yang besar pada tegangan yang relatif rendah serta jika dibandingkan dengan transmisi roda gigi dan rantai, sabuk-V bekerja lebih halus dan tak bersuara. Sabuk-V selain juga memiliki keungulan dibandingkan dengan transmisi-transmisi yang lain, sabuk-V juga memiliki kelemahan dimana sabuk-V dapat memungkinkan untuk terjadinya slip.
Transmisi sabuk-V dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Adapun desain yang direncanakan pada transmisi mekanik pada PLTA ini adalah sebagai berikut :
Tabel 4.4 Rencana Transmisi Mekanik Pada PLTA Pumped Storage
Parameter Simbol
Diameter Pulley Turbin 480 mm
Diameter Pulley Generator 240 mm
Jenis Belt / type V Belt
Coupling Flexible Coupling
4.7 Perencanaan Generator
Generator merupakan komponen fasilitas mekanikal - elektrikal pada PLTA Pumped Storage ini. Tipe generator yang akan digunakan adalah Brushless Synchronous Generator Three phase Star Connected dengan kapasitas 2 x 150 MW yang dilengkapi dengan AYR (Automatic Voltage Regulator) untuk pengatur tegangan.
Adapun Spesifikasi Generator yang digunakan untuk PLTA Pumped Storage ini adalah sebagai berikut :
Tabel 4.5 Desain Generator Pada PLTA Pumped Storage
Parameter Simbol
Type Brushless Synchronous Generator Three phase Star Connected
Rating Power 167 MVA / 150 MW
Frekuensi 50 Hz
INominal 6200 A
Merk HYUNDAI
AYR Standard
Kecepatan Poros 400 rpm
Output Voltage 15,5 kV
Power Factor 0,9
Efisiensi 0,98
4.8 Perencanaan Pompa
Pompa yang akan direncanakan pada PLTA ini akan berfungsi secara standby, tergantung Volume air yang ada pada Waduk atas (Danau Sidihoni).
Pada saat Volume air yang ada pada Danau Sidihoni tidak mencukupi lagi untuk memutar turbin, maka pompa akan difungsikan (On). Jenis pompa yang akan digunakan adalah Tipe MA Series Slurry Dewatering Pump 4 / 3E - ZHH.
Adapun spesifikasi pompa ditunjukkan pada tabel di bawah ini.
Tabel 4.6 Spesifikasi Pompa Pada PLTA Pumped Storage
Parameter Simbol Satuan
Name N MA Series Slurry Dewatering Pump
4 / 3E – ZHH
Diameter D 508 mm
Head H 12 -97 m
Pressure P High Pressure
Power kW 128
Kapasitas Q 128 – 252 m3/h
Kapasitas Q 35 - 70 L / S
Speed N 600- 1400 rpm
Effisiensi 50%
Place of Origin PO Hebei, CHINA ( Mainland )
Perusahaan C HEBEI MUYUAN PUMP INDUSTRY CO.,
LTD
4.9 Tinggi Muka Air (TMA)Danau Sidihoni dan Danau Toba
Tinggi muka air adalah permukaan air pada suatu danau terhadap suatu titik tetap yang elevasinya tidak diketahui. Volume air danau sidihoni maximum, maka tinggi muka air nya adalah 35 meter, jika keadaan volume air danau sidihoni minimum maka tinggi muka air nya adalah 30 meter.Untuk volume air danau toba maximum maka tinggi muka air nya adalah 508 meter, dan jikalau keadaan volume air danau sidihoni minimum, maka tinggi muka air nya adalah 228 meter.
4.10 Perhitungan Besarnya Debit yang akan dipompakan (In flow)
Untuk menghitung besarnya debit yang akan dipompakan dapat dilakukan dengan cara sebagai berikut :
1. Diketahui berapa besarnya kapasitas pompa untuk memompakan air selama per jam.
2. Kemudian dilakukan dengan cara mengetahui volume tampungan maksimum pada waduk atas.
Untuk mendapatkan hasil dari kedua cara tersebut, hal pertama yang kita hitung adalah mengetahui banyaknya air yang dipompa.
Banyaknya air yang dipompa dalam 1 detik adalah 35-70 m3.
Jika pompa bekerja maximum maka banyaknya air yang dipompa selama per jam adalah :
= 70 m3/detik x 1 jam (3600 detik)
= 70 m3/detik x 3600
= 252.000 m3
Jika pompa bekerja minimum maka banyaknya air yang dipompa adalah :
= 35 m3/detik x 1 jam ( 3600 detik)
= 35 m3/detik x 3600
= 126.000m3
Danau sidihoni difungsikan sebagai waduk atas dengan luas permukaan 39,5 km2, kedalaman rata-rata 30 m, dan volume air yang bisa ditampung di waduk atas adalah sebesar 15,7 juta m3 atau 15.700.000 m3.
Jika pompa bekerja maximum maka banyaknya air yang dipompa selama per jam adalah 252.000 m3 dan Jikalau pompa bekerja minimum maka banyaknya air yang dipompa selama per jam adalah 126.000 m3.
Maka, waktu yang dibutuhkan oleh pompa untuk bisa memenuhi air di waduk atas adalah :
= Volume max waduk atas / Banyaknya air yang dipompa
= 15.700.000 m3 /252.000m3
= 62,3 jam atau selama 2 hari.
4.11 Perhitungan Besarnya Debit yang keluar dari Turbin (Outflow)
Untuk menghitung besarnya debit yang keiuar dari turbin adalah banyaknya air yang dijatuhkan ke turbin selama per jam dikali waktu air yang dipompa dalam 1 jam.
Banyaknya debit air yang dijatuhkan ke turbin : 177,48 m3. Waktu air yang dipompa dalam 1 jam ( 3600 detik)
Maka, besarnya debit yang keluar dari turbin adalah :
= 177,48 m3 x 3600
= 638.928 m3.
Maka, air yang ditampung pada waduk atas akan habis dalam waktu yaitu :
= 15.700.000 m3/638.928m3
= 24 jam atau 1 hari.
Jadi dapat disimpulkan bahwa pompa harus bekerja secara terus menerus agar air yang ditampung pada waduk atas tidak sempat habis dan perlu diketahui bahwa dari hasil penelitian di tempat lokasi bahwa danau sidihoni tidak pernah habis.
Air yang keluar dari saluran pembuangan (tail race) akan ditampung di dalam satu waduk, dimana air tersebut akan difungsikan kembali untuk saluran irigasi dan selebihnya dikembalikan lagi ke danau toba.
4.12 Perhitungan Daya Listrik pada Sistem PLTA Pumped Storage
Dengan memanfaatkan debit air sebesar 177,48m3/s dan ketinggian jatuhan air (head) 174,947 m, maka besarnya daya listrik yang dapat dihasilkan PLTA Pumped Storage ini dapat dihitung dengan menggunakan rumus-rumus di bawah ini :
• Daya pada poros turbin Pt= p x g x Q x He x t
• Daya yang ditransmisikan ke generator Ptrans= p x g x Q x He x t x belt
• Daya yang dibangkitkan generator
P = p x g x Q x He x t x belt x gen
• Daya yang dihasilkan pembangkit P = p x g x Q x He x total
Dimana :
P = daya keluaran (kW)
= masa jenis air 1000 kg/m3 g = gaya gravitasi bumi (9,81 m/s2) Q = debit air (m3/detik)
He = head efektif ( 174,947 m)
t= efisiensi turbin (0,8)
belt = efisiensi transmisi (%)= 0,98 (untuk flat belt) = 0,95 (untuk V-belt)
gen =
efisiensi generator (0,98)
Daya yang dibangkitkan oleh generator adalah : P = p x g x Q x He x t x belt x gen
P = 1000 kg/m3 x 9,81m/s2 x 177,48 m3/detik x 174,947m x 0,8 x 0,95 x 0,98 = 226.863,482 KW atau 226,863 MW
Maka prakiraan potensi PLTA Pumped Sorage Danau Sidihoni Kabupaten Samosir adalah sebesar 226,863 MW dibulatkan menjadi 227 MW.
Total produksi energi yang dibangkitkan selama operasi satu tahun PLTA Pumped Storage Di Danau Sidihoni Kabupaten Samosir dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.4 dengan mengasumsikan faktor kapasitas pembangkit sebesar 80 % dari daya terpasang 227 MW dan memiliki umur pembangkit 25 tahun, maka dihasilkan energi per tahun sebagai berikut :
Total Produksi Energi per Tahun = P x 8760 x PF ( kWh )
= 227 x 103 x 8760 x 0,8
= 1.590.816.000 kWh
= 1.590 GWh
Jika PLTA beroperasi selama 24 jam maka total produksi energi selama per tahun adalah sebesar 1.590.816.000 kWh atau l.590 GWh.
Total Produksi Energi per Tahun = Px 4380x PF (kWh)
= 227 x 103 x 4380 x 0,8
= 795.408.000 kWh/tahun
