1 Optimasi dan Manajemen Energi Kelistrikan Di Gedung City of Tomorrow Dendy Yumnun Wafi, Ir. Sjamsjul Anam, MT, Heri Suryoatmojo, ST. MT. Ph.D. Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: dendywafi@gmail.com Abstrak Dewasa ini kebutuhan akan energy listrik untuk keperluan rumah tangga, gedung maupun keperluan untuk industry tidak dapat diremehkan lagi. Kebutuhan ini terus meningkat sejalan dengan lajunya waktu. Dengan banyaknya penggunaan energy listrik ini tentunya perlu dilakukan efisiensi terhadap penggunaannya. Efisiensi ini cukup penting dilakukan mengingat kondisi ekonomi Negara dewasa ini yang cukup sulit. Untuk meningkatkan efisiensi pemakaian energi listrik tersebut maka diperlukan suatu Optimasi dan Manajemen energy, yang mana dengan audit ini pemborosan dari energy system yang ada dapat diketahui. Sehingga dapat dilakukan langkah langkah perbaikan yang diperlukan untuk meningkatkan efisiensi pemakaian energi listrik. Kata Kunci : Energi listrik, Efisiensi, Audit, dan Konservasi energy K I. PENDAHULUAN ebutuhan akan energi listrik baik untuk keperluan rumah tangga maupun keperluan untuk industri tidak dapat diremehkan lagi. Dengan banyaknya konsumsi energy listrik ini tentunya perlu dilakukan efisiensi terhadap penggunaannya. Pengelola gedung City of Tomorrow memprogramkan efisiensi dalam pemakaian energy listrik. Hal ini sangat memungkinkan karena konsumsi energy listrik di gedung City of Tomorrow cukup besar. Konsumsi energy listrik di gedung City of Tomorrow ini untuk beban system pendinginan udara, beban penerangan, lift, pompa dan lain lain. Hampir 60% konsumsi energy listrik pada gedung City of Tomorrow dipakai untuk system pendinginan terpusat (AC sentral). Selebihnya digunakan untuk penerangan, lift, dan beban beban lain. Dengan demikian diperlukan manajemen terhadap sistem tenaga listrik di gedung City of Tomorrow tersebut, sehingga dapat menekan biaya konsumsi energi listrik. Permasalahan yang dibahas dalam tugas akhir ini adalah penghematan energi tanpa mengeluarkan biaya, cara mengatasi pemborosan pemakaian energy dengan biaya sedang, melakukan penghematan energy dengan mamakai biaya besar, dan melakukan perbandingan besar konsumsi energy listrik pada saat kondisi awal dan kondisi setelah dilakukan manajemen energi. Selanjutnya dapat dilakukan langkah langkah perbaikan yang diperlukan untuk meningkatkan efisiensi pemakaian energy listrik. II. DASAR TEORI A. Manajemen Energi Manajemen energi merupakan kegiatan yang terstruktur untuk mengoptimalkan penggunaan energi. Manajemen energi diterapkan dengan tanpa mengurangi kualitas dan kuantitas produksi. Ada beberapa faktor mengapa diperlukan manajemen energi, diantaranya karena kenaikan harga energi, pasokan energi yang tidak menentu atau kurang handal, atau keperluan investasi peralatan energi yang ditiadakan. Managemen energi listrik sendiri terdiri dari tiga bagian global, yaitu konservasi, audit dan managemen energi listrik. Dari masing-masing tahapan tersebut memiliki proses yang harus dilakukan agar perlakuan managemen energi listrik dapat berjalan dengan baik. B. Manajemen Energi di Bangunan Sumber-sumber energy pada gedung komersial adalah energy listrik dan bahan bakar yang lain. Penggunaan energy di gedung komersial ini untuk memenuhi kebutuhan kenyamanan, kelancaran aktifitas penghuni, dan untuk memenuhi berbagai keperluan sesuai dengan fungsi bangunan. C. Sistem Pencahayaan Usaha penghematan energi di penerangan hendaknya tidak mengurangi kebutuhan yang benar benar diperlukan. Dalam kaitannya dengan tingkat pencahayaan ini, sesuai dengan rekomendasi pencahayaan dalam gedung yang harus dipenuhi untuk beberapa jenis / fungsi ruangan yang memberikan nilai optimal seperti dalam berikut. Tabel 1. Tingkat Pencahayaan Minimal Selain tingkat pencahayaan, daya pencahayaan juga dapat digunakan sebagai acuan apakah sistem pencahayaan diruangan tersebut boros atau tidak. Untuk perhitungan konsumsi daya listrik yang diperlukan untuk pencahayaan pada suatu ruangan, perlu dipahami penggunaan beberapa faktor yang diperlukan dalam perhitungan.
2 Tingkat pencahayaan dari suatu sistem pencahayaan dapat diperoleh dengan persamaan : F F A E CU MF dimana : F = Jumlah cahaya yang diperlukan (lumen) A = luas ruang/bidang kerja (m2) CU = Koefisien penggunaan MF = Faktor pemeliharaan N = Jumlah lampu Fl = Nilai nominal luminous pada lampu E = Tingkat pencahayaan, dalam lux (lumen/m 2 ) D. Sistem Penyegaran Udara Udara merupakan zat yang tak terpisahkan dari kehidupan di dunia, layaknya seperti air. Setiap makhluk hidup tentu membutuhkan udara dengan komposisi yang cocok bagi kondisi tubuhnya. Udara tersusun atas nitrogen, oksigen, dan zat yang lain. Komposisi udara dapat berubah ketika terjadi perubahan yang signifikan di alam ini. Gas oksigen merupakan zat yang paling dibutuhkan oleh manusia, disamping berbagai jenis gas yang lain. Kondisi lingkungan saat ini menunjukkan bahwa tingkat polusi udara sangat tinggi sehingga mengakibatkan terganggunya kesehatan manusia. E. Sistem Pendinginan Chiller Pada dasarnya prinsip kerja pendingin air atau air-cooled chiller sama seperti sistem pendingin yang lain seperti AC dimana terdiri dari beberapa komponen utama yaitu evaporator, kondensor, kompresor serta alat ekspansi. Pada evaporator dan kondensor terjadi pertukaran kalor. Pada aircooled chiller terdapat air sebagai refrigeran sekunder untuk mengambil kalor dari bahan yang sedang didinginkan ke evaporator. Air ini akan mengalami perubahan suhu bila menyerap kalor dan membebaskannya di evaporator. Pada Gambar berikut akan dijelaskan secara umum mengenai siklus pendinginan pada chiller (1) (2) menuju ke kompresor. Pada kompresor selanjutnya suhu uap akan ditingkatkan dengan mengompresi ke tekanan yang lebih tinggi sehingga dihasilkan suhu uap yang bertekanan tinggi. Setelah proses kompresi dari kompresor maka akan dilanjutkan menuju kondenser. Kondenser merupakan alat penukar panas yang mentransfer panas dari uap panas zat pendingin ke udara, air atau cairan lainnya. Ketika panas dihilangkan dari uap zat pendingin maka akan mengembun dan kembali ke keadaan cair yang berupa cairan tekanan tinggi. Cairan tersebut disirkulasikan kembali menuju valve ekspansi untuk mengurangi tekanan dari zat pendingin. selanjutnya pendinginan dihasilkan dari cairan bertekanan tinggi menuju cairan bertekanan rendah dan dialirkan kembali menuju evaporator. F. Sistem Pendinginan Cooling Tower Merupakan menara pendingin yang didalamnya terdapat kipas yang terhubung dengan motor. Cairan panas dari kondensor akan dialirkan kebawah melalui spray nozzles, kemudian panas dari cairan tersebut akan dibuang ke udara oleh kipas yang terhubung motor. Selajutnya cairan yang sudah dibuang panasnya akan disirkulasikan kembali untuk mendinginkan kondensor pada chiller. Pada gambar berikut merupakan siklus pendinginan cooling tower. Gambar 2. Siklus Pendinginan Cooling Tower G. Perbaikan Faktor Daya Salah satu cara untuk memperbaiki faktor daya adalah dengan memasang kompensasi kapasitif menggunakan kapasitor pada suatu jaringan. Kapasitor adalah komponen listrik yang justru menghasilkan daya reaktif pada jaringan dimana kapasitor tersambung Pada jaringan yang bersifat induktif dengan segitiga daya seperti ditunjukkan pada Gambar berikut, apabila kapasitor dipasang maka daya reaktif yang harus disediakan oleh sumber akan berkurang sebesar (Q koreksi ),yang merupakan daya reaktif berasal dari kapasitor. Gambar 1. Siklus Pendinginan Chiller Dijelaskan bahwa panas ditransfer dari udara di dalam atau sirkulasi air untuk zat pendingin, cairan pendingin mendidih dan berubah menjadi uap yang bertekanan rendah dan selanjutnya dipanaskan dalam evaporator sebelum
3 Tabel 1. Pengelompokan Beban Listrik Gambar 3. Perbaikan Faktor Daya Persamaan matematika dari factor daya adalah : cos θ = p.f = Daya aktif = KW Daya total KVA tan θ = Daya reaktif Daya aktif = KVar KW Karena komponen daya aktif umumnya konstan (komponen KVA dan Kvar berubah sesuai dengan faktor daya), maka dapat ditulis sebagai berikut, Daya reaktif = Daya aktif x tanθ Q = (P x tan θ ) Kvar Sebagai contoh rating kompensator daya reaktif (kapasitor) yang dibutuhkan untuk memperbaiki faktor daya beban adalah sebagai berikut: Daya reaktif pada p.f awal Q1 = P1 x tan θ 1 Daya reaktif pada p.f yang diperbaiki Q2 = P2 x tan θ 2 ; dimana P2 = P1 = konstan Q2 Q1 θ 1 θ 2 P1 = P2 S2 (VA) S1 (VA) P (Watt) (3) (4) Dari masing-masing kelompok beban dapat diketahui prosentase penggunaan energi sesuai fungsinya. Untuk prosentase penggunaan energi dari masing-masing kelompok beban dapat dilihat pada Gambar berikut : Q (VAR) Gambar 4. Diagram Fasor Daya Sehingga rating kapasitor yang diperlukan untuk memperbaiki faktor daya adalah, Daya reaktif ( Q ) = Q1 Q2 (5) (2.6) Atau, Daya reaktif ( Q ) = P x (tan θ 1 - tan θ 2 ) (6) III. DATA SISTEM KELISTRIKAN A. Sistem Kelistrikan Sesuai dengan tempat studi kasus yang dilakukan maka untuk wilayah sistem kelistrikan yang dibahas yaitu pada area mall saja. Pengelompokan beban yang terpasang pada mall terdiri dari 8 bagian, yaitu sistem pengkondisian udara, penerangan, fan, pompa, travelator, eskalator, lift, dan pompa STP. Untuk kebutuhan energi dari masing-masing kelompok beban dapat diketahui pada tabel berikut : Gambar 4. Prosentase pemakaian energi tiap kelompok beban IV. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN A. Pemakaian Energi Listrik Gedung Pada tugas akhir ini menganalisa pemakaian energi yang terdapat pada sisi mall, dimana pemakaian energi pada kondisi saat ini cukup besar. B. Sistem Pencahayaan Pada kasus sistem penerangan ini akan dibahas mengenai penghematan energy yang bertujuan untuk
4 mengurangi kebutuhan biaya operasional. Penghematan energy ini dilakukan dengan cara mengatur tingkat pencahayaan pada area koridor. Untuk menentukan jumlah cahaya yang diperlukan pada area koridor dapat menggunakan persamaan 2.1 dan 2.2. Pada kondisi existing jenis lampu yang digunakan untuk area koridor menggunakan lampu PHILIP jenis PLL-4P 36 W/840, 2900 lm yang nantinya akan diganti dengan lampu LED jenis OSRAM SubstiTUBE ST8-HA2-120-840 12W/840, 1200lm. Sistem penerangan koridor yang terpasang saat ini yaitu menggunakan lampu PHILIP jenis PLL-4P 36 W/840, 2900 lm. Untuk kebutuhan konsumsi listrik dapat dilihat pada tabel berikut : Dari data pada tabel tersebut merupakan kondisi eskalator jalan terus meskipun tanpa dibebani, maka kebutuhan energi listrik bisa diturunkan dengan penambahan alat start stop otomatis pada eskalator. Pada Tabel berikut merupakan pemakaian unit escalator setelah penambahan alat start stop : Tabel 4 Pemakaian Energi Eskalator Dengan Penambahan Alat Tabel 1 Pemakaian Dengan Lampu PLL D. Sistem Travelator Sistem travelator pada mall terdapat 8 unit pada seluruh lantai. Penghematan energy ini dilakukan dengan cara penambahan alat start stop otomatis. Pada Tabel berikut merupakan unit escalator yang ada pada mall. Dari data diatas dapat dilihat bahwa kebutuhan energy listrik tiap bulan adalah sebesar 55,935.36 kwh / bulan. Sistem penerangan koridor saat menggunakan lampu lampu LED jenis OSRAM SubstiTUBE ST8-HA2-120-840 12W/840, 1200lm, dapat dilihat kebutuhan konsumsi listrik seperti pada Tabel berikut : Tabel 5 Pengukuran Energi Travelator Tanpa Beban Tabel 2 Pemakaian Dengan Lampu LED Pada Tabel berikut merupakan pemakaian unit travelator setelah penambahan alat start stop : Tabel 6 Pemakaian Energi Travelator Dengan Penambahan Alat Dari data diatas dapat dilihat bahwa kebutuhan energy listrik tiap bulan adalah sebesar 18,645.12 kwh / bulan. C. Sistem Eskalator Untuk sistem escalator pada mall terdapat 27 unit pada seluruh lantai. Penghematan energy ini dilakukan dengan cara penambahan alat start stop otomatis. Pada Tabel berikut merupakan unit escalator yang ada pada mall. Tabel 3 Pengukuran Energi Eskalator Tanpa Beban E. Sistem Chiller Pada sistem chiller dilakukan penghematan energy dengan cara merubah jadwal operasional penyalaan, dengan jam nyala awal dilakukan lebih mundur satu jam dari jadwal operasional pada gedung. Sedangkan jam penonaktifan dilakukan lebih maju satu jam dari jadwal operasional. Hal ini dilakukan karena aktifitas pengunjung yang mulai ada pada pukul 11:00 sampai pukul 21:00. Gambar berikut akan ditampilkan pola pemakaian energi chiller yang diharapkan selama jam operasional, yaitu:
5 Tabel 9 Total Kebutuhan Energi Listrik AHU Lower Ground Gambar 1.Pola pemakaian energi chiller yang diharapkan Keterangan : Daya 1= saat kondisi awal Daya 2= kondisi yang diharapkan Dari pola tersebut dapat dihitung pemakaian rata-rata energi listrik harian pada chiller selama jam operasional yaitu sebesar: KWH = = 505.16kWH / hari Kebutuhan energi dengan merubah jadwal penyalaan yaitu : KWH = = 418.58kWH / hari Dengan merubah jadwal operasional penyalaan, maka pemakaian energi chiller bisa diturunkan menjadi 12,557.40 kwh / bulan. F. Sistem Penyegaran Udara Sistem penyegaran udara pada kondisi awal menggunakan sistem pengaturan konvensional pada setiap unit AHU yaitu dengan cara mengatur bukaan valve damper sehingga jumlah aliran udara dingin sesuai yang diinginkan. Dengan cara tersebut fan motor tetap bekerja maksimal, sehingga masih dibutuhkan daya yang besar selama jam operasional setiap unit AHU. Pada penulisan ini hanya ditunjukkan pada lokasi lantai lower saja. Pada Tabel berikut merupakan kebutuhan listrik untuk setiap AHU dan FCU pada kondisi awal lantai lower ground. Tabel 8 Beban AHU dan FCU lantai lower ground Pada Tabel tersebut telah diketahui besar penghematan energi untuk total unit AHU lantai lower ground sebesar 15.774,5 kwh / bulan. Dari hasil simulasi didapat total penghematan energi unit AHU pada semua lantai senilai 91,003.08 kwh / bulan. Dari semua potensi penghematan energi yang telah dilakukan, maka dapat dilihat perbandingan pemakaian energi listrik pada kondisi awal dan setelah dilakukan efisiensi energi seperti pada Tabel berikut: Tabel 10 Perbandingan Kebutuhan Energi Listrik G. Perbaikan Faktor Daya Kondisi kelistrikan pada mall City of Tomorrow sebelum dilakukan tindakan manajemen energi listrik menunjukkan tingkat power quality yang masih rendah. Langkah selanjutnya adalah melakukan simulasi untuk mendapatkan nilai faktor daya (cos φ). Hasil simulasi pada kondisi awal ditunjukkan pada Gambar berikut: Dari hasil simulasi yang dilakukan dapat diketahui efisisensi pemakaian energi listrik AHU seluruh lantai lower ground seperti pada Tabel berikut: Gambar 1. Simulasi sistem kelistrikan kondisi awal Dari hasil simulasi tersebut dapat diketahui besar nilai faktor daya pada setiap bus trafo saat kondisi mula. Selanjutnya untuk besar nilai daya aktif (P), daya reaktif (Q), dan daya nyata (S) juga dapat dikatahui seperti yang ditampilkan pada Tabel berikut:
6 Tabel 11 Hasil simulasi load flow PDTR saat kondisi awal Hasil simulasi yang telah dilakukan setelah dipasang kapasitor dapat diketahui besar nilai daya aktif (P), daya reaktif (Q), dan daya nyata (S) seperti pada Tabel berikut: Tabel 12 Hasil simulasi load flow PDTR setelah dipasang kapasitor V. KESIMPULAN/RINGKASAN Setelah dilakukan optimasi dan manajemen energi pada sistem kelistrikan mall City of Tomorrow dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Penghematan Tanpa Biaya Dilakukan perubahan jadwal penyalaan pada sistem chiller selama jadwal operasional sehingga penghematan energi yang didapat 12,557.40 kwh / bulan 2. Penghematan Biaya Sedang Pada sisi ini dilakukan dengan cara : a. Sistem penerangan Dilakukan dengan cara penggantian bola lampu dengan kebutuhan energi yang lebih rendah sehingga didapat penghematan energi sebesar 37,290.24 kwh / bulan dengan BEP yang terjadi setelah 3 tahun. b. Sistem eskalator dan travelator Dilakukan dengan cara penambahan sensor pada semua unit ekalator dan travelator yang terpasang sehingga penghematan energi yang didapat sebesar 42,385.35 kwh / bulan dengan BEP yang terjadi setelah 2 tahun. 3. Penghematan Biaya Besar Dilakukan dengan cara penambahan komponen variabel speed drive pada semua unit AHU yang terpasang sehingga penghematan energi yang didapat sebesar 93,600.48 kwh / bulan. Saran yang dapat diberikan untuk perbaikan setelah dilakukan analisa adalah sebagai berikut: 1. Penggantian bola lampu pada sistem penerangan koridor yang awalnya jenis PLL-4P menjadi LED. 2. Pemasangan sensor pada sistem eskalator dan travelator. 3. Merubah jam operasional penyalaan pada sistem chiller. 4. Pemasangan variable speed drive pada semua unit AHU yang terpasang. 5. Melakukan sosialisasi pada seluruh karyawan mall City Of Tomorrow. UCAPAN TERIMA KASIH Saya Dendy Yumnun Wafi mengucapkan Puji Syukur Kehadirat Allah SWT. Karena berkat hidayah dan inayahnya penulis bisa menyelesaikan tugas akhir ini, terima kasih kepada seluruh Staff Tehnik City of Tomorrow yang telah memberikan dukungan berupa data penunjang. DAFTAR PUSTAKA [1] Ir. Sunarno,M.Eng., Ph.D., Dasar Teori Sistem Penyegaran Udara Gedung, Mekanikal Elektrikal Lanjutan, Juli 2005. [2] Ir. Sunarno,M.Eng., Ph.D., Rekomedasi Pencahayaan Dalam Gedung, Mekanikal Elektrikal Lanjutan, Februari 2006. [3] SPLN 1:1995 Ketentuan Variasi Tegangan Pelayanan. [4] CARA PERHITUNGAN DAYA ESKALATOR DAN TRAVELATOR _ PT. Bercha Schindler. [5] Diktat Sistem Penyegaran Udara (HVAC Building) Schneider Electric HVAC. [7] R. H. Miller, J.H Malinowski, Power System Operation, New York : McGraw-Hill Inc, 1994.2.1 Faktor Daya