## RANCANG BANGUN PROTOTYPE TURBIN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MINI
HIDRO (PLTMH) DI NAGARI KOTO GAEK GUGUK, SOLOK
Sanny Ardhy 1 , Meiki Eru Putra 2 , Islahuddin 3
1 Prodi Teknik Mesin, Unidha email: sannyardhy@gmail.com
2 Prodi Teknik Mesin, Unidha
email: meikieruputra@gmail.com
3 Prodi Teknik Mesin, Unidha email: islahuddin@unidha.ac.id DOI: http://dx.doi.org/10.31869/rtj.v3i1.1686
Abstract: Saat  ini,  Rasio  Elektrifikasi  (RE)  Sumbar  sebesar  92,80  persen.  Masih  ada  sekitar  7,2 persen  atau  78  ribu  rumah  tangga  yang  belum  menikmati  listrik.  Dari  total  tersebut,  RE  PT.  PLN (Persero) sebesar 98,78 persen dan sisanya 1,22 persen berasal dari RE listrik non PLN (Pembangkit Listrik  Tenaga  Mikro  Hidro/PLTMH  dan  Pembangkit  Listrik  Tenaga  Surya/PLTS).  Dalam  hal  ini, PLN  tidak  sepenuhnya  menyediakan  tenaga  listrik,  terutama  bagi  masyarakat  di  daerah  terpencil. Salah  satu  solusi,  dibangun  PLTMH.  RE  Kabupaten  Solok  pada  tahun  2017,  adalah  91,77  persen yang berada di bawah target nasional, 97,15 persen. Dalam penelitian ini, dipilih lokasi Nagari Koto Gaek Guguk, Kecamatan Gunung Talang. Penelitian ini hanya memfokuskan perancangan prototype turbin air. Dalam proses perencanaan, dibutuhkan data-data berupa debit dan head di lokasi PLTMH berada. Data diperoleh dari data gabungan, instansi terkait dan survei lapangan. Berdasarkan hasil survei didapatkan data berupa debit aliran sebesar 7 m 3 /s dan tinggi jatuh air (head) sebesar 39,41 m.  Selanjutnya,  dilakukan  perencanaan  pemilihan  turbin  dan  perancanaan  komponen.  Seperti perencanaan  dimensi  runner  turbin,  guide  vane,  dimensi  spiral  casing  dan  dimensi  poros. Berdasarkan  hasil  dan  pembahasan,  didapatkan  jenis  turbin  yang  dipakai  adalah  turbin  Francis sebanyak 2 buah dengan daya terbangkit 2.117,48 kW..
Keywords: Rasio Elektrifikasi, PLTMH, Turbin Francis, Daya

## PENDAHULUAN
Potensi  Pembangkit  Listrik  Tenaga  Air (PLTA)  di  Indonesia  diperkirakan  sebesar 76.670  Megawatt  (MW)  dan  Pembangkit Listrik  Tenaga  Mini  Hidro  (PLTMH)  sebesar 770  Megawatt  (MW).  Dari  potensi  tersebut, baru sekitar 6 persen yang telah dikembangkan [1].  Padahal,  kebutuhan  energi  listrik  kian meningkat  seiring  bertambahnya  konsumen. Kurangnya  energi  listrik  yang  tersuplai, menyebabkan  sebagian  daerah  tidak  teraliri listrik. Di Sumbar sendiri, masih banyak nagari yang belum teraliri  listrik. Beberapa  kabupaten di  Sumbar  masih  ada  yang  memiliki  rasio elektrifikasi  (RE)  di  bawah  83,2  persen  [2]. Kabupaten  Solok sendiri, RE pada tahun 2017, adalah  91,77  persen.  Angka  ini  berada  di bawah target nasional, 97,15 persen [3]. Karena itu,  penelitian  ini  diambil  sampel  di  daerah Kabupaten  Solok.  Padahal,  faktor  geografis Sumbar memiliki potensi sumber daya air yang berlimpah,  yaitu  1.100  MW.  Sumbar  memiliki 4  danau  dan  32  sungai  besar.  Dengan  sumber
daya  alam  yang  potensial  ini,  maka  sangat mungkin  untuk  dibangun  PLTMH  sebagai salah  satu  energi  alternatif,  termasuk  di  Koto Gaek  Guguk,  sebuah  nagari  di  Kecamatan Gunung  Talang.  Nagari  ini  memiliki  jumlah penduduk  sebesar  46.738  jiwa.  PLTMH  dapat dijadikan sebagai energi alternatif. Ini dikarenakan  proyek  PLTMH  dapat  dikerjakan secara  mudah  oleh  masyarakat,  biayanya murah, dan bahan baku sumber energi air yang melimpah  dan  terbarukan  (renewable  energy). Masyarakat dalam hal ini, cukup memanfaatkan air terjun  atau air aliran sungai sebagai sumber energi  (source  energy).  Energi  potensial  air dalam  hal  ini,  diubah  menjadi  energi  kinetik dan mekanik oleh turbin yang selanjutnya akan memutar generator untuk mengubahnya menjadi  energi  listrik.  PLTMH  memiliki kapasitas 5 - 100 kW dan bisa mengaliri listrik untuk 100 unit rumah penduduk [4]. Tak hanya untuk biaya operasional yang kecil, perawatannya  juga  mudah.  Seperti  diketahui, PLTMH  bukan  hanya  untuk  penerangan.
Namun juga bertujuan sebagai penggerak usaha produktif yang berwawasan lingkungan. PLTMH sendiri adalah suatu pembangkit listrik skala  kecil  yang  menggunakan  tenaga  air saluran  irigasi,  sungai,  atau  air  terjun  alam, dengan  cara  memanfaatkan  tinggi  terjun  air (head,  dalam  m)  dan  jumlah  debit  air (m 3 /detik).  Pemanfaatan  energi  tenaga  air  ini dilakukan  dengan  mengalirkan  sejumlah  air melalui  pipa  pesat  (penstock)  untuk  memutar turbin  air  [5].  Energi  mekanik  putaran  poros turbin  akan  diubah  menjadi  energi  listrik  oleh generator.
Adapun tujuan penelitian ini untuk merancang  turbin  air  PLTMH,  membantu Pemkab  Solok  untuk  mengatasi  keterbatasan listrik  di  nagari  setempat,  serta  meningkatkan perekonomian  masyarakat.  Awalnya  kegiatan ekonomi masyarakat Nagari Koto Gaek Guguk hanya  dilakukan  di  siang  hari.  Dengan  adanya PLTMH  ini,  nantinya  diharapkan  masyarakat bisa  berkegiatan  hingga  malam  hari.  Seperti pembuatan perabot, bengkel, hueller, penggilingan  kopi  dan  lainnya.  Intinya,  akan tercipta tambahan lapangan kerja bagi masyarakat sekitar.

## METODE PENELITIAN
Penelitian  ini  dilakukan  di  Nagari  Koto Gaek  Guguk.  Penelitian  ini  didasari  dengan pengambilan  variabel  independen  dari  data lapangan,  yakni  penyusunan  studi  kelayakan maupun detail desain pembangkit listrik tenaga air.  Penelitian  ini  diawali  dengan  studi hidrologi  yang  bertujuan  untuk  mengetahui ketersediaan potensi air sungai (low flow) yang dapat  dimanfaatkan  untuk  pembangkit  listrik maupun  potensi  banjir  (high  flow)  yang  terjadi dan  digunakan  untuk  menentukan  perhitungan desain  bangunan  yang  diinginkan  [6].  Ada  dua ruang lingkup pekerjaan dari studi hidrologi ini. Pertama,  pengukuran  debit  sesaat  di  beberapa titik  di  sepanjang  sungai  di  bawah  Gunung Talang. Kedua,
pengumpulan
data
sekunder/survei
instansional untuk pengumpulan  data,  seperti  data  curah  hujan. Lanjutnya,  masuk  ke  dalam  tahap  studi topografi.  Di  sini,  data  tinggi  jatuh  air  yang direncanakan  dapat  diketahui.  Tinggi  jatuh  air adalah  selisih  antara  tinggi  permukaan  air  atas (TPA)  dengan  tinggi  permukaan  air  bawah (TPB)  [7].  TPA  berada  di  permukaan  air  pada bak  penenang  dan  TPB  pada  saluran  buang.
Untuk  mengetahui  daya  yang  dihasilkan  oleh turbin, dapat dipakai rumus P = 9,8 ∙ Q ∙ H ∙ ηt [8].
Adapun  rancangan  prototipe  dari  PLTMH dapat dilihat pada gambar di bawah ini:

## Gambar 1. Desain Prototipe PLTMH
Pada  tahap  awal,  pemilihan  jenis  turbin  dapat diperhitungkan  dengan  mempertimbangkan parameter-parameter khusus yang mempengaruhi  sistem  operasi  turbin,  yaitu tinggi  jatuhan  air  (Head)  dan  debit,  daya (power)  dan  kecepatan  putaran  turbin.  Ketiga faktor  di  atas  seringkali  diekspresikan  sebagai kecepatan  spesifik  (ns),  yaitu  kecepatan  putar turbin  yang  menghasilkan  daya  sebesar  satu satuan  daya  pada  tinggi  jatuhan  air  satu  satuan panjang.  Kecepatan  spesifik  setiap  turbin memiliki  kisaran  (range)  tertentu  berdasarkan data eksperimen. Sementara dalam perencanaan geometri  turbin,  akan  dibagi  berdasarkan komponen-komponennya.  Pertama,  dimensi turbin  yang  terbagi  menjadi  diameter  roda turbin  (D1),  diameter  keluar  terkecil  dan terbesar  sisi  turbin  (D2i  &  D2a),  dan  Lebar sudu  sisi  masuk  (B1).  Bentuk  dari  dimensi turbin  berdasarkan  nilai  dari  nq  (kecepatan spesifik basis debit) dapat dilihat pada Gambar
2 [9] .
Gambar 2. Dimensi Turbin
Kedua, analisis kinematis sudu gerak (Runner). Analisis  kinematis  ini  akan  menentukan beberapa  besaran  vektor  yang  berhubungan dengan  kinematika  pada  turbin.  Analisis Kinematis  dari  sudu  turbin  ditentukan  dengan menggunakan  metoda  segitiga  kecepatan. Analisa kinematis ini dibagi menjadi dua, yaitu sisi masuk dan sisi keluar.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Potensi  air  sungai  Gunung  Talang dapat diketahui berdasarkan data curah hujan di stasiun  penakar  hujan  dan  pengukuran  debit sesaat  menggunakan  alat  ukur  current  meter  di beberapa  titik  di  sepanjang  sungai.  Data tersebut  diolah  menggunakan  model  F.J  Mock [10].

## Parameter data sekunder
Perolehan data dari spesifikasi pompa : 1. Hgross= 39,41 m (ditentukan dari spesifikasi pompa yang sudah ada) 2. Q =7 m 3 /s  (debit pompa) 3 . Diameter pipa = 1 inchi = 0.0254 mm 4 . Ng = 500 rpm (hipotesa) Perolehan data dari spesifikasi pipa 1 . Elbow = 4 buah 2 . Valve = 6 buah 3 . Lpipa (panjang ) = 3 m  Diameter penstock Jika  diketahui  Debit  (Q)  0,000467  m 3 /s.  Gross Head (Hg) 2 m, panjang pipa pesat adalah 3 m dan  material  yang  digunakan  adalah  PVC dengan manning’s  coefficient 0,009,  maka diameter penstock adalah:
 Total minimal penstock
Tebal minimal penstock (t) berdasarkan anjuran ASME seperti berikut ini:
 Kecepatan aliran dalam pipa
Dari  diameter  pipa,  dapat  diketahui  kecepatan aliran dalam pipa, sebagai berikut :
 Head loss pada penstock
Rugi  gesekan  pada penstock dapat dihitung dengan
menggunakan
Persamaan Manning’s .  Head loss pada sisi masuk pipa
Jika sudut masukan diasumsikan sebesar 30 0 maka, head losses pada sisi masuk pipa pesat h lp
 Head loss pada elbow
Jika  diasumsikan  besar K b sebesar  0,4 dengan  4  jumlah  belokan  maka head losses pada elbow
 Head loss pada katup
Besar  koefisien  hambatan k v jika  besar koefisien k v adalah 0,6
 Head loss pada sambungan T
 Head loss total
Jika  tidak  ada  rugi-rugi  lain,  maka
Head losses total
m
 Head nett
 Perhitungan dimensi utama turbin
 Kecepatan air keluar
Dimana: C 1 = kecepatan mutlak jet (m/s) K c = koefisienjet( 0.96- 0.98 ) g= gravitasi Hn= head net (m)
 Kecepatan tangensial Dimana :
C 1 = kecepatan mutlak jet (m/s) U = kecepatan keliling optimal (m/s)
 Diameter roda rata-rata Dimana :
D = diameter jet optimal (mm
U = kecepatan keliling optimal (m/s) N = kecepatan (rpm)
 Diameter pancaran air D = diameter jet optimal (mm Q = Debit aliran (m 3 /m) Hn = head net (m)
 Perhitungan D/d
Dimana :
D,d = diameter jet optimal (mm)
mm
 Jumlah mangkok
Dimana : z =Jumlah mangkok Dlt = diameter lingkar tusuk (mm) d = diameter jet optimal (mm)  Lebar mangkok
Dimana : b = Lebar mangkok (mm) d = diameter jet optimal (mm)
 Tinggi mangkok dimana:
h= Tinggi mangkok (mm)
d = diameter jet optimal (mm)
 Lebar bukaan mangkok
dimana:
a=Lebar bukaan mangkok (mm) d = diameter jet optimal (mm)
 Kedalaman mangkok dimana: t= Kedalaman mangkok (mm) d = diameter jet optimal (mm)
 Kelonggaran cetakan Dimana : k = Kelonggaran cetakan (mm) Dlt = diameter lingkar tusuk (mm)
 Diameter runner Dimana :
D0= Diameter luar Runner (mm) Dlt = diameter lingkar tusuk (mm) h = Tinggi mangkok (mm)
Berdasarkan  data  lokasi  PLTMH  berada pada  koordinat  N  00021’51,5”  E  99033’57,5” dengan  ketinggian  +124  meter  dari  permukaan laut. Lokasi bak penenang PLTMH berada pada koordinat  N  00021’56,3”  E  99033’49,9” dengan ketinggian +163,41 meter dari permukaan  laut.  Berdasarkan  data,  dapat ditentukan nilai tinggi jatuh air (H) berdasarkan selisih  ketinggian  dari  bak  penenang  dengan powerhouse  yaitu:  163,41  meter.  Besarnya daya  total  turbin  PLTMH  saat  keadaan  debit andalan dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan:
P =         ȠT P = 998   /3 x 9,81/ 2 x 7 3/  x 39,41 m x 0,8
P = 2.160.697,7 watt
P = 2.160,69 kW
Sulitnya  mendapatkan  debit  yang konstan  sepanjang  waktu  akibat  perubahan musim  dan  cuaca,  maka  digunakan  dua  turbin dengan  probabilitas  debit  air  yang  diambil
adalah  50  %  dari  debit  andalan  sehingga diperoleh  debit  untuk  masing-masing  turbin sebesar  3,5  m 3 /s,  maka  daya  per  turbin  adalah 1.080,34 kW.
Pemilihan jenis turbin diperoleh berdasarkan  besarnya  nilai  debit  aliran  air  dan besar  tinggi  air  jatuh  (head).  Berdasarkan  data debit aliran adalah sebesar 7 m 3 /s dan data head sebesar  39,41  m.  Jenis  turbin  yang  ideal  untuk dipakai  dapat  ditentukan  dengan  menggunakan grafik pemilihan turbin. Berdasarkan nilai yang diinputkan  pada  grafik  pemilihan  turbin  dapat diketahui  bahwa  turbin  yang  ideal  untuk PLTMH  adalah  menggunakan  turbin  Francis. Alasan  dipilihnya  turbin  Francis  karena  dapat digunakan  pada  head  rendah  dan  menengah serta debit yang cukup tinggi.
Setelah  didapatkan  pemilihan  turbin sesuai dengan head, debit, dan daya terbangkitkan, maka diperoleh data perhitungan perencanaan turbin.

## Pemilihan Generator
Terdapat  dua  jenis  generator  yang  bisa digunakan  untuk  PLTMH,  yaitu  generator sinkron  dan  generator  induksi.  Generator sinkron  penggunaannya  sudah  demikian  luas pada  PLTMH,  sedangkan  generator  induksi teknologi penggunaannya masih baru berkembang  dan  umumnya  digunakan  dalam kapasitas  kecil.  Selain  itu,  generator  sinkron alasan  lebih  mudah  dioperasikan  dan  lebih mudah ditemukan dipasaran. Inti lilitan dinamo terbuat dari material tembaga. Pemilihan lilitan tembaga  dipilihan  karena  memiliki  efisiensi daya  hantar  listrik  yang  tinggi.  Besarnya  daya output  generator  dapat  diselesaikan  dengan rumus:  Pgout = Ƞg   Pt ..............................(1).
Jika  diasumsikan  efesiensi  generator (Ƞg) adalah 98 %, maka daya output generator adalah:
P out = 0,98   1.080,34 kW = 1.058,73 kW
Asumsi  faktor  daya  =  0.8  maka  kapasitas generator dapat ditentukan sebagai berikut:
kVA = 1.058,73 kW x 0,8 = 847 kVA
Putaran  sinkron  generator  adalah  sama dengan  putaran  turbin  dikarenakan  putaran turbin  ditransmisikan  secara  langsung  ke generator,  sehingga  putaran  generator  adalah
750  rpm.  Menentukan  jumlah  kutub  generator dapat menggunakan persamaan (1).
Besarnya  daya  keluaran  generator  pada  PLTM Sikarbau  pada  keadaan  debit  andalan  dengan probabilitas 50 % sebagai berikut :
P =         Ƞt . Ƞg
P = 998/3 x 9,81/2 x73x 39,41 m x 0,8 x 0,98
P = 2.117.483,75 watt = 2.117,48 kW

## PENUTUP
Dari perhitungan perancangan turbin PLTMH, didapatkan kesimpulan sebagai berikut:
1.  Diperoleh  debit  andalan  sebesar  7  m 3 /s berdasarkan probabilitas 50% pada kurva aliran air dan Head setinggi 39,41 m.
2.  Turbin  terpilih  adalah  Turbin  Francis dengan daya terbangkit yang mampu dihasilkan sebesar 2.117,48 kW.
3. Jumlah turbin yang dipakai adalah 2 unit guna  menghindari  kekurangan  debit  air  pada musim  kemarau.  Sehingga  debit  andalan  per turbin  adalah  3,5  m 3 /s  dengan  daya  terbangkit per turbin adalah 1.058,74 kW.

## DAFTAR PUSTAKA
Kementrian  Pekerjaan  Umum  dan  Perumahan Republik Indonesia. 2014. Potensi PLTA
di Indonesia. Tersedia https://www.pu.go.id/main/view_pdf/942 2 (Diakses tanggal 30 Juni 2019) Direktorat Jendral Ketenagalistrikan Kementrian  ESDM.  2016.  Statistik Ketenagalistrikan  2015.    Jakarta  : Direktorat Jendral Ketenagalistrikan
Kementrian ESDM.
Menuju  rasio  elektrifikasi  99  persen.  2019. Tersedia http://ebtke.esdm.go.id/post/2018/04/27/ 1945 (Diakses tanggal 30 Juni 2019) https://www.kompasiana.com/wptyas/59990fe1 2a582308de56d912/pltmhadalah-solusi- kebutuhan-listrik-di-daerah-terpencil? page=all (Diakses tanggal 30 Juni 2019) Arismunandar,  Wiranto.  Penggerak  Mula
Turbin. ITB. Bandung: 2004.
Direktorat  Jenderal  Listrik  dan  Pemanfaatan Energi. (2009). ”Pedoman Studi
Kelayakan PLTMH”. Jakarta: IMIDAP.
Sodiq,  Djafar  (2011).  “Kontrol  dan  Proteksi pembangkit listrik tenaga mikrohidro”.
Direktorat Jendral Ketenagalistrikan Kementrian  ESDM.  2016.  Statistik Ketenagalistrikan 2015. Jakarta: Direktorat Jendral Ketenagalistrikan Kementrian ESDM.
Direktorat  Jendral  Listrik  dan  Pemanfaatan
Energi Departemen ESDM. 2010. Modul Pelatihan Studi Kelayakan Pembangunan Mini Hidro. Jakarta: IMIDAP. Nechleba,  Miroslav.  2015.  Hydraulic  Turbine Their Design and Equipment. Czeckoslovakia: Artia Pragu