studi perencanaan plta karangkates iv & v pada bendungan

STUDI PERENCANAAN PLTA KARANGKATES IV & V

PADA BENDUNGAN KARANGKATES KABUPATEN MALANG

Septian Maulana1, Suwanto Marsudi2, Ussy Andawayanti2 1Mahasiswa Program Sarjana Teknik Jurusan Pengairan Universitas Brawijaya

2Dosen Teknik Pengairan Fakultas Teknik Universitas Brawijaya

e-mail: [email protected]

ABSTRAK Pengembangan sumber daya air bisa dilakukan dengan memanfaatkan bangunan air

yang dibangun untuk dikembangkan menjadi unit pembangkit listrik (PLTA). Studi ini

diperlukan untuk mengidentifikasi potensi dan keuntungan dari sebuah unit pembangkit.

Studi ini dilakukan untuk mengetahui besarnya energi paling efektif yang dapat

dilakukan berdasarkan kelayakan teknis maupun ekonomi. Studi berlokasi di bendungan

Karangkates dengan memanfaatkan debit pada bendungan. PLTA direncanakan untuk

menambah kapasitas terpasang dengan memanfaatkan tinggi jatuh dan debit pada

bendungan. Studi ini menggunakan alternatif debit untuk mendapatkan hasil yang

optimum.

Hasil kajian menunjukan debit 107,53 m3/dt (alternatif 2) dapat dibangkitkan energi

tahunan 143.015,06 MWh dan mereduksi emisi gas karbon sekitar 97.050 tCO2/tahun,

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 1.055,57 milyar rupiah dengan nilai BCR 1,23, NPV 271,06 milyar

rupiah, IRR 14,89 % dan pay back period 14,20 tahun, sehingga pembangunan PLTA

layak secara ekonomi.

Kata kunci: PLTA, debit, energi, emisi, kelayakan ekonomi

ABSTRACT

Development of water resources can be done by utilizing the water building built to

be developed into a electric generating units (Hydropower). This study is required to

identify the potential and advantages of a generating unit.

This study was conducted to determine the most effective energy that can be done

based on the technical and economic feasibility. This study is located at the dam

Karangkates by utilizing head effective of dam. Hydropower planned to add instalied

capacity by utilizing head dam fall and discharge at the dam. This study uses an

alternative discharge to obtain optimum results..

The results of the study showed the discharge of 107,53 m3/sec (Alternative 2) can

be produced 143.015,06 MWh of annual energy and reduce carbon emissions around

97.050 tCO2/year, Hydropower is constructed including: civil structures component

(intake, tunnels, penstock, surge tanks, Tailrace channel, and power house) electrical and

mechanical equipment such as turbines, governors and generator. The construction cost of

1.055,57 billion rupiah to the value of BCR: 123, NPV: 271,06 billion, IRR: 14,89 % and

pay back period: 14,20 years, so the development of hydropower is economically viable .

Keywords: hydropowers, discharge, energy, emissions, economic feasibility

1. Pendahuluan

Keberadaan listrik merupakan hal

yang sangat essensial bagi kehidupan

manusia karena hampir semua kegiatan

manusia tidak terlepas dari kebutuhan

terhadap listrik mulai dari kalangan

perumahan biasa sampai kepada kalangan

perindustrian, kebutuhan yang besar

tehadap listrik inilah kemudian

melahirkan Industri pembangkitan listrik.

Begitu juga yang terjadi di

Indonesia kebutuhan terhadap energi

listrik sangat besar, bahkan setelah pulih

dari krisis moneter 1998 kebutuhan

enegri listrik di Indonesia mengalami

trend peningkatan, menurut data pada

tahun 1995 – 2000 konsumsi listrik di

Indonesia mengalami peningkatan

sebesar 2,9 % pertahun, sedangkan pada

tahun 2000 – 2004 konsumsi energi

listrik juga mengalami peningkatan

signifikan yaitu sebesar 5,2% per

tahunnya.

Berdasarkan data Rencana Usaha

Penyediaan Tenaga Listrik (RUPTL)

PLN, kebutuhan energi di Indonesia pada

tahun 2014 mencapai 225,4 terawatt

(Twh), terdiri dari Jawa-Bali 174,9 Twh

dan luar Jawa-Bali sebesar 50,5 Twh.

Sementara, pada tahun 2018 permintaan

listrik nasional diperkirakan mencapai

352,2 Twh terdiri dari Jawa-Bali 250,9

Twh dan luar Jawa-Bali 74,3 Tw.

Pertumbuhan listrik nasional pada 2014

diperkirakan mencapai 9,8%.

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 bendungan saat

ini bukan lagi hanya untuk irigasi dan air

baku saja, tetapi bisa dimanfaatkan untuk

PLTA juga. Selain memiliki tinggi jatuh

yang sangat besar bendungan 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 meng-

analisa kelayakan dari perencanaan

PLTA dengan memanfaatkan debit air

sungai yang tersimpan pada bendungan

yang dirasa dapat meningkatkan produksi

energi listrik untuk memenuhi kebutuhan

energi listrik yang meningkat.

2. Pustaka dan Metodologi

Klasifikasi pembangkit listrik tenaga

air

Klasifikasi pembangkit listrik

tenaga air dapat dibedakan menjadi lima

jenis berdasarkan masing-masing

parameter, antara lain (Patty, 1995) :

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.

Simulasi operasi waduk untuk PLTA

Dalam simulasi pola operasi

waduk untuk PLTA digunakan konsep

beban puncak yaitu dengan mengalihkan

debit dasar ke debit puncak dengan

tujuan agar distribusi listrik lebih efisien

dan efektif.

Operasi waduk pada PLTA dioperasikan

untuk keadaan sebagai berikut :

a. Operasi beban puncak dengan lama

waktu operasi standard dalam satu

hari selama 5 jam, mulai dari jam

17.00 – 22.00.

b. Operasi beban dasar dengan lama

waktu operasi standard dalam satu

hari selama 19 jam, mulai dari jam

23.00 – 16.00, jika terdapat debit

lebih dari pemakaian operasi beban

puncak.

Perencanaan Bangunan PLTA

PLTA Karangkates IV & V

merupaka PLTA dengan kategori kolam

tendon (reservoir) meliputi:

A. Pintu Pengambilan

Pintu pengambilan adalah pintu

untuk mengatur jumlah air yang masuk

ke saluran / terowongan sesuai kebutu-

han. Desain pintu pengambilan ini diren-

canakan berdasar atas kebutuhan air ses-

uai dengan desain perencanaan. Jenis dan

type intake antara lain ;

Canal Intake

Reservoir Intake

Tunnel Intake

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. Parameter desain yang diren-

canakan 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 akan mempe-

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. Kebutuhan terhadap tangki

gelombang

Pipa pesat membutuhkan tangki

gelombang jika L > 4H

4. 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)

Gambar 1. Skema Inlet Pipa

Pesat

5. Sistem Pengambilan Melalui

Pipa Pesat (Inlet)

Sistem pengambilan pada mulut

pipa pesat perlu diperhitungkan

dengan tujuan untuk mengatur

sistem regulasi debit air yang

masuk ke dalam turbin baik saat

kondisi operasional maupun

kondisi perawatan ,intake pipa

pesat biasanya didesain dengan

menggunakan sistem katup

(valve), Tipe katup yang sering

diaplikasikan adalah :

a. Gate valve

b. Butterfly valve

c. Needle valve

C. 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 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)

D. Bangunan Pembuang

Bangunan pembuang digunakan

untuk mengalirkan debit setelah melalui

turbin meuju ke sungai, bangunan

pembauang sendiri bisa direncanakan

sesuai dengan kondisi lapangan, umunya

bangunan pembuang direncanakan

dengan tipe saluran terbuka (saluran

tailrace).

Tinggi Jatuh Efektif

Tinggi jatuh efektif adalah selisih

antara elevasi muka air pada bangunan

pengambilan atau waduk (EMAW) den-

gan 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 2. 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 = Ns1.64

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 (Ramos,2000):

Gambar 3. Grafik Effisiensi Turbin

B. Peralatan Elektrik

Peralatan elektrik PLTA berfungsi

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 Reduksi Emisi Gas Karbon

Analisa reduksi emisi gas karbon

dihitung dengan persamaan (Anonim,

2005):

ΔGHG : (ebase – eprop) Eprop (1- λprop)

Dimana:

ΔGHG : Besaran reduksi gas karbon

( kgCO2e )

ebase : faktor emisi gas karbon dari

sumber tidak terbarukan

eprop : faktor emisi gas karbon dari

sumber terbarukan

Eprop : besarnya daya bangkitan (kWh)

λprop : kehilangan daya pada grid

nilai unit konversi produksi

emsisi gas karbon per kWh adalah

sebagai berikut:

Tabel 2. Nilai Konversi Produksi Emisi

Sumber: IPCC,2006

Analisa Kelayakan Ekonomi

Analisa ekonomi dilakukan untuk

mengetahui kelayakan suatu proyek dari

segi ekonomi. Dalam melakukan analisa

ekonomi dibutuhkan dua komponen

utama yaitu:

cost (komponen biaya)

Meliputi biaya langsung (biaya

konstruksi) dan biaya tak langsung

(O&P, contingencies dan engineering)

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 4. Konsep Dasar PLTA

Karangkates IV & V

Berdasarkan analisa inflow harian

digunakan debit desain rencana untuk

desain PLTA dengan keandalan tertentu

seperti pada kurva durasi aliran (FDC)

seperti berikut:

Gambar 5. Kurva Durasi Aliran

Outflow

Dari kurva maka dilakukanlah

simulasi waduk untuk menentukan daya

terpasang dan debit yang dibutuhkan.

Debit yang dapat digunakan untuk

perencanaan PLTA adalah sebagai

berikut :

Tabel 3. Alternatif Debit Desain

Maka dari perencanaan alternatif

tersebut direncanakan komponen

bangunan sipil, pada studi ini digunakan

alternatif 1 sebagai acuan debit desain

bangunan sipil, bangunan sipil yang

direncanakan meliputi:

Debit daya

m3/dt MW

1 67,4 2x50

2 53,76 2x40

Alternatif

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:

Debit desain : 134,79 m3/dt

Tinggi pintu : 13 meter

Lebar pintu : 8 meter

Jumlah Pintu : 2 pintu

Sedangkan desain penyaring

(trashrack) adalah sebagai berikut :

Bentuk jeruji : bulat memanjang

Kemiringan trashrack : 45o

Tebal jeruji (s) : 10 mm

Lebar trashrack : 6,5 m

Jarak antar jerujui : 100 mm

Jumlah jeruji : 65 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 : 134,79 m3/dt


Daya PLTA : 2x50 MW

Gross headi : 94,59 m

Panjang terowongan : 551,5 m

Perencanaan diameter terowongan:

Pendekatan yang digunakan

dalam perencanaan diameter terowongan

adalah kecepatan izin, menurut mosonyi

kecepatan izin pada terowongan berbahan

beton adalah 2-4 m/dt.

Tabel 4. Perhitungan Diameter

V A D

2 74.135 9.716

2.5 59.308 8.690

3 49.423 7.933

3.5 42.363 7.344

4 37.067 6.870

4.5 32.949 6.477

Sumber : Hasil Perhitungan

Maka dari hasil diatas didapatkan

hasil sebagai berikut :

Kecepatan : 3,5 m/dt

Diameter : 7,4 m

Tebal luar : 1,3 m

Tebal total : 10 m

Kedalaman Aliran Tekan

Kedalaman aliran pada terow-

ongan diperlukan untuk menjaga debit air

yang masuk menuju terowongan agar

selalu berada pada keadaan tertekan.

Data yang dibutuhkan:


Diameter : 7,40 m

g : 9,81 m2/dt

Persamaan Knauss :

ht > D 1+2,3𝑣

(𝑔𝐷)0,5

ht > 7,40 1+2,3 3,5

(9,81 7,40)0,5

ht = 14,392 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 : 43,008 m2

Alubang udara : 8,602 m2

Dlubang udara : 3,309 m

Perencanaan Pipa Pesat :

Data yang dibutuhkan dalam

perencanaan pipa pesat adalah sebagai

berikut :

Debit total : 134,79 m3/dt

Panjang pipa pesat : 279 m

Tinggi jatuh : 94,59 m

Jumlah pipa pesat : 2 buah

Kekasaran manning : 0,015

Debit tiap pipa : 67,40 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. (74,1352

2 9,81 94,59)

0,25

D = 4,657 m,

maka:

A = 17,033 m2

V = 3,957 m/dt (memenuhi kecepatan

izin)

Persamaan diameter ekonomis

ESHA (Penche,2004):

Jika tinggi tekan karena gesekan pipa

direncanakan 3% dari gross head maka:

D = (𝑛2𝑄2𝐿

𝐻𝑓)

0,1875

D = (0,015274,1352279

2,838)

0,1875

D = 3,81 m, maka:

A = 6,51 m2

V = 6,51 m/dt (memenuhi kecepatan

izin)

Dari kedua persamaan diketahui

bahwa metode Sarkaria dan ESHA bisa

dipergunakan namun perlu dilakukan

analisa pengaruh diameter terhadap

beberapa faktor seperti kehilangan energi.

Maka selanjutnya diameter dihitung

dengan pendekatan kecepatan berda-

sarkan mosonyi, maka :

Kecepatan potensial aliran pada

pipa pesat berdasarkan tinggi jatuh :

V = √2 𝑔 𝐻

= √2 9,81 94,59

V = 43,079 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 = 4,825 m

D min = 2,883 m

Maka nilai kisaran diameter pipa

pesat adalah 2,883 – 4,825 m.

Tabel 5. Hubungan Diameter Dengan

Headloss


Jadi diameter pipa pesat adalah sebagai

berikut :

D = 3,9 m

A = 11,94 m2

V = 6,209 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:

USBR : 8.77 mm

PG&E : 16,542 mm

Direncanakan tebal pipa pesat

adalah 17 mm (tebal pipa terbesar dari

analisa diatas)

Jenis baja untuk pipa pesat

Jenis baja yang dipilih untuk

perencanaan pipa pesat adalah baja SM

400B dengan spesifikasi sebagai berikut :

Tabel 6. Spesifikasi Baja SM 400B

Sumber : Bringas, 2004

Pengaruh pukulan air terhadap

pipa pesat

Steel properties notation value unit value unit

type

tensile strenght σs 4079 kg/cm24.00E+08 N/m2

compresivve stress kg/cm2 0.00E+00 N/m2

shearing stress kg/cm2 0.00E+00 N/m2

Yield strength σy 2498 kg/cm22.45E+08 N/m2

unit weight of pipe gs 7860 kg/m37.70E+04 N/m3

modulus elastic of steel Es 1.94E+06 kg/cm21.90E+11 N/m2

coefficient of linier expansion of steel αs 0.000012 /oC

temperature change in penstock ΔT 15 oC

poisson ratio of steel vs 0.26

SM 400B

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

: 771,416 5,642

2 9,81 94,59

ρallevi : 2,345

θ : 𝛼𝑇

𝛼𝐿𝑜

: 771,416 5

2 279

θ : 6,912

Dimana perhitungan pukulan air

untuk turbin francis adalah sebagai beriku

; ℎ𝑜

𝐻𝑜 : (

0,75

𝜃√𝜃 +1,25) n

ho : 41,437 m, ℎ𝑜

𝐻𝑜 : 43,437 %

Pipa pesat membutuhkan tangki

gelombang bila𝛴𝐿 𝑣

𝐻 > 3 sampai 5, dalam

studi ini panjang pipa pesat (L) adalah

279 m, kedepatan dalam pipa pesat 4,4

m/detik sedangkan tinggi jatuh (H)

adalah 94,59 m maka dalam studi ini pipa

pesat membutuhkan tangki gelombang.

3. Tangki gelombang (Surge Tanks)

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 : 1,243,01 551,5

2 9,81 0,06 94,59

Ast : 255,618 m2

Sehingga,

Dst : √𝐴𝑠𝑡

0,25𝛱

: √255,618

0,25 3,14

Dst : 18,041 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 :134,79 m3/dt

Elv dasar saluran : +170

Lebar saluran : 20 meter

Bentuk saluran : persegi

Jenis pasangan : beton

Koefisien manning : 0,020

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 : 0,5 meter

Elevasi ambang : +170,50

Elevasi dasar : +170,00

Dengan menggunakan persamaan

Q = C B H1,5 dengan nilai koefisien debit

untuk pengaliran tenggelam (C = 1,7)

maka akan didapatkan lengkung kap-

asitas debit (ratingcurve) berdasarkan de-

bit operasional pada ambang tailrace seb-

agai berikut:


Gambar 6. Rating Curve Pada Ambang

Tailrace

Perhitungan Tinggi Jatuh Effektif

Dengan menggunakan persamaan

empir-ik berdasarkan potensi kehilangan

tinggi tekan maka tinggi jatuh effektif

diten-tukan seperti pada tabel berikut:

Tabel 7. Perhitungan Tinggi Jatuh

Effektif

paremeter tinggi tekan Hf

kehilangan pada intake

trashrack 0.013

intake 0.188

kehilangan pada Terowongan

akibat gesekan 0.954

inlet 0.150

outlet 0.100

trashrack 2.961E-05

kehilangan pada pipa pesat

gesekan 2.503

inlet 0.589

belokan 1.965

katup 0.393

outlet 0.100

kehilangan sebelum turbin

diasumsikan 0.1

total kehilangan 7.056

elevasi TWL

TWL +177.9

tinggi jatuh (head)

net head 87.02

gross head 94.59


Perencanaan Peralatan Hidromekanikal

Dan Elektrikal

Peralatan hidromekanikal dan

elektrikal yang direncanakan dalam studi

ini meliputi: turbin hidraulik, peralatan

elect-rik dan rumah pembangkit.

Turbin hidraulik

Berdasarkan besarnya debit

desain dan tinggi jatuh effektif dapat

dipilih tipe turbin yang digunakan.

Debit desain : 67,40m3/dt

Tinggi jatuh effektif : 87,02 m

Daya teoritis : 50 MW atau

43012,39HP

Gambar 7. Pemilihan Turbin

Gambar 8. Pemilihan Turbin Reaksi

Maka direncanakan:

Tipe turbin : Francis

Jumlah turbin : 2 unit

Debit : 67,40 m3/dt

Frekuensi generator : 50Hz

Kutub generator : 28 buah

Kecepatan putar : 214,29 rpm

Kecepatan spesifik : 184,86 mkW

Diameter runner : 2,84 m

σkritis : 0,12

σaktual : 0,12

elv pusat turbin : +176,91

tinggi hisap : -0,47 m

dan direncanakan sistem intake turbin

tipe spiral case dan draft tube tipe elbow

dengan dimensi:

lebar total spiral case : 9,71 m

diameter intake spiral case : 3,23 m

tinggi draft tube : 5,68 m

panjang draft tube : 9,00 m

peralatan elektrik yang direncanakan

meliputi: generator 3 fasa, governor,

speed increaser, transformer, switchgear

dan auxiliary equipment.

rumah pembangkit direncanakan dengan

tipe dalam tanah (underground facility)

dengan dimensi:

Tinggi : 15 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

PLTAKarangkates IV & V tiap satu hari

operasi ditabelkan sebagai berikut:

Tabel 8. Hasil Pembangkitan Energi

harian Tiap Alternatif


Sedangkan hasil pembangkitan tahunan

untuk tiap alternatif adalah:

Tabel 9. Hasil Pembangkitan Energi

Tahunan Tiap Alternatif

No.

Unit

Turbin

Debit

Desain

Hari

Operasional

Energi

Tahunan

(unit) (m3/dt) (hari) (MWh)

1 2 11 134,79 163552,654

2 2 22 107,53 143015,159


Analisa CER

Berdasarkan hasil pembangkitan

energi tahunan maka didaptakan nilai

reduksi emisi dan pendapatan utnuk tiap

alternatif sebagai berikut:

Tabel 10. Hasil Reduksi Emisi Dan

CER

Alt

Jenis

Bahan

Bakar

Nilai

konversi

kgCO2

Energi

Bersih

Tahunan

MWh

Nilai

Reduksi

tCO2/th

Nilai

CER/Th

Milyar

Rp

1

Minyak 0,754 147197 110987 18.44

Diesel 0,764 147197 112459 18.69

Batu

Bara 0,94 147197 138366 22.99

Gas

Alam 0,581 147197 85522 14.21

2

Minyak 0,754 128714 97050 16.13

Diesel 0,764 128714 98337 16.34

Batu

Bara 0,94 128714 120991 20.11

Gas

Alam 0,581 128714 74783 12.43


Analisa Ekonomi

Biaya proyek dan OP dihitung

dengan menggunakan persamaan empirik

sebagai berikut:

Tabel 11. Estimasi Biaya PLTA

No item pekerjaan

Biaya

(milyar rupiah)

Alt 1 Alt 2

1 biaya engineering 19.27 17.08

2 peralatan hidromekanik 474.78 384.86

3 pemasangan hidromekanik 71.22 57.73

4 pemasangan jalur

transmisi 3.96 3.96

5 travo dan substansi 22.23 18.20

6 pemasangan travo dan

substansi 3.33 2.73

7 sipil 154.10 128.24

8 pipa pesat 45.96 39.62

9 pemasangan pipa pesat 5.95 5.13

10 Terowongan 20.96 15.44

11 Surge Tanks 18.62 14.11

12 lain lain 238.34 185.27

13 biaya contingencies 107.87 87.24

14 biaya O & P 10.79 8.72

15 capital cost 1,186.60 959.61

16 PPN 10% 118.66 95.96

17 total cost 1,305.27 1,055.57

18 rasio rp/kWh 7,981 7,381


Sedangkan estimasi manfaat

tahunan dari penjualan energi listrik

adalah:

Tabel 12. Estimasi Manfaat PLTA

No.

Harga

Listrik Rp/Kwh

Energi

tahunan Mwh

income

Milyar Rp

CER

Milyar Rp

Total

Milyar Rp

1 1175,4 163553 192,24 18,44 210,68

2 1175,4 143015 168,10 16,13 184,23


Dengan rencana usia proyek

adalah 35 tahun maka akan didapatkan

parameter kelayakan ekonomi sebagai

berikut:

Tabel 13. Analisa Ekonomi Tiap

Alternatif

Alt PV

Cost

Dengan CER

PV

Benefit BCR NPV

IRR

(%)

Pay

Back Period

1 1468,16 1661,17 1,13 193,01 13,68 17,86

2 1187,31 1458,37 1,23 271,06 14,89 14,89

Tanpa CER

1 1468,16 1483,47 1,01 15,30 12,13 30,23

2 1187,31 1302,98 1,10 115,68 13,24 19,81


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 13. Hasil Analisa Sensitivitas

Tiap Alternatif

Kondisi PV Cost PV

Benefit NPV BCR

Alternatif 1

1 1468.16 1328.93 -139.23 0.91

2 1761.79 1661.17 -100.63 0.94

3 1761.79 1328.93 -432.86 0.75

Alternatif 2

1 1187.31 1166.69 -20.61 0.98

2 1424.77 1458.37 33.60 1.02

3 1424.77 1166.69 -258.07 0.82


Sehingga dari analisa ekonomi

dipilih alternatif 2 sebagai alternatif yang

paling mengguntungkan

4. Kesimpulan

1. Berdasarkan analisa, kapasitas daya

terpasang berdasarkan alternatif

terpilih adalah sebesar 2x40 MW.

2. Produksi energi PLTA Karangkates

IV & V selama setahun berdasarkan

alternatif terpilih adalah sebesar

143.015,06 MWh

3. Desain bangunan PLTA Karangkates

IV & V yang dipergunakan dalam

studi ini adalah sebagai berikut:

a Bangunan sipil:

Pintu pengambilan, dengan detail

sebagai berikut :

Jenis pintu : Reservoir Intake

Tinggi pintu : 13 m

Lebar pintu : 8 m

Jumlah pintu : 2 Buah

Lebar pilar : 1,5 m

Lebar tiap pintu : 3,25 m


Bangunan terowongan, dengan detail

desain sebagai berikut :


Dterowongan : 7,40 m

Tebal luar : 1,3 m

Tebal Total : 10,0 m

Panjang : 551,5 m

Bangunan pipa pesat, dengan detail

desain sebagai berikut :

Material pipa pesat: SM 400B

Panjang pipa pesat: 279 m

Tinggi jatuh : 94,59 m

Jumlah pipa pesat : 2 buah

Diameter pipa pesat: 3,9 m

Luas pipa pesat : 11,94 m2

Kecapatan : 6,209 m/dt

Tebal pipa pesat : 17 mm

Tangki gelombang (Surge Tanks),

dengan detail sebagai berikut :

Diameter : 18 m

Luas : 255,618 m2

Diameter orifice : 5 m

Luas orifice : 19,635 m2

Tinggi tangki : 10 m

Rumah pembangkit (Power House),

dengan detail desain sebagai berikut:

Bentuk Power house: tipe dalam

tanah (underground type)

Tinggi : 15 meter

Lebar : 20 meter

Panjang : 50 meter

Material rumah : Beton

Tebal dinding rumah: 0,3 meter

Kedalaman pondasi: 1,5 meter

Bangunan pembuang (saluran

tailrace dan ambang lebar), dengan

detail sebagai berikut :

Luas saluran : 158,23 m2

Keliling basah : 35,82 m

Jari-jari hidraulik : 4,42 m

Slope : 0,000023

Kecepatan saluran: 0,852 m/dt

b Peralatan mekanik dan elektrik:

Turbin francis beserta kelengkapanya

(spiral case, draft tube dan wicket

gate), generator 50Hz 3 fasa dengan

28 kutub, governor, speed increaser,

travo, switchgear dan aksesoris

kelistrikan.

4. Berdasarkan analisa ekonomi

terhadap alternatif terpilih (alternatif

2) didapatkan besar biaya total

sebesar 1.187,31 milyar rupiah

dengan nilai BCR 1,23 , NPV 271,06

milyar rupiah, IRR 14,89 % dan pay

back period 10,02 tahun, sehingga

pembangunan PLTA layak secara

ekonomi.

Daftar Pustaka

1. Anonim. 2006. Guidelines for

National Greenhouse Gas

Inventories. Switzerland: IPCC

(International Panel In Climate

Change).

2. Anonim. 2005. RETScreen®

Engineering & Cases Textbook.

Kanada: RETScreen International.

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. Mosonyi, Emil. 1963. Water Power

Development Volume One Low

Head Power Plant. Budapest :

Akademiai Kiado

7. Patty, O.F. 1995. Tenaga Air.

Erlangga : Surabaya.

8. Penche, Celso. 2004. Guidebook on

How to Develop a Small Hydro Site.

Belgia : ESHA (European Small

Hydropower Association).

9. Ramos, Helena. 2000. Guidelines

For Design Small Hydropower

Plants. Irlandia : WREAN (Western

Regional Energy Agency &

Network) and DED (Department

of Economic Development).

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

Structure. India : N.C Jain at the

Roorkee Press.

Documents

studi perencanaan plta karangkates iv & v pada bendungan