OTOMATISASI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA (PLTS) UNTUK PENINGKATAN KINERJA

Transkripsi

1 OTOMATISASI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA (PLTS) UNTUK PENINGKATAN KINERJA Mohamad Aman, Widhiatmaka, Tweeda Augusta Fitarto, Yohanes Gunawan, Guntur Tri Setiadanu Pusat Penelitan dan Pengembangan Teknologi Ketenagalistrikan, Energi Baru Terbarukan dan Konservasi Energi S A R I Penelitian ini fokus pada perancangan dan penggunaan solar tracker untuk meningkatkan efisiensi produksi listrik Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS). Solar tracker dimaksudkan untuk mengarahkan muka bidang panel surya pada arah tegak lurus sinar matahari untuk mendapatkan intensitas penyinaran maksimum. Rancangan sistem solar tracker terdiri atas dua sumbu yang bergerak otomatis secara astronomis. Rancangan telah diterapkan pada PLTS 600 Wp off-grid di Jakarta dan PLTS 8 kw on-grid di Subang yang merupakan demoplant PLTS skala komunal pertama di Indonesia yang dilengkapi solar tracker. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa penggunaan solar tracker pada PLTS meningkatkan output energi PLTS 25% - 50%. Pada PLTS 600 Wp offgrid kenaikan energi yang diperoleh 32,67% dengan penambahan biaya kapital 20%. Pada PLTS 8 kwp on-grid hasil simulasi menunjukkan didapatkan peningkatan output listrik 26,7% dan penurunan harga energi listrik (cost of energy) 7,8% dengan penambahan kapital awal 16,5% dan biaya operasional dan pemeliharaan per tahun lebih tinggi 17,1%. Hasil pengukuran PLTS 8 kw on-grid rata-rata ekspor daya sebesar 28,08 kwh/hari dan impor daya 1,22 kwh/hari. Kata kunci : efisiensi, PLTS, solar tracker 1. LATAR BELAKANG Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) mengubah energi surya menjadi listrik, sehingga PLTS tidak memerlukan suplai bahan bakar dan dapat bekerja secara otomatis tanpa memerlukan operator. Sejak tahun 1990-an, teknologi PLTS ini telah banyak dimanfaatkan di Indonesia. Teknologi PLTS terbukti secara teknis dapat diandalkan (technically reliable), layak secara ekonomi (economically feasible) dan dapat diterima oleh masyarakat pemakai (socially reliable). Berdasarkan jaringan, terdapat 2 sistem PLTS, yaitu: a. Sistem off-grid Merupakan sistem PLTS untuk daerah terpencil / pedesaan yang sulit terjangkau listrik oleh PLN. b. Sistem on-grid Merupakan sistem PLTS yang terhubung pada jaringan listrik. Komponennya terdiri atas PV, inverter on-grid dan alat pencatat ekspor-impor listrik. Efisiensi PLTS secara teori dapat ditingkatkan melalui penggunaan panel surya yang efisien, penggunaan teknologi Maximum Power Point Otomatisasi PLTS untuk Peningkatan Kinerja ; M. Aman, Widhiatmaka, Tweeda AF, Yohanes G, Guntur TS 45

2 Tracker (MPPT) pada inverter, dan penggunaan solar tracker. Panel surya paling efisien saat ini berjenis three junction cells (concentrator) dengan efisiensi 44% pada skala penelitian, sementara panel surya komersial umumnya berjenis kristalin silicon dengan efisiensi 12% - 25%. Adapun, teknologi MPPT menjadikan inverter selalu bekerja pada titik daya output tertinggi dari berapapun input daya panel surya yang masuk inverter. Solar tracker bekerja dengan prinsip mengikuti posisi matahari sehingga semakin besar radiasi yang dikonversi menjadi listrik. Indonesia hingga saat ini baru mampu memproduksi panel surya jenis kristalin silikon, baik polikristalin maupun monokristalin. Kemampuan atau fasilitas penelitian untuk usaha peningkatan efisiensi panel surya dari sisi material belum banyak dilakukan karena dibutuhkan investasi yang mahal. Demikian juga teknologi MPPT pada inverter, komponen inti berupa insulated gate bipolar transistor (IGBT) harus impor dan harganya mahal. Melihat potensi energi surya di Indonesia yang besar (4,8 kwh/m 2 /hari) dan program pengembangan energi surya melalui PLTS juga begitu besar (65 MW per tahun menuju target energy mix 2025, bahwa energi surya 0,2% atau 1 GW), maka pengembangan teknologi solar tracker untuk peningkatan efisiensi PLTS merupakan upaya peningkatan produksi energi surya yang lebih tepat dan bijak. Solar tracker adalah peralatan yang akan mengarahkan muka bidang panel surya pada arah tegak lurus datangnya sinar matahari sehingga didapatkan penyinaran terbesar untuk menghasilkan output maksimal sepanjang hari apapun setiap jenis panel surya yang digunakan. Sudut datang sinar matahari mempengaruhi output listrik panel surya, dan output terbesar panel surya dicapai ketika sudut datang nol derajat (0 o ) atau tegak lurus arah sinar matahari, sesuai Kelly Cosine (Kurva Sudut - Arus listrik Sel PV eksperiental) sebagaimana pada Gambar 1. Produksi energi spesifik (kwh/kwp year) selama umur ekonomis PLTS ( 20 tahun) mempengaruhi total biaya (Rp/kWh). Solar tracker penting digunakan karena dapat meningkatkan produksi energi tahunan hingga 40%. Dampak dari peningkatan produksi energi PLTS adalah efektivitas biaya produksi listrik. Produksi energi yang lebih besar menyebabkan sistem lebih handal dan lebih lama sehingga biaya Rp/kWh dapat diturunkan hingga 25% walau ada tambahan biaya kapital sebesar 15%. Namun sayangnya, dari sekian banyak PLTS yang dibangun di Indonesia (sekitar 20 MW tahun 2011 (data DJEBTKE) belum ada yang menggunakan solar tracker. Gambar 1. Kelly Cosine (Sumber: Tim P3TKEBTKE, diolah dari Patel 1999). 46 M&E, Vol. 11, No. 3, September 2013

3 2. TUJUAN DAN METODOLOGI Penelitian ini bertujuan untuk melakukan kajian kelayakan dan teknis, perancangan, serta penerapan solar tracker di Indonesia sehingga efisiensi produksi listrik PLTS meningkat dengan cara yang praktis dan ekonomis bila dibandingkan dengan upaya peningkatan efisiensi sel surya dan MPPT inverter. Metodologi yang digunakan adalah perhitungan manfaat, perancangan peralatan, dan pengujian perbandingan kinerja PLTS tetap dan PLTS solar tracker. Sistem solar tracker dirancang dua sumbu (azimuth dan altitude) yang bekerja otomatis secara astronomis (astronomical programming) berbasis PLC (Programmable Logic Controller) maupun microcontroller. 3. TAHAPAN PENELITIAN a. Kajian manfaat penerapan solar tracker pada PLTS di Indonesia secara modeling dan teori; b. Perancangan sistem PLTS dan penentuan lokasi; c. Perancangan solar tracker dan pemrograman; d. Pengadaan dan pembangunan sistem PLTS solar tracker; e. Setting operasional; f. Uji kinerja efektifitas solar tracker pada kinerja PLTS; g. Analisis dan kesimpulan sementara. 4. HASIL PLTS solar tracker tersebut telah diterapkan pada PLTS 600 Wp off-grid di Jakarta (Gambar 2) dan PLTS 8 kw on-grid di Subang (Gambar 4 dan Gambar 5) yang merupakan demo plant PLTS skala komunal pertama di Indonesia yang dilengkapi solar tracker. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa solar tracker bekerja dengan baik dan output listrik dapat ditingkatkan sebesar 25% - 50% dengan rata-rata 32,67% pada PLTS 600 Wp off-grid (Gambar 3). Hasil pengukuran sementara pada PLTS 8 kw on-grid bahwa solar tracker PLTS 8 kw on-grid menghasilkan output daya maksimum sebesar 8,23 kva dengan ekspor daya rata-rata sebesar 28,08 kwh/hari (3,47 kwh/kwp hari) dan impor daya sebesar 1,22 kwh/hari. Output daya meningkat 26,8% sehingga harga energi turun sebesar 7,8%. Secara kelayakan, biaya investasi solar tracker hanya menyebabkan penambahan biaya investasi sebesar 16,8%. Pengukuran masih dilanjutkan untuk mendapatkan analisis yang lebih akurat. Hasil uji pengisian baterai (Gambar 6) menunjukkan bahwa beban lampu pijar 300 W dapat menyala 10 jam 5 menit (pukul 08:47-18:52 WIB) sampai pada saat tanda isi baterai rendah, kemudian beban 300 W masih dapat menyala selama 1 jam lagi sampai pukul 19:52 WIB pada PLTS solar tracker. Pada PLTS tanpa tracker, beban 300 W dapat menyala selama 7 jam 36 menit (pukul 08:47-16:23 WIB) sampai pada saat tanda isi batere rendah, kemudian beban diubah 200 W menyala selama 2 jam serta kemudian beban 100 W menyala selama 1,5 jam. Artinya energi yang dihasilkan 32,67% lebih tinggi pada PLTS ber-solar tracker. Artinya juga bahwa batere pada PLTS solar tracker lebih tahan / lebih awet terlihat dari setelah tanda batere rendah PLTS solar tracker dapat mempertahankan nyala beban arus tetap dengan tegangan turun landai, sedangkan pada PLTS tanpa tracker tegangan turun tidak stabil karena menyesuaikan beban yang mampu dipasang. 5. MANFAAT Penelitian ini telah memberikan informasi atau bukti bahwa solar tracker pada PLTS layak digunakan secara teknik maupun ekonomi. Kelayakan ini ditunjukkan dengan meningkatnya output listrik PLTS sebesar 25% - 50% dengan penambahan biaya awal net 10% - 20%. Otomatisasi PLTS untuk Peningkatan Kinerja ; M. Aman, Widhiatmaka, Tweeda AF, Yohanes G, Guntur TS 47

4 Gambar 2. Hardware kontrol solar tracker berbasis PLC sederhana dan foto pengamatan gerakan PLTS 600Wp off-grid: Jakarta (-06 14' 32", ' 08" atau , , Elevasi: 17 m). Gambar 3. Grafik radiasi matahari, daya PLTS ber-solar tracker dan PLTS diam, dan grafik energi kumulatif PLTS solar tracker dan PLTS konvesional, serta perbandingannya, yang menunjukkan adanya peningkatan daya output PLTS solar tracker lebih dari 25% - 50%. 48 M&E, Vol. 11, No. 3, September 2013

5 Gambar 4. Demoplant PLTS solar tracker 8 kwp on-grid di Subang dan skemanya (06 37' 03", ' 38" atau , , Elevasi: 307 m) Gambar 5. Hardware solar tracker (actuator altitude & azimuth (A)) yang sudah terpasang dengan rangka panel PV, yang dikontrol oleh hardware kontrol (B) dan disuplai daya oleh regulator (C) dengan sumber listrik dari PV 2 x 50 Wp. 6. NILAI TAMBAH Dibandingkan metoda lain, upaya peningkatan output listrik PLTS dengan solar tracker mempunyai berbagai kelebihan yaitu biaya yang lebih murah, tidak perlu penambahan lahan, kestabilan terhadap perubahan cuaca karena gerakan secara astronomis, serta sebagian besar menggunakan komponen lokal. 7. KESIMPULAN a. Dari hasil pengukuran selama 5 hari (25-29 Mei 2011), output energi PLTS naik sebesar 25% - 50%. b. Pengukuran pengisian baterai PLTS solar tracker menunjukkan kenaikan energi yang dihasilkan sebesar 32,67% dibandingkan PLTS non-tracker dengan penambahan biaya kapital sebesar 20%. Otomatisasi PLTS untuk Peningkatan Kinerja ; M. Aman, Widhiatmaka, Tweeda AF, Yohanes G, Guntur TS 49

6 PLTS ber-tracker PLTS Non- Tracker Gambar 6. Hasil analisis dengan metode pengisian baterai. c. Hasil simulasi PLTS 8 kwp menunjukkan peningkatan kinerja sehingga lebih efisien dan lebih ekonomis yaitu peningkatan output sebesar 26,7% meskipun harus mengeluarkan initial capital lebih tinggi 16,5% dan Operation and Maintenance (OM) per tahun lebih tinggi 17,1%, tetapi cost of energy (COE) lebih rendah 7,8%. d. Rata-rata ekspor daya ke jaringan PLN sebesar 28,08 kwh/hari dan impor daya sebesar 1,22 kwh/hari. Penelitian ini masih perlu dilanjutkan untuk mendapatkan data yang lebih lengkap. DAFTAR PUSTAKA Laporan Akhir Litbang Aplikasi Solar Tracker pada PLTS Tahun 2010, P3TKEBTKE - KESDM. Laporan Akhir Litbang Teknologi Solar Tracker pada PLTS Tahun 2011, P3TKEBTKE - KESDM. Laporan Akhir Litbang Teknologi Solar Tracker pada PLTS Tahun 2012, P3TKEBTKE - KESDM. Christoph Richter, Daniel Lincot, & Christian A. Gueymard, 2013, Solar Energy, Springer Reference. Geoff Stapleton & Susan Neil, 2012, Grid- Connected Solar Electric Systems: The Earthscan Expert Handbook for Planning, Design and Installation, 2012; Michael Boxwell, Solar Electricity Handbook Edition: A Simple Practical Guide to Solar Energy - Designing and Installing Photovoltaic Solar Electric Systems. Patel, Mukund R., 1999, Wind and Solar Power Systems, New York, CRC Press M&E, Vol. 11, No. 3, September 2013