studi pengembangan pembangkit listrik tenaga air lodoyo i pada

STUDI PENGEMBANGAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR

LODOYO I PADA BENDUNG LODOYO DI DESA GOGODESO

KECAMATAN KANIGORO KABUPATEN BLITAR JAWA TIMUR

Andrianus Suryanto Bere1, Suwanto Marsudi

2, Rispiningtati

2

1Mahasiswa Program Sarjana Teknik Jurusan Pengairan Universitas Brawijaya

2Dosen Teknik Pengairan Fakultas Teknik Universitas Brawijaya

e-mail: [email protected]

ABSTRAK

Pengembangan PLTA merupakan salah satu usaha pemenuhan kebutuhan energi listrik.

Tenaga air merupakan sumber daya terpenting setelah tenaga uap atau panas. Studi ini

diperlukan untuk mengidentifikasi potensi dan keuntungan dari sebuah unit pembangkit.

Studi ini dilaksanakan untuk memanfaatkan potensi energi air waduk yang tidak dapat

dimanfaatkan oleh unit PLTA Lodoyo eksisting karena keterbatasan kapasitas terpasang yaitu

sebesar 4,5 MW. Dengan pembangunan PLTA Lodoyo II potensi air yang belum termanfaatkan

tersebut akan digunakan untuk pembangkitan tenaga listrik. Studi ini menggunakan alternatif

debit untuk mendapatkan hasil yang optimum.

Hasil kajian menunjukan debit 11,99 m3/det (alternatif 1) dapat dibangkitkan energi

tahunan 10,598 MWh. PLTA dibangun dengan komponen bangunan sipil (pintu pengambilan,

terowongan, pipa pesat, tangki gelombang, saluran pembuang dan rumah pembangkit) dan

komponen peralatan mekanik elektrik seperti turbin, governor dan generator. Total biaya

pembangunan sebesar Rp 87,822,983,315 miliar dengan nilai BCR 1,02, NPV 1,87 miliar rupiah,

IRR 12,31% dan paid back period 6,86 tahun, sehingga pembangunan PLTA layak secara

ekonomi.

Kata kunci : PLTA, debit, energi, kelayakan ekonomi

ABSTRACT

Hydropower development is one of the business needs of electrical energy. Hydropower

is the most important resource after steam or heat. This study is required to identify the potential

and advantages of a generating unit.

This study was undertaken to harness the energy potential of water reservoirs that can

not be utilized by Lodoyo existing hydropower unit due to the limitations of installed capacity at

4.5 MW. With Lodoyo II hydropower development potential untapped water will be used for

power generation. The study used a alternative discharge to obtain optimum results.

The study results showed a debit 11.99 m3 / sec (alternative 1) can be produced 10.598

MWh of annual energy. Hydropower is built with components of civil buildings (intake, tunnels,

penstock, surge tank, tailrace channel and power house ) and electrical and mechanical

equipment components such as turbine governor and generator. The construction cost of Rp

87,822,983,315 billion, with the value of BCR 1.02, NPV 1.87 billion, IRR 12.31% and paid back

period 6.86 years, so the development of hydropower is economically viable.

Keywords: hydropower, discharge, energy, economic feasibility

1. Pendahuluan

Energi listrik merupakan kebutuhan

mutlak bagi aktifitas keseharian masyarakat,

terutama untuk kebutuhan rumah tangga,

sector usaha dan industry. Adapun salah satu

pembangkit energi listrik adalah tenaga air.

Hampir 30% dari seluruh tenaga di dunia

dipenuhi oleh pusat – pusat tenaga air

namun masih banyak sekali negara – negara

yang memiliki potensi air namun belum

dimanfaatkan secara maksimal.

Sampai saat ini pembangkit listrik

dengan tenaga air merupakan pembangkit

yang paling ekonomis (Patty, 1995:134)

karena dengan dioptimalkannya penggunaan

tenaga air untuk membangkitkan tenaga

listrik maka dapat menekan penggunaan

Bahan Bakar Minyak (BBM) yang harganya

cenderung meningkat dan juga cadangannya

semakin kecil.

Di Kabupaten Blitar Pembangunan

PLTA Lodoyo II dilaksanakan untuk

memanfaatkan potensi energi air waduk

yang tidak dapat dimanfaatkan oleh unit

PLTA Lodoyo eksisting karena keterbatasan

kapasitas terpasang yaitu sebesar 4,5 MW.

Berdasarkan data operasional Waduk

Lodoyo selama ini, sebagian air waduk yang

dialirkan ke hilir Bendung lodoyo melalui

pintu air. Dengan pembangunan PLTA

Lodoyo II tersebut, potensi air yang belum

termanfaatkan tersebut akan digunakan

untuk membangkitkan tenaga listrik.

Dari hasil studi terdahulu yang

dibuat pada tahun 2002, debit air rata-rata

yang dibutuhkan untuk operasi PLTA

Lodoyo I adalah sebesar 50 m3/det, padahal

debit total air yang masuk ke Waduk

Lodoyo adalah lebih dari 140 m3/det pada

musim basah yang berasal dari PLTA

Wlingi dan remaining basin Lodoyo,

sehingga ada kelebihan air sekitar 90 m3/det

yang dibuang atau dilimpaskan melalui

spillway.

Sungai Brantas merupakan salah satu

sungai besar di pulau Jawa yang memiliki

potensi yang masih belum dimaksimalkan

pasalnya sebagian besar air dari sungai

Brantas dipergunakan untuk kebutuhan

irigasi, air baku, dan PLTA. Dengan

peningkatan kebutuhan energi listrik maka

sungai Brantas harus lebih dimaksimalkan

lagi potensinya mengingat masih banyak

potensi yang tersimpan. Pemanfaatan

bendung saat ini bukan lagi hanya untuk

irigasi dan air baku saja, tetapi bisa

dimanfaatkan untuk PLTA juga. Selain

memiliki tinggi jatuh yang sangat besar

bendung pula memiliki potensi debit yang

sangat mencukupi untuk operasi PLTA.

Pembangkit listrik tenaga air dapat

membantu kebutuhan energi yang sedang

meningkat.

Studi ini bertujuan untuk mengetahui

seberapa besar daya terpasang dan energi

yang dapat dibangkitkan oleh PLTA Lodoyo

II berdasarkan alternatif terpilih.

2. Pustaka dan Metodologi

Klasifikasi pembangkit listrik tenaga air

Klasifikasi pembangkit listrik tenaga

air dapat ditentukan dari beberapa factor

(Dandekar, Sharma,1991:118) yaitu

1. Klasifikasi Pembangkit Listrik Tenaga

Air berdasarkan:

a. Berdasarkan tujuan

Hal ini disebabkan karena fungsi yang

berbeda-beda misalnya untuk mensuplai air,

irigasi, kontrol banjir dan lain sebagainya

disamping produksi utamanya yaitu tenaga

listrik.

b. Berdasarkan keadaan hidraulik

Suatu dasar klasifikasi pada pembangkit

listrik tenaga air adalah memperhatikan

prinsip dasar hidraulika saat

perencanaannya. Ada empat jenis

pembangkit yang menggunakan prinsip ini.

Yaitu:

Pembangkit listrik tenaga air

konvensional yaitu pembangkit yang

menggunakan kekuatan air secara wajar

yang diperoleh dari pengaliran air dan

sungai.

Pembangkit listrik dengan pemompaan

kembali air ke kolam penampungan yaitu

pembangkitan menggunakan konsep

perputaran kembali air yang sama denagn

mempergunakan pompa, yang dilakukan

saat pembangkit melayani permintaan

tenaga listrik yang tidak begitu berat.

Pembangkit listrik tenaga air pasang surut

yaitu gerak naik dan turun air laut

menunjukkan adanya sumber tenaga yang

tidak terbatas. Gambaran siklus air

pasang adalah perbedaan naiknya

permukaan air pada waktu air pasang dan

pada waktu air surut. Air pada waktu

pasang berada pada tingkatan yang tinggi

dan dapat disalurkan ke dalam kolam

untuk disimpan pada tingkatan tinggi

tersebut. Air akan dialirkan kelaut pada

waktu surut melalui turbin-turbin.

Pembangkit listrik tenaga air yang

ditekan yaitu dengan mengalihkan sebuah

sumber air yang besar seperti air laut

yang masuk ke sebuah penurunan

topografis yang alamiah, yang

didistribusikan dalam pengoperasian

ketinggian tekanan air untuk

membangkitkan tenaga listrik.

c. Berdasarkan Sistem Pengoperasian

Pengoperasian bekerja dalam

hubungan penyediaan tenaga listrik

sesuai dengan permintaan, atau

pengoperasian dapat berbentuk suatu

kesatuan sistem kisi-kisi yang

mempunyai banyak unit.

d. Berdasarkan Lokasi Kolam Penyimpanan

dan Pengatur.

Kolam yang dilengkapi dengan

konstruksi bendungan/tanggul. Kolam

tersbut diperlukan ketika terjadi

pengaliran tidak sama untuk kurun waktu

lebih dari satu tahun. Tanpa kolam

penyimpanan, pembangkit/instalasi

dipergunakan dalam pengaliran keadaan

normal.

e. Berdasarkan Lokasi dan Topografi

Instalasi pembangkit dapat berlokasi

didaerah pegunungan atau dataran.

Pembangkit di pegunungan biasanya

bangunan utamanya berupa bendungan

dan di daerah dataran berupa tanggul.

f. Berdasarkan Kapasitas PLTA

Pembangkit listrik yang paling kecil

sampai dengan : 100 kW

Kapasitas PLTA yang terendah sampai

dengan : 1000 kW

Kapasitas menengah PLTA sampai

dengan : 10000 kW

Kapasitas tertinggi diatas: 10000 kW

g. Berdasarkan ketinggian tekanan air

PLTA dengan tekanan air rendah

kurang dari : < 15 m

PLTA dengan tekan air menengah

berkisar :15 m – 70 m

PLTA dengan tekanan air tinggi

berkisar :71 m – 250 m

PLTA dengaan tekanan air yang

sangat tinggi : >250 m

h. Berdasarkan bangunan/konstruksi utama

Berdasarkan bangunan / konstruksi utama

dibagi atas:

Pembangkit listrik pada aliran sungai,

pemilihan lokasi harus menjamin

bahwa pengalirannya tetap normal dan

tidak mengganggu bahan-bahn

konstruksi pembangkit listrik. Dengan

demikian pembangkit listrik walaupun

mempunyai kolam cadangan untuk

penyimpanan air yang besar, juga

mempunyai sebuah saluran pengatur

jalannya air dari kolam penyimpanan

itu.

Pembangkit listrik dengan bendungan

yang terletak di lembah, maka

bendungan itu merupakan lokasi

utama dalam menciptakan sebuah

kolam penampung cadangan air, dan

konstruksi bangunan terletak pada sisi

tanggul.

Pembangkit listrik tenaga air dengan

pengalihan terusan, aliran air yang

dialirkan melalui sebauh terusan ke

konstruksi bangunan yang lokasinya

cukup jauh dari kolam penyimpanan.

Air dari lokasi bangunan dikeringkan

ke dalam sungai semula denagn suatu

pengalihan aliran air. Pembangkt

listrik tenaga air dengan pengalihan

ketinggian, tekanan air dialirkan

melalui sebuah sitem terowongan dan

terusan yang menuju kolam cadangan

diatas, atau aliran lain melalui lokasi

bangunan ini.

i. Klasifikasi PLTA menurut Patty

(Patty ,1995: 34) yakni :

1. Pembagian secara teknis

PLTA dilihat secara teknis dapat dibagi

atas :

a. PLTA yang menggunakan air sungai

atau air waduk.

b. PLTA yang menggunakan air yang

telah dipompa ke suatu reservoir yang

diletakan lebih tinggi.

c. PLTA yang menggunakan pasang

surut air laut.

d. PLTA yang menggunakan energi

ombak.

Ditinjau dari cara membendung air,

PLTA dapat dikategorikan menjadi dua

macam:

a. PLTA run of river yaitu air sungai di

hulu dibelokkan dengan menggunakan

dam yang dibangun memotong air

sungai, air sungai kemudian diarahkan ke

bangunan PLTA kemudian dikembalikan

ke aliran semula di hilir.

b. PLTA dengan Bendungan (DAM) yaitu

yaitu aliran air sungai dibendung dengan

menggunakan bendungan yang besar agar

diperoleh jumlah air yang sangat besar

dalam kolam tandon kemudian baru air

dialirkan ke PLTA. Air di sini dapat

diatur pemanfaatannya misalnya meng-

enai debit air yang digunakan dalam

pembangkitan dapat diatur besarnya.

2. Pembagian menurut kapasitas

a. PLTA mikro yaitu dengan daya 99

kW.

b. PLTA kapasitas rendah yaitu dengan

daya 100 sampai 999 kW.

c. PLTA kapasitas sedang yaitu dengan

daya 1000 sampai 9999 kW.

d. PLTA kapasitas tinggi dengan daya

diatas 10.000 kW.

3. Pembagian menurut tinggi jatuh

a. PLTA dengan Tekanan rendah;

H < 15 m

b. PLTA dengan tekanan sedang; H = 15

hingga 50 m

c. PLTA dengan tekanan tinggi;

H = 50 m.

4. Pembagian berdasarkan ekonomi

a. PLTA yang bekerja sendiri. Jadi tidak

dihubungkan dengan sentral-sentral

listrik yang lain.

b. PLTA yang bekerjasama dengan

sentral-sentral listrik yang lain dalam

pemberian listrik kepada konsumen.

Sehubungan dengan ini PLTA dapat

dipakai untuk:

- Beban dasar; PLTA bekerja terus-

menerus

- Beban maksimum; PLTA bekerja

pada jam-jam tertentu.

Kajian Hidrologi Dalam Perencanaan

PLTA

1. Debit andalan

Debit yang tersedia guna keperluan

tertentu misalnya irigasi, PLTA, air

baku,dll sepanjang tahun, dengan resiko

kegagalan yang telah diperhitungkan

(Soemarto,1986:214). Debit andalan yang

digunakan untuk tujuan pembangkit

listrik tenaga air adalah 50%-

95%(Mosonyi, 1963:93).

Terdapat dua metode dalam

penentusn debit andalan yaitu flow

duration curve (FDC) dan streamflow

routing method (SRR).

Flow duraton curve adalah grafik yang

memperlihatkan debit sungai selama

beberapa waktu tertentu dalam tahun

tertentu. Dalam perencanaan debit desain

perlu diperhatikan target luaran energi

yang bisa dihasilkan dari debit tersebut

(Patty,1995:14). Debit andalan dapat

dihitung peluang probabilitasnya dengan

persamaan weibull (Soemarto, 1987:239)

P = m/(n+1)

Dengan :

P : peluang kejadian

m : no urut kelas data

n : banyaknya kelas data

Sistem Operasi Long Storage

Tergantung dari kebutuhannya maka lingkup

waktu dari simulasi mencakup 1 tahun

operasi atau lebih. Aturan umum dalam

simulasi waduk :

1. Air waduk tidak boleh turun di bawah

tampungan aktif. Dalam banyak keadaan,

maka batas bawah tampungan aktif ini

ditentukan oleh tingginya lubang outlet

waduk.

2. Air waduk tidak dapat melebihi batas atas

tampungan aktif. Dalam banyak keadaan

maka batas atas tampungan aktif ini

ditentukan oleh puncak spillway. Apabila

terjadi kelebihan air, maka kelebihan ini

akan melimpah (spillout).

3. Ada beberapa waduk (waduk multiguna)

yang memiliki batasan debit yang

dikeluarkan (outflow), baik debit

maksimum atau debit minimum.

Rencana Desain PLTA Lodoyo II

PLTA Lodoyo II merupakan tipe

PLTA low head dengan komponen

bangunannya meliputi:

A. Bangunan Pengambilan (Intake)

Bangunan pengambilan adalah

bangunan air untuk mengelakkan air dari

sungai dalam jumlah yang diinginkan

Desain pintu pengambilan ini direncanakan

berdasar atas kebutuhan air sesuai dengan

desain perencanaan.

B. Bangunan Pembawa

Bangunan pembawa merupakan

bangunan yang berfungsi untuk meng-

antarkan air atu membawa air mulai dari

bangunan pengambilan menuju ke rumah

pembangkit. Terdapat bermacam bentuk dari

bangunan pembawa tergantung dari sistem

pembawaan air menuju rumah pembangkit,

bangunan pembawa antara lain:

1. Terowongan (Tunnels), Fungsi tero-

wongan adalah membawa air dari intake

menuju penstock dan akhirnya ke turbin

pembangkit.

2. Pipa Pesat (Penstock), Pipa pesat adalah

saluran yang menyalurkan dan

mengarahkan air dari waduk ke turbin.

Jenis pipa pesat yang digunakan adalah

pipa pesat tertanam. Parameter desain

yang direncanakan pada pipa pesat

adalah:

1. Diameter pipa pesat

Diameter ekonomis pipa pesat dapat

dihitung dengan persamaan:

Sarkaria formula:

D = 3,55. Q2

2. g. H

0,25

ESHA formula:

D = 10,3n2Q2

hf

0,1875

Dimana:

D : diameter pipa (m)

n : koef kekasaran pipa

Q : debit pada pipa (m3/dt)

Hf : kehilangan tinggi tekan total

pada pipa (m)

H : tinggi jatuh (m)

Namun dalam penentuan diameter

pipa pesat perlu diperhitungkan

besarnya kehilangan tinggi

dikarenakan hal ini akanmempe-

ngaruhi besarnya daya yang akan

dihasilkan.

2. Tebal pipa pesat

Tebal pipa pesat dapat dihitung

dengan persamaan:

ASME (Mosonyi,1963):

t = 2,5 D +1,2

USBR (Varshney,1971):

t = (d+500)/400

ESHA (Penche,2004) :

e = PD/2σkf+es

Barlow’s Formulae (Varshney,1971):

H = (0,002+σ x t)/(D+0,002 t)

Dimana:

H: Tinggi tekan maksimum ( m )

: tekanan statis + tinggi tekan akibat pukulan

air

σ : tegangan baja yang digunakan

(ton/m2 )

D : diameter pipa pesat (m)

t : tebal pipa pesat ( m )

P : tekan hidrostatis pipa (kN/mm2)

kf : efisiensi ketahanan

es : tebal jagaan untuk sifat korosif (mm)

3. Kedalaman minimum pipa pesat

Kedalaman minimum akan berpengaruh

terhadap gejala vortex, kedalaman minimum

dapat dihitung dengan persamaan

(Penche,2004):

Ht > s

s = c V D

Dimana:

c : 0,7245 untuk inlet asimetris

0,5434 untuk inlet simetris

V : kecepatan masuk aliran (m/dt)

D: diameter inlet pipa pesat (m)

3. Tangki Gelombang (Surge Tanks)

Tangki gelombang adalah pipa tegak

di ujung hilir saluran air tertutup untuk

menyerap kenaikan tekanan mendadak

serta dengan cepat memberikan air

selama penurunan singkat dalam

tekanan. Surge tanks biasanya

disediakan pada PLTA besar atau

menengah ketika ada jarak yang cukup

jauh antara sumber air dengan unit daya,

sehingga diperlukan sebuah penstock

panjang.

1. Luas dan diameter Surge tanks

(Thoma)

Ast = 𝐴𝑡 𝐿𝑡

2 𝑔 𝑐 𝐻

Dst= 𝐴𝑠𝑡

0,25 𝛱

Dimana :

Ast= Luas Surge Tanks (m2)

Dst= Diameter Surge Tanks (m)

Lt= panjang terowongan (m)

At= Luas Terowongan (m2)

H = Gross Head (m)

g = gravitasi (m2/s)

c = koefisien thoma

2. Tinggi air dalam Surge tanks

Zst : v (𝐿𝑡 𝐴𝑡

𝑔 𝐴𝑠𝑡)

0,5

Dimana :

Zst= Tinggi muka air (m)

V= kecepatan terowongan (m/s)

Lt = panjang terowongan (m)

At= Luas Terowongan (m2)

g = gravitasi (m2/s)

Ast= Luas Surge Tanks (m2)

3. Kebutuhan terhadap tangki

gelombang

Pipa pesat membutuhkan tangki

gelombang jika L > 4H

Dengan :

L : panjang total pipa pesat (m)

H : tinggi jatuh (m)

D. Bangunan Pelengkap

Saluran pembuang (tailrace cannal)

Bangunan pembuang digunakan

untuk mengalirkan debit air yang keluar dari

turbin untuk kemudian dibuang ke sungai,

saluran irigasi atau ke laut. Saluran

pembuangan dimensinya harus sama atau

lebih besar daripada saluran pengambilan

mengingat adanya kemungkinan perubahan

mendadak dari debit turbin air.

Rumah pembangkit (Power House)

Rumah pembangkit merupakan

bangunan tempat diletakannya seluruh

perangkat konversi energi, mulai dari turbin

air lengkap dengan governornya, sebagai

pengatur tekanan air, system transmisi

mekanik, generator, dan perangkat

pendukung lainnya. Bangunan ini yang

melindungi turbin, generator dan peralatan

pembangkit lainnya.

Tinggi Jatuh Efektif (Net Head)

Tinggi jatuh efektif adalah selisih

antara elevasi muka air pada bangunan

pengambilan atau waduk (EMAW) dengan

tail water level (TWL) dikurangi dengan

total kehilangan tinggi tekan (Ramos, 2000).

Persamaan tinggi jatuh efektif adalah:

Heff = EMAW – TWL – hl

dimana:

Heff : tinggi jatuh efektif (m)

EMAW: elevasi muka air waduk atau hulu

bangunan pengambilan (m)

TWL : tail water level (m)

hl : total kehilangan tingi tekan (m)

Gambar 1. Sketsa Tinggi Jatuh Effektif

Kehilangan tinggi tekan digolongkan

menjadi 2 jenis yaitu kehilangan pada

saluran terbuka dan kehilangan pada saluran

tertutup.

Kehilangan tinggi tekan pada saluran

terbuka biasanya terjadi pada intake

pengambilan, saluran transisi dan penyaring.

Kehilangan tinggi pada saluran

tertutup dikelompokkan menjadi 2 jenis

yaitu kehilangan tinggi mayor (gesekan) dan

kehilangan tinggi minor. Kehilangan tinggi

mayor dihitung dengan persamaan Chezy-

Manning (Penche,2004):

hf = n2v2

R43

sedangkan kehilangan minor

dihitung dengan persamaan(Ramos, 2000):

hf = ξ V2

2g

dimana:

hf : kehilangan tinggi tekan

V : kecepatan masuk (m/dt)

g : percepatan gravitasi (m/dt2)

L : panjang saluran tertutup / pipa (m)

D : diameter pipa (m)

f : koefisien kekasaran(moody diagram)

ξ : keofisien berdasarkan jenis kontraksi

Perencanaan Peralatan Mekanik Dan

Elektrik

Perencanaan peralatan mekanik dan

elektrik meliputi:

A. Turbin Hidraulik

Turbin dapat diklasifikasikan berdasarkan

tabel berikut (Ramos,2000):

Tabel 1. Klasifikasi Jenis Turbin

Dalam perencanan turbin parameter

yang mendasari adalah kecepatan spesifik

turbin (Ns) dan kecepatan putar/sinkron (n)

dimana kedua parameter tersebut dihitung

dengan persamaan (Anonim, 1976:):

Ns = n P

H5/4

n= 120 f

𝑃

dimana:

Ns :Kecepatan spesifik turbin (mkW)

n : kecepatan putar/sinkron (rpm)

P : daya (kW)

H : tinggi jatuh effektif (m)

f : frekuensi generator (Hz)

p : jumlah kutub generator

Nilai n bisa didapatkan dengan

melakukan nilai coba-coba dengan

persamaan:

Untuk turbin francis:

n’ = 2334

H atau n’ =

1553

H

Untuk turbin propeller:

n’ = 2088

H atau n’ =

2702

H

Setelah didapatkan nilai parameter

tersebut maka dapat ditentukan parameter

lain seperti:

1. Titik Pusat Dan Kavitasi Pada Turbin

Titik pusat perlu diletakkan pada

titik yang aman sehingga terhindar dari

bahaya kavitasi kavitasi akan terjadi bila

nilai σaktual < σkritis, dimana σdapat

dihitung dengan persamaan (Anonim, 1976):

σc = Ns 1.64

50327

Hs = Ha – Hv – H.σ

Sedangkan titik pusat turbin dapat

dihitung dengan persamaan:

Z = twl + Hs + b

dimana:

Ns :Kecepatan spesifik turbin (mkW)

σc : koefisien thoma kritis

σ : koefisien thoma

Ha : tekanan absolut atmosfer (Pa/gρ)

Hv: tekanan uap jenuh air (Pw/gρ)

H : tinggi jatuh effektif (m)

Hs : tinggi hisap turbin (m)

Z : titik pusat tubrin

twl: elevasi tail water level

b : jarak pusat turbin dengan runner(m)

2. dimensi turbin

Dimensi turbin reaksi meliputi:

Dimensi runner turbin, dimensi

wicket gate, dimensi spiral case dan dimensi

draft tube.

3. effisiensi turbin

Effisiensi turbin sangat tergantung

pengaruh dari debit aktual dalam turbin

dengan debit desain turbin (Q/Qd), effisiensi

turbin ditunjukkan pada gambar berikut

(MECH7350,214:6):

Gambar 2. Grafik Effisiensi Turbin

B. Peralatan Elektrik

Peralatan elektrik PLTAberfungsi

sebagai pengaturan kelistrikan setelah

dilakukan proses pembangkitan listrik,

peralatan elektrik meliputi

generator,governor, speed increaser,

transformer, switchgear dan auxiliary

equipment.

Analisa Pembangkitan Energi

Produksi energi tahunan dihitung

berdasarkan tenaga andalan. Tenaga and-

alan dihitung berdasarkan debit andalan

yang tersedia untuk pembangkitan energi

listrik yang berupa debit outflow dengan

periode n harian.(Arismunandar,2005)

E = 9,8 x H x Q x ηg x ηt x 24 x n

Dimana:

E : Energi tiap satu periode (kWh)

H : Tinggi jatuh efektif (m)

Q : Debit outflow (m3/dtk)

ηg : effisiensi generator

ηt : efisiensi turbin

n : jumlah hari dalam satu periode.

Analisa Kelayakan Ekonomi

Analisa ekonomi dilakukan untuk

mengetahui kelayakan suatu proyek dari

segi ekonomi. Dalam melakukan analisa

ekonomi dibutuhkan dua komponen utama

yaitu:

a. Cost (komponen biaya)

Meliputi biaya langsung

(biayakonstruksi) dan biaya tak langsung

(O&P, contingencies dan engineering)

b. Benefit (komponen manfaat)

Manfaat didapatakan dari hasil

penjualan listrik berdasarkan harga tarif

yang berlaku dan pendapatan dari reduksi

emisi gas karbon (CER).

Parameter kelayakan ekonomi meliputi:

1. Benefit Cost Ratio

BCR =PV dari manfaat

PV dari biaya capital dan O&𝑃

2. Net Present Value

NPV = PV Benefit – PV Cost

3. Internal Rate Of Return

IRR = I′ +NPV′

NPV′ − NPV′′ I′′ − I′

4. analisa sensitivitas

Analisa sensitivitas dilakukan pada 3

kondisi yaitu:

Cost naik 20%, benefit tetap

Cost tetap, benefit turun 20%

Cost naik 20%, benefit turun 20%

3. Hasil dan Pembahasan

Konsep perencanaan PLTA adalah

dengan memanfaatkan debit yang berlebih

pada sungai Brantas khususnya pada

bendungan Karangkates. Debit yang tidak

digunakan akan dialirkan melalui intake

yang berbeda dengan intake PLTA

sebelumnya, kemudian debit akan dialirkan

menuju sistem PLTA secara sistem

pengaliran aliran (diversion) dan akan

dialirkan kembali menuju sungai Brantas.

Konsep PLTA ditunjukkan pada

gambar berikut:

Gambar 3. Konsep Dasar PLTA Lodoyo

II

Berdasarkan analisa inflow harian

digunakan debit desain rencana untuk desain

PLTA dengan keandalan tertentu seperti

pada kurva durasi aliran (FDC) seperti

berikut:

Gambar 4. Kurva Durasi Aliran Outflow

Dari kurva maka dilakukanlah

simulasi waduk untuk menentukan daya

terpasang. Debit yang dapat digunakan

untuk perencanaan PLTA adalah sebagai

berikut :

Tabel 2. Alternatif Debit Desain

Alternatif Debit

(m3/det)

Daya

(MWh)

1 11,99 10.598

2 23,53 15.365

3 36,94 20.597

4 61,27 28.237

5 74,77 30.960

Maka dari perencanaan alternatif

tersebut direncanakan komponen bangunan

sipil, pada studi ini digunakan alternatif 4

sebagai acuan debit desain bangunan sipil,

bangunan sipil yang direncanakan meliputi:

1. Bangunan Pengambilan

Bangunan pengambilan direnca-

nakan berupa pintu pengambilan (intake)

dan dilengkapi dengan trashrack, pintu

pengambilan didesain menggunakan tipe

pintu reservoir intake dengan data teknis

sebagai berikut:

Jenis pintu : pintu sorong

Debit desain : 61,20 m3/dt

Tinggi pintu : 14 meter

Lebar pintu : 3 meter

Jumlah Pintu : 2 pintu

Sedangkan desain penyaring (trashrack)

adalah sebagai berikut :

Bentuk jeruji : bulat memanjang

Kemiringan trashrack : 45o

Tebal jeruji (s) : 10 mm

Jarak antar jerujui : 500 mm

Jumlah jeruji : 13 jeruji

2. Bangunan Pembawa

Bangunan pembawa yang dimak-sud

dalam studi ini adalah terowongan dan pipa

pesat, kedua bangunan tersebut adalah tipe

tertutup bertekanan.

Perencanaan Terowongan :

Data yang dibutuhkan untuk

perencanaan terowongan adalah sebagai

berikut ;

Debit : 61,27 m3/dt

Debit depan terowongan : 73,521 m3/dt

Daya PLTA : 2x3,16 MW

Tinggi jatuh : 14,02 m

Panjang terowongan : 314 m

Perencanaan diameter terowongan:

Pendekatan yang digunakan dalam

perencanaan diameter terowongan adalah

kecepatan izin, yaitu 2-4 m/dt dengan

persamaan sarkaria :

D = 0,62 𝑃0,43

𝐻0,65

= 0,62 6330 0,43

14,020,65

D = 4,804 m, maka didapat :

A = 18,126 m2

V = 3,380 m/dt (memenuhi kecepatan

izin)

Maka dari hasil diatas didapatkan

hasil sebagai berikut :

Kecepatan : 3,380 m/dt

Diameter : 4,804 m

Tebal luar : 0,9 m

Tebal total : 6,7 m

Kedalaman Aliran Tekan

Kedalaman aliran pada terowongan

diperlukan untuk menjaga debit air yang

masuk menuju terowongan agar selalu

berada pada keadaan tertekan.

Data yang dibutuhkan:

Kecepatan : 3,380 m/dt

Diameter : 4,9 m

g : 9,81 m2/dt

Persamaan Knauss :

ht > D 1+2,3𝑣

(𝑔𝐷 )0,5

ht > 4,90 1+2,3 3,380

(9,81 4,90)0,5

ht = 11 m

Desain lubang udara

Lubang udara pada terowongan

berfungsi untuk melepaskan udara sebelum

masuk kedalam terowongan. Direncanakan

luas lubang 20% dari luas terowongan,

sehingga di dapatkan :

Aterowongan = 18,857 m2

Alubang udara = 3,771 m2

Dlubang udara = 2,191 m

Perencanaan Pipa Pesat :

Data yang dibutuhkan dalam

perencanaan pipa pesat adalah sebagai

berikut :

Debit total : 61,27 m3/dt

Panjang pipa pesat : 60 m

Tinggi jatuh : 14,02 m

Jumlah pipa pesat : 2 buah

Kekasaran manning : 0,012

Debit tiap pipa : 30,63 m3/dt

Diameter pipa pesat

Diameter pipa pesat harus

direncakan berdasarkan aspek hirdolik dan

aspek ekonomis, menurut mosonyi

kecepatan yang disarankan untuk pipa baja

adalah sebesar 2,5 m/dt – 7 m/dt, berikut ini

adalah persamaan empirik untuk mene-

ntukan diameter pipa pesat:

Persamaan sarkaria:

D = 3,55. Q2

2. g. H

0,25

D = 3,55. 30,632

2.9,81.14,02

0,25

D = 4,825 m,

maka:

A = 18,284 m2

V = 1,675 m/dt (tidak memenuhi kecepatan

izin minimum)

Persamaan diameter ekonomis

ESHA (Penche,2004):

Jika tinggi tekan karena gesekan pipa

direncanakan 3% dari gross head maka:

D = 𝑛2𝑄2𝐿

𝐻𝑓

0,1875

D = 10,3 0,0122 30,632 .60

0,701

0,1875

D = 2,45 m, maka:

A = 4,71 m2

V = 6,49 m/dt (memenuhi kecepatan izin)

Dari kedua persamaan diketahui

bahwa metode ESHA bisa dipergunakan

namun perlu dilakukan analisa pengaruh

diameter terhadap beberapa faktor seperti

kehilangan energi. Maka selanjutnya

diameter dihitung dengan pendekatan

kecepatan berdasarkan mosonyi, maka :

Kecepatan potensial aliran pada pipa

pesat berdasarkan tinggi jatuh :

V = 2 𝑔 𝐻

V = 2 9,81 14,02

V = 16,58 m/dt

Sedangkan kecepatn izin yang

mampu dicapai oleh pipa pesat adalah v

maks = 7 m/dt.

V min = 2,5 m/dt

V maks = 7 m/dt

D maks = 3,951 m

D min = 2,361 m

Maka nilai kisaran diameter pipa

pesat adalah 2,361 – 3,951 m.

Tabel 3. Hubungan Diameter Dengan

Headloss

No. D L V

n Hf 1 Hf 2 Hf 3 Hf 4 Hf tot Heff

(m) (m2) (m/dt) (m) (m) (m) (m) (m) (m)

1 2.3 4.15 7.38 0.012 0.983 0.555 0.832 0.1 2.47 11.55

2 2.4 4.52 6.78 0.012 0.784 0.468 0.702 0.1 2.05 11.96

3 2.5 4.91 6.24 0.012 0.630 0.397 0.596 0.1 1.72 12.29

4 2.6 5.31 5.77 0.012 0.511 0.340 0.510 0.1 1.46 12.56

5 2.7 5.72 5.35 0.012 0.418 0.292 0.438 0.1 1.24 12.77

6 2.8 6.15 4.98 0.012 0.344 0.253 0.379 0.1 1.07 12.94

7 2.9 6.60 4.64 0.012 0.286 0.219 0.329 0.1 0.93 13.08

8 3 7.07 4.34 0.012 0.238 0.192 0.287 0.1 0.81 13.20

9 3.1 7.54 4.06 0.012 0.200 0.168 0.252 0.1 0.72 13.30

10 3.2 8.04 3.81 0.012 0.169 0.148 0.222 0.1 0.63 13.38

11 3.3 8.55 3.58 0.012 0.143 0.131 0.196 0.1 0.57 13.45

12 3.4 9.07 3.38 0.012 0.122 0.116 0.174 0.1 0.51 13.50

13 3.5 9.62 3.19 0.012 0.105 0.103 0.155 0.1 0.46 13.55

14 3.6 10.17 3.01 0.012 0.090 0.092 0.139 0.1 0.42 13.60

15 3.7 10.75 2.85 0.012 0.078 0.083 0.124 0.1 0.38 13.63

16 3.8 11.34 2.70 0.012 0.068 0.074 0.112 0.1 0.35 13.66

17 3.9 11.94 2.57 0.012 0.059 0.067 0.101 0.1 0.32 13.69

18 4 12.56 2.44 0.012 0.051 0.061 0.091 0.1 0.30 13.71

Sumber : Hasil Perhitungan

Jadi diameter pipa pesat adalah sebagai

berikut :

D = 2,45 m

A = 4,52 m2

V = 6,78 m/dt

Tebal pipa pesat

Tebal pipa direncanakan dengan

tujuan untuk menjaga keamanan pipa akibat

tekanan dari dalam dan luar pipa, dengan

menggunakan beberapa metode diperoleh

hasil sebagai berikut:

Barlow : 13 mm

USBR : 10,33 mm

Direncanakan tebal pipa pesat adalah

13 mm (tebal pipa terbesar dari analisa

diatas)

Pengaruh pukulan air terhadap pipa

pesat

Perhitungan tekanan hidrostatis untuk pipa

perlu memperhatikan pengaruh pukulan air

(Water Hammer) terhadap pipa, dimana

kenaikan air akibat pukulan air ini dihitung

dengan persamaan allevi :

ρallevi : 𝛼𝑉𝑜

2𝑔𝐻𝑜

: 767 ,146 6,772

2 9,81 14,02

ρallevi : 18,889

θ : 𝛼𝑇

𝛼𝐿𝑜

: 767 ,146 5

2 60

θ : 31,964

n : 𝜌

𝜃

: 18,889

31,964

: 0,591

Dimana perhitungan pukulan air

untuk turbin francis adalah sebagai beriku ; 𝑕𝑜

𝐻𝑜 = (

0,75

𝜃 𝜃 +1,25)n

𝑕𝑜 =(0,75

𝜃 𝜃 +1,25) n x Ho

=(0,75

31,964 31,964 +1,25) 0,591 x 14,02

= 10,389 m

Berdasarkan hasil perhitungan di atas tinggi

water hammer adalah 10,389 m

3. Tangki gelombang (Surge Tanks)

Pipa pesat membutuhkan tangki

gelombang bila L > 4H, dalam studi ini

panjang pipa pesat (L) adalah 60 meter

sedangkan tinggi jatuh (H) adalah 14,02

meter maka: L > 4H = 60 > 56,068.

Sehingga pipa pesat membutuhkan adanya

tangki gelombang (surge tank).

Diameter tangki gelombang perlu

direncanakan sedemikian rupa agar mampu

mereduksi tekanan akibat Water Hammer

pada pipa pesat. Rumus yang digunkan

dalam merencanakan tangki gelombang

adalah sebagai berikut :

Persaman Thoma

Ast : 𝐴 𝐿

2𝑔 𝑐 𝐻

Ast : 60 4,52

0,02 14,02 2 9,81

Ast : 2,47 m2

Sehingga,

Dst : 𝐴𝑠𝑡

0,25𝛱

: Dst = 42,47

0,25 3,14

Dst : 8 m

Zst : 𝑣 𝐿𝑡 𝑥 𝐴𝑠

𝑔 𝑥 𝐴𝑠𝑡

0,5

Zst : 6,78 60 𝑥 4,52

9,81 𝑥 42,47

0,5

: 5,46 m

4. Bangunan Pembuang (tailrace chanel)

Saluran tailrace direncanakan sistem

pengaturan / regulasi pada bagian akhir dari

draft tube berupa pintu atau katup kemudian

debit air akan dialirkan melalui saluran

terbuka dimana diujung saluran akan

direncanakan ambang lebar sebagai kontrol

elevasi muka air (TWL). Dalam perencanan

saluran pembuang digunakan data teknis

rencana sebagai berikut:

Debit rencana :61,27 m3/dt

Elv dasar saluran : +120

Lebar saluran : 20 meter

Bentuk saluran : persegi

Jenis pasangan : beton

Koefisien manning : 0,015

Aliran air dari saluran pembuang

akan dialirkan melaui ambang (weir) pada

ujung saluran dengan data perencanaan:

Bentuk ambang : ogee tipe I

Lebar ambang : 20 meter

Tinggi ambang : 1 meter

Elevasi ambang : +121,00

Elevasi dasar :+120,00

Dengan menggunakan persamaan

Q = C B H1,5

dengan nilai koefisien debit

untuk pengaliran tenggelam (C = 1,7) maka

akan didapatkan lengkung kapasitas debit

(ratingcurve) berdasarkan debit operasional

pada ambang tailrace sebagai berikut:


Gambar 5. Rating Curve Pada Ambang

Tailrace

Perhitungan Tinggi Jatuh Effektif

Dengan menggunakan persamaan

empirik berdasarkan potensi kehilangan

tinggi tekan maka tinggi jatuh effektif diten-

tukan seperti pada tabel berikut:

Tabel 4. Perhitungan Tinggi Jatuh

Effektif Paremeter Tinggi Tekan

Hf

(m)

kehilangan pada bangunan pengambilan

Inlet 0.00617

Trashrack 0.00059

Kehilangan pada terowongan

Inlet 0.162

Trashrack 3.72E-06

Manning 0.569

kehilangan pada pipa pesat

Gesekan 0.784

Belokan 0.468

Inlet 0.702

kehilangan sebelum turbin

Diasumsikan 0.1

Total kehilangan 2.791

Diasumsikan waduk dalam keadaan penuh

Elevasi tampungan normal 136.000

elevasi TWL

Debit alternatif 1 121.3





Head Efektif






Gross Head 14.07


y = 0.095x0.666

0

1

2

3

0.00 50.00 100.00 150.00

rating curve pada ambang

rating curve pada ambang

Perencanaan Peralatan Hidromekanikal

Dan Elektrikal

Peralatan hidromekanikal dan

elektrikal yang direncanakan dalam studi ini

meliputi: turbin hidraulik, peralatan electrik

dan rumah pembangkit.

Turbin hidraulik

Berdasarkan besarnya debit desain

dan tinggi jatuh effektif dapat dipilih tipe

turbin yang digunakan.

Debit desain :61,27 m3/dt

Tinggi jatuh effektif :11,41 m

Daya teoritis :6,77MW

Gambar 6. Pemilihan Turbin

Gambar 7. Pemilihan Turbin Reaksi

Maka direncanakan:

Tipe turbin :Kaplan

Jumlah turbin :2 unit

Debit : 61,27 m3/dt

Frekuensi generator : 50Hz

Kutub generator : 30 buah

Kecepatan putar : 200 rpm

Kecepatan spesifik : 738,79 mkW

Diameter runner : 2,70 m

σkritis : 1,01

σaktual : 1,05

elv pusat turbin : +118,24

tinggi hisap : -3,69 m

dan direncanakan sistem intake turbin tipe

spiral case dan draft tube dengan dimensi:

lebar total spiral case : 10,77 m

diameter intake spiral case : 4,05 m

tinggi draft tube : 5,40 m

panjang draft tube : 10,77 m

peralatan elektrik yang direncanakan

meliputi: generator 3 fasa, governor, speed

increaser, transformer, switchgear dan

auxiliary equipment.

rumah pembangkit direncanakan dengan

dengan dimensi:

Tinggi : 12 meter

Lebar : 20 meter

Panjang : 50 meter

Material rumah : beton

Tebal dinding rumah : 0.3 meter

Kedalaman pondasi : 1.5 meter

Analisa Pembangkitan Energi

Energi yang dihasilkan pada PLTA Lodoyo

II tiap satu hari operasi ditabelkan sebagai

berikut:

Tabel 5. Hasil Pembangkitan Energi

harian Tiap Alternatif


Sedangkan hasil pembangkitan tahunan

untuk tiap alternatif adalah:

Tabel 6. Analisa kapasitas terpasang tiap

alternatif

Alternatif Rated Capacity Install Capacity

(Kw)

1 1330 2 x 600kw

2 2550 2 x 1200kw

3 3930 2 x 2000kw

4 6330 2 x 3000kw

5 7610 2 x 3500kw


Analisa Ekonomi

Biaya proyek dan OP dihitung

dengan menggunakan persamaan empirik

sebagai berikut:

Tabel 7. Estimasi Biaya PLTA


Sedangkan estimasi manfaat tahunan

dari penjualan energi listrik adalah:

Tabel 8. Estimasi Manfaat PLTA

Alt

Harga Jual

Listrik

(Rp/Kwh)

Pembangkitan

Tahunan

Pendapatan Total

1 1175.4 10598 12.46 12.46

2 1175.4 15365 18.06 18.06

3 1175.4 20597 24.21 24.21

4 1175.4 28237 33.19 33.19

5 1175.4 30960 36.39 36.39


Dengan rencana usia proyek adalah

35 tahun maka akan didapatkan parameter

kelayakan ekonomi sebagai berikut:

Tabel 9. Analisa Ekonomi Tiap Alternatif

Alt Suku

Bunga

Pv

Cost

Pv

Benefit Bcr Npv Irr

Paid

Back

Period

1 12.00% 411.08 828.27 1.02 1.87 12.31% 6.86

2 12.00% 595.96 891.10 0.87 (17.17) 10.29% 8.06

3 12.00% 774.70 968.29 0.82 (33.29) 9.60% 8.56

4 12.00% 1,062.0 901.94 0.74 (73.76) 8.45% 9.67

5 12.00% 1,164.5 1,250.5 0.79 (63.59) 9.07% 9.02

Sumber: Hasil perhitungan

Dan analisa sensitivitas sebagai berikut:

Kondisi 1:benefit turun 20%, cost tetap

Kondisi 2:benefit tetap, cost naik 20%

Kondisi 3:benefit turun 20%, cost naik 20%

Hasil analisa sensitivitas untuk tiap alternatif

ditabelkan sebagai berikut:

Tabel 10. Hasil Analisa Sensitivitas Tiap

Alternatif


Sehingga dari analisa ekonomi

dipilih alternatif 1 sebagai alternatif yang

paling mengguntungkan

4. Kesimpulan

1. Berdasarkan analisa besar debit yang

akan digunakan dalam perencanaan

PLTA Lodoyo II adalah

No Alt Debit (Q)

(m3/det)

Head

(m)

Power

(kW)

1 1 11,99 11,90 1.210

2 2 23,53 11,72 2.339

3 3 36,94 11,55 3.617

4 4 61,27 11,28 5.861

5 5 74,77 11,15 7.069

2. Berdasarkan analisa, kapasitas daya

terpasang berdasarkan alternatif terpilih

adalah sebesar 2 x 0,6 mW.

3. Produksi energi PLTA Lodoyo II

selama setahun berdasarkan alternatif

terpilih adalah sebesar 10598 MWh

4. Komponen bangunan PLTA yang

dipergunakan dalam studi ini adalah:

a Bangunan sipil:

Pintu pengambilan.

Bangunan pembawa, bangunan

pembawa terrdiri dari terowongan,

dan pipa pesat.

Tangki gelombang (Surge Tanks)

Rumah pembangkit (Power House)

Bangunan pembuang (saluran

tailrace).

b Peralatan mekanik dan elektrik:

Turbin kaplan beserta kelengkapanya

(spiral case, draft tube), generator 50Hz

dengan 30 kutub, governor, speed

increaser, travo, switchgear dan

aksesoris kelistrikan.

5. Berdasarkan hasil analisa ekonomi

terhadap alternatif debit andalan terpilih

(alternatif 1) diperoleh besar biaya total

sebesar 87,82 milyar rupiah dengan nilai

BCR 1,02, NPV 1,87 milyar rupiah, IRR

12,31% dan paid back period 6,86 tahun.

Dengan hasil analisa tersebut dapat

disimpulkan bahwa perencanaan PLTA

lodoyo II dengan alternatif 1 layak secara

ekonomi. Daftar Pustaka

1. Anonim. 1986. Standar Perencanaan

Irigasi (Kriteria Perencanaan 02).

Bandung : CV. Galang Persada.

2. Anonim. 1986. Standar Perencanaan

Irigasi (Kriteria Perencanaan 04).

Bandung : CV. Galang Persada.

3. Anonim, 1976. Engineering

Monograph No. 20 Selecting Reaction

Turbines. Amerika: United States

Bureau Of Reclamation.

4. Arismunandar A. dan Kuwahara S.

2004. Buku Pegangan Teknik Tenaga

Listrik. Jakarta : PT Pradnya Paramita.

5. Bringas, John E. 2004. Handbook of

Comparative World Steel Standarts. USA. ASTM International.

6. Dandekar, MM dan K.N. Sharma. 1991.

Pembangkit Listrik Tenaga Air.

Jakarta : Universitas Indonesia.

7. Mosonyi, Emil. 1963. Water Power

Development Volume One Low Head

Power Plant. Budapest : Akademiai

Kiado

8. Mosonyi, Emil. 1963. Water Power

Development Volume Two High Head

Power Plant. Budapest : Akademiai

Kiado

9. Patty, O.F. 1995. Tenaga Air. Erlangga

: Surabaya.

10. Penche, Celso. 2004. Guidebook on

How to Develop a Small Hydro Site.

Belgia : ESHA (European Small

Hydropower Association).

11. Ramos, Helena. 2000. Guidelines For

Design Small Hydropower Plants.

Irlandia : WREAN (Western Regional

Energi Agency & Network) and DED

(Department of Economic

Development).

12. Shahin, M. 1993. Engineering

Hydrology. Delft : Instintute of

Hydraulic Engineering.

13. Soemarto, C.D. 1987. Hidrologi

Teknik Edisi 1. Surabaya : Usaha

Nasional.

14. Varshney,R.S. 1977. Hydro-Power

Structure. India : N.C Jain at the

Roorkee Press.

15. Warnick, C. C., Mayo, H. A., Carson, J.

L., & Sheldon, L. H. 1984.

Hydropower Engineering. New

Jersey: Prentice-Hall, Inc., Englewood

Cliffs.

studi pengembangan pembangkit listrik tenaga air lodoyo i pada

Documents