TUGAS AKHIR OPTIMASI PEMBANGKIT LISTRIK HIBRID (DIESEL- SURYA-ANGIN) DI DESA SI ONOM HUDON 7 KECAMATAN PARLILITAN KABUPATEN HUMBANG HASUNDUTAN PROVINSI SUMATERA UTARA Diajukan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro Sub Jurusan Teknik Energi Listrik Oleh: Juanda A M Hasugian NIM: 110402034 DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKUTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2016
KATA PENGANTAR Segala puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yesus Kristus yang telah memberikan kesanggupan dan kekuatan kepada penulis untuk untuk menyusun dan menyelesaikan Tugas Akhir ini. Tugas akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuh persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro. Adapun judul tugas akhir ini adalah : OPTIMASI PEMBANGKIT LISTRIK HIBRID (DIESEL- SURYA-ANGIN) DI DESA SI ONOM HUDON 7 KECAMATAN PARLILITAN KABUPATEN HUMBANG HASUNDUTAN PROVINSI SUMATERA UTARA Tugas akhir ini penulis persembahkan kepada yang tercinta yaitu Ayahanda Pada Hasugian beserta Ibunda tercinta Tioradan Tumanggor. Kepada Ito saya Lenni Hasugian, Lisna Hasugian, Laura Hasugian, Nurizah Hasugian, Ester Hasugian. Dan kepada Adek saya Andrie Hasugian dan Daniel Hasugian yang selalu menjadi sumber semangat dan motivasi serta doa-doa yang memampukan penulis menyelesaikan masa studi dan menyusun Tugas Akhir ini. Selama masa kuliah hingga penyelesaian tugas akhir ini penulis banyak mendapatkan dukungan dan bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M. Si., sebagai dosen pembimbing Tugas Akhir yang telah memberikan banyak waktu dan pikiranya untuk mengarahkan dan membimbing saya selama penyusunan Tugas Akhir ini, dan juga selaku Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU yang telah banyak memberikan bimbingan selama perkuliahan. 2. Bapak Ir. Eddy Waman M.T., selaku dosen penguji Tugas Akhir yang telah banyak memberikan masukan demi perbaikan tugas akhir ini. 3. Bapak Ir. Raja Harahap M.T., selaku dosen penguji Tugas Akhir yang telah banyak memberikan masukan demi perbaikan Tugas Akhir ini. 4. Bapak Rahmad Fauzi ST, MT., selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT USU dan juga sebagai dosen pembimbing akademik penulis. 5. Seluruh Bapak dan Ibu dosen yang telah mendidik serta memberikan pelajaran hidup yang berharga selama penulis menjalani masa perkuliahan. 6. Seluruh Staf Pegawai Departemen Teknik Elektro FT USU yang telah membantu penulis dalam pengurusan administrasi. 7. Kepada Inang Uda dan Uda Ita, Namboru dan Amang Boru Pedrik yang telah menjadi induk semang penulis selama perkuliahan. 8. Kawan-kawan satu angkatan Teknik Elektro 2011, abang kakak senior dan adek-adek junior yang tidak dapat disebutkan namanya satu per satu. 9. Semua komponen pelayanan AKK, PKK, Koordinasi dan Alumni UKM KMK USU. 10. Semua pihak yang tidak dapat penulis tuliskan satu per satu.
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih belum sempurna karena masih terdapat kekurangan dalam isi maupun susunan bahasanya. Saran dan kritik dari pembaca sangat penulis harapkan untuk menyempurnakan dan mengembangkan kajian dalam bidang terkait tugas akhir ini. Akhir kata, penulis berharap semoga Tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi pembacanya. Medan, April 2016 Penulis Juanda Hasugian
DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK....i KATA PENGANTAR...ii DAFTAR ISI v DAFTAR GAMBAR viii DAFTAR TABEL... xi BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang 1 1.2 Perumusan Masalah 5 1.3 Tujuan.6 1.4 Batasan Masalah.6 1.5 Manfaat Tugas Akhir..6 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Sistem Pembangkit Listrik Hibrid...8 2.2 Energi Terbarukan (Renewable Energy).13 2.3 Pembangkit Tenaga Surya...15 2.4 Pembangkit Tenaga Diesel...26 2.5 Pembangkit Tenaga Angin/Bayu..32 2.6 Software HOMER.39 2.7 Model Ekonomi 42 2.7.1 Net Present Cost....42 2.7.2 Biaya Energi Pada Generator.43 2.7.3 Syarat Batas Biaya Energi (Levelized Cost Of Energy).43 BAB III METODE PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu 45 3.2 Bahan dan Peralatan..45 3.3 Pelaksanaan Penelitian..45 3.4 Variabel yang Diamati.. 45 3.5 Prosedur Penelitian...46 BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 4.1 Informasi Umum Desa Si Onom Hudon 7..... 50 4.2 Analisi Beban Listrik Desa Si Onom Hudon 7..50 4.3 Perancangan dan Optimasi Pembangkit Listrik Hibrid 54 4.3.1 Sistem Diesel Tunggal... 54 4.3.2 Sistem Hibrid Diesel-Surya...59 4.3.3 Sistem Hibrid Diesel-Angin...69 4.3.4 Sistem Hibrid Diesel, Surya dan Angin..76 4.4 Analisis Parameter 83 4.4.1 Net Present Cost (NPC).83 4.4.2 Capital cost 84 4.4.3 Fuel Consumtion....85 4.4.4 COE (Cost of Energy)... 86 4.4.5 Emisi gas karbon 87 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan...89 5.2 Saran.89
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1.1 Peta letak desa Si Onom Hudon 7...2 Gambar 1.2 Kondisi Desa Si Onom Hudon 7...2 Gambar 1.3 kondisi salah satu rumah di Desa Si Onom Hudon 7..3 Gambar 1.4 Masyarakat di desa Si Onom Hudon 7...3 Gambar 2.1 Contoh Parallel hybrid system....11 Gambar 2.2 Parallel hybrid system dengan photovoltaic...11 Gambar 2.3 kondisi radiasi matahari di salah satu sudut Desa Si Onom Hudon 7.. 15 Gambar 2.4 Solar Sel... 17 Gambar 2.5 Sistem pembangkit tenaga surya.16 Gambar 2.6 Struktur semikonduktor...20 Gambar 2.7 Semikonduktor jenis p dan jenis n...21 Gambar 2.8 elektron dan hole dalam arah yang berbeda dalam semikonduktor...22 Gambar 2.9 Daerah deplesi...22 Gambar 2.10 Medan listrik E di daerah deplesi...23 Gambar 2.11 Cahaya matahari mengenai semikonduktor...24
Gambar 2.12 Photogenerasi pada semikonduktor...25 Gambar 2.13 Aliran elektron panel surya saat melayani beban...26 Gambar 2.14 Mesin diesel dengan kapasitas 12 KVA di Desa Si Onom Hudon 7.27 Gambar 2.15 Komponen PLTD.....28 Gambar 2.16 Model mesin diesel 29 Gambar 2.17 Kawasan pegunungan desa Si Onom Hudon 7......32 Gambar 2.18 Pembangit listrik tenaga angin (bayu).....35 Gambar 2.19 Tampilan Program HOMER.40 Gambar 2.20 Arsitektur Simulasi dan Optimasi HOMER..42 Gambar 3.1 Diagram alir penelitian 47 Gambar 4.1 Grafik perkiraan Peramalan beban desa Si Onom Hudon 7.52 Gambar 4.2 Sistem Genset tunggal...54 Gambar 4.3 Tampilan harga bahan bakar pada HOMER...55 Gambar 4.4 tampilan indeks bunga dan project lifetime pada HOMER..56 Gambar 4.5 Tampilan spesifikasi genset pada HOMER.56 Gambar 4.6 Total NPC paling optimum sistem pembangkit genset tunggal..57 Gambar 4.7 Perancangan pembangkit hibrid diesel-surya..59
Gambar 4.8 Rata-rata radiasi matahari bulanan pada permukaan horizontal di desa Si Onom Hudon 7...60 Gambar 4.9 Spesifikasi modul surya pada HOMER...62 Gambar 4.10 Spesifikasi baterai yang digunakan pada HOMER dalam sistem diesel-surya...63 Gambar 4.11 Spesifikasi konverter yang digunakan diesel-surya pada HOMER...64 Gambar 4.12 Total NPC paling optimum sistem pembangkit hibrid diesel-surya (D32+S10)..65 Gambar 4.13 Diagram perbandingan suplai daya genset dengan PV (D32+S10).66 Gambar 4.14 Total NPC paling optimum sistem pembangkit hibrid diesel-surya (D32+S20)..67 Gambar 4.15 Diagram perbandingan suplai daya genset dengan PV (D32+S20).68 Gambar 4.16 Sistem hibrid diesel-angin 69 Gambar 4.17 Spesifikasi turbin angin pada HOMER 70 Gambar 4.18 Total NPC paling optimum sistem pembangkit hibrid diesel-angin (D32+A10).71 Gambar 4.19 Diagram perbandingan suplai daya genset dengan turbin angin (D32+A10).72 Gambar 4.20 Spesifikasi turbin angin pada HOMER 73
Gambar 4.21 Total NPC paling optimum sistem pembangkit hibrid diesel-angin (D32+A20).74 Gambar 4.22 Diagram perbandingan suplai daya genset dengan turbin angin (D32+A20).75 Gambar 4.23 Sistem hibrid diesel-surya-angin..76 Gambar 4.24 Kecepatan angin rata-rata tahunan di desa Si Onom Hudon 77 Gambar 4.25 Spesifikasi turbin angin yang digunakan dalam sistem diesel-suryaangin pada HOMER...79 Gambar 4.26 Total NPC paling optimum sistem pembangkit hibrid diesel-suryaangin (D32+A10+S10)...81 Gambar 4.27 Diagram perbandingan suplai daya genset, turbin angin dan PV 81 Gambar 4.28 Perbandingan Net Present Cost (NPC)....84 Gambar 4.29 Perbandingan Capital Cost...85 Gambar 4.30 Perbandingan Fuel Consumtuion.86 Gambar 4.31 Perbandingan COE...87 Gambar 4.32 Perbandingan emission...88
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1 Tabel Kondisi Angin... 35 Tabel 2.2 Tingkat Kecepatan Angin 10 Meter di atas Permukaan Tanah 36 Tabel 4.1 Perkiraan beban listrik desa Si Onom Hudon 7...51 Tabel 4.2 Ramalan beban desa Si Onom Hudon 7...53 Tabel 4.3 Kondisi optimal sistem pembangkit diesel tunggal.57 Tabel 4.4 Analisis sensitivitas sistem pembangkit genset tunggal..57 Tabel 4.5 Analisis emisi sistem genset tunggal...58 Tabel 4.6 Rata-rata radiasi matahari desa Si Onom Hudon 7..60 Tabel 4.7 Perkiraan Biaya PLTS 61 Tabel 4.8 Kondisi optimal sistem pembangkit diesel-surya (D32+S10).64 Tabel 4.9 Analisis sensitivitas sistem pembangkit diesel-surya (D32+S10)...65 Tabel 4.10 Analisis emisi sistem diesel-surya (D32+S10)..66 Tabel 4.11 Kondisi optimal sistem pembangkit diesel-surya (D32+S20)...66 Tabel 4.12 Analisis sensitivitas sistem pembangkit diesel-surya (D32+S20).67 Tabel 4.13 Analisis emisi sistem diesel-surya (D32+S20)..68 Tabel 4.14 Kondisi optimal sistem pembangkit diesel-angin (D32+A10).70
Tabel 4.15 Analisis sensitivitas sistem pembangkit diesel-surya (D32+A10) 71 Tabel 4.16 Analisis emisi sistem diesel-surya (D32+A10).72 Tabel 4.17 Kondisi optimal sistem pembangkit diesel-angin (D32+A20)..73 Tabel 4.18 Analisis sensitivitas sistem pembangkit diesel-surya (D32+A10) 74 Tabel 4.19 Analisis emisi sistem diesel-surya (D32+A20) 75 Tabel 4.20 kecepatan angina di desa Si Onom Hudon 7..77 Tabel 4.21 Perkiraan Biaya PLTAngin..78 Tabel4.22 Kondisi optimal sistem pembangkit diesel-suryaangin(d32+a10+s10) 79 Tabel 4.23 analisis sensitivitas pembangkit diesel-surya-angin (D32+A10+S10)..80 Tabel 4.24 Analisis emisi sistem diesel-surya-angin..82 Tabel 4.25 Perbandingan NPC 83 Tabel 4.26 Perbandingan Capital Cost 84 Tabel 4.27 Perbandingan Fuel Consumtion 85 Tabel 4.28 Perbandingan COE...86 Tabel 4.29 perbandingan cabon emission...87