OPTIMALISASI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHYDRO BERBASIS TEKNOLOGI TURBIN DI INDONESIA

 OPTIMALISASI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHYDRO BERBASIS  TEKNOLOGI TURBIN DI INDONESIA 

                                                                        ABSTRAK 

Pembangkit Listrik Tenaga Air merupakan pembangkit listrik yang cukup ramah  lingkungan dan tidak akan habis. Pembangkit listrik tenaga air / MikroHidro merupakan  pembangkit listrik skala kecil yang menggunakan tenaga air sebagai tenaga penggeraknya  seperti, saluran irigasi, sungai atau air terjun alam dengan cara memanfaatkan tinggi terjunan  (head) dan jumlah debit air. Air yang mengalir maupun jatuh akan menggerakkan turbin yang  sudah terhubung dengan generator yang nantinya akan menghasilkan listrik. Dikarenakan  minimnya pemanfaaatan aliran air untuk pembangkit maka perlunya dilakukan studi lebih  lanjut. Low Speed Water Tunnel merupakan alat yang dirancang untuk melakukan penelitian  tentang pengaruh kecepatan air terhadap putaran kincir turbin yang tersambung ke generator  agar menghasilkan listrik. Pada Low Speed Water Tunnel air akan mengalir memasuki filter  honeycomb untuk menyeragamkan aliran dan jatuh melewati corong lalu mengenai sudu turbin  yang sudah terhubung dengan generator yang akan menghasilkan listrik. Faktor yang  mempengaruhi putaran tubin adalah ketinggian jatuh air, debit air, laju aliran air dan diameter  aliran air saat mengenai turbin. 

Kata Kunci: Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro, Turbin, Low Speed Water Tunnel 

Hydropower power plant that is a power plant which are environmentally friendly and  will not ran out. Hydropower / Micro Hydro is a small-scale power plant that uses hydropower  as its driving force such as irrigation channels, rivers or natural waterfalls by utilizing the  waterfall height (head) and the amount of water discharge. The flowing or falling water will  drive a turbine that is connected to a generator which will produce electricity. Due to the  minimal utilization of water flow for power plants, further studies are needed. The Low Speed  Water Tunnel is a tool designed to conduct research on the effect of water velocity on the  rotation of a turbine wheel connected to a generator to produce electricity. In the Low Speed  Water Tunnel, the water will flow into the honeycomb filter to equalize the flow and fall  through the funnel and then hit the turbine blade that is connected to the generator which will  generate electricity. The factors that influence the rotation of the tubin are the height of the  water fall, the water flow rate, the water flow rate and the diameter of the water flow when it  hits the turbine. 

Keywords: Micro hydro Power Plant, Turbine, Low Speed Water Tunnel

LANDASAN TEORI 

1. Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro 

Gambar 3.1 Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro 

 Energi pada saat sekarang ini semakin berkurang akibat penggunaan energi fosil secara  berlebihan di semua bidang. Isu tentang pemanasan global, polusi udara, serta efek gas rumah  kaca turut mendorong kemajuan penelitian sumber energi listrik yang lebih ramah lingkungan.  Ilmuwan di seluruh dunia menyadari hal ini dan mencoba berbagai energi alternatif. Salah satu  sumber energi saat ini yang banyak dilakukan penelitian adalah arus air. Penggunaan berbagai  macam turbin semakin maju dan berlomba untuk memanfaatkan energi alam khususnya air.  Indonesia adalah negara agraris dan merupakan daerah tropis yang menghasilkan air secara  terus menerus, sehingga turbin air lebih diutamakan dari pada turbin angin walaupun angin di  Indonesia relatif stabil. Alih fungsi turbin angin menjadi turbin air perlu dilakukan studi lebih  lanjut. Massa jenis air yang hampir 1000 kali lipat massa jenis udara menyebabkan gaya dan  torsi yang mempengaruhi turbin semakin besar.  

Pembangkit listrik tenaga air saat ini salah satu pilihan memanfaatkan sumber energi  terbarukan, namun pemanfaatannya masih dalam skala kecil dan menggunakan teknologi yang  sederhana artinya pembangkit ini hanya dapat mencukupi energi listrik yang dibutuhkan. Jenis  pembangkit listrik tenaga air sering disebut microhydro atau sering disebut juga picohydro  tergantung keluaran listrik yang dihasilkan pembangkit. Microhydro yang biasanya  memanfaatkan air terjun dengan tinggi jatuh air yang tinggi. Sedangkan untuk tinggi jatuh yang  rendah belum maksimal termanfaatkan.  

Mikrohidro merupakan pembangkit listrik skala kecil yang menggunakan tenaga air  sebagai tenaga penggeraknya seperti, saluran irigasi, sungai atau air terjun alam dengan cara  memanfaatkan tinggi terjunan (head) dan jumlah debit air. Mikrohidro merupakan sebuah  istilah yang terdiri dari kata mikro yang berarti kecil dan hidro yang berarti air. Secara teknis,  mikrohidro memiliki tiga komponen utama yaitu air (sebagai sumber energi), turbin dan  generator. Mikrohidro mendapatkan energi dari aliran air yang memiliki perbedaan ketinggian  tertentu. Pada dasarnya, mikrohidro memanfaatkan energi potensial jatuhan air (head). 

Semakin tinggi jatuhan air maka semakin besar energi potensial air yang dapat diubah menjadi  energi listrik. Di samping faktor geografis (tata letak sungai), tinggi jatuhan air dapat pula  diperoleh dengan membendung aliran air sehingga permukaan air menjadi tinggi. Air dialirkan  melalui sebuah pipa pesat kedalam rumah pembangkit yang pada umumnya dibagun di bagian  tepi sungai untuk menggerakkan turbin atau kincir air mikrohidro. Energi mekanik yang berasal  dari putaran poros turbin akan diubah menjadi energi listrik oleh sebuah generator.  

Mikrohidro bisa memanfaatkan ketinggian air yang tidak terlalu besar, misalnya  dengan ketinggian air 2.5 meter dapat dihasilkan listrik 400 watt. Relatif kecilnya energi yang  dihasilkan mikrohidro dibandingkan dengan PLTA skala besar, berimplikasi pada relatif  sederhananya peralatan serta kecilnya areal yang diperlukan guna instalasi dan pengoperasian  mikrohidro. Hal tersebut merupakan salah satu keunggulan mikrohidro, yakni tidak  menimbulkan kerusakan lingkungan. Perbedaan antara Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA)  dengan mikrohidro terutama pada besarnya tenaga listrik yang dihasilkan, PLTA di bawah  ukuran 200 KW digolongkan sebagai mikrohidro. Dengan demikian, sistem pembangkit  mikrohidro cocok untuk menjangkau ketersediaan jaringan energi listrik di daerah-daerah  terpencil dan pedesaan. Beberapa keuntungan yang terdapat pada pembangkit listrik tenaga  listrik mikrohidro adalah sebagai berikut: 

1. Dibandingkan dengan pembangkit listrik jenis yang lain, PLTMH ini cukup murah  karena menggunakan energi alam. 

2. Memiliki konstruksi yang sederhana dan dapat dioperasikan di daerah terpencil dengan  tenaga terampil penduduk daerah setempat dengan sedikit latihan. 

3. Tidak menimbulkan pencemaran. 

4. Dapat dipadukan dengan program lainnya seperti irigasi dan perikanan. 

5. Dapat mendorong masyarakat agar dapat menjaga kelestarian hutan sehingga  ketersediaan air terjamin. 

Metode untuk mendapatkan distribusi kecepatan yang seragam di bagian kerja pada  dasarnya sama untuk semua terowongan. Pertama, upaya dilakukan untuk memastikan aliran  bebas dari pusaran. Aliran yang stabil di bagian kerja memerlukan stabilitas penuh aliran di  sirkuit terowongan air dan di dalam pompa atau baling-baling yang bersirkulasi harus dipenuhi  secara bersama-sama. Pertama, kemudian, desain sirkuit harus menghilangkan kemungkinan  penyebab kondisi tidak stabil seperti zona formasi pusaran di bagian konvergen, bagian  pengujian, diffuser dan berbagai sambungan sistem perpipaan. Desain item ini memerlukan  pertimbangan yang cermat tentang efek turbulensi, pertumbuhan lapisan batas, dan bahkan  kavitasi pada pemisahan aliran.

2. Prinsip Kerja PLTMH 

Gambar 3.2 Prinsip Kerja PLTMH 

Aliran air menghasilkan energi potensial yang dapat dijadikan listrik. Ini disebut  dengan hydropower (Pembangkit Listrik Tenaga Air). Hydropower saat ini merupakan sumber  terbesar dari energi terbarukan. Sebuah skema hidro memerlukan dua hal yaitu debit air dan  ketinggian jatuh (biasa disebut ‘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 gagang mekanik. Tidak ada sistem  konversi daya yang dapat mengirim sebanyak yang diserap dikurangi sebagian daya hilang  oleh sistem itu sendiri dalam bentuk gesekan, panas, suara dan sebagainya. Persamaan  konversinya adalah: 

Daya yang masuk = Daya yang keluar + Kehilangan (Loss); atau 

Daya yang keluar = Daya yang masuk × Efisiensi konversi 

Umumnya PLTMH adalah pembangkit listrik tenaga air jenis Runoff River dimana head  diperoleh tidak dengan cara membangun bendungan besar, tetapi dengan mengalihkan  sebagian aliran air sungai ke salah satu sisi sungai dan menjatuhkannya lagi ke sungai yang  sama pada suatu tempat dimana head yang diperlukan sudah diperoleh. Dengan melalui pipa  pesat, air diterjunkan untuk memutar turbin yang berada di dalam rumah pembangkit. Energi  mekanik dari putaran poros turbin akan diubah menjadi energi listrik oleh sebuah generator. 

Penghitungan potensi daya dilakukan dengan berdasarkan net-head dan debit andalan.  Potensi daya air (hidrolik) dapat dinyatakan sebagai: 

Pg = 9,8 × Q × hg 

Pg = potensi daya (kW) 

Q = debit aliran air (m3/dtk) 

hg = head (tinggi terjun) kotor (m) 

9,8 = konstanta gravitasi. 

Berikut merupakan pernyataan untuk perhitungan potensi daya listrik terbangkit:

Pel = 9,8 Eff × Q × hn 

Pel = daya listrik yang keluar dari generator (kW) 

Q = debit aliran air (m3/dtk) 

hn = head (tinggi terjun) bersih (m) 

Eff = Efisiensi konversi dari tenaga hidrolik ke tenaga listrik 

Dari aspek teknologi, terdapat keuntungan dan kemudahan pada pembangunan dan  pengelolaan PLTMH dibandingkan jenis-jenis pembangkit listrik, yaitu: 

1. Konstruksinya relatif sederhana dan murah. 

2. Mudah dalam perawatan dan penyediaan suku cadang. 

3. Dapat dioperasikan dan dirawat oleh masyarakat desa. 

3. Penjelasan dan Jenis - Jenis Turbin yang digunakan untuk PLTMH 3.3.1. Penjelasan umum Turbin 

Turbin air merupakan alat untuk mengubah energi potensial air menjadi menjadi energi  mekanik. Energi mekanik ini kemudian diubah menjadi energi listrik oleh generator.Turbin air  dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk pembangkit tenaga listrik. Dalam  pembangkit listrik tenaga air (PLTA) turbin air merupakan peralatan utama selain generator.  Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi kinetik,  turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi.  

Turbin berfungsi untuk mengubah energi potensial menjadi energi mekanik. Gaya jatuh  air yang mendorong baling-baling menyebabkan turbin berputar. Turbin air kebanyakan seperti  kincir angin, dengan menggantikan fungsi dorong angin untuk memutar baling-baling  digantikan air untuk memutar turbin. Perputaran turbin ini di hubungkan ke generator. 

3.3.2. Komponen Turbin  

Komponen penyusun turbin terdiri dari 

1. Rotor, yaitu bagian yang berputar pada sistem yang terdiri dari :  

• Sudu-sudu, berfungsi untuk menerima beban pancaran yang disemprotkan oleh nozzle.  

• Poros, berfungsi untuk meneruskan aliran tenaga yang berupa gerak putar yang  dihasilkan oleh sudu. 

• Bantalan, berfungsi sebagai perapat-perapat komponen-komponen dengan tujuan agar  tidak mengalami kebocoran pada sistem.  

2. Stator, yaitu bagian yang diam pada sistem yang terdiri dari : 

• Pipa pengarah / nozzle yang berfungsi untuk meneruskan aliran fluida sehingga tekanan  dan kecepatan fluida yang digunakan didalam sistem besar. 

• Rumah turbin, berfungsi sebagai rumah kedudukan komponen komponen turbin.

3.3.3. Jenis Turbin untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro  

Terdapat banyak tipe turbin yang digunakan untuk PLTMH dan dipilih berdasarkan  penggunaannya di lapangan serta tinggi vertikal air (umumnya diistilahkan “head”) yang dapat  menjalankannya. Tipe turbin yang paling umum adalah sebagai berikut: 

1. Turbin Crossflow  

Turbin crossflow (turbin aliran silang) terdiri atas empat bagian utama: nosel,  runner, guide vane dan rumah. Air dialirkan masuk turbin melalui pipa pesat berpenampang  bulat. Pada ujung pipa pesat yaitu sebelum masuk ke turbin, dipasang adaptor, tempat  perubahan penampang lingkaran menjadi persegi, menjelang masuk rumah turbin. Dari  adaptor airnya masuk ke nosel. Nosel berpenampang persegi dan mengeluarkan pancaran air  ke selebar runner. Bentuk pancaran adalah persegi, lebar dan tidak terlalu tebal. Sebelum  mencapai runner, aliran disesuaikan kecepatan masuk dan sudut masuknya. Konstruksi runner  terdiri dari dua buah piringan sejajar yang disatukan pada lingkar luarnya oleh sejumlah sudu.  Sudu-sudu diperkuat oleh piringan tambahan yang dilas setiap 10-15 cm sepanjang runner.  

Gambar 3.3 Turbin Crossflow 

Dibandingkan jenis lainnya, turbin crossflow memiliki desain dan konstruksi yang  sederhana, instalasi dan perawatan yang mudah, serta investasi dan biaya perawatan yang  rendah. Tinggi air jatuh (head) yang bisa digunakan diatas 3 m sampai 50 m. Kapasitas aliran  air antara 25 – 1500 liter/detik dengan daya yang dapat dihasilkan antara 2 – 200 kW. 

Efisiensi turbin crossflow rata-rata berkisar 65% – 75% dan bisa mencapai >80%.  Namun pada posisi guide vane <40% posisi maksimum efisiensinya akan turun sampai 30%.  Di samping itu umur turbin crossflow panjang, disebabkan komponen-komponennya yang  relatif tahan aus dan kecil kemungkinan untuk terjadi kavitasi yang dapat merusak kinerja  turbin.

2. Turbin Pico Propeller 

Gambar 3.4 Turbin Pico Propeller 

Turbin propeller kecil (pico propeller turbine) dapat digunakan untuk head rendah (1 – 6 m), debit 100 – 700 liter/detik dengan kapasitas 0,1 – 30 kW. Turbin ini memiliki penggerak  (runner) beberapa bilah tetap, seperti baling baling kapal. Air melewati penggerak (runner)  dan menggerakkan bilah bilah tersebut. 

3. PAT ( Pump As Turbine) 

Gambar 3.5 Pump As Turbine 

Penggunaan pompa sebagai turbin (PAT) pada mikrohidro untuk head menengah (medium  head), 10 sampai 50 m, merupakan alternatif yang dapat dipertimbangkan. Hanya saja karena  pompa tidak didesain untuk aliran yang terbalik mengakibatkan efisiensi PAT tidak sebaik  turbin air umumnya. Sebuah pompa didesain untuk bekerja pada kecepatan, head dan debit  yang konstan, sehingga untuk digunakan sebagai turbin menuntut laju aliran air yang konstan  sepanjang tahun. Perubahan laju aliran air akan mengakibatkan efisiensi PAT menurun. 

PAT didesain untuk bekerja pada tingkat keadaan tertentu (head dan debit air tertentu).  Karena tidak dilengkapi dengan guide vane untuk mengatur debit yang dapat masuk ke turbin, 

apabila debit airnya turun efisiensi serta pengeluaran daya akan merosot. Dengan demikian  daerah kerja PAT sangat sempit dan spesifik. Hal tersebut yang menjadi kendala utama dalam  penerapan pompa sebagai turbin (PAT) Keunggulan sistem PAT adalah dibanding dengan  turbin lain lebih murah sebab pompa standar mudah diperoleh dan suku cadang banyak tersedia  dipasaran. 

3.3.4 Jenis Turbin berdasarkan prinsip kerjanya 

Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi  kinetik, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi.  

1. Turbin Impuls 

Turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya merubah seluruh energi air(yang  terdiri dari energi potensial + tekanan + kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetik untuk  memutar turbin, sehingga menghasilkan energi kinetik. Energi potensial air diubah menjadi  energi kinetik pada nozzle. Air keluar nozzle yang mempunyai kecepatan tinggi membentur  sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan  momentum (impulse). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah turbin  tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nozzle tekanannya adalah sama dengan tekanan  atmosfer sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin  diubah menjadi energi kecepatan. Contoh turbin impuls adalah turbin Pelton.  

2. Turbin Reaksi  

Turbin reaksi adalah turbin yang cara kerjanya merubah seluruh energi air yang tersedia  menjadi energi kinetik. Turbin jenis ini adalah turbin yang paling banyak digunakan. Sudu pada  turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air  selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga runner  (bagian turbin yang berputar) dapat berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini  dikelompokkan sebagai turbin reaksi. Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan  berada dalam rumah turbin. Turbin reaksi disebut juga dengan turbin tekanan lebih karena  tekanan air sebelum masuk roda turbin lebih besar daripada tekanan air saat keluar roda turbin.  Secara umum dapat dikatakan bahwa aliran air yang masuk ke roda turbin mempunyai energi  penuh, kemudian energi ini dipakai sebagian untuk menggerakkan roda turbin dan sebagian  lagi dipergunakan untuk mengeluarkan air ke saluran pembuangan. Jenis turbin reaksi yang  sering digunakan antara lain, turbin francis, turbin propeller atau kaplan. (Fritz Dietzel,  1988:17).  

3.3.5 Jenis Turbin berdasarkan arah alirannya 

Berdasarkan arah alirannya, turbin dikelompokkan menjadi 2 kelompok, yaitu turbin  aliran radial dan turbin aliran aksial. 

1. Turbin Aliran Radial 

Turbin aliran radial adalah turbin yang arah alirannya tegak lurus dengan arah putaran  poros turbin. Turbin dengan aliran radial digunakan untuk laju alir ( aliran working fluid )  rendah dan dengan perbedaan tekanan ( difference pressure ) tinggi. 

2. Turbin Aliran Aksial 

Turbin yang sejajar dengan arah putaran poros turbin. Turbin dengan aliran aksial  digunakan untuk laju alir tinggi dan dengan perbedaan tekanan rendah ( 1 – 40 bar ). Axial flow turbines kebanyakan digunakan dalam aplikasi yang melibatkan fluida kompresibel.  Dalam banyak penggunaan, efisiensi Axial-flow turbines lebih tinggi dibandingkan radial inflow turbines. 

4. Komponen Utama Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro 

Beberapa komponen yang pada umumnya digunakan untuk Pembangkit Listrik Tenaga  Mikrohidro baik komponen utama maupun bangunan penunjang antara lain : 

1. Dam/Bendungan Pengalih (intake). Dam pengalih berfungsi untuk mengalirkan air  melalui sebuah pembuka di bagian sisi sungai ke dalam sebuah bak pengendap. 

2. Bak Pengendap (Settling Basin). Bak pengendap digunakan untuk memindahkan  partikel-partikel pasir dari air. Fungsi dari bak pengendap adalah sangat penting untuk  melindungi komponen-komponen berikutnya dari dampak pasir. 

3. Saluran Pembawa (Headrace). Saluran pembawa mengikuti kontur dari sisi bukit untuk  menjaga elevasi dari air yang disalurkan. 

4. Bak penenang (Forebay). Bak penenang berada di ujung saluran pembawa yang  berfungsi untuk mencegah turbulensi air sebelum diterjunkan melalui pipa pesat 

5. Pipa Pesat (Penstock). Penstock dihubungkan pada sebuah elevasi yang lebih rendah  ke sebuah roda air, dikenal sebagai sebuah turbin. 

6. Turbin. Turbin berfungsi untuk mengkonversi energi aliran air menjadi energi putaran  mekanis. 

7. Pipa Hisap, (draft tube). Pipa hisap berfungsi untuk menghisap air, mengembalikan  tekanan aliran yang masih tinggi ke tekanan atmosfer. 

8. Generator. Generator berfungsi untuk menghasilkan listrik dari putaran mekanis. 9. Panel kontrol. Panel kontrol berfungsi untuk menstabilkan tegangan. 

10. Pengalih Beban (Ballast load). Pengalih beban berfungsi sebagai beban sekunder  (dummy) ketika beban konsumen mengalami penurunan. Kinerja pengalih beban ini  diatur oleh panel kontrol. 

Muhamad Deni Fajarisman, PERANCANGAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR.  Teknik Mesin Univ. Pasundan, bandung  http://repository.unpas.ac.id/39556/1/Muhamad%20Deni%20Fajarisman%201330300 02%20%28Teknik%20Mesin%29.pdf

Sanket V. Kalgutkar, Shubham K. Khobragade, Design, Fabrication and Analysis of Low  Speed Water Tunnel. Priyadarshini College of Engg. Nagpur, Maharashtra, India 

http://www.krishisanskriti.org/Publication.html 

Mujahid Saeed, Emad Uddin, Aamir Mubasha, Design and Development of Low-speed Water  Tunnelر ,National University of Sciences and Technology (NUST), Islamabad,Pakistan 

https://www.researchgate.net/publication/323823044_Design_and_development_of_low speed_water_tunnel 

M. Adam Amsary, Perancangan Pembangkit Listrik Tenaga Air Perancangan Turbin Propeller.  Politeknik negeri bandung. 2017 

Heri Haryanto, Dedy Susanto, Rian Fahrizal, Rancang Bangun Pembangkit Listrik Tenaga  Pikohidro (PLTPH) Dengan Memanfaatkan Saluran Irigasi Di Desa Kadu Beureum  Kecamatan Padarincang Kabupaten Serang , Departemen Teknik Elektro, Universitas  Sultan Ageng Tirtayasa Cilegon 

http://digilib.mercubuana.ac.id/manager/t!@file_artikel_abstrak/Isi_Artikel_217084633144.p df 

https://id.wikipedia.org/wiki/MikrohidroI. 

https://ahabe.wordpress.com/pltmh/