Received 30 Septmber 2023; Received in revised form 20 March 2024; Accepted 20 March 2024 Available online 22 March 2024
Contents list available at Sinta

## A R M A T U R
: Artikel Teknik Mesin & Manufaktur
Journal homepage: https://scholar.ummetro.ac.id/index.php/armatur
Analisis variasi pipa penstock terhadap kecepatan inlet turbin pada PLTMH Boonpring menggunakan CFD
Andinusa Rahmandhika 1* , Ali Mokhtar 2 , Bagus Adi Putra 3 , Sentot Achmadi 4
1 Prodi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Malang, Jl. Raya Tlogomas no. 246, Malang, Jawa Timur, Indonesia
2 Program Studi Teknik Informatika, Institut Teknologi Nasional Malang, Jl. Raya Karanglo km. 2 Malang, Jawa Timur, Indonesia
A R T I C L E I N F O

## A B S T R A C T
Keywords: PLTMH penstock velocity vortex The development of renewable energy is a necessity in order to reduce the consumption of fossil energy. One of  the  alternative  technologies  to  obtain  sustainable energy resources is to use a Micro Hydro Power Plant (PLTMH). In order to obtain high-efficiency power, it is  necessary  to  analyze  the  maximum  head  and discharge  values.  In  this  study,  an  analysis  of variations in the design of the penstock pipe from the forebay was carried out to obtain the highest velocity value for rotating the water turbine. The method used in  this  research  is  a  simulation  using  ANSYS  Fluent software.  Based  on  the  results  obtained,  the  highest velocity values were obtained for penstock number 2 and  4.  Pipe  elevation  causes  the  flow  velocity  to increase smoothly. The branching at the inlet does not affect the velocity value but increases the possibility of a vortex which is detrimental to the flow leading to the turbine.

## Pendahuluan
Kebutuhan  energi  berbanding  lurus dengan meningkatnya perkembangan kebutuhan  manusia.  Salah  satunya  ialah energi  lisrik.  Listrik  sendiri  merupakan salah  satu  barang  yang  sangat  penting  dan ketersediaannya  harus  dapat  mencukupi seluruh kegiatan masyarakat [1], [2]. Saat ini energi listrik sebagian besar memanfaatkan bahan bakar fosil, dimana ketersediaan akan
hal  tersebut  dapat  berkurang.  Solusi  untuk hal tersebut ialah memanfaatkan energi baru dan  terbarukan,  seperti  energi  surya,  panas bumi, angin dan air [3]–[5].
Pemanfaatan  air  sebagai  energi alternatif sudah dilakukan guna mencukupi kebutuhan  energi  listrik,  salah  satunya Pembangkit  Listrik  Tenaga  Mikrohidro (PLTMH)  [6].  Istilah  mikrohidro  biasanya dipakai untuk pembangkit listrik skala kecil
yang  menghasilkan  output  antara  5kW sampai  dengan  1  MW  per  unit  [7]. Pembangkit  tenaga  listrik  ini  dibangun dengan  memanfaatkan  aliran  sungai,  aliran irigasi  maupun  air  terjun.  Dalam  skema penggunaannya,  PLTMH  mengandalkan debit  air  dan  ketinggian  jatuh  (head), memanfaatkan  aliran  air  pada  ketinggian tertentu  dan  bergerak  menuju  instalasi pembangkit, kemudian menggerakan turbin untuk  mengubah  energi  mekanik  tersebut menjadi energi listrik [8]. Tenaga mikrohidro merupakan tenaga berkelanjutan, tidak seperti tenaga matahari yang mana terbenam di malam hari ataupun tenaga angin yang bertiup di waktu tertentu. Selain  itu,  mikrohidro  tidak  mencemarkan lingkungan. Adapun kedepannya pemanfaatan  mikrohidro  ini  terbilang  baik dan menjanjikan mengingat potensi adanya aliran air  yang menjadi  sumber daya untuk listrik  relatif  melimpah  pada  wilayah- wilayah  terpencil  yang  belum  memperoleh supply listrik dari PT PLN.
Salah  satu  PLTMH  yang  sudah beroperasi  dan  dirasakan  manfaatnya  ialah PLTMH Boonpring. Pembangkit ini berada di  Desa  Sanankerto,  Kecamatan  Turen, Kabupaten  Malang,  Jawa  Timur.  PLTMH ini dibangun sejak 2019 dan beroperasi pada Maret  2020,  PLTMH  Boonpring  sendiri berjenis  turbin  Propeller  dengan  poros vertikal  dimana  mengandalkan  debit  0,5 m3/s, dengan ketinggian jatuh air (head) 3,5 m, dialirkan melalui pipa berukuran 400mm, dapat  menghasilkan  daya  sebesar  13 kilowatt dan dimanfaatkan untuk menerangi kawasan  ekowisata  Boonpring.  Pada  saat sistem  PLTMH  bekerja,  pergerakan  aliran air dapat dianalisa agar dapat menyelesaikan suatu masalah aliran fluida, seperti mencari kecepatan  aliran  air,  debit  air,  kerugian  – kerugian  (losses),  pressure  drop.  Solusi untuk  mendapatkan  hasil  tersebut  dengan melakukan  uji  eksperimental,  namun  hal tersebut membutuhkan pekerjaan dan biaya yang  lebih  banyak,  Adapun  solusi  lainnya dengan pendekatan menggunakan program- program  komputer.  Hasil  data  yang  diolah oleh  program  tersebut  dapat  kita  lakukan
analisa,  sehingga  effesiensi  dari  turbin  itu dapat dimaksimalkan, program  yang sering digunakan saat ini ialah CFD [9].
Secara definisi, CFD (Computational Fluid Dynamics) merupakan ilmu yang mempelajari bagaimana  menggambarkan  suatu  aliran fluida,  perpindahan  panasnya,  bagaimana reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika. Pada umumnya CFD memiliki tiga proses dalam simulasi, yaitu: preprocessing,  solving  dan  terakhir  post processing. Preprocessing merupakan langkah awal dalam simulasi CFD, dimana membuat sebuah model dalam bentuk CAD (Computer  Aided  Design),  selanjutnya menentukan  material  beserta  sifat-sifatnya dari model tersebut, memberikan mesh yang sesuai, dan menentukan batas kondisi  yang terjadi  pada  model  tersebut  saat  beroperasi dengan  sekitar.  Kedua,  tahapan  solving, merupakan  tahapan  iterasi  pada  kondisi yang  sudah  diberikan  sebelumnya  guna mencari  solusi.  Ketiga,  postprocessing, adalah langkah terakhir dalam analisis CFD, pada langkah ini dilakukan interpretasi data hasil  dari  simulasi  CFD  dalam  bentuk gambar,  bentuk  kurva,  maupun  animasi. Pada  kasus  ini,  memodelkan  desain  suatu penstock secara 3D menggunakan komputer, kemudian disimulasikan terhadap kondisi  yang  bekerja  pada  suatu  penstock, sehingga  dapat  diperoleh  solusi  seperti kecepatan  aliran,  tekanan  yang  bekerja karena  memperhatikan  bagaimana  aliran fluida  berinteraksi  terhadap  komponen- komponen  turbin  dan  pengaruhnya  [10], [11].

## Metode Penelitian
A. Studi Kasus PLTMH Boonpring Cara yang dilakukan untuk mendapatkan data ialah melakukan penelitian  langsung  terhadap  objek  pada lapangan  guna  meperoleh  data  yang dibutuhkan ( Field Research ), studi literatur, serta  interview  guna  pengumpulan  data dengan  melakukan  wawancara  terhadap
pengurus  PLTMH  Boonpring.  Setelah melakukan  pengumpulan  data  didapat  data sesuai Tabel 1.
Tabel 1. Setup berdasarkan data lapangan
Panjang 2000 mm Lebar 2500 mm Tingggi Head 3500 mm Material Penstock Steel Material Penampang Beton Panjang Penstock 2000 m Debit 500 kg/s

## B. Penggambaran Reservoir dan penstock
Forebay  dan  penstock  digambar ulang  setelah  data  primer  telah  diperoleh, untuk penggambaran menggunakan spaceclaim sesuai  dengan  dimensi  yang diperoleh  berdasarkan  Gambar  1  sampai Gambar 4.
Gambar 1. Reservoir dan Penstock 1
Gambar 3. Reservoir dan Penstock 3
Gambar 4. Reservoir dan Penstock 4

## C. Tahapan – tahapan simulasi
Tahapan  simulasi  menggunakan Autodesk  CFD  dengan  design  yang  sudah dibentuk  menggunakan  Autodesk  inventor. Simulasi menggunakan model turbulensi k- epsilon.
1. Preprocessing
Sebelum memulai simulasi, terlebih
dahulu membuat Model sesuai dengan data yang  diperoleh  menggunakan  Autodesk Inventor  kemudian import model ke Ansys Fluent,  menentukan  sifat  fluida,  proses meshing  dan  menentukan  kondisi  batas. Adapun  sub-tahapan  untuk  preprocessing meliputi:

## a. Import geometry & meshing.
Tabel 2. Jumlah Nodes dan Element
Model Nodes Element 1 313580 297148 2 337669 325300 3 109067 498754 4 63620 331972
b.  Menentukan model turbulensi dengan k- epsilon.
c. Menentukan material fluida sebagai water (H 2 O) d. Menentukan boundary condition.
- Inlet_Massflowrate = 500 kg/s - Outlet_Pressure = 0 Pa 2. Solving
Pada  tahap  ini  proses  perhitungan secara  komputasi  dimulai  berdasarkan persamaan  –  persamaan  yang  terlibat. Perhitungan  dilakukan  hingga  mencapai nilai  error  terkecil  dan  mencapai  nilai konvergen. 3. Postprocessing / Hasil
Tahap  akhir  merupakan  hasil  yang dapat divisualisasikan dalam grafik, gambar,  kontur  dan  pola  warna  tertentu. Penelitian ini dilakukan untuk  menganalisa unjuk kerja dari penstock PLTMH Boonpring. Metode penelitian menggunakan metode
komputational, dengan  pendekatan  secara  computational fluids  dynamics  (CFD)  menggunakan bantuan  software  Ansys  fluent  19.2. Parameter yang terjadi pada fenomena aliran fluida suatu model diantaranya debit aliran, head, aliran pada pipa, dan kecepatan aliran. Untuk  tahapan  penelitian  dimulai  dari melakukn  pengumpulan  data  sebuah  aliran dan rancangan reservoir.

## Hasil dan Pembahasan
Berdasarkan hasil simulasi, terdapat beberapa parameter yang ditentukan terlebih dahulu  sebelum  proses  running,  yaitu sebagai berikut:
Jenis fluida
: H 2 O (air) Densitas : 998 kg/m 3 Viskositas : 0,001003 Pa.s
Gravitasi :  -9,81  m/s 2 searah sumbu y Nilai kecepatan aliran : 3,9772 m/s Bilangan Re : 1583266 (turbulent) Model viscous : K-Epsilon Intensitas turbulen : 2,68 % Tabel 3. Boundary Condition Boundary Jenis Nilai Inlet Mass Flowrate  500 kg/s Outlet Pressure 100 kPa Intensitas turbulensi Inlet-Outlet 2,68 % Tabel 4. Hasil Simulasi Kecepatan akhir outlet Nilai Penstock 1 4,00125 m/s Penstock 2 4,61001 m/s Penstock 3 4,0001 m/s Penstock 4 4,6032 m/s Gambar 5. Kontur kecepatan pada Penstock 1 Gambar 6. Vektor kecepatan pada Penstock 1
Gambar 7. Kontur kecepatan pada Penstock 2
Gambar 8. Vektor kecepatan pada Penstock 2
Gambar 9. Vektor kecepatan pada elbow 450 Penstock 2
Gambar 10. Kontur kecepatan bidang xy pada Penstock 3
Inlet pada simulasi bernilai 500 kg/s, semua penstock diasumsikan dengan ketinggian  yang  sama  3,5  m.  Pada percobaan  yang  dilakukan  nilai  kecepatan rata-rata pada sisi outlet penstock 1 sebesar 4.0001 m/s nilai ini lebih besar
dibandingkan  dengan  nilai  perhitungan manual kecepatan aliran sebesar 3.9772 m/s.
Gambar 11. Vektor kecepatan pada Penstock 3
Pada  bagian  elbow  30,  terdapat aliran  beragam,  meliputi  aliran  kecepatan intensitas  tinggi,  sedang,  dan  rendah.  Hal seperti ini menyebabkan adanya rugi aliran dikarenakan  belokan  pada  pipa.  Adapun pola aliran kecepatan intensitas rendah pada bagian  inlet  penstock,  hal  ini  disebatkan adanya  kemiringan  pada  penstock  setelah aliran  air  keluar  dari  reservoir.  Nilai kecepatan  dari  penstock  2  sebesar  4,61001 m/s. Untuk kecepatan aliran pada penstock 3  sebesar  4,0001  m/s,  kontur  kecepatan dapat dilihat pada Gambar 7. Sementara itu, tepat  pada  inlet  penstock  3  yang  terlihat pada  Gambar  10,  terindikasi  adanya kecepatan  intensitas  rendah  yang  berada pada  dua  cabang  inlet  penstock.  Dari Gambar  12  terdapat  vektor  aliran  tidak searah, ini menciptakan aliran vortex.

## Gambar 12. Kontur kecepatan bidang yz pada Penstock 4
Kontur  kecepatan  penstock  4  dapat dilihat pada Gambar 12. Walaupun dengan kemiringan yang sama, penstock 4 menghasilkan  aliran  cukup  seragam  tepat pada  inlet,  namun  konturnya  menunjukkan
intensitas sedang, berbeda dengan penstock 2. Nilai kecepatan penstock 4 sebesar 4.6032 m/s kecepatan ini menyerupai nilai penstock 2.
Gambar 13. Kontur kecepatan bidang xz pada Penstock 4
Gambar 14. Kontur kecepatan bidang xz pada Penstock 4

## Kesimpulan
Berdasarkan hasil simulasi  variasi  desain pipa penstock PLTMH, beberapa kesimpulan  dapat  diambil.  Hasil  simulasi ANSYS  pada  penstock  1  menunjukkan bahwa  tidak  ada  perbedaan  signifikan perhitungan  kecepatan  aliran,  sehingga didapatkan  bahwa  permasalahan  PLTMH Boonpring  tidak  terletak  pada  kecepatan aliran  dari  penstock  tersebut.  Dengan ketinggian dan debit yang sama, penggunaan penstock miring dapat meningkatkan  kecepatan  aliran  fluida. Selain  itu,  potensi  timbulnya  aliran  vortex pada  penstock  terjadi  bila  penstock mengalami  penurunan  elevasi,  tidak  pada pipa datar. Dengan adanya model
percabangan,  kecepatan  fluida  air  yang incompressible  tidak  dapat  ditingkatkan, karena  fungsi  penstock  bifurcation  dan trifurcation  adalah  untuk  mendistribusikan fluida  tanpa  mempengaruhi  kecepatannya. Namun,  dengan  ketinggian  yang  sama, bidang miring penstock dapat meningkatkan kecepatan  asalkan  debit  alirannya  tetap konstan.

## Ucapan terimakasih
Ucapan  terima  kasih  ditujukan  kepada DPPM Universitas Muhammadiyah Malang yang telah mendanai penelitian ini, sehingga dapat berjalan dengan lancar.

## Referensi
[1]  B. Li and N. Haneklaus, 2021. The role of  renewable  energy,  fossil  fuel consumption, urbanization and economic growth on CO 2 emissions in China. Journal of Energy Reports, vol. 7, pp. 783–791, doi: 10.1016/j.egyr.2021.09.194. [2]  B. Li and N. Haneklaus, 2022. The role of clean energy, fossil fuel consumption  and  trade  openness  for carbon neutrality in China. Journal of Energy  Reports,  vol.  8,  pp.  1090– 1098,
doi:
10.1016/j.egyr.2022.02.092. [3]  A.  Alkhalidi,  K.  Alqarra,  M.  A. Abdelkareem, and A. G. Olabi, 2022. Renewable energy curtailment practices  in  Jordan  and  proposed solutions.  Int.  J.  Thermofluids,  vol. 16,  no.  June,  p.  100196,  doi: 10.1016/j.ijft.2022.100196.
[4]  B.  K.  Sovacool,  2021.  Clean,  low- carbon but corrupt? Examining corruption  risks  and  solutions  for  the renewable  energy  sector  in  Mexico, Malaysia,  Kenya  and  South  Africa. Journal  of  Energy  Strateg.  Rev.,  vol. 38,  no.  July,  p.  100723,  doi: 10.1016/j.esr.2021.100723.
[5]  T.  T.  Pedersen,  M.  Victoria,  M.  G. Rasmussen,  and  G.  B.  Andresen, 2021. Modeling all alternative solutions for highly renewable energy systems. Journal of Energy, vol. 234, p. 121294, doi:
10.1016/j.energy.2021.121294.
[6]  Erinofiardi  et  al.,  2017.  A  Review  on Micro  Hydropower  in  Indonesia. Journal of Energy Procedia, vol. 110, no. December 2016, pp. 316–321, doi: 10.1016/j.egypro.2017.03.146.
[7]  Z. Saleh, Yosi Apriani, Feby Ardianto, and Ricky Purwanto, 2019. ANALISIS KARAKTERISTIK TURBIN CROSSFLOW KAPASITAS  5  kW.  Jurnal  Surya Energy,  vol.  3,  no.  2,  pp.  255–261, [Online]. Available:
https://doi.org/10.32502/jse.v3i2.148 4
[8]  P.  Kumar,  A.  Kumar,  and  S.  Jaiswal, 2023. A critical review of technologies for harnessing the power from flowing water using a hydrokinetic  turbine  to  fulfill  the energy  need.  Journal  of  Energy Reports,  vol.  9,  pp.  2102–2118,  doi: 10.1016/j.egyr.2023.01.033.
[9]  C. A. Aguirre, R. G. Ramirez Camacho, W. de Oliveira, and F. Avellan, 2019. Numerical analysis for detecting head losses in trifurcations of high head in hydropower plants. Journal of Renew. Energy,  vol.  131,  pp.  197–207,  doi: 10.1016/j.renene.2018.07.021.
[10] M.  K.  Domfeh,  S.  Gyamfi,  M.  Amo- Boateng, R. Andoh, E. A. Ofosu, and G. Tabor, 2020. Free surface vortices at  hydropower  intakes:  –  A  state-of- the-art review. Journal of Sci. African, vol. 8, p. e00355, doi:
10.1016/j.sciaf.2020.e00355.
[11] C.  Abeykoon,  2022.  Modelling  and optimization of a Kaplan turbine — A comprehensive  theoretical  and  CFD study. Journal of Clean. Energy Syst., vol.  3,  no.  July,  p.  100017,  doi:
10.1016/j.cles.2022.100017.
[12] K.  V.  Alexander  and  E.  P.  Giddens, 2008.  Optimum  penstocks  for  low head microhydro schemes. Journal of Renew.  Energy,  vol.  33,  no.  3,  pp. 507–519, doi: 10.1016/j.renene.2007.01.009.
[13] B. Suyesh, V. Parag, D. Keshav, A. M. Ahmed,  and  O.  Abdul-Ghani,  2018. Novel trends in modelling techniques of Pelton Turbine bucket for increased renewable energy production. Journal of Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 112,  no.  August  2018,  pp.  87–101, doi: 10.1016/j.rser.2019.05.045.
[14] A.  Mirzaei,  M.  H.  Shojaeefard,  A. Babaei, and Y. Yassi, 2015.
Experimental  study  of  redesigned draft  tube  of  an  Agnew  microhydro turbine.  Journal  of  Energy  Convers. Manag.,  vol.  105,  pp.  488–497,  doi: 10.1016/j.enconman.2015.08.007.
[15] B.  P.  Epps,  B.  T.  Roesler,  R.  B. Medvitz,  Y.  Choo,  and  J.  McEntee, 2019. A viscous vortex lattice method for  analysis  of  cross-flow  propellers and  turbines.  Journal  of  Renew. Energy, vol. 143, pp. 1035–1052, doi: 10.1016/j.renene.2019.05.053.
[16] D. H. Wood, V. L. Okulov, and J. R. P. Vaz, 2021. Calculation of the induced velocities  in  lifting  line  analyses  of propellers  and  turbines.  Journal  of Ocean  Eng.,  vol.  235,  no.  May,  p. 109337, doi:
10.1016/j.oceaneng.2021.109337.