Seminar Nasional Sains dan Teknik2012 (SAINSTEK 2012) Kupang, 13Nopember2012
PEMANFAATAN MULTI ENERGI TERBARUKAN SEBAGAI PEMBANGKIT LISTRIK SKALA RUMAH TANGGA DI KOTA MAKASSAR Victus Kolo Koten2, Syahir Mahmud3 2,3
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Atma Jaya. Jalan Tanjung Alang, No 23, Makassar 90244. Email:
[email protected] dan Email:
[email protected]
ABSTRAK Masyarakat Indonesia pada umumnya dan Makassar pada khususnya, tinggal di daerah yang memiliki energi terbarukan melimpah, namun hidup dalam kekurangan energi listrik. Penelitian ini bertujuan untuk menentukan besarnya energi yang dihasilkan oleh berbagai energi terbarukan, seperti energi matahari, air, dan angin, yang dapat dimanfaatkan sebagai pembangkit energi listrik skala rumah tangga. Pengambilan data lama penyinaran, curah hujan, dan kecepatan angin, dilakukan dengan beberapa alat ukur seperti sun shine recorder, penakar hujan biasa, dan anemometer di Paotere, Makassar. Data ini kemudian diproses berdasarkan kajian pustaka dan hasil penelitian terdahulu. Hasil penelitian yang diperoleh, energi total yang dapat dihasilkan pada suatu rumah tinggal adalah sebesar 3.293,255 J/s, yang terdiri dari 3.278,75 J/s berasal dari energi matahari (99,559%), 0,496 J/s dari air (0,015%), dan 14,00868 J/s dari angin (0,425%). Jika 30% dari 3.293,255 J/s, dikonversi menjadi energi listrik dengan asumsi bahwa 70% lainnya digunakan untuk mengatasi semua kehilangan pada sistem pembangkit, rangkaian listrik, dan peralatan lainnya, maka energi listrik yang dapat dihasilkan dari suatu rumah tinggal adalah 987,976 J/s, atau 987,976 Watt. Dengan ketersediaan daya listrik sebesar 987,976 Watt pada suatu rumah tinggal type 45 di Kota Makassar, maka dapat disimpulkan bahwa seluruh kebutuhan energi listrik pada rumah tersebut dapat dipenuhi melalui teknologi ini. Pada bulan Mei sampai September, energi listrik ini akan berkurang sebesar 0,015 % karena sumber energi air memiliki kontribusi yang sangat minim. Hasil penelitian ini dapat dijadikan sebagai kajian awal untuk perencanaan “rumah cerdas energi” di kota Makassar. Kata kunci: Multi Energi Terbarukan, Daya Listrik, Rumah Cerdas Energi Masa Depan 1.
PENDAHULUAN
Kota Makassar sangat dekat dengan garis khatulistiwa yang menyebabkan kota ini memiliki keteraturan waktu siang dan malam. Selain itu, daerah ini memiliki dua musim yang datang secara teratur, yakni musim hujan terjadi pada OktoberApril dan musim kemarau pada April-Oktober. Dengan kondisi ini, Makassar dapat memiliki keteraturan dalam pemanfaatan berbagai energi terbarukan seperti energi matahari, air, dan angin. Energi matahari, energi air, dan energi angin merupakan sumber energi yang tidak menimbulkan polusi dan sangat murah karena memiliki biaya operasional yang relatif kecil. Akhir-akhir ini perubahan iklim semakin tidak beraturan, khususunya ketidakteraturan pada periode musim hujan dan musim kemarau. Ketidakteraturan ini menimbulkan masalah baru pada teknik pemanfaatan energi listrik yang hanya dibangkitkan oleh satu sumber energi terbarukan saja. Dengan demikian, pemanfaatan sumber pembangkit listrik secara parsial menjadi tidak efektif dan dapat menyebabkan kekurangan pasokan energi. Kondisi energi listrik di Indonesia pada umumnya dan Makassar pada khususnya sangat
memprihatinkan pada beberapa tahun terakhir. Masih banyak warga negara yang berada di daerah energi terbarukan melimpah, hidup dalam kegelapan akibat tidak tersentuh oleh energi listrik. Hal ini disebabkan oleh selain faktor teknis, tidak tersedianya biaya untuk investasi awal, dan berbagai hal lainnya, faktor penguasaan dan pengembangan IPTEK untuk kehidupan juga turut mempertajam masalah ini. Telah banyak penelitian yang dilakuan terhadap pemanfaatan berbagai sumber energi terbarukan sebagai pembangkit listrik. Sampai saat ini, pemanfaatan akan hasil-hasil penelitian tersebut masih dilakukan secara parsial, diaplikasikan pada skala yang besar, dan sistem pelayanan yang masih terpusat. Dengan demikian dibutuhkan penelitian, pengembangan, dan aplikasi dari teknologi pemanfaatan multi sumber energi terbarukan sebagai pembangkit listrik untuk memenuhi kebutuhan energi listrik pada suatu rumah tinggal. Teknologi ini diharapkan dapat mengurangi faktor ketergantungan manusia pada sumber energi yang tak terbarukan dan dimanfaatakan secara swadaya oleh tiap keluarga. Tujuan penelitian ini adalah: (1) menentukan konstruksi teoritik penghasil energi listrik dari suatu T-47
Seminar Nasional Sains dan Teknik2012 (SAINSTEK 2012) Kupang, 13Nopember2012
rumah tinggal; (2) menentukan besarnya energi matahari yang dapat dihasilkan pada suatu rumah tinggal; (3) menentukan besarnya energi air yang dapat dihasilkan pada suatu rumah tinggal; (4) menentukan besarnya energi angin yang dapat dihasilkan pada suatu rumah tinggal; (5) menentukan besarnya energi listrik yang dapat dihasilkan dari suatu rumah tinggal. 2.
METODE PENELITIAN Penelitian ini dilakukan di Paotere, Makassar (119o, 25`, dan 114`` BT dan 5o, 6`, dan 495`` LS), dari tanggal 01 Januari 2006 sampai 31 Desember 2010 (lima tahun berturut-turut). Penelitian ini dilakukan bekerja sama dengan badan Meteorologi Geofisika Kota Makassar. Metode penentuan besarnya energi listrik dari multi sumber energi terbarukan, dilakukan sebagai berikut: Konstruksi Teoritik Penghasil Energi Energi Listrik Bentuk konstruksi teoritik yang digunakan dalam penelitian ini didasarkan pada type perumahan standar dengan jumlah penghuni berdasarkan saran pemerintah (4 orang). Energi Matahari Metode penentuan energi matahari yang dapat dibangkitkan pada suatu rumah tinggal adalah: (1) menentukan luas panel surya yang dapat dipasang pada rumah tinggal; (2) mengukur lama penyinaran matahari menggunakan alat ukur sun sine recorder selama lima tahun terakhir; (3) menentukan radiasi matahari rata-rata yang terjadi pada tiap meter persegi; (4) menentukan besarnya energi yang dapat dihasilkan oleh matahari pada panel surya setiap bulan.
penampang sudu kincir yang dilalui angin; (4) mengukur kecepatan angin dengan alat anemometer; (5) menentukan energi yang dihasilkan oleh angin. Energi Listrik Metode penentuan energi listrik yang dapat dibangkitkan pada suatu rumah tinggal adalah: (1) menjumlahkan semua energi yang dapat dihasilkan dari sumber energi matahari, air, dan angin; (2) menentukan faktor kehilangan yang terjadi pada sistem (3); menentukan besarnya energi listrik yang dapat dihasilkan pada suatu rumah tinggal. 3. 3.1
Hasil Penelitian
Data Hasil Penelitian Data hasil penelitian ini, diperlihatkan pada Tabel 1, Tabel 2, dan Tabel 3. Secara berturut-turut data hasil penelitian ini mencakup lama penyinaran, curah hujan, dan kecepatan angin rata-rata. Prototype Teoritik Dan Prinsip Kerja Konstruksi teoritik penghasil energi listrik dari multi energi terbarukan, diperlihatkan pada Gambar 1. Prinsip kerja konstruksi teoritik pembangkit listrik skala rumah tangga ini sebagai berikut: energi yang tidak teratur dari air dan angin dikonversi menjadi energi mekanik pada turbin air dan kincir angin. Energi mekanik ini dikonversi lagi menjadi energi listrik pada generator dc yang terpasang pada turbin air dan kincir angin. Pada energi matahari, energi matahari dikonversi langsung menjadi energi listrik pada panel surya. Semua energi listrik ini kemudian disimpan pada baterai untuk mengatur pemanfaatannya pada rumah tinggal. Pengkonversi energi angin
Energi Air Energi air yang dapat dihasilkan dari suatu rumah tinggal terdiri dari energi yang berasal dari air hujan dan dari sumber lain yang memenuhi standar kesehatan. Metode penentuan daya berdasarkan kedua sumber air ini adalah sama. Teknik penentuan energi air yang dapat dibangkitkan pada suatu rumah tinggal adalah: (1) mengukur curah hujan rata-rata tahunan selama 5 tahun terakhir dengan alat penakar hujan biasa dan debit untuk kebutuhan tiap orang perhari; (2) menentukan volume air yang dapat ditampung dan dialirkan untuk menghasilkan daya; (3) menentukan kecepatan dan energi air yang dapat dihasilkan oleh air yang bersumber dari curah hujan dan dari sumber lain. Energi Angin Metode penentuan energi angin yang dapat dibangkitkan pada suatu rumah tinggal adalah: (1) mengukur kecepatan angin rata-rata yang terjadi dalam lima tahun terakhir; (2) menentukan ketinggian menara kincir; (3) menentukan luas
HASIL DAN DISKUSI
Pengkonversi energi matahari menjadi listrik
12 m
Energi listrik Rumah tinggal
3 m
Pengkonversi energi air
Bak air
2
3
1
4
Baterai pengumpul arus listrik
Gambar 1 Konstruksi Teoritik Pembangkit Listrik dari Multi Energi Terbarukan
Berdasarkan data-data di atas, maka dapat ditentukan nilai rata-rata. Lama penyinaran rata-rata sebesar 72,861% dari 12 jam waktu sinar matahari, curah hujan rata-rata 359,355 mm atau 25,87356 T-48
Seminar Nasional Sains dan Teknik2012 (SAINSTEK 2012) Kupang, 13Nopember2012
m3/bulan, dan kecepatan angin rata-rata sebesar 4,75 knot atau 2,44367 m/s. Dengan demikian energi yang dapat dihasilkan dari setiap energi terbarukan, ditentukan sebagai berikut: Energi Matahari Energi matahari yang diperoleh merupakan fungsi dari energi yang diserap oleh panel surya setiap meter persegi sebesar 0,1 kW/m2, dengan lama penyinaran rata-rata yang terjadi di kota Makassar sebesar 72%. Luas panel surya yang digunakan pada penelitian ini sebesar 45 m2, sesuai dengan type yang menjadi objek penelitian, energi matahari yang dapat dihasilkan pada suatu rumah tinggal sebesar 3.278,75 J/s Tabel 1 Lama Penyinaran Bln
Jan
Feb
Mar
Apr
Mei
Jni
42 47 49 30 24
37 30 37 54
55 47 60 69 66
63 69 73 74 62
76 76 82 58
61 56 71 86 55
Thn
2006 2007 2008 2009 2010
Tabel 1 Lama Penyinaran (Lanjutan) Bln
Jul
Agu
Sep
Okt
Nop
Des
82 73 67
98 86 26 98 67
97 92 84 92 70
98 81 83 69
89 66 58 67 73
65 35 32 56 30
Thn
2006 2007 2008 2009 2010
Tabel 2 Curah Hujan Bln
Jan
Feb
Mar
Apr
Mei
589 694 662 955 873
645 486 881 740 429
351 283 315 197 279
265 197 77 72 230
25 36 61 122 144
Jni
Thn
2006 2007 2008 2009 2010
136 130 35 36 124
Tabel 2 Curah Hujan (Lanjutan) Bln
Jul
Agus
Sep
Okt
Nop
Des
1 4 58 41 100
0 3 4 0 57
0 6 0 231
16 74 16 223
17 215 409 119 238
445 865 764 474 760
Thn
2006 2007 2008 2009 2010
Tabel 3 Kecepatan Angin Rata-Rata Bln
Jan
Feb
Mar
Apr
Mei
5 6 7 7 4
5 6 5 5 4
3 5 4 5 4
2 5 4 5 3
Jni
Thn
2006 2007 2008 2009 2010
6 6 5 7 6
2 4 4 5 3
Tabel 3 Kecepatan Angin Rata-Rata (Lanjutan) Bln
Jul
Agu
Sep
Okt
4 6 5 5 4
5 5 6 5 4
Nop
Des
5 5 5 5 4
3 6 6 5 4
Thn
2006 2007 2008 2009 2010
4 5 5 5 3
5 5 5 5 4
Energi Air Energi air diperoleh dari debit air hujan rata-rata dan kebutuhan air keluarga setiap orang dari sumber lain sebulan. Curah hujan yang diambil dalam perhitungan ini dari Januari sampai Desember kecuali pada bulan Mei, Juni, Juli, Agustus, dan September. Dari hasil perhitungan, diperoleh bahwa energi air yang dapat dihasilkan dari satu rumah tinggal dengan jumah penghuni 4 orang adalah sebesar 0,496048 J/s. Energi Angin Energi angin dihitung berdasarkan jenis turbin yang digunakan, laju aliran masa udara, dan kecepatan angin rata-rata setiap bulan sepanjang tahun. Jenis turbin yang diasumsikan dalam penelitian ini adalah turbin angin type Darius dengan ukuran bilah 2m x 0,1m. Jumlah bilah turbin sebanyak 2 bilah. Energi angin yang dapat dihasilkan pada suatu rumah tinggal adalah sebesar 14,00868 J/s. Energi Listrik Energi total yang dapat dihasilkan oleh suatu rumah tinggal dari berbagai energi terbarukan sebesar 3.293,255 J/s. Energi listrik yang dapat dihasilkan, diperoleh berdasarkan efisiensi yang sering dijumpai pada peralatan dan rangkaian listrik, saluran pipa, turbin, nossel, kincir, dan pada instalasi lainnya. Efisiensi yang sering digunakan dalam perhitungan biasanya sebesar 30% – 50 %. Dalam penelitian ini efisiensi peralatan pada semua sistem pembangkit listrik dipilih sebesar 30% atau 70% dari daya digunakan untuk mengatasi semua kehilangan yang terjadi. Sehingga daya daya yang dapat dikonversi menjadi energi listrik sebesar 987.9764 J/s. 3.2
DISKUSI Data yang digunakan untuk proses perhitungan pada penelitian ini, diambil dari data rata-rata setiap bulan. Dengan demikian hasil penelitian ini belum mempertimbangkan faktor konsrtruksi, yang biasanya di desain berdasarkan beban maksimum yang dapat diterima oleh sistem. Energi air pada bulan Mei sampai September tidak dapat dimanfaatkan karena pada bulan-bulan ini persediaan air sangat minim yakni 54 mm/bulan. Dengan demikian energi yang digunakan untuk T-49
Seminar Nasional Sains dan Teknik2012 (SAINSTEK 2012) Kupang, 13Nopember2012
menghasilakn energi listrik pada periode ini adalah energi matahari dan angin. Luasan atap yang digunakan untuk perhitungan energi matahari, diambil berdasarkan luas efektif rumah type 45 sebesar 45 m2. Sudut sinar datang radiasi langsung dan posisi panel surya, diasumsukan berada pada kondisi efektif. Dengan demikian besarnya energi yang dihasilkan matahari dalam penelitian ini, hanya merupakan fungsi dari lama penyinaran rata-rata dan radiasi rata-rata pada tiap meter persegi. Besarnya nilai radiasi ini diperoleh dari berbagai hasil penelitian. Luas tutupan yang digunakan untuk menampung air hujan, diasumsikan sama dengan luas halaman rumah minimal yang dimiliki oleh rumah type 45 atau sebesar 72 m2. Dalam kondisi seperti ini, semua air hujan yang jatuh pada rumah tinggal, diarahkan dan ditampung pada suatu bak penampung dengan ketinggian elevasi sebesar 3 m dari permukaan tanah. Elevasi 3 meter ini digunakan sebagai patokan perhitungan energi yang dihasilkan oleh air pada suatu rumah tinggal. Pada tabel data, terdapat beberapa data yang nilainya nol dan ada yang tidak ada. Data nol diperoleh karena pada saat tersebut sumber data input berada pada kondisi minimal. Data yang tidak ada atau yang bertanda ”-” pada tabel, terjadi karena alat ukur mengalami kerusakan atau gangguan. Walapun demikian, dalam perhitungan data ini tidak dimasukkan dalam perhitungan nilai rata-rata baik itu pada nilai pembilang maupun pada penyebutnya. Energi air yang digunakan dalam perhitungan ini terdiri dari dua sumber, yakni dari curah hujan dan yang berasal dari sumber lain yang layak kosumsi. Meskipun dalam perhitungan, sumber air dari curah hujan yang ditampung jauh lebih besar dari pada kebutuhan air standar, air hujan tidak dapat digunakan untuk kosumsi manusia karena belum memenuhi syarat kesehatan. Air hujan tidak mengandung mineral. Jumlah orang dalam suatu rumah tinggal type 45 yang diasumsi dalam perhitungan ini berdasarkan jumlah anggota keluarga yang mengikuti program KB. Dengan demikian kebutuhan debit air yang digunakan untuk perhitungan daya air didasarkan pada kebutuhan keluarga ini setiap detiknya. Hasil penelitian menunjukan bahwa total energi yang diperoleh pada suatu rumah tinggal sebesar 3.293,255 J/s, yang berasal dari energi matahari sebesar 3.278,75 J/s atau 99,559 %, diikuti energi angin sebesar 14,00868 J/s atau 0,425 %, dan energi air sebesar 0,496048 J/s atau 0,015 %. Meskipun demikian, energi air dan matahari merupakan dua energi yang cenderung saling melengkapi satu sama lainnya. Saat terjadi hujan maka energi matahari yang dihasilkan sangat minim begitupun sebaliknya. Dengan demikian kombinasi pemanfaatan kedua jenis energi ini merupakan suatu hal yang saling melengkapi. Energi angin merupakan satu-satunya energi yang secara kontinu menyediakan energi rata-
rata setiap bulan sepanjang tahun. Meskipun energi matahari lebih banyak menyediakan kebutuhan energi dari pada energi yang dihasilkan oleh air dan angin, energi yang dihasilkan air dan angin tetap dibutuhkan karena untuk mensuplai energi listrik saat terjadi kerusakan atau gangguan pada sistem pembangkit listrik tenaga matahari. Energi matahari, air, dan angin yang dapat dihasilkan dari suatu rumah tinggal ini masih dapat ditingkatkan. Energi matahari dapat ditingkatkan dengan cara menambah luas atap yang harus ditutupi panel surya. Energi air dapat ditingkatkan dengan cara menaikkan tinggi bak atau elevasi. Energi angin ditambah dengan cara menambah jumlah sudu maupun kincir angin atau menaikkan tinggi menara kincir. Peningkatan sumber energi ini dapat disesuaikan dengan kebutuhan energi dalam rumah tinggal tersebut. Energi listrik yang dapat dikonversi dari total energi yang dihasilkan oleh multi sumber energi terbarukan tersebut sebesar 987,9764 J/s. Energi 987,9764 J/s ini merupakan besaran energi listrik yang dianggap cukup untuk memenuhi kebutuhan energi listrik pada suatu rumah tinggal type 45 karena kebutuhan energi listrik standar keluarga saat ini hanya 900 J/s. Dalam perkiraan awal, besarnya energi ini masih sangat mahal untuk dipasarkan saat ini, tetapi seiring dengan penggunaan dalam waktu yang lama maka sistem pembangkit listrik dengan metode ini sangat murah karena memiliki biaya operasional yang relatif nol. Selain itu pula di masa yang akan datang energi tak terbarukan semakin mahal dan jarang ditemukan, maka teknologi pembangkit listrik seperti hasil penelitian ini merupakan teknologi masa depan yang mampu menjawab kekurangan energi. 4.
KESIMPULAN DAN SARAN
4.1 Kesimpulan Dari data yang diperoleh, perhitungan, dan pembahasan yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut: 1. Konstruksi teoritik yang dihasilkan dari penelitian ini seperti diperlihatkan pada Gambar 6. 2. Besarnya energi yang dihasilkan oleh sumber energi matahari adalah 3278.75 J/s atau 99,559 % dari keseluruhan energi yang dapat dihasilkan dari suatu rumah tinggal. 3. Besarnya energi yang dihasilkan oleh sumber energi air (air hujan dan sumber lainnya) adalah 0,496048 J/s atau 0,015 % dari keseluruhan energi yang dapat dihasilkan dari suatu rumah tinggal. 4. Besarnya energi yang dihasilkan oleh sumber energi angin adalah 14,00868 J/s atau 0,425 % dari keseluruhan energi yang dapat dihasilkan dari suatu rumah tinggal. T-50
Seminar Nasional Sains dan Teknik2012 (SAINSTEK 2012) Kupang, 13Nopember2012
5.
6.
Besarnya energi yang dihasilkan oleh ke tiga sumber energi terbarukan; energi matahari, energi air, dan energi angin dari suatu rumah tingal adalah sebesar 3.293,75 J/s. Besarnya energi listrik yang dihasilkan dari suatu rumah tinggal yang memanfaatkan multi sumber energi terbarukan sebesar 987.976 Watt dengan asumsi bahwa hanya 30 % dari total energi yang dibangkitkan oleh matahari, air, dan angin yang dikonversi menjadi energi listrik.
4.2 Saran Rekomendasi yang diusulkan dari penelitian ini adalah: 1. Disarankan untuk diteliti lebih lanjut perihal, studi eksperimen, analisis ekonomi, dan tahap aplikasi di lapangan. 2. Untuk menaikkan daya, maka tidak hanya dengan memperluas panel surya, memperluas tutupan atap penampung hujan, menaikkan energi tempat, tapi juga dapat dilakukan dengan cara memodifikasi kosntruksi yang dapat memperkecil lossis akibat faktor mekanis dan faktor-faktor lainnya. 3. Dijadikan kebijakan untuk rumah cerdas energi Kota Makassar Tahun 2035. 4. Memasyarakatkan pemanfaatan energi terbarukan.
DAFTAR PUSTAKA Badescu V. A New Kind of Cloudy Sky Model to Compute Instantanceuos Values of Diffuse and Global Solar Irradiance. Theory Appl Climatology. 2002. Calais M, Agelidis V. G. Multilevel Converters for Single-Phase Grid Connected Photovoltaic System an Overview In: Proceedings of the IEEE. Internasional Sysposium on Industrial Electronic Pretoria, South Africa, vol I, 1998. Chiasson, C. Yavuzturk. Assesment of The Viability of Hybrid Geothermal Heat Pump System with Solar Thermal Collectors. ASHRAE Transactions. 1999. Dietsel, Fritz, Turbin Pompa dan Kompressor. Terjemahan oleh Sriyono Dakso 1980. Jakarta: Erlangga. Kadir Abdul. Energi. Jakarta UI Press. 1990. Keller G. Krieger T. Vioto M. Module Oriented Photovoltaic Inverters; a Comparison of Different Circuits. In: Conference Record of the 24th IEEE PV Specialists Conference. vol. I. 1994. Khouzam KY . The Load Matchimg Approach to Sizing Photovoltaic System with Short- Term Energy Storage. Solar Energy. Nayar CV. A Solar / Mains / Diesel Hybrid Uninterrupted Power System. In : ANZES Solar ’97 Conference, 1-5 December, Canberra, Australia. 1997. Viktus Kolo Koten, Cerobong Surya, 1999
T-51
