Perencanaan Dan Manajemen Pembangkit Listrik Tenaga Hybrid (Angin/Surya/Fuel Cell) Pulau sumba menggunakan Software Homer Farid Miharja Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh November Abstrak : Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Hibrida (PLTH) adalah integrasi sistem pembangkit listrik berbasis energi fosil (tak terbarukan) dan pembangkit listrik terbarukan. Tujuan utamanya untuk menghemat pemakaian bahan bakar dan mengurangi emisi terutama CO. Secara menyeluruh, integrasi pada sistem PLTH ini merupakan sistem yang multi variabel sehingga digunakan bantuan perangkat lunak, dalam hal ini HOMER versi.68. perangkat lunak ini mengoptimasi berdasarkan nilai NPC terendah. Dengan studi kasus optimasi sistem PLTH di Pulau Sumba propinsi Nusa Tenggara Timur, diintegrasikan Fuel Cell, PLTB dan PLTS. Pada kondisi yang optimum ini, Homer Menentukan dan menghitung kontribusi ketiga pembangkit dengan nilai bersih sekarang (net present cost, NPC), biaya pembangkitan listrik (cost of electricity, COE) emisi CO yang dihasilkan sistem kg/tahun. Kata kunci : Fuel Cell, NPC, COE I. PENDAHULUAN Pulau Sumba adalah sebuah pulau di Provinsi Nusa tenggara Timur Indonesia, luas wilayah 10.710 Km² dan titik tertinggi Gunung Wanggameti (1.5 m) sumba berbatasan dengan Sumbawa disebalah barat laut, Flores ditmur laut Timor, di timur Australia diselatan dan tenggara selat sumba terletak di utara pulau ini. Dibagian timur terletak laut sawu serta samudra Hindia terletak disebelah selatan dan barat. Dengan jumlah penduduk 686.11 jiwa (data BPS 010) jumlah pelanggan PT. PLN (Persero) Cabang Sumba sampai dengan bulan Oktober 010 adalah 7.05 pelanggan. Penduduk yang bisa menikmati listrik lebih kurang.9% dari total jumlah Kepala Keluarga. Dengan jumlah pelanggan yang hanya sebagian kecil dari seluruh jumlah penduduk menggambarkan rasio elektrifikasi di Pulau Sumba masih sangat kecil. Maka dari itu kami akan membuat suatu simulasi perancangana suatu sistem Pembangkit listrik Tenaga Hybrid Dengan Menggunakan Energi Terbarukan yang berpotensi di Pulau Tersebut. Pulau Sumba kedepannya akan dijadikan Pulau Energi mandiri Dengan Pemanfaatan Sumber energi yang ada, misal : energi matahari, energi Angin, mikrohidro, arus laut dan lainnya. Pada Pembahasan ini kami akan memanfaatkan enegi matahari, energi angin dan Fuel Cell dan disimulasikan menggunakan software homer.86, software ini akan menghitung ketiga kombinasi pembangkit tersebut dengan berbagai inputan parameter, diantaranya : 1. Intensitas radiasi matahari. Kecepatan angin. Beban harian 4. Suhu rata-rata daearah tersebut 5. Komponen dan biaya pembangkitan Dengan data-data tersebut, Program dapat dijalankan tinggal kedepannya memperhitungkan berapa banyak kebutuhan beban di pulau sumba dan seberapa efisien pembangkit listrik tenaga hybrid ini. II.LANDASAN TEORI 1 PLTS (Pembangkit Listrik tenaga Surya) Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) adalah suatu teknologi pembangkit listrik yang mengkonversi energi foton dari surya menjadi energi listrik. Konversi ini dilakukan pada panel surya yang terdiri dari sel sel fotovoltaik. Sel sel ini merupakan lapisan lapisan tipis dari silikon (Si) murni atau bahan semikonduktor lainnya yang diproses sedemikian rupa, sehingga apabila bahan tersebut mendapat energi foton akan mengeksitasi elektron dari ikatan atomnya menjadi elektron yang bergerak bebas, dan pada akhirnya akan mengeluarkan tegangan listrik arus searah. Gambar.1 Proses Konversi Energi Listrik Pada Panel Surya Pada siang hari modul surya menerima cahaya matahari yang kemudian diubah menjadi listrik melalui proses fotovoltaik. Listrik yang dihasilkan oleh modul 1
dapat langsung disalurkan ke beban ataupun disimpan dalam baterai sebelum digunakan ke beban. Pada malam hari, dimana modul surya tidak menghasilkan listrik, beban sepenuhnya dicatu oleh battery. Demikian pula apabila hari mendung, dimana modul surya menghasilkan listrik lebih rendah dibandingkan pada saat matahari benderang. Modul surya dengan kapasitas tertentu dapat menghasilkan jumlah listrik yang berbeda-beda apabila ditempatkan pada daerah yang berlainan PLTS memanfaatkan cahaya matahari untuk menghasilkan listrik DC (direct current), yang dapat diubah menjadi listrik AC (alternating current) apabila diperlukan. Oleh karena itu meskipun cuaca mendung, selama masih terdapat cahaya, maka PLTS tetap dapat menghasilkan listrik. PLTS pada dasarnya adalah pecatu daya (alat yang menyediakan daya), dan dapat dirancang untuk mencatu kebutuhan listrik yang kecil sampai dengan besar, baik secara mandiri, maupun dengan hybrid, baik dengan metoda desentralisasi (satu rumah satu pembangkit) maupun dengan metoda sentralisasi (listrik didistribusikan dengan jaringan kabel). Sebuah sistem fotovoltaik yang terintegrasi dalam Pembangkit hybrid terdiri dari sebuah solar modul dan DC.AC converter untuk konversi daya Dc yang dihasilkan menjadi energi listrik AC yang dibutuhkan sebenarnya diperoleh setelah konversi dari modul tunggal dapat diperkirakan melalui Pac = Pdc,STC * n Dimana : Pac : Nilai aktual yang diperoleh power AC Pdc, STC : rate daya DC dalam kaondisi uji standard n : effisiensi konfersi dari DC ke AC Pada sistem hybrida arus DC yang dihasilkan sel surya langsung dialirkan pada Bus DC dan kemudian daya DC dari komponen lainnya dialirkan ke DC/AC konverter sebelum didistribusikan ke beban.. PLTB (Pembangkit listrik Tenaga Bayu/ Angin) Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (PLTB) adalah suatu teknologi pembangkit listrik yang merubah potensi energi angin menjadi energi listrik. Angin adalah udara yang bergerak/mengalir, sehingga memiliki kecepatan, tenaga dan arah. Penyebab dari pergerakan ini adalah pemanasan bumi oleh radiasi matahari. Udara di atas permukaan bumi selain dipanaskan oleh matahari secara langsung, juga mendapat pemanasan oleh radiasi matahari bumi tidak homogen, maka jumlah energi matahari yang diserap dan dipancarkan kembali oleh bumi berdasarkan tempat dan waktu adalah bervariasi. Hal ini menyebabkan perbedaan temperatur pada atmosfer, yang menyebabkan perbedaan kerapatan dan tekanan atmosfer. Udara memiliki sifat untuk selalu mencapai kesetimbangan tekanan, karena itu perbedaan kecepatan dan tekanan atmosfer ini menyebabkan udara bergerak dari daerah yang bertekanan tinggi ke daerah bertekanan rendah. Gambar. Model Pembangkit listrik Tenaga Angin Dalam buletin 17 FAO internal working yang berjudul windmils for water lifting and the generator of electricity on the farm yang di tulis oleh E.W. Golding, daya yang dihasilkan energi angin diruumuskan sebagai berikut : P = k.f.a.e.v Dengan P = daya (kw) k = konstanta =1,7.10-5 F = faktor= 0,596 A = penampang (m ) E = efisiensi rotor dan peralatan yang lain v = kecepatan angin (m/det). Fuel Cell Fuel Cell menurut definisi adalah sebuah sel-sel listrikyang dapat menyimpan energi listrik terus menerus sehingga dan dapat menyalurkan daya listrik berkelajuntan tanpa batas waktu (Connihan,1981).Fuel Cell mengubah hidrogen atau yang mengandung bahan bakar menjadi lenergi listrik, energi ditambah panas melalui reaksi elektrokimia hidrogen dan oksigen ke dalam air, proses reaksi elektrolis terbalik : H(gas) + O(gas) HO + energy listrik DC Kinerja Hydrogen Fuel Cell serupa seperti aki (accu), hanya saja reaksi kimia penghasil tenaga listrik ini menggunakan hidrogen dan oksigen yg bereaksi dan mengalir seperti aliran bahan bakar melalui sebuah motor bakar. Namun tidak ada pembakaran dalam proses pembangkit listrik ini.dengan demikian limbah dari proses ini hanyalah air murni yang aman untuk dibuang. Gambar.1 Bagan Kinerja Hydrogen Fuel Cell
Secara sederhana proses dapat dilihat pada Gambar.. diatas : Hidrogen (yang ditampung dalam sebuah tabung khusus) dialirkan melewati anoda, dan oksigen/udara dialirkan pada katoda. Pada anoda dengan bantuan katalis platina Pt hidrogen dipecah menjadi bermuatan positif (ion/proton), dan negatif (elektron). Membran di tengah-tengah anoda-katoda kemudian hanya berfungsi mengalirkan proton menyebrang ke katoda. Proton yang tiba di katoda bereaksi dengan udara dan menghasilkan air. Tumpukan elektron di anoda akan menjadi energi listrik searah yang dapat menyalakan lampu. 4. Software Homer Homer adalah suatu model Micropower untuk mempermudah dalam mengevaluasi desain dari jaringan tunggal (grid-off) maupun jaringan yang terkoneksi dengan sistem (grid-connected). Dalam merancang sistem pembangkit harus diperhatikan mengenai konfigurasi sistem,, diantaranya : komponen apa saja yang tidak dapat dimasukkan dalam konfigurasi sistem, berapa banyak dan dan berapa ukuran masing- masing komponen yang harus digunakan, banyaknya pilihan teknologi dalam penghitungan biaya dan ketersediaan sumber daya energi yang ada, optimasi Homer dan algoritma analisis yang sensitif dapat lebih mudah untuk mengevaluasi konfigurasi sistem dan banyak kemungkinan. Model ini dapat menganalisa stand alone sistem dengan menggunakan bebearapa komponen energi angin, PV dan fuel cell, daya DC yang dihasilkan PV dan fuel Cell di ubah menjadi AC dan di salurkan ke Bus AC, daya yang dihasilkan wind turbin secara langsung dialirkan ke Bus AC, kelebihan daya akan disimpan dibatteray dan electrolizer, yang menghasilkan hidrogen kelebihanya akan di maksukkan kembali di hidrogen tank. Berikut memasukkan data data yang diperlukan Tabel 4.1 Rating Kompenen Peralatan Type Rating Wind turbin PGE 0/0 0 KW PV 80 KW Fuel Cell 10 KW Battery CP6100D 0 KW Converter 0 KW Electrolyzer 60 KW Hidrogen Tank 80 KW Potensi Angin Berdasarkan potensi angin di sumba, rata-rata kecepatan angin diukur dengan ketinggian 15 meter dari permukaan tanah didapatkan 4,6 m/s data kecepatan angin selama satu tahun dapat dilihat pada gambar 4. Gambar 4. kecepatan angin rata-rata di wilayah sumba Potensi Penyinaran dan Radiasi matahari Data Indeks kecerahan (Clearness Index) dan radiasi sinar matahari (Solar Radiation) adalah rata-rata global radiasi matahari pada permukaan horisontal, dinyatakan dalam kwh/m, untuk setiap hari dalam tahun. Sumber data diperoleh dengan pengukuran langsung atau melalui bantuan HOMER yang akan menghubungkan ke satelit NASA melalui internet dengan memberikan letak lintang dan bujur lokasi penelitian. Daily Radiation (kwh/m²/d) 7 6 5 4 1 Global Horizontal Radiation 1.0 0.8 0.6 0.4 0. Clearness Index 0 0.0 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Daily Radiation Clearness Index Gambar 4. Indeks kecerahan dan radiasi sinar matahari Beban Harian P.Sumba Data beban harian diperoleh dari PT. PLN Persero Wilayah Sumba gambar berikut adalah kurva beban harian kebutuhan penduduk. Gambar4.1 konfigurasi pembangkit ke dalam software homer
Wind Turbin 10,599 7 Fuel Cell 151 1 Total 8,88 100 Gambar 4.4 Kurva Beban Harian Sumba Rata-rata kebutuhan beban tahunan daerah ini 19KW/d, didapatkan beban puncak 10,6 KW dan load faktor 0,755 Nilai ini dari beban rata-rata tahunan dibagi beban puncak dikalikan 4 jam. 5. Flow Chart Dengan flow chart ini alur program dapat dilihat bahwa software homer dapat menentukan kombinasi pembangkit yang ideal dengan menghitung biaya-biaya sampai menentukan hasil dari biaya pembangkitan dan harga jual energi listrik/kwh. III. SIMULASI DAN ANALISIS 1. Performa fuel cell dapat dilihat dibawah ini setaleh dilakukan simulasi dengan Homer Quantity Value unit Hours of 5 hr/yr operation Number of starts 4 starts/yr Operational life 1,600 yr Capacity factor 0.086 % Fixed generation 0.77 $/hr cost Marginal generation cost 0.000975 $/kwhyr. Hasil Produksi listrik dari kombinasi ketiga Pembangkit Component Production (KW/yr) PV array 18,088 6 Persent (%). Emisi tahunan yang didapat dari simulasi homer Pollutant Emissions (Kg/yr) Carbon dioxide -0.794 Carbon monoxide 0.505 Unburned hydocarbons 0.056 Particulate matter 0.081 Sulfur dioxide 0 Nitrogen oxides 4.51 4. Analisis Ekonomi Sistem Hybrid Didalam Software homer ada beberapa hal yang harus dihitung, diantaranya Initial cost, Annualized Cost, Replacement cost and maintenance cost pertama kali harus di evaluasi memalalui software homer kemudian dibandingkan dengan analisis biaya. IV PENUTUP a. Kesimpulan Secara keseluruhan dalam studi kasus ini, sistem PLTH yang optimal adalah kombinasi dari PLTS, PLTB dan Fuel Cell. Kontribusi PLTS terhadap sistem PLTH sebesar 6% sedangkan PLTB sebesar 7% dan Fuel cell sebesar 1 % dalam hal ini fuel cell hanya sebagai back up energy. Konfigurasi ini ditetapkan sebagai yang paling optimal berdasarkan nilai NPC terendah yaitu sebesar $ 770.084 dan biaya listrik (COE) sebesar $ 0,769per kwh. Kelebihan energinya selama setahun sebesar 45.049 kwh. Dampak lingkungan dapat dikurangi dengan menerapkan sistem PLTS-PLTB-Fuel Cell dimana dapat meminimalkan Co -0,794 kg/tahun, Co 0,505 Kg/tahun, hidrokarbon 0,056Kg/tahun,Nitrogen Oxidasi 4,51 Kg/tahun. V.DAFTAR PUSTAKA 1. Herlina, Analisa Dampak Lingkungan Dan Biaya Pembangkitan Listrik Tenaga Hibrida Di Pulau Sebesi Lampung Selatan. Unversitas Indonesia 009. Nasa, Surface Metorology And Solar Energy, httpeosweb.larc.nasa. gov,009. Weatherbase, Wind Speed For Sumba,www.watherbase.com, 011 4. Juwono S, Kondisi kelistrikan Indonesia 009 5. BPS, Indikator Kesejahteraan Rakyat Sumba Timur, Sumba,010 6. Wike H, Analisis Hasil Simulasi Perangkat Lunak Homer Dan Vipor Pada Studi Kasus PLTH Di Wilayah Lampung Barat, Universitas Indonesia,011 7. mashudi, Studi, Of PLTP Subang 150 MW Influence Development In Mount Tangkuban Perahu Of West Java Region Electricity Tarieffs, 4
Electrical engineering Major Industrial Tecknologi, ITS, 010 8. MohammadSaadAlam,David W. Gao, Mohammad Saad, David W Gao, Modeling and Analysis of a Wind/PV/Fuel Cell Hybrid Power System in Homer Center of Energy Systems Research. Department of Electrical and Computer Engineering Ternessee Technological University Cookeville. TN 8501 USA 007 Farid Miharja lahir pada tanggal Juli 1985 di Banyuwangi. Penulis memulai pendidikan di SDN 01 GentengWetan,kemudian melanjutkan studi di SLTPN 1 Genteng dan pada tahun 000 melanjutkan ke tingkat selanjutnya di SMAN1 giri Banyuwangi dan lulus pada tahun 00. Pada tahun 004 penulis melanjutkan studi di D Computer Control, ITS dan lulus pada tahun 008. Kemudian tahun 009, penulis melanjutkan pendidikan di Jurusan Teknik Elektro ITS dan mengambil bidang studi teknik sistem tenaga hingga sekarang. 5