SNTMUT - 2014
ISBN: 978-602-70012-0-6
STUDI PEMANFAATAN PEMBANGKIT LISTRIK HIBRID (ENERGI ANGINSURYA-DIESEL) DI KEPULAUAN SIMEULUE ACEH Razali Thaib dan Hamdani 1) Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Syiah Kuala Jln. Abrurrauf No. 7 Darusslam Banda Aceh 23111 E-mail:
[email protected] Abstrak Peningkatan pendapatan masyarakat desa Langi Kepulauan Simeulue Aceh hanya dapat dilakukan dengan jalan pemanfaatan potensi sumber energi terbarukan yang dimiliki desa tersebut untuk membangkitkan energi listrik. Letak Desa Langi dipesisir yang berhadapan dengan lautan lepas menyebabkan desa tersebut memiliki potensi energi angin yang sangat baik. Pada penelitian ini telah dilakukan studi pemanfaatan pembangkit listrik hibrid energi angin, energi surya dan generator diesel. Analisis dilakukan menggunakan software HOMER dengan dua skenario. Pertama radiasi matahari rata-rata adalah 2,5 kWh/m2/d, kecepatan angin 3,5 m/s, harga bahan bakar US$/L 1.5 dan minimum renewable fraction 20 % dan radiasi matahari adalah 2,5 kWh/m2/d, kecepatan angin 3,67 m/s, harga bahan bakar US$/L 1.7 dan minimum renewable fraction 40 %. Dari hasil simulasi diperoleh sistem hibrida energi angin–matahari-diesel yang mampu membangkitkan listrik dari sumber energy matahari sebesar 6%, energi angin sebesar 79 % dan 2 unit turbin angin adalah konfigurasi sistim yang ekonomi untuk digunakan. Kata kunci: Pembangkit listrik, Hibrid, Engergi Angin, Surya, Diesel, Simeulue, Aceh.
Pendahuluan Kabupaten Simeulue terletak pada posisi koordinat 02º15’- 02º55’ Lintang Utara (LU) dan 95º40’ – 96º30’ Bujur Timur (BT). Kabupaten ini terdiri dari sekitar 41 pulau besar dan kecil, termasuk pulau Simeulue dengan total luas wilayah mencapai 205.148,63 ha. Saat ini, wilayah kabupaten Simeulue dibagi dalam 8 (delapan) kecamatan, yaitu Simeulue Timur, Simeulue Tengah, Simeulue Barat, Teupah Selatan, Salang, Teupah Barat, Teluk Dalam dan Alafan (BPS Kab.Simeulue, 2010). Berdasarkan hasil studi yang dilakukan BRR NAD-Nias pada tahun 2008, diperoleh informasi bahwa ada 24 desa yang tersebar dalam 7 kecamatan di Kabupaten Simeulue yang belum memperoleh pelayanan energi listrik dari PLN, yang salah satunya adalah kecamatan Alfan (BRR NAD-Nias, 2008). Kecamatan Alfan dengan ibu kotanya desa Langi merupakan kecamatan yang letaknya mencapai 132 km dari ibukota kabupaten Simeulue. Sampai saat ini sarana transportasi yang dapat digunakan menuju desa tersebut ditempuh dengan transportasi darat dan laut. Penghasilan utama masyarakat desa Langi adalah sektor pertanian dan perikanan. Komoditi utama sektor pertanian adalah padi, kelapa dan cengkeh. Penyediaan energi listrikdi Desa Langi selama ini menggunakan generator listrik berbahan bakar diesel, yang menyebabkan tingginya biaya produksi energi listrik yang disebabkan harga bahan bakar lebih mahal 2 hingga 3 kali dari harga yang ditetapkan pemerintah. Peningkatan pendapatan masyarakat desa Langi hanya dapat dilakukan dengan jalan pemanfaatan potensi sumber energi terbarukan yang dimiliki desa tersebut untuk membangkitkan energi listrik. Letak Desa Langi dipesisir yang berhadapan dengan lautan lepas menyebabkan desa tersebut memiliki potensi energi angin yang sangat baik. Berdasarkan data Meteorologi dan Geofisika, kecepatan angin rata-rata pada bulan Juni hingga Agustus mencapai 5,472 m/s. Sedangkan distribusi kecepatan angin setiap tahunnya berkisar 4-6 m/s. Sehingga memungkinkan untuk penggunakan turbin angin dengan cut in speed 3 m/s potensi energi surya berkisar 4 hingga 5,5 kWh/m2 perhari. Letak desa Langi yang jauh dari sumber listrik yang ada, menyebabkan kurangnya minat masyarakat untuk mengembangkan kegiatan ekonomi produktif di perdesaan. Namun demikian, kondisi geografis desa Langi yang berada pada salah satu wilayah Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014
KE16 - 1
SNTMUT - 2014
ISBN: 978-602-70012-0-6
semenanjung pulau Simeulue memiliki potensi untuk pengembangan pembangkit listrik tenaga angin dan pembangkit listrik tenaga surya. Penelitian ini akan melakukan studi pemanfaatan potensi energi terbarukan terutama energi angin dan energi surya yang menjadi program premerintah saat ini untuk pembangkit listrik di desa Langi Kepulauan Simeulue Provinsi Aceh. Studi Pustaka Kabupaten Simeulue dengan ibukotanya Sinabang terletak di sebelah baratdaya Provinsi Aceh, berjarak 105 Mil laut dari Meulaboh Kabupaten Aceh Barat atau 85 Mil Laut dari Tapak Tuan Kabupaten Aceh Selatan serta berada pada koordinat 2°15’ - 2°55’ Lintang Utara dan terbentang dari 95°40’sampai dengan 96°30’ Bujur Timur. Kabupaten Simeulue merupakan gugusan kepulauan yang terdiri dari 41 buah pulau besar dan kecil. Pulau yang terbesar adalah Pulau Simeulue yang yang panjangnya ± 100,2 Km dengan lebar berkisar antara 8-20 Km. Pulau Simeulue memiliki luas 199.502 Ha atau ± 94 % dari 212.512 Ha luas keseluruhan Kabupaten Simeulue. Desa Langi merupakan ibukota dari Kecamatan Alafan yang mempunyai 182 kepala keluarga dengan jumlah penduduk 831 orang yang terdiri dari 386 orang laki-laki 445 orang perempuan. Mata pencarian utama petani dan nelayan. Desa Langi memiliki jumlah bangunan rumah tempat tinggal mencapai 182 buah.Jumlah rumah tersebut terbagi atas 17 buah rumah dengan klasifikasi rumah besar dan 165 rumah sisanya adalah rumah kecil atau sedang. Bangunan lainnya yang memanfaatkan energi listrik untuk keperluannya adalah 1 rumah ibadah (mesjid), 1 puskesmas dan lampu penerangan jalan. Energi Angin Energi angin pada dasarnya bersumber dari energi surya, hal ini disebabkan oleh angin merupakan hasil dari tidak meratanya distribusi temperatur di tiap area yang berbeda pada permukaan bumi.pergerakan massa udara atau angin ini menghasilkan energi mekanik yang dapat digunakan untuk menggerakan turbin angin dan generator. Energi angin pada prinsipnya merupakan energi kinetik dari alam yang dihasilkan dari pergerakan molekul udara. Energi angin sangat dipengaruhi oleh densitas udara (ρ) yang bergerak dengan kecepatan (V) melalaui luas penampang (A) pada rentang waktu tertentu sehingga dapat dihitung mengikuti persamaan berikut: = × ×V ×
(1)
Energi angin yang diserap oleh rotor turbin dapat direpresentasikan berdasarkan persamaan berikut: = × × =
(
× .
)×(
(2) )
(3)
dimana: ρ = densitas udara (1,2929 kg/m3) pada temperature 0 °C dan pada permukaan laut A = luas area sapuan rotor atau sudu turbin (m2) Cp = koefisien daya, daya luaran dari turbin angin per daya yang tersedia di angin atau efisiensi rotor v1 = kecepatan angin yang dihasilkan oleh aliran udara saat bertemu sudu turbin v2 = kecepatan angin yang dihasilkan oleh aliran udara saat meninggalkan sudu turbin Energi surya Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014
KE16 - 2
SNTMUT - 2014
ISBN: 978-602-70012-0-6
Energi surya merupakan hasil konversi langsung sinar matahari menjadi listrik melalui modul-modul berupa sel surya atau fotovoltak (PV). Sel surya adalah piranti semikonduktor yang dapat merubah cahaya secara lansung menjadi menjadi arus listrik searah (DC) dengan menggunakan kristal silicon (Si) yang tipis. Daya maksimum yang dihasilkan oleh sel surya yang ideal berdasarkan karakteristik I-V dapat dinyatakan dengan persamaaan berikut, =
×
(4)
Sistem Hibrida Sistem pembangkit listrik hibrida yang memanfaatkan energi terbarukan sebagai pembangkit dapat diklasifikasikan dalam dua bentuk konfigurasi yaitu series hybrid systemdan parallel hybrid system, sebagaimana yang ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Komponen sistem pembangkit energi hibrida (Mahdi Sadiqi. 2012)
Pada parallel hybrid system, generator diesel dan bank baterai bersama-sama secara paralel menyuplai beban. Parallel hybrid system menggunakan inverter dua arah (bi-directional) yang dapat berfungsi sebagai inverter dan sebagai charger dan regulator. Saat daya beban lebih rendah dari daya bank baterai, maka beban disuplai oleh baterai melalui bi-directional inverter (yangberfungsi sebagai inverter) sedangkan generator diesel dipadamkan. Pada saat daya beban melebihi daya baterai namun lebih kecil dari daya generator diesel, generator diesel dinyalakan untuk mensuplai beban dan mengisi baterai dengan kelebihan dayanya. Pada saat ini bi-directional inverter berfungsi sebagai regulator dan charger. Pada saat daya beban lebih tinggi dari daya generator diesel, generator diesel tetap menyuplai beban sedangkan bi-directional inverter kembali berfungsi menjadi inverter lalu bersama-sama secara parallel menyuplai beban. Program Aplikasi HOMER HOMER merupakan singkatan dari The Hybrid Optimisation Model for Electric Renewables. HOMER adalah sebuah model komputer yang dikembangkan oleh The National Renewable Energy Laboratory (NREL) Amerika Serikat. HOMER mensimulasikan dan mengoptimalkan sistem pembangkit listrik baik stand-alone maupun grid-connected yang dapat terdiri dari kombinasi turbin angin, photovolaic, mikrohidro, biomassa, generator (diesel/bensin), microturbine, fuel-cell, baterai, dan penyimpanan hidrogen. Program ini juga dapat digunakan untuk melayani beban listrik maupun termal (Lambert, et al 2006).
Metodelogi Penelitian Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014
KE16 - 3
SNTMUT - 2014
ISBN: 978-602-70012-0-6
Pelaksanaan penelitian mengikuti alur yang tertera pada diagram alir penelitian sebagaimana berikut: 1. Pengumpulan data awal mengenai kebutuhan energi listrik di Desa Langi. Dilanjutkan dengan pembuatan daftar beban listrik dan profil beban dengan menghitung dan mempertimbangkan beban puncak dan konsumsi energi perhari. 2. Studi potensi energi angin dan radiasi matahar bersumber pada data Surface Meteoroloty and Solar Energy (SMSE) yang diterbitkan oleh NASA. 3. Desain system program Homer, dilakukan dengan memasukkan parameter awal berapa besaran daya, jenis dan biaya generator diesel dan konberter, data rata-rata radiasi matahari dan angin. Penentuan kaji ekonomi berupa penentuan biaya investasi awal, biaya pengembalian, biaya operasional dan biaya perawatan. Penentuan suplai energi yang harus dipenuhi dan dampak terhadap lingkungan dengan menentukan besar emisi gas rumah kaca (EGRK). Hasil dan Pembahasan Desa Langi Kepulauan Simeulue didiami oleh 182 kepala keluarga dengan jumlah bangunanrumah tempat tinggal mencapai 182 buah.Jumlah rumah tersebut terbagi atas 17 buah rumah dengan klasifikasi rumah besar dan 165 rumah sisanya adalah rumah kecil atau sedang. Bangunan lainnya yang memanfaatkan energi listrik untuk keperluannya adalah 1 rumah ibadah (mesjid), 1 puskesmas dan lampu penerangan jalan.Hasil perhitungan kebutuhan energi dapat ditabulasikan sebagaimana terlihat dalam tabel 1. Tabel 1. Kebutuhan Energi Listrik Desa Langi No. 1. 2. 3. 4.
Kebutuhan Perumahan Penduduk Fasilitas Umum Penggunaan oleh industri kecil Pengembangan masa depan (20%) Total Kebutuhan Daya listrik
Total (watt) 91.000 3.300 9.430 20.746 124.476
Profil beban kebutuhan listrik setiap hari diperkirakan terjadi pada jam 19.00 sampai dengan jam 22.00. Selanjutnya penggunaan listrik mulai berkurang dimana hanya untuk penerangan saja berlaku hingga jam 5.00 pagi. Peningkatan penggunaan listrik dimulai kembali pada jam 6.00 pagi seiring dengan dimulainya kembali aktivitas masyarakat. Pada penelitian ini generator diesel yang digunakan adalah generator AC. Daya generator yang ditetapkan sesuai dengan kebutuhan beban puncak, pada penelitian ini daya generator yang disimulasikan terdiri dari 2 buah generator dengan kapasitas generator pertama yang dipilih sebagai masukan simulasi HOMER adalah 100 kW, 110 kW dan 120 kW. Sedangkan generator kedua 30 kW, 35 kW dan 40 kW.Harga dasar daya generator untuk kapasitas 1 kW dengan biaya investasi awal sebesar Rp. 15.000.000,- (US$ 1,521) dan biaya pengembalianya (replacement costs) sebesar Rp. 14.500.000,- (US$ 1,475). Biaya operational dan perawatan sebesar Rp. 118,- per jam (US$/hr 0.012). Umur operasional generator diesel diperkirakan 20.000 jam operasi. Harga bahan bakar diesel diprediksi adalah Rp. 11.000,- per liter (US$/ltr 1,2). Konverter yang digunakan berkapasitas 1 kW dengan biaya investasi awal sebesar Rp. 9.000.000,- (US$ 900) dan biaya pengembalianya (replacement costs) sebesar Rp. 8.500.000,- (US$ 850). Tidak ada biaya operational dan perawatan yang dibebankan.Umur operasional konverter diperkirakan hingga berakhir operasi yaitu15 tahun. Pada studi ini direncanakan 1 unit panel surya dengan kapasitas 1 kW.Jenis surya paenl yang digunakan adalah surya panel DC. Biaya investasi awal panel surya sebesar Rp. 35.000.000,- (US$ 3,500) dan biaya pengembalianya (replacement costs) sebesar Rp. 30.000.000,- (US$ 3,000). Biaya operational dan perawatan sebesar Rp. 250.000,Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014
KE16 - 4
SNTMUT - 2014
ISBN: 978-602-70012-0-6
per jam (US$/hr 25). Umur operasional surya panel diperkirakan hingga berakhirnya operasi yaitu sekitar 20 tahun. Gambar 2 memperlihatkan hasil perhitungan distribusi kecepatan angin dimana kecepatan angin maksimum terjadi pada bulan Juni sampai Agustus, dan kecepatan angin rata-rata 5,472 m/s. Dan dari distribusi Weibull diperoleh kecepatan angin 3 m/s kemungkinan dapat terjadi dengan frekuensi diatas 11 %, maka dapat disimpulkan turbin angin dengan cut in speed 3 m/s layak untuk dipasang di desa Langi kabupaten Simeulue. Scaled data Monthly Averages
12 8 4 0
Jan
Feb
Mar
Apr May Jun
Jul
Month
Aug Sep
Scaled data PDF
12 max daily high mean daily low min
Oct
Nov Dec Ann
F re q u e n c y (% )
A v e ra g e V a lu e ( m /s )
16
9 6 3 0
0
4
8
12
16
Value (m/s) Win d speed data
Best-fit Weib ull (k=2.00, c=4.14 m/s)
Gambar 2. Distribusi Kece[atan angin dan distribusi Weibull Biaya turbin angin sangat dipengaruhi oleh teknologi yang digunakan dan tinggi tiang turbin. Biaya kerja sipil dan pemasangan turbin angin juga bervariasi tergantung pada kondisi lokasi dan ukuran turbin.Pada penelitian ini, turbin angin yang dipilih sebagai reverensi pada simulasi HOMER dengan daya 30 kW bertipe AC. Biaya investasi awal turbin angin sebesar Rp. 295.500.000,- (US$ 30,000) dan biaya pengembalianya (replacement costs) sebesar Rp. 290.000.000,- (US$ 29,500). Biaya operational dan perawatan sebesar Rp. 119.000,- per jam (US$/hr 12). Umur operasional turbin angin diperkirakan hingga berakhirnya operasi yaitu sekitar 20 tahun. Gambar 3. Memperlihatkan rangkaian sistem pembangkit listrik hibrid yang direncanakan untuk penyedia listrik di Desa Langi Kepulauan Simeulue.
Gambar 3. Rangkaian sistem pembangkit listrik hibrid Simulasi dilakukan dengan dua skenario. Pertama radiasi matahari rata-rata adalah 2,5 kWh/m2/d, kecepatan angin 3,5 m/s, harga bahan bakar US$/L 1.5 dan minimum renewable fraction 20 %. Hasil simulasi ditunjukkan dalam Gambar 4.
Gambar 4. Hasil simulasi skenario pertama
Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014
KE16 - 5
SNTMUT - 2014
ISBN: 978-602-70012-0-6
Pada skenario kedua, radiasi matahari adalah 2,5 kWh/m2/d, kecepatan angin 3,67 m/s, harga bahan bakar US$/L 1.7 dan minimum renewable fraction 40 %. Hasil simulasi ditunjukkan dalam Gambar 5.
Gambar 5. Hasil simulasi skenario pertama Kesimpulan Hasil penelitian kaji prospek pemanfaatan energi angin dan matahari untuk pembangkit energi listrik dalam usaha menurunkan ketergantungan pada bahan bakar fosil di Desa Langi Kepulauan Simeulue dapat disimpulkan : 1. Penggunaan sistem hibrida energi angin–matahari-diesel dengan 6 % matahari, 79 % angin yang didukung oleh 2 unit turbin angin adalah konfigurasi sistim yang ekonomi untuk digunakan. 2. Biaya pengadaan bahan bakar jika listrik dibangkitkan oleh generator seluruhnya akan membutuhkan biaya penggunaan bahan bakar berkisar pada USD 0,79 per kWh. Daftar Pustaka BPS Kabupaten Simeulue, 2010, Simuelue Dalam Angka, Simelue Provinsi Aceh BRR NAD-Nias, 2008, Laporan Studi Potensi Energi Listrik Alternatif di Pedesaan Provinsi Nanggroe Aceh Darusslaam, Banda Aceh Gilman, P., Lambert, T. 2005. Homer the micropower optimization model software started guide. National Renewable Energy Laboratory of United States Government. Mahdi Sadiqi. 2012. Basic Design And Cost Optimization Of A Hybrid Power System In Rural Communities In Afghanistan, Thesis Master of Science, Department of Electrical and Computer Engineering, College of Engineering. Kansas State University, Manhattan, Kansas.
Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014
KE16 - 6
