STUDI PERENCANAAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MINIHIDRO
(PLTM) DI SUNGAI CITARUM HULU KABUPATEN BANDUNG JAWA BARAT
Mutia Isti Rahmayanti1, Suwanto Marsudi2, Pitojo Tri Juwono2
1Mahasiswa Program Sarjana Teknik Jurusan Pengairan Universitas Brawijaya 2Dosen Teknik Pengairan Fakultas Teknik Universitas Brawijaya
1Email: [email protected]
ABSTRAK
Sungai Citarum di sub DAS Cirasea, Kabupaten Bandung, Jawa Barat berpotensi untuk
dibangun Pembangkit Listrik Tenaga Minihidro ROR (Run of River). Konsep PLTM ROR
adalah memanfaatkan aliran sungai langsung tanpa menampungnya disebuah tampungan
(waduk). Untuk dapat dibangun dan termanfaatkan maka perlu adanya studi untuk
mengetahui kelayakan secara teknis maupun ekonomi. Hasil kajian menunjukkan debit
andalan Q40% = 3,551 m3/dt dan debit rancangan Q50th = 488,476 m3/dt. PLTM dibangun
dengan bendung tipe mercu bulat dan peredam energi tipe bak tenggelam dan untuk
bangunan lainnya terdiri dari intake, feeder canal, kantong lumpur, waterway, headpond,
tail race. Untuk pipa penstock menggunakan jenis steel pipe SM50Y dengan diameter pipa
utama 1,2 m, pipa sekunder 0,85 m dengan ketebalan yang sama yaitu 9 mm. Tinggi jatuh
126,68 m dengan kapasitas terpasang 2×2,00 MW menggunakan turbin francis sumbu
horisontal. Energi tahunan yang dihasilkan sebesar 20,23 GWh untuk perhitungan
bedasarkan debit sungai tanpa compensation flow dan 16,40 GWh untuk perhitungan dengan
compensation flow. Hasil analisa ekonomi untuk bedasarkan debit sungai tanpa
compensation flow B/C 1,78, NPV 113,765 milyar rupiah, IRR 15,77% dengan payback
periode selama 5,84 tahun. Sementara itu untuk debit dengan compensation flow B/C 1,44,
NPV 64,479 milyar rupiah, IRR 12,05% dengan payback periode selama 7,20 tahun.
Kata kunci: PLTM ROR, debit, bak tenggelam, penstock, kelayakan ekonomi.
ABSTRACT
Citarum river in sub DAS Cirasea, Bandung Regency, West Java is potential to build a
hydropower ROR (Run of River). The concept of hydropower ROR is using the river flow
without collecting it in the reservoir. To be built and utilized would be needed to study for
knowing the eligibility by technically and economically. The result of study is minimum
discharge Q40% = 3,551 m3/sec and flood discharge Q50th = 488,476 m3/sec. The hydropower
built with ogee-shaped weir, submerged bucket type and for another building consist of
intake, feeder canal, stilling basin, waterway, headpond, and tail race. For the penstock pipe
use steel pipe SM50Y with main diameter 1,2 m, second pipe 0,85 m with the same thickness
are 9 mm. The high fall by 126,68 m with the used capacity 2x2,00 MW using Francis turbine
horizontal axis. The energy generated per year produced by 20,23 GWh for the calculating
based on river discharge without compensation flow and by 16,40 GWh for the calculating
based on compensation flow. The analysis result of economy based on river discharge
without compensations flow is B/C 1,78, NPV 113,765 billion rupiah, IRR 15,77% with
payback period during 5,48 years. In the meantime for the discharge with compensation flow
B/C 1,44, NPV 64,479 billion rupiah, IRR 12,05% with payback period during 7,20 years.
Key word : Hydropower, discharge, submerged bucket type, penstock, economic feasibility
PENDAHULUAN
Seiring dengan perkembangan
jaman kebutuhan akan energi
utamanya listrik semakin meningkat
karena hal tersebut seiring dengan
meningkatnya jumlah penduduk,
perkembangan di sektor industri dan
kemajuan di bidang teknologi.
Namun peningkatan kebutuhan akan
energi ini tidak sebanding dengan
ketersediaan sumber daya yang
biasanya digunakan seperti minyak
bumi dan batubara yang merupakan
energi yang tak terbarukan.
Di Indonesia pada tahun 2015 ini
sedang menerapkan berbagai upaya
untuk meningkatkan energi, yaitu
melalui Program 35.000 megawatt
pemerintah berkomitmen untuk
menciptakan kemandirian energi
Indonesia, dengan pemanfaatan
secara optimal potensi energi baru
dan terbarukan yang didukung
dengan adanya Keputusan Menteri
No.74K/21/MEM/2015 tentang
Pengesahan Rencana Usaha
Penyediaan Tenaga Listrik PT PLN
(Persero) Tahun 2015-2024. Maka
dari itu, untuk mendukung
keberhasilan program pemerintah ini
diperlukan upaya memaksimalkan
pengembangan produksi energi
dengan memanfaatkan sumber daya
terbarukan salah satunya dengan
Pembangkit Listrik Tenaga Minihidro
(PLTM). Sungai Citarum berada di
DAS Citarum Hulu tepatnya di sub
DAS Cirasea dan secara administrasi
berada di Desa Sukapura Kecamatan
Kertasari, Kabupaten Bandung,
Provinsi Jawa Barat berpotensi untuk
dibangun PLTM ROR (Run of River).
Konsep PLTM ROR adalah
memanfaatkan aliran sungai langsung
tanpa menampungnya disebuah
tampungan (waduk). Untuk dapat
dibangun dan termanfaatkan maka
perlu adanya studi untuk mengetahui
kelayakan secara teknis maupun
ekonomi.
PUSTAKA DAN METODOLOGI
Pembangkit Listrik Tenaga Minihidro
Pembangkit Listrik Tenaga Minihidro
(PLTM) diklasifikasikan sebagai
pembangkit listrik tenaga air dengan
kapsitas antara 200 kW sampai dengan 10
MW per unit (Agus Sugiyono,2009).
Pada pemanfaatan dam kecil yang
didesain dengan beberapa tipe turbin
khusus dengan unit kecil dan dihubungkan
dengan generator yang berada diluar
penutup dapat dikatakan sebagai
pembangkit listrik minihidro (Mosonyi,
1987:121).
Klasifikasi PLTM
Ditinjau dari cara membendung air,
PLTM dapat dikategorikan menjadi dua
macam:
1) PLTM run of river yaitu air sungai di
hulu dibelokkan dengan menggunakan
dam yang dibangun memotong air
sungai, air sungai kemudian diarahkan
ke bangunan PLTM kemudian
dikembalikan ke aliran semula di hilir.
Gambar 1. PLTM Type Run off River
Sumber:https://aliefworkshop.wordpress.com/
2) PLTM dengan kolam tandon
(reservoir) yaitu aliran air sungai
dibendung dengan menggunakan
kemudian baru air dialirkan ke PLTM.
Gambar 2. PLTM Type Reservoir
Sumber:https://aliefworkshop.wordpress.com/
Kajian Hidrologi Perencanaan
PLTM
a. Uji Homogenitas Data
Sebelum data hujan dipakai
terlebih dahulu harus melewati
pengujian untuk homogenitas data
tersebut. Metode yang digunakan
adalah RAPS (Rescaled Adjusted
Partial Sum) (Buishand, 1982).
Tujuan dari uji ini adalah untuk
mengetahui tingkat homogen dari
data yang diperoleh, karena tidak
semua data mengandung ketelitian
dan keakurasian.. Rumus dari metode
RAPS adalah :
00
*S (1)
k
i i YYk
S1
* (2)
dengan k = 1,2,3,......,n
yD
kS
kS
*
** (3)
n
YY
yD
k
i i
2
12
(4)
Q = maks | k
S**
| 0 ≤ k ≤ n (5)
R = maks k
S**
- min k
S**
(6)
dengan:
Q = atribut dari besarnya sebuah
nilai statisti Pers.(5)
R = atribut dari besarnya sebuah
nilai statisti Pers.(6)
kS
* = hujan (X) – hujan rerata (
X )
yD
2= nilai kuadrat
kS
* dibagi
dengan jumlah data
kS
**= nilai kuadrat
kS
* dibagi
dengan Dy
b. Uji Abnormalitas Data
Uji yang digunakan adalah uji Inlier-
Outlier, di mana data yang menyimpang
dari dua batas ambang, yaitu ambang
bawah (XL) dan ambang atas (XH) akan
dihilangkan. Rumus dari uji Inlier-Outlier
adalah :
XH = Exp. (Xrerata + Kn . S) (7)
XL = Exp. (Xrerata - Kn . S) (8)
dengan:
XH = nilai ambang atas
XL = nilai ambang bawah
Xrerata = nilai rata-rata
S = simpangan baku dari logaritma
terhadap data
Kn = besaran yang tergantung pada
jumlah sampel data
N = jumlah sampel data
c. Analisa Hujan Rancangan
Untuk analisa hujan rancangan ini
distribusi yang digunakan adalah
distribusi Log Pearson III dengan kala
ulang yang telah ditentukan. Ditribusi ini
dipilih dengan pertimbangan bahwa cara
ini lebih fleksibel dan dapat dipakai untuk
semua sebaran data.
d. Uji Kesesuaian Distribusi
Uji Smirnov Kolmogorov
Uji Smirnov-Kolmogorov ini akan
membandingkan harga maks dengan
suatu harga kritis yang ditentukan
berdasarkan jumlah data dan batas nilai
simpangan data. Bila maks < kritis,
hipotesa tersebut dapat diterima
Uji Chi Square
Langkah-langkahnya adalah:
1) Menghitung selisih data curah hujan
(Xt) dengan nilai data curah hujan hasil
pengamatan (Xe).
2) Selisih tersebut dikuadratkan lalu
dibagi nilai tiap tahunnya kemudian
dijumlahkan untuk beberapa tahun.
Nilai ini disebut X2 hit.
3) Harga X2hit dibandingkan dengan
harga X2Cr dari tabel Chi Kuadrat
dengan dan jumlah data (n) tertentu.
Apabila X2hit < X2Cr maka hipotesa
distribusi dapat diterima.
e. Intensitas Curah Hujan
Koefisien Pengaliran
Koefisien pengaliran (C) adalah
perbandingan antara jumlah air yang
mengalir di suatu daerah akibat
turunnya hujan dengan jumlah air
hujan yang turun di daerah tersebut.
Distribusi Curah Hujan
Analisa hujan rancangan ini
menggunakan Mononobe. Sebaran
hujan jam-jaman dipakai model
monobe, dengan rumus : 3/2
24
T
t
t
RRt
(9)
dengan :
Rt = intensitas hujan hujan rata-rata
dalam T jam (mm)
R24= curah hujan efektif dalam satu
hari (1 mm)
t = lamanya hujan dalam sehari
(diambil 6 jam)
T = waktu konsentrasi hujan
Aliran Dasar
Aliran dasar dapat diperoleh
dengan persamaan debit aliran dasar
(QB), dengan variabel luas DAS dan
kerapatan jaringan sungai, dengan
persamaan berikut (Harto, 1993:168):
QB= 0,4751 x A0,6444 x D0,9430 (10)
D= LN / A (11)
dengan:
QB = aliran dasar
A = luas DAS
D = kerapatan jaringan kuras, jumlah
panjang sungai semua tingkat
tiap satuan luas
LN = panjang sungai semua tingkat
Analisa Debit Rancangan
Untuk menghitung debit banjir
rancangan digunakan metode
Hidrologi Satuan Sintesis Nakayassu.
Rumus yang dihasilkannya adalah
sebagai berikut (Soemarto,1999:100):
)3,0(6,3
.
3,0TTp
RoCAQp
(12)
dengan :
Qp = debit puncak banjir (m3/dt)
Ro = hujan satuan (mm)
Tp = tenggang waktu dari permulaan
hujan sampai puncak banjir (jam)
T0,3 = waktu yang diperlukan oleh
penurunan debit, dari puncak
sampai 30% dari Qp(jam)
CA = luas daerah aliran sungai (km2)
Debit Andalan
Dalam perencanaan PLTM ini,
dikarenakan minimalnya data maka
metode perhitungan debit andalan
menggunakan metode simulasi
perimbangan air dari Dr. F.J. Mock, yang
didahului perhitungan Evapotranspirasi
Potensial. Sedangkan untuk pemilihan
debit andalan yang nantinya akan
dijadikan debit pembangkit, pada studi ini
digunakan FDC (Flow Duration Curve).
Analisa Hidrolika dan Dimensi
Banguanan
Bendung
Bendung pada yang digunakan pada
studi ini merupakan bendung tetap.
Berikut ini adalah persamaan untuk
menghitung debit yang melewati mercu:
Q = 5,1HeBeCd (13)
dengan:
Q = debit (m3/dt)
Cd = koefisien debit limpahan untuk tinggi
tekan rencana
He = tinggi energi di atas mercu (m)
Be = lebar efektif bendung (m)
Kolam Olak
Berikut merupakan tipe peredam
energi:
1) USBR Tipe I
Syarat : Bilangan Froude (Fr) < 4,5
2) USBR Tipe II
Syarat : (q) >45 m3/dt/m ; (Fr) > 4,5
3) USBR Tipe III
Syarat : (q) < 18,5 m3/dt/m ; (Fr) > 4,5
4) USBR Tipe IV
Syarat : Bilangan Froude (Fr) 2,5 – 4,5
5) Peredam Energi Tipe Bak Tenggelam
Syarat : Kedalaman hilir sangat besar
dibanding kedalaman normal hilir.
Bangunan Pengambilan (Intake)
Pintu yang digunakan pada intake
ini merupakan pintu sorong,
persamaannya adalah sebagai berikut:
Q = hgbaK 2 (14)
dengan:
Q = debit (m3/det)
K = factor aliran tenggelam
= koefisien debit
a = bukaan pintu (m)
b = lebar pintu (m)
g = percepatan gravitasi 9,81 (m/det2)
h= kedalaman air didepan pintu diatas
ambang (m)
Kantong Lumpur
Untuk merencanakan kantong
lumpur terdapat berbagai macam
persamaan salah satunya dengan
menggunakan metode kriteria
perencanaan PU, KP – 02.
Persamaannya adalah sebagai
berikut:
desainQA (15)
dengan:
A = Luas kantong lumpur (m2)
Qdesain = Debit desain kantong
lumpur (m3/detik)
=Kecepatan endap sedimen (m/dt)
Sebagai kontrol dimensi kantong
sebaiknya sesuai dengan kaidah
bahwa 8B
L (Anonim/KP – 02,
1986:167), untuk mencegah aliran
tidak meander di dalam kantong
lumpur. Kecepatan di kantong lumpur
mempunyai kriteria dimana kecepatan
aliran v diantara 0,3 – 0,65 m/dt.
Saluran Pembawa (waterway)
Debit yang melalui suatu saluran
dihitung sebagai berikut:
Q = AV (16)
Kecepatan diperoleh dengan
formula Manning – Strickler:
V = SRn
3 21
(17)
dengan:
Q = debit (m3/dt)
V = kecepatan rata-rata (m/dt)
R = jari-jari hidrolik (m)
S = kemiringan dasar saluran
n = koefisien kekasaran
Bak Penenang (Headpond)
Headpond diusahakan untuk
memiliki tampungan sebesar debit operasi
dikalikan dengan waktu 2 - 3 menit atau
120 - 180Qp untuk menjaga kestabilan
turbin akibat regulasi governor
(AHEC,2011).
Pipa Pesat (Penstock)
Persamaan diameter penstock
adalah sebagai berikut:
1. Warnick’s formula (1984)
63,0
0,430,72
Hr
PD (18)
2. Bier (1945) 466,0
176,0
Hr
PD (19)
3. Sarkaria’s formula (1979)
65,0
35,0
62,0H
PD (20)
4. Moffat’s formula (1990)
60,0
0,4352,0
Hr
PD (21)
5. USBR (1986)
25,0
0,5517,1
Hr
QD (22)
6. Flashbusch (1987)
12,0
0,4512,1
Hr
QD (23)
dengan :
P = daya yang dihasilkan (kW)
Hr = tinggi jatuh efektif (m)
Persamaan tebal penstock adalah
sebagai berikut (NTNU, Norway):
CsDi
p
t
2 (24)
dengan :
t = tebal penstock (m)
p = tekanan pada penstock (Mpa)
Di = diameter penstock (m)
Cs = coefficient of safety (1,2)
σ = stresses in the pipe material
(206 Mpa)
Kehilangan tinggi (Headloss)
Headloss yang diperhitungkan
antara lain pada trash rack, intake
bendung, feder canal, kantong
lumpur, waterway, belokan
waterway, headpond, trash rack
headpond, inlet headpond menuju
penstock, gesekan di sepanjang pipa
penstock, percabangan pipa penstock,
belokan pipa pada penstock,
perubahan diameter pipa penstock,
gesekan di sepanjang pipa penstock
setelah percabangan, main intake,
valve (butterfly valve), spiral casing
turbin, draft tube, dan tail race.
Tinggi Jatuh Efektif
Persamaan tinggi jatuh efektif
(Heff) adalah sebagai berikut:
effH = )( 3.12.11.1 HHHH gross (25)
effH = )( Lgross HH (26)
dengan:
Heff = tinggi jatuh efektif (m)
H1.1 = kehilangan tinggi dari intake
sampai ke headpond (m)
H1.2 = healoss dari headpond sampai
penstock (m)
H1.3 = kehilangan tinggi dari turbin
sampai ke tail race (m)
Hgross = tinggi jatuh kotor (m)
Turbin dan Generator
Nilai kecepatan spesifik turbin
(NQE’) dengan persamaan berikut
(Celso, 2004:169) turbin Francis:
NQE’ = 512,0
924,1
H (27)
dengan:
H = tinggi jatuh efektif (m)
Kecepatan sinkron generator
sama dengan kecepatan putar turbin
sehingga kecepatan sinkron generator
dihitung sebagai berikut:
p = '
120
N
f (28)
Kavitasi dan titik pusat turbin
Penentuan titik berat turbin atau
elevasi pusat turbin dapat dinyatakan
dalam persamaan berikut (Celso,
2004:169):
Z = 2
)( 3DHsTWL (29)
dengan:
Z = titik pusat turbin (m)
TWL = elevasi tail water level (m)
Hs = tinggi hisap turbin (m)
D3 = diameter runner (m)
Untuk mengontrol kavitasi
digunakan koefisien thoma kritis (σc)
dihitung dengan menggunakan fungsi
kecepatan spesifik dengan persamaan
berikut: (turbin francis)
σc = 1,2715 . NQE1,41 +
gH
v
2
2
(30)
dengan:
σc = koefisien kritis thoma
NQE = kecepatan spesifik
Kavitasi akan terjadi pada σ = σcrit.
Besar kavitasi aktual dapat dihitung
dengan persamaan berikut (Patty,
1995:100):
effH
HsHwHa (31)
dengan:
σ = kavitasi
Ha = tekanan atmosfir (m)
Hw = tekanan uap air disebelah bawah
sudu rotor atau pada bagian atas
pipa lepas (m)
Hs = tinggi hisap atau draft head (m)
Heff = tinggi jatuh air efektif (m)
Daya dan Energi
Daya dapat dihitung dengan
persamaan (Arismunandar, 2004:19):
Daya Teoritis= 9,81 x Q x Heff (32)
Daya Turbin= 9,81 x ηt x Q x Heff (33)
Daya Generator = 9,81 x ηg x ηt x Q x Heff (34)
dengan:
ηt = efisiensi turbin
ηg = efisiensi generator
ρ = massa jenis air = 1000 (kg/m3)
Q = debit pembangkit (m3/dt)
Heff = tinggi jatuh efektif (m)
Produksi energi tahunan dihitung
berdasarkan tenaga andalan. Berikut
persamaannya:
E = 9,8 x H x Q x η x 24 x n
= P x 24 x n (35)
dengan:
E = energi tiap satu periode (kWH)
H = tinggi jatuh efektif ( m )
Q = debit outflow (m3/dtk)
η = efisiensi turbin
n = jumlah hari dalam satu periode
Analisa Ekonomi Analisa ekonomi dilakukan
untuk mengetahui kelayakan suatu
proyek dari segi ekonomi. Dalam
melakukan analisa ekonomi
dibutuhkan dua komponen utama
yaitu: cost (komponen biaya) dan
benefit (komponen manfaat dari
energi tahunan dan tarif dasar listrik
yang berlaku). Indikator kelayakan:
1) BCR (Benefit Cost Ratio)
Jika BCR > 1 maka proyek
dikatakan layak.
biaya dari
manfaat dari
PV
PVBCR (36)
dengan :
PV = Present value
BCR = Benefit Cost Ratio
2) NPV (Net Present Value)
Suatu proyek dikatakan ekonomis
dan layak dibangun apabila NPV
bernilai + (positif) atau NPV > 0.
NPV = PV Benefit – PV Cost (37)
dengan :
PV = Present value
3) IRR (Internal Rate of Return)
'""'
'' II
NPVNPV
NPVIIRR
(38)
4) Analisa Sensitivitas
- Cost naik 10% benefit tetap
- Cost turun 10% benefit tetap
- Benefit naik 10% cost tetap
- Benefit turun 10% cost tetap
- Cost naik 10% benefit turun 10%
- Cost turun 10% benefit naik 10%
5) Payback Periode
PB = manfaat
P&O biaya modal biaya (39)
HASIL DAN PEMBAHASAN
Debit Rancangan
Berikut hasil analisa debit rancangan:
- Q25th = 388,030 m3/dt
- Q50th = 488,476 m3/dt
- Q100th = 600,307 m3/dt
- Q1000th = 1216,447 m3/dt
Debit Andalan
Debit andalan di dapatkan dari
pembangkitan data hujan menjadi data
debit menggunakan metode FJ.Mock.
Debit yang dipilih untuk debit pembangkit
PLTM di sungai Citarum Hulu adalah
debit dengan keandalan 30%-60%
(Colorado Small Hydropower Handbook,
2007). Sehingga berdasarkan hal tersebut
maka debit yang dipilih merupakan debit
andalan Q40 yaitu sebesar 3,551 m3/dt.
Analisa Hidrolika dan Dimensi
Bangunan
Bendung
Bendung yang digunakan
merupakan bendung tetap, dengan tipe
mercu bulat. Berikut merupakan dimensi
bendung:
Debit desain Q50th = 488,476 m3/dt
Lebar bendung = 22,00 m
Tinggi bendung = 3,00 m
Tinggi dinding bendung = 11,00 m
Elevasi lantai bendung = + 1220,00 m
Kolam olak
Lokasi rencana bendung Citarum
mempunyai material berupa batu-batu
yang cukup besar, dimana diperkirakan
banjir sungai akan mengangkut batu-batu
bongkah / boulder yang akan dapat
merusak lantai apron hilir maupun dasar
sungai di hilir bendung, maka kolam olak
bendung Citarum direncana peredam
energi tipe bak tenggelam (submerged
bucket type).
Jari-jari Kelengkungan (R) = 6,00 m
Analisa Dimensi Bangunan Hantar
Intake
Dasar intake di rencanakan lebih
tinggi 1 m dari dasar bendung (+1221 m).
- Debit desain (1,1× Qp) = 3,901 m3/dt
- Lebar Intake = 3,00 m
- Jumlah pintu =2buah @ 1,10 m
- Tinggi pintu = 10 m
Perhitungan kapasitas 1 pintu:
Q = 12 hgbaK
= 00,281,921,15,0570,01
= 1,964 m3/detik
Gambar 3. Rating curve pintu
Sumber: Hasil Perhitungan
Feeder Canal
Berfungsi untuk menyalurkan air
menuju saluran setelahnya, yang
dalam perencanaan ini digunakan
untuk menyalurkan air ke kantong
lumpur. Berikut dimensinya:
- Lebar saluran = 2,50 m
- Debit desain = 3,551 m3/dt
- Kedalaman air = 1,42 m
Kantong lumpur
Q desain = 3,906 m3/det
Kecepatan endap (w) = 0,015 m/dt
L.B = Q / W
= 3,906 / 0,015
= 260,38 m2
Jika lebar direncanakan B= 5 m,
maka L≈ 52 m.
Sebagai kontrol bahwa 8B
L
untuk mencegah aliran tidak meander
di dalam kantong 40,1000,5
00,52 OK!
Pembilasan kantong lumpur
direncanakan seminggu sekali, maka
kantong lumpur direncanakan dapat
menampung sedimen selama 1
minggu. Kadar lumpur 0,001 %.
T = 7.24.60.60 = 604800 detik
V = TlumpurkadarQp
= 3,906 × 0,001% × 604800
= 236,22 m3
Saluran Pembawa (Waterway)
Berikut merupskan dimensi dari
saluran pembawa:
- Debit desain (1,1× Qp) =3,901 m3/dt
- Lebar saluran pembawa = 2,90 m
- Panjang waterway = 2040,00 m
Bak Penenang (Headpond)
Headpond diusahakan untuk
memiliki tampungan sebesar debit operasi
dikalikan dengan waktu 2 - 3 menit atau
120 – 180 Qp untuk menjaga kestabilan
turbin akibat regulasi governor
(AHEC,2011), sehingga persamaan untuk
perencanaan volume tampungan
headpond adalah sebagai berikut :
Volume Tampungan Cadangan = Q180
= 639,12 m3
Vol. tampungan cadangan desain
(V) = HdcLB
= 2556 = 3660 m
Karena V > Volume Cadangan maka cukup
Pipa Pesat (Penstock)
Tabel 1. Diameter Pipa dan Kecepatan aliran
Untuk diameter pipa pesat sekunder
(setelah pipa utama (panjang 340) pipa
menjadi 2 cabang, dengan panjang per
pipanya 50 m) berikut perhitungannya:
V
QD 2
4
1
14,3
78,14
D = 0,848 m ≈ 0,85 m.
Untuk tebal pipa pesat adalah sebesar 9
mm (persamaan NTNU Norway). Dari
tebal pipa maka material pipa yang dipilih
(Technical Standards for Gates and
Penstocks, HGPA) adalah Steel Pipe
SM50Y (ketebalan 25 mm).
D 1.0 Q
(m) V (m/det)
: 1,2 3,12
: 0,88 5,84
: 1,08 3,89
: 1,01 4,47
: 0,85 6,26
: 1,11 3,68
D rata - rata : 1,02 4,33
D minimum : 0,85 6,23
D maksimum : 1,2 3,12
Direncanakan diameter penstock utama 1,2 3,14
Persamaan
Warnick et al (1984)
Bier (1945)
Sarkaria (1979)
Moffat et al (1990)
USBR (1986)
Falshbusch (1987)
Saluran Pembuang (Tail Race)
Dimensi saluran pembuang
adalah sebagai berikut:
- Debit pembangkit (Qp)=3,551m3/dt
- Debit desain (1,0× Qp)=3,551 m3/dt
- El.ambang tail race = + 1086,45 m
Tabel 2. Tinggi Muka Air berdasarkan
Variasi Debit
Kehilangan Tinggi (Headloss)
Tabel 3. Rekapitulasi Headloss
Tinggi Jatuh Efektif
Persamaan yang digunakan
dalam perhitungan tinggi jatuh efektif
adalah sebagai berikut:
effH = )( Lgross HH
= 133,48 – 6,80
= 126,68 m
Turbin dan Generator
Gambar 3. Pemilihan turbin
Klafisikasi turbin berdasarkan Heff
sebesar 126,68 m dan daya 4 MW
maka turbin Francis yang dipilih
dengan sumbu horisontal karena
sumbu horisontal dipilih apabila daya
yang dihasilkan < 10 MW.
Kecepatan Spesifik Turbin
Data yang diperlukan antara lain
sebagai berikut:
- Heff = 126,68 m
- Qturbin = 3,551 m3/detik
- Q1 turbin = 1,78 m3/detik
Untuk perhitungan kecepatan spesifik
dan putar turbin menurut Schweiger dan
Greory dalam Pache, 2004 kecepatan
spesifik coba-coba (trial specific speed)
turbin francis dihitung sebagai berikut:
1. Kecepatan Spesifik
NQE’ = 512,0
924,1
H=
512,088,126
924,1 = 0,1613
2. Kecepatan putar turbin
n =
5,0
75,0
'Q
HgN
eff
QE
Q 1 turbin.
=
5,0
75,0
78,1
68,12681,916,0
= 25,34 t/s
N’ = 60n
= 6034,25 = 1520,24 rpm
Pada studi ini turbin direncanakan
menggunakan generator tipe sinkron
dengan frekuensi 50 Hz maka kecepatan
sinkron generator sama dengan kecepatan
putar turbin, sehingga kecepatan sinkron
generator dihitung sebagai berikut:
p = '
120
N
f=
24,1520
50120 = 3,947
Dikarenakan nilai kutub generator (p)
harus memiliki nilai genap dan tidak
berbentuk bilangan desimal maka dipilih
alternatif jumlah kutub yang mendekati
dengan hitungan tersebut. Sehingga
perhitungan kcepatan putar terkoreksi
adalah sebagai berikut:
p = 4 pole
N’ = p
f120=
4
50120
=1500 rpm
'QEN = 75,0
5,0
60
'
effHg
QN
= 75,0
5,0
68,12618,9
78,1
60
1500
= 0,159
Titik Pusat turbin
Data perencanaan sebagai berikut:
Elevasi TWL = + 1087,10
Heff = 126,68 m
NQE = 0,159
Suhu Air = 20˚C
Tekanan Atm = 87234,22 Pa
Tekanan Uap Air (Pw) = 2333,92 Pa
Berat Jenis air (ρ) = 1000 kg/m3
Percepatan gravitasi (g) = 9,81 m/dt2
Kec. Setelah runner = 2 m/dt
Berikut ini adalah perhitungan
titik pusat turbin:
Koef. Thoma kritis (σc)
σc = gh
VNQE
22715,1
241,1
= 0,097
Tinggi Hisap kritis (Hs)
Hs = eff
2
H2
g
V
g
PP vatm
= -3,41 m
Nilai minus dari perhitungan
menunjukkan bahwa posisi turbin
berada di bawah elevasi TWL
(tenggelam). Kavitasi akan terjadi
nilai tinggi hisap (Hs) berada pada
nilai diatas -3,41 m, jadi untuk
keamanan direncanakan Hs -3,80 m.
Kavitasi juga terjadi apabila elevasi
titik pusat turbin rencana lebih besar
dibandingkan dengan elevasi titik
pusat turbin yang diizinkan. Untuk
mencegah hal tersebut maka
penentuan elevasi titik pusat turbin
adalah sebagai berikut (Celso, 2004):
Elevasi titik pusat turbin yang
diizinkan
Z= 2
)( 3
2,0
DHsTWL Q
Z= 2
44,0)80,3(67,1086
= +1083,04 m
Maka, elevasi titik pusat turbin
ditempatkan lebih redah dibanding
elevasi titik pusat turbin yang
diizinkan, yaitu +1082,50 m.
Daya dan Energi
Perhitungan daya, diselesaikan dengan
persamaan sebagai berikut:
1. Daya teoritis (desain)
Pdesain = 9,81 × Q × Heff
= 9,81 × 3,551 × 126,68
= 4412,4488 kW = 4,41 MW
2. Daya turbin
Pturbin = 9,81 × ηt × Q × Heff
= 9,81 × 0,9397 × 3,551 × 126,68
= 4146,3782 kW = 4,14 MW
3. Daya generator
Pg = 9,81 × ηg × ηt × Q × Heff
= 9,81 × 0,965 × 0,9397 × 3,551 × 126,68
= 4001,255 kW = 4,00 MW
Untuk perhitungan energi PLTM
Citarum Hulu ini, terlebih dahulu
dilakukan optimasi dengan mencoba-coba
aliran debit pada kapasitas terpasang
berdasarkan available discharge (debit
yang tersedia pada probabilitas tertentu)
dengan mempertimbangkan kerja turbin
yaitu operasi maksimum 100% dan
minimim 40% dari debit desain untuk 1
turbin. Optimasi energi ini nantinya akan
menghasilkan produksi energi tahunan
kaerena probabilitas pada optimasi ini
adalah probabilitas dalam 1 tahun. Dalam
perhitungan optimasi pada studi ini
menggunakan 2 cara, yang nantinya akan
dibandingkan. Cara yang digunakan
antara lain optimasi yang berdasarkan
debit sungai (debit tanpa compensation
flow) dan optimasi dengan compensation
flow. Compensation flow merupakan debit
dengan probabilitas 90%-95% sebagai
debit antisipasi yang diperlukan
(ESHA,2004). Energi yang dihasilkan
debit tanpa compensation flow sebesar
20,23 GWh sementara untuk debit dengan
compensation flow sebesar 16,41 GWh.
Analisa Ekonomi
Parameter yang digunakan dalam
perhitungan analisa kelayakan ekonomi
pada studi ini adalah BCR, NPV, IRR,
Analisa sesnsitivitas dan Payback
Periode dengan usia guna bangunan 20
tahun. Besarnya parameter tersebut
adalah sebagai berikut:
Tabel 4. Perbandingan Debit tanpa Compensation Flow dan Debit dengan Compensation
Flow No. River Flow Compensation Flow
1 Energi 20235529,49 kWh Energi 16407050,53 kWh
2 Capacity Factor (CF) 57,73% Capacity Factor (CF) 46,81%
Analisa Ekonomi
3 River Flow Compensation Flow
O&P (1%) Rp 1.048.886.000,00 O&P (1%) Rp 1.048.886.000,00 PPN (10%) Rp 11.537.745.000,00 PPN (10%) Rp 11.537.745.000,00
Total Cost Rp 126.915.195.000,00 Total Cost Rp 126.915.195.000,00
4 Benefit (Suku Bunga 6,5%) Rp 260.501.589.000,00 Benefit (Suku Bunga 6,5%) Rp 211.215.760.000,00
5 B/C 1,78 B/C 1,44
6 NPV Rp 113.765.992.000,00 NPV Rp 64.479.768.000,00
6 IRR 15,77% IRR 12,05%
7 Analisa Sensitivitas Analisa Sensitivitas
B/C B-C IRR B/C B-C IRR
Kondisi 1 1,61 Rp 99.091.998.000 14,02% Kondisi 1 1,31 Rp 49.806.169.000 10,44%
Kondisi 2 1,97 Rp128.439.197.000 16,21% Kondisi 2 1,60 Rp 79.153.368.000 13,14%
Kondisi 3 1,95 Rp139.815.756.000 16,11% Kondisi 3 1,58 Rp 85.601.344.000 13,03%
Kondisi 4 1,60 Rp 87.715.439.000 13,85% Kondisi 4 1,30 Rp 43.358.192.000 10,27%
Kondisi 5 1,45 Rp 73.041.840.000 12,14% Kondisi 5 1,18 Rp 28.684.593.000 8,81%
Kondisi 6 2,17 Rp154.489.356.000 17,15% Kondisi 6 1,76 Rp 100.274.943.000 14,17%
8 Payback Period 5,84 Tahun Payback Period 7,20 Tahun
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan
Berdasarkan hasil dari
pembahasan yang telah dilakukan
dengan memperhatikan rumusan
maslah, maka dapat disimpulkan
sebagai berikut:
1. Dalam perhitungan debit andalan
pada perencanaan PLTM Citarum
Hulu didapatkan debit andalan
dengan probabilitas 40% (Q40)
sebesar 3,551 m3/detik. Berikut
hasil analisa debit rancangan:
- Q25th = 388,030 m3/dt
- Q50th = 488,476 m3/dt
- Q100th = 600,307 m3/dt
- Q1000th = 1216,447 m3/dt
2. Berdasarkan analisa hidraulika
dari pembahasan yang telah
dilakukan, besarnya dimensi
setiap bangunan air pada PLTM
Citarum Hulu adalah:
a. Bendung (Weir)
(Q50th) = 488,476 m3/dt
Lebar bendung = 22,00 m
Tinggi bendung = 3,00 m
Tinggi dinding bendung = 11m
Peredam Energi = Bak tenggelam
El dasar bendung = +1220,00 m
b. Pintu (Intake)
Debit desain (1,1× Qp) = 3,901 m3/dt
Lebar Intake = 3,00 m
Jumlah pintu =2buah @ 1,10
Tinggi pintu = 10 m
El. Dasar intake = +1221 m
c. Feeder Canal
Lebar saluran = 2,50 m
Debit desain = 3,551 m3/detik
Kedalaman air = 1,42 m
d. Kantong Lumpur
Debit pembangkit (Qp) = 3,551 m3/dt
Debit desain (1,1× Qp) = 3,901 m3/dt
Lebar kantong lumpur = 5,00 m
Panjang kantong lumpur = 52,00 m
e. Saluran pembawa (Waterway)
Debit pembangkit (Qp) = 3,551 m3/dt
Debit desain (1,1× Qp) = 3,901 m3/dt
Lebar saluran pembawa = 2,90 m
Panjang waterway = 2040 m
f. Bak penenang (Headpond)
Debit pembangkit (Qp) = 3,551 m3/dt
Debit desain (1,1× Qp) = 3,901 m3/dt
Lebar headpond = 6,00 m
Panjang headpond = 55,00 m
Volume headpond = 660 m3
g. Saluran pembuang (Tail race)
Debit pembangkit (Qp) = 3,551 m3/dt
Debit desain (1,1× Qp) = 3,901 m3/dt
El. ambang tail race = + 1086,45 m
h. Total panjang pipa pesat
(penstock) direncanakan dengan
total panjang 390 m, 340 m untuk
pipa utama dengan diameter 1,20
m dan 50 m untuk panjang pipa
sekunder dengan diameter 0,85 m,
seluruh pipa mempunyai
ketebalan 9 mm dengan kecepatan
aliran 3,14 m/detik. Jenis pipa
pesat (penstock) adalah Steel Pipe
SM50Y, dengan spesifikasi
tegangan sebagai berikut:
Tensile Stess = 2000 Kgf/cm2
Compressive Stress=2000 Kgf/cm2
Shearing Stress = 1150 Kgf/cm2
Bearing Stress = 3400 Kgf/cm2
3. PLTM Citarum Hulu mempunyai
gross head (Hgross) 133,48 m,
dengan kehilangan tinggi (HL)
sebesar 6,80 m, sehingga
didapatkan tinggi jatuh efektif
(Heff) 126,68 m.
4. Klafisikasi turbin berdasarkan
Heff sebesar 126,68 m dan dengan
daya sebesar 4 MW maka turbin
yang digunakan adalah turbin
Francis sumbu horisontal karena
sumbu horisontal dipilih apabila
daya yang dihasilkan < 10 MW.
5. Besarnya daya listrik yang
dihasilkan PLTM Citarum Hulu
adalah sebesar (2×2 MW) dan
berdasarkan perhitungan
optimasi energi tahunan
didapatkan energi sebesar 20,23
GWh untuk perhitungan
bedasarkan debit sungai (river
flow) dan 16,40 GWh untuk debit
dengan compensation flow yang
masing-masing mempunyai nilai
capacity factor (CF) sebesar
57,73% dan 46,81%. Dimana
capacity factor (CF) merupakan
tingkat keberhasilan kinerja hari
operasional debit pembangkit.
6. Hasil dari analisa ekonomi
terlampir pada tabel 4. Baik secara
teknis maupun ekonomi PLTM
Citarum ini dinyatakan layak.
Saran
Agar PLTM Citarum Hulu ini dapat
terealisasikan, penulis memberikan saran
sebagai berikut:
1. Perlu adanya keseriusan dari pihak
pemerintah baik pemerintah
daerah maupun pusat untuk
mendukung pembangunan PLTM
Citarum Hulu ini.
2. Diharapkan potensi tersebut dapat
menggerakkan ekonomi dalam
negeri, dengan memanfaatkan
produsen peralatan dalam negeri.
3. Perlunya konsep pembangunan
berkelanjutan (sustainable
development) yaitu dengan upaya
melibatkan semua pihak
(pemerintah dan masyarakat)
untuk menjaga kelestarian DAS
Citarum, agar ketersediaan debit
airnya tetap terjaga. N
DAFTAR PUSTAKA
Alief. 2014. Pembangkit Listrik Tenaga
Minihidro.https://aliefworkshop.wordp
ress.com/tag/run-off-river/ (diakses
tanggal 1 Oktober 2015)
Alternate Hydro Energy Center. 2011.
Standards/Manuals/Guidelines For
Small Hydro Power Development
Version 2. India: Indian Institute of
Technology Roorkee.
Anonim. 1986 . Standar Perencanaan
Irigasi (Kriteria Perencanaan 02).
Bandung: CV. Galang Persada.
Anonim. 1986. Standar Perencanaan
Irigasi (Kriteria Perencanaan 04).
Bandung: CV. Galang Persada.
Anonim. 2005. RETScreen Engineering &
Cases Textbook.. Kanada: RETScreen
International.
Penche Celso. 2004. Guidebook on How
to Develop a Small Hydro Site. Belgia:
ESHA (European Small Hydropower
Association).
Ramos, Helena. 2000. Guidelines For
Design Small Hydropower Plants.
Irlandia : WREAN (Western Regional
Energy Agency & Network) and
DED (Department of Economic
Development).