Perencanaan Sistem Penyimpanan Energi dengan Menggunakan Battery pada Pembangkit Listrik Tenaga Arus Laut (PLTAL) di Desa Ketapang, Kabupaten Lombok Timur, NTB
Paul Togan 2205100061 Advisor I : Prof. Ir. Hadi Sutrisno
Advisor II : Prof. Dr. Ir. Mochamad Ashari, M.Eng.
Latar Belakang
Pembangkit Listrik Tenaga Arus Laut merupakan jawaban atas kebutuhan energi listrik yang berasal dari sumber daya alam terbarukan, murah dan relatif mudah untuk diaplikasikan.
Pembangkit ini tidak dapat beroperasi secara penuh dalam 24 jam, hanya beroperasi berdasarkan periode debit arus laut yang paling efektif untuk memutar turbin.
Diperlukan suatu sistem penyimpanan energi untuk menjamin kontinuitas pasokan energi listrik ke konsumen, meskipun pada saat generator sedang tidak beroperasi.
Batasan Masalah
Pembangkit Listrik Tenaga Arus Laut yang diteliti masih dalm bentuk prototype dan proses pembangunan nya masih berjalan hingga sekarang.
Daya output generator ditetapkan sebesar 70 kW dan tegangan sistem sebesar 220 Volt.
Semua data spesifikasi battery (accu) merupakan data yang diperoleh dari katalog yang terdapat pada website produk tersebut.
Tujuan
Mengetahui mengenai pemanfaatan energi arus laut sebagai sumber energi terbaharukan untuk pembangkit listrik, khusus nya di Indonesia.
Merencanakan jenis, spesifikasi, jumlah, dan jenis rangkaian dari battery yang akan digunakan sebagai sistem penyimpanan energi pada Pembangkit Lisrik Tenaga Arus Laut (PLTAL).
Pembangkit Tenaga Listrik Arus Laut Kobold Sistem PLTAL Kobold terdiri dari bagian-bagian utama, diantaranya: 1. 2. 3. 4. 5.
o
1. 2. 3. 4.
Turbin Kobold Generator Asinkron Rectifier Sistem penyimpanan energi (baterai) 5. Inverter
persyaratan pemilihan lokasi penempatan turbin Kobold adalah sebagai berikut: (a) Kecepatan arus laut minimal : 2 meter/detik (b) Kedalaman air laut : 15 – 25 meter (c) Tinggi gelombang laut : 1 – 1.5 meter (d) Jarak maksimum dari pantai : 1 kilo meter
Generator Asinkron Generator Asinkron (generator tak-serempak) sering digunakan untuk PLT angin dan PLT mikrohidro yang putaran nya berubah-ubah sesuai dengan kecepatan angin dan debit air. Generator ini dapat mengubah energi gerak menjadi energi listrik. Prinsip kerja generator adalah berdasarkan induksi elektromagnetik.
Rectifier
Rectifier adalah alat yang digunakan untuk mengubah sumber arus bolak-balik (AC) menjadi sinyal sumber arus searah (DC). Rectifier yang digunakan adalah rectifier 3 phasa berdaya 70 kW, dengan efisiensi kerja 90%.
Sistem Penyimpanan Energi (baterai) (1)
Karena keterbatasan ketersediaan akan energi arus laut (tidak sepanjang hari arus laut akan selalu tersedia) maka ketersediaan listrik pun tidak menentu, maka digunakan baterai sebagai sistem penyimpanan energi.
Baterai yang sering digunakan adalah baterai liquid nikel cadmium (NiCd).
Pemeliharaan baterai aki yang paling penting adalah:
• • • • •
Pemantauan besarnya tegangan listrik Berat jenis elektrolit Kebersihan ruangan storage Ventilasi ruangan storage Pengecekan ketinggian air accu
Sistem Penyimpanan Energi (baterai) (2)
Kapasitas baterai dinyatakan dalam Ampere hours, Ah = kuat arus (Ampere) x waktu (hour).
Artinya baterai dapat memberikan/menyuplai sejumlah arus (Ampere) secara rata-rata dalam jangka waktu tertentu, sebelum tiap selnya menyentuh tegangan/voltase turun (drop voltage) yaitu sebesar 1,75 V (tiap sel memiliki tegangan sebesar 2 V).
Misal, baterai 12 V 75 Ah. Secara sederhana berarti baterai ini mampu memberikan kuat arus sebesar 75 Ampere dalam satu jam, artinya memberikan daya rata-rata sebesar 900 Watt dan dapat menyuplai alat berdaya 900 Watt selama satu jam atau alat berdaya 90 Watt selama 10 jam (Watt = Voltase x Ampere = 12 V x 75 A).
Inverter Rectifier adalah alat yang digunakan untuk mengubah sumber arus searah (DC) menjadi sinyal sumber arus bolak-balik (AC) Inverter yang digunakan adalah inverter 3 Phasa berdaya 30 kW, dengan efisiensi kerja 90%.
Pengukuran Kapasitas Baterai (Battery Sizing) (1)
Satuan dan istilah yang jamak digunakan: Ampere (A) : Adalah satuan dari besarnya arus listrik yang harus dipasok oleh baterai menuju beban. Volt (V) : Adalah satuan dari tegangan, yaitu nilai perbedaan potensial dimana arus akan mengalir. Watt (W): Adalah besaran dari daya listrik yang diperoleh dengan cara mengalikan nilai Tegangan (Volt) dengan nilai Arus (Ampere).
Pengukuran Kapasitas Baterai (Battery Sizing) (2) Amperhour (Ah) : Adalah satuan dari besarnya arus (Ampere) yang dapat dipasok oleh baterai dalam waktu tertentu (Hour). Nilai Ah dari suatu baterai didapat dengan cara mengalikan nilai arus yang dapat dipasok dengan suatu besaran waktu. Satuan besaran waktu juga menunjukkan waktu atau durasi discharge dari baterai tersebut. Watthour (Wh) : Adalah satuan dari besarnya konsumsi energi listrik atau daya listrik yang dikonsumsi oleh beban dalam waktu tertentu (Hour). Nilai Wh dari suatu peralatan listrik didapat dengan cara mengalikan nilai besarnya daya listrik yang dikonsumsi dengan suatu besaran waktu.
Pengukuran Kapasitas Baterai (Battery Sizing) (3) Baterai dirangkai secara seri : Ketika beberapa baterai dirangkai secara seri, maka nilai tegangan total dari rangkaian baterai tersebut didapat dengan menjumlahkan tiap nilai tegangan dari masing-masing baterai. Nilai Ah dari rangkaian baterai yang dirangkai secara seri adalah tetap (sama dengan nilai Ah dari masing-masing baterai penyusun rangkaian). Cara merangkai nya adalah dengan menghubungkan terminal positif dari suatu baterai dengan terminal negatif baterai lain nya.
Pengukuran Kapasitas Baterai (Battery Sizing) (4) Baterai dirangkai secara pararel : Ketika beberapa baterai dirangkai secara pararel, maka nilai tegangan total rangkaian baterai tersebut adalah tetap (sama dengan nilai tegangan dari masing-masing baterai penyusun rangkaian). Nilai Ah total dari rangkaian baterai yang dirangkai secara pararel, didapat dengan menjumlahkan tiap nilai Ah dari masing-masing baterai. Cara merangkainya adalah dengan cara menghubungkan terminal positif dari suatu baterai dengan terminal positf baterai lain nya.
Pengukuran Kapasitas Baterai (Battery Sizing) (5)
Baterai dirangkai secara seri-pararel : Merupakan kombinasi dari rangkaian seri dan pararel. Pada jenis rangkaian ini, nilai tegangan dan Ah total didapat dengan menjumlahkan tiap nilai tegangan dan Ah yang terdapat pada masing-masing baterai yang terdapat pada rangkaian.
Pengukuran Kapasitas Baterai (Battery Sizing) (6) Langkah-langkah Pengukuran Kapasitas baterai : 1)
Menghitung nilai total kebutuhan daya (kW) dan kebutuhan energi (kWh) dari beban yang akan dipasok oleh baterai tersebut.
2)
Menentukan seberapa lama baterai akan digunakan untuk memasok beban (waktu charge dan discharge). Sebaiknya baterai tidak mengalami discharge melebihi 50% dari kapasitas total nya. Kapasitas AH yang tertulis pada suatu baterai, biasanya merupakan kapasitas baterai dengan waktu discharge selama 20 jam, secara sederhana berarti pada baterai berkapasitas 100 AH, akan memasok arus sebesar 5 A selama 20 jam.
Pengukuran Kapasitas Baterai (Battery Sizing) (7) 3)
Menentukan besarnya kapasitas Ah maksimum yang dapat digunakan berdasarkan waktu discharge nya. Kapasitas maksimum yang dapat digunakan dari suatu baterai dalam berbagai waktu discharge dapat dilihat pada tabel berikut ini: Kapasitas Baterai (%) 100 87 83 75 70 60 50 40
Durasi Discharge (jam) 20 10 8 6 5 3 2 1
Pengukuran Kapasitas Baterai (Battery Sizing) (8) 4) Menentukan Depth of Discharge dari baterai yang akan digunakan. Depth of Discharge (DOD) adalah suatu ketentuan yang membatasi tingkat kedalaman discharge maksimum yang dapat diberlakukan pada baterai. Pengaturan DOD berperan dalam menjaga usia pakai (life time) dari baterai tersebut. Semakin dalam DOD yang diberlakukan pada suatu baterai, maka semakin pendek pula usia pakai dari baterai tersebut. Depth of Discharge (DOD)
Usia Baterai dalam Cycle
10% 20% 30% 40% 50% 60% 70%
6200 5200 4400 3700 3000 2400 2000
Pengukuran Kapasitas Baterai (Battery Sizing) (9)
5)
Menentukan jumlah unit baterai yang akan digunakan berdasarkan analisis beban, frekuensi charge-discharge baterai, DOD, serta efisiensi dari sisi ekonomis.
Analisis Beban (1)
Pembangunan PLTAL Kobold di desa Ketapang Kecamatan Pringgabaya Kabupaten Lombok Timur, memanfaatkan potensi arus laut pada selat alas pantai Tanjung Menangis berjarak ± 4 km dai jalan raya Aikmel – Pelabuhan Kayangan. Secara geografis terletak pada koordinat 116039’28’’ Bujur Timur dan 8033’20’’ Lintang Selatan dengan ketinggian 1 ft dari permukaan laut. Dusun Ketapang desa Pringgabaya Kabupaten Lombok Timur saat ini belum mendapat pelayanan lostrik dari PT. PLN (Persero) Cabang Mataram.
Analisis Beban (2)
Jenis Beban: o
Dari hasil pendataan calon pelanggan yang sudah dilakukan terdapat 3 jenis beban yang akan mendapat suplai energi dari PLTAL Kobold, yaitu: 1. 2. 3. 4.
Rumah Penduduk, sebanyak 134 unit Masjid, sebanyak 1 unit Mushola, sebanyak 1 unit Puskesmas dan Posyandu, sebanyak 1 unit
Analisis Beban (3) Konsumsi Daya Beban Harian (load profile) Rumah Penduduk : Load Profile Rumah Penduduk
Kebutuhan Daya (Watt)
250 200 150 100 50 0 0
3
6
9
12
15
Waktu (Pukul)
18
21
24
Analisis Beban (4) Konsumsi Energi Beban Harian Rumah Penduduk : - 4 Buah Lampu CFL @ 15 Watt × 5 Jam (18.00 – 23.00)
= 300 Wh
- 1 Buah TV @ 150 Watt × 4 Jam (17.00 – 21.00)
= 600 Wh
- Perangkat listrik lain nya (radio, charger HP) 200 Watt× 3 Jam (13.00 – 16.00)
= 600 Wh
- TOTAL
= 1500 Wh
Analisis Beban (5) Konsumsi Daya Beban Harian (load profile) Masjid : Load Profile Mesjid
Kebutuhan Daya (Watt)
400 300 200 100 0 0
3
6
9
12
15
Waktu (Pukul)
18
21
24
Analisis Beban (6) Konsumsi Energi Beban Harian Masjid : - 3 Buah Lampu CFL @ 15 Watt × 6 Jam (18.00 – 24.00)
= 270 Wh
- 1 Buah Lampu Panjang 100 Watt × 6 Jam (18.00 – 24.00)
= 600 Wh
- 1 Buah kipas angin 150 Watt × 5 jam (11.00 – 16.00)
= 750 Wh
- Pengeras suara (microphone, speaker) 200 Watt × 2 Jam (04.00 – 05.00 dan 18.00 – 19.00)
= 400 Wh
- TOTAL
= 2020 Wh
Analisis Beban (7) Konsumsi Daya Beban Harian (load profile) Mushola : Load Profile Mushola
Kebutuhan Daya (Watt)
250 200 150 100 50 0 0
3
6
9
12
15
Waktu (Pukul)
18
21
24
Analisis Beban (8) Konsumsi Energi Beban Harian Mushola : - 2 Buah Lampu CFL @ 15 Watt × 5 Jam (18.00 – 23.00)
= 150 Wh
- 1 Buah kipas angin 150 Watt × 4 jam (11.00 – 15.00)
= 600 Wh
- Pengeras suara (microphone, speaker) 200 Watt × 2 Jam (04.00 – 05.00 dan 18.00 – 19.00)
= 400 Wh
- TOTAL
= 1150 Wh
Analisis Beban (9) Konsumsi Daya Beban Harian (load profile) Puskesmas dan Posyandu :
Kebutuhan Daya (Watt)
Load Profile Posyandu dan Puskesmas
300 250 200 150 100 50 0 0
3
6
9
12
15
Waktu (Pukul)
18
21
24
Analisis Beban (10) Konsumsi Energi Beban Harian Puskesmas dan Posyandu : - 4 Buah Lampu CFL @ 15 Watt × 5 Jam (18.00 – 23.00)
= 300 Wh
- 1 Buah kipas angin 150 Watt × 5 jam (11.00 – 16.00)
= 750 Wh
- Perangkat listrik lain nya (radio, alat kesehatan) 100 Watt × 3 Jam (10.00 – 13.00)
= 300 Wh
- TOTAL
= 1350 Wh
Analisis Beban (11) Konsumsi Daya Beban Harian (load profile) Keseluruhan :
Kebutuhan Daya (Watt)
Load Profile Keseluruhan 30000 28000 26000 24000 22000 20000 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
Waktu (Pukul)
18
20
22
24
Analisis Beban (12) -
Kebutuhan daya maksimum dalam sehari (didapat dari load profile): = 28.775 W = 28,775 kW
- Total konsumsi energi konsumen perumahan (134 rumah) : = 1500 Wh × 134 = 201.000 Wh = 201 KWh - Total konsumsi energi fasilitas umum ( Masjid, Mushola, Posyandu dan puskesmas) : = 2020 Wh + 1150 Wh + 1350 Wh = 4.520 Wh = 4,52 KWh
-
Dari perhitungan diatas, didapatkan bahwa total konsumsi energi harian seluruh konsumen di Desa Ketapang adalah: = 201.000 Wh + 4.520 Wh = 205.520 Wh = 205,52 KWh
Analisis Baterai (1) Kapasitas Baterai yang Diperlukan : Total kebutuhan daya konsumen selama 1 hari (24 jam) adalah sebesar 205,52 KWH (205.520 WH), dengan rating tegangan sistem 220 V. Untuk menghitung kapasitas (Ah) dari baterai, dilakukan perhitungan sebagai berikut: PAC = VRMS × IRMS × Power Factor Dan EAC = VRMS × IRMS × Power Factor × t
Analisis Baterai (2) Dengan: PAC = EAC = VRMS = IRMS = Power Factor = t =
Kebutuhan Daya Konsumen (Watt) Kebutuhan Energi Konsumen (Wh) Tengangan Sistem ( 220 V) Arus listrik yang disupplai (Ah) Faktor daya beban (0,9) Waktu (Jam)
Nilai Amper Hour (24 jam) = I
P V PF
205.520 220 0,9
= 1037,97 AH
Analisis Baterai (3) Perlu dihitung pula adanya nilai efisiensi kerja pada inverter sebesar 90%, sehingga kapasitas baterai yang disiapkan harus ditambah sebesar 10% dari nilai Ah yang telah didapat sebelum nya. Perhitungan nya sebagai berikut: Nilai Amper Hour Baterai = 1037,97+ (10% ×1037,97 ) = 1141,76 Ah Sesuai dengan ketentuan penggunaan deep cycle battery yang hanya di-discharge sedalam 50% dari kapasitas totalnya, maka nilai Ah yang didapat kita kalikan 2. Jadi kapasitas minimal yang harus dimiliki oleh baterai adalah sebesar 2283,53 Ah.
Jumlah Baterai yang Diperlukan (1) Baterry Model
GS PS-2860
Designed Floating Life
10 Years
Capacity (25ºC)
24HR( 119A ,5.85V)
Capacity (25ºC)
2860 AH
2380 AH
1980 AH
1438 AH
Length
Width
Height
Total Height
10HR( 238A ,5.80V)
5HR( 396A ,5.77V)
1HR( 1438A ,5.67V)
Dimensions 325mm
995mm
430mm
826mm
Approx. Weight Without electrolyte
219kg
Price
USD1480
Self Discharge
3% of capacity declined per month at (25ºC) 40ºC
Capacity Affected by Temp.(20HR)
Charge Voltage(25ºC)
25ºC
102%
100 %
GS PS-2860 memiliki rating tegangan 6V dan kapasitas sebesar 2860 Ah. Untuk mendapat tegangan yang sesuai dengan tegangan sistem (220 V), maka jumlah baterai yang harus dirangaki secara seri adalah: tegangan sistem = tegangan baterai
220 6
= 36,67 = 37 Baterai 0ºC
-15ºC
85%
65%
Cycle use
Float use
6.3V-6.5V(-5mV/ºC), max. Current: 600A
6.25V-6.45V(-3.3mV/ºC)
Jadi apabila kita menggunakan baterai bertegangan 6V, maka jumlah baterai yang harus kita rangkai secara seri adalah sebanyak 37 baterai.
Jumlah Baterai yang Diperlukan (2) Baterry Model
GS PS-2450
Designed Floating Life
12 Years
Capacity (25ºC)
24HR( 102.08A ,3.85V)
10HR( 167.2A ,3.80V)
Capacity (25ºC)
2450 AH
1672 AH
1222 AH
1100 AH
Length
Width
Height
Total Height
5HR( 244.4A ,3.76V)
1HR( 1100A ,3.58V)
Dimensions 308mm
800mm
450mm
Approx. Weight Without electrolyte
= 55 Baterai
3% of capacity declined per month at (25ºC) 40ºC
Charge Voltage(25ºC)
220 tegangan sistem = 4 tegangan baterai
USD1150
Self Discharge
Capacity Affected by Temp.(20HR)
814mm
160kg
Price
GS PS-2450 memiliki rating tegangan 4V dan kapasitas sebesar 2450 Ah. Untuk mendapat tegangan yang sesuai dengan tegangan sistem (220 V), maka jumlah baterai yang harus dirangkai secara seri adalah:
25ºC
102%
100 %
0ºC
-15ºC
85%
65%
Cycle use
Float use
4.3V-4.5V(-5mV/ºC), max. Current: 600A
4.25V-4.45V(-3.3mV/ºC)
Jadi apabila kita menggunakan baterai bertegangan 4V, maka jumlah baterai yang harus kita rangkai secara seri adalah sebanyak 55 baterai.
Jumlah Baterai yang Diperlukan (3) Baterry Model
GS EF-3000
Designed Floating Life
15 Years
Capacity (25ºC)
24HR( 150A ,1.85V)
Capacity (25ºC)
3600 AH
3000 AH
2520 AH
1488 AH
Length
Width
Height
Total Height
10HR( 300A ,1.80V)
5HR( 504A ,1.77V)
1HR( 1488A ,1.67V)
Dimensions 576mm (22.68nch) Approx. Weight Without electrolyte
220 tegangan sistem = 2 tegangan baterai = 110 Baterai
USD915
Self Discharge
3% of capacity declined per month at (25ºC) 40ºC
Charge Voltage(25ºC)
826mm (31.52inch)
179kg ( 35.7lbs )
Price
Capacity Affected by Temp.(20HR)
771mm (30.35inch)
212mm (8.53inch)
GS EF-3000 memiliki rating tegangan 2V dan kapasitas sebesar 3000 Ah. Untuk mendapat tegangan yang sesuai dengan tegangan sistem (220 V), maka jumlah baterai yang harus dirangkai secara seri adalah:
25ºC
102%
100 %
0ºC
-15ºC
85%
65%
Cycle use
Float use
2.3V-2.35V(-5mV/ºC), max. Current: 600A
2.25V-2.27V(-3.3mV/ºC)
Jadi apabila kita menggunakan baterai bertegangan 2V, maka jumlah baterai yang harus kita rangkai secara seri adalah sebanyak 110 baterai.
Penggantian dan Penambahan Air Accu Tipe Baterai GS PS-2860
GS PS-2450
GS EF-3000
Kapasitas Air Accu
65 Liter
57 Liter
61 Liter
Frekuensi Penggantian Air Accu
2 Tahun
2 Tahun
2 Tahun
Frekuensi Penambahan Air Accu
3 Bulan
4 Bulan
o
Frekuensi atau durasi penggantian air accu juga mempengaruhi faktor ekonomis dari pemilihan tipe accu yang akan digunakan.
o
GS PS-2860 memiliki keunggulan dibandingkan dengan jenis lain nya karena memiliki siklus penggunaan air accu yang paling panjang.
o
Air accu pada GS-2860 sebaiknya diganti ketika accu mencapai usia pakai sekitar 800 cycle atau sekitar 2 tahun apabila digunakan pada PLTAL Kobold ini. Sedangkan penambahan air accu dapat dilakukan kapan saja apabila level ketinggian air accu terlihat dibawah batas minimum nya.
3 Bulan
Volume Air Accu yang ditambahkan pada tiap unit nya
3 Liter
3 Liter
3 Liter
Biaya Penggantian dan Penambahan air accu (1 Tahun)
Rp 5.762.750
Rp 7.218.750
Rp 12.897.505
Kesimpulan (1)
Pembangunan PLTAL Kobold di desa Ketapang Kecamatan Pringgabaya Kabupaten Lombok Timur, memanfaatkan potensi arus laut pada selat atas pantai Tanjung Menangis. Daerah pelayanan listrik dalam pembangunan PLTAL Kobold direncanakan untuk melistriki rymah-rumah penduduk dan fasilitas umum di dusun Ketapang. Dusun Ketapang esa Pringgabaya Kabupaten Lombok Timur saat ini belum mendapat pelayanan daya listrik dai PT. PLN (Persero) Cabang Mataram.
Sistem PLTAL Kobold terdiri dari bagian-bagian utama, diantaranya: 1. Turbin Kobold 2. Generator Asinkron (Generator tak-serempak) 3. Rectifier 4. Sistem penyimpanan energi (baterai) 5. Inverter
Kesimpulan (2)
Dari hasil pendataan calon pelanggan yang sudah dilakukan terdapat 134 rumah dari 3 fasilitas umum (Masjid, mushola, posyandu dan puskesmas) sehingga total pelanggan ada 137 pelanggan.
Total kebutuhan daya seluruh konsumen di Desa Ketapang selama satu hari (24 jam) adalah sebesar 205,52 KWh. Kapasitas baterai yang diperlukan untuk mensuplai kebutuhan energi seluruh penduduk Desa Ketapang adalah sebesar 2283,545 Ah.
Berdasarkan analisis dan perhitungan, tipe baterai yang paling ekonomis adalah tipe GS PS-2860 (2860 Ah / 6V), karena GS PS2860 memilik index perbandingan harga dan usia pakai yang paling kecil diantara tipe-tipe baterai lain nya.
Jumlah baterai GS PS-2860 yang digunakan berjumlah 37 buah yang dirangkai secara seri. Biaya yang dibutuhkan untuk pembelian baterai adalah sebesar USD 54.760, dengan masa usia pakai 10 Tahun.
Terima Kasih
