1
ANALISA PEMANFAATAN TURBIN ANGIN SEBAGAI PENGHASIL ENERGI LISTRIK ALTERNATIF DI PULAU PANGGANG KEPULAUAN SERIBU Surya Bagaskara, Ir.Sardono Sarwito, M.Sc, Indra Ranu Kusuma ST, M.Sc. Jurusan Teknik Sistem Perkapalan Fakultas Teknologi Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember ABSTRAK Di pulau panggang listrik hanya menyala selama 12 jam dalam sehari. Hal ini disebabkan karena kurangnya pasokan daya listrik dari pembangkit yang sudah ada. Analisa ini bertujuan untuk mengetahui aspek teknis dan ekonomis pemasangan turbin angin sebagai pembangkit listrik di pulau panggang, serta mengetahui jumlah kebutuhan turbin angin dan konfigurasi yang tepat untuk pemenuhan kebutuhan daya listrik di pulau panggang. Analisa yang telah dilakukan menghasilkan data tentang kebutuhan turbin angin dan data tentang kebutuhan dana untuk instalasi turbin angin, sehingga diketahui pemasangan turbin angin sebagai pembangkit listrik di pulau panggang menguntungkan baik dari aspek teknis maupun dari aspek ekonomis. Kata kunci: Turbin angin, Pembangkit Listrik, Kebutuhan Daya.
PENDAHULUAN Energi merupakan salah satu kebutuhan utama dalam kehidupan manusia. Peningkatan kebutuhan energy dapat merupakan indikator peningkatan kemakmuran, namun bersamaan dengan itu juga menimbulkan masalah dalam usaha penyediaannya. Keterbatasan bahan bakar fosil yang tersedia, maka perlu dikembangkan sumber sumber energy baru dan terbaharukan seperti Biomassa, tenaga, angin, mikrohidro, dan energy surya. Pemakaian energi angin di Indonesia memiliki prospek yang sangat baik, terutama untuk wilayah pesisir pantai yang rata rata memiliki angin yang cukup besar, sehingga dapat digunakan sebagai energi alternatif dengan menggunakan turbin angin. Di Negara Indonesia yang merupakan Negara kepulauan pemerataan energi listrik khususnya untuk wilayah pulau-pulau terpencil sulit dilakukan karena keterbatasan biaya untuk pembangunan pembangkit listrik di pulau terpencil. Di Pulau Panggang Kepulauan Seribu bagian utara, misalnya di wilayah ini meskipun terdapat pembangkit listrik tenaga diesel(PLTD) namun listrik hanya menyala kurang lebih selama 13 jam, yaitu pada pukul 17.00-06.00. hal ini jelas mengganggu aktifitas warga yang memerlukan listrik pada siang hari. Sebagai solusi untuk pemenuhan kebutuhan listrik di siang hari warga menggunakan generator. Penggunaan generator pada siang hari oleh masyarakat pulau panggang sendiri tidak terlepas oleh masalah. Masalah yang timbul diantaranya adalah Mahalnya biaya bahan bakar untuk operasional generator dan biaya perawatan generator, meskipun warga mendapat bantuan dana untuk pengoperasian
generator, namun bantuan ini dirasa kurang oleh warga. Pemanfaatan energi angin sebenarnya bukan barang baru bagi umat manusia. Semenjak 2000 tahun lalu teknologi pemanfaatan sumber daya angin dan air sudah dikenal manusia dalam bentuk kincir angin (wind mills). Selain ramah lingkungan, sumber energi ini juga selalu tersedia setiap waktu dan memiliki masa depan bisnis yang menguntungkan. Kini sebagian besar negara maju di Eropa dan Amerika Serikat telah memanfaatkan sumber energi ini. Pada masa awal perkembangannya, teknologi energi angin lebih banyak dimanfaatkan sebagai pengganti tenaga manusia dalam bidang pertanian dan manufaktur, maka kini dengan teknologi dan bahan yang baru, manusia membuat turbin angin untuk membangkitkan energi listrik yang bersih, baik untuk penerangan, sumber panas atau tenaga pembangkit untuk alat-alat rumah tangga. Menurut data dari American Wind Energy Association (AWEA), hingga saat ini telah ada sekitar 20.000 turbin angin diseluruh dunia yang dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik. Kebanyakan turbin semacam itu dioperasikan di lahan khusus yang disebut βladang anginβ (wind farm). Di negara-negara Eropa, pemanfaatan sumber energi yang dapat diperbaharui diperkirakan bakal mencapai 8% dari permintaan energi di tahun 2005. Energi angin menjadi salah satu alternatif yang banyak dipilih dan sekaligus berfungsi mengurangi emisi gas karbondioksida (CO2) yang dihasilkan oleh perangkat sumber energi sebelumnya. Tujuh tahun belakangan ini, kapasitas energi angin terpasang di Eropa melonjak hingga 40% per tahun dan saat ini kapasitas tersebut dapat memenuhi kebutuhan listrik lebih dari 5 juta kepala keluarga. Industri energi tenaga angin diperkirakan bakal memiliki kapasitas
2 40.000 MW (mega Watt) yang dapat mencukupi kebutuhan listrik untuk 50 juta kepala keluarga pada tahun 2010. Energi angin adalah energi yang relatif bersih dan ramah lingkungan karena tidak menghasilkan karbon dioksida (CO2) atau gas-gas lain yang berperan dalam pemanasan global, sulphur dioksida dan nitrogen oksida (jenis gas yang menyebabkan hujan asam). Energi ini pun tidak menghasilkan limbah yang berbahaya bagi lingkungan ataupun manusia. Meski demikian, harap diingat bahwa sekecil apapun semua bentuk produksi energi selalu memiliki akibat bagi lingkungan. Hanya saja efek turbin angin sangat rendah, bersifat lokal dan mudah dikelola. Di samping itu turbin atau kincir angin memiliki pesona tersendiri dan menjadi atraksi wisata yang menarik, seperti misalnya saja kincirkincir angin di negeri Belanda. Dasar Teori Angin Pengertian angin adalah gerakan udara dari daerah yang bertekanan tinggi ke daerah yang bertekanan rendah. Dalam iklim panas-lembab, pergerakan angin berguna untuk menyejukkan kulit. Angin yang ada perlu ditangkap dan digunakan sepenuhnya. Kekuatan angin berlebihan dapat dikontrol menggunakan sistem manual atau otomatik. Apabila angin bertiup dan mengenai bangunan, tekanan statik terbentuk di bagian dinding luar dan ditentukan oleh arah angin. Penyebaran tekanan angin dipengaruhi beberapa faktor : 1. Bentuk bangunan 2. Kecepatan angin dan arah angin 3. Lokasi dan lingkungan Tekanan permukaan positif terdapat di bagian angin datang dan negatif di bagian belakang angin. Walau bagaimanapun, tekanan pada sisi angin datang bisa negatif atau positif bergantung kepada arah angin dan bentuk bangunan. Menghitung Kecepatan Angin Rata-Rata Angin yang berhembus memiliki kecepatan yang berbeda-beda tiap waktu. Sebelum melakukan penghitungan untuk mengetahui daya yang dihasilkan oleh turbin angin kita harus mengetahui kecepatan rata-rata angin yang bertiup di suatu wilayah pada periode tertentu. Untuk menghitung kecepatan ratarata angin digunakan persamaan: π= Dimana:
Vi N V
π
piringan solid dan tidak berputar sama sekali, yang artinya tidak ada energi kinetik yang akan dikonversi. Energi angin bisa ditangkap dengan dua atau tiga buah baling-baling yang didesain seperti sayap pesawat terbang. Untuk mendapatkan kecepatan angin yang cukup tinggi, konstan, dan tidak terlalu banyak turbulensi biasanya turbin angin dipasang di atas sebuah menara pada ketinggian 30 meter atau lebih. Baling-baling yang digunakan berfungsi seperti sayap pesawat udara. Ketika angin bertiup melalui baling-baling tersebut, maka akan timbul udara bertekanan rendah di bagian bawah dari balingbaling, Tekanan udara yang rendah akan menarik baling-baling bergerak ke area tersebut. Gaya yang ditimbulkan dinamakan gaya angkat. Besarnya gaya angkat biasanya lebih kuat dari gaya tarik. Kombinasi antara gaya angkat dan gaya tarik menyebabkan rotor berputar seperti propeler dan memutar generator. Turbin angin bisa digunakan secara stand-alone, atau bisa dihubungkan ke jaringan transmisi Jenis Turbin Angin ο· Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) ο· Horizontal Axis Wind Turbine Konstruksi Turbin Angin
Sebuah turbin angin terdiri dari : ο· Baling-baling ο· Gearbox ο· Break System ο· Generator ο· Penyimpan Energi ο· Rectifier- Inverter ο· Menara
Vi
π=1 N
= nilai angin sesaat = banyaknya pengamatan = kecepatan Angin rata βrata
Turbin Angin Turbin angin mengambil energi angin dengan menurunkan kecepatannya. Untuk bisa mencapai 100% efisien, maka sebuah turbin angin harus menahan 100% kecepatan angin yang ada, dan rotor harus terbuat dari
Biaya Investasi Turbin Angin Dalam suatu perencanaan pembangunan pembangkit listrik tenaga angin setelah diketahui jumlah turbin angin yang akan dipasang dan jenis turbin yang akan dipasang, faktor harga dari turbin angin juga mempengaruhi pemilihan turbin yang akan digunakan. Selain harga dari komponen turbin seperti generator, blade, tower perlu di perhatkan juga biaya pengiriman turbin dari produsen menuju tempat pemasangan. Jika pada suatu wilayah benlum terdapat jaringan listrik atau pembangkit listrik tenaga angin ingin
3 menggunakan jaringan sendiri maka harga dari biaya pembuatan jaringan juga harus diperhitungkan. Perhitungan NPV(Net Present Value) Net present value merupakan selisih antara present value dari benefit dan present value dari biaya. Dengan cara perhitungan seperti dibawah ini: π
π‘ (1 + π)π‘ Dimana: Rt = Jumlah uang masuk dikurang jumlah uang keluar i = Discount Rate t = waktu dari aliran dana
ANALISA DATA Kebutuhan Listrik Pulau Panggang Berdasarkan Laporan penyelenggara pemerintah kepulauan seribu tahun 2005 di ketahui bahwa jumlah rumah di pulau panggang adalah sebanyak 1152 buah. Jika kebutuhan listrik satu buah rumah adalah 450 watt. Maka kebutuhan listrik untuk pulau panggang adalah sebesar 519 kW. Kecepatan Angin di Pulau Panggang Berdasarkan data angin di pulau panggang(106ΒΊBT dan 5.4ΒΊLS) dalam jangka waktu Februari 2005-Agustus 2006 besar angin dan arah angin dapat dilihat seperti pada gambar berikut: 0
Perhitungan IRR(Internal Rate of Return) IRR atau Internal Rate of Return merupakan nilai discount rate i yang membuat NPV dari proyek sama dengan nol. IRR ini dapat juga dianggap sebagai tingkat keuntungan atas investasi bersih dalam suatu proyek, asal setiap benefit bersih yang diwujudkan secara otomatis ditanamkan kembali dalam tahun berikutnya dan mendapatkan tingkat keuntungan i yang sama yang diberi bunga selama sisa umur proyek. Cara perhitungan IRR dapat didekati dengan rumus dibawah ini. πΆπ πππ = π π=0 π = 0
315
45
5
225
135
180
π= Dimana:
MULAI Studi Literatur Kondisi wilayah pulau panggang
Pengum pulan Data
Pengaplikasian turbin pada wilayah tanpa listrik
Perencanan diterima
Kesimpulan dan Saran SELESAI
20
Dengan menggunakan persamaan
METODOLOGI PENELITIAN
Identifikasi dan Perumusan Masalah
15
90
(1+π )
Cara kerja Turbin Angin
10
270
Variasi turbin angin disesuaikan dengan wilayah tanpa listrik
Evaluasi perencan aan
π
Vi
π=1 N
βVi = 464 N = 55 V = kecepatan Angin rata βrata Diketahui kecepatan angin di Pulau Panggang adalah sebesar 8,4 knots atau 4.3 m/s Kecepatan Angin Pada Ketinggian Turbin Di Kepulauan Seribu kecepatan angin adalah sebesar 7-15 (3,5m/s - 7,6 m/s)knot antara Bulan Juni sampai November sedangkan pada Bulan Desember hingga mei kecepatan angin berkisar 7-20 knot(3,5m/s-10,1 m/s). Berdasarkan gambar (2.1) diketahui bahwa kecepatan angin semakin bertambah seiring dengan meningkatnya ketinggian. Besarnya kecepatan angin pada ketinggian tertentu dapat diketahui dengan menggunakan persamaan (2.27) π(π) = πππ(π/π0 ) Jika: Z = 30 meter ( jika menggunakan turbin VESTAS V-27 225kW) Z0 = 3 meter V = 4,3 m/s Maka pada kecepatan angin rata-rata 4,3m/s kecepatan angin pada turbin adalah sebesar 9,9 m/s
4 Daya Yang Dihasilkan Turbin Dengan menggunakan turbin VESTAS V-27 225kW daya yang dihasilkan oleh turbin adalah sebagai berikut Kecepatan Angin (v)
Vz(m/ss)
Daya Turbin(kW)
0.514
1.18
0.00
1.028
2.37
0.00
1.542
3.55
1.50
2.056
4.73
15.00
2.57
5.92
30.00
3.084
7.10
54.00
3.598
8.28
86.00
4.112
9.47
125.00
4.626
10.65
165.00
5.14
11.84
200.00
5.654
13.02
217.00
6.168
14.20
225.00
6.682
15.39
225.00
7.196
16.57
225.00
7.71
17.75
225.00
8.224
18.94
225.00
8.738
20.12
225.00
Pada kecepatan angin rata-rata di Pulau Panggang sebesar V= 4,3 m/s atau V(z) = 9,9 m/s daya yang dihasilkan turbin adalah sebesar 145kW. Sedangkan kebutuhan listrik di pulau panggang adalah sebesar 512kW. Maka untuk pemenuhan kebutuhan energi listrik menggunakan 4 buah turbin. Peletakan Turbin di Pulau Panggang Pulau panggang memiliki dua buah gardu listrik untuk penyaluran listrik menuju beban. Pada perencanaan ini untuk mempermudah penyaluran listrik dari turbin angin menuju beban, maka jaringan penyaluran listrik menggunakan jaringan yang telah terpasang di pulau panggang. Hal ini bertujuan agar biaya pemasangan turbin lebih murah karena tidak memerlukan jaringan listrik baru. Pada perencanaan ini turbin diletakkan sedekat mungkin dengan gardu listrik yang sudah ada agar loss yang terjadi dapat diminimalisir.
Perhitungan Arus Nominal Untuk mengetahui besarnya kabel pengaman yang akan digunakan dalam instalasi listrik maka sebelum itu perlu dilakukan perhitungan besarnya arus nominal, besarnya arus nominal dapat di hitung menggunakan persamaan (2.33) untuk generator tiga phase, sedangkan untuk satu phase menggunakan persamaan (2.34). Arus nominal yang mengalir dapat dihitung : Untuk 3 phase :
Iο½ Iο½
P 390 x 3x cosο±
(Ampere)
225000 390 x 3x0.8
I ο½ 416,85 Ampere Setelah mengetahui arus nominal yang mengalir adalah sebesar 416,85 Ampere, maka kabel pengaman digunakan adalah 500 Ampere . Dengan arus 500 Ampere maka luas penampang kabel yang harus dipasang adalah 400 mm2 dan karena 3 fase maka 4x400.
Perhitungan Biaya Produksi Listrik
Turbin angin direncanakan untuk beroperasi selama 12 jam pada saat listrik dari PLN tidak menyala yauitu pukul 06.00-18.00. Dengan operasi turbin 12 jam perhari dengan asumsi turbin bekerja 365 hari dalah setahun maka daya yang dihasilkan turbin dalam setahun adalah sebesar 2.540.400 kWh atau 2540 MWh. Lifetime dari turbin angin direncanakan selama 20 tahun
5 Untuk menghitung biaya produksi listrik perlu diketahui besarnya biaya investasi , biaya operasional dan biaya perawatan turbin. Pada pembangkit listrik tenaga angin besarnya biaya operasional dan perawatan besarnya berkisar antara 10%-30%. Ketika pembangkit dalam kondisi baru biaya operasional dan perawatan bernlai 10% dari biaya investasi, sedangkan ketika pembangkit telah beroperasi cukup lama maka besarnya biaya perawatan dan operasional akan meningkat hingga mencapai 30% dari biaya investasi Jika turbin angin direncanakan beroperasi selama 24 jam sehingga tidak menggunakan pembangkit listrik tenaga diesel yang sudah ada, maka dengan asumsi turbin bekerja 365 hari dalah setahun maka daya yang dihasilkan turbin dalam setahun adalah sebesar 5.080.800 kWh atau 5080 MWh. Dibawah ini adalah gambar casflow dari pengoperasian turbine angin ketika beroperasi selama 12 jam:
5000
Cash Flow
0 -5000
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 Cash Flow
-10000 -15000 -20000
Sedangkan ketika turbine beroperasi selama 24 jam maka casflow nya adalah sebgai berikut
Cash Flow 30000 20000 10000
0 -10000
Cash Flow 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21
-20000 KESIMPULAN Setelah menganalisa jumlah kebutuhan turbin untuk pemenuhan listrik di pulau Panggang, maka diperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut: ο· Untuk memenuhi kebutuhan listrik pulau panggang sebesar 519kW diperlukan 4 buah turbin berdaya 225kW, hal ini disebabkan karena turbin berdaya 225kW ketika di
ο·
ο·
pasang di pulau panggang hanya menghasilkan daya sebesar 145kW. Biaya investasi yang diperlukan untuk membuat pembangkit listrik tenaga angin di pulau panggang adalah sebesar 15,48 milyar rupiah, sedangkan penghasilan pembangkit listrik tenaga angin jika beroperasi 12 jam dalam sehari adalah sebesar 1,05 milyar rupiah per tahun, sehingga biaya investasi ini akan kembali ketika pembangkit listrik tenaga angin telah beroperasi selama 15 tahun. Jika pembangkit listrik tenaga angin beroperasi 24 jam dalam sehari adalah sebesar 2,11 milyar rupiah per tahun, sehingga biaya investasi ini akan kembali ketika pembangkit listrik tenaga angin telah beroperasi selama 7,5 tahun.
Ucapan Terima Kasih Penulis ingin mengucapkan banyak terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak, Ibu , Kakak dan Saudara atas segala doa, dukungan, dan motivasi untuk senantiasa bersemangat untuk menyelesaikan skripsi ini. 2. Bapak Sardono Sarwito dan Bapak Indra Ranu sebagai dosen pembimbing yang senantiasa memberikan bimbingan, arahan dalam pengerjaan skripsi ini. 3. Seluruh teman-teman jurusan sistem perkapalan terutama angkatan 2004 yang juga sedang mengerjakan skripsi 4. Seluruh pihak yang membantu terselesaikannya pengerjaan skripsi ini yang tidak dapat disebutkan satu persatu. Daftar Pustaka hofman, harm. energi angin (alih bahasa harun). 1987 : Binacipta. energy efficiency best practive in housing. www.est.org.uk. [Online] guidance for installers and specifiers, 2004. www.est.org.uk/bestpractice. R.L, Hill. Power from wind; a history of wind mill Technology. Ragheb, M. theory of wind machines, betz equation. 2008. D, Philip. Global warming and renewable energy. UK : Warmick, 2004. wind electricity generation. www.windpower.dk. [Online] BIODATA PENULIS
6 Nama NRP Tanggal Lahir Alamat
: Surya Bagaskara : 4204 100 034 :Jakarta 18 februari 1987 : JL.Borobudur Blok IV no.20
Riwayat Pendidikan 1992-1998 : SDN Bumi Bekasi Baru I 1998-2001 : SLTPN 2 Bekasi 2001-2004 :SMUN 4 Bekasi 2004- sekarang :Teknik Sistem Perkapalan ITS
