SISTEM WIND-DIESEL UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK Dl LOKASI DENGAN KECEPATAN ANGIN MENENGAH Dl INDONESIA Sahat Pakpahan Peneliti Pusat Teknolog) Dirgantara Terapan, LAPAN
ABSTRACT Windspeed is u s e d as a reference in utilization of windturbine as a generating system a n d will be the main variable for calculation of the energy produced at a certain location.Windspeeds are classified in small scale, medium a n d large scales. Applications of small scales are generally in the stand-alone mode, while the large systems are intended for interconnection into the utility grid. In between, there a r e medium scale applications with the a n n u a l average windspeed of 4.0 m / s - 5.0 m/s.Example of applications are hybrid of windturbine with local diesel generating sets, known as winddiesel system using one or more windturbines of t h e size of 10 kW -100 kW a n d to be matched with the capacity of the existing diesel. Most applications are in the intermittent mode of operation in order to obtain higher fuel saving which is used to operate the diesel. Some configurations, selection of components, modelling and calculations are presented to identify more detailed behaviour of the system. ABSTRAK Kecepatan angin m e r u p a k a n acuan dalam pemanfaatan turbin angin sebagai pembangkit listrik d a n m e r u p a k a n variabel u t a m a u n t u k perhitungan energi aktual di s u a t u lokasi. Kecepatan angin dikelompokkan dalam skala kecil, menengah atau besar. Pemanfaatan skala kecil p a d a u m u m n y a adalah dalam modus berdiri sendiri, sedangkan skala besar ditujukan u n t u k interkoneksi ke jaringan u m u m / P L N setempat. Pemanfaatan skala menengah dengan kecepatan angin rata-rata tahunan dari 4,0-5,0 m / s adalah a n t a r a skala kecil d a n besar, contoh aplikasinya adalah hibrida turbin angin d a n pembangkit diesel yang disebut sistem wind-diesel. Sistem terdiri dari satu atau lebih turbin angin dengan kapasitas 10 kW-100 kW disesuaikan dengan kapasitas genset yang ada. Sistem yang banyak digunakan adalah yang bekerja secara bergantian g u n a memperoleh penghematan b a h a n bakar yang lebih besar u n t u k pengoperasian genset Konfigurasi, analisis pemilihan komponen, pemodelan d a n perhitungan disajikan dalam makalah ini guna mengetahui lebih rinci mengenai sifat-sifat sistem. Kata k u n c i : Angin-diesel, Modus bergantian, Penghematan bahan bakar I
PENDAHULUAN
Energi baru d a n terbarukan (EBT) m e r u p a k a n s u m b e r - s u m b e r potensial u n t u k penyediaan listrik di berbagai wilayah di Indonesia yang sekarang ini peranannya makin ditingkatkan sehubungan dengan meningkatnya kebutuhan energi bagi masyarakat dan cadangan sumber energi konvensional yang makin berkurang. S u m b e r - s u m b e r EBT yang akan dikembangkan m e n c a k u p energi angin, surya, mikro hidro, d a n biodiesel, 1R
dan Iain-lain yang dalam program implementasinya juga telah di d u k u n g oleh berbagai kebijakan pemerintah dalam bidang energi t e r m a s u k energi angin sehingga kontribusinya a k a n meningkat. Diharapkan, hingga tahun 2025 kontribusi EBT dapat mencapai 5% dari pasokan listrik nasional. Dalam bidang energi angin, berbagai aplikasi skala kecil k h u s u s n y a u n t u k listrik pedesaan telah dikembangkan, sedangkan dalam skala yang lebih
besar yaitu skala menengah d a n besar telah dilakukan berbagai kajian d a n program pengembangan lanjut u n t u k pemanfaatan yang lebih ekonomis sebagai pemasok listrik terutama interkoneksi dengan jaringan listrik u m u m setempat (PLN}. Secara teknis, pengertian skala kecil adalah pemanfaatan turbin-turbin angin sampai kapasitas 10 kW terpasang per unit dengan kecepatan angin rata-rata 2,5 - 4,0 m / s di lokasi, skala menengah dari 10 kW - 100 kW dengan kecepatan angin rata-rata 4,0 - 5,0 m / s , sedangkan skala besar adalah turbin angin kapasitas di atas 100 kW dengan kecepatan angin rata-rata t a h u n a n di atas 5,0 m / s . Skala besar digunakan u n t u k interkoneksi dengan jaringan listrik u m u m setempat yakni PLN. Salah s a t u aplikasi skala menengah adalah sistem pembangkit yang menggabungkan turbin angin dengan pembangkit listrik diesel setempat (PLTD) dan disebut sistem wind-dieseL Sistem wind-diesel adalah s u a t u sistem pembangkit listrik yang terdiri atas s a t u atau lebih turbin angin digabungkan dengan satu a t a u lebih generator diesel (disebut genset) yang dihubungkan secara paralel u n t u k pemasokan listrik secara bergantian dan bekerja otomatis. Pada waktu angin tinggi, turbin angin akan lebih banyak memasok listrik ke konsumen, sedangkan p a d a waktu angin rendah, pemasokan listrik akan di alihkan secara otomatis ke pembangkit diesel (genset) yang ada. Dibandingkan dengan skala besar yang di interkoneksi ke jaringan listrik PLN, pengembang pembangkit turbin angin dalam sistem interkoneksi menjual listrik ke PLN; sedangkan dengan sistem wind-diesel, listrik u n t u k k o n s u m e n di pasok secara bergantian oleh turbin angin dan genset Tujuannya adalah penghematan bahanbakar solar u n t u k mengoperasikan genset, dan porsi p e n g h e m a t a n n y a bergantung pada potensi energi angin yang tersedia di lokasi dan permintaan [demand\. Dari aspek teknis, sistem ini t e r m a s u k dalam skala menengah yang menggunakan turbin angin sampai 100 kW per unit terpasang.
Sistem wind-diesel telah dikembangkan di berbagai negara a n t a r a lain Norwegia, Inggris, Amerika Serikat, dan Iain-lain Untuk Indonesia, prospek pemanfaatan yang telah diidentifikasi antara lain adalah di wilayah NTT d a n Sulawesi Selatan dengan kecepatan angin rata-rata t a h u n a n sebesar 4,0 - 6,0 m / s . 2
KONFIGURASI OPERASI
DAN
SISTEM
Konfigurasi u t a m a sebuah pembangkit wind-diesel terdiri atas turbin angin, generator-diesel (genset) d a n unit kontrol a n t a r a turbin angin d a n genset yang berfungsi u n t u k mengontrol pengalihan pasokan listrik ke konsumen dari turbin angin ke genset d a n dari genset ke turbin angin yang pada dasarnya di rancang secara otomatis. KonMgurasi utama pembangkit wind-diesel terdiri d a r i : a. Turbin Angin S e b u a h turbin angin terdiri dari rotor, generator, nasel, roda-gigi, unit pengarah, unit kontrol dan menara. Turbin angin merupakan pembangkit listrik yang mengubah energi angin menjadi listrik (disebut PLTB-Pembangkit Listrik tenaga Bayu/Angin) d a n dapat di interkoneksi dengan generator diesel. J u m l a h turbin angin bisa satu atau lebih. b. Generator-diesel Generator-diesel [genset) sebagai pembangkit u t a m a terdiri atas motor diesel yang selanjutnya di sebut mesin diesel, dan generatornya sendiri. Mesin diesel berfungsi u n t u k mengubah bahan bakar solar menjadi energi mekanis dalam bentuk p u t a r a n poros dan selanjutnya dengan menggandengkan poros tersebut ke poros sebuah generator, maka generator akan menghasilkan listrik. Gabungan a n t a r a mesin diesel dan generatornya di sebut generator diesel (genset\. Untuk m e m p e r t a h a n k a n daya bermanfaat, generator dilengkapi dengan governor yang mengatur kecepatan putaran mesin diesel dan frekuensi tegangan yang di hasilkan. J u m l a h genset sebagai s u b -
19
Jumal TelyioUiQi (Dtrgantara Vol: 4 Wo. 1 Junt 2006:18-30
sistem lebih.
wind-diesel j u g a
bisa
satu
atau
Mesin diesel sebagai bagian d a r i s e b u a h genset, d i k e l o m p o k k a n m e n u r u t b e b e r a p a kriteria y a k n i b e r d a s a r k a n tipe b a h a n bakar yang digunakan, kecepatan niesin, b e n t u k a s p i r a s i d a n s i k l u s operasi. Pemilihan b a h a n b a k a r b e r g a n t u n g p a d a h a r g a / b i a y a , k e t e r s e d i a a n , nilai k a l o r i , kondisi t e m p e r a t u r d a n ciri spesifik mesin, dan u m u m n y a pemakaian bahan b a k a r tersebut m e n c a k u p 80 % dari b i a y a o p e r a s i genset. B e n t u k a s p i r a s i m e s i n diesel a d a l a h natural a t a u turbo charged. D a l a m t i p e natural, u d a r a d i a m b i l p a d a t e k a n a n a t m o s f e r ; s e d a n g k a n p a d a t i p e turbo charged, c a m p u r a n u d a r a d a n b a h a n b a k a r d i i n j e k s i k a n k e d a l a m silinder m e s i n p a d a t e k a n a n y a n g lebih b e s a r d a r i p a d a t e k a n a n a t m o s f e r . Tipe turbo charged s e c a r a signifikan a k a n m e n i n g k a t k a n k a p a s i t a s m e s i n ( s a m p a i 40%) d a n efisiensi d e n g a n m e m b o l e h k a n p e r t a m b a h a n volume u d a r a yang m e m a s u k i ruang pembakaran g u n a menjamin pemb a k a r a n b a h a n b a k a r y a n g lebih b a i k d a n efisien. S i k l u s o p e r a s i m e s i n diesel a d a l a h 2 - t a k (2-strokes) a t a u 4 - t a k (4-strokes). Dalam mesin 4 tak, s e m u a siklus pemb a k a r a n y a n g terdiri dari induksi, kompressi, e k s p a n s i d a y a d a n p e m b u a n g a n (exhaust) terjadi p a d a l a n g k a h t o r a k y a n g terpisah; s e d a n g k a n dalam 2-tak, i n d u k s i d a n p e m b u a n g a n terjadi bila t o r a k h a m p i r b e r h e n t i (stasioner) p a d a a k h i r l a n g k a h e k s p a n s i . D i m e n s i m e s i n 2-tak c e n d e r u n g menjadi sangat besar atau sebaliknya s a n g a t kecil. Metoda pendinginan dapat b e r u p a pendinginan udara, u d a r a yang di mamp a t k a n a t a u pendinginan dengan cairan. K e c e p a t a n s e b u a h m e s i n diesel b i a s a n y a terkait d e n g a n u k u r a n n y a . Mesin b e s a r c e n d e r u n g beroperasi p a d a p u t a r a n y a n g lebih r e n d a h y a i t u d i b a w a h 9 0 0 rpm, s e d a n g k a n m e s i n - m e s i n kecil hingga m e d i u m p a d a p u t a r a n y a n g lebih tinggi dari 900 r p m yaitu 1200 rpm, 1500 rpm, 1800 r p m , 2 4 0 0 r p m , 3 0 0 0 r p m a t a u 20
3 6 0 0 r p m . H a l ini s e s u a i d e n g a n p u t a r a n normal generator komersial. Untuk pengontrolan kecepatan generator-diesel y a i t u frekuensi generator, d i g u n a k a n governor y a n g d a p a t b e r u p a peralatan mekanik a t a u p u n elektronik. Governor m e k a n i k dipakai u n t u k k a p a s i t a s d i b a w a h 5 0 0 k W a t a u bila b e b a n terbagi dapat berfluktuasi sebesar + 5 s a m p a i 10 %, s e d a n g k a n governor e l e k t r o n i k di g u n a k a n u n t u k stabilitas frekuensi yang l e b i h teliti a t a u d a l a m o p e r a s i p a r a l e l yang otomatis. Beban-beban biasanya di kelola dalam b a t a s ± 5%. Nilai kalori b a h a n b a k a r y a n g d a p a t di u b a h menjadi daya mekanis hanya m e n c a p a i 3 0 % - 40%; s e d a n g k a n energi lainnya di u b a h menjadi p a n a s yang s e b a g i a n b e s a r d i p i n d a h k a n oleh p e n d i n g i n a n d i d a l a m radiator, d i b u a n g dalam g a s - g a s p e m b a k a r a n t e m p e r a t u r tinggi, atau di radiasi dari p e r m u k a a n mesin. U n t u k tipe natural d a n turbo charged, h a l ini d i p e r l i h a t k a n p a d a T a b e l 2 - i . T a b e l 2 - 1 : KESETIMBANGAN PANAS DALAM MESIN D I E S E L (%)
Beberapa pabrikan merekomend a s i k a n agar diesel t i d a k di o p e r a s i k a n p a d a kapasitas di bawah sebagian beban t e r t e n t u d a l a m s u a t u p e r i o d a y a n g lebih l a m a , d a n nilai a m b a n g y a n g d i s a r a n k a n a d a l a h 4 0 % w a l a u p u n 20-30%) s e h a r u s n y a lebih u m u m u n t u k m e s i n - m e s i n d i e s e l y a n g lebih b a r u . S a l a h s a t u a l a s a n n y a a d a l a h k a r e n a p a d a w a k t u t i d a k bero p e r a s i p u n , s e b u a h genset b a h k a n a k a n mengkonsumsi bahan bakar yang cukup apresiatif yaitu 2 0 - 3 0 % d a r i b e b a n p e n u h -
nya. N a m u n hal ini tidak menyiratkan bahwa p e m b e b a n a n r e n d a h tidak dapat di toleransi u n t u k perioda yang singkat, karena telah terbukti bahwa sebuah genset dapat mengakomodasikan beban-beban negatif hingga 30% dari output nominalnya. Konsumsi bahan bakar dalam daerah negatif terus menurun bila jumlah beban negatif yang t e r s a m b u n g lebih banyak dan frekuensi sistem u m u m n y a adalah stabil selama beban negatif tersebut tidak melebihi 30% dari nominalnya. Namun dalam hal ini, ditekankan agar bebanbeban negatif h a n y a digunakan u n t u k perioda yang singkat. Generator u n t u k genset adalah generator sinkron a t a u p u n asinkron/ induksi. Generator sinkron memiliki penguatan sendiri (self-excitation) d a n memberikan persyaratan daya reaktif, sedangkan generator induksi harus memperoleh arus magnetisasi dari s u m b e r luar. Oleh karena itu, secara tipikal generator induksi tidak digunakan u n t u k operasi terisolir yang independen. Generator a r u s searah juga dapat digunakan tetapi tidak banyak tersedia di p a s a r a n . Pilihan yang paling u m u m adalah generator sinkron.
mengontrol pasokan listrik p a d a kondisikondisi yang telah dirancang yaitu pada s a a t angin tinggi m a u p u n p a d a saat angin rendah. Beberapa konfigurasi wind-diesel di perlihatkan p a d a G a m b a r 2 - 1 , 2-2 d a n 2-3.
c. Unit penyimpan (bila diperlukan) Untuk sistem otonomous tanpa unit penyimpan, terdapat dua jenis modus operasi yaitu : • Jika daya angin lebih kecil daripada permintaan (load demand], m a k a generator sinkron genset digerakkan oleh motor diesel d a n menghasilkan daya listrik. J i k a efisiensi generator adalah r| dengan 0 < r\ < 1 d a n faktor daya minimum adalah cos 0 (0 < cos 8 < 1), maka daya nyata generator paling sedikit sebesar T)/COS 0 dari daya diesel nominal. Suatu contoh adalah memilih daya nominal genset sebesar 60 kW dan untuk turbin angin 25 kW. Dengan modus operasi ini, genset d a p a t memenuhi semua fungsi pengontrolan.
3
d.Unit Kontrol
3.1 Modus Operasi Genset
Berfungsi sebagai a n t a r - m u k a / interface a n t a r a PLTB d a n PLTD guna
Persyaratan u t a m a u n t u k merancang s u a t u pembangkit wind-diesel yang
PEMILIHAN KOMPONEN
21
efektif dan viabel secara ekonomis adalah tersedianya d a t a d a n karakteristik rejim angin yang rinci di lokasi (minimal 1 lahun) serta pola pemanfaatan d a n permintaan yang direncanakan. Pada d a s a r n y a sistem r a n c a n g a n m e n c a k u p beberapa hal b e r i k u t : a. Modus operas! Tersedia dalam d u a modus yaitu yang beroperasi secara kontinu dan secara bergantian [intermittent). Secara teknis, modus kontinu lebih sederhana dan andal karena lebih m u d a h menjamin pasokan yang kontinu, n a m u n bila menggunakan banyak genset, jika sebagian genset-nya mati m a k a genset lainnya yang hidup tidak boleh terbebani lebih. Genset yang di lengkapi dengan beban p e m b u a n g a n [dump-load} u m u m n y a m a m p u mempert a h a n k a n nilai tegangan d a n frekuensi sistem. Kekurangan tipe kontinu adalah kontribusi turbin angin yang lebih rendah dengan penghematan b a h a n bakar yang kecil karena genset-nya beroperasi kontinu. Khususnya u n t u k sistem pembangkit yang kecil, tipe ini memiliki prestasi part-load yang jelek yang membatasi penghematan bahan bakar, b a h k a n pada beban nol, sebuah pembangkit diesel kecil mengkonsumsi bahan bakar sebesar 20 - 30 % dari beban penuhnya. Selain itu, u n t u k menghindari efek k e r u s a k a n yang terjadi bila genset beroperasi p a d a beban-beban rendah, biasanya pabrikan menyarankan pembebanan yang minimum. Misalnya bila yang d i s a r a n k a n adalah 4 0 % dari output nominal, berarti konsumsi b a h a n bakar diesel minimum adalah 60 % nya (dari 40%) p a d a beban penuh. Dengan kondisi ini, penghematan bahan bakar tidak a k a n berarti, sehingga dapat di simpulkan bahwa cara yang terbaik u n t u k meningkatkan penghematan bahan bakar adalah mematikan genset bila tidak di perlukan. Hubungan antara pemakaian b a h a n bakar d a n daya yang dihasilkan diperlihatkan p a d a G a m b a r 3 - 1 . Pada tipe bergantian, tujuan utama adalah penghematan b a h a n b a k a r yang lebih besar dengan cara mengoperasikan 22
genset hanya pada waktu angin r e n d a h atau p a d a saat permintaan [demand) tinggi, n a m u n konsekuensinya adalah strategi kontrol yang lebih rumit. U n t u k sistem tanpa unit penyimpan, hal ini menyangkut pengalihan pasokan lislrik dari turbin angin ke genset bilamana surplus turbin angin ke beban t u r u n di bawah s u a t u batas yang a m a n u n t u k memperhitungkan fluktuasi yang diakibatkan oleh turbulensi angin. Dalam praktoknya, pendekatan ini menghasilkan diesel yang b e r p u t a r selama perioda yang di perpanjang bila output-nya ternyata tidak di perlukan. Diesel dapat dibiarkan mati [offl sampai waktu yang di perlukan untuk menggantikan pengurangan energi, hanya bila sistem dilengkapi dengan u n i t penyimpan energi a t a u m e n e r a p k a n roanajemen pembebanan yang tepat. J u m l a h siklus hidup-mati [on/off] genset yang di ijinkan yang dapat di toleransi bergantung p a d a tipe mesin diesel dan cara p e n g a s u t a n n y a [starting). P e n a m b a h a n kapasitas unit penyimpan a k a n mengurangi laju siklus dan bergantung pada rugi-rugi (tosses) yang tercakup dalam unit penyimpan yang lebih besar, m a k a secara marginal pengurangan bahan bakar dapat di harapkan. Dalam proses rancangan, biaya t a m b a h a n u n t u k unit penyimpan h a r u s dikompromikan t e r h a d a p penghematan b a h a n bakar yang direncanakan d a n juga t e r h a d a p k e u n t u n g a n ekonomis akibat pengurangan operasi atau penurunan siklus genset/diesel tersebut. Pengurangan siklus genset juga dimungkinkan dengan menggunakan unit kontrol, n a m u n , cara ini cenderung akan menghasilkan p e n a m b a h a n konsumsi bahan bakar. Dengan demikian, guna memperoleh sistem yang optimum, ket e n t u a n k h u s u s yang h a r u s dilakukan adalah menetapkan perlu tidaknya unit penyimpan, modus operasi yang akan di gunakan, d a n nilai nilai [rating) masing masing elemen sistem. Filosofi penggunaan genset u n t u k daya beban d a n daya turbin angin tertentu diperlihatkan pada Gambar 3-2.
23
Gambar 3-4: Sistem wind-diesel dengan generator sinkron sebagai pembangkit listrik genset b . Kualitas daya Kualitas daya wind-diesel ditentukan oleh pasokan yang dihasilkan. Bila utilitas di lokasi (misalnya pulau terpencil) memiliki banyak generator diesel sebagai pembangkit, m a k a kualitas daya akan ditentukan oleh utilitas itu sendiri yaitu genset tersebut, d a n dalam hal ini, jika wind diesel m e r u p a k a n satu satunya pembangkit yang tersedia untuk konsumen, m a k a kualitas daya d a n keandalannya perlu dikaji secara lebih cermat. Kualitas daya sering dinyatakan berkenan dengan karakteristik fisik d a n sifat-sifat listrik yang dibangkitkan dan paling sering dinyatakan oleh : stabilitas tegangan, stabilitas frekuensi, frekuensi harmonik, interferensi telepon, efek interferensi elektromagnetik, kesetimbangan fasa d a n faktor daya. Secara ideal, pasokan daya h a r u s memiliki kualitas yang tidak m e r u s a k komponen d a n perlengkapan listrik konsumen atau tidak mengalami p e n u r u n a n fungsi selama beroperasi. Kualitas daya yang s e m p u r n a adalah tegangan yang kontinu d a n sinusoida m u r n i dengan amplitudo d a n frekuensi yang konstan, n a m u n k a r e n a dalam prakteknya hal ini tidak mungkin terjadi, m a k a digunakan s u a t u cara penilaian berdasarkan peng24
u k u r a n penyimpangan dari kondisi ideal (nominal) yaitu mengukur besarnya tingkat penyimpangan tersebut d a n digunakan sebagai indikator. Indikator yang dapat digunakan adalah ke tidak teraturan tegangan yang mencakup: variasi tegangan yang lambat, p e r u b a h a n nilai tegangan rms yang tiba-tiba, p e n u r u n a n tegangan, fluktuasi tegangan yang cepat, ke tidak setimbangan tiga fasa tegangan, distorsi tegangan harmonik dan variasi frekuensi. Variasi tegangan yang lambat didefinisik a n sebagai p e r u b a h a n nilai rms yang terjadi dalam senjang waktu menit atau lebih. Dengan standar IEC (International Electric Code) tegangan adalah 2 3 0 / 4 0 0 V, 50 Hz d a n tegangan pada konsumen tidak boleh melebihi ±10 % dari nilai nominalnya. Pengontrolan level tegangan dalam julat yang di ijinkan merupakan s u a t u cara yang bermanfaat u n t u k pengontrolan beban. Fluktuasi tegangan yang cepat di definisikan sebagai sederetan perubahan tegangan atau variasi siklus pembungkus tegangan dan di artikan sebagai sederetan p e r u b a h a n terhadap interval, yaitu interval tunda-waktu awal satu perubahan tegangan ke awal yang lain yang lebih singkat daripada 1 a t a u 2 menit. Penurunan tegangan di definisikan
sebagai penurunan tegangan yang singkat yang lebih besar daripada suatu nilai minimum dengan interval p e r u b a h a n dari 10 ms sampai 60 s. Untuk ketidaksetimbangan fasa, faktor ketidaksetimbangan yang diijinkan oleh IEC adalah lebih kecil atau sama dengan 1 % u n t u k periode panjang atau 1,5 % u n t u k periode yang singkat. Sistem besar biasanya sangat stabil dan u n t u k frekuensi, variasi yang di ijinkan adalah < 1%. Komponen kompor.cn dan peralatan listnk dirancang agar m a m p u m e n e r i m a deviasi frekuensi paling sedikit ± 3 %.
Pada dasarnya, pemilihan u k u r a n genset dapat dilakukan m e n u r u t cara yang konvensional terkait dengan sifatsifat alamiah beban yang h a r u s mencakup beberapa faktor, antara lain: beban untuk pengasutan motor diesel, karakteristik frekuensi dan tegangan yang diperlukan. Pertimbangan juga h a r u s dilakukan dalam memilih u k u r a n genset di lokasilokasi yang memiliki kerapatan u d a r a yang rendah, k a r e n a peningkatan daya dan k e m a m p u a n pendingin dapat dipengaruhi oleh t e k a n a n atmosfer yang r e n d a h a t a u t e m p e r a t u r sekeliling yang tinggi.
Penyebab u t a m a distorsi harmonik adalah inverter, konverter d a n saturasi magnetik transformator. Distorsi ini mer u p a k a n p e r u b a h a n b e n t u k gelombang tegangan d a n nilai yang diperbolehkan diberikan oleh s t a n d a r nasional m a u p u n internasional.
Dengan berbagai kondisi pemilihan ini, pedoman u m u m adalah menggunakan generator sinkron sebagai unit pembangkit listrik k a r e n a generator tipe ini m a m p u melakukan berbagai fungsi.
3.2 Pemilihan Ukuran Mesin Diesel Secara u m u m , u k u r a n genset dapat dipilih tidak bergantung pada sub&istem lainnya karena biasanya dianggap bahwa dalam kondisi yang paling buruk, genset h a r u s m a m p u memasok konsumen pada waktu tidak a d a angin d a n unit penyimpan dalam keadaan kosong. Pengecualian u t a m a adalah sistem yang didasarkan pada pendekatan cycle-charge yaitu diesel beroperasi secara periodik u n t u k mengisi unit penyimpan. Dalam hal ini nilai nominal (rating) genset h a r u s lebih besar dari p a d a permintaan [demand] r a t a r a t a atau kebutuhan yang berkesinambungan. Pada sistem dengan pengisian non c(/c/e,ukuran genset di pilih agar selain memenuhi permintaan m a k s i m u m yang diharapkan, juga m a m p u mengatasi rugi-rugi y a n g telah a d a d a l a m sistem yang tercakup. Dalam hal ini, s u a t u margin yang a m a n mungkin perlu ditambahkan, dengan m e m b u a t ketentuan u n t u k p e n a m b a h a n demand. Sebagai contoh, u n t u k sistem wind-diesel yang baru, adalah l u m r a h menaikkannya secara berarti dan sering secara dramatis menambah konsumsi listrik.
3.3 Pemilihan Generator Untuk Genset Generator yang digunakan sebagai pembangkit listrik genset yang digandengkan ke motor diesel, adalah a.Generator a r u s searah (dc generator). Digunakan untuk permintaan [demands yang rendah dengan b e b a n / konsumen yang secara fisik dekat dengan turbin angin. Generator tipe ini biasanya digunakan u n t u k mengisi baterai dan pemanas resistif yang beroperasi pada kecepatan variabel. b. Generator arus bolak balik (ac generator) Fungsi generator a r u s searah saat ini telah banyak digantikan oleh generator arus bolak-balik atau alternator yang u m u m n y a dieksitasi oleh magnet permanen dan kemudian diubah menjadi a r u s searah dengan menggunakan rangkaian penyearah tipe semi-konduktor. Generator a r u s bolak balik dengan magnet permanen yang beroperasi pada kecepatan variabel d a n menghasilkan tegangan variabel memungkinkan u n t u k pengontrolan agar menghasilkan daya maksimum pada kecepatan angin tinggi dengan menggunakan perubahan reaktansi induktif gulungan stator u n t u k membatasi keluaran a r u s . 25
jm*Mw H n n w w N M >-cw. •• ,-•<*. i ./tin* duuv. to-jv
c. Generator sinkron Generator sinkron digandeng ke mesin diesel melalui kopling. Fungs i generator sinkron, adalah mengubah daya mekanis yang dihasilkan oleh mesin diesel menjadi listrik, memasok daya reaktif ke sistem, yaitu beban, beban pembuangan, ke turbin angin, mengontrol level tegangan jaringan, menghasilkan tegangan sinusoida yang sama dengan jaringan, menghasilkan a r u s hubung singkat u n t u k memutus sekring, melakukan komutasi thyristor dalam hal konvertor terkomutasi jaringan dihubungkan ke jaringan, dan memasok a r u s m a s u k ke mesin induksi dalam sistem.
3 . 4 Pemilihan Turbin Angin Prestasi s e b u a h turbin angin dinyatakan oleh kurva daya yang memberikan h u b u n g a n a n t a r a daya yang dihasilkan pada berbagai kecepatan angin d a n daya bermanfaat berada a n t a r a kecepatan cut-in d a n cut-out. Di a t a s kecepatan cut-in (kecepatan minimal agar turbin angin menghasilkan listrik), daya bertambah secara cepat sampai mencapai nominal {rated speed), d a n selanjutnya dari kecepatan nominal hingga cut-out, daya yang dihasilkan a k a n dip e r t a h a n k a n p a d a nilai yang konstan yang disebut daya nominal. Pada kecepatan angin melebihi cut-out, daya keluaran akan dibatasi agar memproteksi kerusakan, a t a u menghentikan turbin angin. Karena kecepatan d a n arah angin selalu berubah, hal ini akan mengakibatkan turbulensi yaitu variasi kecepatan dan arah angin dalam waktu yang sangat singkat dalam orde beberapa detik hingga beberapa menit, dan hal ini a k a n mengubah daya yang dihasilkan selama interval tersebut. Akibatnya bila dibandingkan terhadap rata-rata selama suatu interval waktu misalnya 10 menit hingga 1 jam, daya sesaat kadang-kadang akan j a u h lebih besar daripada nilai rata-rata d a n kadang-kadang j a u h lebih rendah. Hal ini merupakan faktor yang sangat penting 26
dalam merancang sistem wind-diesel yang efektif. Di lokasi yang baik, keluaran daya j a n g k a panjang s e b u a h turbin a n g i n hanya sama hingga ± 3 0 % dari daya nominal generator; n a m u n demikian, di lokasi terpencil, nilai faktor beban yang lebih rendah dari 2 0 % masih dapat ekonomis namun sangat bergantung pada lokasi. Dengan demikian, dalam perancangan diperlukan estimasi potensi produksi energi angin di lokasi, d a n juga sifat-sifat alamiah beban serta tersedianya daya g u n a m e m u n g k i n k a n memperoleh rating yang optimum. Berbagai kritcria yang digunakan u n t u k memilih turbin angin, adalah k a p a s i t a s / d i a m e t e r rotor, posisi rotor [up wind a t a u down wind), jumlah sudu, tipe generator u n t u k turbin angin, subsistem kontrol, tipe d a n tinggi menara, level tegangan d a n frekuensi. Sebuah kurva yang memperlihatkan hubungan antara daya dan kecepatan angin diperlihatkan p a d a Gambar 3-3. Beberapa parameter u n t u k pemilihan turbin angin diperlihatkan p a d a
Tabel3-1. Pemilihan tipe generator akan menghasilkan strategi pengontrolan yang berbeda. Generator magnet permanen, alternator d a n generator a r u s searah u m u m n y a beroperasi paralel dengan generator diesel u n t u k mengisi baterai dan selanjutnya memasok daya ke konsumen. Tipe generator, konfigurasi rotor dan pengontrolan s e m u a n y a mempengaruhi variabilitas daya yang dihasilkan oleh turbin angin d a n dengan demikian, h a r u s diperhitungkan sewaktu merencanakan strategi pengontrolan. Petunjuk u m u m adalah b a h w a nilai nominal {rating) turbin angin tidak secara signifikan lebih besar dari penjumlahan beban konsumen maksimum dan rugi-rugi sistem; kecuali bila sistem pembangkit dilengkapi dengan u n i t penyimpan energi yang besar. Kecepatan nominal [rated) turbin angin secara ideal h a r u s lebih kecil dari pada bila turbin angin tersebut diinterkoneksi dengan grid.
Tabel 3 - 1 : PARAMETER UNTUK LIHAN TURBIN ANGIN
PEMI-
menghasilkan fluktuasi j a n g k a pendek yang lembut dalam daya turbin angin d a n / a t a u beban u n t u k menyempurnakan kualitas grid, mengurangi siklus start/ stop genset (penyimpanan j a n g k a pendek hingga menengah), mengurangi konsumsi daya (penyimpanan jangka pendek hingga medium), mempertahankan kesetimbangan daya turbin angin u n t u k j a n g k a menengah d a n panjang atau s u r p l u s beban k o n s u m e n (penyimpanan j a n g k a panjang) dan meminimumkan waktu startup diesel yang berarti memperpanjang waktu diam/stand-still mesin diesel (penyimpanan jangka pendek). Berbagai tipe u n i t penyimpan yang digunakan adalah: baterai, flywheel, hydraulic pressure vessels d a n hidro. Tipe baterai yang digunakan adalah Asam Timbal (Lead Acid), Nikel Kadmium dan Sodium Sulfur dengan kelebihan dan kekurangan masing masing. 3.6 Unit Kontrol
Pengontrolan sebuah turbin angin dimaksudkan u n t u k mengontrol keluaran daya d a n p u t a r a n (rpm) turbin angin. Sistem dengan s u d u t pitch yang beru b a h - u b a h (variable-pitch) dapat mengontrol kecepatan lebih, menghentikan turbin angin d a n menghasilkan pemb a t a s a n daya yang maksimum, sedangkan untuk turbin angin dengan s u d u t pitch tetap, s u d u - s u d u mempertahankan sudut yang sama a n t a r a garis kord d a n bidang rotor sehingga dalam hal ini digunakan pengontrolan stall (aerodynamic stall control) yang dilengkapi dengan rem u n t u k menghentikan rotor. 3.5 Pemilihan Unit Penyimpan Untuk sistem wind-diesel yang tidak bergantung p a d a grid, fungsi atau pemakaian unit penyimpan m e n c a k u p :
Sebuah genset pada dasarnya telah dilengkapi dengan governor u n t u k mengatur kecepatan, u r u t a n pengasutan, proteksi d a n p e n g a t u r a n tegangan. Demikian j u g a turbin angin g u n a mengontrol p e n y a m b u n g a n d a n p e m u t u s a n daya ke s e b u a h jaringan d a n dalam beberapa hal m e l a k u k a n pengontrolan daya. Dengan demikian, sebagai bagian sistem wind-diesel, kelengkapan sistem kontrol tersebut h a r u s memungkinkan u n t u k dioperasikan dalam sistem walaup u n beberapa modjfikasi mungkin diperlukan misalnya u n t u k pembatasan frekuensi d a n tegangan yang lebih teliti. Dua hal penting yang h a r u s diperhatikan dalam merancang sistem kontrol adalah: Pertama, pengontrolan frekuensi dengan cara surplus daya d a n bila diesel memerlukan p e m b e b a n a n minimum. Hal ini biasanya diperoleh dengan menggunakan dump-load a t a u elemen penyimpan yang dikontrol agar menghasilkan kesetimbangan daya. Pengontrolan cara ini didasarkan p a d a daya atau frekuensi yang t e r u k u r atau keduanya dan memiliki peranan kritis terkait dengan stabilitas sistem. 27
'jurnat 'tiKpologi 'Uugantara 'Vol 4 J.O. I JuiuZUiXKlA-JU
Kedua, menghidupkan dan mematikan diesel. Dalam prakteknya terdapat kendala u n t u k mencegah siklus off/on yang berlebih dan kondisi ini a k a n bervariasi bergantung pada lokasi khususnya intensilas turbulensi. Untuk sistem dengan unit penyimpan misalnya minimal yang dapat mencakup beban sementara diesel di hidupkan, m a k a k e p u t u s a n u n t u k menghidupkan diesel dapat diambil berdasarkan frekuensi minimum yang dapat diterima, sedangkan yang paling rumit adalah k e p u t u s a n u n t u k mematikan diesel. Sejumlah kondisi berbeda didasarkan pada: • Waktu m i n i m u m diesel u n t u k beroperasi. Misalnya diesel h a r u s beroperasi paling sedikit selama waktu yang telah di setel sejak diesel tersebut dihidupkan sampai berhenti kembali; • Surplus daya yang d i b u t u h k a n ; • Perataan atau penapisan {filtering surplus daya angin. Dalam prakteknya, ketiga hal tersebut dapat digabungkan. 3 . 7 Kcsclamatan Konsumen Sistem wind-diesel harus memenuhi persyaratan s t a n d a r u n t u k keselamatan konsumen, p e n d u d u k m a u p u n operator. Beberapa contoh adalah : • Integrasi PLTB ke jaringan PLTD kecil dilakukan oleh pengembang independen. • Integrasi dilakukan oleh utilitas sendiri, atau. • Membangun s u a t u pembangkit winddiesel yang baru di daerah yang belum digunakan. 3.8 Manajemen Beban Masalah variabilitas daya angin pada dasarnya d a p a t di atasi dengan pengontrolan beban daripada mengupayakan penyesuaian pembangkitan daya ke konsumen dengan m e n a m b a h k a n unit penyimpan. Pendekatan lain adalah menghubungkan beban secara bergantian agar sepadan dengan daya yang tersedia, akan 28
tetapi bila diperlukan agar sifat-sifat sistem pemasok daya benar-benar harus transparan ke k o n s u m e n akhir sebagaimana diharapkan pada grid yang besar, m a k a pengontrolan beban mungkin tidak tepat, sehingga instalasi penyangga energi atau unit penyimpan benar-benar diperlukan. Akan tetapi tanpa penyimpanan energi yang besar u n t u k penetrasi angin yang signifikan, kelebihan energi h a r u s dialihkan ke beban pembuangan {dump-load) walaupun umumnya menghasilkan viabilitas ekonomi yang rendah. Dalam banyak pemakaian, permintaan yang nyata tidak selalu h a r u s terpenuhi; dan suatu cara adalah memanfaatkan daya lebih dengan baik. Dalam kenyataannya jika diberikan insentif ekonomi, banyak konsumen yang bersedia menjadwalkan kembali permintaannya [demand) agar sesuai dengan sistem pemasok atau mentoleransi ketcrbatasan pasokan. Hal ini akan memberikan fleksibilitas yang lebih baik bagi perancang. Kunci keberhasilan pengontrolan beban terletak pada k e m a m p u a n mengelompokkan beban-beban tersebut sesuai dengan prioritas permintaan. Hal ini akan m e m p e r m u d a h pengontrolan hidup-mati genset berdasarkan prioritas tersebut. Strategi manajemen beban di bagi dalam strategi jangka pendek dan jangka panjang. Dalam jangka pendek, pengalihan dapat terjadi dalam waktu yang sangat singkatyaitu orde milisekon. 4
PEMODELAN SiSTEM
Model simulasi u n t u k sistem winddiesel diperlukan u n t u k m e m b a n t u rancangan teknis d a n analisis ekonomi. Aplikasi selain hal tersebut adalah: • Interpretasi s e m u a jenis data eksperimental baik di laboratorium m a u p u n di lokasi; • Optimasi sistem sebelum menetapkan komponen atau perangkat keras. Hal ini akan sangat mengurangi biaya pengadaan dibandingkan dengan cara uji-coba;
• Dalam waktu singkat dapat mengidentifikasi sifat-sifat wind-diesel terh a d a p p e r u b a h a n angin d a n beban yang ekstrim; • Sebagai referensi atau pembanding terhadap p e m a s a n g a n di lokasi lain yang memiliki pola angin d a n beban yang berbeda; • Mempermudah mempelajari efek pemodelan dengan m e n g g u n a k a n skala dimensi (scaling] terhadap sifat-sifat dan prestasi keseluruhan. Model-model yang digunakan dapat berupa : • Model deret waktu (time series) g u n a mempelajari respons sistem terhadap gangguan (sebagai fungsi waktu) dalam data masukan yang u m u m n y a dijelaskan oleh sekumpulan persamaan differensial biasa dengan waktu sebagai variabel bebas; • Model Dinamik, u n t u k menganalisis kualitas daya, u k u r a n komponen dan stabilitas sistem dalam h u b u n g a n n y a dengan tegangan d a n frekuensi. Model dinamik juga menjelaskan transien listrik d a n mekanik d a n mewakili level-level rincian tertinggi k a r e n a h a r u s m a m p u mensimulasikan berbagai fenomana transien dalam komponen listrik. Aplikasi lainnya adalah u n t u k subsistem kontrol daya/tegangan reaktif dan daya/frekuensi reaktif; • Model prestasi j a n g k a pendek dan j a n g k a panjang, u n t u k mempelajari kesesuaian daya a n t a r a turbin angin, diesel d a n beban dalam j a n g k a pendek (sampai beberapa menit) hingga jangka panjang. Secara k h u s u s , model jangka panjang d i m a k s u d k a n u n t u k menentukan prestasi sistem keseluruhan dengan s a s a r a n u t a m a m e n a k s i r penghematan bahan b a k a r dibandingkan dengan bila sistem pembangkit hanya menggunakan genset Pemodelan ini mencakup turbin angin (hubungan a n t a r a daya d a n kecepatan angin), genset (konsumsi b a h a n b a k a r sebagai data m a s u k a n d a n keluaran daya yang u m u m n y a dianggap linear a t a u kuadratik), penyim29
banyak berupa PLTD/Diesel yang d a l a m operasinya membutuhkan biaya pemakaian b a h a n bakar yang tinggi termasuk pemeliharaan. Beberapa wilayah yang telah diidentifikasi antara lain, adalah Nusa Tenggara Timur, Sulawesi Selatan, Aceh d a n Nias yang memiliki kecepatan angin rata rata t a h u n a n a n t a r a 4,0-7,0 m / s . 7
PENUTUP
Terima kasih diucapkan kepada berbagai pihak yang telah memberikan d u k u n g a n d a t a d a n informasi dalam penulisan makalah ini, yaitu Pemerintah Kabupaten Kupang, Timor Tengah Selatan d a n Rote di wilayah NTT, WINDGUARD, Soluziana, DJLPE d a n LAPAN. Dengan informasi tersebut, analisis u n t u k implementasi sistem wind-diesel dapat did u k u n g oleh d a t a d a n informasi yang aktual dari berbagai wilayah tersebut. DAFTAR RUJUKAN
Daya nyata yang dipasok oleh generator sinkron bergantung pada faktordaya karena pasokan daya m a k s i m u m pada tegangan terminal yang konstan terutama ditentukan oleh nilai maksimum tegangan terbuka. 6
KESIMPULAN DAN SARAN
Pemanfaatan SKEA/turbin angin dengan sistem wind-diesel m e r u p a k a n s u a t u prospek yang baik di beberapa wilayah di Indonesia u n t u k penghematan b a h a n b a k a r yang lebih besar. Hal ini dapat dikembangkan karena sistem pembangkit di berbagai wilayah p a d a saat ini
30
AWEA, 1991. Wind-diesel Systems Architecture Guidebook, AWEA, Washington DS USA. BP Solar, 1993.Hybrid Power System, BP Solar. IEAP, 1990. Power Performace Testing; USA. Ray h u n t e r and George Elliot, 1994. Wind-diesel Systems'A Guide to the Technology and Its Implementation; Cambridge Univ Press, NY USA. Renewable Energy Group, 1993. Interactive Simulation of Renewable Electrical Energy Supply System (INSEL); Dept of Physics University of Oldenburg; Germany. Tim LAPAN, 1996. Sistem Simulasi Hibrida dan Otonomous; Putekgan LAPAN.
