BAB II JARINGAN DISTRIBUSI DAN SUMBER ENERGI NON-KONVENSIONAL

Transkripsi

1 BAB II JARINGAN DISTRIBUSI DAN SUMBER ENERGI NON-KONVENSIONAL 2.1 JARINGAN TEGANGAN MENENGAH (JTM) Jaringan tegangan menengah (JTM) merupakan saluran distribusi primer yang berfungsi untuk menyalurkan tenaga listrik dari gardu induk ke gardu-gardu distribusi dan konsumen tegangan menengah Konstruksi Jaringan Tegangan Menengah Berdasarkan pada konstruksinya, JTM terbagi dalam dua jenis, yaitu saluran udara tegangan menengah (SUTM) dan saluran kabel tegangan menengah (SKTM). a. Saluran udara tegangan menengah (SUTM), merupakan jaringan kawat tanpa isolasi yang terentang di udara yang disangga oleh tiang penyangga. Secara umum, SUTM digunakan pada daerah dengan kepadatan beban rendah seperti pedesaan dan kota-kota kecil. SUTM memiliki jangkauan pelayanan yang luas, murah dan mudah dibangun, tetapi tingkat keandalan penyalurannya relatif rendah dan tingkat perawatannya tinggi. Jaringan SUTM dapat dibangun dengan sistem fasa tiga atau fasa tunggal. Konfigurasi jaringan pada SUTM pada umumnya radial. Apabila terjadi gangguan yang bersifat sementara (temporer), auto recloser yang dipasang pada SUTM akan bekerja. Saat terjadi gangguan permanen, lokasi gangguan bisa langsung terlihat. b. Saluran kabel tegangan menengah (SKTM), merupakan jaringan kabel yang berisolasi yang ditanam di dalam tanah sepanjang jaringan. Secara umum, SKTM digunakan pada daerah dengan kepadatan beban tinggi seperti perkotaan. Jaringan penghantar SKTM menggunakan kabel berinti tunggal atau berinti tiga, dan memiliki tingkat keandalan penyaluran yang tinggi. Jika terjadi gangguan, butuh waktu yang cukup lama untuk mencari lokasi gangguan sehingga dibutuhkan sumber lain. 4

2 2.1.2 Konfigurasi Jaringan Tegangan Menengah Ada beberapa jenis konfigurasi jaringan sistem distribusi tegangan menengah dan setiap jenisnya mempunyai tingkat keandalan operasi yang berbeda. Adapun jenis konfigurasi jaringan tegangan menengah diantaranya [4]: a. Konfigurasi radial, seperti dapat dilihat pada gambar 2.1 merupakan bentuk jaringan paling sederhana dibandingkan dengan struktur jaringan lain baik ditinjau dari perencanaan maupun pengusahaannya dan juga paling murah biaya pembangunannya. Penyaluran tenaga listrik dilaksanakan secara searah, sehingga jika terjadi gangguan pada satu titik di saluran tersebut maka akan menyebabkan terjadinya pemadaman di daerah setelah titik gangguan tersebut. Oleh sebab itu tingkat keandalannya relatif rendah. Saluran radial ini banyak digunakan pada daerah yang memiliki pertumbuhan beban dan kepadatan beban yang rendah. Jenis saluran yang digunakan umumnya saluran udara dengan panjang jaringan yang cukup panjang. Karena dengan beban yang cukup kecil pada jaringan yang panjang, rugi jaringannya masih dapat ditolerir begitu juga mutu tegangan saluran masih tidak terlalu rendah. 20 kv TD Feeder JTM S GI Feeder JTM TD Gambar 2.1 Jaringan tegangan menengah berupa feeder-feeder radial yang keluar dari GI. Sepanjang setiap feeder terdapat transformator-transformator distribusi (TD) yang dilengkapi dengan sekering S. Transformator Distribusi diletakkan sedekat mungkin dengan beban sehingga umumnya terletak di dalam kota, apabila yang dilayani adalah kota bukan desa. Di lain pihak sering didapat kesulitan untuk meletakkan GI di dalam 5

3 kota karena masalah izin tanah untuk SUTT dan untuk bangunan GI. Untuk mengatasi hal ini dapat dibangun Gardu Hubung (G.H) seperti dapat di lihat pada gambar KV 20 KV GI GH Feeder Distribusi Gambar 2.2 GI dan GH dalam jaringan tegangan menengah. Antara GI dan GH umumnya dihubungkan oleh dua sirkit tegangan menengah yang dilengkapi dengan relay selektif agar kalau salah satu sirkit terganggu masih ada satu sirkit yang beroperasi: b. Konfigurasi ring. Karena perkembangan jaringan dalam mengikuti perkembangan beban, maka jaringan yang tadinya berbentuk radial akhirnya dapat diubah menjadi ring seperti dapat dilihat pada gambar KV G S A GI TD 5 4 B 20 KV Gambar 2.3 Jaringan tegangan menengah dengan konfigurasi ring. Dalam praktek, umumnya ring dibuka dengan membuka PMT no.5 (gambar 2.3), karena dalam jaringan tegangan menengah tidak tersedia sistem relai yang memadai untuk menutup ring seperti halnya pada sistem transmisi. Pada konfigurasi radial, apabila terjadi gangguan pada salah satu feeder maka semua pelanggan yang terhubung pada feeder, maka semua pelanggan yang terhubung pada feeder tersebut terganggu. 6

4 Apabila gangguan tersebut bersifat permanen dan memerlukan perbaikan terlebih dahulu sebelum dapat dioperasikan kembali, maka pelanggan yang mengalami interupsi pelayanan jumlahnya relatif banyak. Pada konfigurasi Ring jumlah ini dapat dikurangi. c. Konfigurasi spindle. Pada konfigurasi spindel seperti dapat dilihat pada gambar 2.4. Terdapat penyulang cadangan khusus yang lebih dikenal dengan sebutan penyulang ekspres (Express Feeder). Penyulang ekspres ini tidak mencatu gardu-gardu distribusi, tetapi merupakan penyulang penghubung antara gardu induk dan gardu hubung, yang dimaksudkan untuk menjaga kelangsungan pemasokan tenaga listrik pada pelangganpelanggan, bila terjadi gangguan pada suatu penyulang yang memasok gardu-gardu distribusi. Jadi penyulang ekspres ini dalam keadaan normal merupakan kabel yang bertegangan sampai di gardu hubung (tanpa beban). Express Feeder I I 2 1 G I 3 4 GI Feeder A TD TD TD Feeder B GH Gambar 2.4 jaringan tegangan menengah dengan konfigurasi spindel. Dalam keadaan normal semua, PMT dan PMS dari setiap feeder yang keluar dari GI dalam keadaan masuk kecuali PMT dan PMS feeder yang ada di Gardu Hubung (GH). Hanya PMT dan PMS dari express feeder di GH yang dalam keadaan masuk. 7

5 2.2 JARINGAN TEGANGAN RENDAH (JTR) Jaringan tegangan rendah merupakan saluran distribusi sekunder yang berfungsi untuk menyalurkan pasokan tenaga listrik sebelum sampai ke pelanggan yang pada umumnya adalah pelanggan rumah tangga. Jaringan distribusi tegangan rendah bermula dari sisi tegangan rendah pada transformator distribusi seperti yang dapat dilihat pada gambar 2.5, yakni suatu jaringan distribusi tegangan rendah dengan empat jurusan saluran udara tegangan rendah (SUTR). JTM Trafo Distribusi Rel TR Sekering TR Tiang SUTR 1 Sekering TM Sakelar TR SUTR 2 SUTR 3 SUTR 4 Pelanggan Pelanggan Gambar 2.5 Jaringan tegangan rendah dengan empat jurusan (SUTR). SUTR dapat berupa saluran udara dengan konduktor yang telanjang atau kabel udara. Saluran Tegangan Rendah dapat pula berupa kabel tanah, namun hal ini jarang sekali dipakai di Indonesia mengingat harganya yang relatif mahal. SUTR yang menggunakan kabel udara banyak dikembangkan pemakaiannya oleh PLN karena gangguannya yang lebih sedikit dibandingkan dengan SUTR yang menggunakan konduktor telanjang. Dibandingkan dengan kabel tanah tegangan rendah, SUTR yang memakai kabel udara masih lebih murah. Masalah utama dalam operasi jaringan tegangan rendah adalah gangguan yang kebanyakan disebabkan oleh pohon/tanaman, kontak-kontak yang kendor, layang-layang dan lain-lain perbuatan manusia serta kelakuan binatang. Dengan menggunakan kabel udara maka gangguan yang disebabkan kontak-kontak yang kendor tetap tidak berkurang. 8

6 2.3 ENERGI SURYA Sel Surya Fotovoltaik Sel surya fotovoltaik merupakan suatu alat yang dapat mengubah energi sinar matahari secara langsung menjadi energi listrik. Pada asasnya sel surya tersebut merupakan suatu dioda semikonduktor yang bekerja menurut suatu proses khusus yang dinamakan proses tidak seimbang dan berlandaskan photovoltaic effect. Pada umumnya, dalam proses ini sebuah sel surya menghasilkan tegangan antara 0,5 dan 1 volt, tergantung pada intensitas cahaya dan zat semikonduktor yang dipakai. Dalam penggunaannya sel-sel surya itu dihubungkan satu sama lain, sejajar atau dalam seri, tergantung pada apa yang diperlukan, untuk menghasilkan daya dengan kombinasi tegangan dan arus yang dikehendaki. Untuk daya yang agak besar, gagasan ini menghadapi keterbatasan-keterbatasan, yang pada asasnya berlandaskan intensitas energi yang terkandung dalam sinar surya yang rendah pada saat mencapai permukaan bumi, yang berjumlah sekitar 100 watt per m 2. Untuk kondisi Indonesia dapat menghasilkan 10 Ah sehari, atau 3650 Ah = 3,65 kah setahun Bahan Sel Surya Bahan sel surya yang utama adalah silikon. Silikon adalah elemen kedua yang terbanyak di bumi sesudah oksigen 25,67%. Di bumi, silikon terdapat dalam bentuk silikon dioksida (SiO 2 ). Bahan sel surya saat ini adalah silikon yang didapat dari pemurnian (ekstraksi) SiO 2. Silikon ini diperoleh dari ekstraksi secara kuantitatif. Pengelompokan sel surya didasarkan pada bahan (material) dan susunan (konfigurasinya). Secara umum, dilakukan pengelompokan ke dalam golongan silikon (Si) yang bahan dasarnya silikon dan golongan campuran (compound) yang bahan dasarnya adalah material campuran semikonduktor Prinsip Kerja Sel Surya Fotovoltaik Cara kerja sel surya adalah dengan memanfaatkan teori cahaya sebagai partikel. Sebagaimana diketahui bahwa cahaya baik yang tampak maupun yang tidak tampak 9

7 memiliki dua buah sifat yaitu dapat sebagai gelombang dan dapat sebagai partikel yang disebut foton. Sel surya merupakan suatu divais semikonduktor yang dapat menghasilkan listrik jika diberikan sejumlah energi cahaya. Energi yang dipancarkan oleh sebuah cahaya dengan panjang gelombang I dan frekuensi foton f dirumuskan dengan persamaan [3]: E = h.c/l (2.1) dimana: H = 6.62 x J.s (konstantan plancks). C = 3.00 x m/s (kecepatan cahaya dalam vakum). Foton dapat dilihat sebagai sebuah partikel energi atau sebagai gelombang dengan panjang gelombang dan frekuensi tertentu seperti dapat dilihat pada persamaan 2.1. Proses penghasilan energi listrik itu diawali dengan proses pemutusan ikatan elektron pada atom-atom yang tersusun dalam kristal semikonduktor ketika diberikan sejumlah energi (hf) sepeti dapat dilihat pada gambar 2.6. Salah satu bahan semikonduktor yang biasa digunakan sebagai sel surya adalah kristal silikon. Dengan menggunakan sebuah divais semikonduktor yang memiliki permukaan luas dan terdiri atas rangkaian dioda tipe p dan tipe n, cahaya yang datang akan mampu dirubah menjadi energi listrik. Gambar 2.6 Sketsa penampang dua dimensi dari kristal silikon Tiap dua atom silikon yang bertetangga saling memiliki salah satu elektron valensinya. Tiap pasangan elektron valensi adalah suatu ikatan kovalensi, yang pada asasnya merupakan hubungan yang mengikat atom-atom kristal. Pada suhu nol absolut (0 o K) semua ikatan kovalensi berada dalam keadaan utuh dan lengkap. Bilamana suhu 10

8 naik, atom-atom akan mengalami keadaan getaran termal. Getaran-getaran ini yang meningkat dengan suhu, dan pada suatu saat dapat mengganggu beberapa ikatan kovalensi. Dapat juga terjadi bahwa ikatan valensi terganggu disebabkan oleh pengaruh radiasi elektromagnetik yang datang dari luar. Jika foton dari radiasi yang masuk itu memiliki banyak energi, maka di tempat resapan akan dapat terjelma suatu pasangan elektron dan lubang. Jumlah energi yang diperlukan untuk terjadinya hal itu adalah 1,1 ev bagi silikon pada suhu ruangan biasa. Terganggunya ikatan valensi dalam kristal semikonduktor pada suhu lingkungan biasa mempunyai beberapa akibat besar terhadap sifat-sifat listrik kristal itu dan penting dalam penjelasan efek fotovoltaik. Dari gambar 2.6 terlihat bahwa terputusnya ikatan valensi melepaskan sebuah elektron, yang dapat bergerak bebas dalam kristal dan dapat berperan serta dalam proses hantaran. Cara hantaran listrik dapat terjadi bila sebuah lubang yang terjadi karena pelepasan elektron, diisi oleh elektron lain dari tetangganya, dan seterusnya. Ketika suatu kristal silikon dimasukkan atom arsenikum (As) yang memiliki lima elektron valensi, maka atom itu akan menempati ruang diantara atom-atom silikon yang mengakibatkan munculnya elektron bebas pada material campuran tersebut. Elektron bebas tersebut berasal dari kelebihan elektron yang dimiliki oleh arsenikum terhadap lingkungan sekitarnya, dalam hal ini adalah silikon. Atom arsenikum yang terikat dalam kristal mendapat muatan positif sedangkan elektron bebas itu dapat bergerak dalam seluruh kristal dan mengikuti proses konduksi bila terdapat suatu medan listrik. Semikonduktor jenis ini kemudian diberi nama semikonduktor tipe-n. Hal yang sebaliknya terjadi jika kristal silikon dimasukkan atom boron yang memiliki tiga elektron valensi, maka kurangnya elektron valensi boron dibandingkan dengan silikon mengakibatkan munculnya lubang (hole) yang bermuatan positif pada semikonduktor tersebut. Semikonduktor jenis ini dinamakan semikonduktor tipe-p. Gambar 2.7 Semikonduktor tipe-p (kiri) dan tipe-n (kanan) 11

9 Ketika semikonduktor tipe-p dan tipe-n disambungkan (gambar 2.7), maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari tipe-n menuju tipe-p. Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p. Batas tempat terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut dengan daerah deplesi. Adanya perbedaan muatan pada daerah deplesi akan mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi selanjutnya. Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift. Namun arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut. Elektron adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik. Kehadiran medan listrik pada elektron dapat mengakibatkan elektron bergerak. Hal inilah yang dilakukan pada sel surya sambungan p-n, yaitu dengan menghasilkan medan listrik pada sambungan p-n agar elektron dapat mengalir akibat kehadiran medan listrik tersebut. daerah deplesi TIPE P E TIPE N Gambar 2.8 Sambungan p-n dan munculnya daerah deplesi. Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan elektron dan hole pada semikonduktor tersebut. Lepasnya pembawa muatan tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi (gambar 2.8). Adanya kelebihan muatan ini akan mengakibatkan muatan ini bergerak karena adanya medan listrik pada daerah deplesi. Pada keadaan ini, arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift, yaitu arus yang dihasilkan karena kemunculan medan listrik. Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya sambungan p-n sebagai arus listrik seperti dapat dilihat pada gambar

10 Gambar 2.9 Skema penyaluran energi surya. 2.4 ENERGI ANGIN Angin adalah salah satu bentuk energi yang tersedia di alam, dimana jenis energi ini dapat mengkonversikan energi kinetik dari angin menjadi energi listrik dengan menggunakan turbin angin atau kincir angin. Kecepatan angin di wilayah Indonesia umumnya di bawah 5,9 m/detik yang secara ekonomi kurang layak untuk membangun pembangkit listrik. Di seluruh Indonesia, lima unit kincir angin pembangkit berkapasitas masing-masing 80 kw sudah dibangun. tahun 2007, tujuh unit dengan kapasitas sama menyusul dibangun di empat lokasi, masing-masing di pulau selayar tiga unit, sulawesi utara dua unit, dan nusa penida, bali, serta bangka belitung, masing-masing satu unit. Potensi energi angin di Indonesia umumnya berkecepatan lebih dari 5 m/detik. Hasil pemetaan Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (LAPAN) pada 120 lokasi menunjukkan, beberapa wilayah memiliki kecepatan angin diatas 5 m/detik, masingmasing di Nusa Tenggara Timur, Nusa Tenggara Barat, Sulawesi Selatan, dan Pantai Selatan Jawa. Adapun kecepatan angin 4 m/detik hingga 5 m/detik tergolong berskala menengah dengan potensi kapasitas kw. Sebagaimana diketahui menurut fisika klasik, energi kinetik dari sebuah benda dengan massa m dan kecepatan v adalah E = 0,5 mv 2, dengan ketentuan, kecepatan v tidak mendekati kecepatan cahaya. Rumus tersebut berlaku juga untuk angin, yang merupakan udara yang bergerak, sehingga[2]: E = 0,5 m.v 2 (2.2) dimana: 13

11 E = energi (joule). M = massa udara (kg). V = kecepatan angin (m/ detik). Bilamana suatu blok udara, yang mempunyai penampang A m 2, dan bergerak dengan kecepatan v m/ detik, maka jumlah massa, yang melewati sesuatu tempat adalah: m = A.v.q (2.3) dimana: m = massa (kg/ det). A = penampang (m 2 ). q = kepadatan udara (kg/ m ). 3 Dengan demikian, maka energi yang dapat dihasilkan per satuan waktu adalah: P = E per satuan waktu = 0,5 q.a.v 3 per satuan waktu ( 2.4) dimana: P = daya (W). E = energi (J). Untuk keperluan praktis sering dipakai rumus pendekatan berikut: P = k.a.v 3 ( 2.5) dimana: k = suatu konstanta (1, ). A = luas sudu kipas (m ). 2 Walaupun dalam rumus di atas besaran-besaran k dan A digambarkan sebagai konstanta-konstanta, pada asasnya dalam besaran k tercermin pula faktor-faktor seperti geseran dan efisiensi sistem, yang mungkin juga tergantung pada kecepatan angin v. Sedangkan luas A tergantung pula pada misalnya dari bentuk sudut, yang juga dapat berubah dengan besaran v. Oleh karena itu untuk suatu kipas angin tertentu, besaranbesaran k dan A dapat dianggap konstan hanya dalam suatu jarak capai angin terbatas. 14

12 Untuk keperluan-keperluan estimasi sementara yang sangat kasar, sering dipakai rumus sederhana berikut: p = 0,1.v 3 (2.6) dimana: p = daya per satuan luas (W/ m 2 ). Rumus yang dikembangkan oleh Golding berbentuk : P = k.f.a.e.v 3 (2.7) dimana: F = 0,5926 (suatu faktor) Yang merupakan bagian dari angin, yang dapat secara maksimal dimanfaatkan dengan sebuah kipas dari tenaga angin. A = penampang arus angin (m 2 ). E = efisiensi rotor dan peralatan lainnya Faktor Yang Mempengaruhi Pembangkitan Energi Angin Faktor yang sangat berperan dalam pembangkitan energi angin adalah kestabilan kecepatan angin, baru disusul luasan turbin (sudu), dan efisiensi. Sebagaimana diketahui, kecepatan angin akan berfluktuasi terhadap waktu dan tempat. Di Indonesia misalnya kecepatan angin di siang hari bisa lebih kencang dibandingkan malam hari. Bahkan di beberapa lokasi pada malam hari tidak terjadi gerakan udara yang signifikan. Udara yang bergerak dekat dengan permukaan tanah akan mempunyai kecepatan nol dan kemudian meningkat terhadap ketinggian, dan hal ini lebih di jelaskan sebagai berikut: a. Terlalu dekat dengan permukaan tanah, kecepatan angin yang diperoleh akan kecil sehingga daya yang dihasilkan sangat sedikit. Semakin tinggi akan semakin baik. Untuk memperoleh kecepatan angin di kisaran 5-7 m/s umumnya diperlukan ketinggian 5-12 m. b. Untuk baling-baling yang besar (katakanlah diameter 20 m), kecepatan angin pada ujung baling-baling bagian atas kira-kira 1,2 kali dari kecepatan angin ujung baling- 15

13 baling bagian bawah. Artinya, baling-baling pada saat di atas akan terkena gaya dorong yang lebih besar dari pada baling-baling pada saat di bawah. Faktor ini perlu diperhatikan pada saat mendesain kekuatan baling-baling dan tiang (menara) khususnya pada turbin angin yang besar. Kecepatan angin juga dipengaruhi oleh kontur dari permukaan. Di daerah perkotaan dengan banyak rumah, apartemen dan perkantoran bertingkat, kecepatan angin akan rendah. Bandingkan dengan kecepatan angin pada daerah lapang. Kepadatan benda (porositas) di permukaan bumi akan menyebabkan angin mudah bergerak atau tidak. Faktor porositas ini juga penting untuk diperhatikan manakala mendesain turbin angin Prinsip Kerja Energi Angin Energi angin diubah oleh baling-baling (turbin angin) menjadi energi pemutar generator arus searah. Apabila tegangan generator cukup tinggi, relai tegangan akan menutup saklar pengisi baterai aki sehingga baterai aki diisi oleh generator. Pada gambar 2.10 terlihat bahwa angin berkurang dan terjadi daya balik dari baterai aki ke generator, maka relai daya balik akan membuka saklar. Pasokan daya untuk pemakai diambil dari baterai aki. Secara sederhana sketsa kincir angin di ilustrasikan pada gambar S Angin Ke pemakai Pr + B - - K G Bb Keterangan : Bb = baling-baling B = baterai Aki S = saklar Pr := poros K = kopling Permanen G = generator Gambar 2.10 Skema unit pembangkit tenaga angin 16

14 Gambar 2.11 Sketsa kincir angin Komponen inti kincir angin pada ganbar 2.11 terdiri atas: a. Rotor turbin, berupa baling-baling yang lazimnya terdiri atas 3 sirip, berfungsi untuk menangkap energi angin dan putarannya menjadi energi mekanik. Permasalahan di bagian ini adalah desain aerodinamis yang seefisien mungkin, serta ketahanan dan berat bahan sirip baling-balingnya. b. Gearbox, berisi sistem roda gigi yang berfungsi untuk mengubah laju putar rendah baling-baling menjadi laju putar tinggi untuk masuk ke generator. c. Generator, merupakan salah satu komponen terpenting dalam pembuatan sistem turbin angin, sebagai penghasil energi listrik dari input berupa energi mekanik putar. Prinsip kerjanya menggunakan teori medan elektromagnetik. Singkatnya poros pada generator dipasang dengan material ferromagnetik permanen. Setelah itu di sekeliling poros terdapat stator yang bentuk fisisnya adalah kumparan-kumparan kawat yang membentuk loop. Ketika poros generator mulai berputar maka akan terjadi perubahan fluks pada stator yang akhirnya karena terjadi perubahan fluks ini akan dihasilkan tegangan dan arus listrik tertentu. Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan ini disalurkan melalui kabel jaringan listrik untuk akhirnya digunakan oleh masyarakat. Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan oleh generator ini berupa AC (Alternating Current) yang memiliki bentuk gelombang kurang lebih sinusoidal. Permasalahan di 17

15 bagian ini adalah konversi energi yang seefisien mungkin, menangani input yang senantiasa berubah-ubah, serta bentuk output yang disesuaikan dengan kebutuhan. Sedangkan komponen penunjang kincir angin adalah sebagai berikut: a. Brake system, digunakan untuk menjaga putaran pada poros agar bekerja pada titik aman saat terdapat angin yang besar, atau untuk membatasi laju putar yang terlalu tinggi yang dapat merusak sistem generator. Alat ini perlu dipasang karena generator memiliki titik kerja aman dalam pengoperasiannya. Generator ini akan menghasilkan energi listrik maksimal pada saat bekerja pada titik kerja yang telah ditentukan. Kehadiran angin di luar dugaan akan menyebabkan putaran yang cukup cepat pada poros generator, sehingga jika tidak diatasi maka putaran ini dapat merusak generator. b. Yaw system, merupakan sistem yang mengatur posisi baling-baling agar tetap menghadap angin secara frontal, sehingga baling-baling dapat menangkap energi angin seefisien mungkin. c. Tower penyangga, berfungsi sebagai tumpuan seluruh berat komponen inti dan penunjang cukup jauh di atas permukaan tanah. d. Alat-alat kontrol elektrik, berfungsi mengatur listrik yang dihasilkan generator. Baling-baling menyongsong datangnya angin sehingga ia berputar pada porosnya. Putarannya tidak terlalu cepat karena massanya yang besar, diteruskan oleh poros laju rendah kebelakang melalui gearbox. Gearbox mengubah laju putar menjadi lebih cepat, kemudian memutar rotor pada generator dibagian belakang turbin angin, sehingga akan menghasilkan energi listrik. Energi Listrik ini biasanya akan disimpan kedalam baterai sebelum dapat dimanfaatkan. Karena keterbatasan ketersediaan akan energi angin (tidak sepanjang hari angin akan selalu tersedia) maka ketersediaan listrik pun tidak menentu. Oleh karena itu digunakan alat penyimpan energi yang berfungsi sebagai back-up energi listrik. Ketika beban penggunaan daya listrik masyarakat meningkat atau ketika kecepatan angin suatu daerah sedang menurun, maka kebutuhan permintaan akan daya listrik tidak dapat terpenuhi. Oleh karena itu sebagian energi yang dihasilkan ketika terjadi kelebihan daya pada saat turbin angin berputar kencang atau saat penggunaan daya pada masyarakat menurun perlu disimpan. Penyimpanan energi ini diakomodasi dengan menggunakan alat penyimpan 18

16 energi misalnya baterai aki. Alat ini memerlukan catu daya DC untuk mengisi energi, sedangkan dari generator dihasilkan catu daya AC. Oleh karena itu diperlukan rectifierinverter untuk mengakomodasi keperluan ini. Rectifier dapat menyearahkan gelombang sinusoildal (AC) yang dihasilkan generator menjadi gelombang DC. Inverter berarti pembalik. Ketika dibutuhkan daya dari penyimpan energi (baterai aki) maka catu yang dihasilkan oleh aki akan berbentuk gelombang DC. Karena kebanyakan kebutuhan rumah tangga menggunakan catu daya AC, maka diperlukan inverter untuk mengubah gelombang DC yang dikeluarkan oleh aki menjadi gelombang AC, agar dapat digunakan oleh rumah tangga. Sebagai ilustrasi, suatu sketsa pembangkit tenaga angin dapat dilihat pada gambar Gambar 2.11 Sketsa pembangkit tenaga angin 2.5 SISTEM KOGENERASI Salah satu upaya yang kini ditempuh umat manusia untuk mengatasi berbagai krisis lingkungan adalah dengan meningkatkan efisiensi dalam konsumsi energi. Banyak kegiatan industri yang memerlukan listrik maupun energi berupa panas yang umumnya berbentuk uap panas. Selama ini kebutuhan energi tersebut kebanyakan masih dipenuhi oleh dua sumber yang saling terpisah. Kebutuhan uap panas misalnya, disuplai oleh boiler 19

17 melalui pembakaran bahan bakar. Sementara itu, kebutuhan listriknya disuplai melalui jaringan PLN, atau dibangkitkan sendiri menggunakan diesel atau generator. Konfigurasi pembangkitan energi secara terpisah seperti itu ternyata belum menghasilkan efisiensi yang maksimum. Kini telah diperkenalkan sistem kogenerasi dalam pembangkitan energi. Kogenerasi merupakan teknologi sistem pembangkitan tenaga listrik dan uap panas secara simultan yang keduanya dibutuhkan dalam aktivitas industri. Teknik kogenerasi merupakan buah dari pemikiran untuk mewujudkan fungsi pembangkit energi listrik sekaligus berperan sebagai penghasil uap dan air panas yang dipakai untuk memenuhi kebutuhan industri maupun rumah tangga Pengertian Kogenerasi Kogenerasi adalah suatu konfigurasi pembangkit tenaga listrik dimana kandungan energi dalam bahan bakar yang biasanya banyak terbuang, dimanfaatkan semaksimal mungkin untuk mendapatkan tenaga termal dalam bentuk uap panas, air panas maupun air dingin yang dapat mensuplai kebutuhan untuk proses industri maupun rumah tangga. Jadi kogenerasi merupakan gabungan dari pembangkit listrik dan panas secara simultan (combined heat and power) dari satu sumber energi primer. Teknologi kogenerasi bekerja melalui dua cara, yaitu memanfaatkan uap yang dihasilkan boiler atau memanfaatkan panas gas buang untuk memproduksi uap. Teknik kogenerasi ini bisa diterapkan pada mesin diesel dan gas turbin. Konversi energi dalam sistem kogenerasi dilakukan dengan cara memodifikasi pembangkit listrik konvensional dengan menambahkan suatu peralatan penukar panas. Teknologi kogenerasi menjadi pilihan dalam memanfaatkan energi secara optimum, dimana dalam pembangkit konvensional energi itu akan terbuang melalui boiler maupun gas turbin. Kogenerasi mempunyai peluang untuk digunakan bila di suatu tempat atau lokasi industri terdapat kebutuhan listrik dan panas secara bersamaan. 20

18 2.5.2 Efisiensi Sistem Kogenerasi Sistem kogenerasi mempunyai efisiensi penggunaan bahan bakar yang tinggi. Dengan konsep kogenerasi, efisiensi energi secara keseluruhan dalam suatu sistem energi bertambah secara signifikan. Dalam beberapa kasus bisa bertambah lebih dari 30% dibanding sistem energi konvensional. Gambaran sederhana perbandingan efisiensi antara sistem energi konvensional dengan sistem kogenerasi, di ilustrasikan pada gambar Tanpa sistem kogenerasi, efisiensi pemanfaatan energi dalam bahan bakar umumnya hanya berkisar antara %. Namun dengan teknik kogenerasi, efisiensi termal penggunaan bahan bakar dapat ditingkatkan hingga mencapai 85%. Efisiensi setinggi itu dapat dicapai pada pembangkit listrik berbahan bakar gas karena adanya kombinasi antara panas dan daya listrik. Sistem Konvensional LISTRIK Sistem Kogenerasi BAHAN BAKAR PEMBANGKIT LISTRIK PEMBANGKIT UAP Efisiensi : h = (40+45)/150 = PANAS 45 BAHAN BAKAR 100 SISTEM KOGENERASI Efisiensi : h = (40+45)/100 = 0,85 LISTRIK PANAS Gambar 2.11 Perbandingan efisiensi sistem konvensional dengan sistem kogenerasi Gambaran untuk membandingkan efisiensi antara sistem konvensional dengan sistem kogenerasi, dapat diperlihatkan pada gambar Jika ada pembangkit diberi masukkan energi 100, maka hanya 40% energi tersebut diubah menjadi listrik. Hal ini berarti keluaran tenaga (listrik) yang dihasilkan dari pembangkit tersebut sebesar 40. Pembangkit lainnya dioperasikan untuk memproduksi panas untuk keperluan industri. Jika pembangkit ini diberi masukan energi 50, maka 90% energi tersebut akan diubah menjadi panas, yang berarti dari pembangkit ini akan dihasilkan tenaga (uap panas) sebesar 45. Jika dua pembangkit tersebut beroperasi secara terpisah maka dari total masukan energi sebesar 150 (100+50) hanya akan dihasilkan tenaga sebesar 85 (40 listrik dan 45 panas). Dari sini terlihat bahwa ada sekitar 65 bagian energi yang hilang atau terbuang percuma. 21

19 Jika kedua sistem pembangkit energi digabung menjadi satu dan bekerja dengan menggunakan teknik kogenerasi, maka dari total masukan energi sebesar 100 dapat dihasilkan tenaga listrik sebesar 40 dan panas sebesar 45. Hanya sekitar 15 bagian energi yang hilang atau terbuang. Jadi dengan teknik kogenerasi, dapat dihemat pemakaian bahan bakar dapat di hemat hingga 33% Klasifikasi Kogenerasi Berdasarkan pada urutan penggunaan energi dan skema pengoperasiannya, sistem kogenerasi biasanya diklasifikasikan menjadi : a. Siklus atas (topping cycle), dimana bahan bakar utama mula-mula digunakan untuk memproduksi energi listrik, baru kemudian menghasilkan energi termal. Jenis ini umumnya digunakan pada industri kertas dan pulp, tekstil, makanan, dan gedung komersial. Bila kogenerasi ini akan digunakan pada PLTD, maka kapasitasnya harus cukup besar yaitu sekitar 25 MW. Dimana air pendingin mesin digunakan sebagai pemanas awal air baku boiler dan gas buang dipakai sebagai pembangkit uap utama. Karena gas buangnya hanya sedikit mengandung oksigen, akibatnya peningkatan kualitas uap sulit dilakukan meskipun sudah ditambah pembakaran. b. Siklus bawah (bottoming cycle), dimana bahan bakar utama digunakan untuk memproduksi energi termal bersuhu tinggi untuk kebutuhan proses yang ada, kemudian panas yang terbuang dari proses tersebut dimanfaatkan untuk membangkitkan listrik. Industri yang dapat mengaplikasikan jenis ini anatara lain: industri semen, baja, keramik, gas dan petro-kimia Sistem Kogenerasi Mesin Diesel Bahan bakar mesin diesel dapat menggunakan bahan bakar minyak (BBM) dan dapat juga menggunakan gas (gambar 2.12). Mesin diesel mempunyai efisiensi termal yang relatif tinggi, dimana panas yang keluar dari mesin diesel terutama dalam bentuk gas yang dihabiskan dan energi termal yang dibawa oleh air selubung mesin. Mesin diesel menghasilkan/mengeluarkan gas panas dari ketel dan selubung mesin jadi produksi energi termalnya cukup tinggi sehingga energi ini bisa digunakan untuk keperluan pembangkit 22

20 yang berarti bisa dihemat biaya operasi pembangkit. Hal ini karena jumlah bahan bakar yang akan digunakan untuk memanaskan pembangkit bisa ditiadakan dan kalau panasnya masih bersisa maka bisa dijual atau disimpan. Ditinjau dari segi efisiensi pemakaian bahan bakar, unit pembangkit diesel dapat mencapai 40%, sedangkan gas buang yang dapat dimanfaatkan dengan sistem kogenerasi sebesar 55%. Dengan demikian total energi termal yang dapat dimanfaatkan adalah sebesar 95%. GAS BUANG TENAGA LISTRIK PENUKAR PANAS PEMANFAATAN PANAS MESIN DIESEL GENERATOR AIR PANAS BAHAN BAKAR Gambar 2.12 Sistem Kogenerasi Mesin Diesel 23