Embed Size (px)
Citation preview
i Matius Sau, dkk
ii Matius Sau, dkk
Sanksi Pelanggaran Hak Cipta UNDANG-UNDANG REPUBLIK INDONESIA
NOMOR 28 TAHUN 2014 TENTANG HAK CIPTA
Ketentuan Pidana
Pasal 113
(1) Setiap Orang yang dengan tanpa hak melakukan pelanggaran hak ekonomi sebagaimana dimaksud dalam Pasal 9 ayat (1) huruf i untuk Penggunaan Secara Komersial dipidana dengan pidana penjara paling lama 1 (satu) tahun dan/atau pidana denda paling banyak Rp100.000.000 (seratus juta rupiah).
(2) Setiap Orang yang dengan tanpa hak dan/atau tanpa izin Pencipta atau pemegang Hak Cipta melakukan pelanggaran hak ekonomi Pencipta sebagaimana dimaksud dalam Pasal 9 ayat (1) huruf c, huruf d, huruf f, dan/atau huruf h untuk Penggunaan Secara Komersial dipidana dengan pidana penjara paling lama 3 (tiga) tahun dan/atau pidana denda paling banyak Rp500.000.000,00 (lima ratus juta rupiah).
(3) Setiap Orang yang dengan tanpa hak dan/atau tanpa izin Pencipta atau pemegang Hak Cipta melakukan pelanggaran hak ekonomi Pencipta sebagaimana dimaksud dalam Pasal 9 ayat (1) huruf a, huruf b, huruf e, dan/atau huruf g untuk Penggunaan Secara Komersial dipidana dengan pidana penjara paling lama 4 (empat) tahun dan/atau pidana denda paling banyak Rp1.000.000.000,00 (satu miliar rupiah).
(4) Setiap Orang yang memenuhi unsur sebagaimana dimaksud pada ayat (3) yang dilakukan dalam bentuk pembajakan, dipidana dengan pidana penjara paling lama 10 (sepuluh) tahun dan/atau pidana denda paling banyak Rp4.000.000.000,00 (empat miliar rupiah).
iii Matius Sau, dkk
Diterbitkan oleh
Penerbit Nas Media Pustaka
Makassar, 2019
iv Matius Sau, dkk
SISTEM PEMBANGKITAN : ENERGI DAN ENERGI BARU TERBARUKAN
Matius Sau, dkk
- Makassar : © 2019
Layout : Amma Prasetya
Design Cover : Muhammad Alim
Copyright ©Matius Sau, dkk 2019
All right reserved
Cetakan Pertama, Juli 2019
Diterbitkan oleh Penerbit Nas Media Pustaka
CV. Nas Media Pustaka
Anggota IKAPI
No. 018/SSL/2018
Jl. Batua Raya No. 550 Makassar 90233
Telp. 0813-8002-3737
www.nasmediapustaka.co.id
www.nasmediapustaka.com
Instagram : @nasmediapustakapenerbit
Fanspage : Penerbit Nas Media Pustaka
Perpustakaan Nasional: Katalog Dalam Terbitan (KDT)
Matius Sau, dkk
Sistem Pembangkitan : Energi dan
Energi Baru Terbarukan / Matius Sau, dkk; –cet. I –Makassar : Nas Media Pustaka, 2019.
xiv + 132 hlm; 14 x 21 cm
ISBN 978-623-7340-02-7
I. Referensi II. Judul
Dicetak oleh Percetakan CV. Nas Media Pustaka, Makassar
Isi di luar tanggung jawab percetakan
v Matius Sau, dkk
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis haturkan kehadirat Tuhan yang Maha
Esa, atas karya dan perlindungannya sehingga buku ajar Sistem
Pembangkitan Energi dan Energi Baru Terbarukan ini dapat
diselesaikan walaupun masih banyak yang perlu dikoreksi dan
dilengkapi.
Sistem Pembangkitan Energi dan Energi Baru Terbarukan ini,
merupakan bahagian dari salah satu mata kuliah wajib di program
studi teknik elektro bidang teknik tenaga listrik.
Tujuan dari Buku ini adalah memberikan penjelasan tentang
sumber energy dan pemanfaatannya, jenis-jenis pembangkit listrik
baik dengan bahan bakar fosil maupun energy terbarukan dan system
pembangkit hybrid.
Baku ajar mata kuliah ini terselesaikan atas bantuan dan
dorongan banyak pihak karena itu perkenankan penulis
berterimakasih kepada DRPM Dikti, Ketua LLDikti Wilayah IX
Sulawesi dan Gorontalo, Rektor UKI-Paulus dan sesama dosen
program studi teknik elektro.
Semoga dengan adanya bahan buku ajar ini dapat bermanfaat
bagi yang membacanya, khususnya dalam dunia pendidikan.
Makassar, Juni 2019
Penulis
vi Matius Sau, dkk
vii Matius Sau, dkk
DAFTAR ISI
Kata Pengantar ........................................................................... v
Daftar Isi...................................................................................... vii
Daftar Gambar ........................................................................... ix
Daftar Tabel ................................................................................ xii
BAB 1PENDAHULUAN
A. Pengertian Energi .................................................................... 2
B. Sumber Energi ......................................................................... 5
C. Energi Fosil ............................................................................. 6
D. Energi Baru Terbarukan .......................................................... 7
E. Energi Angin .......................................................................... 9
F. Energi Surya ............................................................................ 15
BAB 2 PEMBANGKIT LISTRIK ENERGI FOSIL
A. Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG) ................................. 19
B. Pembangkit Listrik Tenaga Uap ............................................. 22
C. Pembangkit Listrik Tenaga Gas-Uap (PLTGU) ...................... 26
D. CO Generation ......................................................................... 30
BAB 3 PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA HIDRO
A. Klasifikasi Pembangkit Listrik Tenaga Hidro ......................... 43
B. Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro .................................. 44
C. Pembangkit Listrik Tenaga Minihidro .................................... 50
D. Pembangkit Listrik Tenaga Air ............................................... 50
BAB 4 PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU (PLTB)
A. Komponen-komponen PLTB .................................................. 69
B. Turbin Angin ........................................................................... 71
viii Matius Sau, dkk
C. Tiang ........................................................................................ 77
D. Panel Kontrol ........................................................................... 78
E. Bagian Aerodinamik dari Kincir ............................................. 78
F. Prinsip Kerja Turbin Angin ..................................................... 81
BAB 5 PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA
A. Pengertian Energi Matahari Dengan Genting Surya
(Sel Surya) ............................................................................... 85
B. Struktur Sel Surya ................................................................... 87
C. Proses Terjadinya Energi Matahari Menjadi Energi Listrik .... 89
D. Energi Matahari di Indonesia .................................................. 93
E. Prinsip kerja sel surya fotovoltaik .......................................... 94
F. Sistem tenaga surya fotovoltaik .............................................. 95
G. Pembangkit Listrik Tenaga Diesel /Genset ............................. 104
H. Pembangkit Hybrid Tenaga Surya – Genset (PLTD) .............. 105
I. Perancangan Kapasitas Pembangkit ........................................ 107
BAB 6 RANCANGAN PEMBANGKIT HIBRID DAN
SIMULASI
A. Rancangan Pembangkit Listrik Tenaga Surya ........................ 113
B. Simulasi dengan Aplikasi Homer Pro ..................................... 119
C. Pengujian Pembangkit Hibrid Surya-Diesel ............................ 122
Tentang Penulis .......................................................................... 129
ix Matius Sau, dkk
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Sebaran Potensi Panas Bumi ................................... 10
Gambar 1.2 Potensi Pemanfaatan Tenaga Angin ........................ 12
Gambar 1.3 Peta Potensi Tenaga Surya ...................................... 12
Gambar 1.4 Jenis-Jenis Biomassa ............................................... 14
Gambar 1.5 Turbin Angin ........................................................... 14
Gambar 1.6 Prinsip kerja Energi surya ....................................... 16
Gambar 2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Gas .............................. 20
Gambar 2.2 Prinsip kerja PLTG ................................................. 23
Gambar 2.3 Pusat Listrik Tenaga Gas dan Uap (PLTGU) .......... 27
Gambar 2.4 Skema sebuah Blok PLTGU yang terdiri dari 3 unit PLTG dan sebuah unit PLTU ................................................ 28
Gambar 2.5 Cogeneration diesel ................................................. 32
Gambar 2.6 Cogeneration Turbin Gas ........................................ 34
Gambar 2.7 Cogeneration Combined Cycle ............................... 35
Gambar 2.8 Cogeneration Pembangkit Listrik Konvensional Rangkine ....................................................................................... 35 Gambar 2.9 Cogeneration Turbin Ekstraksi ............................... 37
Gambar 2.10 Cogeneration Turbin Tekanan Balik ..................... 38
Gambar 2.11 Cogeneration Fuel Cells ........................................ 39
Gambar 3.1 Diagram Pembagian Sumber Daya Energi Air ....... 51
Gambar 3.2 Skematis sebuah Pembangkit Listrik Tenaga Air ... 55
Gambar 3.3 Terjadinya pasang surut akibat gaya tarik bulan ..... 56
Gambar 3.4 Posisi bumi terhadap bulan ..................................... 57
Gambar 3.5 Posisi Bumi, bulan dan matahari ketika pasang Purnama ........................................................................................ 58
x Matius Sau, dkk
Gambar 3.6 Posisi Matahari dan bulan terhadap bumi membentuk sudut 90o ................................................................... 59
Gambar 3.7 Prinsip proses konversi energy pasang surut .......... 63
Gambar 3.8 Pusat Listrik Tenaga Pecah Gelombang (PLTPG) ....................................................................................... 64
Gambar 3.9 Skema Rakit Ombak Laut ....................................... 65
Gambar 3.10 Skema Konversi energy Panas Laut (KEPL) ........ 67
Gambar 3.11 a) Pusat Listrik KEPL Darat, b) Pusat Listrik KEPL Darat .................................................................................. 67
Gambar 4.1 Sebuah PLTB (Sumber: http://www
.kincirangininfo.com) ................................................................... 70 Gambar 4.2 Baling-baling dan ekor ............................................ 71
Gambar 4.3 Generator pada turbin angina .................................. 71
Gambar 4.4 Turbin angin sumbu horizontal ............................... 73
Gambar 4.5 Turbin angin sumbu vertical ................................... 76
Gambar 4.6 Tiang PLTB ............................................................. 77
Gambar 4.7 panel control PLTB ................................................. 78
Gambar 4.8 Sketsa Dalam Kincir angin Sumber: http://www
.kincirangininfo.com ..................................................................... 79 Gambar 4.9 Model Turbin dengan jari-jari r ............................... 82
Gambar 4.10 Hubungan koefisien daya rotor turbin dengan speed ratio .................................................................................... 83
Gambar 5.1 Modul surya biasanya terdiri dari 28 – 36 sel
surya yang dirangkai seri untuk memperbesar total daya
output ............................................................................................ 87
Gambar 5.2 Struktur dari sel surya komersial yang menggunakan material silikon sebagai semikonduktor (http://rhazio.wordpress.com/2007/09/12/pembangkit- listrik-tenaga-surya/) ..................................................................... 88
Gambar 5.3 Struktur sel surya tipe p-n campuran silicon
(Djoko Adi Widodo, Suryono, Tatyantoro A., Tugino. 2009) ..... 88
Gambar 5.4 Sel Surya (Genting surya) ....................................... 89
xi Matius Sau, dkk
Gambar 5.5 Cara bekerja Sel Surya sumber: http://newkonyol.blogspot.com/2012/03/pemanfaatan-
pembangkit-listrik-tenaga.html..................................................... 90
Gambar 5.6 Junction semikonduktor tipe – p dan tipe – n (Wind And Solar Power Sistems karangan Mukund R. Patel) ..... 91
Gambar 5.7 Cara kerja sel surya dengan prinsip p–n junction (Photovoltaic Systems Enginering Second Edition oleh Roger A Messenger Jerry Ventre) ........................................................... 92
Gambar 5.8 Ilustrasi Proses Terjadinya Listrik Pada Sel Surya Fotovoltaik .................................................................................... 92 Gambar 5.9 Prinsip kerja sel fotovoltaik. (Abu bakar dkk, 2006) .................................................................. 95
Gambar 5.10 Diagram blok sistem modul surya untuk PLTS ............................................................................................. 95
Gambar 5.11 Panel Polycrystalline (a) dan Panel Monocrystalline (b) ...................................................................... 97
Gambar 5.12 Inverter Pure Sine Wave 12-24 Volt ..................... 98
Gambar 5.13 Solar Charge Controller MPPT 12/24 volt (auto), 30 A. ................................................................................. 99
Gambar 5.14 Contoh Baterai Jenis VRLA .................................. 102
Gambar 5.15 Single line Genset ................................................. 104
Gambar 5.16 Sistem pembangkit hibrid kopling AC terpusat (Centralized AC-coupled Hybrid Power Sistems) ........................ 106
Gambar 5.17 Sistem pembangkit hibrid kopling AC dan DC terpusat (Centralized AC and DC-coupled Hybrid Power
Sistems) ......................................................................................... 106
Gambar 6.1 Tampilan awal Aplikasi Homer .............................. 120
Gambar 6.2 Skematik Aplikasi Homer berdasarkan kebutuhan beban 500 Wp ............................................................. 121
Gambar 6.3 Hasil Simulasi system hybrid menggunakan Aplikasi Homer ............................................................................ 121
Gambar 6.4 Panel sistem hybrid PLTS dengan Genset/Diesel ... 122
xii Matius Sau, dkk
Gambar 6.5 Grafik Waktu terhadap arus sitem Hybrid PLTS dengan diesel Genset .......................................................... 124
Gambar 6.6 Grafik Waktu terhadap arus sitem Hybrid PLTS dengan Genset .................................................................... 127
xiii Matius Sau, dkk
DAFTAR TABEL
Tabel 1.1 Potensi Panas Bumi per Pulau ..................................... 10
Tabel 1.2 Potensi Tenaga Air....................................................... 11
Tabel 1.3 Sebaran Radiasi Potensi Tenaga Surya Berdasarkan
Titik Pengukuran Kabupaten/Kota ............................................... 13
Tabel 3.1 Kapasitas PLMH .......................................................... 43
Tabel 3.2 Potensi Ekonomis Tenaga Air Untuk Pembangkit
Tenaga ListrikBeberapa Negara Didunia. .................................... 53
Tabel 3.3 Potensi Ekonomis Tenaga Air Untuk Pembangkit
Tenaga Listrik Beberapa Negara Di Indonesia ............................. 53
Tabel 3.4 Potensi energi pasang surut di dunia ............................ 60
Tabel 5.1 Siklus pengisian pada jenis Accumulator otomotif
dan deep cycle .............................................................................. 101
Tabel 5.2 Voltage charging untuk berbagai jenis
Accumulator ................................................................................. 101
Tabel 6.1 Data beban harian ........................................................ 116
Tabel 6.2 Waktu pengisian ke accumulator dari panel
surya 200 Wp ................................................................................ 124
Tabel 6.3 Waktu pengisian ke accumulator dari panel
surya 200 Wp ............................................................................... 126
xiv Matius Sau, dkk
1 Matius Sau, dkk
BAB 1
PENDAHULUAN
eran energi listrik kian hari semakin vital, kenaikan harga
listrik selalu menjadi headline disetiap surat kabar nasional
maupun daerah. Bahkan ketika terjadi pemadaman akibat dari
shortage karena terjadi kerusakan di pembangkit maupun
pemadaman bergilir di daerah krisis listrik yang berakhir dengan
demonstrasi warga. Kondisi ini mencerminkan bahwa listrik
membantu dalam pemenuhan aktivitas sehari-hari di masyarakat dan
sebagai penggerak perekonomian. Ketersediaan listrik menjadi
tanggung jawab pemerintah sesuai dengan amanah Undang-Undang
Dasar Negara Republik Indonesia Tahun 1945 pasal 33 ayat 2 yang
menyatakan bahwa usaha penyediaan tenaga listrik dikuasasi oleh
Negara dan dipergunakan untuk sebesar- besarnya kemakmuran
rakyat yang penyelenggaraannya dilakukan oleh pemerintah dan
pemerintah daerah.
Dalam menjamin ketersediaan listrik, pemerintah membuat
kebijakan di sektor energi yaitu Kebijakan Energi Nasional (KEN)
yang tertuang dalam Peraturan Pemerintah Nomor 79 Tahun 2014.
KEN mengusung semangat perubahan paradigma dari supply side
management menjadi demand side management. Selain perubahan
paradigma, diamanatkan juga target energi yang harus disediakan
P
2 Matius Sau, dkk
padaTahun 2025 adalah 400 juta TOE, dengan asumsi pada Tahun
2025 konsumsi listrik per kapita mencapai 2500 kWh. Besaran 400
juta TOE harus disediakan berdasarkan bauran energi mix: minyak
bumi 25%, gas bumi 22%, batubara 30% dan energi baru terbarukan
23%.
A. Pengertian Energi
Energi merupakan besaran yang kekal, artinya energi tidak
dapat diciptakan dan dimusnahkan, tetapi dapat diubah dari suatu
bentuk satu ke bentuk yang lain namun tidak merubah jumlah
atau besar energi secara keseluruhan
1. Klasifikasi Energi
Energi secara umum dibagi dalam 2 bagian:
1) Transitional energy: energi yang bergerak dan bisa
berpindah melintasi suatu batas sistem.
2) Stored Energy, energi tersimpan yang berwujud sebagai
massa, posisi dalam medan gaya dll.
2. Kategori Energi:
a. Energi Mekanik
b. Energi Listrik
c. Energi Elektromagnetik
d. Energi Kimia
e. Energi Nuklir
f. Energi Thermal (Panas)
a. Energi Mekanik
Energi mekanik adalah energi yang dimiliki suatu benda
karena sifat geraknya.Energi mekanik terdiri dari energi
potensial dan energi kinetik.
a. Energi Potensial
Energi potensial adalah energi yang dimiliki
suatu benda akibat adanya pengaruh tempat atau
3 Matius Sau, dkk
kedudukan dari benda tersebut. Energi potensial disebut
juga dengan energi diam karena benda yang dalam
keadaan diam dapat memiliki energi.
Energi potensial bumi tergantung pada massa
benda, gravitasi bumi dan ketinggian benda.
Ep = m.g.h ......................................... (1.1)
Dengan:
Ep = Energi potensial bumi
M = massa benda
g = Gravitasi bumi
h = Ketinggian benda
b. Energi Kinetik
Energi kinetik: energi yang dimiliki benda karena
geraknya. Makin besar kecepatan benda bergerak makin
besar energi kinetiknya dan semakin besar massa benda
yang bergerak makin besar pula energi kinetik yang
dimilikinya.Secara matematis bisa dirumuskan:
Ek = ½ mv2 ................................. (1.2)
Dengan:
Ek = Energi kinetik
m = Massa benda
v = Kecepatan benda
b. Energi Listrik
Energi Listrik adalah kemampuan yang diperlukan
untuk memindahkan muatan dari satu titik ke titik yang
lain. Besarnya energi listrik:
W = Q.V.................................. (1.3)
Dengan:
4 Matius Sau, dkk
W = Energi listrik (Joule),
Q = Muatan listrik (Coulomb),
V = Beda potensial (Volt)
Karena I = Q/t dan V = I.R, maka:
W = (I.t).VW = V.I.t......................................... (1.4)
W = I.R.I.t atau
W = I2R t.............................................................. (1.5)
c. Energi Elektromagnetik (E.M)
Bentuk energi yang berkaitan dengan radiasi
elektromagnetik, biasanya dinyatakan dalam satuan energi
yang sangat kecil seperti (eV) atau (MeV).Radiasi
elektromagnetik merupakan bentuk energi murni dan tidak
berkaiatan dengan massa. Radiasi ini hanya sebagai energi
transisional yang bergerak dgn kecepatan cahaya (c).Energi
elektromagnetik merambat dalam bentuk gelombang
dengan beberapa parameter yang bisa diukur, yaitu:
panjang gelombang, frekuensi, amplitudo, kecepatan.
Energi elektromagnetik diradiasikan oleh semua massa di
alam dengan level yang berbeda-beda. Semakin tinggi level
energi dalam suatu sumber, semakin pendek panjang
gelombangnya dan semakin tinggi frekuensinya.
Energi elektromagnetik:
E = h.f................................... (1.6)
Dengan:
E = energi (Joule)
h = kontanta Planck (6,626 x 10-32J.s)
f = frekuensi (Hz)
d. Energi Kimia
Energi kimia adalah energi yang tersimpan secara
kimiawi. Misalnya makanan yang kita makan
5 Matius Sau, dkk
menghasilkan energi kimia yang sangat bermanfaat bagi
tubuh. Minyak bumi mengandung energi kimia yang sangat
bermanfaat untuk bahan bakar. Baik energi kimia dalam
makanan maupun energi kimia dalam minyak bumi berasal
dari energi matahari.
e. Energi Nuklir
Energi nuklir adalah energi yang dihasilkan melalui
dua macam mekanisme, yaitu pembelahan inti atau reaksi
fisi dan penggabungan beberapa inti melalui reaksi fusi.
Reaksi fisi uranium menghasilkan neutron selain dua
buah inti atom yang lebih ringan. Neutron ini bisa
menumbuk (diserap) kembali oleh inti uranium untuk
membentuk reaksi fisi berikutnya.Mekanisme ini terus
terjadi dalam waktu yang sangat cepat membentuk reaksi
berantai tak terkendali. Akibatnya, terjadi pelepasan energi
yang besar dalam waktu singkat.
f. Energi thermal (Panas)
Energi panas adalah energi ini muncul saat
terjadinya perubahan suhu benda, dan menjalar dari bagian
yang panas ke bagian yang dingin. Energi ini dapat
dideteksi dengan indera peraba dan thermometer.
B. Sumber Energi
Energi listrik adalah energi utama yang dibutuhkan bagi
peralatan listrik / energi yang tersimpan dalam arus listrik dengan
satuan amper (A) dan tegangan listrik dengan satuan Volt (V)
dengan ketentuan kebutuhan konsumsi daya listrik dengan satuan
Watt (W)untuk menggerakkan motor, lampu penerangan,
memanaskan, mendinginkan ataupun untuk menggerakkan
kembali suatu peralatan mekanik untuk menghasilkan bentuk
energi yang lain.
6 Matius Sau, dkk
Energi yang dihasilkan dapat berasal dari berbagai sumber,
seperti air, minyak, batu bara, angin, panas bumi, nuklir,
matahari, dan lainnya. Energi ini besarnya dari beberapa Joule
sampai ribuan hingga jutaan Joule.
C. Energi Fosil
Sumber energi listrik adalah segala sesuatu di sekitar kita
yang mampu menghasilkan listrik. Sumber energi listrik secara
garis besar dapat dibedakan menjadi dua kelompok yaitu ;
1. Energi fosil;
2. Energi baru terbarukan.
Energi fosil digunakan untuk konversi energi. Hasil
konversi tersebut dapat berupa energi mekanik, listrik dan panas.
Semua bahan bakar fosil yang dikonsumsi di dunia. Salah satu
hasil konversi energinya adalah pembangkit tenaga listrik. Listrik
adalah salah satu bentuk energi yang ditimbulkan akibat dari
pergerakan elektron. Listrik menjadi daya hidup yang vital bagi
kehidupan di dunia ini. Listrik di industri terutama digunakan
sebagai sumber tenaga penggerak mesin-mesin industri. Di rumah
tangga baik di kota maupun di desa.
Bahan bakar fosil adalah sumber energi utama yang
digunakan di dunia saat ini.Tapi jika konsumsi bahan bakar ini
berlebihan dapat menyebabkan masalah lingkungan yang serius
seperti polusi udara. Ketika dalam proses pembakaran, bahan
bakar fosil melepaskan gas karbon dioksida, nitrogen dioksida,
sulfur dioksida, karbon monoksida dan lain - lain yang dapat
memiliki merugikan lingkungan. Bahan bakar ini adalah sumber-
sumber energi tidak terbarukan karena berasal dari fosil
prasejarah dan tidak akan tersedia lagi setelah sepenuhnya
digunakan. Sumber - sumber energi ini terbatas dan terus menipis
dengan tingkat yang cepat. Bentuk bahan bakar fosil ter diri dari ;
7 Matius Sau, dkk
1. Minyak bumi;
2. Batu bara;
3. Gas alam
D. Minyak bumi
Minyak bumi yang merupakan cairan kental berwarna
cokelat gelap dan kehijauan yang mudah terbakar. Cairan ini
juga sering disebut sebagai emas hitam yang berada di lapisan
atas dari sebagian area yang ada di kerak bumi.
Bahan kimia yang terkandung di dalam minyak bumi
adalah berbagai hidrokarbon, sebagian besar dari seri alkana
dengan berbagai varian penampilan, komposisi, dan
kemurnian.
Minyak bumi diambil dari sumur minyak yang terdapat
di lokasi sumber minyak dengan melalui berbagai macam
proses, yakni proses studi geologi, analisis, sedimen, karakter,
serta struktur sumber. Lalu minyak bumi tersebut akan
diproses di pengilangan minyak yang dipisah-pisahkan
berdasarkan titik didihnya sehingga menghasilkan beraneka
ragam jenis minyak bumi. Bahan bakar tersebut dipergunakan
untuk memproduksi berbagai material yang dibutuhkan oleh
manusia.
Beberapa jenis bahan bakar minyak yang terdapat di
Indonesia adalah minyak tanah rumah tangga, minyak tanah
industri, pertamax, pertamax racing, pertamax plus, premium,
bio premium, bio solar, solar transportasi, solar industri,
minyak diesel, minyak bakar, dan pertamina DEX Pembangkit
listrik yang menggunakan bahan bakar minyak ini adalah
Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU), Pembangkit Listrik
Tenaga Disel (PLTD)
8 Matius Sau, dkk
1. Batu bara
Batu bara, yakni batuan yang dapat dibakar karena
terbentuk dari endapan organik sisa tumbuhan yang kemudian
dibentuk dengan proses pembatubaraan. Unsur - unsur kimia
yang terdapat dalam batu bara ini adalah hidrogen,
oksigen,dan karbon. Pembentukan energi fosil ini mengalami
proses yang sangat lama dengan mendapatkan pengaruh dari
gesekan panas bumi dan tekanan udara lainnya. Jenis batu bara
pun ada dua macam, yakni batu bara dengan pertambangan
darat dan pertambangan terbuka. Batu bara juga merupakan
bahan bakar yang bisa juga digunakan sebagai bahan bakar
untuk pembangkit listrik.
Contohnya yaitu Pembangkit Listrik Tenaga Uap
(PLTU) dengan teknik peleburan logam dan industri,
Pembangkit Listrik Tenaga Gas Batubara (PLTGB).
2. Gas alam
Gas alam atau yang sering disebut gas rawa. Gas alam
biasanya ditemukan di bawah tanah bersama dengan minyak
bumi dan batubara tapi kadang – kadang terjadi dengan itu dan
dipompa melalui pipa. Setelah dipompa keluar, diangkut ke
tempat penyimpanan atau untuk keperluan rumah tangga. Ini
telah menjadi sumber gas domestik selama bertahun -tahun.
Banyak orang menggunakan gas ini untuk memanaskan rumah
mereka. Ini berisi bau yang kuat yang membuatnya mudah
untuk mencium jika ada kebocoran. Gas alam menghasilkan
relatif sedikit polusi terhadap sumber bahan bakar lain.
Karena, gas alam berada dalam keadaan cair, mudah untuk
transportasi gas alam melalui jaringan pipa. Kelemahan utama
dari bahan b akar ini adalah sangat mudah terbakar. Para
produsen terbesar gas alam adalah Amerika Serikat dan Rusia.
9 Matius Sau, dkk
Contoh pembangit listrik yang menggunakan gas alam ini
adalah Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG),
Pembangkit Listrik Tenaga Gas Uap (PLTGU).
E. Energi Baru Terbarukan
Energi terbarukan adalah energi yang bersumber dari alam
dan secara berkesinambungan dapat terus diproduksi tanpa harus
menunggu waktu jutaan tahun layaknya energi berbasis fosil.
Sumber alam yang dimaksud dapat berasal dari matahari, panas
bumi (geothermal), angin, air (hydropower) dan berbagai bentuk
dari biomassa. Sumber energi tersebut tidak dapat habis dan dapat
terus.
Selain dapat dipulihkan kembali, energi terbarukan
diyakini lebih bersih (ramah lingkungan), aman, dan terjangkau
masyarakat. Penggunaan energi terbarukan lebih ramah
lingkungan karena mampu mengurangi pencemaran lingkungan
dan kerusakan lingkungan di banding energi non - terbarukan.
Jenis sumber energi terbarukan (renewable energy) yang
dimiliki Indonesia cukup banyak. Jika dikelola dan dimanfaatkan
dengan baik diyakini dapat menggantikan energi fosil.
Bentuk energi terbarukan yang dapat dimanfaat kan terdiri
dari:
a. panas bumi,
b. air,
c. angin,
d. matahari,
e. biomassa
10 Matius Sau, dkk
1. Panas bumi
Energi panas bumi atau geothermal adalah sumber
energi terbarukan berupa energi thermal (panas) yang
dihasilkan dan disimpan di dalam bumi. Energi panas bumi
diyakini cukup ekonomis, berlimpah, berkelanjutan, dan
ramah lingkungan. Namun pemanfaatannya masih terkendala
pada teknologi eksploitasi yang hanya dapat menjangkau di
sekitar lempeng tektonik. Pembangkit Listrik Tenaga Panas
Bumi (PLTP) yang dimiliki Indonesia antara lain: PLTP
Sibayak di Sumatera Utara, PLTP Salak (Jawa Barat).
Gambar 1.1 Sebaran Potensi Panas Bumi
Tabel 1.1 Potensi Panas Bumi per Pulau
11 Matius Sau, dkk
2. Air
Sumber energi ini didapatkan dengan memanfaatkan
energi potensial dan energi kinetik yang dimiliki air. Sat ini,
sekitar 20% konsumsi listrik dunia dipenuhi dari Pembangkit
Listrik Tenaga Air (PLTA).
Tabel 1.2 Potensi Tenaga Air
3. Angin
Energi angin atau bayu adalah sumber energi terbarukan
yang dihasilkan oleh angin. Kincir angin digunakan untuk
menangkap energi angin dan diubah menjadi energi kinetik
atau listrik. Pemanfaat energi angin menjadi listrik di
Indonesia telah dilakukan seperti pada Pembangkit Listrik
Tenaga Bayu (PLTBayu) Samas di Bantul, Yogyakarta.
4. Matahari
Energi matahari atau surya adalah energi terbarukan
yang bersumber dari radiasi sinar dan panas yang dipancarkan
matahari sebagai bahan bakar utama dengan bantuan solarcell,
energi dari cahaya matahari dapat langsung diubah menjadi
energi listrik. Pembankit Listrik Tenaga Surya yang terdapat di
Indonesia antara lain: PLTS Karangasem (Bali), PLTS Raijua,
PLTS Nule, dan PLTS Solor Barat (NTT).
12 Matius Sau, dkk
Gambar 1.2 Potensi Pemanfaatan Tenaga Angin
Gambar 1.3 Peta Potensi Tenaga Surya
13 Matius Sau, dkk
Tabel 1.3 Sebaran Radiasi Potensi Tenaga Surya Berdasarkan
Titik Pengukuran Kabupaten/Kota
5. Biomassa
Biomassa adalah jenis energi terbarukan yang mengacu
pada bahan biologis yang berasal dari organisme yang hidup
atau belum lama mati. Sumber biomassa antara lain bahan
bakar kayu, limbah dan alkohol. Pembangkit listrik biomassa
di Indonesia seperti PLTBM Pulubala di Gorontalo yang
memanfaatkan tongkol jagung.
Salah satu pembangkit listrik yang potensinya sangat
baik dikembangkan di indonesia ini adalah Pembangkit Listrik
Tenaga Surya (PLTS). Mengingat seperti yang telah dijelaskan
di atas bahwa keadaan iklim di indonesia yang beriklim tropis
maka sangat baik pembangkit ini menjadi salah satu
14 Matius Sau, dkk
pembangkit energi listrik alternatif yang baik untuk masa
sekarang dan masa mendatang.
Gambar 1.4 Jenis-Jenis Biomassa
G. Energi Angin
Energi angin adalah energi yang dihasilkan oleh udara yang
berhembus di permukaan bumi. Energi angin dapat diubah
menjadi energi mekanik untuk menghasilkan usaha. Karena angin
tidak menimbulkan polusi, maka banyak negara - negara
membangun turbin angin sebagai sumber tenaga listrik tambahan
Gambar 1.5 Turbin Angin
15 Matius Sau, dkk
F. Energi Surya
Energi surya merujuk pada radiasi energi dalam bentuk
panas dan cahaya yang dipancarkan oleh matahari. Tanpa energi
yang datang dari matahari, planet kita tidak akan mampu
mendukung kehidupan dan energi surya adalah bentuk energi
paling berlimpah yang tersedia di planet kita.
Energi surya memiliki potensi besar dan banyak teknologi
surya yang berkembang dengan sangat cepat. Namun, meskipun
pertumbuhan industri energi surya global berlangsung dengan
cepat, masih dibutuhkan banyak waktu sebelum energi surya
menjadi pesaing yang nyata untuk bahan bakar fosil sebagai
sumber energi utama. Hal ini karena sektor energi surya masih
kalah dalam hal biaya dibandingkan bahan bakar fosil.
Energi surya adalah sumber energi terbarukan yang paling
penting (energi angin pada dasarnya juga berasal dari energi
surya), dan hanya energi panas bumi dan pasang surut yang tidak
memperoleh energi mereka dari matahari. Banyak orang
menggunakan istilah energi surya dan tenaga surya sebagai
sinonim meskipun hal ini mengandung kesalahan karena tenaga
surya mengacu pada konversi sinar matahari menjadi listrik
(dalam banyak kasus menggunakan photovoltaic).
Pemanfaatan energi surya memiliki potensi masa depan
yang sangat besar, tidak hanya dalam menyediakan listrik dan
panas tetapi juga untuk digunakan pada proses industri serta
pengembangan kendaraan surya.
Meskipun energi surya adalah bentuk energi paling
berlimpah yang tersedia di planet bumi, energi surya tetap
bukanlah sumber energi yang sempurna. Hal ini tidak hanya
merujuk pada kalahnya biaya dibandingkan bahan bakar fosil
tetapi juga karena masalah intermitten (tidak kontinyu). Seperti
16 Matius Sau, dkk
yang kita ketahaui, energi surya tidak tersedia pada malam hari
dan karenanya membutuhkan solusi penyimpanan energi yang
memadai untuk menutup kekurangan ini. Banyak pakar energi
serta ilmuwan percaya bahwa tinggal masalah waktu sebelum
energi surya menjadi sumber energi yang paling penting di planet
bumi, melempar bahan bakar fosil ke dalam buku sejarah.
International Energy Agency (IEA) tahun 2011 telah
mengumumkan bahwa teknologi energi surya memiliki potensi
untuk memasok sepertiga energi dunia pada tahun 2060,
mengingat bahwa para pemimpin dunia telah berkomitmen untuk
mem batasi dampak perubahan iklim.
Memanfaatkan energi matahari dan tidak terus menerus
menggunakan bahan bakar fosil akan memperlambat dampak
perubahan iklim dan memberikan cukup waktu bagi banyak
spesies untuk beradaptasi dengan perubahan iklim dan karenanya
akan membantu melestarikan keanekaragaman hayati diplanet
bumi. Tidak hanya itu, energi surya akan meningkatkan
keamanan energi dan kemandirian energi di banyak negara di
dunia, serta memastikan kemajuan dalam keberlanjutan masa
depan energi bersih.
Gambar 1.6 Prinsip kerja Energi surya
17 Matius Sau, dkk
Dari gambar 1.6 di atas bisa dilihat cara kerja energi surya
ini adalah dengan cara menangkap cahaya matahari menggunakan
modul surya, kemudian tegangan akan mengalir melalui charge
controller dan menuju ke batre dan kemudian karena arus yang di
hasilkan adalah arus searah maka akan di ubah menjadi arus
bolak balik yaitu dengan menggunakan inverter.
Apabila solar cell tersebut digunakan untuk penyimpanan
ke baterai, maka besarnya tegangan yang dihasilkan harus diatas
spesifikasi baterai tersebut. Misalnya baterai yang digunakan
adalah 12 Volt, maka tegangan yang dihasilkan solar cell harus
diatas 12 Volt untuk dapat melakukan pengisian.
Sebaiknya sebelum melaksanakan pengisian baterai dalam
keadaan kosong karena arus yang masuk akan dapat terisi dengan
maksimal. Satuan kapasitas suatu baterai adalah Ampere jam ( Ah
) dan biasanya karakteristik ini terdapat pada label suatu baterai.
Misalnya suatu baterai dengan kapasitas 10 Ah akan terisi penuh
selama 10 jam dengan arus output solar cell sebesar 1 Ampere.
Referensi:
https://id.wikipedia.org/wiki/energi_listrik
https://novelaayu.wordpress.com/2014/04/19/energi_listrik
http://alamendah.org/2014/09/09/8-sumber-energiterbarukan-di-
indonesia/2/)
http://www.elektronika123.com/pembangkit-listrik/)
http://www.indoenergi.com/2012/04/pengertian-energi-surya.htm
Kajian Penyediaan Dan Pemanfaatan Migas, Batubara, Ebt Dan
Listrik, Kementrian Energi dan sumber daya mineral,
2017. ISBN: 978-602-0836-26-3
18 Matius Sau, dkk
19 Matius Sau, dkk
BAB 2
PEMBANGKIT LISTRIK
ENERGI FOSIL
A. Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG)
Pembangkit listrik tenaga gas (PLTG) merupakan sebuah
pembangkit energi listrik yang menggunakan peralatan/mesin
turbin gas sebagai penggerak generatornya. Turbin gas dirancang
dan dibuat dengan prinsip kerja yang sederhana dimana energi
panas yang dihasilkan dari proses pembakaran bahan bakar
diubah menjadi energi mekanis dan selanjutnya diubah menjadi
energi listrik atau energi lainnya sesuai dengan kebutuhannya.
Adapun kekurangan dari turbin gas adalah sifat korosif
pada material yang digunakan untuk komponen-komponen
turbinnya karena harus bekerja pada temperature tinggi dan
adanya unsur kimia bahan bakar minyak yang korosif (sulfur,
vanadium dll), tetapi dalam perkembangannya pengetahuan
material yang terus berkembang hal tersebut mulai dapat
dikurangi meskipun tidak dapat secara keseluruhan dihilangkan.
Dengan tingkat efisiensi yang rendah hal ini merupakan salah satu
dari kekurangan sebuah turbin gas juga dan pada
perkembangannya untuk menaikkan efisiensi dapat
diatur/diperbaiki temperature kerja siklus dengan menggunakan
material turbin yang mampu bekerja pada temperature tinggi dan
20 Matius Sau, dkk
dapat juga untuk menaikkan efisiensinya dengan menggabungkan
antara pembangkit turbin gas dengan pembangkit turbin uap dan
hal ini biasa disebut dengan combined cycle.
1. Prinsip Kerja
Pembangkit listrik tenaga gas (PLTG) mempunyai
beberapa peralatan utama seperti: Turbin Gas (Gas Turbine),
Kompresor (Compressor), Ruang Bakar (Combustor). Udara
dengan tekanan atmosfir ditarik masuk ke dalam compressor
melalui pintu, udara ditekan masuk ke dalam compressor.
Udara ditekan masuk ke dalam ruang bakar dengan tekanan
250 Psi dicampur dengan bahan bakar dan di bakar dalam
ruang bakar dengan temperatur 2000 – 30000F. Gas hasil
pembakaran yang merupakan energi termal dengan
temperature dan tekanan yang tinggi yang suhunya kira-kira
9000C.
Gambar 2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Gas
21 Matius Sau, dkk
Dari energi panas yang dihasilkan inilah kemudian akan
dimanfaatkan untuk memutar turbin dimana didalam sudu-
sudu gerak dan sudu-sudu diam turbin, gas panas tersebut
temperature dan tekanan mengalami penurunan dan proses ini
biasa disebut dengan proses ekspansi. Selanjutnya energi
mekanis yang dihasilkan oleh turbin digunakan untuk memutar
generator hingga menghasilkan energi listrik.
Adapun sebagai pendukung pusat listrik tenaga gas ini
digunakan beberapa alat bantu (auxiliary equipments) untuk
membantu proses siklus turbin gas berjalan dengan baik,
seperti:
1. Sistem Pelumas
2. Sistem Bahan Bakar
3. Sistem Pendingin
4. Sistem Udara Kontrol
5. Sistem Hidrolik
6. Sistem Udara Tekan
7. Sistem Udara Pengkabutan
2. Masalah Operasi PLTG
Dari segi operasi, unit PLTG tergolong unit yang masa
start-nya pendek, yaitu antara 15-30 menit, dan kebanyakan
dapat di-start tanpa pasokan daya dari luar (black start), yaitu
menggunakan mesin diesel sebagai motor start. Dari segi
pemeliharaan, unit PLTG mempunyai selang waktu
pemeliharaan (time between overhaul) yang pendek, yaitu
sekitar 4.000-5.000 jam operasi. Makin sering unit mengalami
start-stop, makin pendek selang waktu pemeliharaannya.
Walaupun jam operasi unit belum mencapai 4.000 jam, tetapi
jika jumlah startnya telah mencapai 300 kali, maka unit PLTG
tersebut harus mengalami pemeriksaan (inspeksi) dan
pemeliharaan. Saat dilakukan pemeriksaan, hal-hal yang perlu
22 Matius Sau, dkk
mendapat perhatian khusus adalahbagian-bagian yang terkena
aliran gas hasil pembakaran yang suhunya mencapai 1.3000C,
seperti: ruang bakar, saluran gas panas (hot gas path),dan
sudu-sudu turbin. Bagian-bagian ini umumnya mengalami
kerusakan (retak) sehingga perlu diperbaiki (dilas) atau
diganti.
Proses start-stop akan mempercepat proses kerusakan
(keretakan) ini, karena proses start-stop menyebabkan proses
pemuaian dan pengerutan yang tidak kecil. Hal ini disebabkan
sewaktu unit dingin, suhunya sama dengan suhu ruangan
(sekitar 300C sedangkan sewaktu operasi, akibat terkena gas
hasil pernbakaran dengan suhu sekitar 1.3000 C. Dari segi
efisiensi pemakaian bahan bakar, unit PLTG tergolong unit
termal yang efisiensinya paling rendah, yaitu berkisar antara
15-25%. Dalam perkembangan penggunaan unit PLTG di
PLN, akhir-akhir ini digunakan unit turbin gas aero derivative,
yaitu turbin gas pesawat terbang yang dimodifikasi menjadi
turbin gas penggerak generator.
B. Pembangkit Listrik Tenaga Uap
1. Prinsip Kerja
Pembangkit Listrik Tenaga Uap adalah pembangkit
yang mengandalkan energi kinetic dari uap untuk
menghasilkan energi listrik. Bentuk utama pembangkit listrik
jenis ini adalah Generator yang di hubungkan ke turbin dimana
untuk memutar turbin diperlukan energi kinetik dari uap panas
atau kering.
23 Matius Sau, dkk
Gambar 2.2 Prinsip kerja PLTG
Dalam PLTU, energi primer yang dikonversikan
menjadi energi listrik adalah bahan bakar. Baban bakar yang
digunakan dapat berupa batubara (padat), minyak (cair), atau
gas. Ada kalanya PLTU menggunakan kombinasi beberapa
macam bahan bakar. Konversi energi tingkat pertama yang
berlangsung dalam PLTU adalah konversi energy primer
menjadi energi panas (kalor). Hal ini dilakukan dalam ruang
bakar dari ketel uap PLTU. Energi panas ini kemudian
dipindahkan ke dalam air yang ada dalam pipa ketel untuk
menghasilkan uap yang dikumpulkan dalam drum dari ketel.
Uap dari drum ketel dialirkan ke turbin uap. Dalam turbin uap,
energi uap dikonversikan menjadi energy mekanis penggerak
generator, dan akhirnya energy mekanik dari turbin uap ini
dikonversikan menjadi energi listrik oleh generator.
2. Komponen utama sebuah Pembangkit Listrik Tenaga Uap
Umumnya sebuah PLTU memiliki komponen utama
antara lain:
1. Boiler/ketel uap berfungsi sebagai tempat pemanasan air
menjadi uap air yang bertekanan untuk selanjutnya
memutar turbin uap.
24 Matius Sau, dkk
2. Turbin ialah mesin yang dijalankan oleh aliran air; uap atau
angin yang dihubungkan dengan sebuah generator untuk
menghasilkan energi listrik. Turbin uap ialah turbin yang
menggunakan uap sebagai fluida kerja, di mana uap yang
digunakan dihasilkan dari boiler.
3. Generator uap ialah suatu kombinasi antara sistem – sistem
dan peralatan yang dipakai untuk perubahan energi kimia
dari bahan bakar fosil menjadi energi termal dan
pemindahan energi termal yang dihasilkan itu ke fluida
kerja, biasanya air untuk dipakai pada proses-proses
bertemperatur tinggi ataupun untuk perubahan parsial
menjadi energi mekanis di dalam sebuah turbin
4. Kondensor adalah tempat yang berfungsi untuk
mengembunkan uap dengan jalan mendinginkannya. Air
pengembunan yang terjadi dalam kondensor disebut air
kondensat yang kemudian disalurkan kembali ke dalam
ketel uap dengan menggunakan sebuah pompa
Sistem Operasi
Untuk men-start PLTU dari keadaan dingin sampai
operasi dengan beban penuh, dibutuhkan waktu antara 6-8
jam. Jika PLTU yang telah beroperasi dihentikan, tetapiuapnya
dijaga agar tetap panas dalam drum ketel dengan cara tetap
menyalakan api secukupnya untuk menjaga suhu dan tekanan
uap ada di sekitar nilai operasi (yaitu sekitar 5000 C dan
sekitar 100 kg/cm 2) maka untuk mengoperasikannya kembali
sampai beban penuh diperlukan waktu kira-kira 1 jam. Waktu
yang lama untuk mengoperasikan PLTU tersebut di atas
terutama diperlukan untuk menghasilkan uap dalam jumlah
yang cukup untuk operasi (biasanya dinyatakan dalam ton per
jam). Selain waktu yang diperlukan untuk menghasilkan uap,
yang cukup untuk operasi, juga perlu diperhatikan masalah
25 Matius Sau, dkk
pemuaian bagian-bagian turbin. Sebelum di-start, suhu turbin
adalah sama dengan suhu ruangan.
Pada waktu start, dialirkan uap dengan suhu sekitar 5000
C. Hal ini harus dilakukan secara bertahap agar jangan sampai
terjadi pemuaian yang berlebihan dan tidak merata. Pemuaian
yang berlebihan dapat menimbulkan tegangan mekanis
(mechanical stress) yang berlebihan, sedangkan pemuaian
yang tidak merata dapat menyebabkan bagian yang bergerak
(berputar) bergesekan dengan bagian yang diam, misalnya
antara.,sudusudu jalan turbin dengan sudu-sudu tetap yang
menempel pada rumah turbin. Apabila turbin sedang berbeban
penuh kemudian terjadi gangguan yang menyebabkan pemutus
tenaga, (PMT) generator yang digerakkan turbin trip, maka
turbin kehilangan beban secara mendadak. Hal ini
menyebabkan putaran turbin akan naik secara mendadak dan
apabila hal ini tidak dihentikan, maka akan merusak bagian-
bagian yang berputar pada turbin maupun pada generator,
seperti: bantalan, sudu jalan turbin, dan kumparan arus searah
yang ada pada rotor generator. Untuk mencegah hal ini, aliran
uap ke turbin harus dihentikan, yaitu dengan cara menutup
katup uap turbin.
Pemberhentian aliran uap ke turbin dengan menutup
katup uap turbin secara mendadak menyebabkan uap
mengumpul dalam drum ketel sehingga tekanan uap dalam
drum ketel naik dengan cepat dan akhirnya menyebabkan
katup pengaman pada drum membuka dan uap dibuang ke
udara. Bisa juga sebagian dari uap di by pass ke kondensor.
Dengan cara by pass ini tidak terlalu banyak uap yang hilang
sehingga sewaktu turbin akan dioperasikan kembali banyak
waktu dapat dihemat untuk start. Tetapi sistem by pass
memerlukan biaya investasi tambahan karena kondensor harus
26 Matius Sau, dkk
tahan suhu tinggi dan tekanan tinggi dari by pass. Dari uraian
di atas tampak bahwa perubahan beban secara mendadak
memerlukan pula langkah pengurangan produksi uap secara
mendadak agar tidak terlalu banyak uap yang harus dibuang ke
udara. Langkah pengurangan fluksi dilakukan dengan
mematikan nyala api dalam ruang bakar ketel dan mengurangi
pengisian air ketel ini bahwa walaupun nyala api dalam ruang
bakar padam, masih cukup banyak panas yang tinggal dalam
ruang bakar untuk menghasilkan uap sehingga pompa pengisi
ketel harus tetap mengisi air ke dalam ketel untuk mencegah
penurunan level air dalam drum yang tidak dikehendaki.
Mengingat masalah-masalah tersebut di atas yang menyangkut
masalah proses produksi uap dan masalah-masalah pemuaian
yang terjadi dalam turbin, sebaiknya PLTU tidak dioperasikan
dengan persentase perubahan-perubahan beban yang besar.
Efisiensi PLTU banyak dipengaruhi ukuran PLTU,
karena ukuran PLTU menentukan ekonomis tidaknya
penggunaan pemanas ulang dan pemanas awal. Efisiensi
thermis dari PLTU berkisar pada angka 35-38%.
C. Pembangkit Listrik Tenaga Gas-Uap (PLTGU)
PLTGU merupakan kombinasi PLTG dengan PLTU. Gas
buang dari PLTG yang umumnya mempunyai suhu di atas 4000
C, dimanfaatkan (dialirkan) ke dalam ketel uap PLTU untuk
menghasilkan uap penggerak turbin uap. Dengan cara ini,
umumnya didapat PLTU dengan daya sebesar 50% daya PLTG.
Ketel uap yang digunakan untuk memanfaatkan gas buang PLTG
mempunyai desain khusus untuk memanfaatkan gas buang di
mana dalam bahasa Inggris disebut Heat Recovery Steam
Generator (HRSG).
27 Matius Sau, dkk
1. Prinsip Kerja
Dalam operasinya, unit turbin gas dapat dioperasikan
terlebih dahulu untuk menghasilkan daya listrik sementara gas
buangnya berproses untuk menghasilkan uap dalam ketel
pemanfaat gas buang. Kira-kira 6 (enam) jam kemudian,
setelah uap dalam ketel uap cukup banyak, uap dialirkan ke
turbin uap untuk menghasilkan daya listrik. Bagian-bagian
penting dari PLTGU adalah:
1. Turbin gas
2. HRSG (Heat Recovery Steam Generator)
3. Turbin Uap dan alat-alat bantu lainnya
Secara sederhana cara kerja PLTGU dapat dijelaskan
seperti pada gambar 2.3.
Gambar 2.3 Pusat Listrik Tenaga Gas dan Uap (PLTGU)
28 Matius Sau, dkk
Gambar 2.4 Skema sebuah Blok PLTGU yang terdiri dari 3
unit PLTG dan sebuah unit PLTU
Keterangan gambar 2.4:
Header uap ;
Pr: Poros;
TG: Turbin Gas;
KU:Ketel uap;
GB: Gas Buang;
Kd: Kondensor;
HA: Header Air;
TU: Turbin Uap;
Generator;
P:Pompa
Karena daya yang dihasilkan turbin uap tergantung
kepada banyaknya gas buang yang dihasilkan unit yaitu kira-
kira menghasilkan 50% daya unit PLTG, maka dalam
mengoperasikan PLTGU ini, pengaturan daya PLTGU
dilakukan dengan mengatur daya unit PLTG, sedangkan unit
29 Matius Sau, dkk
PLTU mengikuti saja, menyesuaikan gan gas buang yang
diterima dari unit PLTG-nya.
Perlu diingat bahwa selang waktu untuk pemeliharaan
unit PLTG lebih pendek daripada unit PLTU sehingga
koordinasi pemeliharaan yang baik dalam suatu blok PLTGU
agar daya keluar dari blok tidak terlalu banyak berubah
sepanjang waktu. Ditinjau dari segi efisiensi pemakaian bahan
bakar, PLTGU tergolong sebagai unit yang paling efisien dari
unit-unit termal (bisa mencapai angka di atas 45%).
2. Effisiensi PLTGU
Apabila: Effisiensi PLTG – Eta (GT) Maka untuk 1
(satu) satuan kalor bahan bakar, dapat dihasilkan energi listrik
sebesar Eta (GT). Dengan mengabaikan rugi-rugi lain pada
PLTG adalah 1 – Eta (GT). Apabila semua kalor tersebut
dapat dipergunakan oleh siklus tenaga uap dan dimisalkan
effisiensi siklus tenaga uap adalah effisiensi PLTU = Eta (ST).
Maka energi listrik yang d`ihasilkan pada siklus tenaga uap
adalah Eta (GT) x (1-Eta (GT)), dan energi yang dihasilkan
oleh siklus PLTGU adalah:
Eta (COMBI) = Eta (GT) + Eta (ST) x (1 – Eta (GT))
= Eta (GT) + Eta – (Eta (GT) x Eta (ST))
Jadi Effisiensi PLTGU adalah:
Eta (COMBI) = Eta (GT) + Eta (ST) – Eta (GT) x Eta (ST)
Sebagai contoh:
Effisiensi PLTG = Eta (GT) = 34%
Effisiensi PLTU = Eta (ST) = 26%
Maka Effisiensi PLTGU = 51%
30 Matius Sau, dkk
D. CO Generation
1. Pengertian CoGeneration
Cogeneration adalah nama baru untuk teknologi yang
sudah dimanfaatkan sejak tahun 1800an. Dalam pengertian
yang lebih luas, cogeneration adalah produksi yang bersamaan
dari uap atau cairan panas lainnya dan gas bersama-sama
dengan listrik dengan satu peralatan konversi energi.
Perbedaan fundamental antara alat konversi energi
konvesional dengan cogeneration adalah bahwa pada sistem
konvesional hasil yang diproduksi hanya semata-mata listrik
atau uap saja, sedang pada sistem cogeneration keduanya
diproduksi sekaligus bersamaan dengan penghematan energi.
Suatu peralatan cogeneration dalam memproduksi listrik dan
uap dengan bahan bakar yang kurang 10 — 30% dari yang
dibutuhkan suatu pembangkit energi konvensional.
Pada awal tahun 1900-an, di Amerika Serikat,
pembangkit listrik dan uap untuk industri dalam jumlah besar
dihasilkan dan pembangkit cogeneration. Hal ini berubah,
setelah pada tahun 1920-an tersedia jaringan listrik yang
menawarkan biaya tenaga listrik yang relatif lebih murah. Hal
tersebut memberikan intensif ekonomi kepada industry untuk
meningggalkan fasilitas cogeneration. Kecendrungan ini tetap
berlaku sampai saat ini.
Cogeneration adalah alternatif sumber energi yang dapat
bertahan terus karena potensi penghematan energi yang
dihasilkan. Konsep ini membutuhkan pengaturan kerja teknis,
ekonomis dan kelembagaan antara industri, penyedia utilitas
dan kota.
31 Matius Sau, dkk
2. Sistem Konversi energi
Terdapat banyak sekali peralatan konversi energi yang
dapat dimanfaatkan sebagai bangunan cogeneration.
Pertimbangan penting dan suatu sistem cogeneration adalah
perbandingan tenaga listrik dan tenaga uap yang akan
diproduksi. Angka ini hendaknya hampir sama dengan
kebutuhan listrik dan uap dan pasar yang akan dilayani.
Bilamana terdapat kelebihan dan energi yang tidak dapat
dimanfaatkan, maka konsep cogeneration tidak bermanfaat
dan tidak dapat diteruskan. Pertimbangan lain dari suatu
system cogeneration adalah fleksibel pemanfaatkan berbagai
jenis bahan bakar tersebut. Terdapat dua konsep cogeneration:
topping cycle ( daur atas) dan bottoming cycle (daur bawah),
Instalasi daur atas memanfaatkan peralatan konversi energi
untuk pertamatama membangkitkan tenaga listrik dan
kemudian memanfaatkan energi panas untuk pembuatan uap.
Sistem konversi energi yang dimanfaatkan sistem daur atas,
antara lain mesin disel, turbin gas, tenaga uap dan lain-lain.
Suatu instalasi daur bawah tidak menggunakan peralatan
energi, tetapi memanfaatkan panas terbuang untuk pembangkit
tenaga listrik. Sistem konversi energi yang menggunakan daur
bawah adalah pembangkit tenaga uap dan mesin organik
Rankine.
32 Matius Sau, dkk
Gambar 2.5 Cogeneration diesel
Setiap pasar energi dengan sistem cogeneration
mempunyai rasio yang unik antara kebutuhan listrik dan
kebutuhan uap, Untuk industri yang intensif, rasio yang umum
adalah 50:1 (50 kW listrik untuk setiap seribu pon-pound uap).
Banyak dari system konversi yang sebelumnya disebut mampu
memberikan rasio yang lebih tinggi (misalnya memproduksi
listrik yang berlebihan bila semua kebutuhan uap dapat
dipenuhi dari sistem cogeneration). Hal ini merupakan
pembanding yang penting dalam memilih peralatan
cogeneration, karena setiap kelebihan tenaga listrik hendaknya
dapat dijual kepada konsumen lokal, agar dihasilkan suatu
skala ekonomi yang baik. Bilamanana hal tersebut tidak
mungkin, proyek dapat menemui kesulitan ekonomi. Berbagai
jenis system konversi energi, hubungannya dengan
cogeneration, rasio listrik-uap, dan bahan bakar yang
digunakan, akan dijelaskan secara singkat berikut ini
keperluan utilitas lainnya. Mesin jenis ini memerlukan bahan
33 Matius Sau, dkk
bakar dalam bentuk cair, misalnya bahan bakar disel, etanol
dan metanol.
3. Turbin gas
Turbin gas digunakan sangat intensif di dalam kegiatan
industri, mesin pesawat terbang dan sebagai pembangkit listik
untuk memenuhi kebutuhan puncak. Peralatan yang ada antara
lain sebuah kompressor, ruang bakar dan turhin. Bahan bakar
di bakar di dalam ruang bakar yang kemudian memanaskan
udara yang ditekan dan kompressor, ruang bakar dan turbin.
Bahan bakar di bakar didalam ruang bakar yang kemudian
memanaskan udara yang ditekan dari kompressor. Gas yang
telah dipanaskan mengembang dan melalui turbin yang
menghasilkan listrik.
Proses ini dikenal sebagai daur Brayton, penamaan
menggunakan penemunya, George Brayton. Dimanfaatkan
sebagai peralatan cogeneration type daur atas, panas diambil
dan gas buangan dan dimanfaatkan untuk memproses uap.
1) Kapasitas pembangkit berkisar antar 0,5 sampai 75 MW
2) Rasio perbandingan listrik — uap adalah 200 1. sama
halnya dengan pembangkit listrik disel, bilamanana
kebutuhan uap dari industri dihasilkan melalui turbine gas,
maka listrik yang dihasilkan dapat dimanfaatkan untuk
memenuhi kebutuhan utilitas industri dan permukiman
disekitarya.
3) Kekurangannya, ialah bahwa bahan bakar yang dibutuhkan
adalah bahan bakar minyak, termasuk gas alam, gas sintetis
dengan Blu rendah, etanol dan metanol.
34 Matius Sau, dkk
Gambar 2.6 Cogeneration Turbin Gas
4. Combined cycle
Pembangkit jenis ini juga menggunakan turbin gas
Brayton. Perbedaan dengan cogeneration sebelumnya ialah
pemanfaatan panas dan buangan gas tidak untuk pembuatan
yang langsung dimanfaatkan dalam bentuk uap, tetapi uap tadi
digunakan untuk pembangkitkan lagi tenaga listrik. Untuk
keperluan tersebut, maka perlu tambahan bahan bakar untuk
dicampur dengan gas yang kaya oksigen yang berasal dari
pembuangan turbin gas pertama
1. Kapasitas jenis ini berkisar antar 1 sampai 150 MW
2. Sistem ini menghasilkan rasio listrik uap sebesar 150: 1
3. Turbin gas membutuhkan gas dan bahan bakar cair. Untuk
keperluan tambahan bahan bakar, berbagai sumber energi
lain dapat dimanfaatkan, misalnya bahan bakar fosil,
sampah, kayu, gambut dan lain-lain.
35 Matius Sau, dkk
Gambar 2.7 Cogeneration Combined Cycle
5. Tenaga Uap
Pembangkit listrik tenga uap, merupakan pembangkit
listrik yang paling banyak digunakan untuk beban dasar listrik
perkotaan. Sistem ini juga dikenal dengan Rankine cycle,
sesuai nama penemunya. Komponen utama pembangkit jenis
ini adalah sebuah furnace, ketel, generation turbin dan
kondensor (Gambar 4). Pemanasan mengakibatkan aliran air
menjadi uap di dalam ketel.
Gambar 2.8 Cogeneration Pembangkit Listrik Konvensional
Rangkine
36 Matius Sau, dkk
Kekuatan dari uap yang mengembang diarahkan untuk
memutar turbin dan menghasilkan listrik. Setelah melewati
turbin, uap yang telah dimanfaatkan dikondensasikan kembali
menjadi air dan dimanfaatkan kembali menjadi air dan
dimanfaatkan kembali melalui ketel. Lebih 60% nilai energi
dan bahan bakar dilepas ke atmosfir sebagai limbah panas
pada saat kondensasi. Polusi panas yang potensil ini dapat
dimanafaatkan sebagai sumber panas untuk cogeneration. Bila
sistem cogeneration ini imanfaatkan, maka turbin
konvensional perlu diperbaiki.
Ada dua metode yang dapat dilakukan dengan turbin
ekstraksi (Ekstraction turbines,) dan turbin tekanan balik
(Back-pressure turbines).
Turbin Ekstraksi
Semua uap yang berasal dan ketel masuk ke dalam turbin
dengan suhu tinggi dan tekanan, sebagaimana di dalam
pembangkit konvensional. Sebagian dan uap setelah energinya
dimanfaatkan dalam proses pemutaran dan pembangkitan,
diekstraksi melalui turbin. Uap yang diekstraksi dapat digunakan
untuk panas, uap dan pemanas di sekitar lokasi, Uap yang tidak
diektraksi dikondensasikan sebagaimana pada proses
konvensional.
37 Matius Sau, dkk
Gambar 2.9 Cogeneration Turbin Ekstraksi
Turbin Tekanan Balik
Uap yang melalui turbin dimanfaatkan sepenuhnya untuk
memproses panas, uap atau pemanas di sekitar lokasi pembangkit.
Konsep ini menghilangkan kebutuhan condenser dan
menghasilkan uap dalam jumlah yang besar dalam hubungan
dengan listrik yang dihasilkan. Dengan alasan ini, turbin tekanan
balik banyak diminati oleh industri.
1. Kapasitas pembangkit berkisar antara 1 sanipai 600 MW
2. Rasio listrik terhadap uap adalah 45 sampai 75: 1. Rentan ini
merupakan rentan umum dimana industri dapat bekerja
intensif dengan sumber daya listrik yang besar. Juga dengan
hasi uap dalam jumlah besar, energi tersebut dapat
dimanfaatkan dengan baik untuk pemanasan di daerah sekitar
pembangkit.
3. Bahan bakar yang digunakan fleksibel, temasuk bahan bakar
padat, cair, gas, panas bumi, tenaga surya dan lain-lain.
38 Matius Sau, dkk
Gambar 2.10 Cogeneration Turbin Tekanan Balik
Fuell Cells
Suatu fuell cells mengkonversikan energi kimiawi dari
suatu bahan bakar menjadi arus searah tanpa perantaraan
pembakaran atau panas. Sistem ini terdiri dan prosesor, bagian
pengolahan tenaga, dan pengaturan tenaga (Gambar x). Prosesor
akan membuat bahan bakar padat, cair atau gas yang diperkaya
dengan hydrogen yang dengan campuran udara (oxigen)
menghasilkan tenaga listrik searah dan panas. Pengatur tenaga
mengubah tenaga listrik arus searah menjadi arus bolak balik
yang dapat disalurkan melalui jaringan.
Inti dari sistem ini adalah fuel cells yang terdiri dan zat
elektrolit asam fospor yang disusun diantara dua elektode,
Hydrogen yang melewati satu elektrode, dan oksigen melalui
bagian Iainnya. Dengan sebuah katalisator, hidrogen dan oksigen
melalui reaksi kimia, akan menjadi air, panas dan arus listrik.
Panas yang terbuang dapat dimanfaatkan sebagi panas untuk
prosesor dan/atau untuk memproses panas dan uap dalam system
cogeneration daur atas. Peralatan konversi tenaga konvensioil
sangat efisien (sekitar 30 sampai 35%) pada kapasitas
39 Matius Sau, dkk
pembangkitannya, tetapi kurang efisien (sekitar 30 sampai 35%)
pada kapasitas pembangkitannya, tetapi kurang efisien bila
kapasitannya dikurangi. Oleh karena fuel cells terdiri dan banyak
sel kecil yang bersifat individu, efisiensinya tidak tergantung pada
ukutan. Suatu pembangkit yang kecil yang bersifat individu,
efisiensinya tidak tergantung pada ukuran. Suatu pembangkit
yang kecil dapat seefisien pembangkit yang besar dengan angka
efisien berkisar 38 sampai 45%. Fuel cells ukuran komersil belum
tersedia. Sebuah pembangkit tenaga listrik kapasitas 4,5 MW baru
merupakan percobaan, yang dibangun oleh DOE, Amerika
Serikat.
1) Capasitas pembangkit akan berkisar 1 sampai 150 MW
2) Rasio listrik-uap diperkirakan sebesar 300:1, tetapi sebagian
uap yang dihasilkan dapat digunakan oleh prosesor. Jadi,
dengan bersandar pada konsep cogeneration, maka
pembangkit ml akan sesuai dimana kebutuhan listrik yang
besar dan kebutuhan pemanasan yang rendah.
Gambar 2.11 Cogeneration Fuel Cells
40 Matius Sau, dkk
Steam Waste Boilers
Pembangkit listrik jenis ini bekerja dengan prinsip yang
sama dengan pembangkit Listrik tenaga uap Rankine.
Perbedaaannya adalah sumber energi berasal dan panas yang
terbuang (waste heat source,). Sebagai sistem cgeneration daur
bawah, hasil utamanya adalah listrik.
1) Kapasitas pembangkit berkisar antar 0,5 MW sampai 10 MW
Sumber panas yang sesuai berasal dan panas buangan yang
berasal dan industry misalnya, pembakaran batu bata, tungku
peleburan kaca dan lain-lain.
2) Uap yang telah digunakan melalui turbin energi simpannnya
mungkin terlalu rendah untuk dimanfaatkan seterusnya.
Potensi Pasar
Penghematan energi dari cogeneration merupakan salah
satu alternatif untuk penghematan energi. Untuk mencapai hal
tersebut, diperlukan kerja sama yang baik antara pihak industri,
penyedia energi dan pemerintah. Beberapa issu teknis, ekonomis
dan kelembagaan akan mempengaruhi kerja sama tersebut agar
upaya ini dapat berhasil dengan baik. Disisi industri, ketersediaan
bahan bakar dan fleksibilitasnya, merupakan dua hal yang akan
memungkinkan pemilihan cogeneration. Berbagai tawaran untuk
industry dalam mempertimbangkan sistem ini, antara lain:
1) Industri dapat menghasilkan semua kebutuhan uapnya dan
kebutuhan dasar listriknya. Kebutuhan listrik puncak dan
cadangan, dapat dibeli dan penyedia tenaga listrik setempat.
2) Kelebihan tenaga listrik yang diproduksi untuk industri, dapat
dijual kepada pengguna setempat.
3) Semua kebutuhan tenaga listrik dan uap disediakan oleh
industry
Dengan berbagai ragam pilihan tersebut diatas, suatu
kegiatan industri harus mengevaluasi sendiri tujuannya, kriteria
41 Matius Sau, dkk
investasi, dan sumber pembiayaan untuk dapat menentukan
strategi dalam pemilihan cogeneration. Beberapa pertanyaan
dasar yang perlu dikaji, antara lain:
1) Cogeneration belum merupakan teknologi yang sudah luas
dikenal, dan oleh karena itu memerlukan pendidikan.
2) Tanggung jawab manejemen akan bertambah, karena mereka
akan mengelola sumber daya energi yang lebih rumit.
3) Resiko pertambahan kebutuhan listrik dapat terjadi akibat
tidak tersedianya sumber daya yang terpercaya.
4) Peralatan cogeneration membutuhkan investasi modal yang
lebih besar dan biaya operasi serta penawaran yang juga lebih
besar.
5) Daya terpasang cadangan yang disiapkan oleh penyedia energi
harus dievaluasi kembali Kelebihan energi listrik yang
dihasilkan oleh suatu industri mempunyai nilai lebih untuk
penyedia tenaga listrik, apabila tersedia pada saat dibutuhkan,
umumnya pada jam puncak dalam satu hari. Untuk
mendapatkan manfaat kelebihan energy listrik yang tersedia,
industri hendaknya bersedia menyesuaikan jam kerja, yaitu
memaksimalkan pemakaian energi pada siang hari, dan
meminimumkannya pada malam hari.
6) Untuk pemakaian sistem cogeneration yang lebih bermanfaat,
kebutuhan uap seharusnya lebih besar dan 50.000 pon/jam,
pemakaian tidak terlalu berfluktuasi, dan dengan faktor
kapasitas sebesar 70% (atau berproduksi selama 6.000
jam/tahun).
7) Penggunaan sistem cogeneration akan mengurangi emisi
polusi udara. Hal ini akan lebih bermakna bilaman pada
daerah dimana akan dibangan system cogeneration aturan
standar buangan polusi lebih kecil dan daerah lainnya.
42 Matius Sau, dkk
Referensi
Nadjamuddin Harun, “Operasi Ekonomis Sistem Tenaga Listrik Berbasis Logika Samar”, 2002, Kementerian Riset
Teknologi.
Najamuddin harun, Diktat kuliah Sistem Pembangkit tenaga
listrik, Universitas Hasanuddin.
43 Matius Sau, dkk
BAB 3
PEMBANGKIT LISTRIK
TENAGA HIDRO
A. Klasifikasi Pembangkit Listrik Tenaga Hidro
Pada dasarnya suatu pembangkit listrik tenaga hidro
berfungsi untuk mengubah potensi tenaga air yang berupa aliran
air (sungai) yang mempunyai debit dan tinggi jatuh (head) untuk
menghasilkan energi listrik.
Secara umum Pusat Listrik Tenaga Air terdiri dari:
1. Pembangkit listrik tenaga mikrohidro,
2. Pembangkit listrik tenaga minihidro, dan
3. Pembangkit listrik tenaga Air.
Pembangkit listrik tenaga hidro dapat dikatagorikan dan
diklasifikasikan sesuai besar daya yang dihasilkannya,
sebagaimana diperlihatkan pada tabel berikut:
Tabel 3.1 Kapasitas PLMH
No Jenis Daya/Kapasitas
1 PLTA > 5 MW (5000 kW)
2 PLTM 100 kW < PLTM < 5000 kW
3 PLTMH < 100 kW
(Sumber: Severn Wye Energi Agency, www.swea.co.uk)
44 Matius Sau, dkk
B. Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro
Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) adalah
pembangkit listrik berskala kecil (kurang dari 100 kW), yang
memanfaatkan tenaga (aliran) air sebagai sumber penghasil
energi. PLTMH termasuk sumber energi terbarukan dan layak
disebut clean energi karena ramah lingkungan. Dari segi
teknologi, PLTMH dipilih karena konstruksinya sederhana,
mudah dioperasikan, serta mudah dalam perawatan dan
penyediaan suku cadang.
Secara ekonomi, biaya operasi dan perawatannya relatif
murah, sedangkan biaya investasinya cukup bersaing dengan
pembangkit listrik lainnya. Secara sosial, PLTMH mudah
diterima masyarakat luas (bandingkan misalnya dengan
Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir). PLTMH biasanya dibuat
dalam skala desa di daerah-daerah terpencil yang belum
mendapatkan listrik dari PLN. Tenaga air yang digunakan dapat
berupa aliran air pada sistem irigasi, sungai yang dibendung atau
air terjun.
1. Prinsip kerja PLT Mikrohidro
PLT Mikrohidro pada prinsipnya memanfaatkan beda
ketinggian dan jumlah debit air per detik yang ada pada aliran
air saluran irigasi, sungai atau air terjun. Aliran air ini akan
memutar poros turbin sehingga menghasilkan energi mekanik.
Energi ini selanjutnya menggerakkan generator dan
menghasilkan listrik. Pembangunan PLTMH perlu diawali
dengan pembangunan bendungan untuk mengatur aliran air
yang akan dimanfaatkan sebagai tenaga penggerak PLTMH.
Bendungan ini dapat berupa bendungan beton atau bendungan
beronjong. Bendungan
45 Matius Sau, dkk
perlu dilengkapi dengan pintu air dan saringan sampah
untuk mencegah masuknya kotoran atau endapan lumpur.
Bendungan sebaiknya dibangun pada dasar sungai yang stabil
dan aman terhadap banjir. Di dekat bendungan dibangun
bangunan pengambilan (intake). Kemudian dilanjutkan dengan
pembuatan saluran penghantar yang berfungsi mengalirkan air
dari intake. Saluran ini dilengkapi dengan saluran pelimpah
pada setiap jarak tertentu untuk mengeluarkan air yang
berlebih. Saluran ini dapat berupa saluran terbuka atau
tertutup. Di ujung saluran pelimpah dibangun kolam
pengendap. Kolam ini berfungsi untuk mengendapkan pasir
dan meny aring kotoran sehingga air yang masuk ke turbin
relative bersih. Saluran ini dibuat dengan memperdalam dan
memperlebar saluran penghantar dan menambahnya dengan
saluran penguras. Kolam penenang (forebay) juga dibangun
untuk menenangkan aliran air y ang akan masuk ke turbin dan
mengarahkannya masuk ke pipa pesat (penstok). Saluran ini
dibuat dengan konstruksi beton dan berjarak sedekat mungkin
ke rumah turbin untuk menghemat pipa pesat. Pipa pesat
berfungsi mengalirkan air sebelum masuk ke turbin. Dalam
pipa ini, energi potensial air di kolam penenang diubah
menjadi energi kinetik yang akan memutar roda turbin.
Biasany a terbuat dari pipa baja yang dirol, lalu dilas. Untuk
sambungan antar pipa digunakan flens. Pipa ini harus
didukung oleh pondasi yang mampu menahan beban statis dan
dinamisnya. Pondasi dan dudukan ini diusahakan selurus
mungkin, karena itu perlu dirancang sesuai dengan kondisi
tanah.
Turbin, generator dan sistem kontrol masing-masing
diletakkan dalam sebuah rumah yang terpisah. Pondasi turbin-
generator juga harus dipisahkan dari pondasi rumahnya.
46 Matius Sau, dkk
Tujuannya adalah untuk menghindari masalah akibat getaran.
Rumah turbin harus dirancang sedemikian agar memudahkan
perawatan dan pemeriksaan. Setelah keluar dari pipa pesat, air
akan memasuki turbin pada bagian inlet. Di dalamnya terdapat
guided vane untuk mengatur pembukaan dan penutupan turbin
serta mengatur jumlah air yang masuk ke runner/blade
(komponen utama turbin). Runner terbuat dari baja dengan
kekuatan tarik tinggi y ang dilas pada dua buah piringan
sejajar. Aliran air akan memutar runner dan menghasilkan
energi kinetic yang akan memutar poros turbin. Energi y ang
timbul akibat putaran poros kemudian ditransmisikan ke
generator. Seluruh sistem ini harus balance. Turbin perlu
dilengkapi casing yang berf ungsi mengarahkan air ke runner.
Pada bagian bawah casing terdapat pengunci turbin. Bantalan
(bearing) terdapat pada sebelah kiri dan kanan poros dan
berfungsi untuk menyangga poros agar dapat berputar dengan
lancar. Daya poros dari turbin ini harus ditransmisikan ke
generator agar dapat diubah menjadi energi listrik. Generator
yang dapat digunakan pada mikrohidro adalah generator
sinkron dan generator induksi. Sistem transmisi daya ini dapat
berupa sistem transmisi langsung (daya poros langsung
dihubungkan dengan poros generator dengan bantuan
kopling), atau sistem transmisi daya tidak langsung, yaitu
menggunakan sabuk atau belt untuk memindahkan daya antara
dua poros sejajar. Keuntungan sistem transmisi langsung
adalah lebih kompak, mudah dirawat, dan ef isiensiny a lebih
tinggi. Tetapi sumbu poros harus benar-benar lurus dan
putaran poros generator harus sama dengan kecepatan putar
poros turbin.
Masalah ketidaklurusan sumbu dapat diatasi dengan
bantuan kopling fleksibel. Gearbox dapat digunakan untuk
47 Matius Sau, dkk
mengoreksi rasio kecepatan putaran. Sistem transmisi tidak
langsung memungkinkan adanya variasi dalam penggunaan
generator secara lebih luas karena kecepatan putar poros
generator tidak perlu sama dengan kecepatan putar poros
turbin. Jenis sabuk yang biasa digunakan untuk PLTMH skala
besar adalah jenis flat belt, sedang V-belt digunakan untuk
skala di bawah 20 kW. Komponen pendukung yang diperlukan
pada sistem ini adalah pulley, bantalan dan kopling. Listrik
yang dihasilkan oleh generator dapat langsung ditransmisikan
lewat kabel pada tiang-tiang listrik menuju rumah konsumen.
2. Perhitungan Teknis
Potensi daya mikrohidro dapat dihitung dengan persamaan:
Daya (P) = 9.8 x Q x Hn x h ……………. (3.1)
di mana:
P = Daya (kW)
Q = debit aliran (m3/s)
Hn = Head net (m)
9.8 = konstanta gravitasi
h = efisiensi keseluruhan.
Misalnya, diketahui data di suatu lokasi adalah sebagai
berikut: Q = 300 m3/s, Hn = 12 m dan h = 0.5. Maka,
besarnya potensi daya (P) adalah:
P = 9.8 x Q x Hn x h
= 9.8 x 300 x 12 x 0.5
= 17 640 W
= 17.64 kW
48 Matius Sau, dkk
3. Perhitungan Ekonomis
Pembangunan PLT Mikrohidro memerlukan investasi
yang relatif besar. Adapun, biaya (harga) listrik per kWH-nya
dihitung berdasarkan biaya awal (initial cost) dan biaya
operasional (operational cost). Komponen biaya awal terdiri
dari: biaya bangunan sipil, biaya fasilitas elektrik dan mekanik
serta biaya sistem pendukung lain. Komponen biaya
operasional yaitu: biaya perawatan,biaya penggantian suku
cadang, biaya tenaga kerja(operator) serta biaya lain yang
digunakan selama pemakaian.
Contoh perhitungan harga listrik per kWh dari PLT
Mikrohidro adalah sebagai berikut: Misalkan, untuk
membangun suatu PLTMH dengan kapasitas terpasang 1 kW,
dibutuhkan biaya awal Rp 4 juta. Umur pakai mikrohidro yang
dirancang adalah 10 tahun dengan biaya operasional Rp. 1
Juta/tahun. Sehingga total biayanya menjadi Rp. 10 Juta.
Maka, biaya rata-rata (Rp) per hari adalah: ( )
Sehingga Biaya (harga) per kWh ditentukan oleh biaya rata-rata
perhari dan besarnya energy listrik yang dihasilkan per hari
(kWh/hari). Energi per hari ini ditentukan oleh besarnya daya
terpasang serta faktor daya. Jika diasumsikan faktor daya
besarnya 12 jam/hari, maka harga energi listrik per kWh
adalah:
49 Matius Sau, dkk
( ) Sehingga
4. Perancangan Sistem PLT Mikrohidro
Tahap pertama perancangan PLT Mikrohidro adalah
studi awal. Studi ini diawali dengan survey lapangan untuk
memperoleh data primer mengenai debit aliran dan head (beda
ketinggian). Debit aliran dapat diukur dengan metode
konduktivitas atau metode Weir. Berdasarkan data tersebut
dapat dihitung perkiraan potensi daya awal. Data lapangan
sebaiknya diambil beberapa kali pada musim yang berbeda
untuk memperoleh gambaran yang tepat mengenai potensi
daya dari aliran air tersebut. Selain itu, perlu dicari data
pendukung, yaitu: kondisi air (keasaman, kekeruhan, serta
kandungan pasir atau lumpur), keadaan dan kestabilan tanah di
lokasi bangunan sipil, serta ketersediaan bahan, transportasi
dan tenaga trampil (operator).
Setelah survey lapangan, tahap perancangan selanjutnya
adalah pemilihan lokasi dan penentuan dimensi utama,
pembuatan analisis keunggulan dan kelemahan setiap
alternative pilihan, pembuatan sketsa elemen utama,
penentuan tipe serta kapasitas turbin dan generator y ang akan
digunakan, penentuan sistem kontrol sistem
(manual/otomatis), perancangan jaringan transmisi dan
distribusi serta perancangan sistem penyambungan ke rumah-
rumah.
50 Matius Sau, dkk
Sebelum membangun PLT Mikrohidro di suatu tempat
perlu diketahui dahulu rencana PLN untuk daerah yang
bersangkutan, kebutuhan listriknya, rencana penggunaan daya
listrik dan faktor bebannya, studi kelayakan ekonomi serta
kesiapan lembaga pengelola. Setelah semua studi yang
diperlukan siap dan layak, dilakukan proses disain yang lebih
lebih rinci, yaitu: pembuatan detail gambar teknik, penentuan
spesif ikasi teknis secara jelas, penyusunan jadwal kegiatan,
penghitungan biaya setiap komponen serta penyiapan
pengurus yang akan mengelola PLTMH. Jika seluruh disain
ini telah siap maka pembangunan PLT Mikrohidro dapat
dimulai.
C. Pembangkit Listrik Tenaga Minihidro
Pembangkit Listrik Tenaga Minihdro adalah pembangkit
listrik tenaga air dengan kisaran output daya antara 100 kW
sampai dengan 5000 kW. Keuntungan utama dari pembangkit
mini hidro adalah:
1. Efisiensi tinggi (70 - 90%), sejauh ini yang terbaik dari semua
teknologi energi.
2. Faktor kapasitas tinggi (biasanya> 50%)
3. Tingkat tinggi prediktabilitas, bervariasi dengan pola curah
hujan tahunan
4. Daya keluaran bervariasi hanya secara bertahap dari hari ke
hari (tidak dari menit ke menit).
D. Pembangkit Listrik Tenaga Air
Pada umumnya energi air dapat dibagi atas:
1. Energi air kandungan mekanis:
a. Energi air terjun
b. Energi pasang surut
c. Energi ombak
51 Matius Sau, dkk
2. Energi air kandungan termis
a. Energi panas laut
Dalam bentuk diagram dapat digambarkan pada
gambar 3.1 sebagai berikut:
SUMBER DAYA
ENERGI AIR
ENERGI AIR KANDUNGAN
MEKANIS
ENERGI AIR KANDUNGAN
THERMIS
A. ENERGI AIR TERJUN
B. ENERGI PASANG SURUT
C. ENERGI OMBAK
ENERGI PANAS LAUT
Gambar 3.1 Diagram Pembagian Sumber Daya Energi Air
1. Energi Air Kandungan Mekanis
Energi Air Terjun
Potensi tenaga air terjun tergantung pada kondisi
geografis, keadaan curah hujan dan areal (penampungan)
aliran (catch ment area). Pengembangan sumber tenaga air
secara wajar, perlu diketahui secara jelas seluruh potensi
sumber tenaganya. Jumlah potensi tenaga air dipermukaan
tanah disebut potensi tenaga air teoritis. Sedang yang dapat
dikembangkan atau diomanfaatkan dari segi teknis disebut
52 Matius Sau, dkk
potensi tenaga air teknis. Untuk pengembangan secara
ekonomis disebut potensi tenaga air ekonomis.
Pada umumnya potensi tenaga ekonomislah yang
dianggap sebagai potensi tenaga air. Namun dengan kemajuan
dibidang teknologi dan perubahan konsep tentang ekonomi
potensi tenaga air, maka kategori potensi tenaga air teknis
diperluas hingga meliputi potensi tenaga air teoritis, dan tidak
ada lagi perbedaan yang tegas diantara ketiganya.
Perbandingan antara potensi tenaga air teknis dan
ekonomis terhadap potensi tenaga air teoritis diperkirakan
berturut-turut 34 - 40 % dan 20 - 30%. Berubah-ubah
tergantung pada tingkatan teknik dan ekonomi setempat.
Pada umumnya, ada 3 faktor utama untuk
penentuansuatu potensi tenaga air bagi pembangkit tenaga
listrik yaitu:
a. Jumlah air yang tersedia, yang merupakan fungsi dari jatuh
hujan dan atau salju.
b. Tinggi terjun yang dapat dimanfaatkan, dalam hal ini
tergantung dari topopgrafi daerah tersebut.
c. Jarak lokasi yang dapat dimanfaatkan terhadap adanya
pusat-pusat beban atau jaringan transmisi.
Penggunaan tenaga air disamping untuk keperluan
pembangkit tenaga listrik, juga masih merupakan pemanfaatan
multiguna karena masih berhubungan dengan irigasi,
pengendalian banjir, perikanan, rekreasi dan navigasi. Sumber
tenaga air diperoleh dari adanya siklus hidolik daripada air,
yaitu pemanasan dari sinar matahari yang kemudian turun ke
bumi dan kembali lagi terjadi penguapan akibat pemamanasan
sinar matahari tersebut.
53 Matius Sau, dkk
Tabel 3.1 memperlihatkan angka-angka dan lokasi yang
mempunyai kemungkinan potensi tenaga air yang dapat
digunakan untuk pembangkit tenaga listrik beberapa Negara
didunia.
Tabel 3.2 Potensi Ekonomis Tenaga Air Untuk Pembangkit
Tenaga ListrikBeberapa Negara Didunia.
Sumber: Dr. A. Arismunandar dan Dr. S. Kuwuhara, Teknik
Tenaga Listrik, 1991.
Pada tabel 3.2 memperlihatkan angka-angka dan lokasi
yang mempunyai kemungkinan potensi tenaga air yang dapat
digunakan untuk pembangkit tenaga listrik diIndonesia.
Tabel 3.3 Potensi Ekonomis Tenaga Air Untuk Pembangkit
Tenaga Listrik Beberapa Negara Di Indonesia.
54 Matius Sau, dkk
Sumber: Komite Nasional Indonesia (World Energi Council ).
Hasil-Hasil Lokakarya 1993.
Prinsip Pembangkit Energi Air
Pembangkit Tenaga Air adalah suatu bentuk perubahan
tenaga dari tenaga air dengan ketinggian dan debit tertentu
menjadi tenaga listrik dengan menggunakan turbin air dan
generator. Untuk keperluan estimasi daya yang dibangkitkan
secara kasar dapat digunakan rumus sederhana yaitu:
P= f. Q.H ……………………………… (3.2)
dimana
P = daya [kW]
Q = debit air [m3/detik]
H = tinggi air terjun [m]
F = suatu factor antara 0,7 dan 0,8
Untuk keperluan survai data-data primer yang diperlukan:
a. Jumlah energi yang secara teoritis dapat diperoleh setahun,
dalam kondisi-kondisi tertentu dimusim hujan dan musim
kering.
b. Jumlah daya pusat listrik yang akan dipasang, dengan
memeperhatikan apakah pusat listrik itu akan dipakai untuk
beban dasar atau beban puncak.
Berdasarkan gambar 3.2 berikut ditunjukkan secara skematis
bahwa:
a. Bendungan besar
b. Saluran terbuka dan bendungan ambil air B
Air masuk ke dalam pipa tekan, dan selanjutnya ke turbin
melalui katub.
55 Matius Sau, dkk
Gambar 3.2 Skematis sebuah Pembangkit Listrik Tenaga Air
Potensi energi pasang surut
Pasang surut air laut adalah suatu gejala fisik yang selalu
berulang dengan periode tertentu dan pengaruhnya dapat
dirasakan sampai jauh masuk kearah hulu dari muara sungai.
Pasang surut terjadi karena adanya gerakan dari benda benda
angkasa yaitu rotasi bumi pada sumbunya, peredaran bulan
mengelilingi bumi dan peredaran bulan mengelilingi matahari.
Gerakan tersebut berlangsung dengan teratur mengikuti suatu
garis edar dan periode yang tertentu. Pengaruh dari benda
angkasa yang lainnya sangat kecil dan tidak perlu diperhitungkan.
Gerakan dari benda angkasa tersebut di atas akan
mengakibatkan terjadinya beberapa macam gaya pada setiap titik
di bumi ini,yang disebut gaya pembangkit pasang surut. Masing
masing gaya akan memberikan pengaruh pada pasang surut dan
disebut komponen pasang surut, dan gaya tersebut berasal dari
pengaruh matahari, bulan atau kombinasi keduanya.
56 Matius Sau, dkk
Pasang surut laut merupakan hasil dari gaya tarik gravitasi
dan efek sentrifugal. Efek sentrifugal adalah dorongan ke arah
luar pusat rotasi. Gravitasi bervariasi secara langsung dengan
massa tetapi berbanding terbalik terhadap jarak. Meskipun ukuran
bulan lebih kecil dari matahari, gaya tarik gravitasi bulan dua kali
lebih besar daripada gaya tarik matahari dalam membangkitkan
pasang surut laut karena jarak bulan lebih dekat daripada jarak
matahari ke bumi. Gaya tarik gravitasi menarik air laut ke arah
bulan dan matahari dan menghasilkan dua tonjolan (bulge)
pasang surut gravitasional di laut. Lintang dari tonjolan pasang
surut ditentukan oleh deklinasi, sudut antara sumbu rotasi bumi
dan bidang orbital bulan dan matahari.
Energi pasang surut pada lautan terjadi akibat pengaruh
massa bulan terhadap bumi, yang mengakibatkan adanya gaya
tarik, sehingga menjelma suatu gejala yang dikenal sebagai
pasang surut. Gejala ini terjadi secara teratur, disebabkan bulan
mengelilingi bumi, sehingga air laut ditarik karena gaya tarik
gravitasi bulan.
Gambar 3.3 Terjadinya pasang surut akibat gaya tarik bulan
57 Matius Sau, dkk
Gambar 3.3 memperlihatkan permukaan laut dititik A.
keadaan ini, laut pada titik A berada dalam keadaan pasang,
sedangkan pada titik B berada dalam keadaan surut. Kira-kira 6
jam kemudian, terjadi situasi sebaliknya, akibat perputaran bulan.
Penyebab pasang surut
Bulan tepat di atas titik P1 pada permukaan bumi. Karena
gaya tarik bulan di titik P1 paling besar maka P1 bergerak lebih
banyak ke arah bulan daripada titik O (titik pusat bulan). Jika titik
O bergerak ke arah bulan, maka titik P2 akan bergerak lebih
lambat dari titik O. Oleh karena itu, maka permukaan air di titik
P1 dan P2 lebih tinggi daripada permukaan air laut rata-rata.
Pasang naik terjadi di P1 dan P2, sementara itu, di daerah yang
letaknya 90 derajat dari kedua titik itu terjadi pasang surut.
Gambar 3.4 Posisi bumi terhadap bulan
Peredaran semu harian bulan memerlukan waktu 24 jam 50
menit. Periode tersebut disebut satu hari bulan. Oleh karena itu
satu titik di khatulistiwa pada permukaan bumi mengalami dua
kali pasang naik dalam periode satu hari bulan. Ternyata gaya
tarik matahari juga memberikan pengaruh terhadap molekul air
laut, walaupun perbandingan antara gaya tarik matahari dengan
58 Matius Sau, dkk
gaya tarik bulan terhadap bumi adalah 1: 2,2. Pasang laut
purnama (spring tide) terjadi ketika bumi, bulan dan matahari
berada dalam suatu garis lurus. Pada saat itu akan dihasilkan
pasang tinggi yang sangat tinggi dan pasang rendah yang sangat
rendah. Pasang laut purnama ini terjadi pada saat bulan baru dan
bulan purnama.
Gambar 3.5 Posisi Bumi, bulan dan matahari ketika pasang
Purnama
Pasang naik yang paling rendah dalam periode satu siklus
pasang surut disebut pasang perbani. Pasang perbani terjadi pada
waktu kedudukan bulan, bumi dan matahari membentuk sudut
90o. Pada posisi tersebut, gaya tarik matahari dan gaya tarik bulan
bekerja pada titik-titik yang tegak lurus satu sama lain Pada
waktu bulan perbani, gaya tarik bulan bekerja pada titik P1 dan
P2 sedangkan gaya tarik matahari bekerja pada titik P3 dan P4.
Besar gaya yang menyebabkan pasang perbani adalah resultan
dari dua gaya yang berarah tegak sesamanya.
59 Matius Sau, dkk
Gambar 3.6 Posisi Matahari dan bulan terhadap bumi
membentuk sudut 90o
Menurut medar gobel dalam bukunya Energi Earth and
everyone, memperkirakan jumlah potensi dari energi pasang surut
di seluruh dunia adalah 26 x 1012 kWH. Namun sebagian kecil
saja bumi dimanfaatkan oleh manusia. Puncak pasang surut air
laut diikuti 12 jam kemudian dengan rendahnya surut air laut.
Kemudian pasang kembali, sehingga dalam waktu 24 jam terjadi
dua kali pasang dan dua kali surut. Beda antara permukaan laut
ketika pasang dan surut itu disebut amplitude. Pasang laut itu
dipengaruhi oleh kedalaman air laut dan keadaan lokasi pantai
setempat.
Untuk memanfaatkan air pasang dipakai bendungan,
sehingga terbentuk wadah dan ketika surut, air waduk dilepaskan
melalui turbin generator untuk pembangkit tenaga listrik.atau
diwaktu pasang, turbo generator yang dapat bekerja dua arah
aliran air alut itu, dikerjakan oleh air pasang laut yang masuk
melalui pipa turbin ke dalam waduk penyimpanan air laut.
Tabel 3.3 memperlihatkan angka-angka dan lokasi sumber
daya terpasang yang diketahui di dunia. Terlihat bahwa potensi
60 Matius Sau, dkk
yang cukup besar terdapat di Amerika Utara, utamanya diteluk
funny.
Tabel 3.4 Potensi energi pasang surut di dunia.
Sumber: 1. World Energi Resources, 1985-2020, WEC
2. S.S Panner: Demands, Resources, Impact,
Technology, and Policy Volume I. Addision-Wesley
Publishing Coy.
Konversi Energi Pasang Surut
Pada dasarnya antara tenaga pasang surut dengan tenaga air
konvensional, yaitu kedua duanya adalah tenaga air yang
memanfaatkan gravitasi tinggi jatuh air untuk pembangkitan
tenaga listrik
a. Pasang surut menyangkut arus air periodik dwi arah dengan
dua kali pasang dan dua kali surut setiap hari
b. Operasi di lingkungan air laut memerlukan bahan bahan
konstruksi yang lebih tahan korosi daripada material untuk air
tawar
c. Tinggi jatuh relatif sangat kecil (maksimal 11 meter) bila
dibanding dengan instalasi hydro lainnya.
61 Matius Sau, dkk
Bila selisih antara tinggi air laut dan tinggi waduk pasang
surut adalah H, dan debit air adalah Q, maka besar daya yang
dihasilkan adalah Q x H. Selanjutnya bila luas waduk pada
ketinggian D adalah S (h), yaitu S sebagai fungsi h, maka jumlah
energi yang dibangkitkan dengan mengosongkan sebahagian h
dari ketinggian dh adalah berbanding lurus dengan isi S (h). h. dh.
Sehingga diperoleh: Waktu pengosongan waduk:
∫ ( ) ………………. (3.3)
Waktu mengisi waduk:
∫ ( ) ( ) …………………… 3.4)
Diasumsikan bahwa pengisian dan pengosongan waduk
dilakukan pada pergantian pasang dan surut, untuk mendapatkan
penyederhanaan rumus. Diperoleh energi yang dibangkitkan per-
siklus adalah:
∫ ( )
……………. (3.5)
Dimana:
E = energi yang dibangkitkan per-siklus.
H = selisih tinggi permukaan air laut antara pasang surut.
V = volume waduk pasang surut.
Bila besaran V diganti dengan besaran massa air laut,
maka rumus diatas dapat ditulis menjadi:
Emaks = b. g. H2. S …………………………… (3.6)
P = f. Q H …………………………………… (3.7)
Dimana:
Emaks = Jumlah energi maksimum dapat diproses per siklus
62 Matius Sau, dkk
b = Berat jenis air laut
g = Grafitasi
H = Tinggi pasang surut terbesar
S = Luas waduk rata-rata antara pasang dan surut
Q = Debit air
f = Faktor efisiensi, P = Daya
Besaran H adalah kwadrat, sehingga tinggi pasang surut sangat
penting. Untuk tinggi H kurang dari 2 meter pada umumnya
pembangkit energi pasang surut tidak memenuhi syarat.
Prinsip Konversi Pasang Surut
Prinsip sederhana dari pemanfaatan ketiga bentuk energi itu
adalah: memakai energy kinetik untuk memutar turbin yang
selanjutnya menggerakkan generator untuk menghasilkan listrik.
KONVERSI Energi Kinetik Energi Listrik
(a)
(b)
63 Matius Sau, dkk
(c)
Gambar 3.7 Prinsip proses konversi energy pasang surut
Pasang surut menggerakkan air dalam jumlah besar setiap
harinya; dan pemanfaatannya dapat menghasilkan energi dalam
jumlah yang cukup besar. Dalam sehari bisa terjadi hingga dua
kali siklus pasang surut. Oleh karena waktu siklus bisa
diperkirakan (kurang lebih setiap 12,5 jam sekali), suplai
listriknya pun relatif lebih dapat diandalkan daripada pembangkit
listrik bertenaga pasang surut.
64 Matius Sau, dkk
Energi Ombak
Gelombang yang memecah di pantai dan tebing-tebing
merupakan energi yang cukup besar. Salah satu kemungkinan
pemanfaatan ini dapat dilihat pada gambar 3.8. dibuat ruangan
penampungan air yang berada di bawah gelombang yang
memecah di tebing pantai sepanjang 1 km, dan ketika air
gelombang tiba kemudian surut, katub dibuka, sehingga
tertangkap sejumlah volume air laut di ruangan atas. Kemudian
disalurkan melalui pipa untuk menggerakkan turbin air dan
generator. Air itu disalurkan ke ruangan sebelah bawah, maka
generator akan membangkitkan energi listrik. Metode ini seperti
pemanfaatan energi pasang surut, tapi dalam hal ini tidak
tergantung pada pasang air, tapi pada tinggi gelombang datang
memecah di tebing pantai.
Gambar 3.8 Pusat Listrik Tenaga Pecah Gelombang (PLTPG)
65 Matius Sau, dkk
Pada gambar 3.9 memperlihatkan gagasan desain sebuah
rakit yang digunakan untuk pemanfaatan gelombang laut.
Gambar 3.9 Skema Rakit Ombak Laut
Menurut Hulls, daya yang terkandung dalam ombak mempunyai
bentuk: …………………………………. (3.8)
dimana
P = Daya
b = Berat jenis air laut
g = Grafitasi
T = Periode
H = Tinggi ombak rata-rata
Selanjutnya Hulls menjelaskan bahwa ombak yang
mempunyai tinggi rata – rata 1 meter (H), dan periode 9 detik (T,
jarak waktu antara dua ombak), mempunyai daya sebesar 4,3 kW
per meter panjang ombak. Sedang deretan ombak serupa dengan
tinggi 2 meter mempunyai daya 17 kW per meter panjang ombak.
Sedangkan ombak dengan ketinggian 10 meter dan periode 12
detik mempunyai daya 600 kW per meter.
66 Matius Sau, dkk
Energi Pasang Laut
Lautan atau samudera merupakan kolektor sinar radiasi
matahari secara alamiah dan yang terbesar di dunia. Di daerah
tropis terdapat perbedaan suhu antara lapisan permukaan laut
dengan kedalaman laut sekitar 200 sampai 25o C. perbedaan suhu
ini siang dan malam terus ada, sehingga merupaka sumber energi
yang selalu tersedia dan dapat dimanfaatkan oleh manusia.
Energi thermal ini dapat dikonversi menjadi energi lsitrik
dengan suatu teknologi yang disebut Ocean Thermal Energi
Conversion (OTEC) atau Konversi Energi Panas Laut (KEPL).
Teknologi Panas Laut
Perbedaan suhu dimanfaatkan untuk menjalankan mesin
penggerak dengan menggunakan peruap thermodinamika. Pada
suhu yang lebih tinggi digunakan untuk mencairkan zat kerja
kembali. Zat kerja yang dapat digunakan adalah Gas Fron R 22
(CHCL F2), ammonia (NH3), titik didih sangat rendah.
Air hangat yang mempunyai temperature 25 dan 35oC
masuk ke evaporator yang berisis misalnya zat kerja Fron R-22
yang akan mendidih akibat temperature tersebut.
67 Matius Sau, dkk
Gambar 3.10 Skema Konversi energy Panas Laut ( KEPL)
Uap gas ini dengan tekanan 12 kg/cm2, masuk keturbin dan
menggerakkan generator. Gas yang telah dipakai didinginkan
dalam kondesator oleh air laut dingin yang memiliki suhu sekitar
5 – 7o C pada kedalaman sekitar 500 m, sehingga menjadi cair.
Siklus ini berputar terus derngan memompai zat kerja air kedalam
evaporator. Gambar dibawah memperlihatkan 2 type pusat listrik
KEPL
Gambar 3.11 a) Pusat Listrik KEPL Darat, b) Pusat Listrik
KEPL Darat
68 Matius Sau, dkk
Referensi
Allen J. Wood, Bruce F. Wollenberg, Power Generation,
Operation and Control, John Wiley and Sons, New York,
NY, 1996.
Cuip, A.W. (penerjemah:Darwin Sitompul). Prnsip-Prinsip
Konversi Energi. Penerbit Erlangga. Jakarta. 1991.
Kadir,A.,Prof.lr. Energi. Penerbit Universitas Indonesia. Jakarta.
1990.
Neville, R.C.Solar Energy Conversion; the Solar Cell. Elsevier
Scientific Publishing Company. Amsterdam. 1978.
Nadjamuddin Harun, “Operasi Ekonomis Sistem Tenaga Listrik Berbasis Logika Samar”, 2002, Kementerian Riset
Teknologi.
Najamuddin harun, Diktat kuliah Sistem Pembangkit tenaga
listrik, Universitas Hasanuddin
69 Matius Sau, dkk
BAB 4
PEMBANGKIT LISTRIK
TENAGA BAYU (PLTB)
Angin/Bayu adalah salah satu bentuk energi yang tersedia di
alam, Angin terjadi karena ada perubahan suhu antara udara panas
dan udara dingin. Di tiap daerah keadaan suhu dan kecepatan angin
berbeda. Untuk mengurangi keterbatasan penggunaan energi yang
tak terbaharukan dalam pembangkitan energi listrik khususnya maka
diperlukan energi-energi alternatif lain sebagai penggantinya. Dalam
rangka mencari bentuk-bentuk sumber energi alternatif yang bersih
dan terbarukan kembali energi angin mendapat perhatian yang besar.
Pembangkit Listrik Tenaga Bayu mengkonversikan energi
angin menjadi energi listrik dengan menggunakan turbin angin.
Besarnya daya yang dihasilkan tergantung pada kecepatan angin dan
diameter baling-baling.
A. Komponen-komponen PLTB
Adapun komponen-komponen dari PLTB yaitu baling-
baling dan ekor, turbin angin, tiang dan panel kontrol, sebagai
berikut:
70 Matius Sau, dkk
1. Baling-baling dan ekor
Baling-baling merupakan komponen yang menangkap
energi kinetik angin menjadi energi putaran dan ekor berfungsi
sebagai komponen untuk mengarahkan baling - baling ke arah
angin.
Gambar 4.1 Sebuah PLTB
(Sumber: http://www .kincirangininfo.com)
71 Matius Sau, dkk
Gambar 4.2 Baling-baling dan ekor
B. Turbin Angin
Turbin Angin adalah komponen inti yang akan mengubah
energi kinetik angin menjadi energi listrik. Adapun Jenis turbin
angin ada 2, yaitu:
Gambar 4.3 Generator pada turbin angin
72 Matius Sau, dkk
1. Turbin angin sumbu horizontal (TASH)
Turbin angin sumbu horizontal memiliki poros rotor
utama dan generator listrik di puncak menara. Turbin
berukuran kecil diarahkan oleh sebuah baling- baling angin
yang sederhana, sedangkan turbin berukuran besar pada
umumnya menggunakan sebuah sensor angin yang
digandengkan ke sebuah servo motor. Sebagian besar
memiliki sebuah gearbox yang mengubah perputaran turbin
yang pelan menjadi lebih cepat berputar. Karena sebuah
menara menghasilkan turbulensi di belakangnya, turbin
biasanya diarahkan melawan arah anginnya menara. Bilah-
bilah turbin dibuat kaku agar mereka tidak terdorong menuju
menara oleh angin berkecepatan tinggi. Sebagai tambahan,
bilah-bilah itu diletakkan di depan menara pada jarak tertentu
dan sedikit dimiringkan. Karena turbulensi menyebabkan
kerusakan struktur menara, sebagian besar TASH merupakan
mesin upwind (melawan arah angin). Meski memiliki
permasalahan turbulensi, mesin downwind (menurut jurusan
angin) dibuat karena tidak memerlukan mekanisme tambahan
agar mereka tetap sejalan dengan angin, dan karena di saat
angin berhembus sangat kencang, bilah- bilahnya bisa ditekuk
sehingga mengurangi wilayah tiupan mereka dan dengan
demikian juga mengurangi resintensi angin dari bilah-bilah itu.
Adapun kelebihan dan kekurangan TASH, yaitu:
a. Kelebihan TASH:
Dasar menara yang tinggi membolehkan akses ke angin
yang lebih kuat di tempat-tempat yang memiliki geseran
angin, perbedaan antara laju dan arah angin antara dua
titik yang jaraknya relatif dekat di dalam atmosfir bumi.
Di sejumlah lokasi geseran angin, setiap sepuluh meter
ke atas, kecepatan angin meningkat sebesar 20%.
73 Matius Sau, dkk
b. Kekurangan TASH:
Menara yang tinggi serta bilah yang panjangnya bisa
mencapai 90 meter sulit diangkut. Diperkirakan besar
biaya transportasi bisa mencapai 20% dari seluruh biaya
peralatan turbin angin.
TASH yang tinggi sulit dipasang, membutuhkan derek
yang yang sangat tinggi dan mahal serta para operator
yang tampil.
Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk
menyangga bilah-bilah yang berat, gearbox, dan
generator.
Ukurannya yang tinggi merintangi jangkauan
pandangan dan mengganggu penampilan lansekap.
Berbagai varian downwind menderita kerusakan
struktur yang disebabkan oleh turbulensi.
TASH membutuhkan mekanisme kontrol yaw tambahan
untuk membelokkan turbin ke arah angin.
Gambar 4.4 Turbin angin sumbu horizontal
74 Matius Sau, dkk
2. Turbin angin sumbu vertikal (TASV)
Turbin angin sumbu vertikal atau TASV memiliki
poros/sumbu rotor utama yang disusun tegak lurus. Kelebihan
utama susunan ini adalah turbin tidak harus diarahkan ke angin
agar menjadi efektif. Kelebihan ini sangat berguna di tempat-
tempat yang arah anginnya sangat bervariasi. TASV mampu
mendayagunakan angin dari berbagai arah.
Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox
bisa ditempatkan di dekat tanah, jadi menara tidak perlu
menyokongnya dan lebih mudah diakses untuk keperluan
perawatan. Tapi ini menyebabkan sejumlah desain
menghasilkan tenaga putaran yang berdenyut. Drag (gaya
yang menahan pergerakan sebuah benda padat melalui fluida
(zat cair atau gas) bisa saja tercipta saat turbin berputar.
Karena sulit dipasang di atas menara, turbin sumbu
tegak sering dipasang lebih dekat ke dasar tempat ia
diletakkan, seperti tanah atau puncak atap sebuah bangunan.
Kecepatan angin lebih pelan pada ketinggian yang rendah,
sehingga yang tersedia adalah energi angin yang sedikit.
Aliran udara di dekat tanah dan obyek yang lain mampu
menciptakan aliran yang bergolak, yang bisa menyebabkan
berbagai permasalahan yang berkaitan dengan getaran,
diantaranya kebisingan dan bearing wear yang akan
meningkatkan biaya pemeliharaan atau mempersingkat umur
turbin angin. Jika tinggi puncak atap yang dipasangi menara
turbin kira-kira 50% dari tinggi bangunan, ini merupakan titik
optimal bagi energi angin yang maksimal dan turbulensi angin
yang minimal.
Adapun kelebihan dan kekurangan turbin angin sumbu
vertikal, yaitu:
75 Matius Sau, dkk
Kelebihan TASV
Tidak membutuhkan struktur menara yang besar.
Karena bilah-bilah rotornya vertikal, tidak dibutuhkan
mekanisme yaw.
Sebuah TASV bisa diletakkan lebih dekat ke tanah,
membuat pemeliharaan bagian-bagiannya yang bergerak
jadi lebih mudah.
TASV memiliki sudut airfoil (bentuk bilah sebuah baling-
baling yang terlihat secara melintang) yang lebih tinggi,
memberikan keaerodinamisan yang tinggi sembari
mengurangi drag pada tekanan yang rendah dan tinggi.
Desain TASV berbilah lurus dengan potongan melintang
berbentuk kotak atau empat persegi panjang memiliki
wilayah tiupan yang lebih besar untuk diameter tertentu
daripada wilayah tiupan berbentuk lingkarannya TASH.
TASV memiliki kecepatan awal angin yang lebih rendah
daripada TASH. Biasanya TASV mulai menghasilkan
listrik pada 10km/jam (6 m.p.h.)
TASV biasanya memiliki tip speed ratio (perbandingan
antara kecepatan putaran dari ujung sebuah bilah dengan
laju sebenarnya angin) yang lebih rendah sehingga lebih
kecil kemungkinannya rusak di saat angin berhembus
sangat kencang.
TASV bisa didirikan pada lokasi-lokasi dimana struktur
yang lebih tinggi dilarang dibangun.
TASV yang ditempatkan di dekat tanah bisa mengambil
keuntungan dari berbagai lokasi yang menyalurkan angin
serta meningkatkan laju angin (seperti gunung atau bukit
yang puncaknya datar dan puncak bukit),
TASV tidak harus diubah posisinya jika arah angin
berubah.
76 Matius Sau, dkk
Turbin pada TASV mudah dilihat dan dihindari burung.
Kekurangan TASV:
Kebanyakan TASV memproduksi energi hanya 50% dari
efisiensi TASH karena drag tambahan yang dimilikinya
saat kincir berputar.
TASV tidak mengambil keuntungan dari angin yang
melaju lebih kencang di elevasi yang lebih tinggi.
Kebanyakan TASV mempunyai torsi awal yang rendah dan
membutuhkan energi untuk mulai berputar.
Sebuah TASV yang menggunakan kabel untuk
menyanggahnya memberi tekanan pada bantalan dasar
karena semua berat rotor dibebankan pada bantalan. Kabel
yang dikaitkan ke puncak bantalan meningkatkan daya
dorong ke bawah saat angin bertiup.
Gambar 4.5 Turbin angin sumbu vertical
77 Matius Sau, dkk
C. Tiang
Tiang berfungsi sebagai komponen yang meletakkan
baling-baling ditempat yang tinggi yang relatif lebih berangin.
Tiang bisa dibuat dari pipa baja, beton, rangka besi. Kecepatan
angin bertambah jika ketinggian tiang semakin tinggi, diamater
dari rotor juga berpengaruh untuk menghasilkan daya pada PLTB.
Untuk pemasangan tiang dilakukan dengan cara
menyambung tiang satu persatu. Tiang paling bawah memiliki
engsel pada bagian pangkalnya dan pada tiang tertentu terdapat
cuping untuk kawat sling yang berjumlah 3. Setiap tiang memiliki
tangga. Dalam pemasangan tiang dimulai dengan memasukkan
lubang lempengan (baseplate) tiang paling bawah ke dalam baut
yang sudah ada pondasi, biarkan engsel baseplate terbuka
sehingga tiang paling bawah berada pada posisi duduk
Gambar 4.6 Tiang PLTB
78 Matius Sau, dkk
D. Panel Kontrol
Panel Kontrol berfungsi sebagai kontrol tegangan listrik
yang dihasilkan oleh turbin. Salah satu panel kontrol yang dijual
dipasaran yaitu tipe Exmork FKJ A2-5000W Analog, Termasuk
didalamnya terdapat inverter AC-DC.
Gambar 4.7 panel control PLTB
E. Bagian Aerodinamik dari Kincir
Secara garis besar kincir angin terdiri dari anemometer,
blades, rem, controller, gear box dll, sebagai berikut:
79 Matius Sau, dkk
Gambar 4.8 Sketsa Dalam Kincir angin
Sumber: http://www .kincirangininfo.com
Anemometer: Mengukur kecepatan angin, dan mengirim data
angin ini ke Alat Pengontrol.
Blades (Bilah Kipas): Kebanyakan turbin angin mempunyai 2
atau 3 bilah kipas. Angin yang menghembus menyebabkan
turbin tersebut berputar.
Rem: Suatu rem cakram yang dapat digerakkan secara
mekanis, dengan tenaga listrik atau hidrolik untuk
menghentikan rotor atau saat keadaan darurat.
Controller (Alat Pengontrol): Alat Pengontrol ini menstart
turbin pada kecepatan angin kira-kira 12-25 km/jam, dan
mematikannya pada kecepatan 90 km/jam. Turbin tidak
beroperasi di atas 90 km/jam, karena angina terlalu kencang
dapat merusakkannya.
Gear box (Roda Gigi): Roda gigi menaikkan putaran dari 30-
60 rpm menjadi kira-kira 1000-1800 rpm yaitu putaran yang
biasanya disyaratkan untuk memutar generator listrik.
Generator: Generator pembangkit listrik, mengubah energi
80 Matius Sau, dkk
kinetic angin menjadi energi listrik (DC).
High-speed shaft (Poros Putaran Tinggi): Menggerakkan
generator.
Low-speed shaft (Poros Puutaran Rendah): Poros turbin
yang berputar kira-kira 30-60 rpm.
Nacelle (Rumah Mesin): Rumah mesin ini terletak di atas
menara. Di dalamnya berisi gear-box, poros putaran tinggi /
rendah, generator, alat pengontrol, dan alat pengereman.
Pitch (Sudut Bilah Kipas): Bilah kipas bisa diatur sudutnya
untuk mengatur kecepatan rotor yang dikehendaki, tergantung
angin terlalu rendah atau terlalu kencang.
Rotor: Bilah kipas bersama porosnya dinamakan rotor.
Tower (Menera): Menara bisa dibuat dari pipa baja, beton,
rangka besi. Karena kencangnya angin bertambah dengan
ketinggian, maka makin tinggi menara makin besar tenaga
yang didapat.
Wind vane (Tebeng Angin): Mengukur arah angin,
berhubungan dengan penggerak arah yang memutar arah
turbin disesuaikan dengan arah angin.
Yaw drive (Penggerak Arah): Penggerak arah memutar turbin
ke arah angin untuk desain turbin yang menghadap angina.
Untuk desain turbin yang mendapat hembusan angina dari
belakang tak memerlukan alat ini.
Yaw motor (Motor Penggerak Arah): Motor listrik yang
menggerakkan penggerak arah.
81 Matius Sau, dkk
F. Prinsip Kerja Turbin Angin
Cara kerja turbin angin bisa menghasilkan energi listrik,
adalah dengan mengkonversikan energi angin atau energi kinetik
menjadi energi listrik dengan menggunakan turbin angin.
Besarnya daya yang dihasilkan tergantung pada kecepatan angin
dan diameter baling-baling. Energi listrik yang dihasilkan
kemudian dikirimkan dan didistribusikan ke rumah-rumah, pusat
bisnis, sekolah. Turbin-turbin angin modern terbagi menjadi dua
kelompok dasar; jenis sumbu horisontal, dan sumbu vertikal.
Turbin sumbu horisontal inilah yang banyak dipakai saat ini. Ciri
khasnya memiliki dua atau tiga bilah baling-baling, yang
dihadapkan ke arah datangnya angin.
Konversi energi listrik pada PLTB ini memerlukan sebuah
hembusan angin yang kontiniu guna memutar sebuah turbin
angin. Turbin angin yang berputar ini akan dihubungkan dengan
sebuah transmisi mekanik (opsional) untuk menghasilkan putaran
yang lebih tinggi atau lebih rendah untuk kemudian memutar
generator.
Daya pada sistem PLTB ini terdiri dari beberapa macam
yang dapat digolongkan menjadi (Burton T, dkk. 2001):
1. Daya Angin (Pw)
2. Daya Turbin Angin (PA)
3. Daya Generator (PGen)
Daya Angin
Daya angin adalah besaran energi yang dapat dihasilkan
oleh angin pada kecepatan tertentu yang menabrak sebuah kincir
angin dengan luas bidang tertentu.
Rumus daya angin ini dapat di tuliskan dengan: ……………………………. (4.1)
82 Matius Sau, dkk
Dengan:
ρa : kerapatan angin pada waktu tertentu (1,2 kg/)
v : kecepatan angin pada waktu tertentu. (m/s)
A : luas daerah sapuan angin (m2)
Luas daerah sapuan angin dapat dicari dengan rumus:
A = π.r2 ……………………………. (4.2)
Dengan:
A: luas daerah sapuan angin (m2)
r.: Jari-jari lingkaran turbin/ pajang turbin (m)
Gambar 4.9 Model Turbin dengan jari-jari r
83 Matius Sau, dkk
Daya Turbin Angin
Daya turbin angin (PA) adalah besaran energi mekanik yang
dapat dibangkitkan oleh rotor turbin angin akibat mandapatkan
daya dari hembusan angin. Daya turbin angin tidak sama dengan
daya angin dikarenakan daya turbin angin terpengaruh oleh
koefisien daya. Rumus daya angin ini dapat di tuliskan dengan: ………………………… (4.3) ……………………………………. (4.4)
Dengan:
Cp: Koefisien daya
Perancangan pembangkit listrik tenaga angin biasanya
memiliki koefisien daya (CP) yang memiliki nilai di bawah
kostanta betz law, dikarenakan adanya rugi-rugi seperti rugi
tembaga, rugi besi, rugi bearing, dan lain-lain. Besarnya nilai CP
ini berada antara 0 – 0,6 dan juga tergantung pada jenis turbin
yang akan digunakan.
Gambar 4.10 Hubungan koefisien daya rotor turbin dengan
speed ratio
84 Matius Sau, dkk
Daya Generator
Daya generator (Pgen) adalah besaran daya elektrik yang
dapat dibangkitkan oleh generator akibat berputarnya rotor
generator yang dikopel dengan poros turbin. Besar daya generator
ini tergantung dari efisiensi generator dan efisiensi yang ada pada
transmisi mekanik sehingga daya yang dapat dibangkitkan oleh
generator dihitung dengan: ……(4.5)
Dengan:
ηgearbox: Efisiensi gearbox / transmisi mekanik
ηgen : Efisiensi generator
Dari persamaan 4.3, 4.4 dan 4.5 di atas disimpulkan bahwa
daya listrik yang dapat dibangkitkan oleh generator, kemudian
dimanfaatkan untuk peralatan elektrik tidak sebanding dengan
daya angin yang diperoleh. Selisih antara daya yang dihasilkan
oleh angin dan daya yang dihasilkan oleh generator sangat besar.
Hal ini dikarenakan adanya koefisien daya, efisiensi gearbox, dan
efisiensi generator.
Referensi
John, M.C. 2012. Design and Optimization of a Small Wind
Turbine. Tesis tidak diterbitkan. Amerika Serikat:
Renssealer Polytechnic Institute Hartford.
Teuku Syaufi Hayu, dkk. 2018, Studi Potensi Pembangkit Listrik
Tenaga Hybrid (Surya-Bayu) di Banda Aceh
Menggunakan Metode Jaringan Syaraf Tiruan
http://www .kincirangininfo.com
85 Matius Sau, dkk
BAB 5
PEMBANGKIT LISTRIK
TENAGA SURYA
A. Pengertian Energi Matahari Dengan Genting Surya (Sel
Surya)
Matahari terletak berjuta-juta kilometer dari bumi. Kira-
kira jaraknya 149 juta kilometer, akan tetapi menghasilkan jumlah
energi yang luar biasa banyaknya. Pada keadaan cuaca cerah,
permukaan bumi menerima sekitar 1000 watt energi matahari per-
meter persegi. Kurang dari 30% energi tersebut dipantulkan
kembali ke angkasa, 47% dikonversikan menjadi panas, 23%
digunakan untuk seluruh sirkulasi kerja yang terdapat di atas
permukaan bumi, sebagaian kecil 0,25% ditampung angin,
gelombang dan arus dan masih ada bagian yang sangat kecil
0,025% disimpan melalui proses fotosintesis
Energi yang dipancarkan oleh matahari cukup untuk
memenuhi kebutuhan energi seluruh penduduk manusia dibumi
selama satu tahun, apabila ditangkap dengan benar. Contohnya
digunakan untuk mengeringkan pakaian,mengeringkan hasil
panen, digunakan pada proses fotosintesis dan menghasilkan
energi listrik.
86 Matius Sau, dkk
Tenaga surya yang bisa dimanfaatkan menjadi energi lisrik
menggunakan sel surya. Sel surya merupaka sebuah alat yang
tersusun dari material semikonduktor yang dapat mengubah sinar
matahari menjadi tenaga listrik secara langsung. Sering juga
dipakai istilah photovoltaic atau fotovoltaik.
Pada dasarnya sel surya terdiri atas sambungan atau 2
terminal yaitu p–n. Fungsinya atau cara kerja dari sambungan p-n
ini sama dengan dioda (diode). Ketika sinar matahari mengenai
permukaan sel surya, energi yang dibawa oleh sinar matahari ini
akan diserap oleh elektron pada sambungan p–n untuk berpindah
dari bagian dioda tipe–p ke tipe–n dan untuk selanjutnya mengalir
ke luar melalui kabel yang terpasang ke sel.
Besar tegangan yang dihasilkan sebesar 0,5 volt sampai 1
volt dan mimiki arus short-circuit cukup kecil yaitu dalam skala
millimeter per cm2. Tegangan dan arus yang cukup kecil ini tidak
bisa dimanfaatkan untuk berbagai aplikasi. Sehingga sel surya
disusun secara seri membentuk modul surya. Satu modul surya
terdiri dari 28–36 sel surya.
Tegangan yang dihasilkan berupa tegangan DC sebesar 12
volt ketika pada kondisi penyinaran secara normal. Untuk
memperbesar nilai tegangan dan arus yang dikeluarkan modul
surya dengan cara menggabungkan modul surya secara paralel
atau seri sesuai dengan daya yang dibutuhkan pada aplikasi
tertentu.
87 Matius Sau, dkk
Gambar 5.1 Modul surya biasanya terdiri dari 28 – 36 sel surya
yang dirangkai seri untuk memperbesar total daya output
(Wind and Solar Power Systems Mukund R. Patel, Ph.D.,
P.E.,U.S. Merchant Marine Academy, Kings Point, New York)
B. Struktur Sel Surya
Seiring dengan berkembangnya teknologi dan sains, jenis-
jenis dari sel surya mulai berkembang dengan berbagai inovasi.
Mulai dari struktur dan bagian-bagian penyusun sel surya yang
berbeda. Sel surya yang secara umum yaitu sel surya dengan
struktur berbasis material silicon. Biasanya sel surya dengan
struktur silicon digolongkan sel surya generasi pertama
sedangkan sel surya dengan struktur film atau yang mempunyai
laisan tipis tergolong sel surya generasi kedua.
Adapun jenis-jenis dari panel surya yaitu jenis pertama,
yang terbaik saat ini, adalah jenis monokristalin. Panel ini
memiliki efisiensi 12%–14%. Yang kedua adalah jenis
polikristalin atau multikristalin, yang terbuat dari kristal silikon
dengan efisiensi 10–12%. Yang ketiga adalah silikon jenis
amorphous, yang berbentuk film tipis. Efisiensinya sekitar 4%–
88 Matius Sau, dkk
6%. Panel surya jenis ini banyak dipakai di mainan anak-anak,
jam dan kalkulator. Yang terakhir adalah panel surya yang terbuat
dari GaAs (Gallium Arsenide) yang lebih efisien pada temperatur
tinggi.
Gambar 5.2 Struktur dari sel surya komersial yang menggunakan
material silikon sebagai semikonduktor
(http://rhazio.wordpress.com/2007/09/12/pembangkit-listrik-
tenaga-surya/)
Gambar 5.3 Struktur sel surya tipe p-n campuran silicon
(Djoko Adi Widodo, Suryono, Tatyantoro A., Tugino. 2009)
89 Matius Sau, dkk
Bahan sel surya tipe p-n terdiri dari kaca pelindung dan
material adhesive transparan yang melindungi bahan sel surya
dari keadaan lingkungan, material anti-refleksi untuk menyerap
lebih banyak cahaya dan mengurangi jumlah cahaya yang
dipantulkan, semi-konduktor P-type dan N-type untuk
menghasilkan medan listrik, logam tipis adalah saluran awal dan
saluran akhir untuk mengirim elektron ke peralatan listrik
C. Proses Terjadinya Energi Matahari Menjadi Energi Listrik
Dalam cahaya matahari terkandung energi dalam bentuk
foton. Energi foton merupakan energi pendorong electron yang
berupa panas. Ketika foton mengenai permukaan sel surya,
electron–elektronnya akan tereksitasi dan menimbulkan aliran
listrik. Sel surya dapat tereksitasi karena terbuat dari material
semikonduktor yang mengandung unsur silicon. Unsur silicon
terdiri atas dua jenis lapisan yang sensitive terhapan panas
matahari atau perpindahan electron. Yang pertama lapisan negatif
(tipe–n) dan lapisan positif (tipe–p). Dalam proses rangsangan
foton sampai mendorong electron untuk berpindah dikenal
sebagai prinsip photoelectric.
Gambar 5.4 Sel Surya (Genting surya)
90 Matius Sau, dkk
Gambar 5.5 Cara bekerja Sel Surya
sumber: http://newkonyol.blogspot.com/2012/03/pemanfaatan-
pembangkit-listrik-tenaga.html
Listrik yang dihasilkan oleh panel surya dapat langsung
digunakan atau disimpan lebih dahulu ke dalam batere. Arus
listrik yang dihasilkan adalah listrik dengan arus searah (DC)
sebesar 3,5 A. Besar tegangan yang dihasilkan adalah 0,5volt –
1volt. Untuk mendapatkan output yang diinginkan maka panel
surya dihubungkan secara seri atau parallel. sedangkan untuk
memperoleh arus bolak balik (AC) diperlukan alat tambahan yang
disebut inverter.
Sel surya konvensional bekerja menggunakan prinsip p–n
junction, yaitu junction antara semikonduktor tipe–p dan tipe–n.
Semikonduktor terdiri dari ikatan–ikatan atom yang terdapat
elektron sebagai penyusun dasar. Semikonduktor tipe–n
mempunyai kelebihan elektron (muatan negative) sedangkan
semikonduktor tipe–p mempunyai kelebihan hole (muatan positif)
dalam struktur atomnya.
91 Matius Sau, dkk
Kondisi kelebihan elektron dan hole bisa terjadi apabila
mendoping material dengan atom dopant. Sebagai contoh untuk
mendapatkan material silikon tipe–p, silikon didoping oleh atom
boron, sedangkan untuk mendapatkan material silikon tipe–n,
silikon didoping oleh atom fosfor.
Gambar 5.6 Junction semikonduktor tipe – p dan tipe – n
(Wind And Solar Power Sistems karangan Mukund R. Patel)
Peran dari p–n junction ini adalah untuk membentuk medan
listrik sehingga elektron dan hole bisa diekstrak oleh material
kontak untuk menghasilkan listrik. Ketika semikonduktor tipe–p
dan tipe–n terkontak, maka kelebihan elektron akan bergerak dari
semikonduktor tipe–n ke tipe–p sehingga membentuk kutub
positif pada semikonduktor tipe–n, dan sebaliknya kutub negatif
pada semikonduktor tipe–p. Akibat dari aliran elektron dan hole
ini maka terbentuk medan listrik yang mana ketika cahaya
matahari mengenai susuna p–n junction ini maka akan
mendorong elektron bergerak dari semikonduktor menuju kontak
negatif, yang selanjutnya dimanfaatkan sebagai listrik, dan
92 Matius Sau, dkk
sebaliknya hole bergerak menuju kontak positif menunggu
elektron datang.
Gambar 5.7 Cara kerja sel surya dengan prinsip p–n junction
(Photovoltaic Systems Enginering Second Edition oleh Roger A
Messenger Jerry Ventre)
Pada umumnya, untuk memperkenalkan cara kerja sel
surya secara umum, ilustrasi di bawah ini menjelaskan segalanya
tentang proses konversi cahaya matahari menjadi energi listrik.
Gambar 5.8 Ilustrasi Proses Terjadinya Listrik Pada Sel Surya
Fotovoltaik
93 Matius Sau, dkk
D. Energi Matahari di Indonesia
Letak geografis Indonesia yang berada pada daerah
khatulistiwa yaitu pada lintang 600LU - 1100LS dan 9500BT –
14100BT, dan dengan memperhatikan peredaran matahari dalam
setahun yang berada pada daerah 23,500LU dan 23,500LS maka
wilayah Indonesia akan selalu disinari matahari selama 10 – 12
jam dalam sehari. Hal ini tentu saja merupakan sebuah anugerah
karena sinar matahari ini dapat di manfaatkan sebagai sumber
energi alternatif dan sumber energi ini bisa dikatakan tidak akan
pernah habis, tidak bersifat polusif, dan gratis.
Dalam hubungan geometris dari matahari-bumi, jarak
ekstretiknya dari lintasan bumi adalah jarak dari matahari dan
bumi dengan variasi 1,7 %. Dari hasil pengukuran astronomi
didapat jarak rata-rata bumi dan matahari adalah 1,495x 1011 m
dangan sudut kecenderungan matahari 32°. Radiasi intensitas
matahari hampir konstan di luar atmosfir bumi. Konstanta
matahari Gsc, adalah energi dari matahari per unit waktu yang
diterima pada satu unit luasan permukaan yang tegak lurus arah
radiasi matahari pada jarak rata-rata matahari- bumi diluar
atmosfer. WRC-world radiation center mengambil nilai konstanta
matahari (Gsc) sebesar 1367 W/m2 dengan nilai kesalahan
sebesar 1 %.
Pengaruh intensitas matahari terhadap daya yang di
keluarkan oleh sel surya menunjukkan bahwa tegangan tidak
terlalu terpengaruh oleh radiasi matahari. Hanya intensitas radiasi
yang terlalu rendah saja yang akan mempengaruhi tegangan.
94 Matius Sau, dkk
E. Prinsip kerja sel surya fotovoltaik
Sell surya atau dalam dunia internasional lebih dikenal
sebagai solar cell atau photovoltaic cell, merupakan sebuah divais
semikonduktor yang memiliki permukaan yang luas dan terdiri
dari rangkaian dioda tipe p dan n, yang mampu merubah energi
sinar matahari menjadi energi listrik. (Yuliarto, 2006).
Sel surya disusun dengan menggabungkan silikon jenis p
dan jenis n. silicon jenis p adalah silicon yang bersifat positif
akibat dari kekurangan electron sedangkan silicon jenis n adalah
silicon yang bersifat negative akibat dari kelebihan electron
ketika menerima (dikenai) radiasi surya (berupa foton) pada
keduanya (silicon jenis p dan n) terbentuk positif (hole) dan
negative (electron). Hal ini menyebabkan terciptanya
pengkutuban (polarisasi) dimana hole bergerak menuju silicon
jenis n. dengan menyambungkan kedua jenis silicon (jenis p dan
jenis n) melalui suatu penghantar luar maka terjadi beda potensial
antara keduanya dan mengalirkan arus searah. Ilustrasi ini
disajikan pada gambar 5.8 (Abu bakar dkk, 2006).
Pengertian photovoltaic sendiri merupakan proses merubah
cahaya menjadi energi listrik. Oleh karena itu bidang penelitian
yang berkenaan dengan energi surya ini sering juga dikenal
dengan penelitian photovoltaic. Kata photovoltaic berasal dari
bahasa Yunani photos yang berarti cahaya dan volta yang
merupakan nama ahli fisika dari Italia yang menemukan tegangan
listrik. Sehingga secara bahasa dapat diartikan sebagai cahaya dan
listrik photovoltaic. (Yuliarto, 2006)
95 Matius Sau, dkk
Gambar 5.9 Prinsip kerja sel fotovoltaik. (Abu bakar dkk, 2006)
F. Sistem tenaga surya fotovoltaik
Sistem tenaga surya fotovoltaik yang umum dipakai untuk
penerangan adalah sistem individu atau yang lebih sering dikenal
dengan nama solar home sistem (SHS).
Charge
Controller
ACCUMULATOR
Inverter Beban AC
Beban DC
Gambar 5.10 Diagram blok sistem modul surya untuk PLTS
96 Matius Sau, dkk
Dari gambar 5.10 dijelaskan bahwa energi dari sinar
matahari yang dikonversi menjadi energi listrik oleh modul surya
(Photovoltaik) akan disalurkan ke charger controller untuk
mengatur pengisian energi listrik pada battery. Dari charger
controller ini bisa juga langsung di gunakan untuk beban DC atau
langsung masuk ke inverter untuk dirubah menjadi tegangan arus
AC. Selanjutnya Energi listrik yang dihasilkan battery akan
dikonversi oleh inverter dari tegangan arus searah (DC) menjadi
tegangan arus bolak-balik (AC) sehingga dapat dimanfaatkan
pada beban arus bolak balik.
Kondisi meteorologi yang paling dominan dalam
mendesain sistem tenaga surya adalah besarnya radiasi harian
(Wh/m2 hari), serta temperatur sekeliling, sedangkan kelembaban
dan kecepatan angin tidak terlalu banyak berpengaruh. (Abu
bakar dkk, 2006)
1. Komponen Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS)
Komponen utama yang dibutuhkan dalam membangun
suatu sistem energi surya fotovoltaik agar dapat beroperasi
dengan baik adalah:
1. Modul surya (Photovoltaik = PV)
2. Solar Charge atau Universal charge controller (UCC) /
MPPT
3. Bidrectional Inverter
4. Battery Bank
a. Modul Surya / PV
Modul surya merupakan gabungan beberapa sel surya yang
terhubung secara seri. Satu sel surya menghasilkan
tegangan 0.45 Volt [Djojohadikusumo, 2006]. Tegangan ini
sangat rendah untuk dapat dimamfaatkan secara praktis,
sehingga diperlukan sejumlah sel surya yang dihubungkan
97 Matius Sau, dkk
secara seri. Modul surya yang standar dengan 36 atau 40
buah sel surya semi kristal silikon yang masing-masing
berukuran 10 x 10 cm, menghasilkan daya sebesar 38
hingga 50 watt pada tegangan 12 volt pada saat disinari
cahaya matahari dengan intensitas penuh.
Penentuan jumlah modul surya dapat dihitung
menggunakan persamaan (4.1) berikut [Unggul W., 2008]
.............................................................. (5.1)
Dengan:
P = Daya yang direncanakan ( kWp)
Pn = Kapasitas daya listrik setiap modul surya (Wp)
(a) (b)
Gambar 5.11 Panel Polycrystalline (a) dan Panel
Monocrystalline (b)
98 Matius Sau, dkk
b. Bi Directional Inverter
Bi Directional Inverter atau sering disebut Inverter
berfungsi untuk mengubah tegangan arus secarah (DC)
menjadi tegangan arus bolak balik (AC).
Pada PLTS, inverter ini berfungsi untuk mengubah
tegangan arus searah dari Modul surya menjadi tegangan
arus bolak balik yang dapat terhubung ke beban. Selain itu,
inverter juga dapat mengubah tegangan arus searah pada
Accumulator menjadi tegangan arus bolak balik.
Kapasitas dari Inverter tergantung pada kapasitas modul
surya yang akan digunakan.
Gambar 5.12 Inverter Pure Sine Wave 12-24 Volt
99 Matius Sau, dkk
c. Solar Charge Controller /MPPT
Solar charge controller /MPPT merupakan seperangkat
komponen elektronika yang berfungsi untuk:
1. Mengatur transfer energi dari modul surya (PV) ke
Accumulator / Baterai dan ke beban secara efisien dan
semaksimal mungkin
2. Melindungi baterai dari pengisian berlebih (overcharge)
dengan cara memutuskan proses pengisian baterai pada
tegangan batas atas
3. Menlindungi pengosongan berlebih (overdischarge)
dengan memutuskan prose pengosongan baterai pada
tegangan batas bawah
4. Memperpanjang umur baterai
Gambar 5.13 Solar Charge Controller MPPT 12/24 volt
(auto), 30 A.
100 Matius Sau, dkk
d. Accumulator / Battery
Accumulator adalah media penyimpan muatan listrik.
Secara garis besar accumulator dibedakan berdasarkan
aplikasi dan konstruksi.
Berdasarkan aplikasi maka accumulator dibedakan menjadi
2 yaitu
1. Engine starter (otomotif). Accumulator otomotif
umumnya dibuat dengan pelat timbal yang tipis namun
banyak sehingga luas permukaannya lebih besar.
Dengan demikian Accumulator ini bisa menyuplai arus
listrik yang besar pada saat awal untuk menghidupkan
mesin.
2. Deep cycle. Accumulator deep cycle biasanya
digunakan untuk sistem fotovoltaik (solar cell) dan
back up power, dimana Accumulator mampu
mengalami discharge hingga muatan listriknya tinggal
sedikit.
Jenis accumulator starter atau otomotif sebaiknya tidak
mengalami discharge hingga melampaui 50% kapasitas
muatan lsitriknya untuk menjaga keawetan
accumulator. Apabila muatan accumulator basah
sampai di bawah 50% dan dibiarkan dalam waktu lama
(berhari-hari tidak di-charge kembali), maka kapasitas
muat accumulator tersebut akan semakin berkurang
sehingga menjadi tidak awet. Berkurangnya kapasitas
muat accumulator tersebut karena proses pembentukan
kristal sulfat yang menempel pada pelat ketika muatan
Accumulator tidak penuh (di bawah 50%). Keawetan
accumulator berkaitan dengan banyaknya discharging
101 Matius Sau, dkk
pada kedua jenis accumulator tersebut ditunjukkan pada
Tabel 5.1.
Tabel 5.1 Siklus pengisian pada jenis Accumulator otomotif
dan deep cycle
Secara konstruksi accumulator dibedakan menjadi tipe
basah (konvensional, flooded lead acid), sealed lead acid
(SLA), valve regulated lead acid (VRLA), gel, dan AGM
(absorbed glass mat), semuanya merupakan accumulator yang
berbasis asam timbal (lead acid). Tabel 4.2 menunjukkan
voltase yang diperlukan untuk proses absorption charging
(dengan arus maksimum) dan float charging (untuk mencegah
self discharge) pada jenis-jenis Accumulator tersebut.
Tabel 5.2 Voltage charging untuk berbagai jenis Accumulator
102 Matius Sau, dkk
Gambar 5.14 Contoh Baterai Jenis VRLA
Untuk keberlangsungan suatu sistem agar dapat
beroperasi dengan baik dan sesuai dengan kebutuhan beban,
maka perlu mempertimbangkan keadaan cuaca tanpa sinar
matahari (autonomi days) yang umumnya dihitung selama 5
hari.
Untuk menghitung kapasistas baterai digunakan persamaan 5.2 .................................................. (5.2)
dengan:
Eb = Energi yang dibutuhkan beban dalam sehari (kW-
jam)
V = Tegangan kerja baterai = 12 Volt atau 24 Volt
d = Jumlah hari tanpa radiasi/tahun = 5 hari/tahun
Kb = Efisiensi charging dan discharging baterai (DOD) =
0.8
2. Kapasitas fotovoltaik yang dibutuhkan
Untuk menghitung kapasitas daya fotovoltaik yang
dibutuhkan, akan sangat tergantung dari energi beban yang
dibutuhkan dan radiasi matahari harian yang tersedia di lokasi.
Menurut SNI 04-6394-2000, didefinisikan bahwa energi yang
harus dikeluarkan oleh modul fotovoltaik:
103 Matius Sau, dkk
......................................................... (5.3)
Dengan
Eout = Energi yang dikeluarkan harian rata-rata (Juole)
Prate = daya rata-rata (Watt)
H = Rata-rata radiasi harian
Untuk memenuhi energi yang dibutuhkan oleh beban
maka energi luaran harian rangkaian rata-rata harus
ditambahkan energi yang hilang dalam sistem sebesar 25 %
dari energi luaran harian rata-rata. ……………………..………… (5.4) ………………..………. (5.5)
dengan:
E loss = energi yang hilang
E supplai = energi yang dibangkitkan untuk mencatu beban
E beban = Energi yang dibutuhkan
3. Kinerja sel surya
Keterbatasan penyinaran matahari yang tidak selalu
bersinar terang seiap hari dapat diatasi dengan menggunakan
baterai. Sehingga nantinya energi listrik yang dihasilkan oleh sel
surya dapat disimpan dalam beterai dan digunakan untuk
kebutuhan di malam hari. Dari hasil penelitian yang dilakukan
mendapatkan data bahwa sel surya menghasilkan arus listrik
paling kuat untuk suplai pada jam 12 – 13 siang dengan sudut
kemiringan optimum sebesar 15o.
104 Matius Sau, dkk
G. Pembangkit Listrik Tenaga Diesel /Genset
Pembangkit Listrik Tenaga Diesel dalam penelitian ini
dinyatakan sebagai sebuah Genset (generator set) yang bekerja
menggunakan BBM. Genset merupakan sebuah perangkat yang
menghasilkan daya listrik, yang diperoleh dari hasil konversi
energy mekanik menjadi energi listrik. Genset terdiri dari dua
perangkat utama yaitu engine dan generator (G1) serta didukung
oleh motor starter (M1), baterai dan perangat kontrol lainya seperti
ditunjukkan pada Gambar 5.15 (Agus Adria, dkk. 2015)
Bila tombol start di tekan, motor starter M1 bekerja dan
memutar (starting) engine, bila engine sudah berkerja maka
tombol start di lepas, selanjutnya sekitar 10 detik generator (G1)
bekerja lalu MCB dapat di on untuk mensuplai daya kebeban.
Bila tombol stop ditekan, maka engine akan berhenti (Off).
Gambar 5.15 Single line Genset
105 Matius Sau, dkk
H. Pembangkit Hybrid Tenaga Surya – Genset (PLTD)
Istilah Hybrid diartikan dengan penggunaan 2 atau lebih
pembangkit listrik dengan sumber energi yang berbeda, umumnya
digunakan untuk captive genset, sehingga diperoleh sinergi yang
memberikan keuntungan ekonomis maupun teknis yang berarti
keandalan system suplai.
Tujuan utama dari system hybrid pada dasarnya adalah
berusaha menggabungkan dua atau lebih sumber energi (system
pembangkit) sehingga dapat saling menutupi kelemahan masing-
masing dan dapat dicapai keandalan supply dan efisiensi
ekonomis pada type load (Load profile) tertentu.
Type load (Load profile) adalah keyword penting dalam
system hybrid. Untuk setiap load profile yang berbeda, akan
diperlukan system hybrid dengan komposisi tertentu, agar dapat
dicapai system yang optimum. Oleh karenanya, system design
dan system sizing memegang peranan penting untuk mencapai
target dibuatnya system hybrid. Sebagai contoh, load profile yang
relatif konstan selama 24 jam dapat dicatu secara efisien dan
ekonomis oleh genset (dengan kapasitas yang sesuai), akan tetapi
load profile dimana penggunaan listrik pada siang hari berbeda
jauh dibandingkan dengan malam hari, akan membuat
penggunaan genset saja tidak optimum.
System Hybrid dapat melibatkan 2 atau lebih system
pembangkit listrik, seperti PLTS-Genset, PLTS-Mikrohydro,
PLTS-Tenaga Angin dan sebagainya. Sistem ini Umumnya
digunakan pada captive genset/isolated grid (stand alone genset,
yakni genset yang tidak di interkoneksi).
Kombinasi Hybrid PV-Genset akan mengurangi jam
operasi genset (misalnya dari 24 jam per hari menjadi hanya 4
jam per hari pada saat peak load saja) sehingga biaya O&M dapat
106 Matius Sau, dkk
lebih efisien, sementara PLTS digunakan untuk mencatu base
load, sehingga tidak dibutuhkan investasi awal yang besar.
Dengan demikian Hybrid PV-Genset akan dapat menghemat
O&M cost, mengurangi inefisiensi penggunaan genset, serta
sekaligus menghindari kebutuhan investasi awal yang besar.
Pemodelan system hybrid dapat dinyatakan dalam dua
bentuk hubungan AC terpusat yang ditunjukkan gambar 5.16 dan
AC dan DC terpusat seperti pada gambar 5.17
Diesel Genset
AC LoadBatery Bank
PV
-
Array
AC- Bus
Gambar 5.16 Sistem pembangkit hibrid kopling AC terpusat
(Centralized AC-coupled Hybrid Power Sistems)
DC-Bus
PV- Array
Batery Bank
Genset Diesel
AC Load
AC-Bus
Inverter
Konverter
Gambar 5.17 Sistem pembangkit hibrid kopling AC dan DC
terpusat (Centralized AC and DC-coupled Hybrid Power Sistems)
107 Matius Sau, dkk
I. Perancangan Kapasitas Pembangkit
Dalam perancangan pengembangan model pembangkit
dibutuhkan data total beban (P) dan waktu (t) yang akan dilayani,
selanjutnya menghitung kapasitas masing-masing komponen.
Perencanaan untuk Genser/Diesel.
Daya listrik yang dapat dihasilkan oleh Genset/Diesel
dapat dihitung dengan: ………………………(5.6)
Dengan
V = tegangan AC (volt)
I = Arus listrik (Ampere)
Cos ø = factor kerja
Perencanaan untuk PLTS
Energy yang dibutuhkan adalah ………………………. (5.7)
dengan
Eac = energy total yang dibutuhkan dalam Ah
Pac = total beban yang dilayani dalam Watt
t = total waktu yang dibutuhkan untuk melayani beban dalam
jam
Kapasitas Battery
Kapasitas Battery dalam Ampere-Hour (Ah) dapat
dihitung berdasarkan total beban yang dilayani dan waktu beban
tersebut beroperasi adalah: ……………………………… (5.8) …………………………... (5.9)
108 Matius Sau, dkk
dengan:
Pac = Total daya konsumen (Watt)
Eac = Total Energi Konsumen (Wh)
VRMS = Tegangan system (12 V DC)
IRMS = Arus listrik yang disuplai (A)
PF = Asumsi factor konversi energy Battery = 0.9
t = Waktu (jam)
sehingga ……………………..……… (5.10)
dengan
= kapasitas battery dalam Ah
Nilai efisiensi kerja dari Inverter sebesar 90%, maka sisanya 10%
terbuang menjadi panas maka ditmbahkan kembali nilai kapasitas
battery sebesar 10% dari nilai Ampere hour (Ah) sebelumnya.
Dengan demikian jumlah Batrery yang dibutuhkan adalah ……..…………………… (5.11)
dengan
nb= jumlah battery
Eb = kapasitas battery (Ah)
Panel Surya
Dalam menghitung kapasitas panel surya dibutuhkan total
daya konsumen ditambahkan dengan kebutuhan untuk mengisi
battery, maka yang pertama diketahui adalah besarnya arus yang
digunakan untuk mengisi battery selama 10 jam adalah ……………………………. (5.12)
109 Matius Sau, dkk
Dengan:
Ich = Arus pengisian battery (A)
IRMS x td = Kapasitas Battery dengan DOD (Ah)
ts = lama penyinaran matahari (jam)
Dengan solar panel yang mampu menghasilkan Output sebesaar
50 Wh, maka jumlah panel surya yang dibutuhkan adalah: …………………………………..…… (5.13)
Dengan
np = jumlah panel
Eac = total dari energy battery dan energy konsumen (beban)
Ep = kapasitas panel (Wh)
Charge Controller
Jumlah charge controller yang dibutuhkan tergantung pada
beban maksimum yang diperbolehkan pada alat tersebut. Untuk
charge Solar Charge Controller MPPT30 12/24 volt (auto)
artinya beban maksimum yang dapat dilayani adalah 30 Ampere,
maka jumlah charge controller yang digunakan untuk mengisi
Battery adalah ……………………… (5.14)
dengan
Ncg = jumlah charge controller
Ahb = kapasitas Bateery (Ampere Jam)
Imax_cg = arus maksimum charge controller (Ampere
ts =waktu penyinaran (jam)
110 Matius Sau, dkk
Power Inverter
Power inverter dihitung berdasarkan beban maksimum
yang diperbolehkan pada alat tersebut. Misalkan Power Inverter
500 W VMI-P500, memiliki beban maksimum sebesar 500 W.
Dengan demikian untuk energy listrik yang dibutuhkan dalam 1
jam untuk daya 500 W adalah 500 Wh maka jumlah inverter yang
dibutuhkan adalah: …………………………. (5.15)
dengan
ni = jumlah inverter
Eac = Energi total (Watt jam)
Ei = kapasitas dari inverter (Watt jam)
Load / Beban
Beban yang terpasang pada pembangkit tenaga surya
adalah beban arus searah dan beban arus bolak balik. Untuk
beban arus searah biasanya langung terhubung pada system
pengaturan pengisian accumulator dan dapat di atur system
penyalaannya, sedangkan untuk beban arus bolak balik
membutuhkan alat tambahan yang berfungsi untuk mengubah
arus searah menjadi arus bolak balik yaitu inverter.
Referensi
Lubis, Abubakar, dan Sudrajat, Adjat. 2006. Listrik Tenaga Surya
fotovoltaik. BPPT PRESS, Jakarta. diaskses tanggal 15
September 2010
Matius Sau, 2013. Desain sistem hibrid pembangkit listrik tenaga
surya dengan pembangkit listrik tenaga diesel sebagai
alternatif hemat energi, Laporan Penelitian Dosen Pemula.
Samsul Hadi.1999. Aplikasi Pembangkit Listrik Tenaga Matahari,
Jurnal Bastek.,UGM
111 Matius Sau, dkk
Sulasno.1993. Pusat Pembangkit Tenaga Listrik Satya, wacana
press. Salatiga
Liem Ek Bien, Ishak Kasim & Wahyu Wibowo,Agustus 2008.
Perancangan system hybrid Pembangkit Listrik Tenaga
Surya dengan Jala-jala Listrik PLN untuk rumah
Perkotaan, JETri, Universitas Trisakti, Jakarta.
Yuliarto B, 2006. Energi Surya: Alternatif Sumber Energi Masa
Depan di Indonesia, Berita Iptek. 2006.
Rahadian Muda S, Pemanfaatan Sel Surya Sebagai Catu Daya
Sistem Pendingin Mekanis Pada Kapal Ikan, Teknik
Perkapan, Institut Teknologi 10 November Surabaya, 2009
112 Matius Sau, dkk
113 Matius Sau, dkk
BAB 6
RANCANGAN PEMBANGKIT
HIBRID DAN SIMULASI
A. Rancangan Pembangkit Listrik Tenaga Surya
Dalam rancangan pembangkit listrik tenaga surya (PLTS),
hal pertama yang harus diketahui adalah kebutuhan daya listrik /
beban
Berikut data beban sebagai contoh untuk perhitungan setiap
komponen pembangkit listrik tenaga surya.
Data beban yang direncanakan sebesar 500 Wp atau 4.05 kWh/d
seperti pada tabel 6.1.
Menghitung kapasitas masing-masing komponen untuk
kebutuhan/beban yang direncanakan sebesar 500 W.
Energy yang dibutuhkan dalam 1 jam berdasarkan persamaan 4.7
adalah
114 Matius Sau, dkk
Kapasitas Battery
Total waktu yang dibutuhkan konsumen dalam menyalakan
peralatan listrik seperti lampu dan peralatan lain dengan beban
rata-rata (P) sebesar 169 Watt adalah 14 Jam karena 12 jam
matahari tidak bersinar sedangkan pengisian battery yang efektif
pada cuaca terik dari 07.00 – 17.00), maka total energy yang
dibutuhkan adalah:
dengan:
Pr = daya rata-rata konsumen dalam sehari (Watt)
Jadi kapasitas Battery dalam Ampere-Hour (Ah)
berdasarkan persamaan 5.10 adalah:
Dibulatkan menjadi 219 Ah
Nilai efisiensi kerja dari Inverter sebesar 90%, maka
sisanya 10% terbuang menjadi panas maka ditmbahkan kembali
nilai kapasitas battery sebesar 10% dari nilai Ampere hour (Ah)
yang telah diperoleh maka kapasitas battery menjadi: ( )
115 Matius Sau, dkk
Dikarenakan perhitungan kapasitas battery tidak selalu ideal
karena battery tidak boleh digunakan sampai habis sehingga DOD
(Depth of Discharge) yang mempengaruhi masa hidup battery
(battery life of cycle) maka perlu dipertimbangkan. Misalkan
Battery dengan Jenis VRLA 100 Ah memiliki rating tegangan
maksimum 12 Volt dengan kapasitas sebesar 100 Ah, maka
kapasitas yang dapat dihitung hanya sebesar 80% dari 100 Ah
sedangkan 20% untuk menghindari DOD,
jadi:
( )
116 Matius Sau, dkk
Tabel 6.1 Data beban harian
Waktu (jam) Beban (kW)
00.00 0.060
01.00 0.060
02.00 0.060
03.00 0.060
04.00 0.090
05.00 0.180
06.00 0.270
07.00 0.260
08.00 0.211
09.00 0.140
10.00 0.150
11.00 0.180
12.00 0.250
13.00 0.220
14.00 0.180
15.00 0.160
16.00 0.150
17.00 0.200
18.00 0.240
19.00 0.297
20.00 0.270
21.00 0.190
22.00 0.100
23.00 0.070
Total 4.050
117 Matius Sau, dkk
Dengan demikian jumlah Batrery yang dibutuhkan sesuai
dengan persamaan 5.11 adalah Dibulatkan menjadi 3 buah battery dengan kapasitas masing-
masing 100Ah
Panel Surya
Dalam menghitung kapasitas panel surya dibutuhkan total
daya konsumen ditambahkan dengan kebutuhan untuk mengisi
battery.
Diketahui bahwa energy total kebutuhan adalah:
Total kapasitas Battery dengan DOD adalah
Karena solar cell hanya dapat bekerja efektif selama 10 jam yaitu
dari jam 07.00 – 17.00 (kondisi Cerah), maka total daya yang
dibutuhkan untuk mengisi battery selama 10 jam sesuai dengan
persamaan 4.12 adalah
Dengan solar panel yang mampu menghasilkan Output sebesaar
50 Wh, maka jumlah panel surya yang dibutuhkan adalah:
118 Matius Sau, dkk
Dibulatkan menjadi 16 buah
Charge Controller
Jumlah charge controller yang dibutuhkan tergantung pada
beban maksimum yang diperbolehkan pada alat tersebut. Untuk
charge Solar Charge Controller MPPT30 12/24 volt (auto)
artinya beban maksimum yang dapat dilayani adalah 30 Ampere,
maka jumlah charge controller yang digunakan untuk mengisi
Battery dengan kapasitas 312.31 Ah selama 10 Jam adalah:
Dibuatkan menjadi 1 buah
Power Inverter
Power inverter dihitung berdasarkan beban maksimum
yang diperbolehkan pada alat tersebut. Misalkan Power Inverter
500 W VMI-P500, memiliki beban maksimum sebesar 500 W.
Dengan demikian untuk energy listrik yang dibutuhkan dalam 1
jam untuk daya 500 W adalah 500 Wh maka jumlah inverter yang
dibutuhkan adalah:
119 Matius Sau, dkk
B. Simulasi dengan Aplikasi Homer Pro
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 untuk
optimasi desain sistempembangkit listrik tersebar dengan output
estimasi ukuran/kapasitas sistem, lifecycle cost, dan emisi gas
rumah kaca. Program ini merupakan salah satu tool populer untuk
desain sistem pembangkit listrik menggunakan energi terbarukan.
Tampilan muka software HOMER Pro ditunjukkan pada gambar
5.2.
Homer adalah suatu model Micropower untuk
mempermudah dalam mengevaluasi desain dari jaringan tunggal
(grid-off) maupun jaringan yang terkoneksi dengan sistem (grid-
connected). Dalam merancang sistem pembangkit harus
diperhatikan mengenai konfigurasi sistem, diantaranya:
komponen apa saja yang tidak dapat dimasukkan dalam
konfigurasi sistem, berapa banyak dan dan berapa ukuran masing-
masing komponen yang harus digunakan, banyaknya pilihan
teknologi dalam penghitungan biaya dan ketersediaan sumber
daya energi yang ada, optimasi Homer dan algoritma analisis
yang sensitif dapat lebih mudah untuk mengevaluasi konfigurasi
sistem dan banyak kemungkinan.
Model ini dapat menganalisa stand alone sistem dengan
menggunakan bebearapa komponen energi angin, PV dan fuel
cell, daya DC yang dihasilkan PV dan fuel Cell di ubah menjadi
AC dan di salurkan ke Bus AC, daya yang dihasilkan wind turbin
secara langsung dialirkan ke Bus AC, kelebihan daya akan
disimpan dibatteray dan electrolizer, yang menghasilkan hidrogen
kelebihanya akan di maksukkan kembali di hidrogen tank.
120 Matius Sau, dkk
HOMER memiliki fitur yang membuat pengguna dapat
mencari data yang diperlukan untuk analisis sistem, salah satunya
ialah data radiasi matahari dan kecepatan angin dengan
menghubungkannya pada situs resmi NASA
eosweb.larc.nasa.gov. Dengan membandingkan data yang
didapat dan data yang diperoleh dari software HOMER
sendiri maka didapatkan radiasi matahari dan kecepatan
angin
Gambar 6.1 Tampilan awal Aplikasi Homer
Dari data pada tabel 6.1 ditunjukkan bahwa kebutuhan
beban dalam satu hari adalah 4.05 kWh atau rata-rata 0.169 Wh.
Kondisi ini kemudian disimulasikan menggunakan Aplikasi
Homer Pro 3.9.1 seperti pada gambar 6.2 dan skema simulasi
sperti pada gambar 6.3. Output simulasi dapat dilihat pada
gambar 6.4.
121 Matius Sau, dkk
Gambar 6.2 Skematik Aplikasi Homer berdasarkan kebutuhan
beban 500 Wp
Gambar 6.3 Hasil Simulasi system hybrid menggunakan
Aplikasi Homer
Hasil simulasi HOMER PRO V3.9.1 pada gambar 6.4
ditunjukkan bahwa:
a. Sumber listrik dari panel surya saja, genset saja, dan
kombinasi genset dan panel surya layak secara teknis.
b. Optimasi yang dilakukan HOMER PRO V3.9.1. Panel PV
sebagai sumber energy listrik yang paling ekonomis. Hal ini
dapat dilihat dari nilai NPC yang terkecil, yaitu sebesar
$4.690. Kombinasi Panel PV dengan Diesel / Genset sebesar
122 Matius Sau, dkk
$4.987 dan Genset/Diesel saja memiliki NPC menjadi paling
besar ($)1.15M, karena biaya operasional dari sistem dengan
genset sangat besar.
c. Estimasi HOMER PRO V3.9.1 tentang bagaimana sistem
dengan genset dan panel surya memproduksi energi listrik
untuk memenuhi beban. Beban bervariasi pada rentang 0.06
hingga 0,297 kW. Sementara itu daya yang diproduksi oleh
panel PV dan genset bervariasi tergantung dari kondisi cahaya
matahari. Kelebihan daya yang diproduksi disimpan oleh
baterai untuk digunakan saat beban lebih besar dari daya yang
diproduksi.
C. Pengujian Pembangkit Hibrid Surya-Diesel
Prototipe Pembangkit Hibrid
Gambar 6.4 Panel sistem hybrid PLTS dengan Genset/Diesel
Kondisi tanpa beban
Pada kondisi tanpa beban, pengujian dilakukan untuk
mendapatkan waktu pengisian ke accumulator. Pada tabel 6.1
ditunjukkan data pengisian rata-rata selama seminggu ke
accumulator 12V 100 Ah dari Panel surya 200 Wp kondisi cerah.
Lamanya pengisian Accumulator adalah:
123 Matius Sau, dkk
( ) ( )
Jadi untuk pengisian accumulator 12V 100 Ah pada kondisi
kosong dapat dilakukan selama 14.4 jam. Namun demikian
accumulator umumnya pada kondisi kosong memiliki cadangan
30% dari kapasitas seluruhnya sehingga waktu pengisian menjadi: ( )
Hal ini berarti accumulator dapat terisi penuh dalam waktu 10
jam selama sehari pada kondisi cerah.
Berdasarkan data hasil pengujian pada tabel 6.2 terlihat
hubungan tegangan dan arus sistem Hybrid kondisi tanpa beban.
Pada pukul 12.00 – 13.00 Wita, terlihat dari arus masukan ke
sistem Hybrid PLTS dengan Genset yang terbesar. Hal ini terjadi
karena panel surya tegak lurus dengan sinar matahari sehingga
sinar yang diserapnya menjadi maksimum. Pada kondisi tersebut
tegangan system juga maksimum, ini berarti pengisian ke
accumulator sangat baik.
124 Matius Sau, dkk
Gambar 6.5 Grafik Waktu terhadap arus sitem Hybrid PLTS
dengan diesel Genset
Tabel 6.2 Waktu pengisian ke accumulator dari panel surya
200 Wp
No Waktu
(jam)
Tegangan
(Volt)
Arus
(Ampere)
1 08.00 12.2 5.7
2 09.00 12.5 6.2
3 10.00 12.7 6.7
4 11.00 13.0 7.4
5 12.00 13.5 8.1
6 13.00 13.2 7.9
7 14.00 13 7.5
8 15.00 12.7 7.2
9 16.00 12.4 6.7
10 17.00 12.1 6.2
Rata-rata 12.73 6.96
02468
101214161820
Aru
s (a
mp
ere
)
Waktu
Kondisi Arus Hibrid Tanpa Beban
125 Matius Sau, dkk
Rata-rata untuk tegangan pengisian sistem hybrid PLTS
dengan Genset untuk rentang waktu 08.00 sampai dengan 17.00
sebesar 19,4Volt. Rata-rata untuk arus keluaran sistem hybrid PLTS
dengan Genset untuk rentang waktu 08.00 sampai dengan 17.00
sebesar 15 Ampere. Jika daya ini digunakan untuk menghidupkan
beban lampu sebesar 7 x 18 Watt atau 126 Watt mampu bertahan
selama 2.31 jam
Kondisi berbeban
Pada kondisi berbeban, lampu LED menyala dengan total
kapasitas 42 watt, pengujian dilakukan untuk mendapatkan waktu
pengisian ke accumulator. Pada tabel 5.3 ditunjukkan data pengisian
rata-rata selama seminggu ke accumulator 12V 100 Ah dari Panel
surya 200 Wp kondisi cerah.
Lamanya pengisian Accumulator adalah: ( ) ( )
Jadi untuk pengisian accumulator 12V 100 Ah pada kondisi
kosong dapat dilakukan selama 14.97 jam. Namun demikian
accumulator umumnya pada kondisi kosong memiliki cadangan
10% - 30% dari kapasitas seluruhnya sehingga waktu pengisian
menjadi: ( )
126 Matius Sau, dkk
Hal ini berarti accumulator dapat terisi penuh dalam waktu 10.48
jam selama sehari pada kondisi cerah.
Berdasarkan data hasil pengujian pada tabel 5.3 terlihat
arus dan tegangan sistem Hybrid berbanding lurus. Pada kondisi
berbeban terjadi penurunan arus hybrid, hal ini disebabkan karena
sebagian arus mengalir ke beban. Dengan demikian maka waktu
pengisian ke Accumulator akan lebih lama dibandingkan dengan
kondisi tanpa beban.
Tabel 6.3 Waktu pengisian ke accumulator dari panel surya
200 Wp
No Waktu
(jam)
Tegangan
(Volt)
Arus
(Ampere)
1 8.00 12.2 5.3
2 9.00 12.4 6.1
3 10.00 12.6 6.5
4 11.00 12.9 7.2
5 12.00 13.4 7.8
6 13.00 13.1 7.4
7 14.00 12.8 7.2
8 15.00 12.5 7
9 16.00 12.2 6.3
10 17.00 12.05 6
Rata-rata 12.615 6.68
127 Matius Sau, dkk
Gambar 6.6 Grafik Waktu terhadap arus sitem Hybrid PLTS
dengan Genset
Rata-rata untuk tegangan pengisian sistem hybrid PLTS
dengan Genset untuk rentang waktu 08.00 sampai dengan 17.00
menggunakan beban 7 x 18 Watt sebesar 19,4Volt, Rata-rata
untuk arus keluaran sistem hybrid PLTS dengan Genset untuk
rentang waktu 08.00 sampai dengan 17.00 sebesar 12.2 Ampere.
Jika daya ini digunakan untuk menghidupkan beban lampu
sebesar 7 x 18 Watt atau 126 Watt mampu bertahan selama 1.876
jam.
Jadi pengisian dari Pembangkit Listrik Tenaga Surya dan
Genset selama satu jam menghasilkan tegangan rata-rata sebesar
E = 19,4 Volt dengan arus sebesar I = 12.2 Ampere, mampu
menghidupkan beban lampu 126 Watt selama ± 1.876 Jam.
Kedua kondisi di atas terlihat bahwa daya yang tersimpan
pada accumulator pada kondisi tanpa beban akan lebih lama
menghidupkan lampu dengan daya 126 Watt dibandingkan
0
5
10
15
20
Aru
s (a
mp
ere
)
Waktu
Kondisi Arus hibrid Berbeban
128 Matius Sau, dkk
dengan kondisi pada saat pengisian accumulator sambil dibebani
dengan daya sebesar 126 Watt.
Hasil pengujian terlihat bahwa Genset secara langsung
menyuplai ke beban dan sekaligus mengisi accu, sedangkan
PLTS hanya mengisi accu, hal ini sesuai dengan fungsi alat yang
dibuat. Jadi accu berfungsi sebagai energi cadangan dan
penyimpan energi listrik dari kedua pembangkit tersebut. Apabila
suatu saat suplai dari pembangkit (Genset) padam, maka sumber
suplai ke beban menggunakan accu.
Referensi
Lubis, Abubakar, dan Sudrajat, Adjat. 2006. Listrik Tenaga Surya
fotovoltaik. BPPT PRESS, Jakarta. diaskses tanggal 15
September 2010
Samsul Hadi.1999. Aplikasi Pembangkit Listrik Tenaga Matahari,
Jurnal Bastek.,UGM
Sulasno.1993. Pusat Pembangkit Tenaga Listrik Satya, wacana
press. Salatiga
Matius Sau, 2013. Desain sistem hibrid pembangkit listrik tenaga
surya dengan pembangkit listrik tenaga diesel sebagai
alternatif hemat energi, Laporan Penelitian Dosen Pemula.
129 Matius Sau, dkk
TENTANG PENULIS
Matius Sau, lahir di Tumbang Datu, Tana Toraja pada tanggal
7 Juli 1975. Pendidikan SMA ditempuh di kota kelahirannya dan
pada tahun 1994 melanjutkan studi di Jurusan Teknik Elektro
konsentrasi teknik Tenaga Listrik Fakultas Teknik Universitas
Kristen Indonesia Paulus Makassar, sampai mendapatkan gelar
Sarjana Teknik (ST) pada tahun 1998. Setelah lulus, penulis bekerja
sebagai staf pengajar di Jurusan Teknik elektro FT. UKI-Paulus.
Pada tahu 2000 melanjutkan studi jurusan Teknik Elektro bidang
Power system Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi
Bandung dan mendapat gelar Master Teknik (MT) pada tahun 2003.
Sekembalinya melanjutkan studi di Bandung, penulis
melanjutkan tugasnya di UKI-Paulus sebagai pengajar di Program
Studi Teknik Elektro bidang Teknik Tenaga Tistrik.
Beberapa mata kuliah yang diajarkan adalah Pengukuran
Besaran Listrik, Analisa system tenaga listrik, Transmisi Daya
Listrik, penggunaan Komputer dalam Sistem Tenaga Listrik,
Perencanaan Saluran Transmisi dan Distribusi, Dasar-dasar
130 Matius Sau, dkk
Kelistrikan Serta Sistem Kendali Tenaga Listrik. Selain itu, beliau
juga mengajar mata kuliah Dasar Ilmu Listrik di Akademi Teknik
Keselamatan Penerbangan Makassar. Penulis saat ini aktif di
penelitian, baik mandiri, maupun hibah DRPM Dikti. Selain itu,
penulis juga telah menerbitkan buku dengan Judul Analisis system
tenaga listrik dan Transmisi daya elektrik.
131 Matius Sau, dkk
132 Matius Sau, dkk
