## PEMBUATAN TURBIN MIKROHIDRO TIPE CROSS-FLOW SEBAGAI PEMBANGKIT LISTRIK DI DESA BUMI NABUNG TIMUR
Mafrudin 1) , Dwi Irawan 2) .
Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Metro 1, 2)
Jl. Ki Hajar Dewantara No. 116 Kota Metro (0725) 42445-42454 Email : Mafrudin72@yahoo.co.id

## Abstrak
Krisis energi yang terjadi di dunia saat ini telah menarik perhatian para peneliti untuk menemukan sumber- sumber  energi  baru  yang  lebih  murah,  yang  tersedia  dalam  jumlah  yang  besar.  Pembangkit  Listrik  Tenaga Mikrohidro  (PLTMH)  merupakan  salah  satu  solusi  yang  dapat  digunakan  untuk  mengatasi  masalah  ini.  Turbin cross-flow,  merupakan  salah  satu  jenis  turbin  yang  sering  digunakan  untuk  PLTMH.  Dalam  penelitian  ini merencanakan  turbin  air  tipe  cross-flow  yang  diaplikasikan  pada  air  pembuangan  perusahaan  pembuatan  tepung tapioka. Air pembuangan tersebut merupakan air limbah yang sudah melalui proses pengendapan, pemupukan dan pemeriksaan  yang  kemudian  dialirkan  kesungai  dengan  debit  rata-rata  0,04  m 3 /s  dengan  ketinggian  diatas permukaan  air  sungai  lebih  dari  2  m.  Dengan  debit  dan  ketinggian  tersebut  air  pembuangan  memilki  daya  yang cukup  besar  yang  kemudian  digunakan  untuk  memutar  turbin  air.  Pada  penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui spesifikasi  turbin,  daya  yang  dihasilkan  turbin,  efisiensi  turbin  dan  transmisi  serta  daya  listrik  yang  dihasilkan generator.  Metode  yang  dilakukan  dalam  penelitian  ini  yaitu  studi  pustaka,  pengamaan  secara  langsung  atau observasi,  perencanaan  dan  pembuatan  turbin  serta  pengujian.  Pada  tahap  perencanaan  yaitu  menentukan  dimensi turbin  berdasarkan  sumber  daya  air  pada  lokasi  penelitian  dan  proses  perhitungan.  Pada  tahap  pengujian  yaitu melakukan  pengujian  turbin  yang  telah  dibuat.  Pengujian  yang  dilakukan  yaitu  pengujian  daya  turbin  dan  daya listrik generator.Turbin air cross-flow memiliki spesifikasi yaitu lebar runner 0,1524 m, diameter luar runner 0,48 m, diameter  dalam  runner  0,32  m,  jarak  antar  sudu  0,083  m,  tebal  nozzle  0,04  m,  jari-jari  sudu  0,078  m  dan  jumlah sudu  yaitu  20  sudu.  Dari  hasil  pengujian  turbin  cross-flow  didapatkan  daya  turbin  yaitu  236,82  Watt,  efisiensi mekanik turbin yaitu 30 % dan daya listrik yang dihasilkan 162 Watt.
Kata kunci: Turbin air, Cross-flow, Daya.

## PENDAHULUAN
Krisis  energi  yang  melanda  dunia  saat ini  telah  menarik  perhatian  para  peneliti  untuk menemukan  sumber-sumber  energi  baru  yang lebih  murah,  yang  tersedia  dalam  jumlah  yang besar.  Hal ini  berkaitan dengan  semakin  banyak dan meningkatnya pemakaian penggunaan energi.  Kebutuhan  energi  di  Indonesia  saat  ini masih  didominasi  oleh  energi  yang  berbasis bahan bakar fossil, seperti minyak bumi dan batu bara.  Pembangkit  Listrik  Tenaga  Mikrohidro (PLTMH)  merupakan  salah  satu  solusi  yang digunakan untuk mengatasi masalah ini.
Pemilihan jenis turbin air dalam PLTMH disesuaikan  dengan  debit  air,  dan  ketinggian ( head ).  Turbin  air  adalah  mesin  konversi  energi yang  berfungsi  untuk  merubah/mengkonversi energi potensial ( head ) yang dimiliki oleh air ke bentuk energi mekanik pada poros turbin. Turbin air cross-flow adalah  salah  satu  turbin  air  dari jenis turbin aksi ( impulse turbine).
Pada penelitian ini akan dirancang turbin cross-flow dengan  pendekatan  nilai  efisiensi maksimum  yang  selanjutnya  akan  dievaluasi kinerja  turbin  ini  secara  teoritis  agar  didapatkan hasil  rancangan  turbin  yang  optimal.    Dalam perencanaan  turbin  air cross-flow ini  akan aplikasikan  pada  air  pembuangan  perusahaan pembuatan tepung tapioka yang berada di RT 02 /  RW  01  desa  Bumi  Nabung  Timur  atau  lebih dikenal dengan desa Tulung Sluang..
Air  pembuangan  yang  berasal  dari perusahaan  pembuatan  tepung  tapioka  yang berada  di  desa  Bumi  Nabung  Timur  merupakan air  limbah  yang  sudah  dilakukan  proses pengendapan  dengan  sistem  kolam    dan  sudah dikakukan  proses  pemupukan  serta  proses pemeriksaan  (audit)  sehingga  dapat  dipastikan air  limbah  atau  air  pembuangan  tersebut  sudah tidak  berbahaya  dan  aman  baik  bagi  tumbuhan maupun hewan. Setelah melalui beberapa proses tersebut,  kemudian  air  limbah  (air  pembuangan)
dibuang kesungai secara kontinyu (terus menerus),  meskipun  saat  kemarau  air  limbah tersebut  tetap  mengalir.  Adapun  debit  air pembuangan  tersebut  rata-rata  40  liter/s  atau sekitar  0,04  m 3 /s  dan  ketika  musim  penghujan debit  air  pembuangan  tersebut  akan  meningkat. Letak  kolam  air  pembuangan  berada  pada ketinggian  ( head )  lebih  dari  2  m  diatas permukaan air sungai.
Dengan  debit  yang  cukup  besar  dan ketinggian (head )  lebih  dari  2  m  maka  air pembuangan  tersebut  memiliki  energi  yang cukup besar jika dimanfaatkan untuk menggerakkan  turbin  air  yang  kemudian digunakan  untuk  memutar  generator  dan menghasilkan  listrik,  namun  selama  ini  air pembuangan tersebut hanya terbuang sia-sia dan belum termanfaatkan sama sekali.
Atas  dasar  pertimbangan  tersebut,  maka  penulis akan  merancang  turbin  air  tipe cross-flow yang nantinya  akan  diaplikasikan  sebagai  pembangkit listrik  mikrohidro.  Spesifikasi  turbin  sangat berpengaruh  terhadap  daya  yang  diihasilkan turbin.  Adapun  spesifikasi  turbin  yang  sangat berpengaruh  terhadap  daya  yang  dihasilkan turbin  diantaranya  yaitu  diameter  dan  lebar runner turbin.  Dengan  diameter  dan  lebar  runner yang sesuai dengan debit dan ketinggian air maka akan didapatkan efisiensi turbin yang maksimal

## LANDASAN TEORI

## Sejarah Turbin Air
Turbin  air  dikembangkan  pada  abad  19 dan  digunakan  secara  luas  untuk  tenaga  industri untuk  jaringan  listrik.  Sekarang  lebih  umum dipakai  untuk  generator  listrik.  Turbin  kini dimanfaatkan secara luas dan merupakan sumber energi  yang  dapat  diperbaharukan.  Kincir  air sudah  sejak  lama  digunakan  untuk  tenaga industri.  Pada  mulanya  yang  dipertimbangkan adalah  ukuran  kincirnya,  yang  membatasi  debit dan head yang dapat dimanfaatkan. Perkembangan  kincir  air  menjadi  turbin  modern membutuhkan  jangka  waktu  yang  cukup  lama. Perkembangan  yang  dilakukan  dalam  waktu revolusi  industri  menggunakan  metode  dan prinsip  ilmiah.  Mereka  juga  mengembangkan teknologi  material  dan  metode  produksi  baru pada saat itu.
Kata  " turbine "  ditemukan  oleh  seorang insinyur  Perancis  yang  bernama  Claude  Bourdin pada  awal  abad  19,  yang  diambil  dari terjemahan  bahasa  Latin  dari  kata  " whirling " (putaran) atau " vortex " (pusaran air). Perbedaan dasar  antara  turbin  air  awal  dengan  kincir  air adalah komponen putaran air yang memberikan energi  pada  poros  yang  berputar.  Komponen tambahan  ini  memungkinkan  turbin  dapat memberikan  daya  yang  lebih  besar  dengan komponen  yang  lebih  kecil.  Turbin  dapat memanfaatkan  air  dengan  putaran  lebih  cepat dan dapat memanfaatkan head yang lebih tinggi (Poernomo Sari, S., dan Fasha Ryan. 2012) . .

## Pengertian Turbin Air
Turbin  secara  umum  dapat  diartikan sebagai  mesin  penggerak  mula  di  mana  energi fluida  kerja  yang  digunakan  langsung  memutar roda turbin, fluida kerjanya yaitu berupa air, uap air  dan  gas.  Dengan  demikian  turbin  air  dapat diartikan  sebagai  suatu  mesin  penggerak  mula yang  fluida  kerjanya  adalah  air. (Arismunandar, W.,  2004  :  1) .  Berbeda  yang  terjadi  pada  mesin torak  (motor  bakar),  pada  turbin  tidak  terdapat bagian  mesin  yang  bergerak  translasi.  Bagian turbin  yang  berputar  dinamai  rotor  ( runner pada turbin cross-flow )  atau  roda  turbin,  sedangkan bagian  yang  tidak  berputar  dinamai  stator  atau rumah turbin. Roda turbin terletak didalam rumah turbin dan  roda turbin memutar poros daya yang menggerakkan atau memutar bebannya (generator).  Kalau  ditinjau  dari  daya  yang dihasilkan  turbin  air,  maka  dikenal  istilah Pembangkit
Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH)  yang  maksudnya  adalah  turbin  air yang  dapat  menghasilkan  daya  kurang  dari  100 kW dan sumber airnya relatif kecil.

## Prinsip Kerja Turbin Air
Pada  roda  turbin  terdapat  sudu  yaitu suatu  konstruksi  lempengan  dengan  bentuk  dan penampang  tertentu,  air  sebagai  fluida  kerja mengalir  melalui  ruang  diantara  sudu  tersebut, dengan demikian roda turbin akan dapat berputar dan pada sudu akan ada suatu gaya yang bekerja. Gaya tersebut akan terjadi karena ada perubahan momentum  dari  fluida  kerja  air  yang  mengalir diantara  sudunya.  Sudu  hendaknya  dibentuk sedemikian rupa sehingga dapat terjadi
perubahan  momentum  pada  fluida  kerja  air tersebut (Arismunandar, W., 2004:2) .

## Klasifikasi Turbin Air
Turbin air mengubah energi potensial air menjadi  energi  mekanis.  Energi  mekanis  diubah dengan  generator  listrik  menjadi  tenaga  listrik. Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah  energi  potensial  air  menjadi  energi mekanis  (momentum  fluida  kerjanya),  turbin  air dibedakan  menjadi  dua  kelompok  yaitu  turbin impuls  dan  turbin  reaksi  ( Arismunandar,  W., 2004:67).
Diagram  klasifikasi  turbin  air  dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 1. Diagram klasifikasi turbin air
Turbin Cross-flow
Turbin  tipe  ini  dibuat  pertama  kali  di Eropa.  Nama cross-flow diambil  dari  kenyataan bahwa air melintasi kedua sudu gerak atau runner dalam  menghasilkan  putaran  (rotasi).  Sedangkan nama  Banki  (dari  Hungaria)  dan  Mitchell  (dari Austria) adalah nama ahli teknik yang mengembangkan prinsip – prinsip turbin tersebut yaitu turbin ini dilengkapi dengan pipa hisap, dan sebagai  akibatnya  daya  yang  dihasilkan  turbin, proses  kerja  dan  randemen  turbin  menjadi  lebih baik.  Turbin cross-flow ini  mempunyai  arah aliran yang radial atau tegak lurus dengan sumbu turbin.  Turbin  ini  mempunyai  alat  pengarah sehingga  dengan  demikian  celah  bebas  dengan sudu-sudu  di  sekeliling  roda  hanya  sedikit. Karena itu pada keadaan beban penuh perputarannya  roda  terjadi  sedikit  kemacetan- kemacetan,  yang  menimbulkan  sedikit  tekanan lebih.  Turbin cross-flow terdiri  dari  tiga  bagian
utama  yaitu  roda jalan,  alat  pengarah  dan  rumah turbin.  Dalam  aplikasinya  turbin cross-flow baik sekali  digunakan  untuk  pusat  tenaga  air  yang kecil  dengan  daya  kurang  lebih  750  kW.  Tinggi air jatuh  yang  bisa digunakan  diatas 1  m  sampai 200  m  dan  kapasitas  antara  0,02  m 3 /s  sampai  7 m 3 /s (Dietzel, F., 1993).
Komponen – komponen utama konstruksi  turbin cross-flow adalah  sebagai berikut :
1. Rumah Turbin 2. Alat Pengarah (distributor)
3. Roda Jalan
4. Penutup
5. Katup Udara
6. Pipa Hisap
7. Bagian Peralihan
Gambar 2. Konstruksi Turbin Ossberger atau Turbin Cross-flow
Salah  satu  komponen  utama  pada  turbin cross-flow yaitu runner .
Gambar  3. Runner Turbin Cross-flow

## Perencanaan Pipa Pesat
Pipa  saluran  mempunyai  fungsi  untuk mengalirkan  air  dari  penampungan  air  atau  bak penenang  menuju  ke  turbin  atau  disebut  pipa
pesat.  Sebelum  menentukan  dimensi  pipa  pesat hendaklah  mencari  data-data  yang  diperlukan dalam perencanaan pipa pesat. Adapun data yang menunjang  dalam  perencanaan  pipa  pesat  yaitu luas pemampang air yang keluar dari sebuah bak penenang  sebelum  masuk  pada  pipa  pesat. Dimana  luas  penampang  keluaran  air  tersebut diperoleh  dari  survei  dan  hasil  pengukuran  di lokasi  akan  dilakukannya  penelitian.  Dengan pengukuran  secara  langsung  diharapkan  dapat memperoleh  data  yang  sesuai  dengan  kondisi  di lapangan  yang  kemudian  digunakan  untuk menentukan dimensi pipa pesat.
Setelah  mengetahui  luas  penampang keluaran  air,  maka  untuk  mencari  diameter  pipa digunakan persamaan berikut.
A = π/4 . d 2 (Arismunandar, W.,2004) maka
d = √
Dimana:
d = Diameter pipa (m)
A = Luas penampang saluran (m 2 )
Perencanaan Runner Turbin Cross-flow Perencanaan  atau  perhitungan  parameter turbin cross-flow menggunakan  persamaan- persamaan Mockmore  (dalam  Pratilastiarso  J., and Hesti S., 2012:316) yaitu sebagai berikut. 1.  Diameter  luar  (D)  dan  lebar  sudu  (L) runner turbin
LD = √ 2. Diameter dalam runner turbin (D 1 )
D 1 = ⁄ D 3. Jarak antar sudu (K)

## K = 0,174 D
4. Ketebalan semburan nozzle (M)
M = 0,22 √
5. Jari-jari kelengkungan sudu (r 1 ) r 1 = 0,163 6. Jumlah sudu (N) N =
Daya air yang digunakan (P air ) P air = ρ.g.H.Q (Dietzel, F., 1993)
Daya yang dihasilkan turbin (P t ) P t =  T . ω (Arismunandar, W.,2004) Dengan,
T = F . D/2 atau T = F . r (Arismunandar, W.,2004) Dan,
ω = 2 π n/60 (Arismunandar, W.,2004)
Efisiensi mekanik turbin ( η t ) P turbin = P air . η t (Dietzel, F., 1993) Maka η t =

## Kecepatan Keliling Turbin
v = . r run (Dietzel, F., 1993)
Daya yang dihasilkan generator (P g ) P g = V . I
(Poernomo dan Fasha, 2012) Efisiensi Transmisi
P g =. P t . 𝜂 g . 𝜂 trans ( Asief Rosyidin, M., et all. 2012) Maka 𝜂 trans =

## METODE PENELITIAN
Metode  penelitian  adalah  langkah  dan prosedur yang akan dilakukan dalam pengumpulan  data  atau  informasi.  Dalam penelitian ini data atau informasi yang diperlukan dapat diperoleh melalui beberapa metode yaitu:
1. Penelitian Kepustakaan (studi pustaka)
2. Pengamatan secara langsung  atau observasi Data yang diambil diantaranya:
a. Debit air (Q)
b. Ketinggian (head)
c. Luas penampang keluaran air.
3. Interview
4. Dokumentasi
5. Pengolahan  data  dan  Perhitungan  untuk menentukan jenis/spesifikasi peralatan mekanikal  dan  elektrikal  yang  akan  dipakai dalam perencanaan PLTMH.
6. Prosedur pembuatan
a. Tahap perencanaan
b. Tahap pelaksanaan
7. Proses pengujian
a. Pengujian daya turbin
b. Pengujian daya listrik

## Perhitungan Dan Pembahasan
Berdasarkan survei dan pengukuran serta pengumpulan  data  dari  lokasi  dimana  akan dilakukan  penelitian  didapatkan  data  yang  dapat digunakan  dalam  perencanaan  ukuran  atau dimensi  turbin cross-flow yang  akan  dibuat. Adapun  data  yang  diperoleh  yaitu  debit  air  0,04 m 3 /s  dengan  ketinggian  ( head )  2  m,  atas  dasar sumber  daya  alam  yang  ada  dan  proses perhitungan maka diperoleh  hasil rancangan atau spesifikasi  turbin  air cross-flow yaitu  lebar runner turbin  0,1524  m,  diameter  luar runner turbin 0,48 m, diameter dalam runner turbin 0,32 m, jarak antar sudu 0,083 m, tebal nozzle 0,04 m, jari-jari  sudu  0,078  m  dengan  jumlah  sudu  20 sudu.
Pengujian  daya  yang  dihasilkan  turbin dilakukan secara manual yaitu dengan melakukan pengujian torsi dengan pembebanan atau pemberian  pengaruh  massa  terhadap  putaran turbin.  Dimana  pengujian  dilakukan  dengan menggunakan 2 neraca pegas yang diikat dengan sebuah tali tambang yang kemudian tali tambang tersebut  dikaitkan  pada  puli  dengan  diameter  25 cm atau jari-jari 12,5 cm yang berada pada poros turbin, dimana gaya gesek antara puli pada turbin dengan  tali  tambang  diabaikan.  Dari  hasil pengujian torsi pada putaran tertentu maka dapat diketahui daya yang dihasilkan turbin. Berdasarkan  hasil  pengujian  dan  perhitungan diperoleh  daya  yang  dihasilkan  turbin  kurang lebih 236,82 Watt.
Gambar 4. Grafik hubungan pengaruh massa pada pengujian torsi terhadap putaran turbin
Dari Gambar 4. Hubungan pengaruh massa pada pengujian  torsi  terhadap  putaran  turbin  dapat diketahui  pengaruh  besarnya  pemberian  massa terhadap  putaran  turbin.  Dimana  sebelum
dilakukan  pembebanan  putaran  turbin  mencapai 221  rpm  namun  ketika  dilakukan  pembebanan putaran turbin menurun seiring dengan penambahan  beban.  Sehingga  dapat  disimpulkan bahwa semakin besar beban yang diberikan maka putaran turbin semakin menurun.
Dari hasil pengujian daya yang dihasilkan turbin dengan membandingkan dengan daya  air  yang  digunakan  maka  dapat  diketahui efisiensi  turbin  air cross-flow yang  telah  dibuat. Dari hasil perhitungan yang telah dilakukan dapat diketahui  bahwa  efisiensi  mekanik  turbin  yaitu 30 % dengan kecepatan keliling maksimal runner 5,55 m/s.
Pembuatan  turbin  air cross-flow ini diaplikasikan sebagai pembangkit listrik mikrohidro dimana daya yang dihasilkan dengan kapasitas  yang  rendah.  Adapun  daya  listrik  yang dihasilkan  dari  pembangkit  listrik  mikrohidro yang  memanfaatkan  air  pembuangan  perusahaan pembuatan tepung tapioka yaitu 162 Watt dengan efisiensi transmisi 83,4 %. Selain pengujian daya listrik  dari  generator  juga  dilakukan  pengujian pengaruh pemakaian daya listrik terhadap putaran turbin.  Adapun  pengujian  dilakukan  untuk mengetahui  hubungan  antara  pemakaian  daya listrik terhadap putaran turbin .
Gambar 5. Hubungan Pemakaian Daya Listrik Terhadap Putaran Turbin
Dari Gambar 5. dapat diketahui pengaruh dari  pemakaian  daya  listrik  terhadap  putaran turbin. Pada saat daya listrik dari generator tidak digunakan  putaran  turbin  yaitu  68  rpm,  namun pada  saat  daya  listrik  dari  generator  digunakan dengan kelipatan 20 Watt putaran turbin semakin menurun seiring dengan bertambahnya pemakaian  daya  listrik.  Dengan  demikian  dapat disimpulkan  bahwa  semakin  besar  daya  listrik dari  generator  yang  digunakan  maka  putaran turbin semakin menurun
11 9 7 0 22  21 17 0 11  12  10 0 0 5 10 15 20 25 157 166 174 221 M as sa (k g) Putaran (rpm) m1 (kg) m2 (kg) Ʃm (m2- m1) (kg) 68  66  63  60 57  54  52  51  50 0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Pu tar an Tu rb in ( rp m )
Beban  Pemakaian daya Listrik (Watt)

## KESIMPULAN
Berdasarkan  data  yang  diperoleh  dari  hasil penelitian  dan  pengujian  dapat  disimpulkan bahwa:
1. Spesifikasi  turbin cross-flow yang  telah dibuat yaitu:
a. Lebar runner 0,1524 m
b. Diameter luar runner 0,48 m
c. Diameter dalam runner 0,32 m
d. Jarak antar sudu 0,083 m
e. Tebal nozzle 0,04 m
f. Jari-jari sudu 0,078 m
g. Jumlah sudu yaitu 20 sudu
2. Daya  yang  dihasilkan  turbin  air cross- flow yaitu 236,82 Watt
3. Efisinsi  mekanik  turbin  air cross-flow yaitu 30 %
4. Daya listrik yang dihasilkan generator

## DAFTAR PUSTAKA
1. Ade  Larasati,  Andi.,  Hirman,  Syukri., Syamsul Arifin, A. pembuatan Dan Pengujian Pembangkit Listrik Tenaga Mkrohidro Turbin Banki  Daya  200  Watt. Jurnal  Mekanikal, Volume 03 Nomor 01 2012.
2. Arismunandar,  Wiranto. Penggerak  Mula Turbin . ITB. Bandung: 2004.
3. Asief Rosyidin, M., Sutikno, Djoko., Sugiarto.  Pengaruh  Bukaan  Guide  Vane Terhadap  Unjuk  Kerja  Turbin  Cross-flow Tipe C4-20 Pada Instalasi PLTMH Andungbiru. Jurnal Teknik Mesin 2012.
4. Bluwprint. Pengolahan  Energi  Nasional
2005-2025 . Jakarta: 2005.
5. Dietzel,  F.,  Sriyono,  Dakso. Turbin  Pompa Dan Kompresor . Erlangga. Jakarta: 1993.
6. Kementrian  Energi  Dan  Sumber  Daya Mineral. Statistik Energi Baru dan Terbarukan . Jakarta: 2009.
7. Mockmor,  CA  dan  Freet  Merryfield.  “The Banki  Water  Turbin”, Oregon  State  College ,
Bulletin
Series, No.25, 1984.( dalam
Pratilastiarso,  Joke,  Hesty  Sholihah,  Fifi.
2012 )
8. Poernomo  Sari,  S.,  dan  Fasha,  Ryan. Pengaruh  Ukuran  Diameter  Nozzle  7  Dan  9 mm Terhadap Putaran Sudu Dan Daya Listrik Pada  Turbin  Pleton. Jurnal  Teknik  Mesin,
2012 .
9. Pratilastiarso,  Joke.,  dan  Hesti  Sholihah,  Fifi. Evaluasi  Teoritis  Unjuk  Kerja  Turbin  Cross- flow. Jurnal Politeknik Elektronika, 2012 .