Civil Engineering

1. PENDAHULUAN

Energi air adalah energi yang telah dimanfaatkan secara luas di Indonesia yang dalam skala besar telah digunakan sebagai pembangkit listrik. Beberapa perusahaan di bidang pertanian bahkan juga memiliki pembangkit listrik sendiri yang bersumber dari energi air. Di masa mendatang untuk pembangunan pedesaan termasuk industri kecil yang jauh dari jaringan listrik nasional, energi yang dibangkitkan melalui sistem mikrohidro diperkirakan akan tumbuh secara pesat.

---

2. POTENSI AIR SEBAGAI SUMBER ENERGI

Potensi air sebagai sumber energi terutama digunakan sebagai penyedia energi listrik melalui pembangkit listrik tenaga air maupun mikrohidro. Potensi tenaga air di seluruh Indonesia diperkirakan sebesar 75684 MW. Potensi ini dapat dimanfaatkan untuk pembangkit tenaga listrik dengan kapasitas 100 MW ke atas dengan jumlah sekitar 800. Banyaknya sungai dan danau air tawar yang ada di Indonesia merupakan modal awal untuk pengembangan energi air ini. Namun eksploitasi terhadap sumber energi yang satu ini juga harus memperhatikan ekosistem lingkungan yang sudah ada. Pemanfaatan energi air pada dasarnya adalah pemanfaatan energi potensial gravitasi. Energi mekanik aliran air yang merupakan transformasi dari energi potensial gravitasi dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin atau kincir. Umumnya turbin digunakan untuk membangkitkan energi listrik sedangkan kincir untuk pemanfaatan energi mekanik secara langsung. Pada umumnya untuk mendapatkan energi mekanik aliran air ini, perlu beda tinggi air yang diciptakan dengan menggunakan bendungan. Akan tetapi dalam menggerakkan kincir, aliran air pada sungai dapat dimanfaatkan ketika kecepatan alirannya memada. Pembangkit listrik mikrohidro mengacu pada pembangkit listrik dengan skala di bawah 100 kW. Banyak daerah pedesaan di Indonesia yang dekat dengan aliran sungai yang memadai untuk pembangkit listrik pada skala yang demikian. Diharapkan dengan memanfaatkan potensi yang ada di desa-desa tersebut dapat memenuhi kebutuhan energinya sendiri dalam mengantisipasi kenaikan biaya energi atau kesulitan jaringan listrik nasional untuk menjangkaunya. Energi air yang dimanfaatkan di Indonesia pada umumnya dalam skala yang besar (PLTA). Ada beberapa kontroversi untuk menggolongkan PLTA sebagai sumber energi terbarukan, karena dampak negatifnya terhadap kondisi lingkungan. Bendungan besar yang digunakan dapat memperlambat debit aliran sungai secara signifikan sehingga mempengaruhi ekosistem sungai. Suplai air untuk keperluan lainnya pun juga terkena dampak. Dalam konstruksi bendungan yang membutuhkan lahan yang luas seringkali harus mengkonversi ekosistem di daerah aliran. Berbeda dengan pemanfaatan energi mikrohidro, sehubungan dengan skala yang tidak terlalu besar dampak terhadap lingkungan tidak terlalu besar.

---

3. PEMANFAATAN ENERGI AIR MENGGUNAKAN KINCIR

Pemanfaatan energi air dalam skala kecil dapat berupa penerapan kincir air dan turbin. Dikenal ada tiga jenis kincir air berdasarkan sistem aliran airnya, yaitu : overshot, breast-shot, dan under-shot. (Animasi 5.1.) Pada kincir overshot, air melalui atas kincir dan kincir berada di bawah aliran air. Air memutar kincir dan air jatuh ke permukaan lebih rendah. Kincir bergerak searah jarum jam. Pada kincir breast-shot, kincir diletakkan sejajar dengan aliran air sehingga air mengalir melalui tengah-tengah kincir. Air memutar kincir berlawanan dengan arah jarum jam. Pada kincir under-shot, posisi kincir air diletakkan agak ke atas dan sedikit menyentuh air. Aliran air yang menyentuh kincir menggerakkan kincir sehingga berlawanan arah dengan jarum jam.

Animasi 5.1. Jenis kincir berdasarkan posisi aliran air

Daya yang dapat diberikan aliran air melalui kincir atau turbin berbanding lurus dengan tinggi permukaan dan debit air. Untuk itu daya turbin dapat dihitung dengan rumus berikut: Dimana : η = efisiensi sistem (-) σ = berat air persatuan volume (N/m3) Q = debit air (m3/det) h = ketinggian permukaan (m) Bhp = daya yang diberikan aliran air melalui kincir (Watt)

Tabel 5.1. Karakteristik dari kincir air

Karakteristik	Jenis Kincir
	Over-shot	Breast-shot	Under-shot
1. Ketinggian permukaan air, Head (h), m	3-12	2-5	0.4-3.0
2. Debit air, Q (m3/det)	-	0.3-3.0	0.2-5.0
3. Diameter kincir D (m)	2.5-10	5.5-8.5 (D=h+3.5)	2-9 (D=3h sampai 5h)
4. Kecepatan peripheral U (m/det)	1.5-2	1.4-2	-
5. RPM	3-25	3-7	2-12
6. Efisiensi Max. (%)	65-80	60-75	60-70

	Contoh Soal 5.1. Kincir air “overshot” Suatu suplai air dengan ketinggian permukaan h= 5 m dan debit Q = 0.3 m3/det akan digunakan dengan melalui kincir air jenis over-shot yang berdiameter D = 4 m. Jika kincir berputar pada N = 5 RPM dan mempunyai 36 buah mangkuk disekeliling kincir. Tiap mangkuk terisi air tidak lebih dari separuh volumnya. Efisiensi sistem kincir adalah 60%. (a) Berapa volume tiap mangkuk yang diperlukan? (b) Bila luas penampang melintang mangkuk 0.1 m2, berapa lebar kincir yang diperlukan? (c) Berapa daya yang dihasilkan (d) Berapa kecepatan spesifik kincir tersebut?
	Jawab: (a) Volume mangkuk : (b) Lebar Kincir yang dibutuhkan : (c) Daya yang dihasilkan (Bhp) (d) Kecepatan spesifiknya :
	Komentar:

4. BEBERAPA JENIS TURBIN

Diantara jenis turbin ada yang disebut turbin impuls dan turbin reaksi. Turbin impuls digerakkan melalui perubahan kecepatan (dan oleh karena itu momentum) dari air, sedangkan turbin reaksi berputar sehubungan dengan perbedaan tekanan yang dibangkitkan oleh air yang melalui sudu. Salah satu jenis turbin impuls adalah Roda Pelton (Kadir, 1980). Gambar memperlihatkan cara kerja Roda Pelton. Kecepatan air dari nozlle pada Roda Pelton ini dapat dihitung dengan rumus : Dimana : V = kecepatan air pada nozlle (m/det) C = koefisien transmisi Kecepatan titik pada lingkaran luar Roda Pelton biasanya dinyatakan dalam U = a V, dimana a=konstanta, sedangkan U sendiri adalah: Dimana : R = jari-jari Roda Pelton D = diameter Roda Pelton N = RPM Daya yang tersedia pada Roda Pelton juga dihitung dengan menggunakan persamaan daya kincir air. Nilai kecepatan spesifik (ηS) Roda Pelton, Turbin-Prancis dan Turbin Propeller unuk masing-masing efisiensi maksimum disajikan pada Tabel 5.2. Tabel 5.2. Efisiensi maksimum dan kecepatan spesifik dari beberapa jenis turbin Jenis Turbin Perkiraan Efisiensi maksimum ηs Roda Pelton nozlle tunggal Turbin Francis Turbin Propeller 85 94.5 95 5 50 100

Gambar 5.1. www.capture3d.com/applications-quality-turbin

	Contoh Soal 5.2. Turbin (Roda) Pelton Sebuah Roda Pelton dipakai untuk menghasilkan daya dengan menggunakan tenaga air dengan ketinggian 25 m. Apabila U= 0.45 V, V= kecepatan air pada nozlle dan turbin dirancang untuk N=300 RPM, maka (a) Berapa diameter roda yang dibutuhkan dengan asumsi transmisi C = 0.95 (b) Bila nozlle mempunyai diameter 5 cm. Berapa debit aliran air (m3/det) ? (c) Berapa daya (Hp) yang bisa dihasilkan Roda Pelton pada efisiensi maksimumnya? (d) Berapa kecepatan spesifik Roda Pelton pada keadaan ini?
	Jawab: (a) Dari rumus (3.141) : N = U / (η D) atau D = U / (η N) sedangkan U = 0.45 V (b) Debit air Q = AV; diameter nozlle, D = 5 cm (c) Daya yang dihasilkan, dengan efisiensi 0.88 maka: (d) Sehingga kecepatan spesifik adalah
	Komentar:

Dua jenis turbin reaksi yang sering digunakan adalah Turbin Francis dan Kaplan .

Animasi 5.2. Turbin Francis http://www.jfccivilengineer.com/turbines.htm

Gambar 5.2 . Turbin Kaplan (http://en.wikipedia.org/wiki/Water_turbine)

---

3. PRINSIP PEMANFAATAN MIKROHIDRO

Pemanfaatan aliran air dari sungai untuk pembangkit listrik (mikrohidro) adalah sebagai berikut. Air dari sungai dibendung, kemudian dialirkan melalui parit. Sebagian air dialirkan ke dalam bak penampungan dan sebagian lagi di alirkan untuk keperluan irigasi. Air dalam bak penampungan kemudian di saring dan dialirkan ke dalam bak penenang. Bak penenang berfungsi untuk menenangkan air agar tidak terjadi kumparan air yang dapat menyebabkan turbin bekerja tidak efisien. Air dalam bak penenang kemudian dialirkan melalui pipa-pipa besar yang disebut penstock yang menuju power house. Di dalam power house terdapat turbin dan generator. Putaran turbin menyebabkan generator berputar. Di dalam generator energi air yang digerakan turbin diubah menjadi energi listrik. Untuk menghasilkan tegangan yang tinggi maka perlu adanya transformator. Salah satu Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro yang terdapat di Indonesia adalah PLTMH cinta mekar yang berlokasi di Subang, Jawa Barat.

Gambar 5.3.

Gambar 5.4. PLTMH Cinta Mekar

---

SOAL