ANALISIS KONSUMSI ENERGI PADA INDUSTRI AIR MINUM DI JAKARTA HERU PRASETYO, BUDIHARJO Mechanical Engineering, Engineering, University of Indonesia, Kampus UI Depok 16424 Indonesia, Depok, 16424, Indonesia E-mail :
[email protected]
Abstrak Ketersediaan energi saat ini menjadi isu stategis dalam pembangunan nasional. Sehubungan dengan ketersediaan energi di Indonesia, sejak beberapa tahun lalu Pemerintah Republik Indonesia telah mencanangkan beberapa program dan kebijakan mengenai konservasi energi. Energi yang paling banyak terpakai berada di sektor industri. Dalam penelitian ini batasan masalah yang diamati yaitu gambaran konsumsi energi listrik pada pompa distribusi perusahaan air minum X yang meliputi tren daya terhadap waktu pada pompa distribusi sehingga dapat diketahui penggunaan daya teoritis pada pompa dengan daya yang sebenarnya terpakai serta rekomndasi teknis agar tercapai penghematan penggunaan listrik pada sistem pompa. Dari hasil pengamatan pada 7 pompa didapatkan grafik daya teoritis (berdasarkan spesifikasi pompa) dan grafik daya aktual (berdasarkan pengamatan dari hari Senin, 10 Mei 2014 hingga Rabu, 14 Mei 2014 dengan sistem SCADA) dimana penggunaan daya pada kondisi aktual (setelah pemasangan VSD pada pompa 2, 3, dan 4) lebih rendah sebab terjadi modifikasi kecepatan putar dengan pengaturan frekuensi agar tercapai efisiensi. Dari perhitungan pada pompa 2 didapatkan bahwa setelah pemasangan VSD (Variable Speed Drive) didapatkan efisiensi daya sebesar 17-19%.
Energy Consumption Analysis on Water Treatment Industry in Jakarta
Abstract The availability of energy in this era has been the strategic issue for national development. As energy availability in Indonesia, since many years ago Indonesian government has applied many programs and policies about energy conservation. Energy, which most used, is in industry. In this thesis, the problem boundary which analyzed is electricity energy consumption in water treatment industrie’s pump which include power trend based on time on distribution pump so that is known the comparison of teoritical power consumption on pumps with actual used power and the recommendation in mechanical to gain efficiency of electricity on pump system. From observation on 7 pumps, there are teoritical power graphic (based on pump spsesification) and actual power graphic (based on observation on Monday, May 10th 2014 until Wednesday, May 14th 2014 with SCADA system) where the power consumption on actual condition (after VSD installment on pump 2, 3, and 4) lesser because rotational speed modification with frequency different occurs to gain efficiency. From calculation on pump 2, it can conclude that with VSD installment there is power efficiency between 17-19%.
Keywords: Energy consumption, water treatment industry, SCADA, VSD
Analisis konsumsi..., Heru Prasetyo, FT UI, 2014
Pendahuluan
Ketersediaan energi pada akhir-akhir ini telah menjadi isu strategis bagi pembangunan nasional. Pertumbuhan konsumsi energi merupakan hasil dari pertumbuhan jumlah penduduk, industrialisasi, perkembangan ekonomi, transportasi dan kenaikan konsumsi energi listrik yang membuat ketidakseimbangan antara permintaan dan ketersediaan energi. Selain itu, sumber energi utama seperti minyak bumi dan gas menurun sementara pemakaian energi alternatif tidak terlalu signifikan sehingga niat yang kuat dibutuhkan dalam penggunaan energi secara bijak dan efisien. Salah satu faktor yang butuh perhatian tentang penggunaan energi primer di Indonesia dikarenakan ketergantungan minyak. Berdasarkan data pada tahun 2010, diketahui bahwa penggunaan minyak bumi masih dominant sekitar 46,8% disusul gas 24,3% dan terakhir batubara 23,9%. Sehingga energi tak terbarukan masih sekitar 95%. Berdasarkan data pada tahun 2010 diketahui bahwa sektor industri mendominasi konsumsi energi nasional sekitar 475.828.415 SBM atau 44% kemudian sektro transportasi sebesar 389.638.586 SBM (36%). Tinjauan Teoritis Sistem Pengolahan Air Minum Gambar 1. Proses Pengolahan Air Minum
Proses Pengolahan Air :
Analisis konsumsi..., Heru Prasetyo, FT UI, 2014
1. Air Baku, merupakan air yang berasal dari sumber (belum dilakukan perawatan). Pada umumnya air baku yang telah sampai pada sistem pengolahan terlebih dahulu dimasukkan ke water intake. 2. Koagulasi Koagulasi merupakan suatu proses de-stabilisasi muatan listrik dari koloid sehingga memungkinkan untuk bergabung satu sama lain. Proses koagulasi ini dimasukkan ke dalam sebuah chamber, dimana pada proses ini terjadi proses percampuran antara air baku dengan bahan koagulan yaitu Alumunium Sulfat sebagai penyumbang ion positif. Kedua zat ini diaduk secara cepat agar terjadi percampuran secara merata sehingga terjadi konsentrasi yang sama. 3. Floculation Floculation merupakan proses percampuran berintensitas rendah yang digunakan untuk meningkatkan aglomerasi dari partikel kecil dan koloid untuk membentuk flocs yang dapat dipindahkan oleh proses separasi. Dalam kompartemen flokulasi, flok diusahakan untuk tidak mengendap atau flok menjadi pecah. 4. Sedimentation Sedimentation, merupakan suatu proses yang dilakukan untuk menghilangkan materi tersuspensi atau flok kimia yang cukup besar dengan berat jenis lebih dari 1 yang akan mengendap secara gravitasi di bak pengendapan atau dikenal dengan nama akselerator. Proses terbentuknya sedimentasi dimulai dari flok-flok yang cukup besar dan berat jenis lebih dari 1 secara perlahan turun karena adanya pengaruh gravitasi. Flok-flok yang berukuran halus akan terbawa aliran keluar, yang selanjutnya akan mengalami pemisahan melalui proses filtrai. Dalam bak sedimentasi, flok diusahakan tidak mengalami pemecahan dikarenakan gradian kecepatan yang tinggi. 5. Filtration Filtration, merupakan proses penyaringan yang berfungsi untuk memisahkan padatan tersuspensi dan flok-flok yang masih lolos dalam proses sedimentasi. Proses penyaringan ini menggunakan kerikil, pasir, dan bahan-bahan lainnya yang dapat digunakan berulangkali. 6. Reservoir Reservoir, merupakan tempat untuk menampung air hasil pengolahan sebelum didistribusikan ke konsumen dalam sistem distribusi. 7. Clean Water Distribution, merupakan air bersih yang akan didistribusikan ke pelanggan.
Analisis konsumsi..., Heru Prasetyo, FT UI, 2014
Sebagian besar air yang didistribusikan oleh perusahaan air minum yang penulis teliti (61%) berasal dari Waduk Jatiluhur dan diolah di 2 Instalasi Pengolahan Air (5.000 liter/detik). 4,5% lainnya datang dari Kali Krukut dan diolah di IPA Cilandak (365 liter/detik). Selebihnya sebesar 2.800 liter/detik dibeli oleh Perseroan dalam bentuk Air Curah Olahan dari PDAM Tangerang yang merupakan air olahan dari Sungai Cisadane. Sistem Pompa Sistem pompa terpakai sekitar 20% dari permintaan energi listrik di seluruh dunia dan berkisar dari 25-50% pemakaian energi di industri (US DOE, 2004). Pompa memiliki dua fungsi utama, yaitu : 1. Memindahkan cairan dari tempat satu ke tempat lainnya 2. Mensirkulasikan cairan pada sistem Komponen utama sistem pompa yaitu : 1. Pompa 2. Penggerak utama, motor listrik, mesin diesel atau sistem udara 3. Pemipaan, digunakan untuk membawa fluida 4. Katup, digunakan untuk mengendalikan aliran pada sistem 5. End-use equipment, yang memiliki persyaratan berbeda dan menentukan komponen sistem pompa dan konfigurasinya. Pompa sentrifugal termasuk dalam pompa dinamik yang paling umum digunakan untuk pemompaan air pada aplikasi industri. Pompa ini memiliki cara kerja sebagai berikut : •
Cairan dipaksa masuk ke dalam impeller baik dengan tekanan atmosfir atau dengan bantuan tekanan buatan.
•
Baling-baling impeller mengantarkan energi kinetik ke cairan yang menyebabkan cairan berputar yang kemudian meninggalkan impeller dengan kecepatan tinggi.
•
Impeller dikelilingi oleh volute casing yang mengkonversi energi kinetik menjadi energi tekanan. Gambar 2. Working Pronciple of Centrifugal Pump
Analisis konsumsi..., Heru Prasetyo, FT UI, 2014
Komponen utama pompa sentrifugal : §
Komponen berputar : impeller yang terhubung dengan poros
§
Komponen tetap
:
casing, casing cover dan bearing Gambar 3. Instalasi Pompa
Gambar 4. Kurva Kinerja Pompa
Metode Penelitian Hukum Afinitas Pompa D1 = D2 ; N1 ≠ N 2 ⇒
Q1 Q2 = N1 N 2
⇒
H1 H 2 = N12 N 22
⇒
P1 P = 23 3 N1 N 2
Analisis konsumsi..., Heru Prasetyo, FT UI, 2014
Pemasangan Pompa
Katup Katup merupakan peralatan mekanikal yang mengatur besarnya debit, menghentikan, membuka, mengubah arah, serta mencegah terjadinya aliran balik zat alir (cair maupun gas) yang mengalir di dalam pipa atau alat distribusi lainnya. Berikut berbagai macam katup : §
Gate Valve Gambar 5. Gate Valve
Gate valve merupakan katup yang paling banyak digunakan pada aplikasi shutoff karena desain dan operasi yang sederhana. Memiliki sedikit gangguan untuk mengalir, turbulensi rendah, dan perbedaan tekanan yang rendah. Gate Valve biasanya memiliki perbedaan tekanan yang rendah ketika terbuka penuh dan memiliki tutup yang tebal ketika tertutup. Gate valve disarankan terbuka secara perlahan untuk menghindari kejutan hidraulik pada jalur. Penutupan yang lambat membantu mengeluarkan sedimen dan kotoran yang terperangkap.
Analisis konsumsi..., Heru Prasetyo, FT UI, 2014
§
Globe Valve Gambar 6. Globe Valve
Globe valve secara normal digunakan untuk keperluan umum. Fitur spesifik Globe Valve tipe ini yaitu throttling yang efisien dengan minimum wire drawing. Namun tipe ini kurang direkomendasikan dimana hambatannya terhadap aliran dan perbedaan tekanan paling tinggi dibandingkan jenis katup lainnya.
§
Pinch Valve Gambar 7. Pinch Valve
Pinch Valve merupakan desain yang paling sederhana diantara katup lainnya dan relatif tidak mahal. Desain yang sederhana menghasilkan pressure drop yang rendah. Katup ini tidak memiliki tepi internal sehingga tidak dapat mengumpulkan sedimen atau sampah yang dapat menyebabkan katup terkorosi. Sampah seperti plastik, ranting, dan sebagainya dapat melewati katup. §
Ball Valve Gambar 8. Ball Valve
Analisis konsumsi..., Heru Prasetyo, FT UI, 2014
Ball valve berbentuk bola dengan lubang ditengahnya yang memiliki satu sumbu, menghubungkan inlet dan outlet. Ball valve memiliki desain sederhana, mudah dirawat, membutuhkan sedikit pelumasan, dan menyediakan penutupan yang tebal dengan torsi yang rendah. §
Butterfly Valve Gambar 9. Butterfly Valve
Butterfly valve memiliki konsep pipe damper dan memiliki komponen kontrol berupa piringan yang berdiameter sama dengan jalur pipa dan berputar secara horizontal dan vertikal. Ketika fluida mengalir katup terbuka dan ketika fluida berhenti mengalir maka katup tertutup. Butterfly valve pada ukuran besar memiliki berat, ruang, dan biaya inisiasi yang lebih menguntungkan dibandingkan katup gate, globe, dan ball. Biaya perawatan rendah karena jumlah komponen bergerak dan tidak adanya ruang untuk memerangkap fluida. Berikut perbandingan biaya beberapa katup berdasarkan ukuran: Gambar 10. Grafik Perbandingan Biaya dan Jenis Katup
Analisis konsumsi..., Heru Prasetyo, FT UI, 2014
Variable Speed Drive VSD dihubungkan dengan motor induksi yang berada pada pompa berputar dengan kecepatan tetap, ditentukan oleh frekuensi yang disuplai oleh tegangan suplai. Arus yang diaplikasikan ke stator memproduksi medan magnet yang memutar kecepatan sinkron. Kecepatan dapat dihitung dengan membagi alur frekuensi dengan jumlah kutub magnetik. VSD mengkonversi frekuensi tetap ke frekuensi variabel yang memungkinkan kecepatan motor dapat diubah. Berikut berbagai persamaan yang digunakan dalam VSD :
!" =
120!" !
!=
!"# 9549
Keterangan : §
Ns : putaran (rpm)
§
f
§
p : jumlah kutub
: frekuensi (Hz)
Keterangan : § Daya poros : putaran (kW) § T : torsi (Nm) § N : putaran (rpm)
!=
!"#"$%"1,73 1000
Keterangan : §
P
: daya listrik
(kW)
§
V
: tegangan
(Volt)
§
I
: arus
(Amp)
§
pf
: faktor daya (0,8)
Analisis konsumsi..., Heru Prasetyo, FT UI, 2014
Berikut rangkaian yang terdapat pada Variable Speed Drive : Gambar 11. Variable Speed Drive
Keterangan : penyearah/rectifier
transistor, yang memiliki dua fungsi yaitu : §
transistor sebagai switch, dikategorikan menjadi dua kondisi : FULLY ON dan OFF, pada kondisi FULLY ON, tegangan transistor hampir nol, dan transistor dikatakan dalam keadaan saturated karena tidak dapat mengalirkan arus collector Ic lagi. Peralatan yang di-switch oleh transistor biasa disebut load.
§
transistor sebagai inverter, dimana sinyal output merupakan kebalikan dari sinyal input. Ketika input-nya tinggi maka output-nya rendah dan sebaliknya jika inputnya rendah maka output-nya tinggi. Dalam rangkaian VSD yang diteliti, fungsi transistor sebagai inverter. Gambar dibawah merupakan cara pemasangan VSD yang benar dan yang salah :
Analisis konsumsi..., Heru Prasetyo, FT UI, 2014
Gambar 12. Cara pemasangan VSD yang benar dan yang salah
Berikut ini merupakan tipe-tipe dari VFD : 1. Pengendali Mekanikal yang meliputi Adjustable sheave belt drive, Clutch, Traction drive 2. Pengendali Elektrikal yang meliputi Eddy, DC, Solid state Vac, Multispeed motors 3. Pengendali Fluida Uninterruptible Power Supply Uninterruptible Power Supply (UPS) merupakan suatu alat yang menyediakan listrik cadangan ketika sumber daya input gagal. Prinsip kerja UPS berupa perlindungan dan backup baterai. Gambar 13. UPS dalam kondisi ON
Gambar 14. UPS dalam kondisi CHARGING
Analisis konsumsi..., Heru Prasetyo, FT UI, 2014
Peralatan yang diproteksi dikoneksikan dengan daya utilitas. Ketika tegangan masuk jatuh maka UPS secara mekanikal mengganti peralatan terkoneksi ke inverter output DC-AC. Metode Penelitian
mengambil data tren daya vs waktu selama 5 hari Awal Juni 2014
melakukan studi peralatan dan cara kerja peralatan produksi (pompa dan valve) Awal Juni 2014
mengurus perizinan dan perjanjian dengan perusahaan Maret-April 2014
mengambil data pompa distribusi Awal Juni 2014
melakukan analisa data dan menyusun laporan Pertengahan Juni 2014
mengikuti training untuk studi lapangan dan manajemen Awal Mei 2014
mengambil data process flow diagram Akhir Mei 2014
melengkapi laporan Akhir Juni 2014
berdiskusi dengan divisi monitoring control dan production Pertengahan Mei 2014
melakukan capturing kondisi lapangan dan peralatan yang ada Pertengahan Mei 2014
SELESAI
MULAI
Hasil Penelitian Setelah dilakukan pengukuran daya aktual (setelah pemasangan VSD pada pompa 2,3, dan 4) dengan perhitungan daya teoritis (sebelum pemasangan VSD) diketahui bahwa nilai daya aktual pada grafik lebih rendah dikarenakan pengaruh penurunan kecepatan putar. Berikut data-data yang telah didapatkan :
Analisis konsumsi..., Heru Prasetyo, FT UI, 2014
Gambar 15. Grafik perbandingan daya aktual dan teoritis(kW) vs Waktu (jam) pada Sabtu, 10 Mei 2014 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
daya teori*s
daya aktual
Jumlah Presentase penurunan daya : 0,089% Gambar 16. Grafik perbandingan daya aktual dan teoritis (kW) vs Waktu (jam) pada Minggu, 11 Mei 2014 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
daya teori*s
daya aktual
Jumlah Presentase penurunan daya : 0,098 %
Analisis konsumsi..., Heru Prasetyo, FT UI, 2014
Gambar 17. Grafik perbandingan daya aktual dan teoritis (kW) vs Waktu (jam) pada Senin, 12 Mei 2014 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
daya teori*s
daya aktual
Jumlah Presentase penurunan daya : 1,7 %. Gambar 18. Grafik perbandingan daya aktual dan teoritis (kW) vs Waktu (jam) pada Selasa, 13 Mei 2014 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
daya teori*s
daya aktual
Jumlah Presentase penurunan daya : 0,185 %
Analisis konsumsi..., Heru Prasetyo, FT UI, 2014
Gambar 19. Grafik perbandingan daya aktual dan teoritis (kW) vs Waktu (jam) pada Rabu, 14 Mei 2014 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
daya teori*s
daya aktual
Jumlah Presentase penurunan daya : 16,59 % Pembahasan Berikut analisa dari hasil pengukuran dan perhitungan: v Terjadi penurunan daya dari jam 19.00 hingga jam 22.00 yang sengaja dikondisikan agar pemakaian daya pompa sesuai dengan kebutuhan air yang tidak begitu besar pada jam-jam tersebut. v Terjadi penaikan daya dari jam 04.00 hingga jam 07.00 yang dikondisikan agar sesuai dengan kebutuhan air yang besar pada jam 07.00 hingga jam 19.00. v Pengaturan frekuensi pada VSD menyebabkan penurunan putaran sesuai kebutuhan (yang pada akhirnya berujung pada efisiensi). v Terjadi grafik daya aktual yang lebih bervariasi dibandingkan daya teoritis yang cenderung mengalami penurunan daya disebabkan pengaturan putaran motor yang intensif dengan VSD. v Berikut analisa biaya dan konsumsi energi : Perhitungan Konsumsi Energi Listrik terukur pada pompa yang belum dipasang VSD dapat dilihat sebagai berikut : v Biaya listrik di luar waktu beban puncak : Rp 1.059,- per kWh v Biaya listrik di waktu beban puncak : Rp 1.482,- per kWh Pemakaian listrik :
Analisis konsumsi..., Heru Prasetyo, FT UI, 2014
v Rata-rata perhari di luar waktu beban puncak (23.00-17.00) : 688 kWh v Rata-rata perhari di waktu beban puncak
(18.00-22.00) : 678 kWh
Biaya listrik selama 1 tahun : Rp 17.674.209,- /hari x 30 hari x 12 : Rp 6.362.715.240,- Perhitungan Konsumsi Energi Listrik terukur pada pompa yang telah dipasang VSD dapat dilihat sebagai berikut : v Biaya listrik di luar waktu beban puncak : Rp 1.059,- per kWh v Biaya listrik di waktu beban puncak : Rp 1.482,- per kWh Pemakaian listrik : v Rata-rata perhari di luar waktu beban puncak (23.00-17.00) : 704 kWh v Rata-rata perhari di waktu beban puncak
(18.00-22.00) : 668 kWh
Biaya listrik selama 1 tahun : Rp 17.153.029,- /hari x 30 hari x 12 : Rp 6.175.090.440,Penghematan yang terjadi selama 1 tahun sebesar : Rp 187.624.800,Harga 3 buah VSD tegangan 380V, 3 fase dan frekuensi 50 Hz adalah Rp883.570.140,sehingga payback period didapat setelah 5,4 tahun. Kapasitas kebutuhan air bersih penduduk Senayan dan Kebayoran sebesar 42.578.050 liter/hari sedangkan kapasitas air total yang di-supply per hari sebesar 61.920.000 liter/hari (800 liter/detik x (3.600 x 24) detik/hari) sehingga dapat disimpulkan bahwa kapasitas air yang di-supply memenuhi kebutuhan pelanggan setiap harinya. Benefit Cost Ratio Merupakan perbandingan revenue (pendapatan + nilai jual alat) dengan biaya investasi (nilai beli alat). Dalam penelitian ini, revenue adalah penghematan ditambah harga jual VSD dan biaya investasi adalah harga beli VSD. Dengan pertimbangan penurunan harga VSD sebesar 10% selama 5 tahun maka perhitungan sebagai berikut : !"# =
!"#"$%" Rp187.624.800, − + Rp795.213.126, − = = 1,11 !"#$%&'$"& Rp883.570.140, −
Nilai BCR yang didapat lebih dari 1 sehingga dapat disimpulkan bahwa pembelian VSD layak untuk dilakukan.
Analisis konsumsi..., Heru Prasetyo, FT UI, 2014
Gambar 20. Perbandingan sebelum dan sesudah pemasangan VSD dengan sampel pompa 2 pada Selasa, 13 Mei 2014
Parameter
Before
After
Efficiency
kWh
842,8
692,2
17%
WBP
1,19
1
16%
LWBP
8,9
7,3
18%
Kesimpulan dan Saran v Dibutuhkan pemasangan UPS (Uninterruptible Power Supply) untuk mengatasi putus sambungan listrik. v Dibutuhkan pemeriksaan pressure gauge pada sensor. v Pemasangan VSD pada pompa 2,3 dan 4 memberikan efisiensi yang cukup baik dalam parameter biaya (Luar Waktu Beban Puncak dan Waktu Beban Puncak), kWh (antara 16% hingga 18%). Kepustakaan 1. Church, Austin. Centrifugal Pumps and Blowers. Krieger Publishing Company. New York. 1972. 2. Data Peralatan dan Operasional Harian Divisi Produksi Perusahaan Air Minum X. 3. Data pengukuran Divisi Control-Monitoring Perusahaan Air Minum X 4. Energy Efficiency Guide for Industry in Asia. www.energyefficiencyasia.org. UNEP 2006. 5. Laporan Tahunan Perusahaan Air Minum X tahun 2011. 6. Slide Dasar Kelistrikan Pusat Penelitian Sains dan Teknologi Universitas Indonesia. 7. Ulanski, Wayne. Valve&Actuator Technology. McGraw-Hill,inc. Bogota. 1991. 8. http://id.wikipedia.org/wiki/SCADA diakses pada 6 Juni 2014. 9. http://energymanagertraining.com/Journal/VariableFrequencyDrives.pdf pada 6 Juni 2014
Analisis konsumsi..., Heru Prasetyo, FT UI, 2014
diakses