ANALISA KEANDALAN SUPLAI DAYA DENGAN PEMANFAATAN ENERGI
ANGIN
Hamzah Hilal
Bidang Rekayasa Sistem, PTKKE, BPPT
Jl. MH. Thamrin No. 8, Jakarta Pusat 10340, email: taura889@yahoo.com
Abstrak
Perhatian pada lingkungan dan ketidaktentuan biaya bahan bakar yang terkait dengan penggunaan sumber-sumber energi konvesioal telah menghasilkan pertumbuhan penerapan energi angin yang pesat dalam sistem pembangkitan tenaga. Adalah sangat penting untuk mengkaji manfaat aktual pemanfaatan energi angin dalam suatu sistem tenaga listrik. Pengkajian seperti ini memerlukan metode evaluasi keandalan yang realistik dan indeks kuantitatifnya. Makalah ini merepresentasikan suatu teknik simulasi yang menghasilkan indeks kemungkinan yang dapat membantu dalam penentuan suatu penetrasi tenaga angin yang sesuai dalam suatu sistem tenaga listrik yang sudah ada dari aspek-aspek keandalan.
Kata kunci:Keandalan, suplai daya, energi angin.
Pendahuluan
Sumber energi angin mempunyai potensi yang berarti untuk menurunkan biaya bahan bakar, emisi gas rumah kaca, dan kerusakan habitat alam bia dikaitkan dengan pembangkitan energi konvensional. Wind Turbine Generator (WTG) merupakan pilihan yang ideal pada daerah pedalaman (terpencil) yang belum mempunyai infrastruktur tenaga listrik untuk memenuhi kebutuhan yang paling mendesak berupa kebutuhan dasar listrik. Kesadaran publik akan kebutuhan peyelamatan lingkungan telah mendorong negara-negara industrialis untuk mempromisikan energi angin. Banyak industri besar telah mengeluarkan investasi yang cukup besar dalam pengembangan teknologi angin. Sebagai hasilnya, energi angin telah menjadi kompetitif dengan bentuk-bentuk energi konvensional. Derugulasi sistem tenaga listrik yang diterapkan di banyak negara maju telah membuka kesempatan kepada banyak penghasil energi swasta. Energi angin merupakan suatu potensi pilihan untuk penghasil energi yang lebih kecil yang disebabkan oleh waktu instalasi yang relatif singkat, dan prosedur pengoperasian yang mudah.
Keuntungan di sisi lingkungan atas penggunaan energi terbarukan sangat terlihat dengan jelas. Penerapan energi angin juga dapat mengganti biaya bahan bakar yang relatif tinggi pada beberapa pembangkit. Sangat jelas terihat bahwa keterbatasan dalam ketersediaan energi dari angin dan perilaku terputus-putusnya (intermittent) menurunkan keandalan sistem. Suatu evaluasi keandalan perlu dilakukan untuk menganalisa keuntungan sebenarnya dari pemanfaatan energi angin ini. Aspek-aspek keandalan pemanfaatan energi angin telah diabaikan pada analisa sebelumnya karena kontribusinya relatif tidak berarti dalam sistem tenaga yang berukuran besar, dan hal ini berdampak pada kurangnya teknologi yang sesuai.
Pengelola tenaga listrik menerapkan metoda-metoda evaluasi keandalan yang berbeda tergantung pada ukuran sistem, dan praktek konvensionalnya. Indek-indeks resiko kemungkinan (probabilistic risk indeces), seperti loss of load expectation (LOLE) dan loss of energy expectation (LOEE) (Billington, 1999) digunakan pada sistem tenaga yang besar. Sistem terpencil (isolated) yang kecil umumnya menerapkan teknik deterministik seperti loss of largest unit (LLU) (Billington, Karki, 2009) untuk menentukan persyaratan-persyaratan kapasitas. Teknik-teknik ini terkait dengan output kapasitas yang tetap untuk membangkitkan tenaga listrik dan tidak dapat diperluas untuk menyertakan sumber-sumber energi angin yang tingkat fluktuasi kapasitasnya sangat tinggi. Di lain pihak, walaupun metode kemungkinan konvensional (Billington, 1999) mengenal prilaku sistem acak, namun tidak menyediakan informasi pada cadangan kapasitas sistem yang tersedia dan belum dapat diterima oleh perencana sistem kecil untuk digunakan pada perencanaan kapasitas yang didasarkan pada batas-batas cadangan yang tersedia.
Energi Angin Dan Indeks Keandalan
Pada pendekatan yang sudah diketahui, suatu sistem tenaga listrik ditimbang berada dalam salah satu keadaan seperti yang ditunjukkan pada gambar 1. Suatu sistem beroperasi pada keadaan sehat ketika terdapat cadangan kapasitas yang mencukupi untuk memenuhi suatu kritria deterministik yang dispesifikasi seperti LLU. Tingkat kenyamanan yang terkait dengan pengoperasian sistem dalam kriteria deterministik yang diterima diberikan oleh kemungkinan keadaan sehat P(H). Dalam keadaan marjinal, sistem melanggar kriteria deterministik tanpa menyebabkan pemutusan suatu beban, sedangkan dalam keadaan resiko, beban melampaui kapasias yang tersedia. P(H) dapat digunakan sebagai suatu kritria keandalan yang berguna dalam mengevaluasi kecukupan sistem.
Gambar 1. Model sistem yang sudah diketahui
Model Evaluasi
Model evaluasi kecukupan untuk suatu sistem tenaga listrik yang berisi tenaga angin ditunjukkan pada gambar 2. Keseluruhan pembangkit tenaga listrik dibagi ke dalam subsistem WTG dan generator-generator konvensional. Keluaran daya yang dibangkitkan oleh sistem angin dikombinasikan dengan kapasitas sistem konvensional untuk menciptakan model pembangkitan keseluruhan sistem tenaga.
Gambar 2 Model sistem angin-konvensional
Pemodelan data angin
Langkah pertama adalah pelibatan pemodelan variasi kecepatan angin terhadap waktu yang menyatakan jumlah energi yang dapat diekstraksi dari angin pada lokasi sistem. Historis data kecepatan angin diperlukan untuk lokasi spesifik, dimana dari data jam-perjam dapat diprediksi dengan menggunakan suatu model seri waktu[4]. Parameter-parameter model ditentukan dari rekor data angin aktual pada lokasi.
Evaluasi daya WTG
Langkah kedua pelibatan interaksi data kecepatan angin jam-perjam yang diperoleh pada langkah pertama dengan parameter-parameter desain WTG untuk mengevaluasi daya elektrik yang dibangkitkan sebagai fungsi dari waktu.
Suatu kurva daya yang didasarkan pada desain WTG ditunjukkan pada gambar 3. Turbin angin didesain untuk mulai membangkitkan pada kecepatan angin cut in,
V
ci. Pada gambar 3 ditunjukkan bahwa daya output menaik secara nonlinier seiring dengan naiknya kecepatan angin dariV
ci ke kecepatan angin nominalV
r. Daya nominalP
r dihasilkan ketika kecepatan angin berubah dariV
r ke kecepatan angin cut out,V
co, dimana WTG akan berhenti karena alasan keamanan.Daya elektrik yang dibangkitan secara jam-perperj dihitung dari data kecepatan angin dengan menggunakan kurva daya WTG.
Gambar 3. Kurva daya WTG
Pengkajian kecukupan sistem
Daya jam-perjam yang dibangkitkan oleh WTG dikombinasikan dengan keluaran (output) unit-unit pembangkitan konvensional lainnya yang sudah ada. Sejarah kegagalan operasi semua unit pembangkit dikombinasikan untuk menciptakan model pembangkitan, yang dibandingkan dengan beban jam-perjam dan kriteria deterministik yang diterima untuk mengindentifikasi keadaan sehat, marjinal, dan resiko. Jumlah keadaan sehat n(H), keadaan marjinal n(M), dan keadaan resiko n(R), dan masing-masing durasinya t(H), t(M), t(R) direkor untuk tahun-tahun simulasi N. Indeks-indeks kemungkinan keadaan sehat P(H), kemungkinan keadaan marjinal P(M), dan kemungkinan hilang beban, loss of load probability LOLP dievaluasi dengan menggunakan persamaan berikut[5]:
jam
dalam
tahun
t(H)
P(H)
n(H)
1
×
=
∑
=N
i i
jam
Penyertaan WTG dalam suatu sistem tanaga mengenalkan tambahan permasalahan stabilitas sistem. Ketidakseimbangan beban dalam suplai dan kebutuhan yang umumnya disebabkan oleh perubahan-perubahan beban cenderung mengakselerasi atau mendeselerasi putaran generator, yang akan menyebabkan fluktuasi frekuensi dan tegangan. Unit-unit konvensional, seperti genset, merespon permasalahan stabilitas ini dengan merubah daya suplai untuk menyepadankan beban melalui pengendalian eksitasi dan governor. Sedangkan unit WTG tidak dapat menyediakan keseimbangan daya yang sesuai karena fluktuasi suplai daya sangat acak dan kadang-kadang dengan tingkat yang relatif lebih tinggi dari perubahan-perubahan beban.
Dengan demikian, model pembangkitan sistem angin tergantung pada beban yang disebabkan oleh kendala-kendala operasi yang diterapkan. Rasio pembangkitan antara energi angin dan energi konventional (W/G) digunakan sebagai suatu kendala pengoperasian dalam membangun model pembangkitan untuk sistem angin. Beban dilayani secara bersama oleh sistem-sistem angin dan konvensional dalam rasio yang terspesifikasi. Pada cara ini, kapasitas sistem energi yang berguna dihitung dan ditambahkan ke kapasitas unit pembangkitan konvensional yang tersedia untuk menciptakan model pembangkitan.
Aplikasi Metodologi
Suatu hasil studi pada sistem tenaga listrik kecil tipikal diberikan untuk mengilustrasikan bagaimana menentukan suatu tingkat pemanfaatan energi angin yang sesuai. Studi dan teknik pada sistem kecil ini dapat juga diterapkan pada sistem yang lebih besar untuk mengantisipasai adanya proporsi tenaga angin yang berarti. Pada studi ini diambil suatu sistem yang terdiri atas 3 mesin diesel dengan FOR (Forced Outage Rate) = 5%, MTTF (Mean Time To Failure) = 950 jam, MTTR (Mean Time To Repair) = 50 jam, dan kapasitas masing-masing adalah 720, 1000, dan 1400 kW. Beban puncak sistem adalah 1540 kW. Kendala pengoperasian tipikal dari keterbatasan energi angin sampai 40% dari beban sistem (rasio W/G) adalah 0,67.
Kemungkinan keadaan sehat dengan suatu kriteria LLU adalah 0,901 dan diambil sebagai kriteria kecukupan yang dapat diterima pada kasus ini. Kriteria ini seharusnya ditentukan dari suatu analisa keandalan-biaya yang wajar, atau dari pengalaman perencanaan seperti pada kasus dengan kriteria resiko kemungkinan konvensional yang dilakukan pada perencanaan sistem tenaga yang besar. Konsumsi energi bahan bakar yang diharapkan pada sistem yang dikaji ini adalah 8258 MWjam/tahun. Spesific fuel consumption(SFC) mesin diesel yang ditimbang adalah 3,2 kWjam/ltr.
Gambar 4. Keandalan sistem dan pengganti bahan bakar dengan naiknya kapasitas angin
Gambar 4 menunjukkan peningkatan keandalan sistem ketika suatu WTG dengan kapasitas 720 kW ditambahkan ke dalam sistem dasar. Disini terlihat bahwa tidak perlu memperbesar kapasitas sistem sepanjang kecukupan sistem ditimbang karena keandalan sistem dasar diasumsikan diterima. Namun demikian, tambahan energi angin pengganti konsumsi bahan bakar yang tidak hanya mengurangi emisi lingkungan yang berbahaya tetapi juga menurunkan biaya pengoperasian. Gambar 4 juga menunjukkan jumlah energi bahan bakar yang dapat diganti oleh angin. Denga demikian dapat dikatakan bahwa, menginstalasi tenaga angin ketika kecukupan sistem di atas tingkat yang diterima adalah menguntungkan secara ekonomi. Hal ini dapat ditentukan dengan membandingkan penghematan biaya yang dihasilkan dari penggantian bahan bakar terhadap biaya instalasi dan pengoperasian WTG.
Kesimpulan
Penentuan jumlah penetrasi angin yang sesuai dalam suatu sistem tenaga listrik menjadi penting sekali seiring dengan harapan penerapan dari bentuk energi ini yang tumbuh lebih cepat dibanding dengan bentuk-bentuk energi lainnya yang sudah dikenal. Kesukaran muncul karena tingginya fluktuasi kapasitas output tenaga WTG yang kontras dengan kapasitas tenaga yang stabil dari unit-unit pembangkitan konvensional. Suatu metode yang realistik telah ditunjukkan untuk menentukan tingkat penetrasi angin yang sesuai yang menyertakan analisa keandalan yang didasarkan pada pemanfataan aktual energi angin dalam sutu sistem tenaga listrik.
Makalah ini telah menyajikan suatu model evaluasi keandalan dengan menggunakan simulasi untuk memperoleh indeks kuantitatif kemungkinan keadaan sehat dan jumlah energi bahan bakar yang dapat diganti.
Daftar Pustaka
Billington, R., Allan, R.N., 1999, Reliability Evaluation of Power Systems, 2nd edition, New York: Plenum.
Billinton, R., Karki, R., 2009, Capacity Reserve Assessment Using System Well-being Analysis, IEEE Trans. Power System, vol 14, pp. 433-438.
Billinton, R., Karki, R., 2009, Application of Monte Carlo Simulation to Generating System Well-being Analysis, IEEE Trans. Power System, vol 14, pp. 1172-1177.
Hilal, H., 2000, Pemilihan turbin angin pada suatu lokasi dengan menggunakan metode faktor kapasitas, Jurnal Sains dan Teknologi Indonesia, Edisi Energi dan Aspeknya, Vol. 2 No. 1, April, BPPT.
Hilal, H., 2007, Pengaruh Parameter Turbin Angin Pada Faktor Kapasitas, Prosiding Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI3) 2007.
Hilal, H., 2010, Pengkajian Karakteristik Turbin Angin Dengan Generator DC Prosiding Seminar Nasional Teknologi Industri 2010.
