PEMBUATAN PETA POTENSI ENERGI SURYA. Vetri Nurliyanti, Marlina Pandin, dan Bono Pranoto

Topik Utama PEMBUATAN PETA POTENSI ENERGI SURYA Vetri Nurliyanti, Marlina Pandin, dan Bono Pranoto Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Ketenagalstrikan, Energi Baru, Terbarukan, dan Konservasi Energi [email protected]

SARI Walaupun Indonesia dikenal sebagai negara tropis yang kaya akan sinar matahari, namun belum banyak data dan informasi yang tersedia mengenai radiasi matahari di suatu daerah yang bisa dikonversi menjadi energi. Data dan informasi tersebut sangat penting dalam mendesain sistem energi surya khususnya dalam pemilihan teknologi. Untuk memenuhi kebutuhan informasi tersebut, dapat memanfaatkan basis data satelit yang banyak tersedia online baik gratis maupun berbayar. Data tersebut kemudian diinterpretasikan dalam bentuk peta potensi energi surya. Tulisan ini membahas bagaimana membangun suatu peta potensi energi surya menggunakan basis data radiasi surya hasil pengolahan citra satelit yang diperoleh dari Surface Meteorology and Solar Energy (SSE), milik National Aeronautics Space Administration (NASA). Peta yang dihasilkan memberikan informasi bahwa potensi energi surya terbesar di Indonesia terdapat di wilayah selatan bagian timur, seperti NTT, Flores, Maluku Barat Daya dan sekitarnya. Kata kunci : energi surya, basis data, citra satelit, peta, radiasi

1. PENDAHULUAN Matahari memancarkan energi yang sangat besar dan kontinyu. Upaya pemanfaatan energi dari matahari, atau lebih dikenal dengan "energi surya", dapat dilakukan melalui dua jenis teknologi yaitu teknologi fotovoltaik (PV) dan teknologi fototermik (surya termal). Perbedaannya adalah teknologi PV mengkonversi langsung radiasi surya menjadi listrik melalui perangkat semikonduktor yang disebut sel surya, sedangkan teknologi surya termal memanfaatkan panas dari radiasi surya dengan menggunakan alat pengumpul panas atau yang biasa disebut kolektor surya. Dalam proses pemanfaatannya, kedua teknologi ini sangat membutuhkan informasi/ data mengenai besarnya intensitas radiasi surya yang diterima suatu area/ wilayah terutama untuk proses

perencanaan dan perancangan agar diperoleh suatu sistem konversi energi surya yang optimal dan handal. Data radiasi surya di Indonesia dapat diperoleh dari stasiun-stasiun pengukuran meteorologi dan klimatologi milik Badan Meteorologi, Klimatologi dan Geofisika (BMKG) yang tersebar di berbagai daerah. Namun data-data radiasi matahari hasil pengukuran BMKG tersebut tidak tersedia lengkap dan tidak disiapkan untuk kebutuhan khusus di bidang energi surya. Umumnya, BMKG hanya mengukur lama penyinaran matahari dan sangat jarang mengukur radiasi matahari global yang biasa digunakan dalam aplikasi energi surya. Selain metode pengukuran langsung seperti yang dilakukan BMKG, data radiasi surya juga dapat diperoleh melalui pemodelan numerik dan pengolahan citra satelit yang dianalisa dan

Pembuatan Peta Potensi Energi Surya ; Vetri Nurliyanti, Marlina P, Bono P

47

Topik Utama dihitung menggunakan pemodelan numerik. Hasil pengolahan data citra satelit ini biasanya dihimpun dalam suatu basis data yang dapat diakses oleh khalayak umum ataupun disimpan untuk tujuan komersil. Informasi mengenai data radiasi surya ini kemudian dapat diinterpretasikan dalam bentuk peta potensi energi surya. Pada tulisan ini akan dibahas mengenai bagaimana membangun suatu peta potensi energi surya berdasarkan basis data radiasi surya yang diperoleh dari hasil pengolahan data citra satelit. 2. RADIASI SURYA Matahari yang berjarak sekitar 1,5 x 1011 m dari bumi mempunyai diameter 1,39 x 109 m dan dan terdiri atas materi-materi gas yang sangat panas dengan suhu permukaan yang mencapai 5.672 K. Pada bagian inti selalu terjadi reaksi fusi yang menghasilkan energi pada temperatur yang sangat tinggi. Energi ini harus dilepaskan ke permukaan dan kemudian diradiasikan ke materi disekitarnya, termasuk bumi. Besarnya energi radiasi surya persatuan waktu yang diterima permukaan persatuan luas tegak lurus terhadap arah rambatan radiasi surya pada jarak rata-rata bumi-surya di luar atmosfer dinamakan

konstanta surya, Gsc yang besarnya adalah 1.353 W/m2 . Nilai ini merupakan batas atas teoritis dari ketersediaan energi surya di bumi (Mecherikunnel, 1980). Radiasi surya yang dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi dalam sistem konversi energi surya adalah jumlah radiasi surya yang mencapai permukaan bumi, yaitu konstanta surya dikurangi intensitas radiasi akibat penyerapan dan pemantulan atmosfer sebelum mencapai bumi. Total radiasi surya yang diterima oleh suatu area di permukaan bumi atau disebut juga sebagai radiasi global terbagi atas dua komponen, yaitu: 1) Radiasi langsung, yaitu radiasi yang diterima langsung dari sorotan matahari 2) Radiasi sebaran / baur atau disebut juga radiasi langit, yaitu radiasi yang dipancarkan ke permukaan penerima oleh molekulmolekul di dalam atmosfer (gas, debu, uap air/awan). Ukuran energi radiasi surya yang mencapai bumi dapat dinyatakan dengan kepadatan daya di suatu permukaan daerah penerima pada waktu tertentu dan dinyatakan dengan satuan kWh/m2 or MJ/ m 2.

Gambar 1. Radiasi Surya di Permukaan Bumi(diolah dari http://www.physicalgeography.net/)

48

M&E, Vol. 10, No. 4, Desember 2012

Topik Utama Besarnya intensitas radiasi surya yang diterima suatu wilayah/area di permukaan bumi berbedabeda secara ruang dan waktu. Hal ini sangat dipengaruhi oleh berbagai faktor, seperti : 1) Letak astronomis (posisi garis lintang / bujur); 2) Kondisi geografis (kemiringan, topografi ); 3) Siklus perputaran bumi (pagi/siang/sore/ malam); 4) Kondisi atmosfer seperti kualitas dan kuantitas awan (cerah/mendung/berawan), kandungan aerosol, uap air, ozon,dan sebagainya. Variasi radiasi surya secara kualitatif dipengaruhi faktor siklus perputaran bumi dan kondisi awan sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Variasi radiasi surya Intensitas radiasi surya pada kondisi cerah akan bertambah dari pagi, sejak terbit sampai siang dengan tercapainya kondisi puncak dan kemudian turun sampai kondisi terbenam pada sore hari. Perubahan intensitas tersebut masih dipengaruhi juga oleh jumlah keberadaan dan kualitas awan (mendung / berawan) yang menghambat sinar surya menembus atmosfer sampai ke permukaan penerima. 2.1. Jenis Data Radiasi Surya Analisis sistem tenaga surya membutuhkan data radiasi surya dengan resolusi waktu yang berbeda - beda. Pemilihan resolusi tersebut

bergantung pada kebutuhan aplikasi dan jenis teknologi yang digunakan. Identifikasi jenis data radiasi surya yang dibutuhkan sesuai dengan aplikasi energi surya dapat dilihat seperti pada Tabel 1. 2.2. Sumber Data Radiasi Surya Data radiasi surya yang diterima di suatu area di permukaan bumi dapat diperoleh dengan 3 cara, yaitu ; a. Pengukuran langsung di lokasi (ground measurement) Pengukuran langsung dilakukan menggunakan alat ukur radiasi surya seperti pyranometer untuk pengukuran radiasi global, pyrheliometer untuk pengukuran radiasi langsung, campbell stokest untuk pengukuran lama penyinaran. Jaringan stasiun meteorologi di berbagai negara telah mengukur radiasi total yang diterima pada suatu permukaan horisontal untuk kepentingan pertanian dan lain-lain, walau hanya sebagian kecil saja yang mengukur komponen radiasi langsung. Data radiasi surya hasil pengukuran langsung lebih valid dibandingkan data hasil pencitraan satelit dan pemodelan, dengan syarat peralatan ukur yang digunakan saat pengukuran berada dalam kondisi optimal dan terkalibrasi. b. Pemodelan numerik Pemodelan data radiasi surya secara simulasi komputer juga dapat dilakukan untuk mengetahui nilai teoritis radiasi surya di suatu lokasi. Cara ini juga dapat digunakan untuk mengetahui potensi radiasi surya yang akan datang. Tabel 2 menunjukkan beberapa model yang telah dikermbangkan untuk menghitung nilai komponen radiasi surya di suatu area. c. Data citra satelit (Satellite measurement) Metode ini cukup banyak digunakan karena datanya mudah diakses secara global.


49

Topik Utama Tabel 1. Jenis Data Radiasi Surya (diolah dari Myers,2003)

Aplikasi

Jenis Data

Resolusi Waktu

Berdasarkan Teknologi Pencahayaan Bangunan / Surya Pasif Sistem Fotovoltaik Sistem Termal Kolektor Plat Datar Sistem Termal Kolektor Parabola / Konsentrator

Iluminansi

Musiman / Harian

Radiasi Global, Radiasi Baur Radiasi Global, Radiasi Langsung Radiasi Langsung

Bulanan / Tahunan

Bulana/Tahunan

Radiasi Global Rata-rata

Harian / Bulanan

Bulanan / Tahunan

Berdasarkan Fungsi/Tujuan Perancangan dan Perhitungan Spesif ikasi Sistem Analisa Kinerja Sistem

Radiasi Global Selama Sistem Beroperasi Pemodelan dan Simulasi Sistem Prof il Radiasi Harian Analisa Keekonomian Tahap Perancangan Analisa Keekonomian Tahap Pengoperasian Analisa Umur Hidup Sistem (Sytem lif etime) Simulasi dan Analisa Keekonomian Jangka Panjang

Per Jam

Radiasi Global Rata-rata Radiasi Global 10-30tahun

Per Jam

Radiasi Global 10-30tahun

Per Jam

Radiasi Global dan/atau Langsung Selama minimum 8760 jam

Per Jam

Selain itu, data yang tersedia juga lebih banyak dengan interval pengukuran yang sangat panjang (long time series). Kelemahan dari data satelit ini adalah resolusi spasial yang cukup besar sehingga kurang optimal jika digunakan untuk tujuan spesifik, seperti untuk verifikasi kinerja operasional sistem PLTS yang telah terpasang.

2) European Solar Radiation Database (ESRD) : menggunakan citra satelit METEOSAT

Beberapa sumber data internasional yang menyediakan data radiasi surya berdasarkan data citra dan hasil pengukuran satelit adalah:

4) Typical Meteorological Year (Test Reference Year): menyediakan kumpulan data radiasi surya per jam dalam jangka panjang (diatas 30 tahun). Data dan informasi yang dihasilkan banyak digunakan oleh para perancang/perencana sistem pembangkit surya termal skala besar.

1) National Solar Radiation Database, NREL, Amerika Serikat :Menyediakan data radiasi surya per jam dari tahun 1998 sampai 2005 dengan resolusi grid 10-km.

50

Perdetik/menit/jam

3) The Solar Radiation Atlas of Africa : menyediakan informasi tentang radiasi permukaan untuk wilayah Eropa dan Afrika. Data tersedia dari tahun 19851986 yang diperoleh berdasarkan pengukuran dari satelit METEOSAT 2.


Topik Utama Tabel 2. Model-model Perhitungan Radiasi Surya ( disadur dari Myers, 2003) Komponen Radiasi Radiasi langsung pada semua kondisi langit (cerah/mendung/berawan) Radiasi global pada semua kondisi langit (cerah/mendung/berawan) Radiasi global pada semua kondisi langit (cerah/mendung/berawan) Radiasi langsung dan global pada semua kondisi langit (cerah/mendung/berawan) Radiasi langsung dan global pada semua kondisi langit (cerah/mendung/berawan) Radiasi global

Radiasi langsung langit cerah

Referensi/ Model Pengukuran langsung

Nilai Bias

Nilai Acak

Keterangan

2%

1%

Data rata-rata dan atau sesaat

Pengukuran langsung

10%

1%

Data sesaat

Gui et.al, 1998

5%

8%

Data 12 lokasi di UK

Maxwell 1998 Metstat

5,2%(langsung) 3% (global)

8% – 10%

Maxwell CSR

1%

7%

Gueymard /Angstrom

Radiasi global langit cerah

Gueymard Transmisi Langsung Bird & Hulstrom

Radiasi global yang dihitung dari data satelit Radiasi global yang dihitung dari data satelit

Skartveit, et.al.1998 Zelenka et.al, 1998

Radiasi langsung yang dihitung dari radiasi global pada permukaan miring

Redmund et.al, 1998

5) Solar and Wind Energy Resource Assessment (SWERA) : menyediakan akses data dan informasi mengenai sumber-sumber energi terbarukan seperti angin dan surya. 6) Surface meteorology and Solar Energy (SSE): menyediakan data radiasi surya hasil pemodelan dari beberapa data satelit selama 22 tahun dari Juli 1983 Juni 2005 dan telah dikembangkan untuk mengakomodir kebutuhan di bidang energi surya.

-2%-15%

+/- 10%

+/- 10%

7% - 10% 2,3%

11%

12% - 15%

20%

10% - 20%

Data rata-rata total harian tahunan di 33 lokasi di U.S Data rata-rata total harian bulanan di 8 lokasi di Mesir Data rata-rata total harian tahunan di 3 lokasi di Kanada Data rata-rata dari 17 model SMARTS2 Data rata-rata dari 3 model BRITE 18 lokasi di Eropa dan Amerika 31 lokasi di Swiss dan 12 lokasi di U.S Data time series di 64 stasiun meteorologi di Swiss

3. PETA RADIASI SURYA Data radiasi surya yang disediakan oleh berbagai basis data hasil pengolahan citra satelit dapat diinterpretasikan dalam sebuah peta. Contoh peta potensi radiasi surya Indonesia yang dibuat berikut ini menampilkan data radiasi surya global harian rata-rata yang diterima di suatu permukaan horisontal. Data ini diperoleh dari basis data hasil pengolahan citra satelit yang dikembangkan oleh National Aeronautics Space Administration (NASA) melalui program Surface meteorology and Solar Energy (SSE). Basis data


51

Topik Utama ini menyediakan data radiasi surya dengan resolusi sebesar 10 atau setara dengan area 110 km x 110 km. Tahap Pembuatan Peta : 1) Pengumpulan data radiasi surya Data radiasi surya yang digunakan dalam pembuatan peta ini adalah data radiasi surya global pada permukaan horizontal yang diperoleh dari basis data program Surface meteorology and Solar Energy (SSE) milik NASA. Data ini merupakan hasil pemodelan yang dibuat berdasarkan data hasil pengukuran dari beberapa satelit selama

periode 22 tahun dari Juli 1983 - Juni 2005 dan telah dikembangkan NASA untuk mengakomodir kebutuhan di bidang energi surya (NASA,2012). 2) Integrasi data ke dalam bentuk peta menggunakan software ArcGIS Data intensitas radiasi surya yang diperoleh kemudian disusun dalam tabel koordinat dan kemudian dibuat titiknya di atas peta indonesia menggunakan software ArcGIS seperti pada Gambar 3. Kemudian dilakukan buffering data intensitas radiasi surya untuk mengisi area-area yang kosong (Gambar 4).

Gambar 3. Peta dasar yang telah diplot data radiasi surya

Gambar 4. Pembobotan area peta yang tidak memiliki data radiasi surya

52


Topik Utama Dari nilai intensitas radiasi surya yang berpotongan, dicari nilai intensitas radiasi surya rata-rata perpotongan area. Hasilnya adalah intensitas radiasi surya rata-rata per kabupaten (Gambar 5). Peta radiasi surya yang telah dibuat (Gambar 5) memberikan informasi umum seberapa besar potensi energi harian yang mampu dihasilkan oleh suatu alat konversi energi surya (seperti panel PV dan kolektor surya pelat datar) apabila dipasang pada permukaan horizontal di suatu lokasi yang berpotensi. Potensi terbesar di Indonesia terdapat di wilayah selatan bagian timur, seperti NTT, Flores, Maluku Barat daya dan sekitarnya (warna oranye). Informasi yang didapat dari peta tersebut hanya berupa data potensi energi surya di suatu area/wilayah bukan nilai radiasi surya di suatu titik lokasi. Untuk mengetahui data radiasi surya di suatu titik lokasi secara spesifik memerlukan sumber data yang lebih banyak dengan resolusi peta yang lebih tinggi.

4. PENUTUP Peta radiasi surya sangat dibutuhkan dalam perencanaan / perancangan sistem konversi energi surya, verifikasi kinerja PLTS, perhitungan produksi energi, dan analisis pengaruh perubahan data radiasi terhadap produksi energi. Penyusunan peta radiasi surya membutuhkan jenis data radiasi surya yang berbeda-beda secara ruang dan waktu. Pengembangan peta radiasi surya khususnya di Indonesia masih perlu terus dilakukan terutama untuk menghasilkan suatu peta potensi energi surya yang benar-benar sesuai dengan kebutuhan pelaku di bidang energi surya. Beberapa upaya yang dapat dilakukan antara lain : a. Pengukuran dan/atau perhitungan radiasi surya jangka panjang b. Melakukan downscaling resolusi agar diperoleh suatu peta potensi energi surya dengan akurasi yang tinggi

Gambar 5. Peta radiasi surya Indonesia


53

Topik Utama c. Mengitegrasikan data numerik dan peta dalam suatu sistem informasi geografis berbasis jaringan (web);

Mecherikunnel A.T., Richmond J.C., 1980, Spectral Distribution of Solar Radiation, NASA, Maryland.

d. Mengitegrasikan data radiasi surya dengan data sosial-ekonomi suatu lokasi / wilayah ke dalam bentuk peta.

Myers. D.R., 2003, Solar Radiation Modelling and Measurement for Renewable Energy Application : Data and Model Quality., NREL, Colorado. NASA, 2012, Surface meteorology and Solar Energy Release 6.0 Methodology, Kanada. Perez R, Seals R, Zelenka A, 1990, Ineichen P. Climatic Evaluation of Models That Predict Hourly Directirradiance: Prospects for Performance Improvements. Solar Energy, 1990. 44(2): hal. 99-108. Perez R, Seals R, Ineichen P, Zelenka A, Maxwell EL,1992, Dynamic Global-to-Direct Irradiance Conversion Models. ASHRAE, 1992. 3578(RP-644): hal. 354-369. Redmund J, Salvisberg E, Kunz S, 1998, On the Generation of Hourly Shortwave Radiation on Tilted Surfaces. Solar Energy, 1998. 62(5): hal. 331-344. Sengupta, Manajit Dr., Renne David, Dr., 2010, A Physical Method to Compute Surface Radiation from Geostationary Satellites, 4th ISES Latin American Regional Conference XVII, Peru. Skartveit A, Olseth JA, Tuft ME, 1998, An Hourly Diffuse Fraction Model with Correction for Variability and Surface Albedo. Solar Energy, 1998. 63(3): hal. 173-183. Wald Lucian, Mayer. Didier, Cros, Sylvain., 2004,The Availability of Irradiation Data, Photovoltaic Power System Programme, Paris. Wilcox, S., Marion, W., 2008, Users Manual for TMY3 Data Sets, Technical Report NREL. Zelenka A, Perez R, Seals R, Renne R, 1999, Effective Accuracy of Satellite-Derived Hourly Irradiances. Theoretical Applied Climatology, 1999. 62: hal. 199-207. http://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/ sse.cgi?+s01#s01 http://geomodelsolar.eu/data h t t p : / / w w w . p h y s i c a l g e o g r a p h y. n e t / fundamentals/7i.html http://en.openei.org/apps/SWERA/

Peta radiasi surya Indonesia skala global ini merupakan data awal apabila di suatu daerah menginstall suatu PLTS skala tertentu direkomendasikan untuk tatap melalukan pengukuran langsung radiasi surya di tempat tersebut agar diperoleh parameter yang valid dan perancangan sistem konversi energi surya yang optimal. DAFTAR PUSTAKA Anonim, 2007, National Solar Radiation Database 1991-2005 Update : User Manual, Technical Report NREL. Arismunandar, W., 1995, Teknologi Rekayasa Surya, Pradnya Paramitha,PT., Jakarta. Bird R E, Hulstrom R L, 1980, Direct insolation models, seri/tr-335-344. Golden, CO: Solar Energy Research Institute (National Renewable Energy Laboratory). Duffie, John A., dkk., 1980, Solar Engineering of Thermal Process, John Wiley & Son, Wisconsin. Gueymard C, Jindra P, Estrada-Cajigal V, 1995, A Critical Look at Recent Interpretations of the Angstrom Approach and Its Future in Global Solar Radiation Prediction, Solar Energy, 1995. 54(5): hal. 357-363. Gul MS, Muneer T, Kambezidis HD, 1998, Models for Obtaining Solar Radiation Data From Other Meteorological Data, Solar Energy, 1998. 64(1-3): hal. 99-108. Maxwell EL, 1998, Metstat-the Solar Radiation Model Used in the Production of the National Solar Radiationdata Base (nsrdb), Solar Energy, 1998. 62(4): hal. 263-279. Maxwell EL, George RL, Wilcox SM, 1998, A Climatological Solar Radiation Model, Annual Conference- American Solar Energy Society.

54


PEMBUATAN PETA POTENSI ENERGI SURYA. Vetri Nurliyanti, Marlina Pandin, dan Bono Pranoto

Recommend Documents