Studi Potensi Sungai Padang Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro Di Kecamatan Sipispis Kabupaten Serdang Bedagai Provinsi Sumatera Utara Tugas Akhir

STUDI POTENSI SUNGAI PADANG UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MINI HIDRO DI KECAMATAN SIPISPIS KABUPATEN

SERDANG BEDAGAI PROVINSI SUMATERA UTARA

TUGAS AKHIR

Diajukan Untuk Melengkapi Syarat

Penyelesaian Pendidikan Sarjana Teknik Sipil

Disusun oleh :

MUHAMMAD FAHMI

10 0404 024

Pembimbing :

Pembimbing I Pembimbing II

Ir. Syahrizal, M.T. Ivan Indrawan,S.T.,M.T.

BIDANG STUDI TEKNIK SUMBER DAYA AIR

DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

2015

NIP. 19611231198811 1 001 NIP. 19761205 200604 1 001

LEMBAR PENGESAHAN

STUDI POTENSI SUNGAI PADANG UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MINI HIDRO DI KECAMATAN SIPISPIS KABUPATEN

SERDANG BEDAGAI PROVINSI SUMATERA UTARA TUGAS AKHIR

Diajukan untuk melengkapi tugas-tugas dan memenuhi syarat dalam menempuh Colloqium Doctum / Ujian Sarjana Teknik Sipil

Dikerjakan oleh: MUHAMMAD FAHMI

10 0404 024 Pembimbing

Pembimbing I Pembimbing II

Ir. Syahrizal, M.T. Ivan Indrawan, S.T., M.T. NIP. 19611231198811 1 001 NIP. 19761205 200604 1 001

Penguji I Penguji II

Ir. Alferido Malik Dr. Ir. Ahmad Perwira Mulia Tarigan, M.Sc

NIP. 19530504 198103 1 003 NIP. 19660417 199303 1 004

Mengesahkan:

Ketua Departemen Teknik Sipil Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan

NIP. 19561224 198103 1 002

BIDANG STUDI TEKNIK SUMBER DAYA AIR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur saya panjatkan kepada Allah Swt 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, Syamsuri ahmad dan sakdiah yakub yang selalu memberikan yang terbaik serta tiada henti mengiringi dengan doa dan motivasi yang tidak ternilai.

2. Bapak Ir. Syahrizal, M.T. dan Bapak Ivan Indrawan ST, MT 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,

6. Bapak Dr. Ir. Ahmad Perwira Mulia, M. Sc. 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. Kepada yang terkhusus bapak Muhammad Faisal ST.MT, yang telah banyak mengajari, membantu, dan memberikan dukungan, doa, serta motivasi kepada saya.

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

10.Kepada keluarga/sepupu ku tersayang Fazli, faris, farhan ,kak dewi serta yang lainnya, terima kasih atas semua dukungan, doa, motivasi, semangat, bimbingan, dan rasa sayangnya untuk penulis.

11.Rekan-rekan mahasiswa Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara, sahabat seperjuangan stambuk 2010 :Iqbal, ijep, akbar, iwan, uus, bocah naurah, dwi, adlin, himawan, titok, komeng tria. Lamhot, sari, Dhaka, khairul, nardis, rizqan dan seluruh rekan-rekan seperjuangan di kampus tercinta, atas bantuan, dukungan, dan doa kalian.

12.Kepada adinda stambuk 2013 ,iman, rizka amalia, yasir, noprah , yahya, akmal, rio, nadia, indah, faras ,tiwi, mahadi, rahmad rizki, dan seluruh adik adik 2013. Terima kasih banyak atas dukungan dan motivasi kepada saya

Semoga Allah swt 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, 2015 Hormat Saya

ABSTRAK

Pada Saat ini, listrik memegang peranan sangat penting bagi cepat atau lambatnya pertumbuhan ekonomi di suatu wilayah. Karena peranan energy listrik saat ini bukan hanya dipergunakan sebagai sumber penerangan tetapi juga untuk industry kecil maupun besar.

Keterbatasan PLN sebagai pensuplai energy listrik saat ini khususnya di wilayah pedesaan, membuat peningkatan taraf ekonomi di wilayah pedesaan menjadi sangat terlambat. Situasi ini membuat taraf hidup masyarakat pedesaan menjadi tidak berkembang.

Untuk itu perlu adanya pembangunan energy listrik terbarukan khususnya diwilayah pedesaan guna meningkatkan taraf hidup masyarakat pedesaan. Energy terbarukan yang dimaksud dalam hal ini adalah PLTM. Dimana kapasitas daya yang mampu dihasilkan melebihi 100 kw.

Dalam Studi potensi ini bertujuan untuk menganalisis berapa besarnya potensi energi listrik yang berada di sungai padang kecamatan sipispis. Dimana sumber air yang akan digunakan untuk mendesain dasar bangunan PLTM serta dipergunakan untuk memutar turbin diambil dari DAS padang.

Dalam melaksanakan studi potensi ini dilakukan pengumpulan data baik primer maupun data sekunder. Data primer meliputi pengukuran debit sesaat dilokasi potensi, sedangkan data sekunder meliputi data curah hujan, data klimatologi, daerah tangkapan air (catchment area) dan data topografi, dll.

Hasil studi potensi yang dilakukan menunjukan bahwa dalam perhitungan debit andalan dengan Metode F.J. Mock menghasilkan debit andalan sebesar 7.43 m3/detik dan daya yang dihasilkan sebesar 1115.1 kw.

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... i

ABSTRAK ... iv

DAFTAR ISI ... . v

DAFTAR GAMBAR ... .vi

DAFTAR TABEL ... vii

DAFTAR NOTASI ... .ix

BAB I ... ..1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Perumusan Masalah ... 5

1.3 Maksud dan Tujuan ... 5

1.4 Pembatasan Masalah ... 6

1.5 Ruang Lingkup Penelitian ... 6

1.6 Manfaat Penelitian ... 7

1.7 Metodologi Penelitian ... 7

1.8 Sistematika Penulisan ... 8

BAB II ... 10

2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro PLTMH ... 10

2.1.1 Kelebihan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) ... 13

2.1.2 Kekurangan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) ... 14

2.3 Perencanaan Pembangunan PLTMH ... 17

2.3.1 Dam/bendung pengalih intake ... 17

2.3.2 Penentuan bentuk aliran sungai ... 19

2.3.3 penentuan lokasi rumah pembangkit ... 20

2.4 Perencanaan sipil ... 20

2.4.1 Pengerjaan saluran penghantar (headrace) ... 20

2.4.1.1 Menentukan potongan melintang dan kemiringan(slope) ... 22

2.4.2 Perencanaan Pipa Pesat ... 24

2.4.2.1 Diameter pipa pesat ... 26

2.4.5.2 Kehilangan akibat gesekan pada pipa pesat ... 28

2.5 Perencanaan elektromekanikal ... 31

2.5.1 Pemilihan turbin ... 31

2.5.2 Pemilihan generator ... 36

2.5.3 Rumah pembangkit ... 36

2.6 Perhitungan debit andalan ... 39

2.6.1 Debit andalan metode FJ mock ... 40

2.6.2 Flow duration curve ... 44

2.7 Daya Energi Listrik ... 46

2.8 Analisis Debit Sesaat ... 48

2.8.1 Peralatan Yang Digunakan ... 49

2.8.2.1 Menentukan lokasi pengukuran debit sungai... 50

2.8.2.2 Mengukur kecepatan air dengan current meter... 51

2.9 Pengukuran tinggi jatuh ... 52

2.10 Analisa Hidro Ekonomi ... 52

BAB III ... 56

3.1 Umum ... 56

3.2 Kondisi geologi daerah potensi ... 57

3.2.1 Lokasi bangunan bendung, intake, sandtrap dan headpond ... 57

3.2.2 Lokasi bangunan penstock dan powerhouse ... 58

3.3 Kondisi hidroklimatologi ... 60

3.3.1 Sungai ... 60

3.3.2 Kualitas air ... 61

3.3.3 Data curah hujan dan klimatologi ... 62

BAB IV ... 63

4.1 Konsep Berfikir ... 63

4.2 Pengambilan Data ... 64

4.3 Pengolahan Data ... 67

4.3.1 Data hidrologi dan klimatologi ... 67

4.3.2 Data hasil survei hidrometri ... 67

4.3.3 Data hasil survei topografi ... 68

BAB V ... 69

5.1 Evaluasi Data ... 69

5.1.1 Analisis Data Curah Hujan... 69

5.1.2 Peta daerah aliran sungai ... 71

5.1.3 Evapotranspirasi ... 72

5.1.4 Perhitungan metode empiris debit andalan sungai ... 76

5.1.5 Analisi flow duration curve (FDC) ... 91

5.1.6 Analisis debit sesaat ... 94

5.2 Desain dasar pekerjaan sipil ... 96

5.2.1 Desain saluran pembawa ... 96

5.2.2 Pipa pesat (penstock)... 98

5.3 Kapasitas daya yang dihasilkan ... 100

5.4 Perhitungan ekonomis ... 101

BAB VI ... 106

6.1. Kesimpulan ... 106

6.2. Saran ... 107

DAFTARPUSTAKA ... 108 LAMPIRAN ...

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Bagan sebuah

PLTMH...10 Gambar 2.2 efisiensi system perencanaan aliran

listrik...16 Gambar 2.3 contoh

bendung/intake...19 Gambar 2.4 contoh saluran

pembawa...21 Gambar 2.5 contoh pipa

pesat...25 Gambar 2.6 grafik faktor gesekan pada

pipa...29 Gambar 2.7 pelton

turbin...32 Gambar 2.8 francis

turbin...33 Gambar 2.9 kaplan

turbin...34 Gambar 2.10 diagram klasifikasi turbin air

...34 Gambar 2.11 perbandingan karakteristik

turbin...35 Gambar 2.12 contoh hidrograf dari data sepanjang 16

tahun………44 Gambar 2.13 contoh flow duration

curve………..………..45 Gambar 2.14 contoh low duration

curve………46 Gambar 2.15 efisiensi pada skema

PLTMH……….………..47 Gambar 2.16 rambu rambu lokasi pengukuran debit

sungai……….…….50 Gambar 2.17 alat pengukut kecepatan

arus………..………51 Gambar 2.18 contoh format hitungan debit dengan current

meter………...51 Gambar 3.1 peta lokasi

penelitian………56 Gambar 3.2 gambaran lokasi

Gambar 3.3 peta tata guna

lahan………..…..60 Gambar 4.1 diagram alur

penelitian……….66 Gambar 5.1 peta stasiun sindar

raya………..…70 Gambar 5.2 daerah aliran

sungai………..72 Gambar 5.3 Grafik

FDC……….93

Gambar 5.4 Grafik debit rerata bulanan tahun

DAFTAR TABEL

Tabel 1.1 Daftar Pembangkitan di Sumatera Bagian Utara Tahun

2012………..2 Tabel 2.1 kecepatan maksimum pada

saluran……….23 Tabel 2.2 kemiringan sisi

saluran……….………23 Tabel 2.3 Koefisien kekasaran pipa dalam

mm……….……….….28 Tabel 2 4 koefisien ketajaman sudut

masuk………...………...29 Tabel 2.5 Koefisien bukaan

klep………..…30 Tabel 3.1 Curah Hujan Bulanan Stasiun sindar raya dan

Sekitarnya………...…………61 Tabel 3.2 Curah Hujan harian Stasiun sindar raya dan

Sekitarnya………...………61 Tabel 3.3 Data klimatologi kuala

namo………..……….62 Tabel 5.3 perhitungan evapotranspirasi dengan metode

penman………75 Tabel 5.4 Analisa Debit Andalan dengan Metode F.J.Mock Sungai Padang Thn. 2005…...81 Tabel 5.5 Analisa Debit Andalan dengan Metode F.J.Mock Sungai Padang Thn. 2005………....82 Tabel 5.6 Analisa Debit Andalan dengan Metode F.J.Mock Sungai Padang Thn. 2005……….83 Tabel 5 7 Analisa Debit Andalan dengan Metode F.J.Mock Sungai Padang Thn. 2005…...84 Tabel 5.8 Analisa Debit Andalan dengan Metode F.J.Mock Sungai Padang Thn. 2005………...85 Tabel 5.9 Analisa Debit Andalan dengan Metode F.J.Mock Sungai Padang Thn. 2005………....86 Tabel 5.10 Analisa Debit Andalan dengan Metode F.J.Mock Sungai Padang Thn. 2005………...87 Tabel 5.11 Analisa Debit Andalan dengan Metode F.J.Mock Sungai Padang Thn. 2005……….88 Tabel 5.12 Analisa Debit Andalan dengan Metode F.J.Mock Sungai Padang Thn. 2005………....89 Tabel 5.13 Analisa Debit Andalan dengan Metode F.J.Mock Sungai Padang Thn. 2005………....90 Tabel 5. 14 Debit S. Padang di kecamatan sipispis (2005 –

2014)………..………91 Tabel 5.15 Probabilitas Kejadian Debit di S. Padang sipispis 2005 –

2014……….……...92 Tabel 5.16 Hasil Perhitungan Debit Andalan “Metode

Tabel 5.1 Pengukuran Perhitungan kecepatan dan Debit Air

Sungai……….……....95 Tabel 5.18 Trial and Error

DAFTAR NOTASI

Q = Debit aliran (m³/s) V = Kecepatan aliran (m/s) A = Luas penampang (m²) P = Daya terbangkitkan (Watt)

� = Massa jenis air = 1000 ��/�3 g = percepatan gravitasi = 9,81 �2/�

Heff = tinggi efektif (m)

ηtot =efisiensi total.

N = Koefisien kekasaran L = Panjang penstock (m)

Hgross = Tinggi jatuh air (gross head) (m)

ts = adalah penambahan ketebalan pipa untuk faktor korosi Pi = tekanan hidrostatik, kNi P mm

D = diameter dalam pipa Kf = faktor pengelasan

Sf =desain tegangan pipa yang diizinkan

Pt = maksimum turbin output (kW)

H = head efektif (m)

ηt = efisiensi turbin

Ri = besarnya CH pada stasiun

Ea = Evapotranspirasi aktual (mm)

Eto = Evapotranspirasi potensial (mm)

N = jumlah hari hujan dalam sebulan

ΔS = Keseimbangan air dipermukaan tanah R = Hujan Bulanan

Ea = Evapotranspirasi Aktual WS = water surplus

ABSTRAK

Pada Saat ini, listrik memegang peranan sangat penting bagi cepat atau lambatnya pertumbuhan ekonomi di suatu wilayah. Karena peranan energy listrik saat ini bukan hanya dipergunakan sebagai sumber penerangan tetapi juga untuk industry kecil maupun besar.

Keterbatasan PLN sebagai pensuplai energy listrik saat ini khususnya di wilayah pedesaan, membuat peningkatan taraf ekonomi di wilayah pedesaan menjadi sangat terlambat. Situasi ini membuat taraf hidup masyarakat pedesaan menjadi tidak berkembang.

Untuk itu perlu adanya pembangunan energy listrik terbarukan khususnya diwilayah pedesaan guna meningkatkan taraf hidup masyarakat pedesaan. Energy terbarukan yang dimaksud dalam hal ini adalah PLTM. Dimana kapasitas daya yang mampu dihasilkan melebihi 100 kw.

Dalam Studi potensi ini bertujuan untuk menganalisis berapa besarnya potensi energi listrik yang berada di sungai padang kecamatan sipispis. Dimana sumber air yang akan digunakan untuk mendesain dasar bangunan PLTM serta dipergunakan untuk memutar turbin diambil dari DAS padang.

Dalam melaksanakan studi potensi ini dilakukan pengumpulan data baik primer maupun data sekunder. Data primer meliputi pengukuran debit sesaat dilokasi potensi, sedangkan data sekunder meliputi data curah hujan, data klimatologi, daerah tangkapan air (catchment area) dan data topografi, dll.

Hasil studi potensi yang dilakukan menunjukan bahwa dalam perhitungan debit andalan dengan Metode F.J. Mock menghasilkan debit andalan sebesar 7.43 m3/detik dan daya yang dihasilkan sebesar 1115.1 kw.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pertambahan jumlah penduduk dan meningkatnya industrialisasi di daerah Sumatera Utara akan diikuti dengan peningkatan kebutuhan masyarakat terhadap energi listrik yang sangat besar. Untuk itu, perlu adanya pembangkit pembangkit listrik guna memenuhi energi listrik bagi masyarakat yang saat ini hanya bergantung pada suplai dari PLN. Pembangkit listrik tenaga Mikro Hidro (PLTMH) adalah suatu energi terbarukan yang menghasilkan energi listrik dari tenaga air. Di Propinsi Sumatera Utara sendiri termasuk Kabupaten serdang bedagai memiliki potensi sumber energi terbarukan dalam jumlah besar, di antaranya Mini Hidro. Energi listrik merupakan energi sekunder yang sangat diperlukan oleh masyarakat.

Berdasarkan data Statistik Sumatera Utara dalam Angka Tahun 2013, pelayanan tenaga listrik di Sumatera Utara oleh PT. PLN dibagi menjadi 6 Sektor, dan 8 Cabang. PLN Wilayah Sumatera Utara mempunyai tanggung jawab penuh terhadap pembangkitan, transmisi tegangan tinggi dan distribusi tegangan menengah/rendah dalam sektornya masing-masing.

PLN Pembangkitan Sumatera Bagian Utara (PLN Kit Sumbagut) terdiri dari beberapa sektor, yaitu:

1. Sektor Nagan Raya 2. Sektor Belawan 3. Sektor Pandan 4. Sektor Pakanbaru 5. Sektor Medan

6. Sektor Labuhan Angin

Sedangkan PT PLN Wilayah Sumut terdiri dari 8 cabang, yaitu: 1. Cabang Medan

2. Cabang Binjai

3. Cabang Pematang Siantar 4. Cabang Sibolga

5. Cabang Padangsidempuan 6. Cabang Rantau Prapat 7. Cabang Lubuk Pakam 8. Cabang Nias

Unit terbesar Pembangkitan PLN di Sumatera Bagian Utara berada di Sektor Sicanang Belawan persentasi menurut jenis bahan bakar dan Pembangkit swasta (IPP) seperti tabel 1.1.

Tabel 1.1 Daftar Pembangkitan di Sumatera Bagian Utara Tahun 2012

1 Belawan 260.0 929.8 65.0 - - 1,254.8 PLN + Sewa 2 Glugur - 31.5 - - - 31.5 PLN + Sewa 3 Paya Pasir - 119.3 22.0 - - 141.3 PLN + Sewa 4 Tii Kuning - - 20.5 - - 20.5 PLN 5 PLTMH Tersebar - - - 7.5 - 7.5 PLN 6 Sipansihaporas - - - 50.0 - 50.0 PLN 7 Renun - - - 82.0 - 82.0 PLN 8 PLTP Sibayak - - - 11.3 11.3 IPP 9 Labuhan Angin 230.0 - - - - 230.0 PLN 10 PLTM Parlilitan - - - 8.8 - 8.8 IPP 11 PLTM Aek Silau - - - 7.5 - 7.5 IPP 12 PLTM Huta Raja - - - 5.0 - 5.0 IPP 13 PLTA Asahan 1 - - - 180.0 - 180.0 IPP

490.0

1,080.6 107.5 340.8 11.3 2,030.2

24.1

53.2 5.3 16.8 0.6

Pembangkit Milik Batu

Bara Gas HSD Hydro

Panas Bumi Total Total Persentase No Lokasi Pembangkit

Kapasitas Terpasang (MW) / Jenis Bahan Bakar

Dari persentasi data dari tabel diatas, menunjukkan bahwa energi terbarukan dari sumber air hanya berkisar 16,8%, ini berarti masih banyak sumber energi terbarukan dari pemanfaatan air sebagai pembangkit listrik belum direalisasikan, untuk itu pembangunan pemanfaatan air sebagai energi listrik harus segera dilakukan agar aliran listrik tidak dibebankan hanya kepada badan usaha milik negara dalam hal ini PT.PLN.

Di kabupaten Serdang Bedagai, terdapat banyak beberapa sungai yang sangat besar termasuk diantaranya sungai padang yang sangat berpotensi untuk pengembangan pembangkit listrik tenaga mini hidro karena memiliki debit air yang lumayan besar serta tinggi jatuh air yang juga cukup tinggi.

Sejalan dengan kebijaksanaan pemerintah dalam rangka mewujudkan pemanfaatan energi alternatif untuk penghematan energi konvensional secara kooperatif dan meningkatkan taraf hidup masyarakat khususnya di daerah pedesaaan serta mengingat keterbatasan kemampuan PLN sebagai BUMN untuk menambah produksi energi listrik beserta jaringannya di wilayah Sumatera Utara, maka penggunaan PLTM di tempat-tempat terpencil khususnya di daerah pedesaan yang terisolasi merupakan pilihan yang tepat.

Salah satu sarana pokok untuk menumbuhkan ekonomi dan kesejahteraan masyarakat khususnya di wilayah pedesaan adalah tenaga listrik, karena tenaga listrik dapat memberikan manfaat yang sangat besar bagi masyarakat, baik untuk menunjang produksi dan kehidupan sehari-hari maupun menunjang pengembangan energi dan sektor industri kecil, industri menengah, maupun industri besar atau industri rumah tangga.

Pembangunan PLTM dan kegiatan survei energi air beranjak dari konsep:

a. Memanfaatkan energi air yang tersedia di daerah setempat agar diperoleh sumber energi yang murah serta ramah lingkungan dan dapat dilakukan penghematan sumber energi lain seperti minyak dan kayu bakar.

b. Pembangunan listrik yang dihasilkan diarahkan untuk pemakaian yang bersifat produktif agar dapat mendorong aktivitas serta menambah pendapatan ekonomi masyarakat di pedesaan.

c. Penggunaan dan pengelolaan PLTM oleh masyarakat agar maysarakat juga bisa memanfaatkan potensi alam yang ada serta dapat menjaga kelestarian.

Energi air skala kecil (mikro hidro) maupun skala besar (mini hidro) merupakan pilihan energi baru dan terbarukan yang memiliki harapan yang paling baik untuk pembangkitan listrik di daerah pedesaan terutama bagi darah-daerah terpencil dan tertinggal. Seperti dikatakan di atas, mikro hidro hanyalah sebuah istilah. Mikro artinya kecil sedangkan hidro artinya air. Dalam prakteknya, istilah ini tidak merupakan sesuatu yang baku namun bisa dibayangkan bahwa mikro hidro pasti mengunakan air sebagai sumber energinya. Yang membedakan antara istilah mikro hidro dengan mini hidro adalah output daya yang dihasilkan. Mikro hidro menghasilkan daya lebih rendah dari 100 KW, sedangkan untuk mini hidro daya keluarannya berkisar antara 100 KW sampai 2 MW (Khairul Amri, 2008).

Suatu daerah dianggap mempunyai potensi mini hidro jika sekurang-kurangnya memenuhi tiga kriteria yaitu:

a. Mempunyai debit air yang cukup besar.

c. Mempunyai penduduk dan potensi daerah yang dapat dikembangkan untuk sektor ekonomi, sosial, budaya, maupun pariwisata.

1.2 Perumusan Masalah

Berdasarkan keadaan topografi dan ketersediaan air sungai padang yang telah dibahas di latar belakang diatas, maka dapat dirumuskan bahwa masalah dari penelitian ini adalah :

1. Berapa debit air dan tinggi jatuh air sehingga diperoleh besarnya daya listrik yang dapat memenuhi kebutuhan listrik di kecamatan sipispis?

2. Apakah debit sungai padang untuk pembangkit listrik tenaga mini hidro di kecamatan sipispis kabupaten serdang bedagai provinsi sumatera utara dapat digunakan?

1.3 Maksud dan Tujuan

Maksud dari tugas akhir ini adalah ingin mengetahui seberapa besar potensi debit sungai padang untuk PLTM di Kecamatan Sipispis, Kabupaten serdang bedagai Provinsi Sumatera Utara.

Untuk mencapai maksud tersebut di atas, tujuan penelitian ini adalah :

1. Mengetahui besarnya debit air dan tinggi jatuh (head) di sungai padang kecamatan sipispis kabupaten serdang bedagai.

2. Mengetahui jenis turbin air yang sesuai dengan debit air serta head di sungai padang.

3. Melakukan perhitungan dasar desain saluran pembawa (waterway). 4. Melakukan perhitungan dasar kebutuhan penstock.

1.4 Pembatasan Masalah

Dalam penulisan tugas akhir ini, penulis ingin mengetahui seberapa besar potensi sungai padang untuk pembangkit listrik tenaga mini hidro serta ketersediaan dan keberlangsungan sumberdaya air yang digunakan secara terus-menerus sebagai elemen utama penyelenggaraan PLTM. Penulis membatasi permasalahannya antara lain :

a. Studi dilakukan pada sungai padang dikecamatan sipispis. b. Tidak meninjau kelayakan secara geologi.

c. Tidak menganalisis volume pekerjaan (bill of quantity). d. Tidak mengkaji nilai investasi untuk kelayakan pembangunan.

e. Desain dasar pekerjaan sipil PLTM meliputi desain dasar saluran pembawa dan saluran penstock.

1.5 Ruang Lingkup Kegiatan

Adapun ruang lingkup kegiatan yang akan dilakukan dalam survei lokasi tenaga air ini antara lain:

a. Melakukan studi literatur dari berbagai referensi serta buku-buku yang berkaitan dengan sumber energi air termasuk gambaran umum daerah studi. b. Melakukan koordinasi dengan instansi terkait pengumpulan data seperti BWS

dan juga BMKG setempat.

c. Melakukan pengamatan di lapangan untuk memperoleh gambaran tentang kondisi fisik sungai padang yang menjadi alternatif program pengembangan ketenagalistrikan, seperti pengumpulan data topografi dan data hidrologi.

d. Melakukan pengukuran beberapa parameter yang dibutuhkan untuk mengetahui besar potensi pembangkit listrik yang tersedia di masing-masing lokasi studi, yang meliputi:

• Pengukuran debit air di sungai padang.

• Pengukuran ketinggian jatuh air yang mungkin bisa dimanfaatkan untuk pembangunan PLTM maupun energi lainnya.

e. Melaksanakan analisis pembahasan terhadap data dan informasi yang telah diperoleh dengan didukung berbagai diskusi untuk menghasilkan laporan studi yang diinginkan.

1.6 Manfaat penelitian

Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Bagi penulis : sebagai studi mahasiswa tentang mata kuliah yang berkaitan dengan pembangkit listrik tenaga mini hidro yang dipelajari di departemen teknik sipil universitas sumatera utara dengan aplikasi di lapangan.

2. Bagi akademik : sebagai mutu pembelajaran dan referensi bagi pihak-pihak yang membutuhkan.

3. Bagi masyarakat : sebagai masukan yang dapat digunakan untuk dapat mendesain pembangkit listrik tenaga mini hidro.

1.7 Metodologi penelitian

Studi dalam tugas akhir ini tentang penelaahan teori-teori dan konsep-konsep yang mempunyai relevansi dengan PLTM. Ini dilakukan dengan mempelajari buku-buku, diktat-diktat, jurnal-jurnal ilmiah dan literatur lainnya, serta dari dosen pembimbing yang sangat saya harapkan bimbingannya untuk menyelesaikan tugas akhir ini.

1.8 Sistematika Penulisan

Untuk memperjelas tahapan yang dilakukan dalam tugas akhir ini, penulisan tugas akhir ini dikelompokkan ke dalam 5 (lima) bab dengan sistematika penulisan sebagai berikut:

Bab I Pendahuluan

Menguraikan tinjauan umum, latar belakang penyusunan laporan, perumusan masalah, maksud dan tujuan, pembatasan masalah, metodologi penelitian, ruang lingkup kegiatan, manfaat penelitian 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 membangun PLTMH.

Bab III Gambaran Umum Lokasi Studi

Bab ini menjelaskan gambaran lokasi studi di mana survei tenaga air dilakukan yaitu di Kecamatan Sipispis. Gambaran lokasi meliputi letak geografis, topografi, keadaan alam, dan kondisi hidroklimatologi.

Bab IV Metodologi Penelitian

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

Bab V 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 VI 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.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro PLTM

Pembangkit Listrik Tenaga Mikro-hidro (PLTMH), maupun Mini-hidro, adalah suatu pembangkit listrik skala kecil dan skala besar yang menggunakan tenaga air sebagai penggeraknya, misalnya saluran irigasi, sungai atau air terjun alam, dengan cara memanfaatkan tinggi terjunnya (head, dalam meter) dan jumlah debit airnya (m3/detik). Gambar 2.1. menunjukkan contoh keseluruhan sistem kerja PLTMH.

Gambar 2.1 Bagan Sebuah PLTMH (sumber : sabri sangjaya, 2013)

Komponen utama pada PLTM dari gambar 2.1 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.

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)

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).

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 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. Pembangkit listrik tenaga air ukuran 100 KW digolongkan sebagai mikro hidro dan apabila lebih dari 100 KW disebut mini hidro (Khairul Amri, 2008). Dalam perencanaan pembangunan sebuah. PLTMH, diperlukan pengetahuan tentang:

 Hidrologi  Kelistrikan  Bangunan sipil  Permesinan

 Ekonomi untuk studi kelayakan.

2.1.1 Kelebihan Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro (PLTM)

Pembangunan PLTMH mempunyai beberapa keuntungan yang tidak dapat dipisahkan, seperti berikut ini:

1. Lokasi sumber daya air untuk PLTM dan PLTMH pada umunya berada di wilayah pedesaan dan desa terpencil yang belum terjangkau jaringan listrik. 2. Tenaga utama pengerak turbin adalah air, yang merupakan sumber energi

yang abadi tidak seperti bahan bakar untuk PLTU atau PLTN yang menggunakan bahan bakar fosil atau nuklir.

3. Biaya pengoperasian dan pemeliharan PLTMH sangat rendah jika dibandingkan dengan PLTU atau PLTN.

4. Melayani kebutuhan aktual daya listrik di wilayah pedesaan terpencil yang urnumnya rendah dengan daya beli masyarakat yang juga rendah,

5. PLTMH merupakan energy terbaurkan yang ramah lingkungan dan cukup sederhana untuk dimengerti dan cukup mudah untuk dioperasikan.

6. Pengembangan PLTM dengan memanfaatkan arus sungai dapat menimbulkan efek positif bagi masyarakat di pedesaan untuk menjaga dan juga melestarikan sungai di sekitar mereka.

7. Biaya investasi yang sanngat ekonomis.

8. Merupakan energy terbarukan yang berbahan bakar air.

2.1.2 Kekurangan Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro (PLTM) Adapun kelemahan dari pembangunan PLTMH di antaranya:

1. Kapasitas listrik yang dihasilkan sangat bergantung pada debit air dan ketinggian air,sehingga saat tidak musim penghujan debit air akan menurun dan otomatis daya hasil listrik juga akan menurun.

2. Tidak mampu menghasilkan tenaga yang besar boleh dikatakan daya yang dihasilkan sangat terbatas.

jauh ,maka akan banyak kehilangan daya. 2.2 Tenaga Listrik dan Air

Menurut (patty 1995) Sebuah skema hidro memerukan 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 pffms. Daya yang bermanfaat dikirim adalah daya bersih Pnet. Semua efisiensi dari skema gambar di atas disebut E0.

Pnet = Pgross x E0 2. 1

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. 2

di mana head dalam meter, dan debit air dalam m3/s, dan total E0 sebagai berikut: E0 = Ekonstruksi sipil x Epenstock x Eturbin x Egenerator x Esistem control x Ejaringan x Etrafo 2. 3 Biasaya:

Ekonstruksi sipi = 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

Ekonstruksi sipil dan Epenstock 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. 4 Persamaan sederhana ini harus diingat. Ini adalah inti dari semua perencanaan pekerjaan pembangkit listrik. Ini penting untuk menggunakan unit-unit yang benar.

Gambar 2. 2 Efisiensi sistem yang spesifik untuk sebuah skema yang berjalan pada perencanaan aliran listrik. (sumber : asy’ari, 2008)

2.3 Perencanaan Pembangunan PLTMH

Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) maupun Mini Hidro pada dasamya memanfaatkan energi potensial air. Semakin tinggi jatuh air (head) maka

semakin besar energi potensial air yang dapat diubah menjadi energi listrik. Di samping faktor geografis yang memungkinkan, tinggi jatuh air (head) dapat pula diperoleh dengan membendung aliran air sehingga permukaan air menjadi tinggi.

Secara umum lay out sistem PLTMH merupakan pembangkit jenis run off river, memanfaatkan aliran air permukaan (sungai). Komponen sistem PLTMH tersebut terdiri dari bangunan intake (penyadap) – bendungan, saluran pembawa, bak pengendap dan penenang, saluran pelimpah, pipa pesat, rumah pembangkit, dan saluran pembuangan. Basic lay-out pada perencanaan pembangunan PLTMH dimulai dari:

2.3.1 Dam/Bendung Pengalih Intake ( diversion weir and intake )

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 penjebak/saringan sampah. PLTMH umumnya merupakan pembangklit tipe run off river sehingga bangunan bendung dan intake dibangun berdekatan. Dengan pertimbangan dasar stabilitas sungai dan aman terhadap banjir, dapat dipilih lokasi untuk bendung (Weir) dan intake.

Tujuan dari intake adalah untuk memisahkan air dari sungai atau kolam untuk dialirkan ke dalam saluran, penstock atau bak penampungan. Tantangan utama dari bangunan intake adalah ketersediaan debit air yang penuh dari kondisi debit rendah sampai banjir. Juga sering kali adanya lumpur, pasir dan kerikil atau puing-puing dedaunan pohon sekitar sungai yang terbawa aliran sungai.

Beberapa hal yang menjadi pertimbangan dalam memilih lokasi Bendung (Weir) dan Intake, antara lain : (Ramli Kadir, 2010)

a. Jalur daerah aliran sungai.

Lokasi bendung (Weir) dan intake dipilih pada daerah aliran sungai dimana terjamin ketersediaan airnya, alirannya stabil, terhindar banjir dan pengikisan air sungai.

b. Stabilitas lereng yang curam.

Oleh karena pemilihan lokasi PLTMH sangat mempertimbangkan head, sudah tentu pada lokasi lereng atau bukit yang curam. Dalam mempertimbangkan lokasi bangunan Bendung (Weir) dan Intake hendaknya mempertimbangkan stabilitas sedimen atau struktur tanahnya yang stabil. c. Memanfaatkan fasilitas saluran irigasi yang ada di pedesaan.

Pemanfaatan ini dapat dipertimbangkan untuk efisiensi biaya konstruksi, karena sudah banyak sungai di pedesaan telah dibangun konstruksi sipil untuk saluran irigasi.

d. Memanfaatkan topografi alami seperti kolam dan lain-lain.

Penggunaan kealamian kolam untuk intake air dapat memberikan keefektifan yang cukup tinggi untuk mengurangi biaya, disamping itu juga membantu menjaga kelestarian alam, tata ruang sungai dan ekosistem sungai yang perlu diperhatikan adalah keberlanjutan kolam dan pergerakan sedimen.

e. Level volume yang diambil (Tinggi Dam) dan level banjir.

Karena pembangunan bendung/dam inatek pada bagian yang sempit dekat sungai, maka level banjir pada daerah itu lebih tinggi sehingga diperlukan daerah bagian melintang dam yang diperbesar untuk kestabilan.

f. Perletakan Intake selalu pada posisi terluar dari lengkungan sungai.

Pertimbangan ini dilakukan untuk memperkecil sedimen didalam saluran pembawa. Dan sering kali dibuat pintu air intake untuk melakukan pembilasan sedimen yang terendap dari intake.

Contoh intake dapat dilihat pada gambar 2.3.

Gambar 2. 3 Contoh bendung, intake (sumber : sakidiansyah, 2012) 2.3.2 Penentuan bentuk aliran sungai

Salah satu permasalahan yang sering terjadi pada instalasi PLTMH adalah kerusakan pada bangunan intake yang disebabkan oleh banjir. Hal tersebut sering terjadi pada intake yang ditempatkan pada sisi luar sungai. Pada bagian sisi luar sungai mudah erosi serta rawan terhadap banjir. Batu-batuan, batang pohon, serta berbagai material yang terbawa banjir akan mengarah pada bagian tersebut. Sementara itu bagian sisi dalam sungai merupakan tempat terjadinya pengendapan lumpur dan sedimentasi, sehingga tidak cocok untuk lokasi intake. Lokasi intake yang baik terletak sepanjang bagian sungai yang relatif lurus, di mana aliran akan terdorong memasuki intake secara alami dengan membawa beban yang kecil.

Pada dasamya setiap pembangunan mikro hidro berusaha untuk mendapatkan head yang maksimum. Konsekuensinya lokasi rumah pembangkit (power house) berada pada tempat yang serendah mungkin. Karena alasan keamanan dan konstruksi, lantai rumah pembangkit harus seialu lebih tinggi dibandingkan permukaan air sungai. Data dan informasi ketinggian permukaan sungai pada waktu banjir sangat diperlukan dalam menentukan lokasi rumah pembangkit.

Selain lokasi rumah pembangkit berada pada ketinggian yang aman, saluran pembuangan air (tail race) harus terlindung oleh kondisi alam, seperti batu-batuan besar. Disarankan ujung saluran tail race tidak terletak pada bagian sisi luar sungai karena akan mendapat beban yang besar pada saat banjir, serta memungkinkan masuknya aliran air menuju ke rumah pembangkit.

2.4 Perencanaan Sipil Perencanaan sipil terdiri dari:

2.4.1 Pengerjaan saluran penghantar (head race)

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.

Saluran penghantar berfungsi untuk mengalirkan air dari intake sampai ke bak penenang. Perencanaan saluran penghantar berdasarkan pada kriteria:

• 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.

Gambar 2. 4 Contoh saluran pembawa (headrace)

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 1.1 dapat dijadikan referensi untuk menentukan tipe saluran pembawa untuk PLTA skala kecil.

37

2.4.1.1 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.

Qd= A × R 2/3 × SL 1/2 /n 2.5 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 :

38

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 sebesat 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

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=

�.�

39

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√1 +�2 −₂�� _2.7 H=� �

�+� 2.8 B = H x X 2.9 T = B + (2 x H x N) 2.10

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

2� 2.11 T = B = 2.H 2.12 e. Hitung jari-jari hidrolik (R) dan kemiringan dasar saluran (S) dengan menggunakan Persamaan manning.

R=�

� 2.13 S=� ���

�0,667�

2

2.14

2.4.2 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,

40

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 Contoh pipa pesat (penstock) (sumber : asy’ari, 2008)

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 hard vinyl chloride, 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

41

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).

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

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

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

2.15 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

2.16 2.4.2.1 Diameter Pipa pesat

Pada umumnya diameter pipa pesat ditentukan berdasarkan pembandingan dengan biaya pipa pesat dan biaya kehilangan head pipa pesat. Karena pipa pesat

42

mengeluarkan biaya yang besar pada pemasangannya, sehhingga 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.

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 2.17 V Q d2 = . 4 1 π 2.18 Ketebalan pipa: 40 80 + = D t 2.19 di mana, t = ketebalan minimum pipa,D = diameter pipa

2.4.2.2 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

43

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). Hkehilangan pada dinding ₅

2 . 08 , 0 . . d Q L fL _pipa = 2. 20 Tabel 2. 3 koefisien kekasaran pipa dalam mm

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

44

Gambar 2. 6 Grafik faktor gesekan pada pipa. (Sumber : micro hydro desidn 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

45

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 % Kehilangan =

gross loss

H H

x 100%

Efisiensi penstock =

gross loss gross

H H

H )

46

2.5 Perencanaan Elektromekanikal

Perencanaan elektromekanikal terdiri dari:

2.5.1 Pemilihan turbin

Menurut (Patty 1995) Turbin 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. Berdasarkan prinsip kerjanya, turbin air dibagi menjadi dua kelompok:

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

Turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya dengan merubah 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. Contoh turbin impuls adalah turbin Pelton dan turbin Cross Flow. (Luknanto, Joko, 2007). Adapun jenis–jenis turbin impuls adalah sebagai berikut :

• Turbin Pelton

Turbin Pelton merupakan salah satu jenis turbin impuls. Lester Pelton (1829-19080 sebagai penemu turbin Pelton adalah seorang ahli teknik pertambangan Amerika yang hidup pada masa eksploitasi emas di California. Efisiensi yang diperoleh oleh turbin Pelton akan lebih tinggi jika turbin dioperasikan pada head yang lebih tinggi yang akan diubah menjadi suatu kecepatan relative yang tinggi pada sisi keluar nosel. (Munson, Bruce. 2005.). Energi potensial aliran air dari penampungan saat melalui pipa penstock diubah menjadi energi kinetic dalam pancaran air dengan sudu penggerak impuls, baik tunggal maupun ganda. Pancaran

47

air mengenai sudut gerak dengan arah tangensial sehingga membentuk jejak melingkar sepanjang diameter sudu dan tekanan atmosfer. Turbin pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nosel. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. 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 300 m. Seperti turbin pelton turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nozzle membentur sudu pada sudut 20o. Kecepatan putar turbin turgo lebih besar dari turbin Pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total.

2. Turbin reaksi (Francis, Kaplan, dan propeller)

Turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir dalam bentuk putaran. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan

48

tekanan air selama melalui sudu. Turbin ini terdiri dari sudu pengarah dan sudu jalan dan kedua sudu tersebut semuanya terendam di dalam air. Air dialirkan ke dalam sebuah terusan atau dilewatkan ke dalam sebuah cincin yang berbentuk spiral (rumah keong). Perubahan energi seluruhnya terjadi di dalam sudu gerak. Contoh turbin reaksi adalah turbin Francis dan turbin Propeler (Kaplan). (Luknanto, Joko, 2007). Dilihat dari konstruksinya, turbin reaksi ada dua jenis:

 Turbin Francis.

Turbin francis (gambar 2.8) merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin Francis merupakan slah satu turbin reaksi. Turbin ini dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian keluar. Turbin Francis mempunyai sudu pengarah air masuk secara tangensial. Sudu pengarah ini dapat berupa sudut pengarah yang tetap maupun yang dapat diatur sudutnya. (Sihombing, Edis. 2009).

Gambar 2.8 Francis turbin

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

 Turbin Kaplan.

Tidak berbeda dengan turbin francis, turbin kaplan (lihat gambar 2.9 ) cara kerjanya menggunakan prinsip reaksi. Turbin ini mempunyai roda jalan yang mirip dengan baling-baling pesawat terbang. Bila baling-baling pesawat terbang berfungsi

49

untuk menghasilkan gaya dorong, roda jalan pada kaplan berfungsi untuk mendapatkan gaya F yaitu gaya putar yang dapat menghasilkan torsi pada poros turbin. Berbeda dengan roda jalan pada francis, sudu-sudu pada roda jalan kaplan dapat diputar posisinya untuk menyesuaikan kondisi beban turbin. Turbin kaplan banyak dipakai pada instalasi pembangkit listrk tenaga air sungai, karena turbin ini mempunyai kelebihan dapat menyesuaikan head yang berubah -ubah sepanjang tahun. Turbin Kaplan dapat beroperasi pada kecepatan tinggi sehingga ukuran roda turbin lebih kecil dan dapat dikopel langsung dengan generator. Pada kondisi pada beban tidak penuh turbin kaplan mempunyai efisiensi paling tinggi, hal ini dikarenakan sudut-sudut turbin.

Gambar 2.9 Kaplan turbin

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

50

Gambar 2.10 Diagram klasifikasi turbin air.

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

Gambar 2.11 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. Hal ini karena sudu–sudu turbin kaplan dapat diatur secara manual atau otomatis untuk merspon perubahan kapasitas.

Berkebalikan dengan turbin kaplan, 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.

51

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.

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

2.5.2 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 2.5.3 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

52

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. 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).

53

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 (Ramli kadir 2010).

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 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

54

udara yang baik akan menjaga temperatur kerja sekitar rumah pembangkit tidak berlebih, sehingga temperatur kerja mesin dapat dijaga dengan baik.

2.6 Perhitungan Debit Andalan

Debit andalan adalah debit yang selalu tersedia sepanjang tahun. Dalam penelitian ini debit andalan merupakan debit yang memiliki probabilitas 70%. Debit dengan probabilitas 70% adalah debit yang memiliki kemungkinan terjadi di bendung sebesar 70% dari 100% kejadian. Jumlah kejadian yang dimaksud adalah jumlah data yang digunakan untuk menganalisis probabilitas tersebut. Jumlah data minimum yang diperlukan untuk analisis adalah lima tahun dan pada umumnya untuk memperoleh nilai yang baik data yang digunakan hendaknya berjumlah 10 tahun data.

Guna mendapatkam kapasitas PLTM, tidak terlepas dari perhitungan berapa banyak air yang dapat diandalakan untuk membangkitkan PLTM. Debit andalan adalah debit minimum (terkecil) yang masih dimungkinkan untuk keamanan operasional suatu bangunan air, dalam hal ini adalah PLTM.

Debit minimum sungai dianalisis atas dasar debit hujan sungai. Dalam studi potensi Listrik Tenaga Mini hidro ini, dikarenakan minimalnya data maka metode perhitungan debit andalan menggunakan metode simulasi perimbangan air dari Dr. F.J.Mock (KP.01, 1986). Dengan data masukan dari curah hujan di Daerah Aliran Sungai, evapotranspirasi, vegetasi dan karakteristik geologi daerah aliran.

Metode ini menganggap bahwa air hujan yang jatuh pada daerah aliran (DAS) sebagian akan menjadi limpasan langsung dan sebagian akan masuk tanah sebagai air infiltrasi, kemudian jika kapasitas menampung lengas tanah sudah terlampaui, maka air akan mengalir ke bawah akibat gaya gravitasi.

55

2.6.1 Debit Andalan Metode Meteorological Water Balance Dr. F.J. Mock Metode ini ditemukan oleh Dr. F.J. Mock pada tahun 1973 di mana metode ini didasarkan atas fenomena alam di beberapa tempat di Indonesia. 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, sebagian akan langsung menjadi aliran permukaan (direct run off) dan sebagian lagi akan masuk ke dalam tanah (infiltrasi), di mana infiltrasi pertama-tama akan menjenuhkan top soil, kemudian menjadi perkolasi membentuk air bawah tanah (ground water) yang nantinya akan keluar ke sungai sebagai aliran dasar (base flow). Adapun ketentuan dari metode ini adalah sebagai berikut :

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, tempratur udara dan penyinaran matahari untuk menentukan evapotranspirasi potensial (Eto) yang dihitung berdasarkan metode Penman Modifikasi.

2. Evapotranspirasi Aktual (Ea)

Penentuan harga evapotranspirasi aktual ditentuakan berdasarkan persamaan:

E = Eto x d/20 x m 2. 21

E = Eto x (m / 20) x (18-n) 2. 22

Ea = Eto – E 2. 23

di mana: Ea = Evapotranspirasi aktual (mm), Eto = Evapotranspirasi potensial (mm), D= 27 – (3/2) x n, N = jumlah hari hujan dalam sebulan, m =

56

Perbandingan permukaan tanah tanah yang tidak tertutup dengan tumbuh-tumbuhan penahan hujan koefisien yang tergantung jenis areal dan musiman dalam % , m = 0 untuk lahan dengan hutan lebat, M =Untuk lahan dengan hutan sekunder pada akhir musim dan bertambah 10 % setiap bulan berikutnya. m = 10 – 40% untuk lahan yang erosi, m = 20 – 50% untuk lahan pertanian yang diolah (sawah).

3. Keseimbangan air di permukaan tanah (ΔS)

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

ΔS = R – Ea 2. 24

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).

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

57

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. 25

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 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. 26

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:

58

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. 28

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

BF = I - (Δ Vn ) 2. 29

Dro = WS – I 2. 30

Ron = BF +Dro 2. 31

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:

59

di mana Qn = Banyaknya air yg tersedia dari sumbernya, periode n (m3/dtk), A = Luas daerah tangkapan (catchment area) km2.

2.6.2 Flow Duration Curve (FDC)

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 sendiri. Dapat dilihat pada gambar 2.12.

Gambar 2. 12 Contoh Hidrograf dari data sepanjang 16 tahun (sumber : sakidiansyah, 2012)

Gambar 2.13 menunjukkan debit air sungai harian yang diukur dalam periode enam belas tahun. Data di atas merupakan data yang ideal. Namun, faktanya lapangan menunjukkan bahwa data yang ideal jarang ada.

60

Gambar 2.13 Contoh Flow Duration Curve (Kurva Durasi Debit Air) (sumber : sakidiansyah, 2012)

Flow Duration Curve (FDC) disusun dengan mengelompokkan data debit berdasarkan besar debitnya lalu memplotkannya pada grafik terhadap 100% waktu pengukuran. Sebagai contoh, berdasarkan kurva di atas bahwa selama 23% waktu dalam satu tahun, debit air adalah lebih dari 10 m3 Kurva ini sangat penting sebagai data bagi perancangan PLTMH. Jika tidak didasarkan pada data yang mantap maka hasil rancangannya pun akan sangat spekulatif.

Jika tidak ada data yang tersedia, maka diharuskan mengukur dan merekam debit air setiap hari minimal selama satu tahun untuk mendapatkan seperti pada gambar 2.14 berikut:

Gambar 2. 14 Contoh low duration curve dalam satu tahun. (sumber : sakidiansyah, 2012)

Flow Duration Curve (FDC) dihasilkan dari kurva debit aliran sungai dengan mengelompokkan keseluruhan 365 data yang ada. Berdasarkan Flow Duration Curve, perancang memperkirakan kapasitas PLTMH yang mungkin. Proses pendimensian PLTMH tergantung dari debit air dan perkiraan kebutuhan energi listrik dari konsumen. Idealnya energi listrik PLTMH dapat memenuhi permintaan listrik sepanjang tahun. Jika permintaan lebih tinggi dari kapasitas yang tersedia, maka alternatif sumber energi lainnya harus dicari atau usaha-usaha eisiensi energi perlu dipertimbangkan.

61

Jika tidak memungkinkan untuk mendapatkan data dalam jangka waktu tertentu, maka dianjurkan untuk menggunakan jasa keahlian ahli hidrologi yang berpengalaman untuk melakukan analisis tersebut.

2.7 Daya Energi Listrik

Pada prinsipnya pembangkit tenaga air adalah suatu bentuk perubahan tenaga air dengan ketinggian dan debit tertentu menjadi tenaga listrik dengan menggunakan turbin air dan generator. Daya (power) teoritis yang dihasilkan dapat dihitung berdasarkan persamaan empiris berikut (Arismunandar dan Kuwahara, 1991):

P = 9,8 x Q x Heff (kW) 2. 33

di mana: P = Tenaga yang dihasilkan secara teoritis (kW), Q = Debit pembangkit (m³/det) Heff= Tinggi jatuh efektif (m), 9,8 = Percepatan gravitasi (m/s2). Seperti telah dijelaskan bahwa daya yang keluar merupakan hasil perkalian dari tinggi jatuh dan debit, sehingga berhasilnya suatu usaha pembangkitan tergantung dari usaha untuk mendapatkan tinggi jatuh air dan debit yang besar secara efektif dan ekonomis. Selain itu pembangkitan tenaga air juga tergantung pada kondisi geografis, keadaan curah hujan dan area pengaliran (catchment area) (Arismunandar dan Kuwahara, 1991).

Penentuan tinggi jatuh efektif dapat diperoleh dengan mengurangi tinggi jatuh total (dari permukaan air sampai permukaan air saluran bawah) dengan kehilangan tinggi pada saluran air. Tinggi jatuh penuh adalah tinggi air yang kerja efektif saat turbin air berjalan (Arismunandar dan Kuwahara, 1991).

Adapun debit yang digunakan dalam pembangkit adalah debit andalan yang terletak tepat setinggi mercu yaitu debit minimum. Karena pembangkit ini

62

direncanakan beroperasi selama 24 jam sehari semalam (Arismunandar dan Kuwahara, 1991).

Daya yang masuk atau total daya yang diserap oleh suatu mikro hidro merupakan daya kotor (bruto), Pgross. Daya yang biasanya disampaikan adalah daya bersih (Pnet). Keseluruhan efesiensi yang mempengaruhi daya ini dimasukkan dalam e0.

Pgross didapat dari head gross (hgross) dikalikan dengan debit aliran (Q) dan dikalikan dengan percepatan gravitasi; yang diambil 9,81. Sehingga, didapat persamaan dasar kekuatan air pada mikro hidro yaitu:

Gambar 2. 15 Efiesiensi pada skema PLTMH (sumber : asy’ari, 2008)

Energi yang dilepaskan didapat dari berat air yang jatuh dikalikan dengan tinggi jatuh vertikalnya. Berat jatuh didapat dari massa (m) dikalikan dengan percepatan gravitasi. Sementara tinggi jatuh vertikal merupakan harga hgross.

Energi yang dilepas = m x g x hgross Joule 2. 34 Karena berat air merupakan perkalian antara berat jenis (p) dengan volume air (V), sehingga didapat:

Energi yang dilepas =V x p x g x hgross Joule 2. 35 Saat air masuk ke turbin dengan debit tertentu, energi yang dilepas dapat dinyatakan dalam kondisi daya (power), di mana power merupakan energi yang dilepas

63

persatuan waktu.

Pgross = ρ x Q x g x hgross Joule/detik atau Watt 2. 36

Dengan memasuki harga massa jenis air (ρair) = 1.000 kg/m3, dan percepatan gravitasi (g) = 9,8 m/detik2. Daya yang dihasilkan pada turbin akan banyak berkurang dari daya kotornya (Pgross), karena kehilangan akibat gesekan pada pipa pesat (penstock) dan pada turbin. Daya yang keluar pada generator berkurang lagi akibat kurang efisiennya sistem kerja dan generator. Selanjutnya, pada transmisi power hilang, dengan daya akhir yang mampu dihasilkan dan didistribusikan kepada penggunaan listrik mikro hidro ini hanya mencapai setengah dari kapasitas daya kotornya (Pgross). Nilai efisiensi keseluruhan (e0) cenderung berkisar antara 0,4 hingga 0,6.

2.8 Analisis Debit Sesaat

Setiap pekerjaan yang berhubungan dengan sumber daya air, analisis hidrologi mutlak diperlukan untuk memperoleh gambaran kondisi hidrologi suatu daerah serta mendukung pembuatan keputusan. Salah satu parameter hidrologi yang penting dalam suatu pekerjaan terkait sumber daya air adalah debit air.

Dalam perhitungan debit, keterbatasan ketersediaan data seringkali membuat kita mencari alternatif untuk mengetahui besar debit air di sungai. Salah satunya adalah dengan analisis data hujan. Analisis dengan data hujan pun sering harus didukung oleh pengamatan debit langsung di lapangan. Untuk itu, perlu dilakukan survei hidrometri.

64

2.8.1 Peralatan Yang Digunakan.

1. Current Meter

2. Total Station

3. Prisma 4. Rambu ukur 5. Kamera digital 6. GPS Handheld 7. GPS Geodetic

8. Stopwatch

50 2.8.2 Mengukur Kecepatan Air Sungai

2.8.2.1 Menentukan Lokasi Pengukuran Debit Sungai

Untuk memperkirakan besaran debit yang lebih akurat, sebaiknya pengukuran debit sungai harus dilakukan berkali-kali dan dilakukan pada lokasi yang strategis. Pada penelitian ini, pengukuran debit sesaat dilakukan sekali pada 2 penampang sungai yang berbeda bertepatan pada saat debit normal. Pada masing-masing penampang dilakukan pengukuran di beberapa titik, untuk kemudian dilakukan perhitungan debit sesaat pada penampang tersebut.

Lokasi pengukuran kecepatan air harus bebas dari olakan air, arus yang tidak teratur (tidak simetris), erosi pada sisi sungai, interupsi dari inlet atau outlet anak sungai, atau adanya pengendapan di dasarnya.gambar 2.16 memberikan rambu-rambu lokasi pengukuran debit sungai.

Gambar 2. 16 Rambu-rambu Lokasi Pengukuran Debit Sungai. (sumber : sakidiansyah, 2012)

51

Setelah didapat lokasi pengukuran yang ideal, maka pengukuran debit sungai dapat dilakukan dengan beberapa metode yang sesuai dengan kondisi yang memungkinkan di lapangan.

2.8.2.2 Mengukur Kecepatan Air dengan Current Meter Bentuk alat ini seperti terlihat pada gambar 2.17.

Gambar 2. 17 Alat pengukur kecepatan arus (Current Meter) tipe baling baling. (sumber : dokumentasi pribadi)

Gambar 2. 18 Contoh format hitungan debit dengan Current Meter sederhana. (sumber : sakidiansyah, 2012)

52

2.9 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.

Pengukuran ketinggian juga dilakukan dengan metode pengukuran lainnya sebagai pembanding, yaitu secara manual menggunakan meteran dengan menggunakan metode spirit level and string (papan water pass). Metode ini hampir sama dengan pengukuran beda ketinggian menggunakan selang water pass namun perbedaanya adalah pada metode spirit level and string menggunakan batang waterpass. Metode spirit level and string melakukan pengukuran beda ketinggian antara dua titik dengan menggunakan bantuan tiang, tali, dan batang waterpass untuk melihat kelurusannya secara horizontal.

2.10 Analisa Hidro Ekonomi

Pengkajian kelayakan suatu usulan proyek bertujuan untuk mempelajari usulan tersebut dari segala segi profesional agar diterima, dilaksanakan dan betul-betul dapat mencapai hasil sesuai dengan yang direncanakan. Jangan sampai setelah proyek selesai dibangun dan dioperasikan ternyata hasilnya jauh dari harapan. Kriteria kelayakan berkaitan erat dengan keberhasilan dan akan berbeda dari satu serta lain sudut pandang dan kepentingan (Soeharto, 2002).

53

Pengkajian kelayakan atas suatu usulan juga tergantung pada nilai proyek tersebut. Semakin besar nilai suatu proyek, semakin besar dana yang akan ditanam, sehingga semakin luas jangkauan dan sifat pengkajiannya. Berikut ini akan dijelaskan beberapa parameter yang digunakan untuk mengukur kelayakan usaha/proyek yaitu Net Present Value, Pay Back Periode, Break Event Point, Benefit Cost Ratio dan Internal Rate of Return (Wijaya dkk, 2012):

1. Net Present Value (NPV) adalah selisih harga sekarang dari aliran kas bersih

(Net Cash Flow) di masa datang dengan harga sekarang dari investasi awal pada tingkat bunga tertentu. Untuk menghitung NPV dapat digunakan Persamaan (2.39) berikut ini:

���=∑ ���

(1+�)� =∑ ���− �̅�

� �=1

�

�=1 2.37

dengan: NPV = Net Present Value (Rp)

NB = Net Benefit = Benefit-Cost (Rp)

n = Tahun ke–n (tahun)

�_� = Benefit yang telah didiskon (Rp) �_� = Cost yang telah didiskon (Rp)

2. Pay Back Periode (PBP) adalah jangka waktu tertentu yang menunjukkan

terjadinya arus penerimaan (cash in flows) yang secara kumulatif sama dengan jumlah investasi dalam bentuk present value. Untuk menghitung PBP digunakan Persamaan (2.40) berikut ini:

6.2 Saran

1. PLTM merupakan suatu jenis energi penbangkit listrik yang baru dan terbarukan sehingga diharapkan pengembangan dan pembangunan PLTM dapat segera dioptimalkan oleh siapapun baik pihak swasta maupun pemerintah.

2. Aspek – aspek yang perlu diperhatikan dalam keberhasilan proyek PLTMH ialah :

1. Melakukan pengukuran sedimentasi di lokasi bendung dan sekitarnya.

2. Pengukuran debit secara kontinu pada pos-pos duga air yang ada.

3. Investigasi geoteknis di lokasi bangunan bangunan utama.

4. Melakukan perhitungan rencana anggaran biaya yang mencakup semua tahapan pembangunan PLTM.

DAFTAR PUSTAKA

Harvey Adam. 1993. Micro-Hydro Design Manual. Replika Press Pvt, Ltd. Arickhire CV 239QZ, UK, p374

Indarto, A, Khairul, 2009, Kajian Potensi Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro di Sungai Air Kule Kabupaten Kaur, Jurusan Teknik Sipil Universitas Bengkulu, Bengkulu.

Indarto, A. dkk. 2012. Kajian Potensi Sungai Srinjing untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (pltmh) Brumbung di Kabupaten Kediri. Jurnal Teknik Pengairan, Volume 3, Nomor 2, Desember 2012, hlm 174-184.

Galla, W.F. dkk. 2012. Potensi Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (pltmh) Pada Saluran Irigasi di Sungai Aesesa Kecamatan Aesesa Kabupaten Nagekeo. Jurnal Media Elektro, Volume 1, No.2, Oktober 2012 (ISSN: 9772252-669007).

Sulistiyono, dkk. 2013. Studi Potensi Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro

(pltmh) di Sungai Cikawat Desa Talang Mulia Kecamatan Padang Cermin Kabupaten Pesawaran Provinsi Lampung. Jurnal FEMA, Volume 1, No.1, Januari 2013.

Subarkah, Iman, 1978, Hidrologi Untuk Perencanaan Bangunan Air, Penerbit Idea Dharma, Bandung.

Giles, V Ronald, 1984, Mekanika Fluida dan Hidrolika, Penerbit Erlangga, Jakarta. Soemarto, C.D, 1999, Hidrologi Teknik, Penerbit Erlangga, Jakarta.

Triatmodjo, Bambang, 1996, Hidraulika I, Penerbit Beta 0ffset, Yogyakarta. Triatmodjo, Bambang, 2003, Hidraulika II, Penerbit Beta 0ffset, Yogyakarta. Patty, O. F. 1994. Tenaga Air. Jakarta: Erlangga.

M.M.Dandekar, K. N. Sharma.1991. Pembangkit Listrik Tenaga Air.universitas Indonesia Press.

Perangin-Angin, Muhammad Asy’Ari. 2008, Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga MikroHidro. Tugas akhir, Departemen Teknik sipil USU.

Munandar, Aris, Kuwahara S, 1991, Teknik Tenaga Listrik Jilid 1, PT. Pradnya Paramitha,Jakarta.

Sakidiansyah, 2012. Evaluasi Kinerja Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro di Desa Buluh Awar Kecamatan Sibolangit Kabupaten Deliserdang Propinsi Sumatera Utara. Tugas Akhir, Departemen Teknik Sipil USU.

Chow, V. T. 1959. Open Chanel Hydraulic. Mc Graw Hill Kogakusha, Ltd. Chow, V. T. dan Rosalina, EV, N, 1992. Hidrolika Saluran Terbuka (terjemahan), Erlangga, Jakarta.

Ramli Kadir. 2010, Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga MikroHidro di sungai marimpa kecamatan pinembani. Tugas akhir, Palu: Universitas Tadulako.

Boyle, G. (2004). Renewable Energy Power For A Suistinable Future. Oxford University Press Inc. New York, p452

LAMPIRAN