ANALISIS KEEKONOMIAN PENERAPAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA PADA SISTEM KETENAGALISTRIKAN NIAS

Transkripsi

1 ISSN ANALISIS KEEKONOMIAN PENERAPAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA PADA SISTEM KETENAGALISTRIKAN NIAS THE ECONOMIC ANALYSIS OF SOLAR SYSTEM POWER PLANT IMPLEMENTATION IN NIAS ELECTRICAL SYSTEM Subhan Nafis, Mohamad Aman, Adjar Hadiyono Puslitbangtek Ketenagalistrikan, Energi Baru, Terbarukan dan Konservasi Energi Jl. Cileduk Raya Kav. 109, Cipulir, Kebayoran Lama, Jakarta Selatan, Abstrak Biaya pokok produksi (BPP) pada sistem ketenagalistrikan area Nias cukup tinggi dikarenakan sebagian besar pembangkitnya mengunakan PLTD. Salah satu solusi untuk menekan BPP sekaligus mengurangi emisi karbon dari sektor pembangkit listrik adalah dengan menggantikan jam operasi Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD) dengan Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS). Tulisan ini bertujuan untuk menganalisis keekonomi penggantian jam operasional PLTD dengan PLTS berdasarkan analisis terhadap sistem Gunung Sitoli, Teluk Dalam, dan Pulau Tello. Kapasitas PLTS dibatasi 20% dari beban puncak siang hari sistem-sistem di area Nias guna menjaga stabilitas sistem. Berdasarkan potensi energi matahari, biaya pengembangan sistem PLTS dan konsumsi bahan bakar PLTD, biaya energi PLTS lebih rendah dari biaya bahan bakar untuk PLTD. Jika PLTS sebagian dapat mengantikan operasi PLTD, maka konsumsi bahan bakar yang dapat dihemat kurang lebih senilai Rp. 1,26 milyar per tahun. Secara ekonomis penerapan PLTS sebagai pengganti jam operasional PLTD layak diterapkan pada sistem ketenagalistrikan Nias. Kata kunci : PLTS skala besar, grid-connection PV, keekonomian PLTS Abstract The Cost of Production in Nias system is considerably high as the system mainly operates Diesel Power Plants. A possible solution to decrease the production cost and reduce the carbon emission from the power plant sector is to replace the operating hours of the Diesel power plants with Solar power plant (PV). The purpose of this paper is to analyze the economic value of this replacement based on the analysis of the system in Sitoli Mountain, Dalam Gulf and Tello Island. The total capacity of PV is limited only by 20% of the daytime peak load of the systems in Nias in order to maintain the system s stability. Based on the solar energy potential, the cost of system development in PV and the fuel consumption in Diesel Power Plants, the cost of energy in PV is lower than the fuel cost in Diesel Power Plants. If the PV can partially replace the Diesel Power Plants operation, the fuel consumption can be saved for about Rp. 1,26 billion per year. Economically, the utilization of solar power as the replacement for Diesel Power Plants operating hours is reasonable in Nias electrical power system. Keywords: photovoltaic, large-scale photovoltaic, grid-connection PV System, techno economic of PV Diterima : 12 Februari 2015, direvisi : 23 Oktober 2015, disetujui terbit : 27 Oktober

2 PENDAHULUAN Nias merupakan salah satu pulau yang juga kabupaten di Provinsi Sumatera Utara, yang secara geografis terpisah dari daratan di bagian barat Pulau Sumatera. Pemenuhan kebutuhan energi listrik di Area Nias saat ini masih disuplai dari Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD). Pengunaan PLTD di area Nias menyebabkan biaya pokok produksi (BPP) listrik untuk komponen bahan bakar menjadi tinggi (Rp ,02/kWh). Penerapan Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) pada sistem ketenagalistrikan di Nias diharapkan dapat menghemat konsumsi bahan bakar minyak oleh PLTD dan juga sekaligus dapat mengurangi emisi karbon dari sektor tenaga listrik. Agar penerapan PLTS dapat berjalan optimal perlu dilakukan studi apakah secara ekonomis layak diterapkan pada sistem ketenagalistrikan Nias. Tulisan ini dimaksudkan untuk melakukan analisis terhadap harga energi PLTS sebagai basis bagi penetapan harga (feed-in tariff) untuk dihubungkan ke grid PLN pada sistem Nias. Tulisan ini juga dimaksudkan untuk melakukan analisis perbandingan biaya antara PLTS dengan biaya bahan bakar pada PLTD di sistem Nias. Pengusahaan kelistrikan yang dikelola oleh PLN Area Nias terdiri dari Sistem Gunung Sitoli dan Sistem Teluk Dalam yang juga mengelola PLTD di Pulau Tello. PRINSIP FOTOVOLTAIK Pembangkit listrik tenaga surya atau biasa disebut fotovoltaik (photovoltaic - PV) merupakan pembangkit listrik yang memanfaatkan energi sinar matahari. Prinsip fotovoltaik adalah mengkonversikan energi foton dari sinar matahari menjadi energi listrik. Konversi ini terjadi pada sel-sel fotovoltaik yang berupa lapisan-lapisan tipis dari silicon (Si) murni dan bahan semikondukator lainnya. Apabila bahan tersebut mendapat energi foton maka elektron akan terlepas dari ikatan atomnya menjadi elektron yang bergerak bebas dan akhirnya akan mengeluarkan tegangan listrik arus searah. Kumpulan sel-sel fotovoltaik yang dihubungkan secara seri atau paralel atau gabungan seri dan paralel membentuk suatu modul fotovoltaik. Untuk lebih jelasnya susunan solar modul dapat dilihat pada pada Gambar 1. Ada beberapa jenis fotovoltaik berdasarkan teknologi yang digunakannya, yaitu monokristalin, polikristalin dan amorfous. Gambar 1. Sel surya sebagai komponen utama PLTS (PV) [1] Menghubungkan PLTS ke Jaringan Energi listrik dari PLTS yang dihubungkan ke jaringan membutuhkan suatu sistem interaktif antara sistem PLTS dengan jaringan listrik. Interkoneksi PLTS ke jaringan membutuhkan suatu sistem/alat yang dikenal sebagai power conditioning. Power conditioning berfungsi untuk menghasilkan daya maksimum PV dan mengubah tegangan listrik DC menjadi tegangan listrik AC yang berkualitas sesuai dengan parameter-parameter listrik pada jaringan. Interaksi PLTS Pada Sistem Tenaga Listrik Dalam hal kemampuan menghasilkan energi listrik, pembangkit Listrik tenaga surya 84

3 Analisis Keekonomian Penerapan Pembangkit Listrik Tenaga Surya Pada Sistem Ketenagalistrikan Nias memiliki karakter yang berbeda dibandingkan dengan jenis-jenis pembangkit konvesional lainnya seperti pembangkit listrik tenaga uap, air dan diesel. Pada pembangkit-pembangkit konvensional daya atau energi yang dihasilkan dapat diatur berdasarkan pasokan bahan bakarnya. Untuk pembangkit listrik tenaga surya, energi yang dihasilkan lebih fluktuatif tergantung dari radiasi matahari yang diterima oleh panel surya. Untuk itu PLTS tidak dapat berdiri sendiri dan membutuhkan dukungan sistem grid yang dinamis untuk dapat menjaga stabilitas sistem tenaga listrik. Masuknya Pembangkit Listrik Tenaga Surya ke jaringan akan mengurangi kapasitas atau operasi pembangkit konvensioanl sehingga dapat mengurangi penggunaan bahan bakar serta mengurangi emisi [2]. Penurunan kapasitas pembangkit konvensional akibat adanya suplai energi listrik dari PLTS menimbukan permasalahan lain terutama pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU). Hal ini disebabkan karena PLTU tidak memiliki kemampuan untuk menaikkan atau menurunkan kapasitas daya dengan cepat. PLTS lebih cocok dihubungkan dengan sistem pembangkit PLTD karena cepat dalam merespons perubahan beban. Hal ini penting agar stabilitas sistem tetap terjaga. Namun kapasitas PLTS yang dihubungkan pada sistem tidak boleh lebih dari 20% beban puncak. Jika kapasitas PLTS lebih dari 20% beban puncak maka hal tersebut melampaui batas fleksibelitas dari sistem [2], energi yang dihasilkan PLTS akan ditolak oleh sistem, untuk menjaga agar sistem tetap stabil. Akibat Gambar 2. Grafik biaya pembangkitan PV terhadap kontribusi PV pada sistem yang tidak fleksibel) [2] Gambar 3. Grafik biaya pembangkitan PV terhadap kontribusi PV pada sistem yang fleksibel [2] 85

4 adanya daya PLTS yang ditolak sistem maka cost of energy PLTS akan meningkat. Potensi PLTS On-Grid Di Indonesia Potensi penerapan grid-connected PV di Indonesia sangat besar, karena secara geografis Indonesia memiliki potensi energi matahari yang sangat besar. Selain itu masih banyak sistem ketenagalistrikan yang menggunakan PLTD. Sifat PLTS yang intermittend lebih cocok diintegrasikan ke jaringan listrik yang pembangkit beban dasarnya mengunakan PLTD. Pemanfaatan PLTS on-grid selain untuk memasok kebutuhan energi listrik juga mengurangi emisi karbon dari sektor tenaga listrik. Biaya energi PLTS Biaya energi (cost of energy) dapat diartikan sebagai perbandingan total biaya yang diperlukan untuk menghasilkan energi dengan energi yang dihasilkan pada periode waktu yang sama. Persamaan (1) memperlihatkan formula biaya energi [3] : (1) Dimana : COE : Biaya Energi ( $/kwh). IC : Biaya instalasi awal ($). CRF : Faktor pemulihan modal, berdasarkan discount rate (i). Dimana (2) dengan n adalah umur proyek AOM : Biaya pengoperasian dan pemeliharaan tahunan ($/tahun). AkWh : Total Energi dihasilkan per tahun (kwh/tahun). Biaya energi akan sangat tergantung pada biaya instalasi dan operasi dari sistem kelistrikan. METODOLOGI Metodologi yang digunakan pada tulisan ini adalah biaya siklus hidup atau Life Cycle Cost (LCC). Data-data yang digunakan dalam analisis bersumber dari Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral, Dinas ESDM Provinsi Sumatera Utara dan PT. PLN (Persero). Pengolahan data sistem ketenagalistrikan Nias mencakup kurva beban, jumlah, jenis, kapasitas dan daya mampu pembangkit, Specific Fuel Consumption (SFC), energi yang dibangkitkan dan konsumsi bahan bakar tiap pembangkit. Data intensitas matahari bersumber dari National Aeronautics and Space Administration (NASA). Pengolahan data dalam analisis meliputi antara lain profil beban untuk mengetahui kebutuhan energi listrik sistem Nias per hari, perencanaan kapasitas PLTS yaitu 20% dari beban puncak disiang hari. Perhitungan dilakukan terhadap spesifikasi teknis panel surya dan inverter yang digunakan pada konfigurasi sistem PLTS ke jaringan PLN, potensi energi matahari (kwh/m 2 /hari), dan estimasi daya PLTS berdasarkan parameter luas area panel surya, Temperature Coefficient Factor (TCF), dan nilai efesiensi peralatan PLTS yang digunakan. Biaya energi PLTS diestimasi melalui biaya siklus hidup yang terdiri dari biaya investasi, pemeliharaan dan operasional serta biaya penggantian peralatan. 86

5 Analisis Keekonomian Penerapan Pembangkit Listrik Tenaga Surya Pada Sistem Ketenagalistrikan Nias Tabel 1. Kapasitas Terpasang dan Daya Mampu PLTD Area Nias [4] 87

6 Gambar 4. Kurva Beban Nias Tabel 2.Kurva beban area Nias 88

7 Analisis Keekonomian Penerapan Pembangkit Listrik Tenaga Surya Pada Sistem Ketenagalistrikan Nias HASIL DAN PEMBAHASAN Kondisi Sistem Ketenagalistrikan Nias Sistem kelistrikan Area Nias terdiri dari tiga sistem isolated, yaitu Sistem Gunung Sitoli, Teluk Dalam dan Pulau Tello. Berikut datadata sistem ketenagalistrikan Nias. Kondisi Pembangkitan Sistem Nias Total daya mampu pembangkitpembangkit di Area Nias sebesar 33,8 MW, dengan beban puncak 23,43 MW. Energi yang dibangkitkan untuk mensuplai beban Area Nias mencapai 104,4 GWh/tahun. Total konsumsi bahan bakar diesel (HSD) mencapai 28,72 juta liter per tahun. dengan rata-rata konsumsi bahan bakar (SFC) dari PLTD-PLTD sebesar 0,275 liter/kwh. Desain PLTS pada Sistem Area Nias Perencanaan PLTS skala besar yang dikembangkan pada Area Nias diterapkan untuk masing-masing sistem, yaitu sistem kelistrikan Gunung Sitoli, Teluk Dalam dan Pulau Tello. PLTS yang direncanakan mensuplai energi listrik dengan kapasitas sebesar 20% dari kebutuhan energi (beban puncak di siang hari). Untuk sistem Gunung Sitoli dengan beban puncak di siang hari kw, PLTS direncanakan sebesar kwp. Sistem Teluk dalam, dengan beban puncak kw, PLTS direncankan sebesar 720 kwp dan untuk sistem Pulau Tello dengan beban puncak 290 kw, PLTS direncanakan sebesar 58 kwp. Pembatasan kapasitas maksimum PLTS pada sistem tenaga listrik bertujuan untuk menjaga stabilitas sistem tenaga listrik. Panel surya yang digunakan sebagai bahan analisa ini adalah Panel Surya monokristalin 200 Wp 24 Vdc Efesiensi 16%. Dari spesifikasi panel surya tersebut maka jumlah panel surya yang dibutuhkan pada sistem adalah: Perhitungan jumlah PLTS Gunung Sitoli (3) Dengan cara yang sama seperti di atas jumlah panel PLTS Teluk Dalam Panel dan jumlah panel PLTS Pulau Tello Sebanyak 290 panel. Inverter yang digunakan pada PLTS ini adalah tipe grid-connection Inverter. Kapasitas inverter diusahakan mendekati kapasitas daya yang dilayani. Hal ini untuk menjaga agar efesiensi kerja inverter menjadi maksimal. Kapasitas daya yang dilayani inverter untuk rencana pada sistem Gunung Sitoli, Teluk dalam dan Pulau Tello masing-masing sebesar kw, 720 kw dan 60 kw. Tabel 3. Intensitas Matahari Nias (kwh/m 2 /hari) Sumber: NASA 89

8 Potensi Energi Matahari Data potensi energi matahari yang digunakan pada penelitian ini adalah data dari Surface meteorology and Solar Energy (National Aeronautics and Space Administration - NASA). Data intensitas Matahari dari NASA berupa potensi matahari rata-rata bulanan, berupa record data intensitas Matahari yang diambil dari tahun 1983 hingga kwh Produksi dari PLTS Energi yang dibangkitkan PLTS dapat dihitung dengan persamaan: E L = PV Area G av TCF ηpv ηinv ηout (4) Dimana: PV Area : Luas permukaan panel surya (m 2 ) G av : Intensitas Matahari harian (kw/m 2 / hari) TCF : Temperature coefficient factor (%) ηpv : Efisiensi panel surya (%) ηinv : Efisiensi Inverter (%) (98%) ηout : Efisiensi peralatan lain dan kabel (%) (asumsi 85%) Panel surya yang digunakan sebagai bahan analisa penelitian ini adalah Panel Surya 200 Wp 24 V Eff 16%. Panel surya tersebut mempunyai dimensi tinggi, lebar dan ketebalan (H/W/D) mm. Atau sebesar 1,27664 m 2. Berdasarkan jumlah panel surya yang digunakan yaitu sebanyak panel maka dapat diketahui total luasan panel surya yaitu: Total luas panel surya = luas 1 unit panel surya jumlah panel surya = 1,27664 m = ,07 m 2 Dari data spesifikasi panel surya, Temperature coefficient factor (TCF) adalah - 0,423%/ K. Dengan kata lain setiap kenaikan temperatur 1 K atau 1 C dari temperatur standar PLTS (25 C) maka efesiensi panel surya akan berkurang 0,423%. Berdasarkan data dari stasiun meteorologi Binaka Gunung Sitoli, temperatur maksimal di wilayah Nias tercatat 32 C. Data temperatur ini memperlihatkan adanya kenaikan temperatur sebesar 7 C dari suhu standar PLTS yang akan mempengaruhi efesiensi PLTS. Besarnya penurunan efesiensi PLTS diestimasi dengan: TCF 7 C = TCF Kenaikan temperatur ( C) (5) = 0,423% / C 7 C = 2,961% Disini terlihat bahwa efesiensi panel surya terhadap perubahan suhu menurun sebesar 97,036%. Dengan mengetahui luas area panel surya, intensitas matahari harian, efesiensi panel surya, faktor koefisien temperatur, efesiensi inverter dan efesiensi peralatan lainnya maka produksi energi PLTS dapat dihitung dengan: =7.712 kwh/hari atau 2,81 GWh/tahun Dengan perhitungan seperti cara di atas, produksi energi per hari untuk PLTS Teluk Dalam dan PLTS Pulau Telo dapat diestimasi yaitu masing-masing kwh/hari dan 228 kwh/hari atau kwh/tahun dan kwh/tahun. Perhitungan Biaya Energi PLTS Biaya energi (cost of energy) PLTS dihitung dengan membagi total biaya siklus hidup (LCC) menjadi biaya tahunan (annuallcc) 90

9 Analisis Keekonomian Penerapan Pembangkit Listrik Tenaga Surya Pada Sistem Ketenagalistrikan Nias Tabel 4. Perhitungan Biaya Energi PLTS kemudian dibagi dengan produksi energi listrik tahunan dari PLTS. Persamaan (6) merupakan formula untuk menghitung annual LCC dengan: Setelah biaya silkus hidup tahunan (annual LCC) dan produksi energi tahunan (AkWh) diketahui, maka cost of energy (COE) dapat diestimasi dengan: (6) 91

10 Berdasarkan analisis, biaya energi PLTS Gunung Sitoli, Teluk dalam dan Pulau Tello pada tabel 4 masing-masing mencapai Rp ,09/kWh, Rp ,85/kWh dan Rp ,08/kWh. Perbandingan Biaya Energi PLTS dengan Biaya Bahan Bakar PLTD Kebutuhan beban rata-rata harian di sistem Gunung Sitoli mencapai kwh/hari. PLTS yang dikembangkan di sistem Gunung Sitoli dapat mensuplai energi sekitar kwh/hari atau sekitar 3,24% dari total kebutuhan energi. Gambar 5 memperlihatkan kurva beban dan kontribusi PLTS per hari. Gambar 7. Daya kontribusi PLTS Teluk Dalam pada cuaca baik Gambar 8. Daya kontribusi PLTS Pulau Tello pada cuaca baik Gambar 5. Daya kontribusi PLTS Gunung Sitoli pada cuaca fluktuatif Gambar 5 sampai 8 menggambarkan interaksi daya keluaran PLTS di sisten Area Nias. Di saat PLTS menghasilkan energi listrik pada siang hari maka kapasitas operasi PLTD akan berkurang, dan ketika PLTS tidak menghasilkan energi listrik maka kebutuhan beban dipikul oleh PLTD. Dengan total produksi daya PLTS Gunung Sitoli sebesar kwh/hari maka bahan bakar PLTD dapat dihemat sebesar 759,98 kiloliter/tahun. Angkat ini diperoleh dari: Gambar 6. Daya kontribusi PLTS Gunung Sitoli pada cuaca baik Penghematan Bahan Bakar PLTD = SFC Enegi dari PLTS = 0, kwh/hari = 2.082,13 liter/hari atau 759,98 kiloliter/ tahun. 92

11 Analisis Keekonomian Penerapan Pembangkit Listrik Tenaga Surya Pada Sistem Ketenagalistrikan Nias Tabel 5. Perbandingan Biaya PLTS dengan Biaya Bahan Bakar PLTD Dengan harga bahan bakar minyak (HSD) di Nias Rp ,35 per liter [5], maka biaya bahan bakar PLTD dapat dikurangi sekitar Rp 7,63 milyar per tahun. Jika dibandingkan dengan biaya annual LCC dari biaya investasi dan biaya O&M PLTS sebesar Rp. 6,88 milyar,, maka ada penghematan sebesar Rp. 747,87 juta per tahun. Tabel 5 memperlihatkan perbandingan biaya energi PLTS dengan biaya bahan bakar minyak PLTD di area Nias. KESIMPULAN Berdasarkan hasil analisis tentang perbandingan biaya energi PLTS dan PLTD, dapat diambil kesimpulan bahwa: Biaya energi dari PLTS yang direncanakan di area Nias lebih murah Rp. 307,02/kWh dari biaya bahan bakar dari PLTD yang beroperasi di Area Nias. Jika PLTS dapat diterapkan yaitu 20% dari kapasitas sistem maka penggunaan bahan bakar minyak dapat dihemat sekitar 1,95 juta liter per tahun yang setara dengan Rp 2,16 milyar per tahun. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Puslitbang KEBTKE. Ucapan terimakasih juga disampaikan kepada seluruh Reviewer yang telah memberikan masukan guna lebih sempurnannya karya ilmiah ini. DAFTAR PUSTAKA [1]. Sein,. Best Practice Guide Photovoltaics (PV), Sustainable Energy Authority Of Ireland. [2]. Denholm, P and Margolis, R., Very Large-Scale Deployment of Grid- Connected Solar Photovoltaics in the United States: Challenges and Opportunities. Conference Paper NREL/CP [3]. Foster, R., GhassemL M., Cota, A., Solar Energy Renewable Energy and The Environment. FL. CRC Press. Boca Raton. 93

12 [4]. PT. PLN Wilayah Sumatera Utara, Laporan Tahunan PT PLN Wilayah Sumatera Utara, Medan. [5]. PT. PLN (Persero), Statistik PT. PLN Tahun 2013, Jakarta [6]. REN21, Renewables 2014 Global Status Report. Paris [7]. Wenqiang, L. Shuhua, G. Daxiong, Q., Techno-Economic Assesment For Off-Grid Hybrid Generation System and Application Prospects in China. World Energy Council. London. [8]. Nafeh, A.E.A., 2009 Design and Economic Analysis of a Stand-Alone PV System to Electrify a Remote Area Household in Egypt. The Open Renewable Energy Journal 2 : [9]. Feldman, David dkk, 2013 Photovoltaic System Pricing Trends, NREL & LBNL. [10]. El-Tous, Yousif, 2012 Grid Connected PV System Case Study: Jiza, Jordan. Modern Applied Science; Vol. 6, No. 6;