ANALISA PENERAPAN TURBIN KAPLAN SEBAGAI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO-HYDRO TUGAS Dosen Pengampu : Nailul ‘Atifah S.T., M. Eng. Tim Penyusun : Andar Siswanto : 161010350041 Fuat Nuryasin : 161010350086 Handi Pranoto : 161010350081 Juniyanto : 161010350037 Riki Riansyah : 161010350054 Wahid Hardianto : 161010350099 BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang Energi listrik merupakan kebutuhan pokok sekarang ini karena selain sebagai penerangan juga digunakan untuk melakukan sebuah usaha seperti foto kopi, rental komputer dan warnet. Kebutuhan energi lisrik yang terus meningkat membuat banyaknya dibangun pembangkit listrik. Kebutuhan energi di Indonesia saat ini masih didominasi oleh energi yang berbasis bahan bakar fosil, seperti minyak bumi dan batu bara. Kerugian dari bahan bakar fosil adalah sifatnya yang tidak ramah lingkungan. Selain itu bahan bakar fosil merupakan energi yang tak terbarukan sehingga, jika dieksploitasi terus-menerus cadangan bahan bakar fosil akan habis. Oleh karena itu perlu dikembangkan sumber energi alternatif yang dapat menggantikan sumber energi berbasis fosil yang tidak ramah lingkungan dan bersifat terbarukan. Indonesia merupakan Negara yang memiliki sumberdaya alternatif yang sangat melimpah. Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hydro merupakan pembangkit listrik skala kecil, dengan memanfaatkan sember daya alam yang memiliki ketinggian dan debit air yang relatif rendah. Masih banyak sumber energi yang berasal dari tinggi air jatuh dibawah 10 meter yang belum digunakan hingga saat ini. Dalam tulisan ini kami mencoba membuat analisa dengan objek lokasi yaitu area pemandian air panas Cipanas - Garut Jawa Barat terdapat saluran air yang melewati rumah – rumah warga dengan lebar 1 meter, kedalaman 50cm dan kecepatan laju air 1m/s. Adanya debit air yang stabil di saluran tersebut berpotensi dimanfaatkan untuk penggunaan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hydro. I.2 Rumusan Masalah Dari pemaparan latar belakang di atas, masalah – masalah yang akan dibahas dalam laporan ini adalah sebagai berikut : 1. Bagaimana Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hydro dapat dianggap sebagai solusi alternatif dalam pemenuhan kebutuhan energi listrik? 2. Faktor apa saja yang perlu diperhatikan dalam konversi energi alam yang tersedia dengan menggunakan Pembangkit Tenaga Listrik Mikro Hydro? 3. Bagaimana cara menentukan turbin dan konstruksi yang tepat untuk diterapkan pada objek lokasi? I.3 Batasan Masalah Berdasarkan latar belakang diatas maka dalam perencanaan dan analisa turbin perlu dilakukan adanya pembatasan masalah agar penulis bisa lebih fokus dan detail dalam menguraikan materi penulisan, yang diantaranya adalah sebagai berikut : 1. Jenis Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hydro yang akan dibahas adalah jenis Turbin Reaksi model Kaplan 2. Parameter penghitungan meliputi Daya total yang dihasilkan (P), Debit Air (Q), gaya/percepatan gravitasi (g), ketinggian jatuh air (h), massa jenis air (𝜌), daya alam yang dimanfaatkan (Na), daya turbin (Nt), Gaya yang bekerja pada turbin (F), panjang shaft/lengan Torsi (L), torsi (T), kecepatan rotasi sudu (w), Efisiensi (η), dan momentum (p). 3. Penulis memberikan rekomendasi rencana desain dan konstruksi yang tepat untuk diterapkan. I.4 Tujuan Penulisan Adapun tujuan dalam penulisan laporan ini adalah : 1. Mendapatkan rencana desain dan konstruksi Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hydro dengan Turbin Kaplan yang memliki ketinggian jatuh air kurang dari 3m. 2. Mendapatkan hasil analisa yang cukup akurat yang mungkin bisa diterapkan di lokasi berbeda. 3. Menemukan hal-hal yang mungkin dapat di mutakhirkan dalam rencana desain dan konstruksi Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hydro dengan Turbin Kaplan selanjutnya. I.5 Manfaat Pengembangan pembangkit listrik mikrohidro atau Turbin Kaplan berskala kecil ini diharapkan akan memberikan manfaat diantaranya adalah sebagai berikut : 1. Sebagai pedoman dalam pembuatan Pembangkit Listrik Mikro Hydro dengan Turbin Kaplan di kemudian hari. 2. Mampu mengembangkan pemanfaatan sumber daya air yang tersedia menjadi energi listrik melalui pemutakhiran Pembangkit Listrik Mikro Hydro dengan Turbin Kaplan. BAB II TINJAUAN PUSTAKA II.1 Kajian Pustaka Fajri, (2011) dalam penelitian Rancang bangun dan pengujian turbin Kaplan pada ketinggian (H) 4 meter debit (Q) 0,025 m3/s dengan variasi sudut sudu rotor 20° dan sudut sudu stator 25°, 30°, 45° menghasilkan kesimpulan bahwa putaran tertinggi yang dihasilkan oleh turbin Kaplan ini ada pada putaran 602,2 rpm yaitu pada sudu stator 25° dari ketiga variasi sudut stator 25°, 30°, 45° dengan debit 24,1 dm 3/s. Putaran terendah yang dihasilkan oleh turbin Kaplan ini, ada pada putaran 104 rpm yaitu pada sudu stator 25° dari ketiga variasi sudut stator 25°, 30°, 45° dengan debit 20,1 dm3/s. Sinaga, (2009) menjelaskan dalam penelitian perancangan turbin air untuk sistem pembangkit listrik microhidro (studi kasus desa Way Gison kecamatan Sekincau kabupaten lampung barat) bahwa pemilihan jenis turbin yang digunakan dipengaruhi oleh debit dan tinggi jatuh air. Dan potensi sungai Way Gison dapat menghasilkan daya 23,8 kW dengan debit aliran 0,407 m 3/s dan head 10,6. Sahid (2006) menyatakan bahwa perubahan bentuk penampang nosel berpengaruh terhadap unjuk kerja turbin pleton mikro. Nozel berpenampang lingkaran menghasilkan daya dan efisiensi yang paling rendah sebelum mencapai kondisi optimum, untuk input energy aliran yang sama. Nozel pernampang segi empat dengan rasio panjang dan lebar, R=1 memiliki karakteristik daya dan efisiensi yang paling baik dibanding penampang yang lain. Daya dan efisiensi maksimum yang bisa dibangkitkan turbin dengan nozel berpenampang segi empat R = 1 adalah 440,0 watt dan 79,3% meningkat 18,4% dibandingkan dengan nosel berpenampang lingkaran. Situmorang dkk (2014) juga melakukan penelitian yang serupa dengan menggunakan pompa air Type Ps-128 BIT. Daya maksimum yang dihasilkan sebesar 12 watt pada Q = 37 lpm, H = 18 meter, dan n = 1080 rpm. Penelitian ini menggunakan variasi head dan debit sebagai variasi pada pengambilan data. Pemanfaatan 4 buah pompa yang dirangkai secara seri dan paralel digunakan untuk menggerakkan turbin dan mendapatkan variasi input data tersebut. BAB III METODOLOGI PENELITIAN III.1 Diagram Alir START Persiapan alat analisa Analisa desain instalasi dan konstruksi serta estimasi biaya Pengumpulan dan penghitungan data analisa Komparasi hasil penghitungan dengan desain konstruksi dan penggunaan turbin yang tepat Hasil Analisa END III.2 Kebutuhan Analisa : 1. Sumber data online 2. Referensi/rujukan dalam penghitungan dan perencanaan turbin 3. Pemahaman alat dan bahan yang digunakan dalam perencanaan turbin, seperti : a. Orifice Flow Meter Alat untuk mengukur tekanan dan kecepatan laju aliran air b. Stroboscope Alat untuk mengukur kecepatan putaran poros turbin c. Dynamometer Alat ukur daya atau tenaga dari torsi turbin d. Current meter Alat ukur debit air pada saluran terbuka III.3 Tahap Analisa : 1. Pemahaman konsep dan kinerja turbin secara menyeluruh dan detail 2. Pengumpulan data referensi/rujukan yang valid untuk desain rencana konstruksi turbin 3. Penghitungan dan komparasi kesesuaian turbin dengan objek lokasi 4. Analisa dampak yang timbul pada saat proses konstruksi sampai dengan setelah pemanfaatan turbin BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN IV.1 Hasil Analisa Berdasarkan analisa yang penulis lakukan melalui referensi hasil penelitian orang lain yang sudah tercatatkan dan dipublish, maka di dapatkan hasil bahwa ada klasifikasi atau perbedaan istilah untuk Pembangkit Listrik Tenaga Air yang dinilai dari outputnya, yaitu : 1. Large-Hydro : >100 MW (lebih dari 100 MegaWatt) 2. Medium-Hydro : >15<100 MW (antara 15-100 MegaWatt) 3. Small-Hydro : >1<15MW (antara 1-15 MegaWatt) 4. Mini-Hydro : >100KW<1MW (antara 100 KiloWatt-1 MegaWatt) 5. Micro-Hydro : >5 KW<100 KW (antara 5-100 KiloWatt) 6. Pico-Hydro : ≤5 KW (kurang dari atau sampai 5 KiloWatt) Klasifikasi di atas membantu penulis dalam menentukan judul laporan agar tidak terjadi kesalahan redaksional ataupun kekeliruan pemahaman tentang penggunaan istilah yang berpotensi adanya koreksi menyeluruh, belum lagi jika laporan ini dibaca oleh orang-orang yang baru belajar dan belum banyak memahami tentang detail Pembangkit Listrik Tenaga Air, maka laporan ini bisa masuk ke dalam kategori laporan yang menyesatkan dan tidak layak untuk dibaca. Berdasarkan judul analisa yang penulis gunakan dalam laporan ini yaitu Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hydro dengan menggunakan Turbin Kaplan, namun sebelum fokus membahas tentang Turbin Kaplan penulis akan memaparkan beberapa hal sebagai berikut : 1. Pengenalan macam-macam Turbin Turbin yang populer dan umum digunakan pada pemanfaatan konversi energi di bidang Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hydro adalah sebagai berikut : a. Turbin Impulse Turbin impulse merupakan jenis turbin yang mengandalkan Head atau tinggi permukaan air dan elevasi tanah yang cukup tinggi, karena dengan kondisi seperti itu air dapat dimanfaatkan tekanannya apabila disalurkan melalui pipa sebagai impulse yang dikondisikan lebih rendah dari dasar permukaan air, sehingga tekanan tersebut dapat disalurkan sebagai aliran air bertekanan tinggi dalam pipa. Saat air keluar nosel, air bertekanan tinggi tersebut akan bertumbukan dengan sudu pada kincir dan mengakibatkan kincir tersebut berputar kemudian putaran tersebut ditransmisikan ke generator sehingga terjadi perubahan energi dari energi potensial ke energi listrik. Turbin impulse terbagi menjadi 2 macam, yaitu : - Turbin Pelton - Turbin Crossflow b. Turbin Reaksi Turbin reaksi merupakan turbin yang lebih sederhana lebih mudah konstruksinya dari turbin impulse karena tidak terlalu mengandalkan Head atau tinggi permukaan air yang signifikan. Pada turbin ini lebih mengandalkan pada debit air sebagai pengganti dari pemanfaatan air bertekanan tinggi yang keluar dari nosel untuk memutarkan sudu. Debit air yang besar dimanfaatkan dengan cara merekayasa gerakan air menjadi turbulence(pusaran) dan saat bertumbukandengan sudu turbin terjadi momentum yang membuat sudu turbin bergerak. Pada tahap sudu turbin sudah bergerak, konsep dari kinerja turbin menjadi sama. Turbin reaksi pun mempunyai 2 macam, yaitu : - Turbin Kaplan/Propeller - Turbin Francis 2. Turbin Kaplan Turbin Kaplan atau biasa disebut juga sebagai Turbin Propeller merupakan satu dari jenis Turbin Reaksi, dimana turbin ini mengandalkan debit air yang besar untuk memutarkan sudu. Turbin Kaplan terus mengalami pengembangan dan pemutakhiran agar dapat memenuhi kebutuhan melalui proses konversi energi. Turbin ini merupakan jenis turbin yang paling banyak diminati sebagai solusi alternatif dalam konversi energi karena baik pada konstruksi, instalasi, dan pemeliharaannya relatif cukup mudah dan murah dibandingkan dengan turbin jenis lain. Bahkan, turbin ini banyak dimanfaatkan dengan mengandalkan aliran pada saluran air limbah rumah tangga yang memenuhi beberapa kriteria seperti : debit air lumayan besar dan stabil, tidak banyak limbah keras memanjang(kayu, plastik, tali dll). Saat kinerja turbin dapat diusahakan maksimal, maka generator pun dapat menghasilkan energi listrik secara optimal mendekati kemampuan maksimal. Dengan begitu, pemanfaatan konversi energi menggunakan turbin kaplan sebagai solusi alternatif untuk memenuhi kebutuhan pun dapat tercapai. Gambar 1. Komponen dalam Turbin Kaplan https://www.slideshare.net/najamudinalantaputra/prestasi-mesinpada-turbin-air-water-turbine Terlihat di atas pada Gambar 1. dimana bentuk dan komponen yang ada di dalam Turbin Kaplan cukup sederhana, sehingga pemanfaatannya dalam hal konversi energi dapat diterapkan hingga ke daerah pelosok yang berpenduduk namun jauh dari pesatnya perkembangan dan kemajuan yang ada di perkotaan. Pemanfaatan konversi energi menggunakan Turbin Kaplan di pelosok mungkin bahkan tidak hanya diorientasikan sebagai cadangan sumber energi listrik untuk pemenuhan kebutuhan seperti layaknya penggunaan Turbin Kaplan di perkotaan, namun dapat menjadi solusi alternatif sebagai sumber energi listrik utama tanpa harus mengandalkan masuknya jaringan listrik PLN. 3. Spesifikasi Turbin Kaplan yang beredar di pasar Gambar 2. Ilustrasi dan Contoh Tabel Spesifikasi Turbin Kaplan http://www.electway.net/product/axial_flow_fixed_blade_water_tur bine_generator.html IV.2 Analisa Saluran air di Lokasi Cipanas-Garut dan Desain Turbin yang tepat untuk diterapkan Seperti yang sudah penulis sampaikan pada latar belakang laporan ini bahwa penulis melakukan analisa yang mungkin dapat dilakukan pemanfaatan sumber daya energi yang tersedia di alam dengan objek lokasi berada di Area Pemandian Air Panas di Cipanas – Garut, Jawa Barat sebagai berikut. Di area lokasi pemandian air panas Cipanas – Garut terdapat saluran air yang melewati rumah – rumah warga dengan lebar saluran 1 m, kedalaman 50 cm dan kecepatan laju air 1m/s. Adanya asumsi debit air yang stabil di saluran tersebut berpotensi dimanfaatkan untuk penggunaan Pembangkit Listrik Mikro Hydro. Gambar 3. Ilustrasi keadaan saluran di area Cipanas - Garut Sebagai pertimbangan karena di wilayah pedesaan, maka rujukan penggunaan turbin dalam PLTMH tersebut adalah Turbin Kaplan karena konstruksinya relatif mudah, murah dan pemeliharaan/perawatan (maintenance) cukup sederhana. Dari situasi di atas, jika dilakutan sodetan saluran untuk instalasi Turbin Kaplan dengan lebar saluran 20 cm, kedalaman saluran 40cm, ketinggian jatuh air 1,5 m. Maka dapat diperoleh potensi Daya dari kinerja turbin sebagai berikut : P =𝜂.m.g.h Nilai massa diubah menjadi persamaan debit air : m ↔ 𝜌 . Q Sehingga, P = 𝜂 . 𝜌 . Q . g . h Keterangan : P = potensi daya yg dihasilkan kinerja turbin (Watt) 𝜂 = nilai effisiensi (0,9 atau 90%) 𝜌 = massa jenis air (1000 kg/m³) Q = debit air (m³/s) g = percepatan gravitasi (9,81 m/s²) h = ketinggian jatuh air terhadap sudu (m) Perlu didapatkan nilai debit air untuk menyelesaikan persamaan di atas dengan rumus : Q =A.v Keterangan : Q = debit air (m³/s) A = Luas penampang (kasus ini menggunakan lebar saluran x kedalaman) (m²) v = kecepatan aliran (m/s) Maka : Q =A.v = (0,2 x 0,4) . 1 = 0,08 m³/s Selanjutnya, daya alam yang dapat dimanfaatkan : Na = ρ. Q. h p Keterangan : Na = Daya alam (KW) 𝜌 = Massa jenis air (1000 kg/m³) Q = Debit air (m³/s) p = momentum (kgm/s) h = Ketinggian jatuh air (m) Maka : Na = ρ. Q. h p = 1000 . 0,08 . 1,5 102 = 1,18 KW *102 adalah nilai tetapan momentum(kgm/s2) jika daya/tenaga dinyatakan dengan KW (KiloWatt) Daya turbin : Nt = T.w Jika : T = F.L Dimana : F =m.g =𝜌.Q.g = 1000 . 0,08 . 9,81 = 784,8 Nm Maka : Nt = F . L . w =F.L.2𝜋 n 60 = 784,8 . 1 . 2 . 22 1500 . 7 60 = 82,22 KW Keterangan : Nt = Daya Turbin (KW) T = Torsi (Nm) F = Gaya yang bekerja pada turbin (N) L = Panjang shaft/Lengan torsi (m) n = kecepatan rotasi sudu ; 2 . 𝜋 . (rpm) 60 w Nilai efisiensi : 𝜂 = Nt Na x 100% = 82,22 1,18 x 100% = 69,7 % = 70% Kembali ke persamaan awal untuk mencari nilai potensi daya turbin (P) : P =𝜂.𝜌.Q.g.h = 0,7 . 1000 . 1,6 . 9,81 . 1,5 = 16481 Watt = 16 KW Potensi daya yang dapat dihasilkan dari Turbin Kaplan dengan data di atas adalah sebesar 16 KW. Berdasar kepada hasil analisa, dimana ada parameter untuk menentukan klasifikasi Turbin yang di nilai dari outputnya, maka penggunaan Turbin Kaplan pada contoh kasus di atas masuk dalam kategori Pembangkit Listrik Mikro Hydro yaitu antara 5 KiloWatt sampai dengan 100 KiloWatt, karena hasil analisa untuk penerapan Turbin Kaplan pada contoh kasus di atas mempunyai nilai output Daya sebesar 16 KiloWatt. IV.3 Estimasi Biaya Konstruksi dan Instalasi Turbin Kaplan Ketika melakukan estimasi biaya pada pekerjaan konstruksi dan Instalasi Turbin Kaplan, dalam hal pengadaan (procurement) unit turbin bisa mengacu pada Gambar 2. Ilustrasi dan Contoh Tabel Spesifikasi Turbin Kaplan, agar memudahkan penyesuaian antara kebutuhan daya – pembiayaan (budget) – pemodelan konstruksi sipil – sampai kepada jenis instrumen penunjang proses konversi energi seperti unit Converter dan Panel Distribusi. Keselarasan hal tersebut merupakan tolok ukur dalam pemanfaatan sumber daya alam melalui proses konversi energi agar hasilnya tepat bermanfaat. Berikut contoh RAB (Rencana Anggaran Biaya) sederhananya : Gambar 3. RAB Konstruksi dan Instalasi Turbin Kaplan BAB V PENUTUP V.1 Kesimpulan Kesimpulan yang dapat penulis ambil dari laporan analisa ini adalah sebagai berikut : 1. Banyaknya sumber daya alam yang sudah tersedia bisa dimanfaatkan dengan cara yang baik dengan tanpa melakukan kerusakan yang signifikan dan terus menerus terhadap alam salah satunya pemanfaatan sumber daya alam dengan konversi energi pada saluran air menjadi energi listrik. 2. Adanya potensi terlepas dari ketergantungan pada 1 penyedia sumber daya energi seperti PLN, sehingga pola hidup mandiri dapat menjadi potensi untuk membangun peradaban yang lebih maju. V.2 Saran Saran yang dapat penulis sampaikan adalah sebagai berikut : 1. Perlu adanya pengembangan observasi terhadap potensi konversi pada sektor sumber daya alam apapun yang berguna bagi kehidupan tanpa harus merusak alam. 2. Perlu pemutakhiran pada Turbin – turbin pembangkit tenaga listrik khususnya yang masuk dalam kategori micro hydro dan pico hydro, misalnya sebagai contoh ditambahkan safety instrument seperti indicator atau interface display & control. Sehingga ketika alat mengalami malfunction (kesalahan kinerja) akan dapat ditangani dengan cepat. DAFTAR PUSTAKA Arismunandar, Wiranto., 1997, Penggerak Mula Turbin, ITB Bandung (http://journal.uta45jakarta.ac.id/index.php/jktm/article/view/331) Fajri, Ibnu. (2011) Rancang Bangun dan Pengujian Turbin Kaplan pada Ketinggian 4 meter debit 0,025 m3/s dengan Variasi Sudut Sudu Rotor 200 dan Sudut Sudu Stator 250, 300, 450. Perpustakaan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta. (http://eprints.ums.ac.id/23992/11/NASKAH_PUBLIKASI.pdf) Sinaga, Jofri B. (2009) Perancangan Turbin Air Untuk system Pembangkit Listrik (microhidro.isjd.pdii.lipi.go.id/admin/jurnal/51095764.pdf) Sahid, dkk, 2006. Pengaruh Nozel Berpenampang Segi Empat Terhadap Unjuk Kerja Turbin Pelton Mikro Untuk Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro, Forum Teknik POLINES, Semarang. (https://docplayer.info/63655899-Kajianeksperimental-optimasi-tipe-lekuk-sudu-turbin-pelton-sudu-basis-konstruksielbow-pada-pembangkit-listrik-tenaga-mikrohidro.html) Susanto, Andi., (2013) Perancangan dan Pengujian Turbin Kaplan pada Ketinggian (h) 4 m Sudut Sudu Pengarah 30° Dengan Variabel Perubahan Debit (Q) dan sudut sudu jalan, Naskah Publikasi, Universitas Muhammadiyah Surakarta.(https://docplayer.info/51149221-Perancangan-dan-pengujianturbin-kaplan-pada-ketinggian-h-4-m-sudut-sudu-pengarah-30-denganvariabel-perubahan-debit-q-dan-sudut-sudu-jalan.html)
