turnaf Sains [an'tefrjnto1i 6(2), Septem1er 2007: 34-38

STUDI ANALISIS PEMANFAAJAN ENERGI ANGIN SEBAGAIPEMBANGKIT HIBRIDA

NurhalimProgram Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Riau

E-mail : nurhalim_st@yahoo.com

ABSTRACTThis paper presents the wind power source analysis to provide the electrical energy re-quirenrent in the remote area. Flom this analysis is obtained the total of the wind powerplant (PLTB) capacity and the number of units that is required to provide the electricalenergy requirement in the rentote area. The PLTB is interconnected to the diesel potverplant (PLTD) in order to have tl ie PLTB-Diesel hybrid electrical power plant system. ThePLTD was operated for the reserves plant in the normal weather condition, and the resultingshowed reduction in diesel fuel consumption.

Key u,ords: energy, hybrid, lvind

PENDAHULUANEnergi angin memberikan konstribusi dalam

meningkatkan taraf hidup masyarakat khususnyapedesaan, daeraU pulau terpencil l<e tinglet yanglebih baik melalui pemenuhan energi listrik. Pe-menuhan kebutuhan energi listrik dengau energiangin menghadapi pemasalahan yang disebabkanoleh fluktuasi kecepatan angin dan variasi musim(McGorvan et al., 2004).

Di Indonesia, pada umlllrnya kebtituhan energilistrik di daerah terpencil dilayani Pernbangkit Lis-trik Tenaga Diesel (PLTD) yang menggunakan ba-han bakar diesel. Pengiriman bahan bakar diesel kedaelah terpencil mernbutuhkan biaya yang tinggidan sangat dipengaruhi oleh kondisi lingkungan.Hal ini mengakibatkan tingginya biaya produksienergi listlik dan terhambatnya pasokan bahan bakardiesel ke daerah tersebut (Devine et a\.,2004).

Berdasalkan data Ditjen Listrik danPemanfaatan Energi, potensi tenaga angin diIndonesia dengan kecepatan sekitar 3-5 nr/detik.Total daya listrik yang dapat dibangkitkan lebihkurang 9.287 MW, kapasitas yang sudah terpasanghanya sekitar 0,5 MW.

Berdasarkan hal tersebut di atas, rnaka penelitianini bertujuan untuk menganalisis potensi energiangin di Indonesia di era mahalnya dan kelangkaanbahan bakar minyak. Salah satu alternatif solusi agarrkontiniutas pasokan energi listrik di daerah terpencildan tidak tingginya biaya produksi energi listrik didaerah tersebut adalah membangun sistentpembangkit listrik hibrida PLTB-Diesel .

Terjadinya Angin (Kadir, 1995)Pembangkit listlik tenaga bayu (PLTB) adalah

suatu teknologi listrik yang merubah potensi energiangin menjadi energi listrik. Angin adalah udarayang bergerak, sehingga memiliki kecepatan, tenagadan arah. Penyebab dari pergerakan ini adalahpemanasan bumi oleh radiasi matahari. Udara di ataspermukaan bumi selain dipanaskan oleh mataharisecara langsung, juga mendapat pemanasan dariradiasi matahari, Bumi tidak homogen, maka jumlahenergi matahari yang diserap dan dipancarkankembali oleh burni berdasarkan tempat dan waktuadalah bervariasi. Hal ini, rnenyebabkan perbedaantemperatur pada atmosfer, yang menyebabkanperbedaan kerapatan dan tekanan atmosfer, Udaramemiliki sifat untuk selalu rnencapai kesetimbangantekanan, karena itu perbedaan kecepatan dan tekananatmosfer ini menyebabkan udara bergerak daridaerah yang bertekanan tinggi ke daerah bertekananrendah.

Pada daerah yang relatif panas, partikel udaramendapat energi sehingga udara rnemuai. Akibatdari pemuaian itu, tekanan udara di daerah itu naik,namun kerapatan udara nrenjadi berkurang, sehinggaberat jenis udara di tempat itu menjadi relative kecil,akibat udara berekspansi ke atas dan rnenyebabkanterjadinya penllrunan tekanan di daerah yangditinggallennya. Daerah ini lalu diisi oleh udara daridaerah sekelilingnya yang memiliki tekanan udaradan massa jenis yang lebih tinggi. Udara yangbereksparrsi ke atas, selanjutnya mengalamipenurunan suhu, sehingga terjadi penyusutan danmassa jenisnya kembali naik. Udara ini akan turunkembali ke tempat lain yang memiliki tekanan lebihrendah. Hal ini berlangsung telus menerus sepanjangrvaktu, sehingga pergerakkan udara terusberlangsr"rng.

3 4

Potensi Energi Angin (Kadir, 1995; LAPAN, 2006)Program monitoring data potensi energi angin

sampai tahun 2005 telah mengukur di 104 lokasi diberbagai wilayah di Indonesia. Dari hasil monitoringdan inventarisasi tersebut, dilal<ukan pengelompok-kan dalam skerla potensi, pemanfaatan dan lokasipotensi seperti pada Tabel 1.

Tabel l . Pengelornpokkan potcnsi energi angin,pemanfaatan dan lokasi potcnsi (LAPAN,2006)

Kelas Kec.Ang in(nVs)

DayaSpcsi-fik (\\'/m2)

Ka-pasi trs(k\\/)

Lokasi (Wilayah)

Ska laKec i l 4 0

<15 s /d l 0 Jarva, N-fB, NTT,Maluku. Sulawesi

Ska l aMenengalr

4,0 -5 ,0

7 5 -r 5 0

l 0 -100

NTB, NTT, SUL-TRA

SkalaBesar

> 5 ,0 > 150 > 1 0 0 Sulscl , NTB, danNTT, PantaiSelatau Jawa

Studi A ta[isis Qernanfaatan lErcrgi / ngin (9,turfia [un)

Ganrbar l. Sekumpulan udara bergcrak dengankecepatan v (Kadir, t995)

daya disuplai ke tlansmisi. Daya ollput transmisi P,merupakan perkalian daya oLrtput P,n dan effisiensitransmisi r1,n.

P ,=? l ,uP , W (6 )

Daya output mekanik P,n aktual dapat ditulis :( t " \P,, = C ,lt onr'

)= , ,,n W Q)

Dimana Co adalah koefisien performance turbinyang nilainya tidak konstan, dipengaruhi kecepatanangin, kecepatan putaran turbin, dan parameter suduturbin.

G:rmbar 2. Sistem kelistrikkan tenaga angin (Kadir,lees)

Daya output generator P. adalah perkalian dayaoutput transmisi dan eftisiensi generator lmP , = 7 r P , w ( 8 )

Formulasi Kecepatan Angin (Kadir, 1995)Langkah awal menghitung energi angin adalah

mengetahui kecepatan angin rata-rata. Kecepatanangin rata-rata dapat dihitung:

+L v i ' t '

v=? (e)Y t/ - /

' i

dimana;

V = keccpatan angin rata-rata (nt/s)

vi = kecepatarr angin terukur (nVs)

I i = lumunya angin bcrtiup dengan keccpatan lzi (s)

n = banyak data pengukuran

Kecepatan angin rata-rata untuk tiap satu jam,rnisalnya kecepatan angin rata-rata untuk jam 0.00

Energi kinetik yang dihasrl l lan sekuurpr.r lan Lldaradengan massa nr, dengan kecepatan v dengan arah xadalah:

I , l ,(J = L tt tv ' = ;bar)r ' Joule ( l )

Seperti terlil iat pada Gambar 1, daya yang dihasilkanangiu, Pnu, adalah turunan energi kinetik terhadapwaktu:

^ d U I , d x I .t ' * = d t = - p A v ' i = 1 0 e r ' W ( Z )

Rumus kerapatan udara, p, diperoleh:

P - 3,485# kg/rn3 (3)t -

Dalam rumus ini, p adalah tekanan clalam kPa dan Tadalah temperatur dalam l(elvin. Daya yangdibangkitkan angin menjadi:

n 1 _ , r 1 . 7 2 p A v 3f u , = 2 p . l v ' =

T W ( 4 )

Dimana A lnerLlpakan luas area clalam ln2 clan vadalah kecepatan angin clalam n/s. Untuk kondisiudara standard, 101,3 kPa dan 273 K, sehinggadiperoleh persamaan:

P, , = 0.647 Av3 w (5)

Dasar sistem kelistrikkan tenaga angin dapatdilihat pada Ganrbar' 2. Mula-mula daya angin P,",daya melewati turbin sehingga diperoleh dayamel<anik P,,, dengan kecepatan sudut cDrn, yang rnana

35

JumafSairc dantefurcfogi 6(2), Septem1er 2007: 34-38

sampai jam 1.00, kecepatan angin rata-rata untukjam 1.00 sampai jurn 2.00 dan seterusnya,digunakan untuk variasi kecepatan harian. Denganmengetahui variasi harian dari kecepatan angin,dapat diketahui saat-saat dimana angin bertiupkencang dalarn satu hari, sehingga dapat digunakanruntuk menentukan berapa jarn dalanr seharisemalam energi angin di daerah tersebut clapatdipergunakan untuk lnenggerakkan tr-rrbin.

Kecepatan arrgin di suatu tempat dipengaruhioleh ketinggian terhadap tanah, makin dekat denganpermukaan tanerh, kecepatan angin rnakin kecil.Adapun hubungan antara kecepatan angin di suatuketinggian dengan kecepatan angin diketinggianlainnya dinyatakan dengan persamaalt:

Gambar 3. Grafik daya keluaran turbin angin vslcecepatan (Kadir, 1995)

vo - yk cut- in

P t 'u = Puor r i Vk , , , r , - vk cu t - i t t l r r t - i , 1V I l ru ,

- 1 dv l r t l| | t t I

t - t- t It / l L f I/ , L t t , )

PruQ)= Puo, .

vnuu,( Y ( vrut-un

(1 0)

dimana:V' : kecepatan angin diketinggian H meter di atas tanah (m/s)

V,' = keccpatan augin pada ketinggian referensr (rn/s)l-l = ketinggian yang kcccpatannya akan dihitung (m)IJr : ketinggian let'erensi (m)

g= kel<erasan pemrul<aan, biasanl,a dipil ih l/7

METODOLOGIPerencanaan Pembangkit ll ibrida PLTB-DieselA, Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (Kadir, I995)

Fungsi probabilitas kerapatan kecepatan anginmenurut distr ibusi Weibul l diberikan olehpersamaan berikut:

( l l )

dengan:c = fbktor skala (rn/det)

k = fbktor bentuk distribusi keccpatan angin

Daya keluaran turbin angin (PrB) dipengan"rhi olehkecepatan angin yang terdapat di lokasi dan secaramatematis diformulasikan sebasai berikut:

€Pt'n = !rr,,1'17g,a'

0

P""(v) rrTr,\'/ merupakan ' daya keluaran turbin

sebagai fungsi kecepatan angin, sedangkanmempakan f'ungsi probabilitas kecepatan angin padirketinggian rurnah turbin, besarnya daya keluaranturbin angin dapat digambarkan dan didefjnisikansebagai berikut:

P , u Q ) = 0 , v 1 v " , t - i ,

P,'oQ) = 0 .

dengan:

1, = kecepatan angin minirnum saat turbin angin nrulai

' cut- i t t enghasi lkan daya l is t r ik ( rn/det)

V "r,t_u1J

= kecc'patan angin rnaksrrnum saat turbin angin berhentlnrcnghasilkan daya listrik (m/det)

V = kecepatan angin norninal saat turbin angin mulainot't rnerrghasilkan claya listrik nominmal (rn/det)

Sehingga persamaan 10 di atas dapat diubahmenjadi persamaan beri kut:

[.-of-[':..'l'l-,-J-f':"'l'l I r .--,1t \ o = t ' * _ , 1 - L \ - ' / - J - L - \ " / J - . ^ p l - l I - 1 l i ( 1 3 )

| (- , ; , , ) _( ' ' . : - ,J L\, ,))

B. Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD)PLTD merupakan pembangkit listrik BBM

dengan biaya operasi yang sangat tinggi pada saatini. Bahkan untuk jangka panjang pembangkit inisudah tidak ekonomis lagi karena dicabutnyasubsisdi dan mahalnya harga BBM. PLTD padaumumnya merupakan pembangkit terisolir yangterletak di daerah yang sulit dijangkau sepertipedesaan, pulau terpencil. Untuk mempertahankaninvestasi yang sudah ditanamkan dan produksienergi listrik ekonomis, maka harus dieksploitasipotensi energi terbarukan di daerah terpenciltesebut. Pemanfaatan potensi energi angin inidimaksudkan untuk membangLln pembangkit listrikhibrida, dimana dalam tulisan ini akan dibangunpembangkit hibrida PLTB-Diesel.Formulasi Permasala han (Rostyo n o, 2002)

Skema sederhana pembangkit hibrida dapatdilihat pada Gambar 4, Energi yang dihasilkan olehsubsistem pernbangkit hibrida tidak disalurkan

v > v rut-r,11

r | - t k - l f r r * l

- f (v)=Ll ! | .*ol_i1l Ic L c J L \ c / I

(t2)

angin.f (,)

3 6

langsung ke beban, namun digunakan untuk mengisibank baterai. Besar energi beban total (Esr) yangharus disuplai oleh kedua subsistem harus samadengan energi beban itu sendiri (Er) ditambahdengan rugi-rugi yang terdapat dalam baterai (ELs)maupun jaringan (Eu) sehingga dapat dirumuskansebagai:

Err.= E,. * Eru + E,^,

Stuti Xrufisis Qemanfaatan lEwrgi fi.ngin (Nurtotin)

Data Kecepatan Angin (Soeripno, 2006)Pada perencanaan pembangkit PLTB-D di Su-

lutenggo ini akan dipilih satu daerah kecepatan an-ginnya yang terbaik yakni: Dusun Appatanah, DesaLowa, Kec. Bontosikuyu, Kab. Selayar, SULSELdengan kecepatan angin 5,4 m/s. Energi total pe-langgan maksimum diasumsikan sebesar 280,5kWh per hari.

METODA PENELITIANPada penelitian ini dipilih data kecepatan angin

di daerah tertentu pada Tabel 2, kemudiandiasumsikan kebutuhan energi listriknya per hari.Setelah itu dilakukan perhitungan untukmemperkirakan besar daya yang dapat dibangkitkanoleh energi angin untuk melayani daerah tersebut.Hasil perhitungan dapat mengetahui jumlah unitPLTB dan jenis turbin angin yang sesuai untukmemenuhi kebutuhan tenaga listrik di daerahtersebut. Kemudian dihitung besar daya dan jumlahunit pembangkit listrik tenaga diesel (PLTD) yangdibutuhkan sebagai cadangan, sehingga terbentuksistem pembangkit hibrida PLTB-Diesel.

HASIL DAN PEMBAHASANKapasitas Bank Baterai

Dengan mengasumsikan bahwa dalam setahunterdapat "No Energt Days" (NED), yangmenyatakan lamanya kemungkinan munculnyagangguan cuaca, sehingga pembangkit tenaga angintidak memperoleh pasokan sumber daya energiselama 1,5 hari, maka bank baterai harus mampumensuplai energi secara kontiniu ke beban tanpagangguan.

Dengan mengasumsikan cell baterai yangdigunakan adalah Exide El20-17 denganspesifikasi teknis sebagai berikut:Jenis: baterai basah dengan elektroda tabung; Teg.Nominal: 2 volt arus searah; Kapasitas: 1000 Ahuntuk laju pengosongan 24 jan; Laju pengosongansendiri: 2Yo per bulan pada suhu 25oC atau 0,07Yoper hari; Tingkat pengosongan: 80% maksimum;Siklus pengosongan: 1800 kali untuk DOD 80%atau 5000 kali pada DOD 20%; Arus Pengosongan:Maksimum I 50-250 Amper.Besarnya kapasitas baterai yang harus disediakanuntuk mensuplai beban sebesar 280,5 kWh setiapharinya dapat dihitung:

Kap.Baterai =

Enerei beban x NEDTingkat pengosongan maksimum280.5 x 1.5

0,8525,9 kwh

P t T B

( l 4 )

( l 5 )

(16)

PLTO

Gambar 4. Skema pembangkit hibrida (Rostyono,2002)

Jika energi beban total tersebut disuplai olehmasing-masing subsistem pembangkit hibrida terse-but, maka besarnya energi yang diproduksi adalah:

Era = Er.t ,= N,o.P,o(u)tr. ,

Et.o = E t.L. = Qro.N ro.Pr., Iru

dengan:E1s = energi sebesar energi bebarr total yang diproduksi PLTB (Wh)E1p = encrgi sebesar energi beban total yang diproduksi PLTD (Wh)

n.",,t t t ) = e l ls icnsi PLTDN1s = lumlah uni t turbin anginN1p = jumlah unit PLTDPra(v) = daya unit turbin angirr sebagai fungsi kecepatan angin (W)Pro = daya unit PLTDtra = lama pengoperasian PLTB (am)tro = latna pengoperasian PLTD [am)

Tabel 2. Hasil Pengukuran Kecepatan Angin di Su-lawesi (Soeripno, 2006)

No l,okrsi (Sulewcsi) Kcc. An3in(nt/l)

I Dcsa Gcrak Makmur, Kec, Sarnpolaw4 Kab. Buton SULTRA z,t2 Dcsr Kairnbulow4 Kcc. Batauga, Kub, Buton, SULTRA 4,0

J Dcsa Bungaiya, Kcc, Bontornotcna, Kab. Selayar, SULSEL 5,1

4 Dusun Appotorah, Dcso Lowa, Kcc. Bontoaikuyu, KabSclayar, SULSEL

5,4

5 SBPJ LAPAN Pare-Parc. SULSEL 5,26 Dosa Dongin, Kcc. Botui, Kab, Burggai, SULTENC 2,77 Dcsa Bulongkobit, Kec, Tinangkung, Kab. Brnggai,

SULTENG3,1

8 Dcsa Abason, Kec, Totikurn, Kob, Borrggai, SULTENC 3,J

9 Desa Sunpuabalo, Kcc, Lasalirnu, Kob. Buton, SULTRA 2,5

No Lokrrsi (Sulnrvesi Utrro) Kcc. A4ln(m/r)

Dega Kaluwatu, Kec. MRrrganitu Scl, Kab. Songihc.Talrud,SULUT

2,2

2 Dcsa Kalasugc, Kcc. Tobukon Utaro" Krb. Songiho-Tulaud,SULUT

3,0

Dcgu Paudciur, Kcc, Bitung Scloton, Kab. Bitung SULUT 2,6

Desu Libns, Kcc. Likubong, Kab. Ivlinahosa, SULUT 2,9

UCSA LenganQtlg, Kec. I AbU(8n Utar8, Klb. JanghC.

Tqlaud, SULUT4 , 1

6 Deso Malruucrrggu, Kec. Tabukan Selatnn, Kab. Snngrhe-Tnlnud, SULUT

4,0

37

JurnafSairc dan%funfogi 6(2), Septemfier 2007: 34-38

Perhitungan Unit PLTB

Dengan mengasumsikan turbin angin yang

digunakan dalam studi ini adalah Bergey WindTurbin Generotor BWC-Excel, spesifikasi teknissebagai berikut: Daya Nominal: 10 kW, Kecepatan

awal (Vcut-in): 3,1 m/s, Kecepatan Norninal(Vnom): 72,1 rnls, Kecepatan akhir (Vcut-off):15,7

m/s, Tinggi Menara ( Hhub): 24 m, Luas Area: 245m2 (minimum), Usia Maksimum: 30 tahun.

Dengan menggunakan persamaan (13), asumsibahwa distribusi weibull c= 4,36 m/det, k= 1,77,diperoleh daya keluaran turbin angin BWC-Excelsebesar:

I l f 3 , r ) ' " . l I f r z , r ) ' " ] I

,,, =,ooool'-eL-[o,ro,l .J-'^pL-[o,roJ I_._"[_fut)'".]f" I ( l2 , t ) ' "

' I r . t ) ' "

'L \4 '36/ J l| [q,r6,/

-1.4, i6] |

: 1 .042,1 wat tBesarnya faktor kecepatan angin pada ketinggian 24m dibandingkan pada ketinggian l0 m dapatdihitung:

| " t a 1 t t 1o=lr l = ' ' ' "

Selanjutnya dengan menggunakan persarnaan (13)

daya keluaran turbin angin diperoleh:

4a = 10.000

= 2.299,1 rvattJumlah turbin angin yang diperlukan dapat clihitungdengan persarnaan ( 1 5):

525 .9002,299 ,1x24

= 9 1 6

dengan pembulatan ke atas jumlah turbin anginBWC-Excel yang diperlukan adalah 10 unit.

Perhitungan Urrit PLTDDengan mengasumsikan pembangkit diesel yang

digunakan dalam tulisan ini merniliki daya 8,5 kWdengan spesifikasi sebagai berikr"rt: Bahan bakarsolar: Rp. 4.800lliter, Konsurnsi solar: 2,5 liter/jam,Operasi Maksimum: 7884 jam/tahun, Faktorkapasitas: 80o/o, Usia Operasi: 1 0 tahun.

Selanjutnya dengan menggunakan persamaan(16) dapat dihitung jumlah PLTD yang digunakan:

r r E, . , 525.900Nt,=T* ;C=G =r , ,

dengan pernbulatan ke atas jumlah pernbangkitdiesel yang diperlukan adalah 4 unit.

Untuk memenuhi kebutuhan energi 280,5 kwh

diperlukan 10 unit turbin angin BlVC-Excel 10 kWagar dapat mensupplai kebutuhan energi secarakontiniu dan 4 unit pembangkit diesel 8.5 kWsebagai cadangan.

KESIMPULANBerdasarkan analisis di atas terlihat bahwa

kebutuhan energi suatu daerah terpencil denganasumsi kebutuhan energi 280,5 kwh per hari dapatdilayani dengan membangun l0 unit PLTB dengankapasitas l0 kW. Sedangkan 4 unit PLTD dengankapasitas 8,5 kW hanya berfungsi sebagai cadangan.Sehingga dengan dibangunnya pembangkit listrikhibrida PLTB-Diesel akan rnengurangi konsumsibahan bakar minyak (BBM) di daerah tersebut.

DAFTAR PUSTAKABergey, M. 2006. Wind System Design Uses Small l|tind

System. Bergey Windpower Co.US,Devine, M,, et aL.2004, Wind-Diesel Hybrid Options for

Remote Villages in Alaska. Proceedings of the AWEAannual C onferc nce. Chicago.

Devine, M,, et al, 2004, Analysis of Loads and WindEnergy Potential for Remote Power Station in Alaska.Proceeding of the lSt.S SOLAR 2004. Portland.

Kadir, A. 1995. Energi: Sumber Daya, Inovasi, TenagaListrik dan Potensi Ekononri. ul-Press. Jakarta.

LAPAN. Potensi Energi Angin [ndonesia. Available at:URL: http: //"r-yrL.1-r',-q[-Elg.t.lt].tj.,grt-,i.sl [Akses l 5 Maret20061

McGowan, J, G., et nl, 2004. A Hybrid Wind-DieselSystern for the US Navy at Guantanan'ro Naval BaseUsing an Energy Savings Performance Contract. Pro-ceedings of tlte AWEA Annual Conference. Chicago.

Rostyono, D. 2002. Optimalisasi Pembangkit Hibrida(Fotovoltaik-Angin-Diesel) dengan AlgoritmaGenetik. Tesis Program Pascasarjana FT, UI. Jakarta.

Soeripno, M. S. Pengembangan Teknologi Energi Angindan Prospek Pemanfaatannya di Sulutenggo.Available at: URL: http: ll $:$:$j,Qt-1gtgi:qngi!t,itgp[Akses l5 Maret 2006].

ex'I ex

(- l

\

f r,t ''r' " I

l.6,tJ lf " ' ) -I a i ]

I.-,[-[#) "]l' )

lt z , t I

i,t )a

l rp t - lL \

. ' I6,t )

Ntu=#=

3 8