PERENCANAAN SISTEM PEMBANGKIT LISTRIK HIBRID (ENERGI ANGIN-SURYA) UNTUK UNIT PENGOLAHAN IKAN SKALA KECIL Razali Thaib 1, Ilyas 2, dan Hamdani 3* 1,2,3 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala Jl. Syech Abdul Rauf No.7 Darussalam Banda Aceh 23111 * E-mail hamdani_umar@yahoo.com Abstrak Hasil tangkapan ikan di kabupaten Pidie Jaya mencapai 5.000 ton pertahun. Tetapi, pendapatan nelayan setempat masih rendah. Telah dilakukan perencanaan untuk pembangunan satu unit pengolahan ikan skala kecil yang dilengkapi dengan unit pembuat es balok kapasitas produksi es 3 ton/hari dan unit penyimpanan ikan (cold storage) kapasitas 500 kg ikan/hari. Produktivitas unit pengolahan ikan tersebut sangat tergantung pada ketersediaan energi listrik, yang mana pada saat ini belum mampu disediakan oleh PLN. Hal ini mengakibatkan unit pengolahan ikan belum mampu melakukan produksi sesuai dengan perencanaan awal dan akhirnya kondisi ekonomi para nelayan belum berubah. Berdasarkan hasil perancangan sistem pembangkit listrik hibrid menggunakan potensi energi angin dan surya untuk unit pengolahan ikan skala kecil di peoleh hasil bahwa sistem PLH yang diusulkan mampu memenuhi 100% beban. Porsi energy surya adalah 76% dan 24 % berasal dari turbin angin.porsi terbesar biaya sistem PLH adalah biaya awal penyediaan panel surya sebesar 58%, dan diikuti oleh turbin angin dan batrei masing-masing 19 %, serta untuk pengadaan converter sebesar 0,1 %. Kata kunci: Pembangkit listrik hibrid, energi angin, surya, pengolahan ikan, skala kecil, HOMER Software Pendahuluan Potensi kelautan dan perikanan Provinsi Aceh begitu besar dan berbagai kebijakan, program, dan kegiatan pembangunan sektor kelautan dan perikanan telah dilaksanakan dan dirasakan manfaatnya. Namun, sejalan dengan perubahan yang begitu cepat di segala bidang, baik secara internasional maupun nasional, maka kebijakan, program dan kegiatan pembangunan sektor kelautan dan perikanan memerlukan penyesuaian atau perubahan agar dapat memenuhi kebutuhan ekonomi yang lebih fokus pada peningkatan kesejahteraan rakyat. Dalam rangka memenuhi harapan tersebut, diperlukan kebijakan strategis yang didasarkan pada realitas beserta permasalahannya dan kondisi masa depan yang diharapkan. Realitas dan permasalahan, sekaligus tantangan yang perlu mendapat perhatian serius dalam penyusunan kebijakan strategis ke depan antara lain; produksi nelayan meningkat setiap tahun akan tetapi mereka tetap tergolong miskin, armada perikanan tangkap yang dimiliki tergolong kualitas rendah, dan industri pengolahan ikan yang ada tergolong industri kecil dan menggunakan teknologi tradisional. 62
Pemerintah Kabupaten Pidie Jaya pada tahun 2009-2010 mendapatkan bantuan dari Bank Dunia melalui program Aceh-Economic Development Financing Facility (EDFF), yang didasarkan pada kenyataan sektor perikanan merupakan sumber mata pencaharian utama sebagian warga Kabupaten Pidie Jaya. Hasil tangkapan ikan di kabupaten ini mencapai 5.000 ton pertahun. Tetapi, pendapatan nelayan setempat masih rendah. Melalui program EDFF telah dibangun satu unit pengolahan ikan skala kecil yang dilengkapi dengan unit pembuat es balok kapasitas produksi es 3 ton/hari dan unit penyimpanan ikan (cold storage) kapasitas 500 kg ikan/hari. Produktivitas unit pengolahan ikan tersebut sangat tergantung pada ketersediaan energi listrik, yang mana pada saat ini belum mampu disediakan oleh PLN. Hal ini mengakibatkan unit pengolahan ikan belum mampu melakukan produksi sesuai dengan perencanaan awal dan akhirnya kondisi ekonomi para nelayan belum berubah. Sesuai dengan kebijakan pemerintah Kabupaten Pidie Jaya untuk pengembangan kawasan minipolitan berlokasi Kuala Meureudu terkendala dengan ketersediaan dan keterjaminan suplai energi listrik, karena PLN mengalami defisit daya yang dibangkitkan oleh PLTD sektor Pidie. Pembangunan unit pengolahan ikan skala kecil di pusatkan di Kuala Meureudu terletak pada posisi 05 o.17 lintang utara dan 96 o.13 bujur timur. Daerah tersebut tergolong daerah pesisir dengan demikian potensi sumber daya energi terbarukan seperti energi surya dan angin dapat dipertimbangkan. Berdasarkan data yang diperoleh Data for Solar and Wind Renewable Energy Surface (SWERA-2012), radiasi matahari total tahunan wilayah itu mencapai 1.654.000 kwh/m 2, dan radiasi surya yang mencapai permukaan sekitar 45,5 %, atau 3985 jam sinar matahari cerah per tahun. Begitu juga halnya dengan sumber daya energi angin, berdasarkan data yang diperoleh dari Data for Solar and Wind Renewable Energy Surface (SWERA-2012), kecepatan angin rata-rata tahunan daerah tersebut mencapai 3,3 m/s, atau memiliki potensi energi sebesar 53,5 KWh/tahun untuk setiap 1 m 2 luas penampang rotor pada efisiensi 34 %. Sampai saat ini, sumber daya energi terbarukan yang tersedia tidak dimanfaatkan dengan baik, terutama terkendala pada kurangnya studi kelayakan dan penelitian pemanfaatan sumber daya energi terbarukan untuk pembangkit listrik. Bertitik tolak dari permasalahan diatas, pada penelitian ini akan dilakukan perancangan awal sistem hibrid energi angin-surya untuk pembangkit listrik pada unit pengolahan ikan skala kecil. Metode Penelitian Unit pengolahan ikan skala kecil di Kuala Meureudu memiliki peralatan pembuatan es dengan kapasitas produksi 3 ton es per hari. Dan peralatan untuk penyimpanan ikan dengan kapasitas 500 kg ikan per hari, dan kebutuhan listrik untuk peralatan pendukung. Kebutuhan listrik untuk peralatan pembuat es batangan dapat dihitung dari persamaan : ) ) (1) 63
dimana : E es = adalah saya listrik yang dibutuhkan untuk membuat es (kw) m = massa ess (kg) t = waktu yang dibutuhkan untuk membekukan air (detik) = 4.2 kj/kg.k C p-air C p-es = 2.09 kj/kg.k h = entalpi air at 0 o C = 335 kj/kg. T a = Temperatur air awal ( o C) T o = Temperatur air dibekukan = 0 o C T i = Temperatur es = -5 o C Maka untuk membuat es sebanyak 3000 kg, dlaam waktu 8 jam, dengan tempetarur awal air 29 o C, maka dibutuhkan energi total sebesar : 6 kw. Dengan cara yang sama, daya dibutuhkan untuk menjaga temperatur 300 kg ikan pada 7 oc dalam ruang penyimpan ikan membutuhkan daya sebesar 2 kw. Dan kebutuhan energi listrik untuk kebutuhan peralatan pendukung dan penerangan serta perkantoran mencapai 2 kw, maka daya listrik total yang dibutuhkan sebesar total 10 kw. Penelitain ini akan dimulai dengan pengukuran potensi energi angin dan energy surya. Untuk penukuran potensi energi angin dilakukan dengan cara mengukur kecepatan angin menggunakan anemometer dan untuk data tahunan diperoleh dari Badan Metrologi dan Geofisika Banda Aceh. Sedangkan untuk potensi energy surya diperoleh seluruhnya dari Badan Metrologi dan Geofisika dengan memberikan lokasi peletakan pembangkit listrik tenaga surya. Kegiatan dilanjutkan dengan simulasi dengan software Homer. Perangkat lunak ini bekerja berdasarkan tiga langkah, yaitu simulasi, optimasi dan analisis sensitivitas. Perangkat lunak ini akan melakukan simulasi pengoperasian sistem pembangkit listrik tenaga hibrida dengan membuat perhitungan keseimbangan energi selama 8.760 jam dalam satu tahun. Untuk setiap jamnya, HOMER membandingkan kebutuhan listrik dan panas dengan energi yang dapat dipasok oleh sistem pada jam tersebut, dan menghitung aliran energi dari dan ke setiap komponen dari sistem. Untuk sistem dengan baterai atau generator bahan bakar, HOMER juga memutuskan kapan akan mengoperasikan generator dan mengisi atau mengosongkan baterai. Hasil dan Pembahasan Kecepatan angin bulan Januari s.d Desember 2011 yang didapat peroleh dari hasil pengukuran dan data online dari SWERA berdasarkan data lintang dan bujur Kuala Meureudu dapat dilihat pada Tabel 1, kecepatan angin tersebut diukur pada ketinggian 10 meter di atas permukaan tanah. Energi yang dihasilkan turbin angin dalam setahun dipengaruhi oleh berbagai faktor seperti, kecepatan angin, ketinggian dan karakteristik daerah lokasi dimana data kecepatan angin diambil, lihat Tabel 2. Maka kita harus mengkoreksi kecepatan angin rata-rata yang dihitung dengan Persamaan. 2. ( ) = ( ) (2) dimana H, H 0 mewakili kecepatan angin pada ketinggian h1 dan h2 dan adalah koefisien gesekan berdasarkan karakteristik daerah pemasangan turbin, maka untuk 64
daerah pisir dengan koefesien gesekan ( ) = 0,25. Maka kecepatan angin rata-rata setelah dikoreksi ditunjukkan dalam Tabel 2. Tabel 1 Kecepatan angin rata-rata di Kuala Meureudu Bulan Kecepatan Angin Rata-rata (m/s) Januari 3,774 Februari 3,143 Maret 3,097 April 2,867 Mei 4,065 Juni 4,655 Juli 4,258 Agustus 3,677 September 3,833 Oktober 4,097 November 3,993 Desember 4,067 Tabel 2 Kecepatan angin rata rata setelah dikoreksi Bulan Kecepatan angin rata-rata koreksi (m/s) Januari 4.177 Februari 3.478 Maret 3.427 April 3.173 Mei 4.499 Juni 5.152 Juli 4.712 Agustus 4.069 September 4.242 Oktober 4.534 November 4.419 Desember 4.501 Hasil pengukuran potensi energi surya untuk Daerah Kuala Meureudu ditunjukkan dalam tabel 3. Tabel 3 Potensi energi surya Kuala Meureudu Month Clearness (Index) Daily Radiation (kwh/m2/d) January 0.47 4.456 February 0.518 5.173 March 0.489 5.083 April 0.469 4.884 May 0.43 4.336 June 0.467 4.597 July 0.433 4.299 August 0.438 4.475 September 0.418 4.319 October 0.423 4.253 November 0.448 4.283 December 0.462 4.283 65
Hasil prediksi potensi angin rata-rata tahunan berdasarkan software Homer ditunjukkan dalam gambar 1. Dari gambar terlihat kecepatan angin maksimum yang mungkin terjadi pada bulan April dan Juli, dan kecepatan angin rata-rata berada di atas 5 m/s. Gambar 1. Prediksi Kecepatan angin rata-rata tahunan Hasil prediksi kecepatan angin harian yang mungkin dalam 24 jam rata-rata berkisar antara 4 6 m/s. Dan distribusi kecepatan angin berdasarkan distribusi Weibull diberikan dalam Gambar 2. Dari gambar terlihat kecepatan angin pada kisaran 4 6 m/s memiliki frekwensi terbesar akan terjadi. Gambar 2. Distribusi kecepatan angin harian distribusi Weibull Berdasarkan data-data di atas, kemudian disimulasikan pada program Homer untuk mendapatkan hasil kinerja optimal dari sistem pembangkit hibrid, baik dari segi kelistrikan maupun dari segi ekonomi. Berikut adalah hasil dari simulasi dengan menggunakan program HOMER. Simulasi ini menunjukkan kinerja dari setiap peralatan pada sistem pembangkit hibrid. Gambar 3 Susunan sistem pembangkit simulasi program HOMER 66
Berdasarkan data potensi angin dipilih turbin dengan kemampuan maksimum 10KW, turbin ini mampu memberikan daya awal pada kecepatan angin 3 m/s dan memberikan daya maksimum pada kecepatan angin 12 m/s. Kurva daya dari turbin ini diberikan dalam Gambar 4. Gambar 4. Kurva daya turbin angin 10 KW Hasil akhir dari simulasi adalah kondisi optimalkan pada kecepatan angin yang terjadi. Gambar 5. menunjukkan hasil simulasi dengan software Homer. Dari gambar terlihat bahwa kondisi optimal dengan biaya minim diperoleh pada kecepatan angin 5 m/s, dengan konfigurasi pembangkit listrik terdiri dari panel surya, turbin angin dan batrei. Gambar 5. Hasil simulasi pembangkit listrik hibrid Hasil utama analisis ini adalah distribusi produksi listrik yang dihasilkan, dari hasil simulasi diperoleh, pembangkit hibrid menghasilkan daya 76 % berasal dari energi surya dan 24 % dari energi angin, dengan produksi daya 45.005 kw/tahun seperti ditunjukkan dalam Gambar 6. Hal ini menunjukkan bahwa potensi energy yang dapat 67
dimanfaat terbesar diperoleh dari energi surya dibandingkan dengan turbin angin disebabkan oleh, distribusi kecepatan angin yang ada dilokasi berkisar 3 6 m/s, sedangkan kerja maksimum turbin hanya tercapai pada kecempatan angin 8-12 m/s. Jika dilakukan pemilihan turbin angin yang lebih kecil dari daya 10 KW, akan memberikan permasalahan dalam pengaturan daya terhadap perubahan beban dalam sisyem hibrid (Alliance for Rural Electrification, 2008). Gambar 6 Perbandingan Produksi Listrik PLH Dari gambar juga terlihat bahwa pada bulan Oktober, Nopember, Desember dan Januari sistem belum mampu memberikan daya sampai dengan 8 Kw, dan ini tentu akan memberikan pengaruh terhadap penyediaan energi listrik di unit pengolahan ikan. Kondisi ini akan ditanggulangi oleh batrei yang berjumlah 50 unit dengan daya maksmum yang mampu disimpan sebesar 9.645 kwh. Hasil akhir yang diperoleh dari penelitian ini adalah optimasi biaya investasi dan operasinal pembangkit listrik hibrid sebagiaman ditunjukkan dalam Gambar 7. 1. Gambar 7 Hasil optimasi biaya Dari grafik hasil simulasi diperoleh Biaya listrik (COE) yang didapatkan dari model sistem PLTH adalah sebesar $ 0,984 per kwh, biaya listrik ini adalah biaya tanpa jaringan distribusi yang harus dibangun untuk memasok beban. Dan total biaya investasi mencapai $ 407.000 dan biaya operasional mencapai US$ 138.978. Dari hasil analisis juga diperoleh hasil bahwa untuk jika digunakan BBM sebagai bahan bakar PLTD maka total BBM yang dikonsumsi oleh sistem ini selama setahun adalah 340.884 liter. 68
Kesimpulan Berdasarkan hasil perancangan sistem pembangkit listrik hibrid menggunakan potensi energi angin dan surya untuk unit pengolahan ikan skala kecil yang berlokasi di Kuala Meureudu Kabupaten Pidie Jaya dapat disimpulkan: 1. Potensi energy baru terbarukan yang ada lokasi unit pengolahan ikan terpadu dapat dimanfaatkan untuk menyediakan listrik. 2. Sistem optimal yang dihasilkan simulasi HOMER untuk pembangkit listrik adalah sistem pembangkit listrik hibrid (PLH) yang terdiri dari photovoltaic, turbin angin dan bank baterai, dan inverter. 3. Sistem PLH yang diusulkan mampu memenuhi 100% beban. Porsi energy surya adalah 76% dan 24 % berasal dari turbin angin. 4. Porsi terbesar biaya sistem PLH adalah biaya awal penyediaan panel surya sebesar 58%, dan diikuti oleh turbin angin dan batrei masing-masing 19 %, serta untuk pengadaan converter sebesar 0,1 %. Referensi [1] Gilman, P., Lambert, T., HOMER (Version 2.67) [Computer software], National Renewable Energy Laboratory of United States Government, United States of America, 2005. [2] Buresh, M., Photovoltaic Energy Sistem Design and Installation, McGraw Hill Book Company, United States of America, 1983. [3] Burton, T., Sharpe, D., Jenkins, N., Bossanyi, R., Wind Energy Handbook. England, John Wiley & Sons Ltd., 2001. [4] Alliance for Rural Electrification, Hybrid Power Sistem Based on Renewable Energies: A Suitable and Cost-Competitive Solution for Rural Electrification, 2008, http://www.ruralelec.org. [5] Bekele, G., Palm, B., Feasibility Study for A Standalone Solar-Wind-Based Hybrid Energy Sistem for Application in Ethiopia. Applied Energy, Vol. 87 (2010), 487-495. [6] Hrayshat, Eyad S., Techno-Economic Analysis of Autonomous Hybrid Photovoltaic- Diesel-Battery Sistem, Energy for Suitainable Development, Vol. 13, Pp. 143-150, 2009. [7] Nandi, Sanjoy K., Ghosh, Himangshu R., Techno-Economical Analysis of Off-Grid Hybrid Sistems at Kutubdia Island, Bangladesh, Energy Policy, Vol. 35 (2010), 976-980. [8] SWERA-Data for Solar and Wind Renewable Energy, (Jan, 2011): http://swera.unep.net/ 69