STUDI KELAYAKAN POTENSI ENERGI ANGIN DI WILAYAH SURAKARTA, INDONESIA
SKRIPSI Ditujukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
Oleh: ARNOLD THAMRIN HALOMOAN NIM. I0410009
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2016
HALAMAN PENGESAHAN STUDJI KELAYAKAN POTENSI ENERGI ANGIN DI WILAYAH SURAKARTA, INDONESIA
Disusun oleh: Arnold Thamrin Halomoan I0410009
Dosen Pembimbing I
D. Danardono D. P. T., S.T., M.T., Ph. D.
Dosen Pembimbing II
Prof. Dr. Dwi Aries Himawanto, S.T., M.T.
NIP. 196905141999031001
NIP. 197403262000031001
Telah diseminarkan dihadapan Tim Dosen Penguji pada hari
1.
Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T.,M.T NIP. 197106151998021002
:………………………….
2.
Dr. Budi Santoso, S.T.,M.T NIP. 197011052000031001
:………………………….
3.
Purwadi Joko Widodo, S.T., M. Kom NIP. 197301261997021001
:.........................................
Ketua Jurusan Teknik Mesin
Koordinator Tugas Akhir
Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T.,M.T NIP. 197106151998021002
Dr. Nurul Muhayat, S.T., M.T. NIP. 197003231998021001
ABSTRAK STUDI KELAYAKAN PEMANFAATAN ENERGI ANGIN DI WILAYAH SURAKARTA, INDONESIA Arnold Thamrin Halomoan Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Kian hari tuntutan untuk mengubah kebiasaan pemakaian energi tidak dapat diperbarui semakin meningkat dikarenakan semakin menipisnya kuantitas energi tersebut. Angin muncul sebagai salah satu sumber energi alternatif yang menjanjikan. Pada penelitian ini dilakukan studi analisis kelayakan energi angin sebagai sumber energi alternatif terbaru di wilayah Surakarta. Potensi pembangkitan daya angin dianalisis secara statistik. Data kecepatan rata-rata angin harian dari tahun 2011 hingga 2015 digunakan dan dianalisis untuk menentukan potensi daya angin yang tersedia. Data angin disajikan dengan memodifikasi kecepatan angin pada elevasi 50 m dan kekasaran permukaan disesuaikan dengan kondisi permukaan wilayah. Nilai numerik parameter bentuk nondimensi Weibull (k) dan parameter skala Weibull (c) ditentukan. Nilai tahunan k berkisar pada 2.571 dan 3.031 dengan nilai rata-rata 2.701, sedangkan nilai tahunan c berkisar pada 5.312 dan 6.819 dengan nilai selama 5 tahun adalah 5.680 (m/s). Dengan rata-rata densitas daya angin kurang dari 200 W/m2, kota Surakarta cocok untuk turbin angin skala kecil yang menyuplai kebutuhan energi rumah tangga dan sistem mekanis berpenggerak angin. Selain itu, pada penelitian ini dibuat peta angin dan diagram wind rose kota Surakarta untuk menentukan wilayah yang berpotensi dijadikan tempat pembuatan turbin dan sebagai referensi pemilihan teknologi turbin yang tepat. Dari wind rose diagram didapatkan dari titik pengumpulan data, angin paling banyak bertiup ke selatan dengan rata-rata frekuensi 38% selama 5 tahun terakhir. Selain itu, peta angin menunjukkan daerah utara dan timur kota memiliki nilai kecepatan rata-rata rendah pada kisaran 2-6 m/s namun berpotensi untuk dipasang turbin angin skala kecil dikarenakan ketinggian wilayah yang tinggi dan banyak lahan kosong untuk instalasi turbin, sedangkan daerah selatan dan barat kota memiliki kecepatan rata-rata angin yang cukup besar pada 8-10 m/s namun berada pada ketinggian wilayah yang rendah dan tidak adanya lahan untuk instalasi turbin serta padatnya bangunan tinggi sehingga diperlukan teknologi turbin yang mengintegrasikan bangunan pada instalasi.
Kata kunci: Surakarta, angin, kecepatan angin, power law, distribusi Weibull, daya angin, energi angin, peta angin, diagram wind rose.
ABSTRACT
UTILIZATION OF WIND ENERGY FEASIBILTY STUDY FOR CITY OF SURAKARTA, INDONESIA Arnold Thamrin Halomoan Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Demands to change non-renewable energy consumption habits is further increasing due to the depletion of this energy quantity. Wind appears as one of the promising alternative yet renewable energy sources. In this research, the feasibility study of wind energy as an alternative energy of Surakarta was investigated. The potential of wind power generation was statistically analyzed. Then daily mean wind speed from 2011 until 2015 was adopted and analyzed in order to determine the potential of wind power generation. The wind data is presented which modified with 50 m elevation and terrain roughness adjusted based on the surface of the area. The numerical values of the dimensionless Weibull shape parameter (k) and Weibull scale parameter (c) were determined. Annual values of k ranged from 2.571 to 3.031 with a mean value of 2.701, while annual values of c ranged from 5.312 to 6.819 with a mean value for 5 years at 5.680 (m/s). With the average wind power density less than 200 W/m2, Surakarta is suitable for small scale wind turbine which supplies household energy demand and mechanical wind driven system. Moreover, wind map and wind rose diagram of Surakarta were made to determine the potential areas for turbine installations and as a reference for choosing the most suitable turbine technologies. Wind rose diagram shows that from data collection point, wind mostly blows to south direction with average frequency at 38% in the last five years. Meanwhile, the wind map shows that in the northern and eastern part of the city have a low mean wind speed at a range between 2-6 m/s but have a potential for small scale wind turbines to be installed due to the high altitude areas and a lot of vacant land for turbine installation, whereas the southern and western part of the city have a respectable mean wind speed at 8-10 m/s but are at lower elevation areas and the lack of land for turbine installation also the dense of the tall buildings which makes building integrated wind turbines necessary.
Keywords: Surakarta, wind, wind velocity, power law, Weibull distribution, wind power, wind energy, wind map, wind rose diagram.
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur kehadirat Tuhan Yesus yang telah memberikan rahmat serta karunia-Nya kepada penulis sehingga mampu menyelesaikan penyusunan skripsi dengan judul “Studi Kelayakan Potensi Energi Angin di Wilayah Surakarta, Indonesia”. Skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat untuk menyelasaikan jenjang pendidikan strata satu (S1) di jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret. Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih atas segala bantuan dan perhatian selama melaksanakan riset dan penyusunan skripsi. Untuk itu penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
Bapak D. Danardono Dwi Prija T., S.T., M.T., Ph.D. selaku dosen pembimbing I yang telah memberikan inspirasi dan bimbingan dalam menyelesaikan penulisan skripsi ini;
Bapak Prof. Dr. Dwi Aries Himawanto, ST, MT selaku dosen pembimbing II yang telah memberikan inspirasi dan bimbingan dalam menyelesaikan penulisan skripsi ini;
Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T.,M.T., Bapak Dr. Budi Santoso, S.T.,M.T., dan Bapak Purwadi Joko Widodo, S.T., M. Kom. selaku dosen penguji tugas akhir yang telah memberi mengevaluasi dan memberi saran yang membangun terhdapa tugas akhir saya;
Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T.,M.T selaku ketua jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret;
Seluruh Dosen Teknik Mesin yang telah memberikan ilmu, inspirasi dan motivasi selama menjalani proses perkuliahan;
Papa, Mama, dan seluruh keluarga yang telah memberikan doa restu, motivasi, dan dukungan material maupun spiritual selama proses perkuliahan;
Rekan seperjuangan teknik mesin angkatan 2010 dan seluruh angkatan lainnya, atas waktu, bantuan moral, materi dan motivasinya selama ini semoga Tuhan membekati;
Rekan Paduan Suara Mahasiswa Voca Erudita yang telah menjadi keluarga kedua selama berkuliah di Universitas Sebelas Maret dan memberikan pengalaman baru bagi saya;
Semua pihak yang telah membantu dalam proses pembuatan skripsi ini. Walaupun penulis tidak bisa menyebutkan satu persatu, tetapi kontribusi anda sekalian begitu berarti.
Penulis telah berusaha menampilkan apa yang terbaik dengan semampunya, dan penulis berharap semoga skripsi ini bermanfaat dan dapat menambah wawasan bagi yang membacanya. Penulis menyadari masih terdapat banyak kekurangan, oleh karena itu saran dan kritik penulis harapkan untuk menghasilkan karya berikutnya yang lebih baik lagi.
Surakarta,
Arnold Thamrin Halomoan
DAFTAR ISI HALAMAN PENGESAHAN ......................................................................... 1 ABSTRAK ..................................................................................................... ii KATA PENGANTAR .................................................................................... iv DAFTAR ISI .................................................................................................. vi DAFTAR GAMBAR...................................................................................... ix DAFTAR TABEL .......................................................................................... xi DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................. xii BAB I PENDAHULUAN .............................. Error! Bookmark not defined. 1.1
Latar Belakang ........................... Error! Bookmark not defined.
1.2
Perumusan Masalah ................................................................... 4
1.3
Tujuan Penelitian ....................................................................... 5
1.4
Batasan Masalah ........................................................................ 5
1.5
Manfaat Penelitian ..................................................................... 6
1.6
Sistematika Penulisan................................................................. 6
BAB II TINJAUAN PUSTAKA .................................................................... 7 2.1
Tinjauan Pustaka ....................................................................... 7
2.1.1 Energi alternatif............................................................................ 7 A.
Definisi angin ............................................................................... 8
B.
Korelasi antara energi angin dan kebutuhuan energi masa kini...... 9
2.1.2 Sumber Daya Energi Angin ........................................................ 11 A.
Definisi ...................................................................................... 11
B.
Sistem Konversi Energi Angin (SKEA)Error!
Bookmark
not
defined. C.
Pengukuran Angin ........................ Error! Bookmark not defined.
D.
Karakteristik Angin di Lingkungan Perkotaan ............................ 14
2.1.3 Turbin Angin.............................................................................. 17 2.2
Dasar Teori .............................................................................. 22
2.2.1
Peta Angin ................................................................................ 22
2.2.2
Diagram Wind Rose ................................................................... 23
BAB III METODE PENELITIAN ............................................................... 25 3.1
Tempat Pelaksanaan ................................................................ 25
3.2
Pengambilan Data Sekunder.................................................... 26
3.2.1 Atmospheric Boundary Layer ..................................................... 26 3.3
Penentuan Metode Pemetaan Angin ........................................ 26
3.4
Pengolahan Data Untuk Menganalisis Potensi Energi ............ 27
3.4.1 Variasi Kecepatan Angin Berdasarkan Ketinggian ...................... 27 3.4.2 Kecepatan Angin Rata-Rata........................................................ 28 3.4.3 Distribusi Weibull ...................................................................... 29 3.4.4 Estimasi Daya Angin .................................................................. 32 3.4.5 Densitas Energi Angin ................................................................ 34 3.4.6 Kecepatan Angin Frekuensi Terbanyak dan Kecepatan Angin Optimal............................................................................ 35 3.5
Pembuatan Peta Angin dan Diagram Wind Rose .................... 36
3.5.1 Pembuatan Peta Angin................................................................ 35 3.5.2 Pembuatan Diagram Wind Rose .................................................. 37 3.6
Penentuan Referensi Teknologi Turbin Angin........................ 37
3.7
Alat Analisis Potensi Energi Angin .......................................... 39
3.8
Diagram Alir Penelitian ........................................................... 42
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ....................................................... 43 4.1
Hasil Perhitungan Data Sekunder ........................................... 43
4.1.1 Estimasi Kecepatan Angin di Wilayah Surakarta ........................ 43
4.1.2 Kecepatan Rata-Rata Angin ........................................................ 44 4.1.3 Distribusi Weibull ...................................................................... 46 4.1.4 Perhitungan Densitas Daya dan Energi Angin ............................. 53 4.2
Diskusi dan Pembahasan.......................................................... 53
4.2.1 Distribusi Weibull ...................................................................... 53 4.2.2 Potensi Sumber Daya Angin di Wilayah Surakarta ..................... 55 4.2.3 Potensi Pemanfaatan Energi Angin di Wilayah Surakarta ........... 58 4.2.4 Pemilihan teknologi turbin angin berdasarkan nilai rata-rata Vf dan Ve ..................................................................................... 64 BAB V PENUTUP 5.1
Kesimpulan ............................................................................... 65
5.2
Saran ......................................................................................... 66
REFERENSI .............................................................................................. 67 LAMPIRAN
.............................................................................................. 72
DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1
Grafik Produksi dan Konsumsi Minyak Indonesia (19652012)...............................................................................
Gambar 1.2
Rata-Rata Kecepatan Angin pada Region-Region Berbeda di Seluruh Dunia (2003) ..................................................
Gambar 2.1
3
Estimasi permintaan dunia terhadap energi primer periode 1990-2035 .......................................................................
Gambar 2.2
2
9
(a) Konsumsi tenaga listrik per kapita dan per pelanggan; (b) Grafik konsumsi per kapita nasional ..........................
10
Gambar 2.3
Produksi dan pembelian tenaga listrik PLN .....................
11
Gambar 2.4
Perbandingan carbon footprint dari beberapa sumber energi alternatif ...............................................................
Gambar 2.5
Flagging, efek dari angin yang kuat pada vegetasi dapat menentukan .....................................................................
Gambar 2.6
13 14
(a) Pendekatan diagramatik profil kecepatan angin pada daerah terbuka; (b) tatanan perkotaan ..............................
15
Gambar 2.7
Aliran angin di sekitar bangunan tinggi ...........................
15
Gambar 2.8
Lokasi yang diajukan untuk meletakkan turbin angin menghindari area turbulensi tinggi ..................................
Gambar 2.9
16
Pengaruh ketinggian menara terhadap daya yang ditangkap ........................................................................
17
Gambar 2.10 Jenis turbin angin berdasarkan jumlah sudu ...................
18
Gambar 2.11 Jenis-jenis turbin angin vertikal axis darrieus ..................
20
Gambar 2.12 Prinsip rotor savonius ......................................................
21
Gambar 2.13 Tipe rotor savonius ..........................................................
21
Gambar 2.14 (a) Rotor Savonius U; (b) Rotor Savonius L ....................
22
Gambar 2.15 Peta angin global .............................................................
22
Gambar 2.16 Peta angin CDC wilayah Surakarta ..................................
23
Gambar 2.17 Contoh diagram wind rose ...............................................
24
Gambar 3.1
Peta administrasi kota Surakarta ......................................
25
Gambar 3.2
Grafik fungsi probability density ....................................
30
Gambar 3.3
Grafik fungsi cumulative distribution ..............................
30
Gambar 3.4
Peta RBI Kota Surakarta .................................................
36
Gambar 3.5
Software WRPLOT View (Wind Rose Plots for Meteorological Data) ......................................................
39
Gambar 3.6
Software ArcMap: ArcGIS Tools.....................................
39
Gambar 3.7
Sensor anemometer BMKG .............................................
39
Gambar 3.8
Windtracker ....................................................................
40
Gambar 3.9
Diagram alir penelitian ....................................................
42
Gambar 4.1
Frekuensi kejadian angin di wilayah Surakarta ................
45
Gambar 4.2
Kurva distribusi Weibull metode standar deviasi: (a) fungsi probabilitas densitas; (b)
fungsi distribusi
kumulatif.........................................................................
49
Gambar 4.3
Fungsi linear data angin 2011-2015 .................................
51
Gambar 4.4
Kurva distribusi Weibull metode grafik: (a) fungsi probabilitas densitas; (b) fungsi distribusi kumulatif ........
Gambar 4.5
Perbandingan hasil distribusi kumulatif menggunakan metode standar deviasi dan metode grafik .......................
Gambar 4.6
54
Potensi ketersediaan daya angin per bulan kota Surakarta tahun 2011-2015 .............................................................
Gambar 4.7
52
55
Variasi bulanan wind power density (WPD) untuk sepanjang tahun (2011-2015) ..........................................
56
Gambar 4.8
Peta ketinggian Kota Surakarta........................................
58
Gambar 4.9
Peta angin kota Surakarta tahun 2011-2015; (a) bulan kering (b) bulan basah .....................................................
59
Gambar 4.10 Diagram wind rose Surakarta tahun 2011-2015 ...............
61
Gambar 4.11 Peta bangunan tinggi kota Surakarta ................................
63
DAFTAR TABEL Tabel 2.1
Indeks deformasi Griggs-Putnam ....................................
14
Tabel 3.1
Klasifikasi kelas potensi energi angin ..............................
27
Tabel 3.2
Nilai tipikal untuk zG dan α beberapa kondisi permukaan
28
Tabel 3.3
Klasifikasi daya angin pada ketinggian 50 m ...................
34
Tabel 3.4
Tipe turbin angin .............................................................
38
Tabel 3.5
Spesifikasi sensor anemometer ........................................
40
Tabel 3.6
Spesifikasi windtracker ...................................................
41
Tabel 4.1
Contoh hasil perhitungan variasi kecepatan angin bulan Januari 2011 ....................................................................
Tabel 4.2
Kecepatan rata-rata angin wilayah Surakarta tahun 20112015 ................................................................................
Tabel 4.3
51
Daya angin Weibull dan produksi energi tahunan Surakarta .........................................................................
Tabel 4.7
48
Parameter Weibull dan kecepatan karakteristik metode grafik di wilayah Surakarta (2011-2015) .........................
Tabel 4.6
47
Parameter Weibull dan kecepatan karakteristik metode standar deviasi di wilayah Surakarta (2011-2015)............
Tabel 4.5
46
Kecepatan angin angin dan standar deviasi tahunan wilayah Surakarta............................................................
Tabel 4.4
44
53
Wind power density (WPD), kecepatan angin, dan standar deviasi tiap bulan tahun 2011-2015 .................................
57
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1
Data mentah penelitian
Lampiran 2
Pemetaan analisis data kota Surakarta
Lampiran 3
Wind rose diagram Kota Surakarta
DAFTAR NOTASI Variabel Latin A
= Luas area
(m2)
c
= Parameter skala distribusi Weibull
(m/s)
dE
= Inkrementasi energi angin
(watt)
dt
= Inkrementasi waktu
(detik)
dx
= Inkrementasi lintasan yang ditempuh angin
(m)
E
= Energi kinetik angin
(Joule)
E/A
= Densitas energi angin
(kWh/m2/tahun)
F (v)
= Cumulative distribution function
(non-dimensional)
f (v)
= Probability density function
(non-dimensional)
i
= Indeks atau nomor sample
(non-dimensional)
k
= Parameter bentuk distribusi Weibull
(non-dimensional)
metG
= Gradien ketinggian peak boundary layer BMKG (m)
met10 = Ketinggian standar observasi 10 m di BMKG
(m)
n
= Jumlah data pengukuran
(non-dimensional)
P
= Daya angin
(watt)
P/A
= Densitas energi angin
(watt/m2)
t
= Lama angin berhembus dengan kecepatan Vi
(detik)
V, Vm = Kecepatan rata-rata angin
(m/s)
Ve
= Kecepatan angin optimal
(m/s)
Vf
= Kecepatan angin frekuensi terbanyak
(m/s)
Vi
= Kecepatan angin hasil observasi
(m/s)
Vz
= Kecepatan angin pada ketinggian tertentu
(m/s)
WPD = Densitas energi angin
(watt/m2)
x
= Lintasan yang ditempuh angin dalam suatu waktu (m)
Z
= Ketinggian pengukuran kecepatan angin
(m)
ZG
= Gradien ketinggian peak bound. layer Surakarta
(m)
Variabel Yunani α
= Eksponen power law
(non-dimensional)
Γ(x)
= Fungsi Gamma
(m/s)
Δt
= Durasi rata-rata waktu jangka panjang
(hari)
ρ
= Densitas udara
(kg/m3)
Ʃ
= Operator penjumlahan
(non-dimensional)
σ, σv
= Standar deviasi distribusi angin
(Joule)
