Studi Potensi Pembangkit Listrik Tenaga Mini hidro pada Sungai Lae Ordi Kabupaten Pakpak Bharat

STUDI POTENSI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MINIHIDRO PADA
SUNGAI LAE ORDI KABUPATEN PAKPAK BHARAT

Diajukan untuk melengkapi syarat penyelesaian
pendidikan sarjana teknik sipil

Disusun Oleh :

ANGELINA SALANGSAI
13 0404 035

Dosen Pembimbing :

IR. MAKMUR GINTING, M.SC.
NIP. 19551201 198103 1 005

BIDANG STUDI TEKNIK SUMBER DAYA AIR
DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
2017

i

Universitas Sumatera Utara

ABSTRAK

Minihidro adalah istilah yang digunakan untuk instalasi pembangkit listrik
yang menggunakan energi air. Energi air adalah salah satu contoh sustainable
energy yang syarat akan produksi dan konsumsi energi yang bertanggung jawab
guna memenuhi kebutuhan energi saat ini tanpa mengorbankan ketersediaan
energi yang akan datang atau membahayakan lingkungan. Kabupaten Pakpak
Bharat Provinsi Sumatera Utara yang saat ini juga masih mengalami kekurangan
listrik memiliki potensi sumber daya air yang besar karena ada banyak sungai
yang cukup besar dengan tinggi jatuh air yang mencukupi.Salah satu sungai yang
berpotensi adalah sungai Lae Ordi karena memiliki debit air yang cukup besar
serta tinggi jatuh air yang juga cukup tinggi.
Dilakukan perhitungan curah hujan wilayah dengan metode poligon
Thiessen dan dilakukan. perhitungan debit andalan dengan metode FJ Mock.
Setelah itu dilakukan analisa Flow Duration Curve sehingga diperoleh denbit
dengan keandalan / probabilitas 90% sebesar 8,14 m3/detik dengan tinggi jatuh

bersih (Hnet) sebesar 124.128 m.
Dari hasil perhitungan diperoleh saluran berbentuk trapezium dengan
dimensi lebar bawah 2,202 m, lebar atas 4,423 m m, tinggi 1,915 m dan panjang
total saluran 2378,5 m. Pipa direncanakan menggunakan pipa baja ringan
galvanis dengan panjang pipa 708,7 m.
Setelah dilakukan analisis potensi diketahui bahwa sungai Lae Ordi
memiliki potensi daya sebesar 4,3 MW dengan tinggi jatuh netto (Hnet) sebesar
124,128 m dan dapat mengaliri listrik untuk 9611 rumah (jika satu rumah
diasumsikan membutuhkan daya 450 watt).

Kata Kunci : Lae Ordi,PLTM, FJ Mock, Tinggi Jatuh (Head);

ii

Universitas Sumatera Utara

KATA PENGANTAR
Puji dan Syukur penulis ucapkan kepada Tuhan yang Maha Esa segala
Kasih, Pertolongan dan rahmat-Nya yang telah memberikan kesehatan dan hikmat
kepada penulis sehingga skripsi ini dapat diselesaikan dengan baik sesuai dengan

waktu yang direncanakan.
Adapun judul dari Tugas Akhir ini adalah “Studi Potensi Pembangkit
Listrik Tenaga Mini hidro pada Sungai Lae Ordi Kabupaten Pakpak Bharat”.
Tugas Akhir ini disusun sebagai salah satu syarat menempuh jenjang pendidikan
strata satu (S-1) pada Departemen Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas
Sumatera Utara.
Penulis menyadari dalam menyelesaikan tugas akhir ini tidak terlepas dari
dukungan, bantuan serta bimbingan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis
ingin menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada beberapa
pihak yang berperan penting yaitu :
1. Bapak Medis Surbakti, ST. MT selaku Ketua Departemen Teknik
Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
2. Bapak Ir. Makmur Ginting, M.Sc. selaku dosen pembimbing yang
telah memberikan begitu banyak ilmu yang tak ternilai harganya serta
masukan-masukan, tenaga, pikiran yang dapat membimbing penulis
sehingga terselesaikannya Tugas Akhir ini.
3. Bapak Ir. Andy Putra Rambe, MBA selaku sekretaris Departemen
Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara.
4. Bapak Dr. Ir. Ahmad Perwira Mulia Tarigan, M.Sc selaku Koordinator
Bidang Studi Teknik Sumber Daya Air Teknik Sipil Universitas

Sumatera Utara.
5. Bapak/Ibu Dosen Departemen Teknik Sipil, Fakultas Teknik,
Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan banyak sekali ilmu
yang bermanfaat selama penulis menempuh pendidikan di Departemen
Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

iii

Universitas Sumatera Utara

6. Bapak/Ibu Staf TU Departemen Teknik Sipil, Fakultas Teknik,
Universitas, Sumatera Utara yang telah memberikan bantuan dalam
proses administrasi.
7. Papa, Dirja Sebayang dan Mama, Ettianna Ginting, karena tidak hentihentinya memberikan doa dan dorongan kepada penulis dalam
menyelesaikan tugas akhir ini. Juga kepada kembaran dan adik
tersayang Alissha Tesanika Sebayang dan Paradigma Sebayang.
8. Abang/kakak 012 kak Novia, kak Elin, dll yang telah banyak
mensupport sehingga penulis tetap semangat.
9. Teman-teman sesama Sipil 013, Farras, Tiwi, Indah, Kumbang,
Mahadi, Astrid, Meri, Al Hafisz, Izam, dan teman-teman lainnya yang

tidak bisa penulis sebutkan satu persatu.
10. Abang /Kakak yang telah banyak mendukung selesainya tugas akhir
ini, baik bang Faisal dosen,bang Irfan, bang Jefrizal, bang Posma, Kak
Monica Grace dan abang/kakak lainnya yang tidak bisa penulis
sebutkan satu per satu.

Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih banyak jauh dari
sempurna, maka dari segala saran, masukan dan kritikan yang sifatnya
membangun akan penulis terima dengan tangan terbuka demi perbaikan tugas
akhir ini. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih dan berharap semoga
Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi semua.

Medan,

Agustus 2017
Penulis,

Angelina Salangsai

iv


Universitas Sumatera Utara

DAFTAR ISI
ABSTRAK……………………………..………………………………….…...i
KATA PENGANTAR………

……………………………………..……...ii

DAFTAR ISI…………………………………..……………………………..iv
DAFTAR GAMBAR……………………………………………………........vi
DAFTAR TABEL…………..........................................................................viii
DAFTAR NOTASI…………….…………………………………......……..xii
BAB I

PENDAHULUAN……………………….……………….………...1

1.1 Latar Belakang………………………..………………………....1
1.2 Perumusan Masalah…………………………………….……...4
1.3 Pembatasan Masalah…………………………………………...4

1.4. Tujuan Penelitian…………………...………………….….....5
1.5 Manfaat Penelitian……………………………………….….….5
1.6. Sistematika Penulisan…………………………………….….…5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA…………………………………….……..7
2.1Umum…………………………………………………….…….7
2.2.AnalisaHidrologi…...…………………………………….…...9
2.2.1

Interpretasi Data Hujan……………………………….…..9

2.2.2Evapotranspirasi………………..…………………….…...14
2.2.3Analisa Frekuensi………………..…………...……….…..23
2.2.4 Uji Distribusi Probabilitas………..…………………….....29
2.2.5Hubungan antara Curah Hujan dan Limpasan..………..…33
2.3Duration Curve……………………………………….………....47
2.4Pembangkit Listrik Tenaga Air………………………….……...48
2.4.1

Konversi Energi Mekanik menjadi Energi Listrik.……….51


2.4.2 Komponen – komponen PLTM…………………………...52
BAB III METODE PENELITIAN…………………………………………87
3.1 Metode dan Tahapan Penelitian…………………………………87
3.2 Kondisi Wilayah Studi…………………………………………74
3.2.1Letak Geografis , Topografi dan Luas Catchment Area…..74
3.2.2Data Curah Hujan…………………………………………77
3.2.3Data Hari Hujan…………………………………………77
v

Universitas Sumatera Utara

3.2.4Klimatologi……………………………...………………...79
3.2.5Geologi……………………………………………………79
3.2.6Penggunaan Lahan………………………………………...84

BAB IV ANALISA DAN PERHITUNGAN………………………………90
4.1 Analisis Curah Hujan Wilayah…………………………………..90
4.2 Analisa Evapotranspirasi……………………………………..110
4.3 Perhitungan Debit dengan Metode F.J. Mock………………….xlviii
4.4 Analisis FDC…………………………………………..liii

4.5Desain Dasar Bangunan Sipil…………………………………..liii
4.5.1Saluran Pembawa………………………………………..119
4.5.2 Bak penenang dan Penangkap Sedimen…………………..lix
4.5.3 Pipa pesat………………………………………………...125
4.6Perhitungan Daya………………………………………...…...129
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN………………………...………...131
5.1Kesimpulan……………………………………………………131
5.2 Saran…………………………………………………………...132
DAFTAR PUSTAKA………………………………………………………133

vi

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1.

Poligon Thiessen pada DAS


11

Gambar 2.2.

Isohyet

12

Gambar 2.3.

Ilustrasi terbentuknya limpasan permukaan (runoff)

34

Gambar 2.4.

Gambaran daya infiltrasi

36


Gambar 2.5.

Gambaran perbandingan infiltrasi

37

Gambar 2.6

Pemisahan aliran dasar dan limpasan langsung

38

Gambar 2.7

Bagan alir curah hujan dan limpasan

39

Gambar 2.8

Bagian alir perhitungan debit dalam Mock

40

Gambar 2.9

Komponen Water Surplus

42

Gambar 2.10 Contoh Duration Curve

46

Gambar 2.11 Bagan sebuah PLTM

47

Gambar 2.12 Efisiensi untuk skema perjalanan air
sampai menghasilkan daya

49

Gambar 2.13 Grafik faktor gesekan pipa

64

Gambar 3.1

Batas Wilayah Administrasi Kabupaten Pakpak Bharat

75

Gambar 3.2

Catchment Area Penelitian

76

Gambar 3.3

Catchment Area dan Stasiun Hujan

81

Gambar 3.4

Peta Geologi DAS

80

Gambar 3.5

Peta Tutupan Lahan DAS

81

Gambar 3.6

Diagram Alir Penelitian

82
vii

Universitas Sumatera Utara

Gambar 4.1

Poligon Thiessen Catchment Area Penelitian

Gambar 4.2

Flow Duration Curve

110

Gambar 4.3

Grafik Debit Rata-rata Bulanan

118

Gambar 4.4

Rencana Layout PLTM Lae Ordi

119

83

viii

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR NOTASI

A= Luas catchment di lokasi yang ditinjau (Km2)
A

= luas penampang saluran (m2)

‫݅ܣ‬

= luas sub daerah pengaliran ke – i

B

= lebar saluran bawah

BF

= base flow

C= Koefisien tanaman
Cd= Koefisien debit
CH= Curah hujan (mm)
C

= Angka koreksi bulanan Penmann

C

= runoff coefficient

Ci

= koefisien limpasan sub daerah pengaliran ke – i

CK = koefisien kurtosis
CS

= koefisien kemencengan

CV = koefisien variasi
d = diameter pipa
D = diameter karakteristik turbin (m)
dk

= kuadrat kebebasan

dlt

= defisiensi lengas tanah
ix

Universitas Sumatera Utara

DRO

= direct run off

Eloss = Kehilangan akibat evporasi (mm3/hari)
E

= Evaporasi (mm/hari)

Et

= Evapotranspirasi (mm/hari)

Etc

= Penggunaan konsumtif (mm/hari)

Eto

= Evapotranspirasi acuan (mm/hari)

Eo

= Evaporasi air terbuka (mm/hari)

ea

= Tekanan uap jenuh (mbar)

ed

= Tekanan uap nyata (mbar)

E

= elevasi dari permukaan laut (m)

E

= evapotranspirasi

Ea

= evapotranspirasi aktual

ea

= tekanan uap air basah (mbar)

ed

= tekanan uap air aktual(mbar)

Ei= Jumlah Nilai Teoritis pada Sub Kelompok i
Ep

= evapotrasnpirasi potensial

ETo

= Evapotranspirasi acuan/potensial (mm/hari)

f(u)= Fungsi pengaruh kecepatan angin (km/hari)
f(ed)= Fungsi tekanan uap nyata
f(n/N)= Fungsi rasio lama penyinaran
x

Universitas Sumatera Utara

f(T‟)

= Fungsi temperatur

F = free board
fc

= kapasitas infiltrasi

g

= Percepatan gravitasi (9,81 m/s2)

G = Jumlah Sub Kelompok
GS= groundwater storage
Gsom = ground storage bulan sebelumnya
∆GS = Perubahan groundwater storage
H

= tinggi saluran (m)

Hn= tinggi terjun netto/efektif (m)
i

= intensitas curah hujan

I = aliran permukaan yang memasuki daerah pengaliran (surface inflow)
I

= aliran masuk (inflow) rata-rata tahunan ke dalam daerah pengaliran

I

= infiltrasi

if

= koefisien infiltrasi

ISMS = tampungan kelembaban tanah awal(initialsoil moisture storage)
J

= indeks panas tahunan

j = indeks panas bulanan
k

= faktor frekuensi

K

= konstanta resesi aliran bulanan

L = latent heat
m = Nomor urut data
m =permukaan lahan terbuka, exposed surface (%)
xi

Universitas Sumatera Utara

n

= jumlah sub daerah pengaliran

n = lamanya penyinaran matahari/ hari
n

=

jumlah data

N

= kemiringan sisi saluran

N = kemungkinan penyinaran matahari maksimum
Ns = Kecepatan Spesifik (rpm)
n= Banyaknya pengamatan
n= Perbandingan lebar saluran terhadap tinggi muka air
ɳ

= efisiensi turbin (%)

n/N= Rasio lama penyinaran
N= Lama penyinaran maksimum
O = aliran air yang keluar dari daerah pengaliran
O = aliran keluar (outflow) rata-rata tahunan dari outlet daerah pengaliran
Oi= Jumlah Nilai Pengamatan pada Sub Kelompok I
p = persentase lamanya siang hari rata-rata pertahun
P=

presipitasi / curah hujan (mm)

P = Peluang (%)
P

=

tenaga yang dikeluarkan secara teoritis (kW)

P

=

keliling basah (m)

Pa = tekanan atmosfir (mbar)
P= Keliling basah (m)
P

= Perkolasi (mm/hari)
xii

Universitas Sumatera Utara

Q

= Debit aliran (m3/detik)

q

= Perbandingan debit persatuan luas

Q

=

debit air (m3/s)

R

=

jari-jari hidrolik (m)

Ra

=

Radiasi Ekstra terrestrial (mm/hari)

RH mean =
Rn
Rns =
Rn1

kelembaban udara rata-rata (%)

= Radiasi netto (mm/hari)
solar radiasi netto (mm/hari)
= Radiasi netto gelombang panjang

ܴ‫ =ݏ‬solar radiasi gelombang pendek (shortwave)
R
R

= Jari-jari hidraulis (m)
=

Curah Hujan Rancangan (mm/bln)

Rn

= Radiasi netto (mm/hari)

Rns

= Radiasi gelombang pendek (mm/hari)

Rnl

=Radiasi netto gelombang panjnag

Rs

= Radiasi gelombang pendek (mm/hari)

Sn

= Simpangan baku terhadap n buah sampel

S = deviasi standard
S

= jumlah hari dalam bulan tertentu

SMC

=

kapasitas kelembaban tanah (soil moisture capacity)
xiii

Universitas Sumatera Utara

tampungan kelembaban tanah (soilmoisture storage)

SMS

=

Sn

= reduce variate standard deviation

SRO

= storm run off

SS

= tampungan tanah (soil storage)

ΔS = perubahan penampungan (change in storage), di atas permukaan maupun di
bawah tanah.
t

= ketebalan pipa

t

= Waktu (detik)

T

= temperatur

T

= lebar atas saluran
=total run off yaitu komponen-komponen pembentuk debit sungai

TRO

(stream flow)
Tx

=

jumlah jam rata-rata sehari antara matahari terbit hingga matahari
terbenam dalam bulan tertentu

U = aliran bawah tanah yang keluar dari daerah pengaliran
U = kecepatan angin berhembus dalam 24 jam (km/hari)
V

= Kecepatan aliran (m/detik)

W

= Faktor koreksi terhadap radiasi temperatur

W

= Harga faktor berat

WS

= water surplus

X

= nilai ekstrim (mm)



X =nilai rata - rata

(mm)
xiv

Universitas Sumatera Utara

χ h²

= Parameter Chi-Kuadrat terhitung

Xi = nilai variat(mm)
Y

= nilai logaritmik nilai X, atau ln X (mm)

Y

= rata-rata hitung nilai Y (mm)

Yn

= reduced variate mean

YT = reduce variate

xv

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR TABEL

Tabel 1.1

Kebutuhan Tambahan Pembangkit 35.000 MW

Tabel 2.1.

Faktor Koreksi Penman

20

Tabel 2.2.

Harga Ra untuk Indonesia

20

Tabel 2.3.

Persyaratan Parameter Statistik suatu distribusi

23

Tabel 2.4.

Hubungan Reduced Mean Yn
dengan besarnya sampel n

24

Hubungan Reduced Standard Deviation Sn
dengan besarnya sampel n

25

Tabel 2.6.

Nilai Variabel Reduksi Gauss

26

Tabel 2.7.

Harga K untuk Distribusi Log Pearson III

27

Tabel 2.8.

Nilai Kritis Untuk Distribusi Chi-Kuadrat

30

Tabel 2.9.

Nilai Kritis Do Untuk Uji Smirnov – Kolmogorov

33

Tabel 2.10.

Koefisien Limpasan berbagai karakteristik tanah dan
tata guna lahan
36

Tabel 2.11.

Exposed surface (m)

42

Tabel 2.12.

Nilai SMC berbagai jenis tanah

46

Tabel 2.13.

Struktur Dasar Saluran Untuk PLTA Skala Kecil

53

Table 2.14

Kecepatan maksimum dalam saluran

58

Tabel 2.15

Kemiringan sisi saluran

59

Tabel 2.16.

Karakteristik tipe saluran

60

Tabel 2.17.

Koefisien kekasaran pipa „k‟ dalam mm

64

Tabel 2.18

Koefisien bukaan klep

65

Tabel 2.19.

Koefisien ketajaman sudut masuk

66

Tabel 2.20.

Daerah operasi turbin

70

Tabel 2.21.

Range kecepatan spesifik berbagai jenis turbin

74

Tabel 2.23.

Curah Hujan Bulanan Stasiun Lae Hole

79

Tabel 2.5.

3

xvi

Universitas Sumatera Utara

Tabel 2.24.

Curah Hujan Bulanan Stasiun Parlilitan

79

Tabel 2.25.

Curah Hujan Bulanan Stasiun Sitio-tio

79

Tabel 2.26.

Hari Hujan Bulanan Stasiun Lae Hole

80

Tabel 2.27.

Hari Hujan Bulanan Stasiun Parlilitan

80

Tabel 2.28.

Hari Hujan Bulanan Stasiun Sitio-tio

80

Tabel 4.1.

Catchment Area masing-masing stasiun

85

Tabel 4.2.

Resume Perhitungan Curah Hujan Wilayah Thiessen

91

Tabel 4.3.

Data Iklim Stasiun Dairi

92

Tabel 4.4.

Radiasi Ekstra terrestrial (Ra), mm/hari

92

Tabel 4.5.

Pengaruh Suhu Udara pada Panjang Gelombang

Radiasi f(T)

92

Tabel 4.6.

Tekanan Uap Jenuh (ea), mbar

Tabel 4.7.

Harga Koefisien W

92
97

Tabel 4.8.
Hasil Perhitungan Evapotranspirasi (ETo) DAS
PLTM Lae Ordi
97
Tabel 4.9.

Resume Perhitungan Debit dengan FJ Mock

Tabel 4.10

Probabilitas Debit Andalan Sungai Lae Ordi

Tabel 4.11

Debit Rata-rata Bulanan

Tabel 4.12

Perhitungan Nilai NPV terhadap Nilai i

9

xvii

Universitas Sumatera Utara