Studi Perencanaan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro Di Desa Gunung Rintih Kecamatan Stm Hilir Kabupaten Deli Serdang

STUDI PERENCANAAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA
MIKROHIDRO DI DESA GUNUNG RINTIH KECAMATAN STM
HILIR KABUPATEN DELI SERDANG

Diajukan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada
Departemen Teknik Elektro Sub Konsentrasi Teknik Energi Listrik

Oleh
DAVID P. ARITONANG
NIM : 090402098

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2016

Universitas Sumatera Utara

LEMBAR PENGESAHAN
TUGAS AKHIR

STUDI PERENCANAAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA
MIKROHIDRO DI DESA GUNUNG RINTIH KECAMATAN STM
HILIR KABUPATEN DELI SERDANG
Oleh:
DAVID P. ARITONANG
NIM: 090402098
Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik pada
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS
TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
Sidang pada tanggal 16 bulan Maret tahun 2016 di depan penguji:
1. Ketua Penguji

: Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si

2. Anggota Penguji

: Ir. Eddy Warman, M.T

Disetujui oleh:
Pembimbing Tugas Akhir

Ir. Syamsul Amien, M.S
NIP. 195306221981031002
Diketahui oleh:
Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU

Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si
NIP. 195405311986011002

Universitas Sumatera Utara

ABSTRAK
Dalam studi perencanaan pembangkit listrik tenaga mikrohidro di Desa
Gunung Rintih Kecamatan STM Hilir Kabupaten Deli Serdang, dihitung potensi
potensi tenaga air yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi listrik.
Potensi energi air tersebut akan digunakan untuk perencanaan pembangkit listrik
tenaga mikrohidro. Mikrohidro merupakan sebuah istilah yang terdiri dari kata
mikro yang berarti kecil dan hidro yang berarti air. Mikrohidro atau yang

dimaksud dengan pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH) adalah suatu
pembangkit listrik skala kecil yang menggunakan tenaga air sebagai tenaga
pengeraknya seperti saluran irigasi, sungai atau air terjun alam dengan cara
memanfaatkan tinggi terjunan (head) dan jumlah debit air.
Untuk mengembangkan potensi mikrohidro tersebut, maka dilakukan studi
di Desa Gunung Rintih Kecamatan STM Hilir Kabupaten Deli Serdang. Di desa
ini terdapat suatu sungai yaitu Sungai Besamat yang memiliki potensi yang dapat
dikembangkan untuk merencanakan pembangkit listrik tenaga mikrohidro. Dari
penelitian ini, didapatkan potensi daya listrik yang dapat dibangkitkan adalah
sebesar 7,3 kW dan debit air yang diperoleh ialah 0,243 m3 /s dengan tinggi
efektifnya (Hef) 5,74 m. Komponen elektrikal dan mekanikal yang digunakan
yaitu jenis turbinnya adalah turbin crossflow, diameter pipa pesat yang digunakan
ialah 0,346 m dengan menggunakan material berupa plat baja (welded rolled
steel), generator yang digunakan adalah generator sinkron tiga fasa 4 kutub, dan
transmisi mekanik yang digunakan yaitu transmisi sabuk V-Belt. Untuk sistem
kontrol yang digunakan ialah jenis Electronic Load Controller.

Kata kunci : Pembangkit listrik tenaga mikrohidro, energi air, head, debit

Universitas Sumatera Utara

KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa dimana atas
berkat, karunia, dan rahmat-Nyalah penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini,
dengan judul:
STUDI PERENCANAAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA
MIKROHIDRO DI DESA GUNUNG RINTIH KECAMATAN STM HILIR
KABUPATEN DELI SERDANG.
Tugas Akhir ini merupakan suatu syarat bagi penulis untuk memperoleh
gelar Sarjana Teknik dari Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas
Sumatera Utara.
Dengan selesainya Tugas Akhir ini, penulis mengucapkan terima kasih
yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu penulis dalam
menyelesaikan Tugas Akhir ini, antara lain kepada:
1. Orangtua penulis J. Aritonang (Alm) dan H. Tampubolon beserta abang-abang
dan adik penulis yang telah memberi dukungan dan doa yang tiada hentinya
bagi penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
2. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si selaku Ketua Departemen Teknik
Elektro FT-USU.
3. Bapak Rahmat Fauzi, S.T, M.T selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro

FT-USU.
4. Bapak Ir. Syamsul Amien, M.S selaku dosen pembimbing penulis yang telah
membantu dan membimbing penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
5. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si selaku dosen penguji penulis yang telah
membantu dan membimbing penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
6. Bapak Ir. Eddy Warman, M.T selaku dosen penguji penulis yang telah
membantu dan membimbing penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
7. Ibu Naemah Mubarakah, S.T, M.T selaku dosen wali penulis yang telah
membantu dan membimbing penulis dalam menjalani masa perkuliahan.

Universitas Sumatera Utara

8. Seluruh staf pengajar di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara yang telah membekali penulis dengan ilmu
pengetahuan selama menjalani perkuliahan.
9. Seluruh karyawan di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas
Sumatera Utara.
10. Sahabat sekaligus teman-teman penulis stambuk 2009 yang tak dapat
disebutkan satu per satu terutama komunitas sendok.
11. Serta untuk semua yang telah mendukung penyelesaian Tugas Akhir ini yang

tidak dapat disebutkan penulis satu persatu.
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari kata sempurna,
baik itu dari segi isi maupun susunan tata bahasanya. Untuk itu penulis dengan
tangan terbuka menerima saran dan kritik

dari pembaca dengan tujuan

menyempurnakan dan mengembangkan Tugas Akhir ini.
Akhir kata, penulis berharap Tugas Akhir ini bisa bermanfaat dan
menambah wawasan bagi para pembacanya.
Medan,

Februari 2016
Penulis,

David P. Aritonang

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR ISI

ABSTRAK ...........................................................................................................i
KATA PENGANTAR .........................................................................................ii
DAFTAR ISI .......................................................................................................iv
DAFTAR GAMBAR ...........................................................................................viii
DAFTAR TABEL................................................................................................ix
BAB I PENDAHULUAN
1.1

Latar Belakang..........................................................................................1

1.2

Rumusan Masalah ....................................................................................2

1.3

Batasan Masalah.......................................................................................3

1.4

Tujuan Penelitian ......................................................................................3

1.5

Manfaat Penelitian ....................................................................................3

1.6

Metode Penulisan......................................................................................4

1.7

Sistematika Penulisan ...............................................................................4

BAB

II

DASAR

TEORI

PEMBANGKIT

LISTRIK TENAGA

MIKROHIDRO
2.1

Pembangkit Listrik Tenaga Air ................................................................6

2.2

Klasifikasi Pembangkit Listrik Tenaga Hidro .........................................6

2.3

Energi Tenaga Air ....................................................................................7
2.3.1

Debit .............................................................................................7

2.3.2

Curah Hujan dan Aliran Sungai....................................................9
2.3.2.1 Curah Hujan dan Pengukuran Curah Hujan .....................9
2.3.2.2 Aliran Sungai....................................................................9
2.3.2.3 Hubungan antara Curah Hujan dan Aliran Sungai ...........10

Universitas Sumatera Utara

2.4

2.3.3

Tinggi Jatuh Efektif (Head) .........................................................10

2.3.4

Hubungan Debit dan Head ..........................................................11

Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro ...................................................11
2.4.1

Pengertian Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro .....................11

2.4.2

Prinsip Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro .................13

2.4.3

Komponen-Komponen Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro .13
2.4.3.1

Bendungan (Weir) .......................................................14

2.4.3.2

Saluran Penyadap (Intake) ..........................................15

2.4.3.3

Saluran Pembawa (Headrace) .....................................15

2.4.3.4

Saluran Pelimpah (Spillway) .......................................15

2.4.3.5

Kolam Penenang (Forebay) ........................................15

2.4.3.6

Pipa Pesat (Penstock) ..................................................16

2.4.3.7

Rumah Pembangkit (Power House) ............................16

2.4.3.8

Saluran Pembuang (Tailrace) ......................................16

2.4.3.9

Turbin...........................................................................16
2.4.3.9.1

Pengelompokan Turbin .............................16

2.4.3.9.2

Pemilihan Turbin.......................................20

2.4.3.9.3

Kriteria Pemilihan Jenis Turbin ................21

2.4.3.10 Generator .....................................................................23
2.4.3.11 Sistem Transmisi Mekanik ..........................................24
2.4.3.12 Sistem Kontrol.............................................................25
2.4.3.13 Panel Hubung dan Lemari Hubung ..............................26
2.4.3.14 Jaringan Distribusi........................................................27
2.4.4

Manfaat Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro .........................28

BAB III KONDISI UMUM DESA GUNUNG RINTIH
3.1

Kondisi Geografis .....................................................................................29

3.2

Kondisi Masyarakat .................................................................................30

3.3

Aksesibilitas..............................................................................................31

3.4

Kondisi Ketenagalistrikan ........................................................................31

3.5

Potensi Tenaga Air ...................................................................................31

3.6

Pengukuran Debit dan Tinggi Jatuhan Air (Head) ..................................31

Universitas Sumatera Utara

3.6.1

Tempat dan Waktu Penelitian.......................................................31

3.6.2

Bahan Pengukuran ........................................................................31

3.6.3

Alat Penelitian ..............................................................................32

3.6.4

Prosedur Percobaan......................................................................32
3.6.4.1 Pengukuran Debit Air dengan Menggunakan Metode
Benda Apung ....................................................................32
3.6.4.2 Pengukuran Tinggi Jatuh Air (Head) ...............................33

BAB IV ANALISIS PERENCANAAN PLTMH

4.1

4.2

Data Hasil Pengukuran .............................................................................35
4.1.1

Pengukuran Luas Penampang Sungai ..........................................35

4.1.2

Pengukuran Kecepatan Aliran Sungai..........................................35

4.1.3

Pengukuran Tinggi Jatuh Air .......................................................36

Analisa Data ............................................................................................36
4.2.1 Luas Penampang Sungai...............................................................36
4.2.2 Kecepatan Aliran Sungai ..............................................................37
4.2.3 Debit .............................................................................................37
4.2.4 Tinggi Jatuh Air (Head)...............................................................37

4.3

4.4

Desain Fasilitas Sipil................................................................................38
4.3.1

Bendungan....................................................................................38

4.3.2

Saluran Penyadap (Intake) ..........................................................39

4.3.3

Saluran Pembawa (Headrace) .....................................................39

4.3.4

Saluran Pelimpah (Spillway)........................................................40

4.3.5

Kolam Penenang (Forebay) ........................................................41

4.3.6

Rumah Pembangkit (Power House) ............................................41

4.3.7

Saluran Pembuang (Tailrace) ......................................................42

Desain Peralatan Elektrikal dan Mekanikal .............................................43
4.4.1

Perhitungan Pipa Pesat ................................................................43
4.4.1.1 Diameter Pipa Pesat .........................................................43
4.4.1.2 Perhitungan

Kehilangan

Tinggi

Tekanan

Akibat

Pemasukan ........................................................................44
4.4.1.3 Perhitungan

Kehilangan

Tinggi

Tekanan

Akibat

Gesekan ............................................................................45

Universitas Sumatera Utara

4.4.2

Perencanaan Turbin......................................................................47

4.4.3

Transmisi Mekanik ......................................................................49

4.4.4

Generator......................................................................................49

4.4.5

Sistem Kontrol dan Pengaman .....................................................51

4.5

Perhitungan Daya Listrik pada Sistem PLTMH ......................................51

4.6

Manajemen Kebutuhan Energi Listrik .....................................................52

4.7

Skema Layout PLTMH Gunung Rintih....................................................54

4.8

Analisa Ekonomi ......................................................................................54

4.9

Analisa Lingkungan..................................................................................55

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1

Kesimpulan...............................................................................................56

5.2

Saran ........................................................................................................57

Daftar Pustaka ...................................................................................................58
Lampiran A
Lampiran B
Lampiran C

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1

Head PLTMH ..............................................................................10

Gambar 2.2

Skema Suatu PLTMH ..................................................................13

Gambar 2.3

Turbin Pelton ..............................................................................17

Gambar 2.4

Turbin Turgo ...............................................................................17

Gambar 2.5

Prinsip Kerja Turbin Crossflow...................................................18

Gambar 2.6

Turbin Crossflow.........................................................................19

Gambar 2.7

Turbin Francis.............................................................................19

Gambar 2.8

Turbin Kaplan .............................................................................20

Gambar 2.9

Diagram Klasifikasi Turbin Air ...................................................20

Gambar 2.10 Grafik Klasifikasi Turbin .............................................................21
Gambar 2.11 Komponen Generator dalam PLTA .............................................23
Gambar 3.1

Peta Lokasi Desa Gunung Rintih .................................................29

Gambar 3.2

Jarak dari Kota Medan ke Desa Gunung Rintih ...........................30

Gambar 3.3

Pengukuran Luas Penampang Sungai ..........................................33

Gambar 3.4

Pengukuran Kecepatan Aliran Sungai..........................................33

Gambar 3.5

Pengukuran Tinggi Jatuh Air (Head) ..........................................34

Gambar 4.1

Head yang Diukur ........................................................................38

Gambar 4.2

Rencana Letak Bendungan ...........................................................39

Gambar 4.3

Rencana Letak Saluran Penyadap ................................................39

Gambar 4.4

Rencana Letak Saluran Pembawa ................................................40

Gambar 4.5

Rencana Letak Saluran Pelimpah .................................................40

Gambar 4.6

Rencana Letak Kolam Penenang..................................................41

Gambar 4.7

Rencana Letak Rumah Pembangkit..............................................42

Gambar 4.8

Rencana Letak Saluran Pembuang ...............................................42

Gambar 4.9

Diameter dan Tebal Pipa Pesat....................................................44

Gambar 4.10 Rencana Letak Pipa Pesat............................................................46
Gambar 4.11 Jenis Penggunaan (Seleksi) Turbin ..............................................48
Gambar 4.12 Transmisi-V..................................................................................49
Gambar 4.13 Skema Layout PLTMH Gunung Rintih........................................54

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1

Jenis Pembangkit Tenaga Air dan Kapasitasnya ..........................7

Tabel 2.2

Kecepatan Spesifik Beberapa Turbin ...........................................22

Tabel 2.3

Kecepatan Putar Sinkron dari Generator (rpm) ...........................24

Tabel 2.4

Jenis-Jenis Panel Hubung untuk PLTA .......................................27

Tabel 4.1

Kedalaman Sungai........................................................................35

Tabel 4.2

Waktu Kecepatan Aliran Sungai ..................................................35

Tabel 4.3

Properti Teknis Material Pipa Pesat ............................................43

Universitas Sumatera Utara