MODEL SEBARAN PANAS AIR KANAL PENDINGIN …lib.ui.ac.id/file?file=digital/20295063-T29864-Model sebaran.pdf · HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR ... Peta batimetri

UNIVERSITAS INDONESIA

MODEL SEBARAN PANAS AIR KANAL PENDINGIN

INSTALASI PEMBANGKIT LISTRIK KE BADAN AIR LAUT

TESIS

CHEVY CAHYANA

0906577021

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

PROGRAM ILMU KELAUTAN

2011

Model sebaran..., Chevy Cahyani, FMIPAUI, 2011

Perpustakaan

Note

Silakan klik bookmarks untuk melihat atau link ke hlm

UNIVERSITAS INDONESIA

MODEL SEBARAN PANAS AIR KANAL PENDINGIN

INSTALASI PEMBANGKIT LISTRIK KE BADAN AIR LAUT

TESIS

Tesis ini diajukan sebagai salah satu syarat untuk

Memperoleh gelar Magister Ilmu Kelautan

CHEVY CAHYANA

0906577021

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

PROGRAM ILMU KELAUTAN

2011


iii


iv


v

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Alloh Subhanahu wa Ta’ala atas

limpahan rahmat dan petunjuk-Nya sehingga penulisan tesis ini dapat selesai dengan

baik dan tepat waktu. Penulisan tesis dengan judul “Model Sebaran Panas Air

Kanal Pendingin Instalasi Pembangkit Listrik ke Badan Air Laut” dilakukan

dalam rangka memenuhi persyaratan kelulusan di Program Studi Ilmu Kelautan

Universitas Indonesia. Penulisan ini tak lepas dari bantuan beberapa pihak. Oleh

karena itu, dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada:

1. Bapak Dr. rer. nat. Eko Kusratmoko, M. Sc. sebagai Pembimbing I yang telah

membimbing dan mengarahkan penulis dalam penelitian dan menyusun tesis ini;

2. Bapak Dr. A. Harsono Soepardjo, M. Eng. selaku Ketua Program Studi Ilmu

Kelautan dan sebagai Pembimbing II yang telah membimbing, mengarahkan dan

memberikan banyak masukan yang sangat bermanfaat;

3. Ibu Dra. Tuty Handayani, M. S. selaku pembimbing akademis;

4. Bapak Drs. R. Heru Umbara, Bapak Dr. Heny Suseno, M. Si. dan rekan-rekan

seperjuangan di Bidang Radioekologi Kelautan PTLR BATAN;

5. Bapak Dwijo dan Kelompok Oseanology PPEN BATAN, yang telah membantu

dalam pengukuran lapangan;

6. Seluruh pihak yang secara langsung maupun tidak langsung turut berkontribusi

dalam penyusunan tesis ini.

Penulis menyadari masih terdapat banyak kekurangan dalam tesis ini. Oleh

karena itu diharapkan kritik dan saran dari semua pihak agar dapat menyempurnakan

tesis ini. Semoga tesis ini dapat bermanfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan.

Penulis

2011


vi


vii

ABSTRAK

Nama : Chevy Cahyana

Program Studi : Ilmu Kelautan

Judul : Model Sebaran Panas Air Kanal Pendingin Instalasi

Pembangkit Listrik ke Badan Air Laut

Pengoperasian suatu instalasi pembangkit listrik tenaga termal, baik yang berbahan bakar batubara, minyak bumi maupun energi nuklir, umumnya menggunakan air laut sebagai pendingin. Air pendingin yang masuk kembali ke laut memiliki temperatur di atas temperatur ambien air laut. Masuknya limbah air panas dari kanal pendingin ke laut (thermal pollution) dalam jumlah besar dapat memberikan dampak negatif bagi kehidupan biota laut di sekitarnya. Pengkajian tentang pola sebaran polutan panas dari kanal pendingin pembangkit listrik perlu dilakukan untuk dapat mengetahui luas daerah yang terkena dampak dan berapa besar perubahan temperatur yang terjadi. Simulasi sebaran panas di laut dilakukan dengan mengasumsikan pembangkit listrik tenaga nuklir dengan kapasitas 7000 MWe beroperasi di Semenanjung Muria Jepara sebagai calon tapak PLTN di Indonesia. Hasil simulasi menunjukkan temperatur sebesar 34-360C menyebar sejauh 115 m, sementara temperatur sebesar 31-330C menyebar sejauh 1048 m dari outlet kanal pendingin. Kata kunci: kanal pendingin, sebaran panas


viii

ABSTRACT

Name : Chevy Cahyana

Study Program : Ilmu Kelautan

Title : The Model of Heat Water Dispersion from Power Plant

Installation Cooling Canal to Ocean Water Bodies.

The operation of a thermal power plant, including coal-fired, oil and nuclear energy, use sea water as coolant. Cooling water back into the sea has a temperature above the ambient temperature of sea water. The entry of warm water waste from the cooling canal to the sea (thermal pollution) in large quantities may cause negative impact on marine biota around the canal outlet. Assessment of heat pollutant dispersion pattern from power plant cooling canal needs to be done in order to know the area affected and how much the temperature changes that occur. It is assumed that 7000 MWe nuclear power plant is operated to simulate heat dispersion to ocean water body at Muria peninsula, Jepara as a candidate site of nuclear power plant at Indonesia. The simulation results show that temperature of 34-360C disperse along 115 meters, meanwhile temperature of 31-330C disperse along 1048 meters from cooling canal outlet Key words: cooling canal, heat dispersion


ix

DAFTAR ISI

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS…………………………………….iii HALAMAN PENGESAHAN………………………………………………………..iv KATA PENGANTAR………………………………………………………………...v HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS …………………………………….…. vi ABSTRAK.......………………………………………………………………………viiABSTRACT……………………………………………………………………….. viii DAFTAR ISI…………………………………………………………….…………..ix DAFTAR GAMBAR…………………………………………..…………………….xi DAFTAR TABEL…………………………………………….……………...…….. xii DAFTAR LAMPIRAN…………………………………………………………. xiii BAB 1 PENDAHULUAN……………………………………………………………1 1.1 Latar Belakang…………………………………………………………………….1 1.2 Perumusan Masalah...……………………………………………………………..2 1.3 Metode Penelitian…………………………………………………………………3 1.4 Tujuan Penelitian………………………………………………………………….4 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA…………………………………………………….5 2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Termal ……..……………………………………….5 2.2 Sistem Air Pendingin Pembangkit Listrik Tenaga Termal …………………… 8 2.3 Karakteristik Fisik Laut………………………………………………………….12 2.3.1 Temperatur……………………………………………………………………. 12 2.3.2 Arus Laut………………………………………………………………………15 2.3.3 Kekasaran Dasar Laut dan Viskositas Olakan…………………………………16 2.3.4 Pasang Surut…………………………………………………………………...19 2.4 Konsep Hidrodinamika Laut…………………………………………………….19 2.5 Model Numerik Hidrodinamika Laut……………………………………………21 2.6 Model Hidrodinamika untuk Perairan Dangkal………………………………….24 2.7 Penelitian Terdahulu……………………………………………………………..27 BAB 3 METODE PENELITIAN…………………………………………………29 3.1 Daerah Studi…………………………………………………………………….29 3.2 Perangkat Lunak Surface Water Modeling System (SMS)……………………...30 3.3 Cara Kerja………………………………………………………………………..32 3.3.1 Data Input……………………………………………………………………...32 3.3.2 Penentuan Kondisi Batas dan Kondisi Awal………………………………….33 3.3.3 Sifat Bahan ……………………..……………………………………………..34 3.3.4 Analisis Sensitivitas……………………………………………………………34 3.3.5 Validasi Model………………………………………………………………... 35


x

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN……………………………………………36 4.1 Domain Pemodelan dan Diskritisasi Domain …………………………………...36 4.2 Data Kedalaman Laut …………………………………………………………...38 4.3 Pengaturan Model ..…………………………………………………………….. 40 4.3.1 Kondisi Batas ...………………………………………………………………..40 4.3.2 Kondisi Awal ..………………………………………………………………...40 4.3.3 Sifat Material ..………………………………………………………………...41 4.3.4 Kontrol Model ...……………………………………………………………….41 4.4 Kalibrasi dan Validasi ...…………………………………………………………42 4.4.1 Analisis Sensitivitas Perangkat Lunak SMS ...………………………………...42 4.4.1.1 Variasi Kekasaran Maning …………………………………………………..43 4.4.1.2 Perubahan Viskositas Olakan ..……………………………………………...44 4.4.2 Validasi Model ...………………………………………………………………45 4.5 Pola Arus dari Kanal Pendingin …………...…………………………………….48 4.6 Pola Sebaran Panas dari Kanal Pendingin …….………………………………...51 4.7 Simulasi Kanal Pendingin PLTN 7000 MWe ...…………………………………60 4.7.1 Penghitungan Debit Air Kanal Pendingin ……………………………………..60 4.7.2 Pola Arus dan Sebaran Panas …………………………..……………………...61 BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN …………………………………………...67 5.1 Kesimpulan ……………………………………………………………….……. 67 5.2 Saran …………………………………………………………………………. 68 DAFTAR PUSTAKA……………………………………………………………….69 LAMPIRAN…………………………………………………………………………80


xi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Skema pembangkit listrik tenaga termal dengan bahan bakar batubara ………………………………………………………...

5

Gambar 2.2. Skema pembangkit listrik tenaga nuklir jenis PWR ………….... 7 Gambar 2.3. Skema pembangkit listrik tenaga nuklir jenis BWR …………… 7 Gambar 2.4. Skema cara kerja kondensor …………………………………… 8 Gambar 2.5. Grafik hubungan antara kapasitas daya dan debit air pendingin . 9 Gambar 2.6. Komponen fluks panas ………………………………………... 12 Gambar 2.7. Temperatur permukaan laut rata-rata dihitung dengan teknik

interpolasi optimal ……………………………………………..

13 Gambar 2.8. Arus Ekman yang disebabkan oleh angin dengan kecepatan

10m/s dengan arah 350 ke utara ………………………………..

15 Gambar 2.9. Perbedaan model 2D dan model 3D pada arus yang dipengaruhi

angin …………………………………………………………...

22 Gambar 3.1. Lokasi penelitian ……………………………………………….. 29 Gambar 3.2. Diagram alir proses pemodelan RMA2 dan RMA4 ………….... 31 Gambar 3.3. Peta batimetri Semenanjung Muria Jepara …………………….. 33 Gambar 4.1. Domain pemodelan …………………………………………….. 37 Gambar 4.2. Diskritisasi domain pemodelan ………………………………… 38 Gambar 4.3. Kontur kedalaman laut Semenanjung Muria, Jepara …………... 39 Gambar 4.4. Model kanal untuk analisis sensitivitas ………………………... 43 Gambar 4.5. Pengaruh kekasaran Manning (n) terhadap elevasi muka air .…. 44 Gambar 4.6. Pengaruh viskositas olakan terhadap elevasi muka air ………… 45 Gambar 4.7. Pengukuran arah dan kecepatan arus …………………………... 46 Gambar 4.8. Perbandingan besarnya kecepatan arus hasil pemodelan dan

pengukuran ……………………………………………………..

47 Gambar 4.9. Perbandingan arah arus hasil pemodelan dan pengukuran …….. 47 Gambar 4.10. a. Pola arus pada saat musim barat …………………………….. 48 Gambar 4.10. b. Pola arus pada saat musim timur …………………...……….. 48 Gambar 4.11. Pengaruh debit kanal terhadap pola arus ………………………. 50 Gambar 4.12. Grafik pengaruh debit kanal terhadap pola arus …….…………. 51 Gambar 4.13. a. Model sebaran panas untuk musim barat ………………..…... 52 Gambar 4.13. b. Model sebaran panas untuk musim timur ...……………..…... 53 Gambar 4.14. a. Pola sebaran air panas di laut dengan debit 180 m3/s ………. 55 Gambar 4.14. b. Pola sebaran air panas di laut dengan debit 60 m3/s …..……. 55


xii

Gambar 4.15. Sebaran panas pada arah tegak lurus sumbu simetri kanal

pendingin …………………………………………………….....

56 Gambar 4.16. Sebaran panas sepanjang sumbu simetri kanal pendingin ……... 57 Gambar 4.17. a. Hasil simulasi model dengan panjang kanal 500 m ………..... 58 Gambar 4.17. b. Hasil simulasi model dengan panjang kanal 1000 m ……....... 58 Gambar 4.17. c. Hasil simulasi model dengan panjang kanal 2000 m ………... 59 Gambar 4.18. Sebaran panas pada arah tegak lurus sumbu simetri kanal

pendingin ……………………………………………………….

59 Gambar 4.19. Pola sebaran arus yang dipengaruhi debit kanal pendingin ……. 62 Gambar 4.20. Sebaran panas dari PLTN dengan kapasitas 7000 MWe ………. 62 Gambar 4.21. Sebaran temperatur ke arah barat laut …………………………. 63 Gambar 4.22. Sebaran temperatur ke arah utara ……………………………… 64 Gambar 4.23. Sebaran temperatur ke arah timur laut …………………………. 64 Gambar 4.24. Perubahan temporal sebaran temperatur terhadap jarak ………. 66 Gambar 4.30. Perubahan temperatur secara temporal pada beberapa titik

tinjau ……………………………………………………………

66


xiii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Besarnya viskositas olakan berdasarkan jenis aliran …………... 17 Tabel 2.2. Kaitan hukum kekekalan dengan persamaan gerak fluida …….. 21 Tabel 4.1. Rentang nilai faktor difusi ..……………………………………. 41


xiv

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran A Batimetri Semenanjung Muria, Jepara berdasarkan peta Dishidros TNI AL ………………………………….…………...

72

Lampiran B Lampiran C

Data pengukuran lapangan kedalaman laut Semenanjung Muria, Jepara …………………………………………………….….…. Peta batimetri perairan Jepara …………………………………..

73 74

Lampiran D Hasil pengukuran arus di Semenanjung Muria, Jepara ….….…. 75


1 Universitas Indonesia

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pengoperasian suatu instalasi pembangkit listrik, baik yang berbahan bakar

batubara, minyak bumi maupun energi nuklir, umumnya menggunakan air laut

sebagai pendingin. Air laut yang telah digunakan sebagai pendingin ini dibuang

kembali ke laut. Untuk menurunkan temperatur, sebelum dibuang kembali ke laut air

pendingin dialirkan melalui suatu kanal pendingin (cooling channel). Namun, air

pendingin yang masuk kembali ke laut tetap memiliki temperatur di atas temperatur

ambien air laut.

Masuknya limbah air panas dari kanal pendingin ke laut (thermal pollution)

dalam jumlah besar dapat memberikan dampak negatif bagi kehidupan biota laut di

sekitarnya. Hanya ikan, krustasea dan moluska yang dapat bertahan terhadap

temperatur yang tinggi dan dapat hidup dalam lingkungan yang panas. Temperatur

tertinggi yang dapat ditoleransi oleh ikan adalah 38,10C, krustasea 37,90C dan

moluska 36,70C (Mihardja dkk., 1999).

Pengaruh secara kimia adalah terhadap kecepatan reaksi dimana reaksi pada

kondisi yang setimbang akan berubah sejalan dengan perubahan temperatur.

Kecepatan reaksi akan naik sekitar duakalinya untuk setiap kenaikan 100C. Banyak

reaksi yang mempengaruhi kualitas air yaitu reaksi biokimia dan sekitar pusat

aktivitas mikroba. Rasa dan bau terjadi pada air yang hangat karena terjadinya

penurunan kelarutan terutama gas H2S, SO2, CH4, SOx (Huboyo dan Zaman, 2007).

Penyebaran temperatur di badan air akan dipandang sebagai penyebaran

material yang konservatif yang tidak mengalami peluruhan oleh proses kimia dan

biologi di dalam air, jadi perubahahan temperaturnya hanya disebabkan oleh proses

fisis saja (Ismanto dkk., 2008). Proses fisis tersebut berupa adveksi, difusi, konduksi

dan konveksi. Proses adveksi dan difusi terjadi pada badan air laut, sedangkan proses


2

Universitas Indonesia

konduksi dan konveksi terjadi pada batas air dan udara. Adveksi adalah proses

perpindahan panas sebagai akibat dari adanya aliran. Difusi adalah proses

perpindahan panas berupa rambatan dari air dengan temperatur tinggi ke air dengan

temperatur yang lebih rendah. Biasanya permukaan laut lebih panas dari udara di

atasnya sehingga terdapat sejumlah panas yang hilang dari laut melalui proses

konduksi. Kehilangan tersebut relatif kecil dibanding total panas lautan sehingga

pengaruhnya dapat diabaikan, kecuali untuk pencampuran konvektif oleh angin yang

memindahkan udara hangat dari permukaan laut (Supangat dan Susanna, 2008).

Dengan kata lain luas sebaran polutan panas dari kanal pendingin tergantung pada

beberapa faktor yaitu volume air limbah, temperatur air limbah, temperatur ambien

air laut dan sirkulasi air laut di lokasi masuknya air limbah ke laut.

1.2 Perumusan Masalah

Pengkajian tentang sebaran polutan panas dari kanal pendingin pembangkit

listrik perlu dilakukan untuk dapat mengetahui dampaknya terhadap lingkungan.

Pengkajian sebaran panas di laut dapat dilakukan dengan pemodelan komputer

menggunakan konsep analisis numerik hidrodinamika laut.

Pada pemodelan sebaran polutan panas dari kanal pendingin ke badan air laut,

timbul beberapa pertanyaan penelitian, yaitu:

1. Bagaimana sensitivitas perangkat lunak yang digunakan terhadap parameter

potensial berupa kekasaran Manning dan viskositas olakan?

2. Bagaimana perbandingan arus hasil pemodelan dengan arus hasil

pengukuran?

3. Bagaimana pola sebaran temperatur pada badan air laut secara spasial dan

temporal?


3


Dalam melakukan pemodelan pola sebaran polutan panas di laut, proses-

proses fisika yang terjadi dimodelkan secara numerik. Dalam melakukan pemodelan

numerik perlu dilakukan pendekatan-pendekatan agar solusi dari model numerik

tersebut dapat diperoleh. Selain itu perlu dilakukan juga batasan-batasan agar

pembahasan yang dilakukan tidak terlalu mengembang dan keluar dari tujuan

pembuatan tesis ini.

Pendekatan dan batasan-batasan dalam tesis ini adalah:

a. Pemodelan dilakukan pada daerah pesisir yang dangkal, sehingga badan air

laut dianggap tidak mengalami perlapisan (non stratification).

b. Distribusi kecepatan terhadap kedalaman dianggap seragam, sehingga

kecepatan dalam arah vertikal dapat diabaikan. Oleh karena itu pemodelan

dapat dilakukan secara dua dimensi (2D) dengan hanya memperhatikan

kecepatan dalam arah horisontal.

c. Arus laut hanya dipengaruhi oleh pasang surut. Pengaruh gelombang laut,

gesekan angin dan rotasi bumi diabaikan.

d. Model numerik yang digunakan dalam tesis ini diambil dari Surface Water

Modeling System (SMS) berupa modul RMA2 untuk simulasi arus dan RMA4

untuk simulasi sebaran polutan.

e. Validasi hasil model dengan cara membandingkan hasil pemodelan dan hasil

pengukuran hanya dilakukan terhadap hasil pemodelan arus.

1.3 Metode Penelitian

Metode penelitian yang dilakukan adalah membandingkan beberapa hasil

simulasi sebaran panas untuk keadaan musim yang berbeda baik untuk kasus tunak

(steady state) maupun untuk kasus tak tunak (transient). Data lapangan yang

digunakan dalam simulasi ini berupa data batimetri dan data pasang surut.


4


Dalam penelitian ini data hasil simulasi yang divalidasi dengan cara

membandingkan dengan data pengamatan atau data pengukuran adalah hasil

pemodelan pola arus. Kalibrasi dan validasi terhadap model yang digunakan

dilakukan dengan cara uji sensitivitas terhadap parameter-parameter potensial berupa

kekasaran (roughness) dasar laut dan viskositas olakan (eddy viscosity). Uji

sensitivitas biasa dilakukan dalam penelitian-penelitian yang berbentuk pemodelan

numerik.

Tahapan simulasi pada penelitian ini meliputi penentuan lokasi berupa peta

digital lengkap dengan koordinat lintang dan bujur, penentuan parameter-parameter

yang digunakan, pendekatan-pendekatan yang dilakukan, validasi hasil pemodelan,

serta uji sensitivitas dari model. Tahapan terakhir dari penelitian ini adalah

melakukan simulasi untuk model sebaran panas dari pembangkit listrik tenaga nuklir

dengan kapasitas 7000 MWe.

1.4 Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah untuk mengkaji pola sebaran polutan panas di

laut agar dapat digunakan dalam pengkajian dampak lingkungan dalam pembangunan

instalasi pembangkit listrik yang menggunakan air laut sebagai pendingin.

Hasil simulasi ini juga dapat digunakan untuk uji validasi selanjutnya

terutama dalam perancangan pembuatan kanal pendingin agar diperoleh geometri,

debit aliran dan lokasi yang tepat yang dapat memberikan hasil pendinginan yang

optimal dengan dampak terhadap lingkungan yang minimal.



BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Termal

Instalasi pembangkit listrik tenaga termal (thermal power plant) pada

umumnya menggunakan tekanan uap dari air yang dipanaskan pada tungku (boiler)

untuk menggerakkan turbin generator. Uap air yang telah digunakan masuk ke dalam

kondensor untuk dikondensasi menjadi air yang kemudian dipompa kembali ke dalam

tungku. Pendinginan pada proses kondensasi berasal dari air pendingin yang dialirkan

melalui pipa-pipa pada kondensor. Jenis bahan bakar yang digunakan untuk

memanaskan air bermacam-macam, antara lain bahan bakar minyak, gas dan

batubara. Skema pembangkit listrik tenaga termal dengan bahan bakar batubara

ditunjukkan pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1. Skema pembangkit listrik tenaga termal dengan bahan bakar batubara

(Wikipedia - http://en.wikipedia.org/wiki/Image:PowerStation2.svg)


6


Pembangkit listrik tenaga termal juga dapat menggunakan energi panas dari

hasil reaksi fisi nuklir. Pembangkit listrik yang menggunakan energi nuklir sebagai

bahan bakar disebut Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN). Ada beberapa jenis

PLTN yang ada di dunia, dua di antaranya adalah PLTN reaktor air tekan

(Pressurized Water Reaktor, PWR) dan reaktor air didih (Boiling Water Reactor,

BWR).

PLTN jenis PWR mempunyai dua siklus pendingin, yaitu pendingin primer

dan pendingin sekunder. Siklus pendingin primer seluruhnya berada dalam fase cair.

Sedangkan siklus pendingin sekunder terdiri fase cair dan fase uap. Pendingin primer

masuk ke dasar teras reaktor pada suhu sekitar 275°C dan dipanaskan hingga suhunya

mencapai sekitar 315°C. Pada suhu tersebur air masih dalam fase cair karena adanya

tekanan yang besar sekitar 155 bar (15.5 MPa, 153 atm atau 2,250 psig). Pendingin

primer selanjutnya masuk ke dalam kolom pembangkit uap (steam generator) dan

digunakan untuk proses penguapan pendingin sekunder. Uap dari pendingin sekunder

digunakan untuk memutar turbin. Keluar dari turbin, uap pendingin sekunder

didinginkan kembali oleh kondensor sehingga kembali ke fase cair. Uap yang sudah

berubah menjadi air dipompa kembali ke dalam kolom pembangkit uap. Skema

PLTN jenis PWR ditunjukkan pada Gambar 2.2.

PLTN jenis BWR hanya mempunyai satu siklus pendingin yang terdiri dari

fase cair dan fase uap. Pendingin masuk ke dasar teras reaktor dan dipanaskan hingga

mendidih dan menguap. Tekanan sistem dijaga pada sekitar 75 atm (7,6 MPa, 1000–

1100 psi) sehingga air mendidih pada suhu 285°C. Uap dari teras langsung digunakan

untuk memutar turbin. Keluar dari turbin, uap didinginkan pada kondensor sehingga

menjadi cair kembali dan dipompa kembali ke dalam teras reaktor. Skema PLTN

jenis BWR ditunjukkan pada Gambar 2.3.


7


Gambar 2.2. Skema pembangkit listrik tenaga nuklir jenis PWR (Paschoa, 2004)

Gambar 2.3. Skema pembangkit listrik tenaga nuklir jenis BWR (Paschoa, 2004)


8


2.2 Sistem Air Pendingin Pembangkit Listrik Tenaga Termal

Instalasi pembangkit listrik tenaga termal pada umumnya menggunakan

tekanan uap dari air yang dipanaskan pada tungku (boiler) untuk menggerakkan

turbin generator. Uap air yang telah digunakan masuk ke dalam kondensor untuk

dikondensasi menjadi air yang kemudian dipompa kembali ke dalam tungku.

Pendinginan pada proses kondensasi berasal dari air pendingin yang dialirkan melalui

pipa-pipa pada kondensor. Air pendingin yang digunakan untuk mendinginkan

kondensor umumnya diambil dari laut melalui pipa inlet dan kemudian dibuang

kembali ke laut melalui pipa outlet. Desain kondensor secara normal menghasilkan

peningkatan temperatur air pendingin antara 60 -160C. (Majewski, W., Miller, D. C.,

1979). Untuk memperoleh peningkatan temperatur air pendingin yang rendah

diperlukan air pendingin dengan jumlah yang besar. Cara kerja kondensor

ditunjukkan oleh skema pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4. Skema cara kerja kondensor (Wikipedia)


9


Pada saat proses kondensasi uap panas, terjadi perpindahan panas dari uap

yang dikondensasi ke air pendingin dengan laju sebagai berikut,

H = Q x p x Cp x ∆T (2.1)

Dimana:

H laju perpindahan panas ke air pendingin, J/s atau kkal/s

Q debit aliran air pendingin, m3/s

p kerapatan air, kg/m3

Cp kapasitas panas, J kg-1 K-1 atau kkal kg-1 K-1

∆T kenaikan temperatur air pendingin, °C

Berdasarkan pada persamaan 2.1. banyaknya air pendingin yang diperlukan

suatu instalasi pembangkit listrik tenaga termal sebanding dengan besarnya kapasitas

daya dari pembangkit listrik tersebut. Hubungan antara kapasitas daya dengan debit

air pendingin yang dibutuhkan oleh pembangkit listrik ditunjukkan oleh grafik pada

Gambar 2.5.

Gambar 2.5. Grafik hubungan antara kapasitas daya dan debit air pendingin

(Majewski, W., Miller, D. C., 1979)


10


Dari grafik pada Gambar 2.5 tampak bahwa untuk kapasitas daya yang sama,

pembangkit listrik tenaga nuklir membutuhkan air pendingin yang lebih banyak

daripada pembangkit listrik tenaga termal yang berbahan bakar fosil (minyak bumi

dan batubara). Untuk menghasilkan listrik sebesar 1000 MWe, pembangkit listrik

tenaga nuklir membutuhkan air pendingin sebanyak sekitar 44.95 m3/s untuk

mendapatkan kenaikan temperatur air pendingin sebesar 100C. Sementara itu untuk

memperoleh hasil yang sama pembangkit listrik tenaga termal yang berbahan bakar

fosil hanya membutuhkan air pendingin sebanyak sekitar 26,91 m3/s. Hal ini terjadi

karena efisiensi pembangkit listrik tenaga nuklir lebih kecil dibanding pembangkit

listrik berbahan bakar fosil, sehingga pada pembangkit listrik tenaga nuklir lebih

banyak energi panas yang terbuang ke lingkungan.

Besarnya efisiensi pembangkit listrik tenaga termal dihitung dengan

persamaan berikut (Roth,2005),

inputenergidihasilkanyanglistrikenergi

efisiensi =η, (2.2)

Untuk menghasilkan listrik sebesar 1000 MWe, pembangkit listrik tenaga nuklir

dengan efisiensi 33% melepaskan energi panas ke lingkungan sebesar 67%. Dari

energi panas yang terlepas ke lingkungan 5% terjadi di dalam instalasi sehingga

energi panas yang terbuang ke air pendingin sebesar 62%, atau setara dengan energi

sebesar

MWattxE 78,187810003362

==

Dengan menggunakan persamaan 2.1 diperoleh jumlah air pendingin yang

dibutuhkan untuk memperoleh kenaikan temperatur air pendingin sebesar 100C

adalah 44,95 m3/s.


11


Sementara itu pada pembangkit listrik tenaga termal dengan bahan bakar fosil

dengan efisiensi 40%, untuk mendapatkan listrik sebesar 1000 MWe jumlah energi

panas yang terbuang ke lingkungan adalah sebesar 1500 MW. Energi panas yang

terbuang ini sebanyak 15% terjadi di dalam instalasi dan pada cerobong, sehingga

jumlah energi panas yang terbuang melalui air pendingin adalah sebesar 1125 MW.

Untuk memperoleh kenaikan temperatur air pendingin sebesar 100C dibutuhkan air

pendingin sebanyak 26,91 m3/s.

Pada sistem pendingin pembangkit listrik tenaga termal, air pendingin

kondensor yang diambil dari air laut, setelah melewati kondensor dibuang kembali ke

laut. Sebagai contoh, PLTU Suralaya Unit 1-7, setiap hari dapat menghasilkan limbah

air pendingin kondensor dengan suhu berkisar antara 34-37oC dengan jumlah aliran

522000 m3/jam atau setara 145 m3/det dibuang ke laut (Budi, S., 2008). Sementara itu

PLTN Brunswick yang terletak di negara bagian North Carolina, Amerika Serikat

mengambil air dari sungai Cape Fear, sementara itu limbah air panas kondensor

dibuang melalui kanal pendingin menuju laut.

Air yang sudah digunakan sebagai pendingin kondensor tentu memiliki suhu

yang lebih tinggi dari suhu normalnya. Pemerintah Republik Indonesia telah

mengatur pembuangan air limbah panas dari kondensor ini melalui Peraturan Menteri

Negara Lingkungan Hidup Nomor 08 Tahun 2009 tentang baku mutu air limbah bagi

usaha dan/atau kegiatan pembangkit listrik tenaga termal. Dalam peraturan tersebut

ditetapkan bahwa temperatur maksimum air bahang (panas) dari sumber pendingin

yang diijinkan untuk dibuang ke sungai atau ke laut adalah 400C.

Besarnya temperatur limbah air panas dari kondensor dapat dikontrol dengan

cara mengatur debit air pendingin yang dipompakan ke kondensor. Semakin besar

kapasitas daya pembangkit listrik tenaga termal, semakin besar debit air pendingin

yang dibutuhkan, yang berarti semakin besar pula debit limbah air panas yang

dibuang melalui kanal pendingin.


12


2.3 Karakteristik Fisik Laut

2.3.1 Temperatur

Temperatur dan salinitas adalah karakteristik fisik air laut yang sangat

penting, karena dapat digunakan untuk mengidentifikasi badan air laut secara umum.

Temperatur, salinitas dan tekanan dapat menentukan kerapatan air laut. Sebaran

temperatur pada permukaan laut dipengaruhi oleh fluks panas, penguapan, curah

hujan, air sungai yang mengalir ke laut serta pembekuan dan pencairan es di laut

(Purba, 2004). Fluks panas terdiri dari beberapa komponen, yaitu insolation

(incoming solar radiation) QSW, radiasi infra merah QLW, fluks panas sensible QS dan

fluks panas laten QL. Besarnya komponen-komponen fluks panas ditunjukkan oleh

grafik pada Gambar 2.6.

Gambar 2.6. Komponen fluks panas (Stewart, 2006)


13


Gambar 2.7. Temperatur permukaan laut rata-rata dihitung dengan

teknik interpolasi optimal (Stewart, 2006)


14


Sebaran temperatur pada permukaan laut cenderung bersifat zonal, yaitu tidak

bergantung pada posisi garis bujur (Gambar 2.7). Perbedaan temperatur terutama

disebabkan oleh kenaikan panas di lapisan permukaan di daerah equator dan

pengurangan panas di daerah kutub. Air paling hangat berada di sekitar equator dan

air paling dingin berada di sekitar kutub. Pada daerah antara equator sampai dengan

garis lintang 400, air yang lebih dingin cenderung berada di bagian timur. Pada daerah

yang terletak di bagian utara dari garis lintang 400, air yang lebih dingin cenderung

berada di bagian barat. Temperatur permukaan laut memiliki anomali, deviasi

temperatur dalam jangka panjang sangat kecil, kurang dari 1.50 C kecuali di samudera

Pasifik di sekitar ekuator deviasi bisa mencapai 30 C (Stewart, 2006).

Profil temperatur terhadap kedalaman menunjukkan tiga zona yang berbeda di

bawah permukaan air (0-5 m), yaitu zona atas (upper zone), termoklin (thermocline)

dan zona dalam (deep zone) (Kennish, 2001). Zona atas pada kedalaman 5 sampai

200 meter merupakan lapisan dimana terjadi pencampuran yang baik, yang dicirikan

dengan kondisi yang hampir isothermal dan dapat dipengaruhi oleh angin permukaan.

Perubahan temperatur musiman tidak berpengaruh pada lapisan ini. Pada kedalaman

antara 200 dan 1000 meter, temperatur air naik dengan cepat. Lapisan ini disebut

termoklin. Pada bagian bumi dengan posisi garis lintang rendah sampai pertengahan,

termoklin merupakan perilaku hidrografi yang permanen, sedangkan pada posisi garis

lintang tinggi kondisi termoklin terbentuk secara musiman. Termoklin musiman

sering terjadi pada kedalaman 50 sampai 100 meter pada air laut di posisi garis

lintang pertengahan. Temperatur dengan stabilitas rendah (rata-rata 40C) ditemukan

di bawah termoklin permanen. Profil temperatur pada posisi lintang yang rendah

menunjukkan penurunan yang tajam, dari 200C pada lapisan permukaan, menjadi 2

sampai 50C pada zona dalam. Pada garis lintang pertengahan temperatur turun dari 10

sampai 150C di permukaan menjadi 50C pada lapisan air yang lebih dalam. Pada

posisi garis lintang tinggi (daerah kutub), temperatur selalu rendah (40C) pada seluruh

kolom air.


15


2.3.2 Arus Laut

Sebaran air panas kanal pendingin pada air laut sangat dipengaruhi oleh pola

kecepatan aliran atau arus laut. Ada beberapa faktor yang mempengaruhi sirkulasi air

di pesisir. Secara umum yang terpenting adalah kekuatan arus pasang surut, aliran air

dari sungai, kondisi meteorologi, konfigurasi garis pantai dan kedalaman, serta

topografi paparan benua (Kennish, 2001).

Angin merupakan salah satu gaya yang disebabkan oleh kondisi meteorologi.

Pada saat bertiup di atas permukaan laut, angin mentransfer sebagian energinya untuk

membentuk gelombang yang menyebabkan terjadinya arus. Semakin besar kecepatan

angin, semakin besar gaya gesekan yang bekerja pada permukaan laut dan semakin

besar arus permukaan. Gaya gesekan yang diakibatkan oleh tiupan angin disebut

tegangan angin (wind stress).

Gambar 2.8. Arus Ekman yang disebabkan oleh angin dengan kecepatan 10m/s

dengan arah 350 ke utara (Stewart, 2006)


16


Pengaruh tegangan angin pada permukaan laut adalah terjadinya gerakan

turbulen, dimana terjadi transfer momentum di antara bagian-bagian air yang

mengakibatkan terjadinya gesekan internal yang disebut viskositas olakan (eddy

viscosity).

Teori tentang arus yang diakibatkan oleh tegangan angin dikembangkan oleh

Vagn Walfrid Ekman. Menurut Ekman, jika tiupan angin yang steady terjadi pada

laut dengan kedalaman dan lebar takterbatas dan tidak ada variasi densitas, gesekan

oleh angin pada lapisan paling atas akan memberikan gesekan berupa viskositas

olakan pada lapisan di bawahnya, dan seterusnya pada lapisan berikutnya. Dengan

adanya gaya coriolis, yaitu gaya yang disebabkan oleh rotasi bumi, dan dengan

anggapan bahwa terjadi kesetimbangan antara gaya gesekan dan gaya coriolis,

Ekman menyimpulkan bahwa kecepatan arus akan berkurang secara eksponensial

terhadap kedalaman, dan arah arus menyimpang 450 dari arah angin dan sudut

penyimpangan bertambah dengan bertambahnya kedalaman. Vektor arus membentuk

spiral yang disebut dengan Spiral Ekman.

2.3.3 Kekasaran Dasar Laut dan Viskositas Olakan

Kekasaran (roughness) dasar laut dan viskositas olakan (eddy viscosity) dapat

mempengaruhi profil air permukaan, kecepatan aliran dan distribusi kecepatan pada

badan air laut. Kekasaran Manning (n) merupakan koefisien yang digunakan untuk

menggambarkan resistensi terhadap aliran akibat kekasaran permukaan dasar laut.

(Khayyun, 2008).

Di permukaan laut, gerakan air tidak pernah laminar, tetapi turbulen sehingga

kelompok-kelompok air ditukar antara satu bagian fluida ke bagian fluida yang lain.

Gesekan internal yang dihasilkan lebih besar daripada yang disebabkan oleh

pertukaran molekul individu dan disebut viskositas olakan (Supangat dan Susanna,

2008).


17


Dalam mempelajari turbulensi dalam fluida, umumnya vortisitas dalam skala

kecil diabaikan dalam perhitungan. Viskositas olakan dengan skala yang lebih besar

lebih banyak digunakan dalam perhitungan. Nilai viskositas olakan yang digunakan

dalam pemodelan sirkulasi laut berkisar antara 5x104 sampai 106 Pa.s, tergantung

pada resolusi grid numerik yang digunakan (Glamore, 2007).

Dalam pembentukkan persamaan gerak, viskositas olakan sesungguhnya

merepresentasikan viskositas molekular dan efek turbulensi dari tegangan Reynold.

Akan tetapi dalam aliran dimana tegangan Reynold lebih dominan, umumnya besar

viskositas olakan lebih besar daripada viskositas molekular, sehingga viskositas

molekular dapat diabaikan. Walaupun sulit untuk menetapkan nilai dari viskositas

olakan, analogi terhadap kondisi fisik menunjukkan bahwa viskositas olakan

bergantung pada momentum fluida, gradient kecepatan dan fenomena aliran. Nilai

viskositas olakan akan meningkat seiring dengan meningkatnya ukuran elemen dan

kecepatan aliran (Khayyun, 2008). Besarnya viskositas olakan berdasarkan jenis

aliran disajikan dalam table 2.1.

Tabel 2.1. Besarnya viskositas olakan berdasarkan jenis aliran (Khayyun, 2008).

Jenis Aliran Viskositas Olakan, pascal detik

Aliran horisontal homogen sekitar pulau 480-4800

Aliran horisontal homogen pada pertemuan dua sungai 1200-4800

Aliran tunak termal ke sungai dengan arus lambat 950-4800

Aliran pesisir dalam muara yang berawa-rawa 2400-9580

Aliran lambat pada kolam dangkal 10-50


18


Gesekan dengan dasar laut dan viskositas olakan merupakan parameter yang

dapat digunakan untuk kalibrasi dan untuk mendapatkan hasil yang stabil dalam

pemodelan numerik (Dill, 2007).

Perubahan pada gesekan dasar laut dapat memberi kontrol arah dan besar

kecepatan fluida. Tegangan dasar laut didefinisikan sebagai,

Τ = ρgRS (2.3) Dimana ρ adalah kerapatan air, g adalah percepatan gravitasi, R adalah jari-jari

hidrolik rata-rata, dan S adalah kemiringan dasar laut (King, 1996).

Gesekan dasar laut dihitung dengan persamaan Manning jika besarnya input

kekasaran lebih kecil dari 3.0. Untuk input kekasaran yang lebih besar atau sama

dengan 3.0 digunakan persamaan Chezy. Persamaan Manning untuk arus yang

seragam adalah,

nSR

V21

32

49.1= (2.4)

dimana V adalah kecepatan.

Dengan menyelesaikan persamaan Manning untuk S dan mensubstitusi

hasilnya ke dalam persamaan 2.3, diperoleh

31

22

49.1 R

VngT

= ρ (2.5)

Karena untuk kanal yang lebar jari-jari hidrolik rata-rata, R, hampir sama

dengan kedalaman, persamaan 2.5 dapat dituliskan sebagai berikut,

31

222

49.1 h

vuungTx

+

= ρ (2.6.a)

31

222

49.1 h

vuvngTy

+

= ρ (2.6.b)

dimana h adalah kedalaman kanal.


19


2.3.4 Pasang Surut

Pasang surut merupakan peristiwa naik turunnya permukaan air laut secara

periodik. Pasang surut menyebabkan terbentuknya gelombang yang paling panjang di

laut dan juga arus yang disebut arus pasang surut. Pasang surut menghasilkan arus

yang kuat pada bagian-bagian laut. Arus pasang surut dapat memiliki kecepatan

mencapai 5 m/s pada laut pesisir (Stewart, 2006).

Pasang surut erat kaitannya dengan gaya gravitasi oleh bulan dan matahari.

Pasang tertinggi terjadi pada saat bulan purnama, karena gravitasi bulan memiliki

pengaruh yang lebih besar daripada gravitasi matahari. Walaupun massa bulan jauh

lebih kecil daripada massa matahari, namun jarak bulan ke bumi jauh lebih kecil

daripada jarak matahari ke bumi, hal ini sesuai dengan hukum Newton tentang

gravitasi yang dituangkan dalam persamaan berikut,

221

RMM

GFg = (2.7)

Dimana M1 dan M2 adalah massa masing-masing benda (kilogram), R adalah jarak

antara kedua benda (meter) dan G adalah konstanta universal (6.6 x 10-11 Nm2kg-2).

Ketinggian pasang surut dapat diprediksi dengan metode harmonik. Metode

tersebut memanfaatkan pengetahuan bahwa pasang surut yang diamati merupakan

jumlah dari beberapa komponen atau pasang surut parsial, masing-masing dengan

periode yang berhubungan dengan periode salah satu gerakan astronomi antara bumi,

matahari dan bulan (Supangat dan Susanna, 2008).

2.4 Konsep Hidrodinamika Laut

Definisi hidrodinamika adalah studi ilmiah tentang gerak fluida, khususnya

zat cair incompressible yang dipengaruhi oleh gaya internal dan eksternal. Dalam

hidrodinamika laut gaya-gaya yang terpenting adalah gaya gravitasi, gaya gesekan

dan gaya coriolis (Stewart, 2006).

Gaya gravitasi merupakan gaya yang dominan dalam hidrodinamika. Gaya

berat dari air laut yang merupakan akibat dari adanya gravitasi, menghasilkan tekanan


20


hidrostatis. Perubahan gravitasi yang diakibatkan oleh gerakan matahari dan bulan

relatif terhadap bumi, menyebabkan terjadinya pasang surut, arus dan pencampuran.

Gravitasi juga menyebabkan terjadinya buoyancy, yaitu gaya naik atau gaya turun

pada paket-paket air yang memiliki densitas lebih besar atau lebih kecil dari pada air

di sekitarnya pada level yang sama.

Gaya gesekan adalah gaya yang bekerja pada dua buah permukaan yang

saling bersentuhan dan terjadi gerak relatif antara keduanya. Permukaan di sini dapat

berupa paket air atau udara. Tekanan angin adalah gesekan yang disebabkan oleh

bertiupnya angin di atas permukaan laut. Tiupan angin mentransfer momentum

horisontal kepada laut sehingga menghasilkan arus. Jika angin bertiup pada

gelombang laut, maka akan terjadi gelombang laut yang lebih besar.

Gaya Coriolis adalah gaya semu yang dominan yang mempengaruhi gerak

dalam sistem koordinat yang disesuaikan terhadap bumi. Gaya semu adalah gaya

yang nyata yang muncul dari gerak dalam curvilinear atau koordinat yang berputar.

Efek Coriolis adalah pantulan dari angin yang bergerak sepanjang permukaan bumi

ke kanan arah gerak pada bagian utara bumi, dan ke kiri arah gerak pada bagian

selatan bumi. Efek Coriolis disebabkan oleh rotasi bumi dan menentukan arah rotasi

dari massa air, akibatnya arus berputar searah jarum jam di bumi bagian selatan, dan

berlawanan arah jarum jam di bumi bagian utara.

Hidrodinamika adalah cabang dari mekanika fluida. Dalam oseanografi,

mekanika fluida digunakan berdasarkan mekanika Newton yang dimodifikasi dengan

memperhitungkan turbulensi. Persamaan umum dalam konsep hidrodinamika

dibentuk dari hukum kekekalan massa, hukum kekekalan momentum dan hukum

kekekalan energi (Tabel 2.2).


21


Tabel 2.2. Kaitan hukum kekekalan dengan persamaan gerak fluida (Stewart, 2006)

Hukum kekekalan Persamaan gerak fluida Hukum kekekalan massa Persamaan kontinuitas Hukum kekekalan energi Persamaan gelombang Hukum kekekalan momentum Persamaan momentum (Navier-Stokes) Hukum kekekalan momentum sudut Kekekalan vortisitas

2.5 Model Numerik Hidrodinamika Laut

Model numerik hidrodinamika laut terdiri dari beberapa komponen yaitu data

yang diperlukan, model konseptual dan metode untuk menyelesaikan persamaan.

Kunci dalam pembuatan model hidrodinamika adalah ketersediaan data dan informasi

yang cukup untuk karakterisasi tipe arus yang diharapkan dalam sistem. Data harus

tersedia untuk sejumlah daerah. Data yang diperlukan dalam pemodelan adalah data

geografi, arus, kandungan zat, kondisi awal, dan data untuk kalibrasi model. Data

geografik menggambarkan keadaan sistem. Data arus mendefinisikan batas arus

melintang dari sistem. Kandungan zat mendefinisikan kualitas air.

Pemodelan arus sangat kompleks, sehingga harus dilakukan penyederhanaan

sistem sebanyak mungkin, dengan tetap memperhatikan bahwa komponen utama

sistem tetap terepresentasikan secara penuh. Persamaan yang dikembangkan secara

umum bersifat transient (merupakan fungsi dari waktu), non-linear, dan sangat

kompleks jika arus mengalami turbulensi. Persamaan menjadi lebih kompleks karena

densitas air dapat berubah. Maka untuk kasus yang sangat umum, simulasi juga harus

secara simultan mencakup solusi untuk parameter-parameter yang mempengaruhi

densitas, seperti salinitas dan temperatur. Jika arus dipengaruhi oleh perubahan

densitas, maka arus digambarkan secara bertingkat. Jika arus tidak dipengaruhi oleh

perubahan densitas, maka arus digambarkan secara homogen.


22


Dengan data yang tersedia dan berdasarkan proses-proses yang terkait, model

konseptual harus dikembangkan. Model konseptual harus menggambarkan

keseluruhan proses yang terkait dan bagaimana proses-proses tersebut

direpresentasikan dengan model numerik.

Terdapat lima tipe utama pendekatan yang dapat diterapkan untuk tipe arus

yang berbeda (Glamore, 2007);

- Arus tiga dimensi secara penuh

- Sistem arus tiga dimensi dimana asumsi hidrostatik diterapkan

- Arus dua dimensi dengan rata-rata kedalaman

- Arus dua dimensi dengan rata-rata samping

- Arus satu dimensi dengan rata-rata tampang lintang

Model satu dimensi dapat diterapkan untuk arus permukaan sungai, dimana

pengaruh dari perubahan pada bagian melintang sungai dapat diabaikan. Model dua

dimensi dapat diaplikasikan untuk daerah yang dangkal. Model tiga dimensi dapat

diaplikasikan dimana proses berubah terhadap kedalaman seperti pada teluk, laut,

danau yang dalam, dan lain-lain. Model dengan rata-rata kedalaman tidak dapat

digunakan untuk badan air yang sangat dipengaruhi oleh angin, karena pada

kenyataannya air berbalik pada lapisan bawah (Glamore, 2007). Kondisi ini

digambarkan pada Gambar 2.9.

Gambar 2.9. Perbedaan model 2D dan model 3D pada arus yang dipengaruhi angin


23


Model sebaran temperatur pada badan air laut terdiri dari persamaan

hidrodinamika dan persamaan adveksi-difusi yang telah dikembangkan oleh Mellor

(2004) menggunakan persamaan kontinuitas dan momentum.

Persamaan kontinuitas,

0=∂

∂+

∂∂

+∂∂

yDV

xDU

tη

(2.8)

Persamaan momentum,

>−<+><−=∂∂

+−−∂

∂+

∂∂

+∂

∂)1()0(

~2

wuwux

gDDVfFy

DVUx

DUtDU

x

η (2.9.a)

>−<+><−=∂∂

++−∂

∂+

∂∂

+∂

∂)1()0(

~2

wvwvx

gDDUfFy

DVx

DVUtDV

y

η (2.9.b)

dimana η+= HD , VU , adalah kecepatan rata-rata arus pada sumbu x (timur-

barat) dan y (utara-selatan), ∫−

=0

1

1σdU

DU and ∫

−

=0

1

1σdV

DV , t adalah waktu, H

adalah kedalaman, η adalah elevasi permukaan, g adalah percepatan gravitasi, dan f

adalah parameter Coriolis.

Difusivitas dalam sumbu x dan y adalah,

∂∂

+∂

∂∂∂

+

∂∂

∂∂

=xV

yU

AHyx

UAH

xF MMx 2~ (2.10)

∂∂

+∂

∂∂∂

+

∂∂

∂∂

=x

Vy

UAH

xyV

AHy

F MMy 2~ (2.11)

Dimana AM adalah koefisien difusivitas horizontal. Tekanan angin pada permukaan

tidak diperhitungkan. Gesekan dasar untuk kedua sumbu adalah sebagai berikut,

D

VUUzCwu

22

)1(+

>=−< (2.12)


24


D

VUVzCwv

22

)1(+

>=−< (2.13)

Dimana Cz adalah koefisien gesekan dasar.

Persamaan adveksi-difusi dua dimensi untuk sebaran temperatur pada permukaan laut

adalah sebagai berikut,

HpCJTT

yDA

xDA

y

Tv

x

Tu

t

T

ρ+

∂

∂

∂

∂+

∂

∂

∂

∂+

∂

∆∂−

∂

∆∂−=

∂

∆∂

∆∆ )()()()()( (2.14)

Dimana u dan v adalah rata-rata kecepatan arus vertikal yang ditentukan dari model

hidrodinamika.

2.6 Model Hidrodinamika untuk Perairan Dangkal

Aliran pada muara, perairan pantai dan laut tidak dapat dianggap satu

dimensi. Dalam tesisnya Yulianto (2005) mengatakan bahwa pemodelan perilaku

aliran pada muara dan perairan pantai harus menggunakan model tiga dimensi,

khususnya pada muara dan daerah perairan pantai dengan batimetri yang sangat

kompleks dan cukup dalam serta terjadi perlapisan (stratification). Untuk kasus

dimana kedalaman perairan cukup dangkal dibandingkan dengan lebar perairan dan

tidak terjadi perlapisan (non stratification) atau terjadi perlapisan yang sangat kecil

(weakly stratified), maka variasi kecepatan dalam arah vertikal biasanya kecil dan

jarang ditinjau. Menurut Yulianto, untuk kasus seperti ini hanya distribusi horisontal

dari kecepatan rata-rata terhadap kedalaman yang diperlukan, sehingga persamaan

hidrodinamiknya cukup didekati dengan persamaan dua dimensi (two dimensional

depth average equation).

Gerak sirkulasi arus di pantai yang dangkal dapat diasumsikan sebagai aliran

massa yang bercampur sempurna (homogen) mulai dari permukaan laut sampai ke

dasar perairan, dan pengaruh angin di permukaan diasumsikan mencapai dasar laut


25


(Ismanto, 2008). Oleh karena itu pemodelan dapat dilakukan dengan menggunakan

persamaan yang diintegrasikan terhadap kedalaman.

RMA2 (Resource Management Associates) merupakan model hidrodinamik

numerik dua dimensi untuk rata-rata kedalaman dengan metode elemen hingga.

RMA2 menghitung solusi elemen hingga untuk bentuk Reynold dari persamaan

Navier-Stokes untuk aliran turbulensi. Gaya gesekan dihitung dengan formula

Manning/Chezy, sedangkan koefisien viskositas olakan digunakan untuk

mendefinisikan karakteristik turbulensi (Petrescu dan Sumbasacu, 2010).

Sistem persamaan yang digunakan dalam RMA2 terdiri dari dua persamaan

gerak (persamaan 2.15 dan 2.16) dalam koordinat Cartesian, serta satu persamaan

kontinuitas (persamaan 2.17) untuk fluida incompressible sebagai berikut,

+

∂∂

+∂∂

+

∂∂

+∂∂

−∂∂

+∂∂

+∂∂

xh

xz

ghyu

Exu

Eh

yu

hvxu

hutu

h xyxx 2

2

2

2

ρ

( ) 0sin2sin22122

261

2

=+−++

+ φωψζ vhVvuh

guna (2.15)

+

∂∂

+∂∂

+

∂∂

+∂∂

−∂∂

+∂∂

+∂∂

yh

yz

ghy

vE

xv

Eh

yv

hvxv

hutv

h yyyx 2

2

2

2

ρ

( ) 0sin2sin22122

261

2

=+−++

+ φωψζ vhVvuh

gvna (2.16)

0=∂∂

+∂∂

+

∂∂

+∂∂

+∂∂

yh

vxh

uyv

xu

hth

(2.17)

Dimana:

h : kedalaman air

u, v : kecepatan lokal dalam koordinat Cartesian x, y

t : waktu


26


ρ : densitas fluida

E : koefisien viskositas olakan

g : percepatan gravitasi

z : elevasi dasar laut

n : koefisien kekasaran Manning

ξ : koefisien gesekan angin empiris

Va : kecepatan angin

ψ : arah angin

ω : laju rotasi angular bumi

φ : garis lintang lokal

Persamaan 2.15, 2.16 dan 2.17 diselesaikan dengan metode elemen hingga

menggunakan metode residu berpemberat Galerkin. Elemen yang digunakan dapat

berupa garis satu dimensi, segi empat dua dimensi atau segi tiga, serta dapat juga

memiliki sisi yang melengkung (parabolic). Fungsi dari bentuk elemen adalah

kuadratik untuk kecepatan dan linear untuk kedalaman. Integrasi dalam ruang

dilakukan dengan integral Gaussian. Turunan terhadap waktu diganti dengan

pendekatan beda hingga non linear.

Pengembangan model matematika untuk gerak air (kecepatan lokal u dan v,

serta kedalaman h), untuk menentukan dispersi polutan digunakan RMA4. RMA4

adalah model numerik elemen hingga untuk transpot kualitas air, dimana distribusi

konsentrasi terhadap kedalaman diasumsikan seragam (King, 2003). RMA4

menyelesaikan persamaan adveksi-difusi sebagai berikut,

0)(

=

++−

∂∂

∂∂

−∂∂

∂∂

−∂∂

+∂∂

+∂∂

hcR

kcyc

Dyx

cD

xyc

vxc

utc

h yx σ (2.18)


27


Dimana:

h : kedalaman air

u, v : kecepatan lokal dalam koordinat Cartesian x, y

t : waktu

c : konsentrasi polutan

Dx, Dy : koefisien difusi dalam arah x dan y

k : koefisien atenuasi

σ : sumber lokal

R(c) : presipitasi atau penguapan

Persamaan 2.18 diselesaikan dengan metode elemen hingga menggunakan metode

residu berpemberat Galerkin.

2.7 Penelitian Terdahulu

Berbagai perangkat lunak komputer telah dikembangkan dengan

menggunakan model hidrodinamika untuk mensimulasikan berbagai sifat fisik laut.

Nakano dan Povinec (2003) menggunakan Oceanic General Circulation Model

(OGCM) untuk mengkaji sebaran 137Cs di perairan laut dunia. Versi modifikasi

OGCM ini melingkupi perairan laut dunia dengan topografinya dan dibagi secara

horisontal ke dalam grid 20 x 20 dan secara vertikal dibagi ke dalam 15 level.

Pemodelan ini meliputi daerah dari 790 Lintang Selatan sampai 750 Lintang Utara,

kecuali samudera Arketik. Model OGCM terdiri dari persamaan gerak, kontinuitas,

adveksi dan difusi. Berdasarkan data hidrografik rata-rata tahunan dan data tekanan

angin, kecepatan rata-rata tahunan ditentukan secara diagnostik.

Purba (2004) menggunakan persamaan hidrodinamika untuk simulasi gerak

air, serta persamaan adveksi-difusi panas untuk memprediksi sebaran temperatur.

Kedua persamaan ini diselesaikan secara numerik dengan metode beda hingga (finite

difference methods) menggunakan perangkat lunak Princeton Ocean Model (POM)

yang dikembangkan oleh Blumberg dan Mellor.


28


Dill (2007) melakukan pengkajian diversi pada sungai Mississipi dengan

menggunakan dua perangkat lunak yang menggunakan metode elemen hingga (finite

element method), yaitu RMA2 dan ADCIRC. RMA (Resources Management

Association) dikembangkan pada tahun 1973 oleh Norton, King dan Orlob dari Water

Resources Engineers. ADCIRC (The Advanced Circulation Model) merupakan model

numerik sirkulasi hidrodinamik yang dapat mensimulasikan level air dan arus.

ADCIRC dapat digunakan untuk pemodelan sirkulasi air di pesisir yang dipengaruhi

oleh pasang surut dan sirkulasi air yang dipengaruhi oleh angin dan gelombang, baik

untuk model dua dimensi maupun tiga dimensi.



BAB 3

METODE PENELITIAN

3.1 Daerah Studi

Pada bulan Agustus tahun 1991, sebuah perjanjian kerja tentang studi

kelayakan telah ditandatangani oleh Menteri Keuangan Republik Indonesia dengan

Perusahaan Konsultan NEWJEC Inc. Perjanjian kerja ini berjangka waktu 4,5 tahun

dan meliputi pelaksanaan pekerjaan tentang pemilihan dan evaluasi tapak PLTN,

serta suatu studi kelayakan yang komprehensif tentang kemungkinan pembangunan

berbagai jenis PLTN dengan daya total yang dapat mencapai 7000 MWe. Sebagian

besar kontrak kerja ini digunakan untuk melakukan pekerjaan teknis tentang

penelitian pemilihan dan evaluasi tapak PLTN di lokasi tapak di Semenanjung Muria.

(http://www.batan.go.id/ppen/).

Gambar 3.1 Lokasi penelitian (Sumber: Google Maps)


http://www.batan.go.id/ppen/

30


Semenanjung Muria yang terletak di Jepara, Jawa Tengah, yang merupakan

calon tapak pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN) yang pertama di Indonesia

dipilih sebagai derah studi dalam penelitian ini, dengan harapan hasil penelitian ini

dapat bermanfaat sebagai sarana penunjang dalam pengkajian keselamatan

lingkungan maupun dalam perancangan kanal pendingin pada pembangunan

pembangkit listrik tenaga nuklir kelak. Semenanjung Muria, Jepara terletak pada

posisi 110040’- 1110 BT dan 6021’- 6027’ LS. Peta semenanjung Muria, Jepara

ditunjukkan pada gambar 3.1.

3.2 Perangkat Lunak Surface Water Modeling System (SMS)

Dalam penelitian ini, pemodelan sebaran temperatur dari kanal pendingin

dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Surface Water Modeling System

(SMS) yang dikembangkan oleh Environmental Modeling Research Laboratory

(EMRL), Brigham Young University bekerjasama dengan US Army Corps of

Engineers Research and Development Center (ERDC) dan US Federal Highway

Administration (FHWA). SMS dapat digunakan untuk mengolah, mengedit dan

memvisualisasikan data geometris dan hidrolika, baik untuk satu, dua maupun tiga

dimensi.

SMS memiliki berbagai modul berupa model-model numerik untuk berbagai

keperluan. Modul-modul tersebut diantaranya adalah RMA2, RMA4, SED2D-WES,

dan CGWAVE yang dikembangkan oleh Engineers Research and Development

Center, HEC RAS yang dikembangkan oleh Hydrologic Engineering Center, serta

FESWMS-Flo2DH yang dikembangkan oleh US Federal Highway Administration.


31


Pemodelan sebaran temperatur dari kanal pendingin menggunakan modul

RMA2 dan RMA4. Diagram alir proses pemodelan dengan RMA2 dan RMA4

ditunjukkan pada Gambar 3.2. RMA2 berfungsi untuk mengeksekusi penghitungan

hidrodinamik arus dengan asumsi kecepatan rata-rata terhadap kedalaman

menggunakan metoda elemen hingga (finite element methods). Metoda elemen

hingga melakukan penghalusan jaring-jaring (mesh) untuk merepresentasikan bentuk

saluran sungai maupun muara.

Gambar 3.2. Diagram alir proses pemodelan RMA2 dan RMA4 (King, 2003)


32


Data arah dan kecepatan arus hasil penghitungan RMA2 digunakan untuk

memodelkan pola sebaran temperatur air hangat kanal pendingin dengan

menggunakan modul RMA4. RMA4 adalah model numerik elemen hingga untuk

transpot kualitas air, dimana distribusi konsentrasi terhadap kedalaman diasumsikan

seragam. RMA4 tidak memperhitungkan satuan konsentrasi, karena konsentrasi yang

dihitung adalah konsentrasi relatif terhadap konsentrasi awal yang telah ditentukan.

3.3 Cara Kerja

3.3.1 Data Input

Data yang digunakan pada pemodelan ini berupa data batimetri, data pasang

surut dan data arus. Data batimetri diperoleh dari peta batimetri yang diterbitkan oleh

Dinas Hidro Oseanografi (Dishidros) TNI AL. Peta tersebut dibuat berdasarkan data

dari kapal pemeta “Melvill van Carnbee” dan Hydrograaf tahun 1886-1888, survey

pelabuhan Semarang tahun 1986, survey PT Semen Gresik tahun 1999 dan

pengecekan lapangan Cell ENC pelabuhan Semarang tahun 2003 (Dishidros, 2007).

Peta batimetri semenanjung Muria, Jepara ditunjukkan pada Gambar 3.3.

Peta batimetri Semenanjung Muria digunakan sebagai gambar latar belakang

untuk pemodelan. Peta tersebut dikalibrasi dengan menggunakan tiga titik acuan

untuk mendapatkan koordinat garis lintang dan garis bujur yang tepat.

Data kedalaman laut dari peta batimetri disimpan dalam bentuk data digital

dalam format XYZ dimana data koordinat bujur, lintang dan kedalaman lautan

dituliskan dalam tiga kolom secara berurutan. Kolom pertama adalah koordinat bujur

timur (longitude), kolom ke dua adalah koordinat lintang selatan (latitude) dan kolom

ke tiga adalah kedalaman laut dalam meter. Tanda negatif pada kolom koordinat

lintang selatan menunjukkan bahwa posisi daerah studi berada di sebelah selatan

garis khatulistiwa. Data koordinat lintang dan bujur diubah ke dalam satuan meter,

dimana 1 derajat setara dengan 110 km. Selanjutnya data koordinat lintang dan bujur

serta data batimetri disajikan dalam tiga kolom secara berurutan. Data batimetri

dalam format XYZ disimpan dalam file dengan ekstensi txt.


33


3.3.2 Penentuan Kondisi Batas dan Kondisi Awal

Langkah pertama dalam pemodelan hidrodinamika adalah penentuan kondisi

batas (boundary condition) dan kondisi awal (initial condition). Kondisi batas dalam

pemodelan ini ditetapkan dengan cara mendefinisikannya pada nodestring yang

merupakan batas daerah yang dimodelkan. Pada perangkat lunak SMS kondisi batas

yang digunakan adalah laju aliran dan kenaikan muka air laut.

Kondisi awal pada pemodelan dengan SMS terdiri dari dua macam, yaitu cold

start dan hot start. Cold start digunakan apabila simulasi baru dilakukan. Sedangkan

hot start digunakan apabila terdapat hasil pemodelan terdahulu. Hasil pemodelan

dengan kondisi awal cold start dapat menjadi hot start untuk pemodelan selanjutnya.

Gambar 3.3. Peta batimetri Semenanjung Muria Jepara.

(Dishidros, 2007)


34


3.3.3 Sifat Bahan

Pada modul RMA2, sifat bahan ditentukan dengan dua buah parameter, yaitu

kekasaran (roughness) dasar laut dan viskositas olakan (eddy viscosity). Kekasaran

Mannings (n) merupakan koefisien yang digunakan untuk menggambarkan resistensi

terhadap aliran akibat kekasaran permukaan dasar laut. Besarnya nilai viskositas

olakan dapat dilihat pada Table 2.1, sedangkan besarnya kekasaran Mannings

mengikuti nilai awal yang tersedia dalam modul.

Pada modul RMA4 sifat bahan ditentukan oleh faktor difusi. Faktor difusi

mirip dengan viskositas olakan pada modul RMA2 yang nilainya berkisar antara 0.01

dan 10.

3.3.4 Analisis Sensitivitas

Model hidrodinamika umumnya digunakan sebagai alat untuk memprediksi

atau simulasi dari kondisi fisik sesungguhnya, sehingga perlu dilakukan kalibrasi dan

validasi sebelum dapat diaplikasikan. Proses kalibrasi berupa pengujian model

dengan berbagai parameter input dilakukan untuk mendapatkan hasil yang sesuai

dengan data pengamatan. Data pengamatan yang diperlukan adalah kondisi batas

model dan juga data pengamatan untuk dibandingkan dengan output dari model.

Setelah dikalibrasi, selanjutnya model divalidasi dengan seperangkat data

pengamatan yang lain.

Mengumpulkan data lapangan untuk kalibrasi dan validasi model dapat

menghabiskan waktu berbulan-bulan bahkan bertahun-tahun. Selain itu dibutuhkan

peralatan yang cukup mahal. Namun demikian, dalam eksperimen numerik dapat

dilakukan uji sensitivitas terhadap parameter-parameter tuning potensial. Dalam

pemodelan dengan RMA2 parameter tuning yang umum digunakan untuk kalibrasi

model adalah gesekan dasar. Parameter lain yang dapat digunakan untuk

mendapatkan hasil numerik yang stabil yang dapat digunakan untuk membantu

kalibrasi adalah viskositas olakan (Dill, 2007). Dalam penelitian ini akan disajikan

analisis sensitivitas dari kedua parameter tersebut.


35


3.3.5 Validasi Model

Validasi model dalam penelitian ini dilakukan dengan cara membandingkan

data hasil pemodelan arus terhadap data hasil pengukuran arus di lapangan.

Pengukuran arus di lapangan dilakukan di perairan semenanjung Muria Jepara pada

rentang koordinat 110,890 BT - 6,400 LS sampai dengan 110,950 BT - 6,400 LS atau

sejauh 6820 meter.

Pengukuran arus di lapangan dilakukan bersama dengan tim dari Kelompok

Oceanology, Pusat Pengembangan Energi Nuklir, BATAN, menggunakan kapal

motor Shima yang merupakan kapal motor yang dikhususkan untuk melakukan

penelitian kelautan.



BAB 4

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dalam pengkajian keselamatan pengoperasian instalasi pembangkit listrik,

pengkajian dampak dari terlepasnya polutan panas dari kanal pendingin ke laut

merupakan hal yang secara mutlak perlu dilakukan. Oleh karena itu pembuatan model

sebaran panas di laut harus dilakukan untuk mensimulasikan sebaran polutan panas

pada badan air laut. Simulasi model sebaran panas pada badan air laut ini dapat

dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Surface Water Modeling System

(SMS) dengan menggunakan modul RMA2 dan RMA4. Modul RMA2 berfungsi

untuk memodelkan arah dan kecepatan arus yang selanjutnya digunakan oleh RMA4

untuk memodelkan sebaran polutan di laut.

Pada penelitian ini telah dilakukan pemodelan hidrodinamika untuk simulasi

sebaran panas di perairan laut Semenanjung Muria di Jepara, Jawa Tengah dengan

menggunakan perangkat lunak SMS 8.1. Dari pemodelan ini diperoleh hasil berupa

kontur kedalaman laut (batimetri), arah dan besarnya arus, serta pola sebaran polutan

panas di laut.

4.1 Domain Pemodelan dan Diskritisasi Domain

Domain pemodelan dalam penelitian ini berupa daerah laut pesisir di

Semenanjung Muria, Jepara dengan luas 59 km2. Pada bagian laut domain pemodelan

diberi batas berupa garis lurus dengan jarak rata-rata dari garis pantai sebesar 5 km.

Batas domain pemodelan dengan daratan berupa garis pantai sepanjang 13 km. Pada

bagian daratan diasumsikan terdapat kanal pendingin dengan ukuran panjang dan

lebar sebesar 900 m x 95 m. Domain pemodelan dalam penelitian ini dibatasi oleh

delapan buah nodestring, yang secara garis besar terdiri dari tiga batas lautan, tiga sisi

kanal pendingin dan dua garis pantai (Gambar 4.1).


37


Gambar 4.1. Domain pemodelan

Setelah domain pemodelan ditentukan, langkah selanjutnya adalah

mendiskritkan domain pemodelan secara grafis kedalam elemen-elemen berbentuk

segitiga (triangular) dengan menggunakan menu map to 2D mesh, sehingga

diperoleh domain diskrit berupa elemen-elemen segitiga yang akan digunakan oleh

modul RMA2 untuk menyelesaikan persamaan hidrodinamika dengan metode elemen

hingga (finite element methods). Elemen-elemen segitiga yang terbentuk adalah

dalam format ASCII atau teks. Agar dapat dibaca oleh modul RMA2 sebagai file

input, file ASCII harus dikonversi ke dalam format biner (binary format) berupa

kode-kode numerik. Konversi dari format ASCII ke format biner dilakukan dengan

menggunakan modul GFGEN (Geometry File GENerator). Hasil diskritisasi domain

pemodelan ditunjukkan pada Gambar 4.2.


38


Gambar 4.2. Diskritisasi domain pemodelan

4.2 Data Kedalaman Laut

Dalam penelitian ini data kedalaman laut diambil dari 76 titik pada peta

batimetri dari Dishidros TNI AL. Data kedalaman laut dari peta batimetri disimpan

dalam bentuk data digital dalam format XYZ dimana data koordinat bujur, lintang

dan kedalaman lautan dituliskan dalam tiga kolom secara berurutan. Kolom pertama

adalah koordinat bujur timur (east longitude), kolom ke dua adalah koordinat lintang

selatan (south latitude) dan kolom ke tiga adalah kedalaman laut dalam meter. Tanda

negatif pada kolom koordinat lintang selatan menunjukkan bahwa posisi daerah studi

berada di sebelah selatan garis khatulistiwa.


39


Data koordinat lintang dan bujur diubah ke dalam satuan meter, dimana 1

derajat setara dengan 110 km. Selanjutnya data koordinat lintang dan bujur serta data

batimetri disajikan dalam tiga kolom secara berurutan. Data batimetri dalam format

XYZ disimpan dalam file dengan ekstensi txt.

Data kedalaman laut digital diinterpolasi secara linier terhadap elemen-elemen

segitiga dengan menggunakan menu interpolate to mesh. Hasil interpolasi berupa

kontur kedalaman laut. Data kedalaman laut ini selanjutnya digunakan oleh modul

RMA2 untuk memodelkan pola arah dan kecepatan arus. Kontur kedalaman laut

Semenanjung Muria, Jepara ditunjukkan pada Gambar 4.3.

Gambar 4.3. Kontur kedalaman laut Semenanjung Muria, Jepara


40


4.3 Pengaturan Model

Sebagaimana pemodelan numerik pada umumnya, dalam pemodelan dengan

modul RMA2 dan RMA4 juga perlu dilakukan pengaturan-pengaturan awal untuk

pemodelan. Pengaturan-pengaturan tersebut terdiri dari kondisi batas, kondisi awal,

sifat material dan kontrol model.

4.3.1 Kondisi Batas

Kondisi batas untuk modul RMA2 terdiri dari laju aliran, elevasi muka air,

batas pantulan dan kurva kelajuan. Dalam penelitian ini digunakan kondisi batas

berupa laju aliran pada batas arus masuk dan elevasi muka air pada batas arus keluar.

Pemodelan dengan modul RMA2 terdiri dari dua tipe simulasi yaitu simulasi tunak

(steady state) dan simulasi dinamik (dynamic). Pada tipe simulasi tunak, kondisi

batas berupa laju aliran dan elevasi muka air bernilai konstan. Pada tipe simulasi

dinamik kondisi batas berupa laju aliran dan elevasi muka air nilainya dapat berubah

terhadap waktu. Untuk elevasi muka air dapat digunakan data grafik pasang surut

terhadap waktu.

Kondisi batas untuk modul RMA4 berupa konsentrasi polutan yang nilainya

bisa konstan atau transien. Satuan konsentrasi polutan pada modul RMA4 diserahkan

pada pengguna (user) karena RMA4 hanya memodelkan perbedaan konsentrasi awal

dan konsentrasi setelah mengalami dispersi oleh proses adveksi dan difusi. Karena

proses disipasi panas pada air laut mengalami mekanisme yang sama dengan polutan

pada umumnya, maka dalam penelitian ini satuan temperatur berupa derajat Celcius

digunakan sebagai satuan konsentrasi polutan.


41


4.3.2 Kondisi Awal

Kondisi awal dalam pemodelan dengan modul RMA2 disebut dengan cold

start, yang terdiri dari elevasi muka air, kedalaman minimum dan kecepatan awal.

Setelah pemodelan dilakukan, akan dihasilkan file hot start yang dapat digunakan

sebagai cold start untuk pemodelan selanjutnya.

Kondisi awal untuk modul RMA4 adalah konsentrasi polutan pada air

sebelum terjadi lepasan polutan. Jika tidak ada polutan pada kondisi awal, maka

konsentrasi polutan sama dengan nol. Dalam penelitian ini konsentrasi awal polutan

adalah temperatur ambient air laut.

4.3.3 Sifat Material

Sifat material dalam modul RMA2 terdiri dari viskositas olakan (eddy

viscosity) dan kekasaran (roughness) Manning. Berdasarkan pada Table 2.1, nilai

viskositas olakan yang digunakan dalam pemodelan adalah 1000. Sedangkan nilai

kekasaran yang digunakan adalah nilai awal pada modul, yaitu sebesar 0,025.

Sifat material dalam modul RMA4 adalah faktor difusi yang nilainya spesifik

untuk setiap material. Faktor difusi mirip dengan viskositas olakan pada modul

RMA2. Nilai faktor difusi ditampilkan pada Table 4.1.

Table 4.1. Rentang nilai faktor difusi (King, 2003)

Jenis Aliran Faktor Difusi, m2/s Aliran horisontal homogen sekitar pulau 0,01 – 0,1 Aliran horisontal homogen pada pertemuan dua sungai 0,03 – 0,01 Aliran tunak termal ke sungai dengan arus lambat 0,02 – 1 Aliran pesisir dalam muara yang berawa-rawa 0,05 – 0,2 Aliran lambat pada kolam dangkal 0,0002 – 0,001


42


4.3.4 Kontrol Model

Kontrol model berfungsi untuk mengendalikan operasi penghitungan numerik.

Kontrol model terdiri dari tipe simulasi, waktu komputasi, banyaknya iterasi dan

faktor konvergensi kedalaman. Dalam penelitian ini digunakan tipe simulasi tunak

dan dinamik dengan jumlah iterasi 10 untuk setiap tahapan simulasi. Untuk tipe

simulasi tunak, waktu komputasi tidak ditentukan karena simulasi tidak bergantung

waktu. Simulasi dinamik dilakukan selama 168 jam (7 hari), terdiri dari 337 tahapan

simulasi dengan ukuran selang waktu 30 menit.

4.4 Kalibrasi dan Validasi

Kalibrasi perangkat lunak SMS dilakukan dengan cara melakukan analisis

sensitivitas, sedangkan validasi dilakukan dengan cara membandingkan hasil

pemodelan dengan data hasil pengukuran di lapangan.

4.4.1 Analisis Sensitivitas Perangkat Lunak SMS

Dalam eksperimen numerik kalibrasi model dapat dilakukan dengan cara

menganalisa sensitivitas model terhadap parameter-parameter potensial. Dalam

pemodelan dengan RMA2 parameter yang umum digunakan untuk kalibrasi model

adalah gesekan dasar. Parameter lain yang dapat digunakan untuk mendapatkan hasil

numerik yang stabil yang dapat digunakan untuk membantu kalibrasi adalah

viskositas olakan (Dill, 2007).

Kekasaran dasar dan viskositas olakan dapat mempengaruhi profil muka air.

Keduanya juga dapat mempengaruhi laju aliran dan kecepatan distribusi dalam badan

air. Kekasaran Manning dapat digunakan untuk menggambarkan resistensi aliran

terhadap kekasaran dasar kanal (Khayyun, 2008).


43


Gambar 4.4. Model kanal untuk analisis sensitivitas

Analisis sensitivitas model terhadap kekasaran Manning dan viskositas olakan

dilakukan dengan cara membuat model arus pada sebuah kanal dengan ukuran

panjang 800 m dan lebar 100 m (Gambar 4.4). Kondisi batas berupa debit aliran

sebesar 100 m3/s pada bagian inlet kanal dan elevasi muka air 6 m pada bagian outlet.

Selanjutnya ditinjau perubahan elevasi muka air pada sepanjang kanal terhadap

variasi kekasaran Manning (n) dan viskositas olakan (E).

4.4.1.1 Variasi Kekasaran Manning

Pada pemodelan dengan RMA2, kekasaran Manning dapat bersifat tunak

dengan nilai yang konstan, dan dapat juga bersifat dinamik dimana nilainya

bergantung pada kedalaman. RMA2 menggunakan persamaan 4.1 berikut untuk

menghitung perubahan nilai kekasaran Manning terhadap kedalaman (King, 2003).

−+=

RDDOh

RDRMhRDRO

nRDCOEF

exp (4.1)

RDRO nilai n maksimum untuk air non vegetasi

RDRM nilai n untuk air vegetasi

RDDO kedalaman dimana vegetasi mempengaruhi kekasaran

RDCOEF koefisien kekasaran terhadap kedalaman

Untuk menganalisa pengaruh perubahan nilai kekasaran Manning terhadap

elevasi muka air, dilakukan pemodelan dengan nilai viskositas olakan yang tetap

sebesar 1000 dan tiga variasi nilai kekasaran Manning tunak yaitu 0,025, 0,045 dan

0,065.


44


Gambar 4.5. Pengaruh kekasaran Manning (n) terhadap elevasi muka air

Hasil pemodelan dapat dilihat pada grafik pada Gambar 4.5. Tampak bahwa

semakin besar nilai kekasaran, maka semakin besar pula elevasi muka air pada bagian

hulu kanal. Hasil ini sesuai dengan hasil yang diperoleh dari literatur (Khayyun,

2008) dan hasil pada buku manual SMS (King, 2003).

4.4.1.2 Perubahan Viskositas Olakan

Selain dari kekasaran Manning, viskositas olakan adalah parameter lain yang

dapat dimodifikasi yang dapat mempengaruhi solusi dari model dan dapat digunakan

untuk analisis sensitivitas.

Nilai viskositas olakan dalam model harus dipilih secara benar untuk

menghindari kesulitan dalam komputasi dan untuk memperoleh level akurasi numerik

yang dapat diterima dalam memodelkan laju aliran, kedalaman dan kecepatan arus.

Rentang nilai viskositas olakan adalah 0,20 – 48000 Pascal sekon (Khayyun, 2008).

Untuk mengetahui pengaruh perubahan viskositas olakan terhadap solusi

model, dilakukan pemodelan dengan nilai kekasaran Manning konstan dengan tiga

variasi nilai viskositas olakan, yaitu 5, 100 dan 500000 Pa.s.

Hasil pemodelan disajikan dalam bentuk grafik pada Gambar 4.6. Walaupun

rentang variasi viskositas olakan yang digunakan sangat besar, tetapi perubahan nilai

elevasi muka air pada solusi model tidak menunjukkan nilai yang signifikan.


45


Gambar 4.6. Pengaruh viskositas olakan terhadap elevasi muka air

4.4.2 Validasi Model

Validasi model dalam penelitian ini dilakukan dengan cara membandingkan

data hasil pemodelan arus terhadap data hasil pengukuran arus di lapangan.

Pengukuran arus di lapangan dilakukan di perairan semenanjung Muria Jepara

bersama dengan tim dari Kelompok Oceanology, Pusat Pengembangan Energi

Nuklir, BATAN.

Pengukuran arah dan kecepatan arus dilakukan dengan cara melepaskan bola

pelampung yang dilengkapi dengan sirip besi ke laut (Gambar 4.7). Bola pelampung

akan bergerak terbawa arus. Kecepatan arus diperoleh dengan cara menghitung waktu

yang diperlukan untuk membentangkan tali pengikat pelampung sepanjang 5 meter

dengan menggunakan stopwatch. Sedangkan arah arus diukur dengan mengukur arah

gerak bola pelampung dengan menggunakan kompas.


46


Gambar 4.7. Pengukuran arah dan kecepatan arus

Pengukuran arah dan kecepatan arus dilakukan pada rentang koordinat

110,890 BT - 6,400 LS sampai dengan 110,950 BT - 6,400 LS atau sejauh 6820 meter.

Pengukuran dilakukan pada sembilan titik. Pada setiap titik, pengukuran dilakukan

sebanyak lima kali. Untuk keperluan validasi, nilai rata-rata data pengukuran pada

setiap titik selanjutnya dibandingkan dengan data hasil pemodelan.

Gambar 4.8 dan 4.9 merupakan grafik perbandingan arah dan kecepatan arus

hasil pengukuran dan pemodelan. Kurva yang berwarna merah adalah data

pengukuran rata-rata dengan standar deviasi berupa error bar. Tampak bahwa arah

dan kecepatan arus hasil pemodelan dan pengukuran tidak menunjukkan selisih yang

signifikan. Selisih antara keduanya berada pada rentang 0,02 - 0,13 m/s atau 3,42% -

24,01% untuk kecepatan arus. Sementara itu selisih antara hasil pemodelan dan hasil

pengukuran arah arus berada pada rentang 0 - 26 derajat atau 0 - 26%.


47


Gambar 4.8. Perbandingan besarnya kecepatan arus hasil pemodelan dan pengukuran

Gambar 4.9. Perbandingan arah arus hasil pemodelan dan pengukuran


48


4.5 Pola Arus dari Kanal Pendingin

Setelah dilakukan kalibrasi perangkat lunak dan validasi terhadap hasil

pemodelan arah dan kecepatan arus, selanjutnya dibuat simulasi arus dengan

mengasumsikan terdapat kanal pendingin yang mengalir ke perairan laut

semenanjung Muria, Jepara. Pada simulasi ini diasumsikan kanal pendingin

berbentuk prisma segiempat dengan ukuran panjang 1000 meter, lebar 40 meter dan

kedalaman 2 meter. Dengan asumsi debit aliran pada inlet kanal sebesar 180 m3/s,

dilakukan pemodelan pola arus untuk musim barat dan musim timur dimana arus laut

mengalir pada arah yang berlawanan.

Gambar 4.10 a dan b menunjukkan hasil pemodelan pola arus untuk musim

barat dan musim timur. Arah panah menunjukkan arah arus. Panjang panah

mengindikasikan besarnya kecepatan arus. Selain itu besarnya kecepatan arus juga

ditunjukkan dengan warna seperti yang ditunjukkan pada legenda.

Gambar 4.10.a. Pola arus pada saat musim barat


49


Gambar 4.10.b. Pola arus pada saat musim timur

Pada Gambar 4.10 a dan b tampak bahwa debit aliran dapat mempengaruhi

pola arus, namun hanya bersifat lokal, yaitu di sekitar outlet kanal. Dalam kaitannya

dengan kapasitas daya pembangkit listrik tenaga termal, besarnya debit air kanal

pendingin sebanding dengan besarnya kapasitas daya pembangkit listrik. Oleh karena

itu perlu diketahui berapa besar debit aliran dapat mempengaruhi pola arus.

Untuk mengetahui berapa besar pengaruh debit aliran terhadap pola arus di

sekitar outlet kanal dilakukan pemodelan dengan menggunakan besar debit aliran

yang bervariasi, yaitu 60, 120 dan 180 m3/sekon. Hasil pemodelan dengan variasi

debit aliran ini disajikan pada Gambar 4.11 a, b dan c. Secara kuantitatif, hasil

pemodelan dengan variasi debit aliran disajikan dalam bentuk grafik yang

ditunjukkan pada Gambar 4.12.


50


Gambar 4.11. Pengaruh debit kanal terhadap pola arus


51


Gambar 4.12. Grafik pengaruh debit kanal terhadap pola arus

Pada Gambar 4.11 tampak bahwa secara kualitatif debit kanal tidak

mempengaruhi pola arus secara signifikan, akan tetapi secara kuantitatif pada

beberapa titik pada arah arus output kanal dapat terlihat adanya perbedaan seperti

yang tampak pada Gambar 4.12. Berdasarkan analisa secara kualitatif dan kuantitatif,

tampak bahwa kenaikan debit aliran dapat menambah besarnya kecepatan arus, tetapi

tidak mengubah pola arah arus. Hal ini terjadi karena kekuatan arus laut jauh lebih

besar dibandingkan dengan kekuatan aliran air kanal pendingin.

4.6 Pola Sebaran Panas dari Kanal Pendingin

Data arah dan kecepatan arus yang diperoleh dari pemodelan dengan RMA2

selanjutnya digunakan untuk membuat model sebaran panas dari kanal pendingin

dengan menggunakan modul RMA4. Seperti halnya pemodelan arus dengan RMA2,

pemodelan dengan RMA4 ini juga dilakukan untuk musim barat dan musim timur

dengan skenario panjang kanal 1000 m, lebar kanal 40 m, kedalaman kanal 2 m,

temperatur limbah panas 400C, temperatur ambien air laut 290C dan waktu

pemodelan 168 jam (7 hari).


52


Hasil pemodelan sebaran panas ditunjukkan pada Gambar 4.13 a dan b.

Tampak bahwa hasil pemodelan sebaran panas dari kanal pendingin dengan

menggunakan modul RMA4 menunjukkan bahwa pola sebaran panas sangat

dipengaruhi oleh pola arus. Hal ini terjadi karena sebaran panas pada badan air laut

terjadi karena proses difusi dan adveksi. Difusi adalah proses perpindahan panas

berupa rambatan dari air dengan temperatur tinggi ke air dengan temperatur yang

lebih rendah. Adveksi adalah proses perpindahan panas sebagai akibat dari adanya

aliran atau arus, semakin besar arus semakin besar pula proses adveksi yang terjadi.

Dengan kata lain arus sangat dominan mempengaruhi terjadinya sebaran panas pada

badan air laut.

Gambar 4.13. a. Model sebaran panas untuk musim barat


53


Gambar 4.13.b. Model sebaran panas untuk musim timur

Pada pengoperasian pembangkit listrik tenaga termal, limbah air panas yang

dibuang ke kanal pendingin berasal dari air pendingin kondensor. Besarnya

temperatur limbah air panas dari kondensor dapat dikontrol dengan cara mengatur

debit air pendingin yang dipompakan ke kondensor. Semakin besar kapasitas daya

pembangkit listrik tenaga termal, semakin besar debit air pendingin yang dibutuhkan,

yang berarti semakin besar pula debit limbah air panas yang dibuang melalui kanal

pendingin.

Untuk mengetahui pengaruh besarnya kapasitas daya pembangkit listrik yang

dicirikan oleh besarnya debit aliran air pendingin, terhadap pola sebaran panas pada

kanal pendingin, dibuat model sebaran panas dengan melakukan variasi terhadap

debit aliran pada inlet kanal pendingin. Variasi debit inlet kanal pendingin yang

digunakan pada pemodelan ini adalah 180, 120, 60 dan 30 m3/s.


54


Hasil pemodelan untuk arus musim barat dimana arus laut dominan mengalir

dari barat ke timur, menunjukkan bahwa pola sebaran panas cenderung mengarah ke

timur. Secara kualitatif tampak bahwa luas sebaran panas dari kanal dengan debit 180

m3/s (Gambar 4.14.a) lebih besar daripada luas sebaran panas dari kanal dengan debit

60 m3/s (Gambar 4.14.b). Ini berarti bahwa luas sebaran panas sebanding dengan

debit aliran inlet kanal, atau dengan kata lain luas sebaran panas dari kanal pendingin

sebanding dengan kapasitas daya pembangkit listrik.

Agar hasil pemodelan dapat dianalisa secara kuantitatif, maka dibuat titik-titik

tinjau pada daerah pemodelan. Untuk menganalisa pola sebaran panas searah dengan

arah aliran kanal maka dibuat beberapa titik tinjau sepanjang sumbu simetri kanal

pendingin. Untuk menganalisa pola sebaran panas pada arah tegak lurus aliran kanal

dibuat titik-titik tinjau secara melintang pada daerah laut di dekat outlet kanal

pendingin. Secara kuantitatif, pola sebaran panas pada arah melintang dan pola

sebaran panas sepanjang sumbu simetri kanal pendingin ditunjukkan pada Gambar

4.15 dan Gambar 4.16.

Pada Gambar 4.15, sumbu x negatif menunjukkan titik-titik tinjau pada arah

barat outlet kanal (berlawanan arah arus laut), sedangkan sumbu x positif

menunjukkan titik-titik tinjau pada arah timur outlet kanal (searah arus laut). Setelah

keluar dari outlet kanal pendingin, sebaran panas pada arah yang berlawanan dengan

arah arus laut lebih kecil dibandingkan dengan sebaran panas yang searah arus laut.

Hal ini terjadi karena sebaran panas oleh proses difusi menyebar ke segala arah,

sedangkan sebaran panas oleh proses adveksi sangat dipengaruhi oleh arah arus laut.

Pada arah yang berlawanan dengan arus laut, arah sebaran oleh proses difusi

berlawanan dengan arah sebaran oleh proses adveksi. Pada arah yang sama dengan

arah arus laut, arah sebaran oleh proses difusi searah dengan arah sebaran oleh proses

adveksi, sehingga arah sebaran oleh kedua proses tersebut saling menguatkan.


55


Gambar 4.14.a. Pola sebaran air panas di laut dengan debit 180 m3/s

Gambar 4.14.b. Pola sebaran air panas di laut dengan debit 60 m3/s


56


Gambar 4.15. Sebaran panas pada arah tegak lurus sumbu simetri kanal pendingin

Pada Gambar 4.16 sumbu x merupakan titik tinjau pada sepanjang sumbu

simetri kanal. Titik nol sumbu x terletak pada inlet kanal. Dari grafik tersebut tampak

bahwa penurunan temperatur air pendingin pada jarak sekitar 800 meter dari inlet

kanal. Karena panjang kanal yang digunakan dalam pemodelan adalah 1000 meter,

berarti penurunan temperatur terjadi pada daerah yang mendekati outlet kanal

pendingin. Hal ini terjadi karena pada pada bagian kanal yang dekat dengan outlet

pengaruh dari temperatur air laut sangat besar terhadap penurunan temperatur air

limbah panas melalui proses difusi. Fakta ini menimbulkan pertanyaan tentang

bagaimana pengaruh panjang kanal pendingin terhadap penurunan temperatur air

limbah pendingin dari pembangkit listrik. Untuk menjawab pertanyaan tersebut

dilakukan pemodelan dengan melakukan variasi pada panjang kanal. Pemodelan

dilakukan dengan skenario lebar kanal 40 meter, temperatur limbah panas 400C,

temperatur ambien air laut 290C dan debit aliran 120 m3/s. Waktu pemodelan

ditetapkan selama 168 jam (7 hari). Sementara itu panjang kanal yang digunakan

untuk pemodelan adalah 500 m, 1000 m dan 2000 m.


57


Gambar 4.16. Sebaran panas sepanjang sumbu simetri kanal pendingin

Gambar 4.17 a, b dan c berturut-turut menunjukkan hasil pemodelan dengan

panjang kanal 500 m, 1000 m dan 2000 m. Secara kualitatif tidak terdapat perbadaan

yang signifikan dari ketiga hasil pemodelan tersebut. Secara kuantitatif, grafik pada

Gambar 4.18 menunjukkan bahwa kurva penurunan temperatur untuk ketiga ukuran

panjang kanal tampak berhimpitan. Hasil pemodelan menunjukkan bahwa perubahan

panjang kanal tidak memberikan pengaruh yang signifikan terhadap kualitas maupun

kuantitas sebaran. Hal ini terjadi karena dalam pemodelan ini sebaran panas hanya

dipandang sebagai proses yang disebabkan oleh difusi dan adveksi, sedangkan proses

konduksi pada batas air dan udara diabaikan. Kehilangan panas akibat proses

konduksi dari air ke udara relatif kecil dibanding total panas lautan sehingga

pengaruhnya dapat diabaikan (Supangat dan Susanna, 2008). Menurut hasil penelitian

yang dilakukan oleh peneliti lain di PLTU Suralaya, penurunan suhu pada kanal

pendingin sepanjang 1000 m adalah sebesar 0,770C (Purba, 2004).


58


Gambar 4.17.a. Hasil simulasi model dengan panjang kanal 500 m

Gambar 4.17.b. Hasil simulasi model dengan panjang kanal 1000 m


59


Gambar 4.17.c. Hasil simulasi model dengan panjang kanal 2000 m

Gambar 4.18. Sebaran panas pada arah tegak lurus sumbu simetri kanal pendingin


60


4.7 Simulasi Kanal Pendingin PLTN 7000 MWe

Indonesia berencana membangun pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN)

yang pertama di semenanjung Muria Jepara, Jawa Tengah. Pembangunan PLTN yang

direncanakan berkapasitas 7000 MWe ini diharapkan sudah dapat dioperasikan secara

komersial pada sekitar tahun 2016 (http://www.batan.go.id/ppen/).

Dalam penelitian ini penulis mencoba untuk membuat simulasi sebaran panas

dari kanal pendingin PLTN dengan kapasitas daya 7000 MWe. Simulasi dibuat

dengan lokasi di laut pesisir semenanjung Muria pada kondisi arus laut mengalir dari

barat ke timur dengan kecepatan 0,1 m/s dengan temperatur ambien air laut 290C.

Kanal pendingin dibuat dengan skenario lebar kanal 40 meter, panjang kanal 1000 m

dan temperatur limbah panas 400C. Adapun waktu pemodelan ditentukan selama 168

jam (7 hari) yang terdiri dari 337 tahapan waktu masing-masing sebesar 30 menit.

4.7.1 Penghitungan Debit Air Kanal Pendingin

Debit aliran air pendingin dari kondensor yang keluar menuju kanal pendingin

dihitung dengan menggunakan persamaan 2.1 dan 2.2. Untuk menghasilkan energi

listrik sebesar 7000 MWe, PLTN dengan efisiensi 33% akan melepaskan energi

panas ke lingkungan sebesar

MWattxE 12,1421270003367

==

Sebanyak 5% dari energi panas yang terlepas ke lingkungan terbuang di dalam

instalasi. Sedangkan 62% energi panas atau sebesar 13151,5 MWatt dibuang ke

dalam air pendingin pada saat kondensasi uap menjadi air pada kondensor. Sesuai

dengan skenario yang dibuat, beda temperatur antara air yang masuk ke kondensor

(temperatur ambien) dan air yang dibuang ke kanal pendingin (air limbah panas)

adalah sebesar 100C. Untuk memperoleh kondisi ini maka dibutuhkan air pendingin

sebesar 314,6 m3/s. Nilai tersebut diperoleh dari penghitungan berikut,


http://www.batan.go.id/ppen/

61


TCH

Qp ∆⋅⋅

=ρ

(4.2)

Dimana,

Q debit aliran air pendingin, m3/s

H laju perpindahan energi panas ke air pendingin = 13151,515 x 106 J/s

p kerapatan air = 1000 kg/m3

Cp kapasitas panas = 4180 J kg-1 K-1

∆T kenaikan temperatur air pendingin = 11°C

Sehingga diperoleh

smQ 36

6,3141141801000

10515,13151=

×××

=

4.7.2 Pola Arus dan Sebaran Panas

Dengan memasukkan nilai 314,6 m3/s sebagai debit inlet kanal pendingin,

diperoleh hasil simulasi pola arus dan pola sebaran panas seperti yang ditunjukkan

pada Gambar 4.19 dan Gambar 4.20. Pada Gambar 4.19 tampak bahwa aliran air dari

kanal pendingin hanya sedikit berpengaruh terhadap pola arus laut, hal ini terjadi

karena arus laut jauh lebih kuat daripada arus aliran kanal pendingin. Untuk ukuran

lebar domain pemodelan 5000 meter dengan kedalaman rata-rata 15 meter, maka

kecepatan arus laut sebesar 0,1 m/s identik dengan debit aliran sebesar 7500 m3/s,

jauh lebih besar dibanding debit kanal pendingin yang hanya 314,6 m3/s. Pengaruh

debit aliran yang keluar dari kanal hanya berdampak pada pola arus pada sekitar 100

meter dari outlet kanal.


62


Gambar 4.19. Pola sebaran arus yang dipengaruhi debit kanal pendingin

Gambar 4.20. Sebaran panas dari PLTN dengan kapasitas 7000 MWe


63


Pada Gambar 4.20 tampak bahwa secara kualitatif sebaran panas mengikuti

pola arus yaitu bergerak ke arah timur dan timur laut. Untuk dapat menganalisa pola

sebaran panas secara kuantitatif, maka dibuat beberapa titik tinjau pada arah barat

laut, utara dan timur laut. Besarnya temperatur pada titik-titik tinjau ini disajikan

dalam bentuk grafik temperatur terhadap jarak dengan titik nol diambil pada outlet

kanal (Gambar 4.21, 4.22 dan 4.23).

Grafik pada Gambar 4.21 menunjukkan bahwa pada arah barat laut terjadi

penurunan temperatur yang sangat signifikan, yaitu sebesar 40C pada jarak 600 meter.

Ini berarti bahwa pada arah barat laut sebaran temperatur yang terjadi sangat kecil.

Hal ini terjadi karena arah sebaran yang disebabkan oleh perbedaan suhu (difusi)

membentuk sudut -450 dengan arah sebaran yang disebabkan oleh arus (adveksi)

sehingga arah sebaran total yang dihasilkan bersifat destruktif.

Gambar 4.21. Sebaran temperatur ke arah barat laut


64


Gambar 4.22. Sebaran temperatur ke arah utara

Gambar 4.23. Sebaran temperatur ke arah timur laut


65


Pada arah utara, arah sebaran temperatur akibat proses difusi tegak lurus

dengan arah sebaran oleh proses adveksi, sehingga arah sebaran totalnya justru

cenderung berbelok ke arah timur laut. Sebaran temperatur pada arah utara relatif

lebih besar dibanding sebaran pada arah barat laut, hal ini terlihat pada grafik pada

Gambar 4.22 dimana terdapat penurunan temperatur sebesar 60C pada jarak 1597

meter. Sebaran temperatur pada arah timur laut sangat besar. Hal ini terjadi selain

karena adanya penguatan akibat adanya pembelokan arah difusi yang menuju utara,

juga karena sebaran temperatur oleh proses adveksi dan difusi membentuk sudut 450

sehingga arah sebaran totalnya bersifat konstruktif. Besarnya sebaran temperatur ke

arah timur laut dicirikan dengan kecilnya penurunan temperatur pada arah tersebut.

Penurunan temperatur sebesar 70C terjadi pada jarak 4482 meter.

Dalam pengkajian dampak dari lepasan limbah air panas pembangkit listrik

tenaga termal, selain pola sebaran temperatur terhadap ruang (sebaran spasial), perlu

juga dikaji pola sebaran temperatur terhadap perubahan waktu (temporal). Pola

perubahan temperatur secara temporal dilakukan dengan melakukan pemodelan untuk

beberapa variasi rentang waktu. Gambar 4.24 menunjukkan grafik sebaran temperatur

terhadap jarak pada selang waktu 1 jam sampai dengan 20 hari. Tampak bahwa untuk

selang waktu 24 jam sampai dengan 20 hari, kurva sebaran temperatur berhimpit

yang berarti bahwa besarnya temperatur pada setiap titik tinjau nilainya sama.

Agar sebaran temperatur secara temporal dapat lebih jelas, maka dibuat plot

grafik perubahan temperatur terhadap waktu untuk beberapa titik tinjau pada arah

timur laut, yaitu pada jarak 870 m, 1684 m, 2472 m, 3071 m dan 4077 m (Gambar

4.25). Tampak bahwa pada selang waktu 24 jam atau lebih besar besarnya temperatur

konstan. Ini berarti bahwa setelah mencapai selang waktu 24 jam sebaran temperatur

bersifat stasioner. Nilai stasioner ini terjadi karena setelah mencapai waktu 24 jam

terjadi kesetimbangan antara sebaran temperatur oleh proses difusi dan sebaran

temperatur oleh proses adveksi.


66


Gambar 4.24. Perubahan temporal sebaran temperatur terhadap jarak

Gambar 4.25. Perubahan temperatur secara temporal pada beberapa titik tinjau



BAB 5

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Dari uraian hasil dan pembahasan pada Bab 4 dapat diambil kesimpulan

sebagai berikut,

1. Analisis sensitivitas perangkat lunak terhadap parameter potensial berupa

kekasaran dasar laut dan viskositas olakan menunjukkan bahwa semakin besar

nilai kekasaran dasar laut, maka semakin besar pula elevasi muka air pada bagian

hulu kanal. Sementara itu perubahan viskositas olakan tidak memberikan

perubahan yang signifikan terhadap elevasi muka air. Walau rentang variasi

viskositas olakan yang digunakan sangat besar, tetapi perubahan nilai elevasi

muka air pada solusi model tidak menunjukkan nilai yang signifikan.

2. Validasi model dengan cara membandingkan arah dan kecepatan arus hasil

pemodelan dengan hasil pengukuran di lapangan menunjukkan selisih yang tidak

terlalu signifikan, yaitu berada pada rentang 0,01 - 0,1 m/s atau 3,5% - 24%

untuk kecepatan arus. Sementara itu selisih antara hasil pemodelan dan hasil

pengukuran arah arus berada pada rentang 0 - 26 derajat atau 0 - 26%.

3. Hasil simulasi arus dan sebaran panas yang telah dilakukan menunjukkan bahwa

pola arus dipengaruhi oleh kedalaman laut dan elevasi muka air yang dipengaruhi

oleh pasang surut. Sementara itu pola sebaran panas secara spasial dipengaruhi

oleh proses adveksi dan difusi berupa besarnya debit aliran dari kanal pendingin

dan pola arus pada badan air laut. Pola sebaran panas secara temporal

menunjukkan bahwa sebaran temperatur akan mencapai kondisi yang tunak

setelah tercapai kesetimbangan antara pengaruh difusi dan adveksi.


68


5.2 Saran

1. Perlu dilakukan kerjasama dengan pengelola instalasi pembangkit listrik

tenaga termal yang ada di Indonesia, agar pemodelan dapat dilakukan pada

kanal pendingin pembangkit listrik dengan skenario yang diatur sedekat

mungkin dengan keadaan sesungguhnya, sehingga validasi terhadap hasil

pemodelan sebaran panas dapat dilakukan dengan melakukan pengukuran

pada kanal pendingin.

2. Pada pemodelan sebaran panas, sebaiknya menggunakan data arah dan

kecepatan arus yang merupakan fungsi dari waktu, sehingga arah dan

kecepatan arus dapat berubah sesuai dengan kondisi musim. Dengan demikian

hasil pemodelan bisa lebih mendekati keadaan sesungguhnya.


69


DAFTAR PUSTAKA

Budi, S. (2008). Kincir air limbah pembangkit tenaga listrik. Jakarta: Indonesia

Power, (Ed. 1).

Burhanuddin & Martosewojo, S. (1989). Limbah termal dan pengaruhnya terhadap

keberadaan ikan di PLTU Muara Karang. Prosiding Seminar Ekologi Laut

dan Pesisir I, Jakarta.

Dill, N. L. (2007). Theses from start to finish: Hydrodynamic Modeling of a

Hypothetical River Diversion Near Empire, Louisiana. Louisiana: Louisiana

State University.

Dishidros TNI AL. (2007). Peta Batimetri Jawa – Pantai Utara, Semarang sampai

Tanjung Awar-awar. Jakarta.

Environmental Modeling Research Laboratory. (2006). The Surface Water Modeling

System (SMS) – version 9.2 Tutorials.

Glamore, W.C., et al. (2007). Improving Regional Capacity for Assessment, Planning

and Response to Aquatic Environmental Emergencies: Jakarta Bay, Indonesia,

Water Research Laboratory, School of Civil and Environmental Engineering,

The University of New South Wales. Australia.

Huboyo, H. S. & Zaman, B. (2007). Analisis Sebaran Temperatur dan Salinitas Air

Limbah PLTU-PLTGU Berdasarkan Sistem Pemetaan Spasial (Studi Kasus:

PLTU-PLTGU Tambak Lorok Semarang), Jurnal Presipitasi, Vol. 3, No. 2,

September 2007. Semarang.

Ismanto, A., Widada, S., Susiati, H. (2008). Kajian Dispersi Termal dalam Rencana

Pembangunan PLTN Muria: Sebuah Analisis, Jurnal Geoaplika, Vol. 3, No. 3,

2008.

Kennish, M. J. (2001). Practical Handbook of Marine Science. Third Edition. New

Jersey : Institute of Marine and Coastal Sciences, Rutgers University.


70


Khayyun, T. S. (2008). The Effects of Changes in Manning’s Roughness Coefficients

and Eddy Viscosity on a Constrained Flume. Journal of Engineering and

Development, Vol. 12, No. 2.

King, I. (1996). Users Guide to RMA2 WES Version 4.3. Edited by Donnel, B. P.

1997. New York: US Army Corps of Engineer – Waterways Experiment

Station, Hydraulics Laboratory, Wex Tech System.

King, I. (2003). Users Guide to RMA4 WES Version 4.3. Edited by Donnel, B. P.

2003. New York: US Army, Engineer and Development Center – Waterways

Experiment Station, Coastal and Hydraulics Laboratory, Wex Tech System.

Majewski, W., Miller, D. C. (1979). Predicting Effect of Power Plant Once-Through

Cooling on Aquatic System. Paris: United Nations Educational, Scientific and

Cultural Organization.

Mellor, G. L. (2004). Users Guide for a Three Dimensional, Primitive Equation,

Numerical Ocean Model. New Jersey: Princeton University.

Mihardja, D. K., et al. (1999). Modelling of the Heated Water Spreading in Muara

Karang Coastal Waters, Jakarta Bay. Proceeding ITB, Vol. 31, No. 1.

Nakano, M., Povinec, P. P. (2003). Oceanic General Circulation Model for the

Assessment of the Distribution of 137Cs in the World Ocean. Deep-Sea

Research Part II. Pergamon.

Paschoa, A. S. (2004). Environmental Effects of Nuclear Power Generation, in

Interactions: Energy/ Environment, [Ed. Jose Goldemberg], in Encyclopedia

of Life Support Systems (EOLSS). Oxford: Developed under the Auspices of

the UNESCO.

Petrescu, V., Sumbasacu, O. (2010). Comparison Between Numerical Simulation and

Measurements of the Pollutant Dispersion in a River Case Study, U.P.B. Sci.

Bull., Series D, Vol. 72, Iss. 3.


71


Purba, M. (2004). Distribution of Temperature and Salinity in the Ocean, Proceeding

of the Seminar on the Development of Marine Radioecology in Indonesia.

Jakarta.

Roth, E. (2005). Why Thermal Power Plants Have a Relatively Low Efficiency.

www.sealnet.org.

Stewart, R. H. (2002). Introduction to Physical Oceanography, Department of

Oceanography. Texas: Texas A&M University.

Supangat, A., Susanna. (2008). Pengantar Oseanografi. Jakarta: Pusat Riset Wilayah

Laut dan Sumberdaya Non-Hayati, Badan Riset Kelautan dan Perikanan,

Departemen Kelautan dan Perikanan.

Yulianto, P. (2005). Justifikasi Pemakaian Model Numerik Dua Dimensi (2D)

Transport Sedimen di Muara. Tesis Program Studi Ilmu Teknik Sipil,

Kekhususan Manajemen Sumber Daya Air, Program Pasca Sarjana Bidang

Ilmu Teknik, Universitas Indonesia. Depok.


72


LAMPIRAN

Lampiran A.

Kedalaman laut Semenanjung Muria, Jepara berdasarkan peta batimetri

Dishidros TNI AL

Bujur Timur, 0

Lintang Selatan, 0

Kedalaman, meter

Bujur Timur, 0

Lintang Selatan, 0

Kedalaman, meter

110.75 6.44 -7 110.74 6.43 -10 110.76 6.44 -5 110.74 6.42 -11 110.77 6.43 -7 110.75 6.42 -11 110.78 6.43 -3 110.75 6.41 -15 110.79 6.43 -5 110.77 6.39 -20 110.81 6.43 -3 110.79 6.40 -12 110.81 6.42 -7 110.79 6.39 -14 110.82 6.42 -3 110.81 6.40 -11 110.83 6.42 -3 110.81 6.39 -12 110.84 6.41 -3 110.81 6.38 -14 110.84 6.40 -7 110.83 6.39 -11 110.84 6.41 -5 110.85 6.38 -11 110.83 6.40 -9 110.83 6.37 -14 110.83 6.40 -9 110.81 6.38 -14 110.82 6.41 -7 110.82 6.36 -20 110.82 6.41 -9 110.81 6.37 -20 110.82 6.42 -7 110.79 6.38 -20 110.81 6.41 -10 110.78 6.39 -20 110.81 6.41 -9 110.85 6.41 -5 110.80 6.41 -10 110.84 6.40 -9 110.79 6.42 -9 110.85 6.39 -11 110.79 6.42 -9 110.78 6.41 -12 110.78 6.42 -10 110.76 6.41 -14 110.76 6.43 -9 110.74 6.40 -26 110.76 6.43 -10 110.75 6.39 -26 110.75 6.43 -10 110.77 6.38 -27 110.74 6.44 -7 110.79 6.38 -23


73


Lampiran B.

Data pengukuran lapangan kedalaman laut Semenanjung Muria, Jepara

Bujur Timur, 0

Lintang Selatan, 0

Kedalaman, meter

110.83 6.40 -8 110.82 6.39 -9.5 110.82 6.39 -12 110.81 6.38 -14 110.80 6.38 -15 110.79 6.38 -17 110.79 6.38 -19 110.78 6.38 -20 110.77 6.39 -21 110.77 6.39 -21 110.76 6.39 -20 110.76 6.40 -18 110.75 6.40 -16 110.75 6.41 -14 110.74 6.42 -10 110.74 6.43 -8.2


74


Lampiran C

Peta Batimetri Perairan Jepara


75


Lampiran D

Hasil Pengukuran Arus di Semenanjung Muria Jepara

Bujur Timur, 0

Lintang Selatan, 0

Kecepatan Arus, m/s

Arah Arus, 0

Bujur Timur, 0

Lintang Selatan, 0

Kecepatan Arus, m/s

Arah Arus, 0

110.95 6.40 0.42 290 110.91 6.40 0.80 270 0.41 320 0.79 280 0.33 330 0.94 260 0.27 330 0.71 270 0.38 310 0.77 300

110.94 6.40 0.46 280 110.90 6.40 0.68 270 0.60 270 0.54 270 0.69 280 0.68 280 0.63 270 0.80 270 0.58 280 0.84 260

110.93 6.40 0.57 260 110.89 6.40 0.41 260 0.77 290 0.48 280 0.79 270 0.49 265 0.57 270 0.48 280 0.55 280 0.41 290

110.92 6.40 0.68 290 110.89 6.40 0.51 300 0.75 270 0.39 260 0.74 270 0.38 270 0.72 270 0.49 255 0.57 280 0.46 280

110.9178 6.40 0.82 300 0.71 290 0.83 290 0.78 300 0.77 280


Documents

MODEL SEBARAN PANAS AIR KANAL PENDINGIN …lib.ui.ac.id/file?file=digital/20295063-T29864-Model sebaran.pdf · HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR ... Peta batimetri