Dita Anggraini Departemen Teknik Nuklir dan Teknik Fisika, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada Jl. Grafika 12 Indonesia NIM : 13/348512/TK/4949 Email : dita.anggraini@mail.ugm.ac.id Abstract Konsumsi energi Indonesia terus meningkat rata-rata 2,9% per tahun. Pertumbuhan penduduk yang tinggi disertai semakin menipisnya cadangan energi fosil membuat energi terbarukan menjadi alternatif pemenuhan energi di Indonesia. Potensi energi angin Indonesia dengan kecepatan berkisar 2-6 m/s dengan kapasitas terpasang 1,33 MW memiliki potensi yang tinggi untuk dikembangkan di Indonesia. Pantai Baru yang merupakan bagian dari Pantai Pandansimo, Desa Poncosari, Kecamatan Srandakan, Kabupaten Bantul, Yogyakarta ini terletak pada koordinat 7 59'8" LS dan 11 12'43" BT menjadi salah satu lokasi pembangunan PLTH di Indonesia. Pada paper ini penulis melakukan analisis potensi energi angin pada lokasi tersebut desain dan analisis sesuai dengan pertimbangan penulis. Metode penelitian yang dilakukan adalah tinjauan pustaka dengan pengumpulan data sekunder. Penulis menggunakan pendekatan kualitatif dan kuantitatif dalam analisa potensi energi angin di Pantai Baru Pandansimo. Pemodelan potensi angin dan karakteristik turbin menggunakan bantuan software HOMER. Data potensi angin didapatkan dari retscreen NASA yang dapat diakses secara online. Rata-rata kecepatan angin adalah 3,33 m/s dengan pengukuran dilakukan 1 m dari permukaan tanah. Menggunakan distribusi Weibull didapatkan nilai k=,5 dengan c = 1,63 m/s. Nilai menunjukkan variasi angin yang besar dimana deviasi lebih besar daripada kecepatan angin rata-rata. Turbin angin yang tepat untuk digunakan adalah WES5 Tulipo dengan mempertimbangkan daya keluaran untuk berbagai kecepatan angin, rated power, dan cut-in wind speed. Grafik kecepatan angin bulanan, box plot kecepatan angin bulanan, profil kecepatan angin, grafik distribusi Weibull, dan kurva daya WES5 Tulipo disajikan dalam paper ini. Pertimbangan kualitatif dari pemilihan turbin juga dibahas pada paper ini. Diharapkan paper ini dapat menjadi masukan yang baik bagi pihak-pihak pengembang energi angin di Pantai Baru Pandansimo dan lokasi lain di Indonesia. Keyword : Distribusi Weibull, Energi Angin, HOMER Pantai, Baru, WES5 Tulipo 1. PENDAHULUAN Konsumsi energi final Indonesia terus meningkat, pada periode tahun 2-212 konsumsi energi meningkat rata-rata sebesar 2,9% per tahun [1]. Laju pertumbuhan penduduk yang tinggi menyebabkan konsumsi energi akan terus meningkat, sedangkan cadangan energi fosil terus menipis. Diperkirakan potensi batubara Indonesia akan habis 73 tahun lagi, gas bumi 31 tahun, dan energi fosil hanya dapat bertahan 1 tahun lagi [2]. Energi terbarukan dewasa ini telah menjadi daya tarik baru bagi negara-negara di dunia termasuk Indonesia untuk dijadikan alternatif pemenuhan energi. Sesuai dengan Blue Print Pengelolaan Energi Nasional 25-225 dengan sasaran peningkatan pencapaian energi baru terbarukan pada tahun 225 mencapai 5% maka energi terbarukan terus dikembangkan di Indonesia[3]. Data dari Ditjen EBTKE tahun 213 menunjukkan bahwa energi angin sebagai salah satu potensi energi terbarukan di Indonesia memiliki potensi dengan kecepatan 3-6 m/s dengan kapasitas terpasang tahun 213 hanya 1,33 MW. Hal ini menunjukkan perlunya pengembangan energi angin di Indonesia. Pantai Baru yang merupakan bagian dari Pantai Pandansimo, Desa Poncosari, Kecamatan Srandakan, Kabupaten Bantul, Yogyakarta ini terletak pada koordinat 7 59'8" LS dan 11 12'43" BT. Saat ini di Pantai Baru telah beroperasi Pembangkit Listrik Tenaga Hibrid (PLTH) sebagai pilot project energi hibrid berbasis energi surya dan energi angin secara terintegrasi. Selain sebagai media pengemabngan potensi angin dan surya, PLTH di Pantai Baru Pandansimo juga menjadi daya tarik wisata teknologi di pantai tersebut, bahkan menjadi salah satu lokasi kerja praktek dan penelitian. Pada prakteknya PLTH Pantai Baru Pandansimo memanfaatkan Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) skala kecil untuk membangkitkan litrik. Kapasitas pembangkit energi adalah 36kW yang ratarata bekerja maksimal 5 jam sehari dan dinilai kurang optimal [4]. Dalam paper ini penulis menganalisa
Height above ground (m) Wind Speed (m/s) potensi angin di Pantai Baru Pandansimo dengan design dan pertimbangan dari penulis. Fokus penulisan hanya pada potensi energi angin, jenis turbin yang digunakan, dan analisa sistem. 2. METODOLOGI PENELITIAN Dalam paper ini penulis menggunakan pendekatan kualitatif dan kuantitatif untuk menganalisa potensi energi angin di Pantai Baru Pandansimo. Dalam pengumpulan data, dilakukan tinjauan pustaka dan pengambilan data sekunder baik dari jurnal-jurnal hasil penelitian, maupun data-data pengukuran meteorologi instansi-instansi yang dapat diakses lewat internet. Digunakan pula software HOMER (Hybrid Optimization Model for Electric Renewable) yang dikembangkan oleh USA Renewable Energy Laboratory (NREL) untuk memodelkan potensi energi angin dan karakteristik turbin yang dipilih. 2.1 POTENSI ENERGI ANGIN DI PANTAI BARU PANDANSIMO Potensi energi angin di Pantai Baru Pandansimo dapat dilihat dari data kecepatan angin bulanan yang diakses dari RETScreen Nasa. Data energi angin dari web resmi NASA dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Tabel Kecepatan Angin Bulanan di Pantai Baru Pandansimo Bantul Bulan Kecepatan Angin (m/s) Januari 3, Februari 3,1 Maret 2,3 April 2,6 Mei 3,6 Juni 4, Juli 4,6 Agustus 4,7 September 4, Oktober 3,1 November 2,6 Desember 2,3 Rata-rata 3,3 Sumber :[5] Berdasarkan data pada Tabel 1 dilakukan pendataan dengan menggunakan software HOMER, dan diperoleh grafik distribusi kecepatan angin tahunan seperti pada gambar 1. dengan kecepatan angin yang rendah dibandingkan negara-negara Eropa serupa Belanda atau Jerman, pemanfaatan energi angin harus memperhatikan jenis turbin yang dapat bekerja pada kecepatan angin rendah. 5 4 3 2 1 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec gambar 1. Grafik Kecepatan Angin Bulanan Di bawah ini merupakan grafik profil kecepatan angin berdasarkan ketinggian dari permukaan tanah. Semakin tinggi tower dari wind turbine, kecepatan angin yang dapat dipanen tentunya semakin besar. 5 4 3 2 1 Wind Resource Wind Speed Profile 1 2 3 4 5 Wind speed (m/s) gambar 2 Profil Kecepatan Angin Sebagai sumber energi yang tidak menghasilkan polusi udara dan gas rumah kaca, energi angin potensial dikembangkan di Indonesia terutama di kawasan pesisir dengan angin berlimpah seperti di Pantai Baru Pandansimo. Dengan kecepatan angin Indonesia yang berkisar antara 2 6 m/s maka generator daya angin yang layak dikembangkan adalah skala kecil ( 1kW) dan skala medimum ( 1-1 kw) [6]. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Dari grafik pada gambar 1 kita dapatkan rata-rata kecepatan angin adalah 3,33 m/s. Sebagai daerah
Average Value (m/s) Frequency (%) 3.1 Distribusi Weibull Potensi Angin di Pantai Baru Pandansimo Bantul Probabilitas suatu variabel random X dinyatakan dalam bentuk parameter yang berkaitan dengan karakteristik dan cara pengambilan sampel. Distribusi Weibull diperkenalkan seorang fisikawan bernama Walodi Weibull tahun 1939 dimana peluang suatu kejadian X kurang dari atau samadengan x dinyatakan sebagai : ( ) ( ) 1 8 6 4 2 Scaled data PDF Jika x adalah variabel random maka sembarang fungsi distribusi dapat dinyatakan sebagai [7] : ( ) ( ) Dalam distribusi Weibull variasi kecepatan angin digambarkan dengan menggunakan parameter bentuk dan parameter skala. Fungsi distribusi kumulatif Weibull didefinisikan sebagai : [ ( ) ] Dengan adalah fungsi distribusi kumulatif Weibull, kecepatan angin, parameter bentuk Weibull, dan adalah parameter skala Weibull (m/s). Fungsi Densitas probabititas Weibull untuk distribusi yang kontinu dapat dirumuskan sebagai berikut : 5 1 15 2 25 Value (m/s) 25 2 15 1 5 Wind speed data Best-fit Weibull (k=.5, c=1.63 m/s) gambar 3 Grafik PDF Weibull Scaled data Monthly Averages max daily high mean daily low min ( ) [ ( ) ] Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Ann Month Dengan adalah fungsi densitas probabilitas Weibull (PDF). Parameter menggambarkan keadaan angin (variabilitas dan stabilitas angin), harga menunjukan variabilitas angin yang tinggi, menunjukkan angin moderat, dan menunjukkan angin yang mantap. Grafik Fungsi Distribusi Probabilitas (PDF) dengan distribusi Weibull dapat diamati pada gambar 3. Nilai menunjukkan variasi angin yang besar dimana deviasi lebih besar daripada kecepatan angin rata-rata. Deviasi yang besar dapat dilihat dari grafik box plot bulanan kecepatan angin dapat diamati pada gambar 4. gambar 4 Grafik Box Plot Bulanan Dari grafik di atas dapat kita lihat bahwa kemungkinan nilai maksimum kecepatan angin secara statistik sangat tinggi. Daili high juga jauh berada di atas mean ( rata-rata ) kecepatan angin. Ketika nilai meningkat, kurva probabilitas menyempit dan menunjukkan adanya variasi yang kecil dari kecepatan angin, demikian pula sebaliknya, ketika mengecil, kurva probabilitas melebar dan variasi kecepatan angin meningkat. 2.2 KOMPONEN SISTEM PEMBANGKIT Komponen-komponen yang digunakan dalam pembangkitan energi angin di Pantai Baru Pandansimo sebagai berikut : 2.2.1 Turbin Angin
Power Output (kw) Turbin angin merupakan komponen yang melakukan tugas untuk memanen energi angin yang ada. Tipe yang digunakan dapat berupa Horizotal Axis Wind Turbine (HAWT) maupun Vertical Axis Wind Turbine ( VAWT). Pada paper ini penulis memilih HAWT skala kecil sebagai model turbin yang tepat digunakan, dengan berbagai pertimbangan yang dijelaskan pada pembahasan selanjutnya. 2.2.2 Box Control Turbin Angin Setiap turbin angin memiliki box control yang berfungsi untuk mengatur kecepatan putaran pada kincir dan suplai tegangan dari turbin angin ke panel beban atau rumah induk. 2.2.3 Dummy Load Dummy load adalah tempat pembuangan tegangan berlebih yang dihasilkan oleh pembangkit. Setiap turbin angin memiliki dummy load masing-masing. 2.2.4 Data Logger Data logger adalah suatu piranti yang dapat membaca berbagai jenis sinyal input dan kemudian merekamnya untuk disimpan dalam memori internal atau dihubungkan langsung dengan komputer. Data logger dapat dioperasikan secara terpisah dengan komputer. 2.2.5 Penyimpan Energi/Baterai Baterai berfungsi untuk menyimpan energi listrik yang dihasilkan oleh generator. Apabila energi tersimpan melebihi kapasitas baterai maka pengisian akan berhenti dan daya dibuang pada dummy load. 3.2 Turbine WES5 Tulipo Untuk mendapatkan pembangkitan daya maksimum, dipilih turbin tipe WES5 Tulipo. Pemilihan turbin ini dilakukan berdasarkan studi pustaka dengan mempertimbangkan daya keluaran untuk berbagai kecepatan angin, rated power, cut-in wind speed, dan berbagai parameter. Atas berbagai pertimbangan tersebut, WES5 Tulipo dinilai merupakan turbin yang cocok dikembangkan di Pantai Baru Pandansimo. WES5 Tulipo disebut juga sebagai urban turbine dimana turbin angin ini berukuran kecil dan didesain untuk lingkungan masyarakat urban. Desain blade ini relatif memiliki low rotation dan turbin ini hampir tidak menghasilkan noise atau vibrasi yang mengganggu lingkungan. gambar 5 Gambar Turbin Angin WES5 Tulipo Tabel 2.Tabel Spesifikasi WES5 Tulipo Spesifikasi Turbin WES5 Tulipo Rated power Cut-in wind speed Cut-out wind speed Maximum wind speed Tegangan keluaran Lifetime Dimensi Massa Total Diameter rotor 2,5 kw AC 3 m/s 2 m/s 35 m/s 4 V 2 tahun 2 kg 5m Swept area 19,6 m 2 Tinggi Tower 6 12 m Sumber : [8] Turbin WES5 Tulipo dapat beroperasi dengan baik pada jangkauan suhu 2-4 C. Turbin ini bekerja secara self starting machine dan menggunakan generator asynchronous dan yaw control system. Turbin ini merupakan tipe upwind turbin dimana rotor menghadap angin. Keuntungan tipe upwind adalah menghindari angin terhalang oleh tower. Turbin ini dapat berputar menyesuaikan arah angin, sehingga rotor dapat terus berputar. Kurva Daya (Power Curve) dari WES5 Tulipo dapat dilihat pada gambar di bawah ini: 3. 2.5 2. 1.5 1..5. 5 1 15 2 Wind Speed (m/s) gambar 6 Kurva Daya WES5 Tulipo
Terdapat beberapa keuntungan pemilihan turbin jenis HAWT dibanding VAWT, terdapat pula kerugian mengingat VAWT lebih mudah diterapkan pada daerah dengan kecepatan angin rendah. Baik keuntungan maupun kerugian dari pemilihan HAWT sebagai rekomendasi turbin angin di Pantai Baru Pandansimo sebagai berikut ini : Keuntungan HAWT di bandingkan VAWT : Blade berada pada center gravity turbine, sehingga meningkatkan kestabilan. Turbine mengumpulkan jumlah energi angin maksimum. Kemampuan rotor untuk berputar dalam badai, meminimalkan terjadinya kerusakan. Tower yang tinggi memungkinkan akses untuk angin yang lebih kencang dan memungkinkan penempatan secara offshore. Kebanyakan HAWT bersifat self-starting HAWT dapat lebih murah karena produksi dalam volume yang besar. Kerugian HAWT: Operasi didaerah daratan lebih sulit. Tower yang tinggi dan blade yang panjang sulit untuk ditransportasikan dari satu tempat ke tempat lain, dan membutuhkan prosedur khusus. HAWT dapat mengalami masalah navigasi ketika ditempatkan offshore. menandakan variasi kecepatan angin yang tinggi. Dengan kecepatan angin yang rendah, turbin jenis WES5 Tulipo 2,5 kw menjadi alternatif yang tepat untuk digunakan. Dengan cut-in speed 2,5 m/s turbin WES5 Tulipo menghasilkan daya yang cukup besar dibandingkan turbin angin jenis lain. DAFTAR PUSTAKA [1] Outlook Energi Indonesia 214. www.pbbt.go.id [2] CDIEMR (212) Handbook of Energy and Economic Statistics of Indonesia 212, Center for Data and Information on Energy and Mineral Resources, Ministry of Energy and Mineral Resources, Jakarta. [3] ESDM. (27, November) www.esdm.go.id. [Online]. Diakses dari: http://www.esdm.go.id/batubara/doc_download/714- blue-printpengelolaan-energi-nasional-pen.html [4] LAPAN. 212. Peningkatan Kapasitas Energi PLTH di Pandansimo Bantul. http://pkpp.ristek.go.id/_assets/upload/feval/sida_h_1_pr esentasi_evaluasi.pdf [5] eosweb.larc.nasa.gov [6]Hasan et al.212. Renewable Energy and Sustainable Energy Reviews. Jurnal Renewbale and Sustainable Energy Review. Vol 16. Hal : 2316-2328 [7] Widiyanto, Wahyu. 213. Distribusi Weibull Kecepatan Angin Wilayah Pesisir Tegal dan Cilacap. Konferensi Nasional Teknik Sipil 7. UNS 24-26 Oktober. Gal 115-121 [8] Catalogue of European Urban Wind Turbine Manufactures supported by The European Commission under The Intelligent Energy-Europe Programme KESIMPULAN Energi angin sebagai energi bersih yang tidak menghasilkan polusi layak dikembangkan di Pantai Baru Pandansimo dan daerah dengan kecepatan angin potensial di Indonesia. Dengan kecepatan angin ratarata 3,3 m/s potensi angin di Pantai Baru Pandansimo didekati dengan Distribusi Weibull dan menghasilkan nilai k=,5 serta nilai c=1,65 m/s. Nilai k tersebut