Agri-tek Volume 13 Nomor 1 Maret 2012 SIMULASI DAN ANALISIS...24

Transkripsi

1 SIMULASI DAN ANALISIS GENERATOR LISTRIK HYBRID BERBAHAN BAKAR BIOMASSA DAN SOLAR Aris Budi Harsanto 1 Sudarno 2 1, 2) Dosen Fakultas Teknik Universitas Merdeka Madiun Abstract Biomass as a renewable energy development can be an alternative solution to global problems of the 21st century that is guaranteed availability / supply of energy, food availability and environmental protection. Given its potential as an agricultural country, Indonesia is rich supply of raw material derived from plant biomass and wastes processed agricultural products and oil, so it is possible to be driven development. Biomass energy is also environmentally friendly energy and the supply of heat energy can be combined (mixed or hybrid) with other energy sources. This analysis will be simulated on the application of steam power system of generators and steam turbines to generate electrical energy from the electrical load, energy and investment costs and operational use software help Homer. Performance of the generator is a hybrid between a steam turbine generator and biomass-fueled diesel generator diesel engines, which are the primary work on the steam turbine generator fueled by biomass and assisted diesel generators in case of excess load / no load electricity be supplied by the turbine generator steam. Simulation and analysis can be concluded : The amount of electrical energy generated by the system based on load demand reached kwh per year, with details of the productivity of electrical energy for each generator is kwh (94%) to 4097 kwh and biomass generators (6%) for diesel generator; electrical efficiency for biomass generator at 52.5%, while the diesel generator at 21.9%, CO2 emissions from the burning of the two types of generatorsxbyx5024xkgxperyear. Key words : Biomass, Homer, Generator, Hybrid, Electric Energy. PENDAHULUAN Salah satu sumber energi terbarukan adalah biomassa atau energi nabati, karena berasal dari bagianbagian tumbuhan, contohnya adalah kayu. Kayu untuk bahan bakar memasak atau pemanas telah dimanfaatkan orang sejak jaman pra-sejarah. Pada hakekatnya, kayu masih merupakan sumber daya energi biomassa terbesar hingga saat ini. Selain kayu, sumber biomassa lainnya adalah limbah (residu) dari tanaman pertanian (padi, singkong, kedelai dan jagung); tanaman bahan bakar fosil. Mengingat potensinya sebagai negara agraris, Indonesia kaya pasokan sumber bahan baku biomassa yang berasal dari tanaman maupun limbah (pertanian, perkebunan, perkebunan (tebu dan kelapa sawit); kehutanan (kayu jati); limbah perkotaan dan limbah industri (misalnya : industri bioetanol, biodiesel dan bio oil). Pengembangan Biomassa sebagai energi terbarukan dapat menjadi solusi alternatif untuk permasalahan global abad 21 yaitu jaminan ketersediaan/pasokan energi, ketersediaan pangan dan pelestarian lingkungan hidup. Biomassa juga dapat diubah menjadi bahan bakar cair untuk keperluan (energi) transportasi, yang hingga saat ini masih bergantung pada peternakan & kehutanan), sehingga sangat memungkinkan untuk segera dipacu pengembagannya. Disamping itu, energi biomassa juga merupakan energi yang ramah lingkungan dan dalam Agri-tek Volume 13 Nomor 1 Maret 2012 SIMULASI DAN ANALISIS

2 penyediaan energi panas dapat digabung (mix) dengan sumber energi yang lain. Ada banyak pemakaian sumber energi alternatif yang bersamaan, baik secara mix maupun hybrid, tujuannya adalah untuk mencukupi kebutuhan beban/load dari aplikasinya, disamping karena alasan faktor ekonomis dan ketersediaan sumber energinya. Contohnya adalah sistem hybrid sel surya dan turbin angin, turbin angin dan diesel, biomassa dan diesel, dan masih banyak yang lainnya [1],[2],[6]. Aplikasi pemakaian sumber energi panas dari hasil pembakaran biomassa salah satunya untuk merubah air menjadi uap. Dimana, biomassa dibakar dalam suatu tungku untuk memanaskan air di dalam ketel, konversi energi panas hasil pembakaran biomassa ini selanjutnya digunakan untuk merubah air menjadi uap. Uap yang terbentuk tersebut selanjutnya diaplikasikan untuk berbagai keperluan, contohnya di industri pengolahan gula tebu, uap digunakan untuk mengolah nira tebu menjadi gula dan sebagian uap dipanaskan lanjut (superheated) untuk menggerakkan turbin uap. Energi mekanis dari turbin uap diaplikasikan untuk memutar mekanisme peralatan/mesin pabrik dan menghasilkan energi listrik setelah dikopel dengan generator [7]. Bahan bakar (biomassa) dari instalasi daya uap di industri gula biasanya berasal dari limbah perasan tebu (bagase), kayu, dan daun tebu yang kering. Khusus untuk aplikasi turbin uap untuk menghasilkan energi listrik, seringkali karena naiknya fluktuasi kebutuhan listrik yang tidak dapat dipenuhi oleh turbin, maka implementasinya sering di bantu oleh generator listrik bermesin diesel, sehingga kinerja generator listrik merupakan hybrid (kombinasi) antara turbin uap dan mesin diesel. METODE SIMULASI DAN DASAR TEORI Pada analisis ini akan disimulasikan aplikasi dari sistim daya uap dari generator dan turbin uap untuk menghasilkan energi listrik dari sisi beban listrik, energi dan biaya investasi maupun operasionalnya menggunakan bantuan software HOMER. Kinerja generator adalah hybrid antara generator turbin uap berbahan bakar biomassa dan generator mesin diesel berbahan bakar solar, dimana kerja primer terdapat pada generator turbin uap berbahan bakar biomassa dan dibantu oleh generator diesel apabila terjadi kelebihan beban/load listrik yang tidak dapat di penuhi oleh generator turbin uap. Pada simulasi ini, beban energi listrik tertinggi sebesar 11.9 kw, dan beban terendahnya sebesar 4,3 kw. Kapasitas generator berbahan bakar biomassa adalah 10 kw dan generator Diesel sebesar 3 kw. Sehingga apabila terjadi kenaikan beban listrtik yang melebihi kapasitas generator biomassa, maka kekurangan pasokan energi listrik akan di penuhi oleh generator Diesel. Dari sini nantinya akan dianalisis bagaimana frekuensi distribusi beban listrik terhadap kerja hybrid antara kedua jenis generator, ditinjau dari sisi kinerja generator, proses konversi energi yang terjadi, biaya investasi dan operasionalnya. Prinsip kerja dari turbin dan generator uap berdasar pada siklus daya uap Rankine, secara skematis dapat dilihat pada gambar.1, untuk sumber panas dari ketel didapatkan dari hasil pembakaran biomassa. Secara umum, sistim generator uap terdiri dari peralatan : ketel (boiler) dan tungku pembakaran bahan bakar (biomassa), pemanas lanjut uap (superheater), turbin uap, kondenser, dan pompa pengisi air dalam ketel. Energi panas yang dihasilkan dari hasil pembakaran biomassa dikonversikan kedalam air dalam ketel, sehingga air akan berubah fasanya menjadi uap bertekanan, kemudian uap dipanaskan lanjut di dalam superheater untuk dinaikkan tekanannya. Uap bertekanan tinggi selanjutnya di alirkan kedalam turbin uap, dan energi tekanan uap terkonversi menjadi energi kinetik pada sudu turbin uap, selanjutnya energi kinetik pada sudu turbin terkonversi Agri-tek Volume 13 Nomor 1 Maret 2012 SIMULASI DAN ANALISIS

3 menjadi energi mekanis (putar) pada poros turbin. Energi mekanis inilah yang selanjutnya di kopel dengan poros generator, dan akhirnya perputaran generator menghasilkan energi listrik. Uap yang telah digunakan untuk memutar turbin selanjutnya dikondensasikan sehingga menjadi air kembali dan dipompa kembali kedalam ketel untuk proses siklus selanjutnya. dimana: a = Transmisi temperatur uap b = Transmisi tekanan Uap c = Transmisi aliran uap Sehingga Daya (Power) Listrik dapat diketahui dengan rumusan : Gambar. 1 : Siklus Daya Uap Rankine Prosesnya tingkat keadaan termodinamikanya adalah sebagai berikut : Dalam simulasi dan analisis kali ini mengacu pada parameter-parameter simulasi yang terdapat pada software HOMER meliputi : A. NPC dan COE NPC atau net present cost adalah biaya bersih total saat ini (sekarang), ini untuk merepresentasikan siklus biaya bersih peralatan (saat ini), NPC dapat diketahui dengan rumusan : dimana, TAC adalah biaya total tahunan dan CRF adalah faktor pemulihan modal, CRF dapat dicari menggunakan rumus : Kerja netto ( ) = - = - Efisiensi Termis. : Heat Rate (HR) : Kesetimbangan Aliran Massa : Kesetimbangan Energi : Aliran Uap Aktual : dimana, N adalah menyatakan tahun dan i adalah tingkat suku bunga tahunan (%). Sedangkan COE atau capita of electricity adalah biaya rata-rata perkapita energi listrik yang dihasilkan oleh sistem, rumusannya adalah : dimana, adalah biaya total tahunan, dan E adalah total pemakaian/konsumsi listrik per tahun : ( ) B. RF RF atau renewable fraction (f BIO) atau fraksi terbarukan yaitu bagian dari energi yang dihasilkan yang digunakan untuk mengangkat beban yang ada. RF dapat dicari dengan rumusan : Agri-tek Volume 13 Nomor 1 Maret 2012 SIMULASI DAN ANALISIS

4 dimana, adalah sistem pembangkit energi total tahunan dan adalah Energi Biomassa (kg), dan adalah jumlah emisi CO 2 per kilogram biomassa. C. Emission ( ) Adalah jumlah emisi gas yang dihasilkan dari proses pembakaran biomassa per tahun, rumusannya adalah : beban listrik yang melebihi 10 Kw, yaitu selama 5 jam per hari (jam ). Beban pemakaian listrik minimum sebesar 4,2 kw terjadi pada jam , dan beban maksimum sebesar 12 kw terjadi pada jam Dan diasumsikan pemakaian energi listrik adalah sama untuk setiap harinya. dimana, adalah konsumsi pemakain biomassa (kg), dan adalah jumlah emisi CO 2 per kilogram biomassa. SIMULASI DAN ANALISIS Instalasi dari generator sistem pembangkit energi listrik seperti terlihat di gambar. 2, beban kebutuhan energi listrik rata-rata per hari sebesar 192 kwh, dengan beban puncak (peak) sebesar 12 kw terjadi pada pemakaian antara jam sampai jam Generator biomassa yang memiliki kapasitas 10 kw, dan generator diesel memiliki kapasitas 3 kw. Kinerja primer/utama terdapat pada generator biomassa, dan apabila terjadi lonjakan beban listrik yang melebihi kemampuannya, maka akan dibantu oleh generator diesel. G Gambar. 3 : Distribusi beban listrik harian Karena dalam software HOMER hanya menyediakan fasilitas analisis biaya dalam US Dollar, maka semua besaran nilai biaya dalam analisis ini disajikan dalam mata uang US dollar. Untuk Generator biomassa kapasitas 10 kw diasumsikan dalam pembuatannya memerlukan biaya $10.000, sedangkan generator diesel kapasitas 3 kw sebesar $ Biomassa yang digunakan sebagai bahan bakar adalah kayu dengan harga per ton sebesar $10, sedangkan diesel menggunakan bahan bakar solar dengan harga per liter sebesar $0.6. Kebutuhan bahan bakar kayu per hari sebesar 2 ton dan solar per hari sebesar 12 liter. Dari hasil simulasi software HOMER didapat besaran NPC dari keseluruhan sistem adalah $ , sedangkan biaya operasional sistem selama setahun sebesar $ /tahun. Untuk besaran biaya energi per kwh yang harus dikeluarkan sebesar $0.259 / kwh. Gambar. 2 : Sistem instalasi generator Distribusi beban listrik harian (per jam) dapat dilihat pada gambar. 3, sehingga dari grafik dapat diketahui generator diesel akan bekerja pada jam Tabel. 1 : Net Present Cost Untuk detail Net Present Cost masingmasing sistem generator dapat dilihat Agri-tek Volume 13 Nomor 1 Maret 2012 SIMULASI DAN ANALISIS

5 pada tabel.1, dan untuk biaya total tahunan dapat dilihat pada tabel. 2. Tabel. 2 : Biaya tahunan Sehingga berdasar dari tabel. 2, biaya operasional sistem total yang harus dikeluarkan setiap tahun sebesar $18.185, dengan rincian untuk biaya keseluruhan generator biomassa sebesar $ (77,2%) dan generator diesel sebesar $4.145 (22,8). Besaran energi listrik yang dihasilkan oleh sistem yang didasarkan pada kebutuhan beban mencapai kwh per tahun, dengan rincian produktifitas energi listrik untuk masingmasing generator adalah kwh (94%) untuk generator biomassa dan kwh (6%) untuk generator diesel, dengan besar fraksi terbarukan (RF) sebesar 0,942%. Tabel. 3 : Produktifitas energi Rincian produktifitas energi dapat dilihat pada tabel. 3, operasional total generator biomassa selama setahun sebesar jam dan generator diesel sebesar jam hal ini relevan dengan perbandingan jam kerja antara keduanya selama 24 jam (satu hari). Biaya operasional tetap per jam untuk generator biomassa adalah $1,51 dan generator diesel sebesar $0,927. Sedangkan rata-rata produktifitas energi listrik untuk generator biomassa sebesar 7,53 kw dan generator diesel sebesar 1,12 kw, energi listrik minimum yang dihasilkan oleh generator biomassa sebesar 4,10 kw dan generator diesel sebesar 0,90 kw. Energi listrik maksimum yang dihasilkan oleh kedua generator masing-masing adalah 10 kw untuk generator biomassa dan 1,91 kw untuk generator diesel. Kebutuhan bahan bakar untuk generator biomassa sebesar 117 ton kayu per tahun dan 1900 liter solar per tahun untuk generator diesel, dengan konsumsi bahan bakar spesifik untuk generator biomassa sebesar 1,246 kg kayu per kwh dan 0,464 liter solar per kwh untuk generator diesel. Besaran energi yang dibutuhkan untuk menjalankan generator biomassa sebesar kwh per tahun dan generator diesel membutuhkan energi sebesar kwh per tahun. Efisiensi elektrik untuk generator biomassa sebesar 52,5%, sedangkan generator diesel sebesar 21,9%. Sehingga secara proses konversi energi, kinerja generator biomassa lebih efektif dibandingkan generator diesel, walaupun biaya operasional pengoperasiannya yang ditinjau dari sisi harga bahan bakar lebih efisien generator diesel. Efektifitas dari pemakaian generator biomassa ini akan lebih baik dari semua sisi apabila pemakaian bahan bakarnya menggunakan jenis biomassa yang memiliki nilai ekonomis rendah [3],[4], contohnya limbah olahan dari bahanbahan produk tumbuhan, misal jerami, bongkaran tanaman perkebunan yang sudah tidak produktif, bagase (ampas tebu) dan lain-lain. Tabel. 4 : Emisi gas hasil pembakaran Dari tabel. 4 dapat dilihat bahwa emisi gas hasil pembakaran dari Agri-tek Volume 13 Nomor 1 Maret 2012 SIMULASI DAN ANALISIS

6 operasional kedua jenis generator masih tergolong tinggi, dimana polutan didominasi oleh gas CO 2 sebesar kg per tahun, 13,1 kg per tahun gas CO, gas NO sebesar 117 kg per tahun, dan partikulat-partikulat lainnya yang jumlahnya relatif kecil. KESIMPULAN Dari simulasi dan analisis pada sistem hybrid antara generator biomassa dan generator diesel diatas dapat ditarik kesimpulan : 1. Simulasi sistem kerja generator dengan bantuan software HOMER sangat berguna untuk menjelaskan secara detail uraian mengenai distribusi beban listrik terhadap kinerja generator, proses konversi energi yang terjadi, dan analisis berbagai macam biaya. 2. Besaran energi listrik yang dihasilkan oleh sistem yang didasarkan pada kebutuhan beban mencapai kwh per tahun, dengan rincian produktifitas energi listrik untuk masing-masing generator adalah kwh (94%) untuk generator biomassa dan kwh (6%) untuk generator diesel. 3. Efisiensi elektrik untuk generator biomassa sebesar 52,5%, sedangkan generator diesel sebesar 21,9%, namun biaya operasionalnya yang ditinjau dari sisi harga bahan bakar, lebih efisien generator diesel. Efektifitas dari pemakaian generator biomassa ini akan lebih baik dari semua sisi apabila pemakaian bahan bakarnya menggunakan jenis biomassa yang memiliki nilai ekonomis rendah. 4. Emisi gas CO 2 dari hasil pembakaran kedua jenis generator sebesar kg per tahun. SARAN Simulasi sistem kerja generator biomassa dapat dikembangkan lebih lanjut pada kinerja hybrid dengan generator jenis lain yang energinya bersumber pada energi terbarukan lainnya, semisal energi angin, sel surya, dan panas bumi. DAFTAR PUSTAKA Ali Naci Celik, 2003, "Techno-economic analysis of autonomous PV-wind hybrid energy systems using different sizing methods," Energy Conversion and Management 44, A.N. Celik, 2002 "Optimisation and techno-economic analysis of autonomous photovoltaic-wind hybrid energy systems in comparison to single photovoltaic and wind systems," Conversion and Management 43, David Edwards and Michael Negnevitsky, 2008, "Designing a Wind-Diesel Hybrid Remote Area Power Supply (RAPS) System," Senior Member, IEEE. Gang Liu, M. G. Rasul, M. T. O. Amanullah, M. M. K. Khan, 2008 " Feasibility study of stand-alone PVwind-biomass hybrid energy system in Australia," Power Engineering Research Group Faculty of Sciences, Engineering and Health CQUniversity Rockhampton, Australia. Nader Barsoum, Wong Yew Yiin, Tan Kwong Ling, Goh, W.C, 2006, "Modeling and Cost Simulation of Stand-alone Solar and Biomass Energy," Second Asia International Conference on Modelling & Simulation. S. Ashok and P.Balamurugan, 2007, "Biomass Gasifier Based Hybrid Energy System for Rural Areas," IEEE Canada Electrical Power Conference. S.M. Shaahid, M.A. Elhadidy, 2007, "Technical and economic assessment of grid-independent hybrid photovoltaic-diesel-battery Agri-tek Volume 13 Nomor 1 Maret 2012 SIMULASI DAN ANALISIS

7 power systems for commercial loads in desert environments," - Renewable and Sustainable Energy Reviews T. Givler and P. Lilienthal, 2005 "Using HOMER ) Software, NREL's Micropower Optimization Model, to Explore the Role of Gen-sets in Small Solar Power Systems Case Study: Sri Lanka," Technical Report NREL/TP Agri-tek Volume 13 Nomor 1 Maret 2012 SIMULASI DAN ANALISIS