RENCANA PENINGKATAN KAPASITAS DAYA LISTRIK DARI 20 kVA MENJADI
60 kVA PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO HIDRO (PLTMH) DI DESA
PADASUKA KABUPATEN CIANJUR-JAWABARATM. Hariansyah, Ir., M.TPLTMH di
desa Padasuka, telah dibangun pada tahun 1982, dengan kapasitas
daya sebesar 25 kVA. Pada mulanya digunakan untuk mensuplai daya
listrik perkebunan teh, dan penduduk setempat. Bertambahnya beban
listrik membuat kapasitas daya listrik yang ada sudah tidak mampu
lagi mensuplay beban, sehingga direncanakan untuk menambah
kapasitas daya listrik. Sehingga perlu dilakukan studi analisis
lebih lanjut. Tujuan yang ingin di capai adalah meningkatkan daya
listrik terpasang dari 25 kVA, menjadi 60 kVA, sesuai kemampuan
daya teoritis PLTMH, debit air tersedia, saluran penghantar air,
menghasilkan data beban listrik tersambung, sehingga dapat
direncanakan kapasitas turbin dan generator, serta type jaringan
listrik, dan menghasilkan tegangan listrik yang konstan antara -5%
s.d + 10 % dari tegangan listrik efektif sesuai Peraturan Umum
Instalasi Listrik (PUIL 2000). Metodologi yang dilakukan adalah
melakukan pengukuran ulang debit air ( Q), diamater pipa pesat (d),
tinggi jatuh air ( H), mendata jumlah beban terpasang, hingga dapat
menentukan turbin dan generator. Hasil yang diperoleh debit air (Q)
di sungai mencapai 3,9 m3/dt, , serta tinggi jatuh air 12 m,
sehingga daya teoritis PLTMH yang dapat dibangkitkan sebesar 450
kW. Sementara debit air yang digunakan sebesar 0,9 m3/dt, dengan
ketinggian jatuh air 12 meter, efisiensi turbin 0,88 dan efisiensi
generator 0,9, maka daya yang diperoleh sebesar 105 kW. Berdasarkan
hasil survai pendataan beban listrik jumlah daya terpasang
direncanakan sebesar 50,325 kW, sehingga dapat dipilih type turbin
Francis dan generator sinkron kapasitas 60 kW atau 75 kVA.1.
PENDAHULUAN1.1 Latar Belakang MasalahPLTMH mulai dibangun pada
tahun 1982 di desa Padasuka, Kecamatan Pegalaran Kabupaten Cianjur
Jawa Barat. Pada mulanya digunakan untuk keperluan perkebunan Teh.
Tenaga penggerak berupa kincir air over shoot untuk menggerakan
dynamo listrik. Unjuk kerja PLTMH sangat buruk, efisiensi daya
listrik hanya 40 %, tidak aman dan mudah rusak. Daya listrik yang
dibangkitkan 20 kVA pada sistem tegangan listrik 380/220 volt.
(Yayasan Mandiri, 2007).Beberapa upaya yang telah dilakukan adalah
memodifikasi instalasi PLTMH, mulai perbaikan bendungan, konstruksi
kincir air menggunakan plat baja, tetapi masih banyak masalah
karena berat dan tidak balance menyebabkan bantalan poros mudah
rusak, selain dari itu putaran kincir air sangat rendah ( 512 rpm),
membutuhkan sistem transmisi daya yang komplek, dan hasilnya tidak
memuaskan, frekuensi listrik tidak stabil dan merusak peralatan
elektronik. Sementara beban listrik setiap tahunya terus bertambah
dari tahun 2002, 20 kVA dan pada tahun 2006 menjadi 45 kVA (Yayasan
Mandiri, 2007).Tujuan yang ingin dicapai adalah, meningkatkan daya
listrik terpasang dari 25 kVA, menjadi 60 kVA, sesuai kemampuan
daya teoritis PLTMH, debit air tersedia, saluran penghantar air,
menghasilkan data beban listrik tersambung, sehingga dapat
direncanakan kapasitas turbin dan generator, serta type jaringan
listrik, dan menghasilkan tegangan listrik yang konstan antara -5%
s.d + 10 % dari tegangan listrik efektif sesuai Peraturan Umum
Instalasi Listrik (PUIL 2000).1.TINJAUAN PUSTAKA Pengertian PLTMH
adalah pembangkit listrik yang menggunakan tenaga air sebagai media
utama untuk penggerak turbin dan generator. Tenaga mikro hidro,
dengan skala daya yang dapat dibangkitkan 5 kilo watt hingga 50
kilo watt. Pada PLTMH proses perubahan energy kinetic berupa
(kecepatan dan tekanan air), yang digunakan untuk menggerakan
turbin air dan generator listrik hingga menghasilkan energi
listrik(NOTOSUDJONO, D. 2002). 2.1Prinsip kerja PLTMHSecara teknis,
mikrohidro mempunyai tiga komponen utama yaitu air sumber energi,
turbin dan generator. Air yang mengalir dengan kapasitas tertentu
disalurkan dengan ketinggian tertentu melalui pipa pesat menuju
rumah instalasi (powerhouse). Di rumah instalasi, air tersebut akan
menumbuk turbin sehingga akan menghasilkan energi mekanik berupa
berputarnya poros turbin. Putaran poros turbin ini akan memutar
generator sehingga dihasilkan energi listrik. Secara skematis
ditunjukkan pada gambar 2.1. berikut ini :
Gambar 2.1 Skema PLTMHCara kerja PLTMH sebagai berikut:a. Aliran
sungai dibendung agar mendapatkan debit air ( Q) dan tinggi jatuh
air (H), kemudian air yang dihasilkan disalurkan melalui saluran
penghantar air menuju kolam penenang,b. Kolam penenang dihubungkan
dengan pipa pesat, dan pada bagian paling bawah di pasang turbin
air.c. Turbin air akan berputar setelah mendapat tekanan air ( P ),
dan perputaran turbin dimanfaatkan untuk memutar generator,d.
Setelah mendapat putaran yang constan maka generator akan
menghasilkan tegangan listrik, yang dikirim kekonsumen melalui
saluran kabel distribusi ( JTM atau JTR).2.2 Pendekatan Analisis
Pendekatan analisis yang digunakan umumnya bersifat parametrik
ZUHAL, 1981). Secara teoritis daya yang dapat dibangkitkan oleh
PLTMH dilakukan dengan pendekatan :
Dimana : : Masa jenis air (kg/m3) Q : Debita air dalam (m3/dt) H
: Tinggi jatuh air dalam (m)Daya teoritis PLTMH tersebut di atas,
akan berkurang setelah melalui turbin dan generator, yang
diformulasikan sebagai berikut :
Dimana : eff T : Efisiensi Turbin antara ( 0,8 s/d 0,95) eff G :
Efisiensi Generador ( 0,8 s/d 0,95)
Perkiraan beban tersambung ( SUBROTO, I . 2002).
Dimana : n = banyaknya pelanggan P = Daya listrik pada tiap
pelanggan ( Watt)
Kecepatan medan putar di dalam generator sinkron dinyatakan oleh
persamaan :(THERAJA, BL. 2001).
Dimana :ns = Kecepatan medan putar (rpm)f = Frekuensi (Hz)p =
Jumlah kutub motor induksiKecepatan putar rotor tidak sama dengan
kecepatan medan putar, perbedaan tersebut dinyatakan dengan slip
:
Dimana :s = slipns = kecepatan medan putar stator (rpm)nr =
kecepatan putar rotor (rpm)Dan daya maksimum yang di hasilkan
dirumuskan :
Dan efisiensi dituliskan :
2.3 Survei potensi Peninjauan lapangan untuk survai potensi ini
bersifat pengecekan/konfirmasi hasil desk study terhadap
situasi-kondisi lokasi yang sebenarnya. Survai potensi ini sering
juga disebut sebagai survai identifikasi lokasi. Disamping
mengidentifikasi lokasi, di dalam survai potensi juga dilakukan
evaluasi, modifikasi dan sebagainya sehingga prospek selanjutnya
dari rencana lokasi tersebut dapat diperkirakan. Tidak selalu bahwa
lokasi yang dimaksud akan mempunyai prospek untuk dilanjutkan ke
tahap berikutnya. Ada kalanya suatu lokasi terlihat sulit untuk
dikembangkan, kemungkinan karena faktor kondisi air sungainya,
situasi topografinya, sulit dan jauh dari lokasi penduduk. Kegiatan
pokok di dalam lapangan (survai, pengukuran, dan lain-lain) pada
survai potensi antara lain sebagai berikut :( WIBAWA,U. 2006)a.
Gambaran pencapaian lokasi, kondisi yang ada.b. Pengukuran debit
sesaat dari aliran air sungai. c. Pengukuran tinggi jatuh
(head).d.Menentukan beberapa alternatif susunan konfigurasi dari
PLTMH, yaitu gambaran di lapangan mengenai posisi-posisi lokasi
bangunan utama PLTMH (bendung, intake, saluran, kolam, pipa pesat,
gedung pembangkit, tail race, switchyard, jalan masuk, rute
jaringan, dll).e. Survai-survai yang berhubungan dengan aspek-aspek
tersebut di atas yakni topografi, hidrologi, geologi/geoteknik,
sistem kelistrikan, metode pusat beban, sosial-ekonomi,
fasilitas-fasilitas yang mendukung, sumber material dan data
pendukung lainnya.Adapun karakteristik potensi untuk menentukan
tingkat prospek pengembangan PLTMH adalah sebagai berikut :
(MASONYI, 2007)a. Kapasitas lebih dari 100 kW.b. Kemiringan dasar
sungai minimum 2 % atau debit air relatif besar.c. Jarak PLTMH ke
pusat beban, maksimum 20 km.d. Teknis pelaksanaan mudah.Tahap
survai potensi dalam hal ini harus dapat menghasilkan prediksi
secara awal bahwa potensi PLTMH yang dimaksud cukup layak untuk
dikembangkan.2.3.1 Tinggi Jatuh air (Head) Penentuan debit dan head
pada PLTMH mempunyai arti yang sangat penting dalam menghitung
potensi tenaga listrik.Seperti pada gambar 2. Variabel debit
diwakili oleh jumlah rata-rata bulan kering dalam satu tahun.
Artinya dicari areal-areal yang jumlah bulan keringnya kecil atau
bahkan tidak ada bulan keringnya sama Pengukuran debit air (Q)
sungai pada dasarnya terdapat banyak metode pengukuran debit air.
Untuk sistem konversi energi air skala besar pengukuran debit bisa
berlangsung bertahun-tahun. Sedangkan untuk sistem konversi energi
air skala kecil waktu pengukuran dapat lebih pendek, misalnya untuk
beberapa musim yang berbeda saja. (WIBAWA,U. 2006). Tingkat
kemiringan yang diwakili oleh indikator gradien skematik, semakin
miring areal, semakin besar kemungkinan untuk ditemukannya head
yang cukup untuk PLTMH.
Gambar 2.2. Pengukuran tinggi jatuh airGradien skematik
rata-rata dirumuskan sebagai berikut : . (WIBAWA,U. 2006)
Dimana :h1 = Elevasi titik tertinggi (m)h2 = Elevasi titik
terendah (m)A = Luas areal (m2) 1.3.2 Pengukuran Debit airTerdapat
banyak metode pengukuran debit air. Sistem konversi energi air
skala besar pengukuran debit dapat berlangsung bertahun-tahun.
Sedangkan untuk sistem konversi energi air skala kecil waktu
pengukuran dapat lebih pendek, misalnya untuk beberapa musim yang
berbeda saja. . (WIBAWA,U. 2006) Menegukur luas permukaan sungai,
dan kecepatan aliran air sungai dapat dilakukan seperti langkah
langkah pengukuran berikut: ( SUBROTO, I . 2002).a. Pengukuran
kedalaman sungai dilakukan di beberapa titik berbeda X1 Xn (seperti
ditunjukkan gambar 2.3).b. Lebar sungai (l) dimisalkan 10 m.c.
Hitung kedalaman rata-rata, menggunakan rumus:
d. Luas diperoleh dengan mengalikan kedalaman rata-rata dengan
lebar sungai, yaitu : A = X(rata). l Mengukur kecepatan aliran
sungai (v), langkah langkah pengukuran:. Carilah bagian sungai yang
lurus dengan panjang sekitar 20 meter, dan tidak mempunyai arus
putar yang menghambat jalannya pelampung. ( SUBROTO, I . 2002)A.
Ikatlah sebuah pelampung kemudian dihanyutkan dari titik t0 t1
seperti terlihat pada gambar 2.3 berikut.
a. Pengukuran luas permukaan sungai b. Pengukuran kecepatan
aliran air sungai Gambar 2.3 Pengukuran luas permukaan dan
kecepatan aliran sungaiB. Hal ini dilakukan 5 kali berturut turut
kemudian catat waktu tempuh pelampung tersebut (t0 t1) dengan
menggunakan stopwatch.C. Hitunglah waktu tempuh rata-rata dari
pelampung tersebut, yaitu : trata = (sigma t) / nD. Kecepatan
aliran air sungai (v) diperoleh dengan membagi jarak sungai (s)
dengan waktu tempuh rata-rata dari pelampung tersebut, yaitu : (t0
t1), v = s / trata Setelah luas dan kecepatan aliran sungai
diketahui, maka besar debit pada sungai tersebut dapat dianalisis:
Q = A x v (m3/det)3. METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Lokasi dan Waktu Penelitian. Lokasi penelitian dilaksanakan
di Desa Padasuka Kecamatan Pegalaran Kabupaten Cianjur Jawa Barat.
Lama waktu penelitian selama satu tahun ( Juni 2006 hingga Juni
2007), dimulai survai lapangan hingga laporan akhir. 3.2
Pelaksanaan Survay Lapangan.Pelaksanaan survey dan kerja lapangan
meliputi: a. Pengukuran ulang head (h) dan debit air (Q). b.
Pengecekan kondisi bendungan c. Pengecekan pipa pesat d. Pengecekan
turbin dan generator serta proteksinya e. Pendataan beban listrik
dikonsumen.3.3 Alat dan Bahan Kerja Survey Lapangan.Beberapa unit
alat dan bahan kerja yang perlu disipakan:a. Alat keselamatan
kerja, seperti P3K, sepatu boat, tali pendaki gunung, sarung
tangan, dan helm atau topi.b. Alat Kerja, rol meter, alat tulis,
slang plastic, papan mistar, serta beberapa alat pendukung
lainnya.3.4 Alat Ukur dan PengujianBeberapa alat ukur dan alat
pengujian yang digunakan adalah, debit meter 1 unit, spidometer 1
unit, volt meter, amper meter dan watt meter masing-masing satu
unit, osiloskop kapasitas 20MHz, unit dan taco meter 1 unit, serta
beberapa Mini Circuit Breaker. 3.5 Perlengkapan Fasilitas
Penelitian Perlengkapan fasilitas yang digunakan untuk melakukan
penelitian terdiri: a. Perlengkapan Teknik Sipil berupa bendungan
air, saluran penghantar dan kolam air.b. Perlengkapan Mekanik
berupa, pipa pesat, turbin, gear box, dan governor.c. Perlengkapan
Listrik berupa generator singkron, alat control dan proteksi serta
alat-alat pengukuran listrik ( volt meter, amper meter, cos phi
meter, watt meter dan frekuensi meter serta beberapa alat ukur
lainnya.d. Alat-alat pendukung lainnya. 3.6 Pengolahan Data.Setelah
data terkumpul dilakukan pengolahan dan analisis data, agar
pelaksanaan dan keputusan yang diterapkan menjadi efisien. Data
yang diperoleh berupa:a. Data heat dan debit airb. Data beban
konsumen terpasangc. Data saluran penghantar air d. Data turbine.
Data pipa pesatf. Data Generatorg. Data Jaringan Listrik Tegangan
Rendah ( JTR).4. HASIL DAN BAHASAN4.1 Data Debit dan Tinggi jatuh
air. Setelah dilakukan pengukuran ulang diperoleh tinggi jatuh air
12 meter dan debit air di sungai Cisuka pada musim kemarau 2,6
m3/dt dan pada musim hujan mencapai 5,2 m3/dt, dan rata-rata debit
harian 3,9 m3/dt. Mengacu persamaan (2.1), maka daya listrik yang
dapat dibangkitkan secara teoritis : P = 9,8 x 3,9 x 12 = 460 kW.
Debit air dan tinggi jatuh air diperlihatkan pada gambar 4.1
berikut.
Sumber: Foto Lalu & M. Hariansyah, Juni 2006.Gambar 4.1
Pengukuran Debit air Sungai
4.2 Data Beban KonsumenBeban konsumen di Desa Padasuka dibedakan
menjadi 2 kelompok, beban pada rumah permanen 450 VA atau 383 Watt,
pada factor kerja 0,85 standar PT.PLN, rumah semi permanen 250 VA
atau 213 Watt. Tercatat 63 rumah permanen sudah termasuk 4 unit
bangunan fasilitas social, dan 123 rumah semi permanen. Mengacu
kepada persamaan diatas diperoleh perkiraan daya tersambungPT = (
63 x 383) + ( 123 x 383) = 50,325 kW, perkiraan pada saat beban
maksimum.Kondisi beban tersambung diperlihatkan pada table 4.1
berikut.
Tabel 4.1 Data Beban Terpasang
Sumber: Olah Data M. Hariansyah,20061.3 Data saluran penghantar
Air.Debit air yang ada di sungai Cisuka, tidak dimanfaatkan semua
untuk menggerakkan turbin, dari bendungan air disalurkan melalui
saluran penghantar air, dengan ukuran panjang saluran air 328
meter, lebar permukaan atas saluran 1,4 meter, lebar bagian bawah
1,0 meter, dan kecepatan aliran air di dalam saluran penghantar air
0,83 m/dt. Mengacu pada persamaan (2.10 hingga 2. 14) diperoleh
debit yang masuk kesaluran penghantar: Q = (1,2 m2 x 0,83 m/dt ) =
0,996 m3/dt. Saluran penghantar air diperlihatkan pada gambar 4.2
berikut.
Sumber: Foto Lalu , PLTMH Padasuka, Januari 2007.Gambar 4.2
Saluran penghantar air1.3 Data Pipa Pesat dan data Turbin.Panjang
pipa pesat dari kolam penampung air hingga keturbin 44 meter,
dengan ketinggian jatuh air 12 m, kemiringn pipa pesat 30o, serta
diameter dalam pipa pesat 600 mm, dan diameter luar 760 mm,
menggunakan pipa baja. Kecepatan air di dalam pipa pesat 3,52 m/dt.
Sehingga debit air yang mengenai sudu turbin mengacu persamaan (
2.10 1.14) sebesar:Q = 0,283 m2 x 3,52 m/dt = 0,996 m3/dt.Turbin
yang dipergunakan untuk memutar generator jenis turbin air
Franciss, dengan karaketristik ketinggian jatuh air yang ideal
untuk turbin ini 8 hingga 100 m, kapasitas 100 kVA, dan putaran 512
rpm, sehingga diperlukan gearbox tranmisi putaran dari 512 rpm
menjadi 1.500 rpm untuk memutar generator, dan efisiensi turbin
mencapai 88 %. Mengacu pada persamaan (2.2), maka daya listrik yang
keluar dari turbin:PT = 9,8 x 0,996 x 12 x 0,88 = 117 kWGenerator
yang digunakan adalah generator sinkron, dengan kapasitas daya 80
kVA, tegangan listrik efektif 400/232 volt, frekeunsi 50 Hz, dan
efisiensi 90 % ,putaran 1500 rpm, buatan Hitachi, tahun 2005.
Mengacu persamaan (2.2), maka daya keluar dari generator adalah:PG
= PT. effg = 117 x 0,9 = 105 kW, adalah daya keluaran maksimum
PLTMH Padasuka.Foto pipa pesat dan turbin air serta generator desa
Padasuka diperlihatkan pada gambar 4.4 berikut.
Sumber: Foto Lalu , PLTMH Padasuka, Maret, 2007. Gambar 4.3 Pipa
pesat, turbin dan Generator4.5 Pengukuran Tegangan, arus dan beban
listrik.Data jaringan listrik menggunakan system radial, panjang
jaringan dari Power house ke pusat beban terjauh 720 meter, dengan
drop tegangan 1,03 % masih dalam batas standar PUIL 2000 yaitu
sebesar 5 %. Hasil pengamatan grafik arus dan tegangan menggunakan
osiloskop 20 MHz, Yokogawa, 2 Chanel, dan grafik pengamatan beban
diperlihatkan pada gambar 4.4 berikut. Pengamatan dilakukan oleh
operator petugas PLTMH pada saat beban puncak pukul 24.00 s.d
00.00, pada tanggal 22 Juni 2007. Hasil pengamatan dibuat dalam
bentuk tabel beban, kemudian dibuat grafik beban listrik, dapat
dilihat pada tabel 2 berikut.
Gambar 4.4. Gelombang arus dan tegangan output dari
PLTMHPemakaian energy listrik selama 24 jam diperlihatkan pada
table berikut.Tabel 2. Pengukuran Besran Listrik
Dan bentuk dari grafik beban listrik diperlihatkan pada gambar
4.5 berikut.
Gambar 4.5 Grafik Daya listrik setiap jam4.6 Efisiensi PLTMH
Efisiensi adalah perbandingan daya output maksimum dengan daya
input yang dapat dibangkitkan. Mengacu persamaan ( 2.7) dihasilkan
efisiensi :
Dari perhitungan diatas didapatkan efisiensi sebesar 79 %.4.7
Manfaat Untuk Masyarakat. Manfaat penerapan PLTMH di Indonesia
adalah sebagai berikut : ( MARTIN J. 2000)Meningkatkan Kualitas
hidup masyarakat: a. Memberikan penerangan (lampu), dengang
kualitas lebih baik, sehingga jam belajar dan beraktifitas lebih
panjang;b. Membukakan akses pada informasi (radio, Televisi,
internet);c. Memberikan akses pada sumber air minum dan pertanian
d. Menciptakan bisnis baru didesa (jadi distributor/service center
yang mampu dilakukan oleh Koperasi,e. Menciptakan lapangan kerja di
desa (penjualan dan service center memerlukan banyak tenaga
lokal);f. Menciptakan Tenaga Teknisi di desa.g. Mengatur tata lahan
air, untuk irigasi pertanian.Gambar 4.6 menunjukkan manfaat PLTMH
di masyarakat khususnya di pedesaan.
Sumber: Foto, M. Hariansyah. Agustus 2007. ( Padasuka-Kab.
Cianjur)Gambar 4.6. Manfaat PLTMH untuk masyarakat Pedesaan5.
KESIMPULAN Berdasarkan uraian yang telah dikemukakan di atas, maka
kesimpulan yang dapat diambil dari peningkatan kapasitas daya
listrik dari PLTMH di Padasuka dari 25 kVA menjadi 60 kVA dapat
dilakukan dengan cara:a. Debit air sungai yang tersedia cukup besar
yaitu 3,9 m3/dt, sementara yang dimanfaatkan hanya 0,996 m3/dt, dan
dapat menghasilkan daya listrik 105 kW. pada ketinggian jatuh air
12 meter, efisiensi turbin 88%, dan generator 90%, sehingga dari
debit 0,996 m3/dt tersebut di atas masih banyak yang terbuang.b.
Beban maksimum 42 kW, terjadi pada pukul 09.00 12.00 dan 17.00
22.00, dan rata-rata konsumsi energy listrik sebanyak 702 kWh
perhari, sementara daya terpasang 60 kVA atau 51 kW.c. Tegangan
listrik yang dibangkitkan pada saat melayani beban maksimum dan
minimum berkisar 378 382 volt ( system phasa-ke phasa), masih
memenuhi ketentuan PUIL 2000 yaitu ( - 5 % s.d + 10 % ) dari
tegangan efektif.