ALGORITMA KENDALI SISTEM PENGISIAN TABUNG BAHAN BAKAR
UNTUK APLIKASI GENERATOR DENGAN KONSEP DUAL FUEL
Aam Muharam1, Widodo Budi Santoso2, Achmad Praptijanto3 Grup Riset Kelompok Penelitian Motor Bakar
Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik – LIPI Jl. Sangkuriang (Komplek LIPI Gd. 20) Bandung 40135
Telp. 022-2503055 ext. 1415 1 aam.muharam@lipi.go.id , 2widodo.budi.santoso@lipi.go.id , 3 achmad.praptijanto@lipi.go.id Abstrak
Telah dibangun sebuah sistem pembangkit tenaga listrik yang memanfaatkan generator sebagai penghasil energi menggunakan konsep dual fuel, yaitu menggabungkan bahan bakar gas (berasal dari kotoran sapi) dan solar. Pada sistem tersebut, digunakan dua buah tabung sebagai penampung bahan bakar gas. Makalah ini membahas perancangan algoritma kendali sistem pengisian tabung untuk memperoleh tekanan yang diperlukan oleh generator.
Metoda pengisian gas dirancang agar beroperasi secara otomatis. Hal ini diperlukan untuk menjamin penampungan gas dalam tabung dan kestabilan tekanan gas yang masuk ke sistem pembakaran generator secara kontinyu dalam waktu yang relatif lama. Tekanan tersebut mempengaruhi kinerja generator dalam menghasilkan energi listrik yang efisien. Mikrokontroler digunakan sebagai pengendali kerja katup dan pompa pada rumah generator. Algoritma kendali dirancang untuk memenuhi kebutuhan pasokan gas pada sistem generator.
Dari implementasi di lapangan diperoleh bahwa algoritma yang diterapkan pada mikrokontroler mampu bekerja sebagai pengendali dan pengatur kerja pompa dan katup pada tabung penampung bahan bakar gas secara otomatis.
Kata Kunci: generator, dual fuel, algoritma kendali, mikrokontroler 1. PENDAHULUAN
Kebutuhan energi listrik saat ini semakin meningkat pesat, diiringi perkembangan penerapan teknologi di masyarakat. Hal ini tidak ditunjang dengan pemenuhan kebutuhan oleh pihak penyedia energi listrik karena keterbatasan sistem pembangkit dan mahalnya biaya investasi. Padahal masyarakat pedesaan sudah sangat lama memimpikan bahwa rumah mereka sudah terhubung dengan listrik. Mahalnya harga minyak dan makin santernya gaung krisis energi yang dibarengi pula dengan seringnya pemadaman listrik bergilir, bukan hanya membuat makin berat beban hidup tetapi juga membuat miris dan cemas masyarakat.
Sistem pembangkit di Indonesia saat ini masih di dominasi oleh Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD). Pembangkit Listrik Tenaga Disel (PLTD) berbahan bakar BBM (solar), berdasarkan [Anonim1, 2009; Anonim3, 2008] biasanya digunakan untuk memenuhi kebutuhan listrik dalam jumlah beban kecil, terutama untuk daerah baru yang terpencil atau untuk listrik pedesaan. Namun demikian sampai saat ini untuk kebutuhan listrik di Jakarta masih ditopang oleh beberapa unit PLTD. Di dalam perkembangannya PLTD dapat juga menggunakan bahan bakar gas (BBG). Di seluruh Indonesia terdapat tidak kurang dari 5.000 unit PLTD berkapasitas antara 2-3 MW. Konsumsi BBM (solar) kira-kira satu liter untuk tiga kwh, jadi dapat dibayangkan berapa banyak BBM yang dibutuhkan untuk PLTD.
Menurut [Vijayabalan, 2009], pada mesin berbahan bakar ganda, bahan bakar gas tercampur dengan udara dan campuran ini dikompresikan seperti pada mesin diesel konvensional. Mesin berbahan bakar ganda (gas – diesel) ini secara signifikan
mengurangi konsumsi energi, densitas asap, emisi Nox dan meningkatkan efisiensi pengurangan panas.
Makalah ini berkaitan dengan penelitian mengenai pembangkit listrik tenaga diesel dan gas yang dilakukan Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik (P2Telimek) LIPI dan diimplementasikan di desa Cilengkrang Kabupaten Bandung pada pertengahan tahun 2008. Secara rinci dibahas rancangan algoritma kendali sistem pengisian tabung untuk memperoleh tekanan yang diperlukan pada generator.
Metoda pengisian gas dirancang agar beroperasi secara otomatis. Hal ini diperlukan untuk menjamin penampungan gas dalam tabung dan kestabilan tekanan gas yang masuk ke sistem pembakaran generator secara kontinyu dalam waktu yang relatif lama. Tekanan tersebut mempengaruhi kinerja generator dalam menghasilkan energi listrik yang efisien. Mikrokontroler digunakan sebagai pengendali kerja katup dan pompa pada rumah generator. Algoritma kendali dirancang untuk memenuhi kebutuhan pasokan gas pada sistem generator.
2. PEMBAHASAN
Sistem pembangkit berbahan bakar gas-diesel merupakan alternatif teknologi yang ditawarkan P2Telimek-LIPI bagi kebutuhan energi listrik di pedesaan. Tradisionalnya, mesin diesel berbahan bakar ganda ini, menurut [Jensen, 2006], merupakan mesin diesel yang disesuaikan dengan komponen tambahan yang diperlukan agar dapat menggunakan gas alam sebagai bahan bakarnya. Mesin tersebut merupakan jenis diesel di mana memerlukan level-level tertentu dalam pengoperasiannya, terutama ketika ingnition dari bahan bakar gas. Sedikit berbeda dengan yang diterapkan dalam penelitian di P2Telimek-LIPI.
Gambar 1. Skema Rancangan Sistem Elektro Mekanik Pengisian Tabung Bahan Bakar
Sistem ini memanfaatkan gas dari kotoran sapi yang banyak tersedia di peternakan-perternakan penduduk (dalam penelitian ini diterapkan di Desa Cilengkrang Kabupaten Bandung). Generator berbahan bakar ganda yang digunakan mempunyai kapasitas 10 KWH [LIPI, 2009; Anonim2, 2009] . Saat ini dengan bahan bakar gas bisa
menghasilkan daya listrik sebesar 2.000 watt, di mana untuk satu kWh konsumsi listrik memerlukan 0,03 m3 biogas.
Pengaturan bahan bakar gas yang masuk ke generator diperlukan untuk menjamin ketersediaan pasokan bahan bakar dalam ruang bakar. Sistem manajemen energi secara tidak langsung bekerja mengendalikan ketersediaan dan besarnya tekanan gas yang dimampatkan ke generator. Tekanan gas yang diperlukan agar dapat bercampur dengan solar dan terbakar di ruang bakar adalah lebih kurang 8 bar. Bila tekanan tidak terpenuhi, maka akan menghasilkan knocking (kelitik) pada mesin generator. Hal ini tentunya harus dihindari untuk menjaga komponen-komponen di ruang bakar pada generator.
Rancangan sistem pengisian tabung terdiri atas beberapa komponen seperti ditunjukkan dalam Gambar 1. Bahan bakar gas yang dihasilkan dari digester kotoran sapi dipompakan ke dalam tabung penampung. Tabung penampung berfungsi untuk menyediakan bahan bakar gas yang siap disuplai ke generator dengan tekanan tertentu. Tekanan ini berpengaruh pada knocking generator, di mana gas bertekanan akan memudahkan proses pengkabutan dan pembakaran di ruang bakar. Metoda kendali yang digunakan pada rancangan ini adalah sistem loop tertutup (closed-loop system) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Sistem Kontrol Loop Tertutup
Pada sistem di atas, tekanan yang diinginkan pada tabung akan dimonitor terus oleh sensor tekanan yang dipasang di tabung penampung. Sensor tekanan yang digunakan adalah pengendali ON-OFF (ON-OFF Controller) dengan jenis kontrol 2 titik. Hal ini seperti dijelaskan oleh [Kilian, 2000] di mana sensor ini merupakan jenis termudah dalam strategi penerapan sistem kontrol loop tertutup. Pada sistem pengisian tabung penampung ini, sensor tekanan diset dengan kondisi level bawah berada di nilai 2 bar dan level atas tekanan gas di tabung berada di posisi 8 bar. Gambar 3 adalah grafik yang menjelaskan prinsip kerja dari sensor tekanan di tabung penampung.
Gambar 3. Grafik Kerja Sensor Tekanan Gas di Tabung Penampung
Semua penyelesaian prosedur dan algoritma kendali dilakukan oleh sebuah chip mikrokontroler 8 bit keluarga MCS51 [Putra, 2002]. Mikrokontroler ini memiliki spesifikasi seperti ditunjukkan pada Tabel 1 berikut. Pemrograman dilakukan menggunakan bahasa assembler dengan memanfaatkan perangkat lunak open source MIDE-51.
Tabel 1. Sfesifikasi Mikrokontroler AT89S51 Sfesifikasi Teknis
• Compatible with MCS-51™ Products
• 4K Bytes of In-System Reprogrammable Flash Memory – Endurance: 1,000 Write/Erase Cycles
• Fully Static Operation: 0 Hz to 24 MHz • Three-level Program Memory Lock • 128 x 8-bit Internal RAM
• 32 Programmable I/O Lines • Two 16-bit Timer/Counters • Six Interrupt Sources
• Programmable Serial Channel
• Low-power Idle and Power-down Modes
Algoritma sistem kendali digambarkan dalam 2 buah diagram alir program di bawah ini. Gambar 4 menunjukkan diagram alir ketika sistem memulai operasinya. Secara otomatis, kontroler bekerja mengaktifkan katup dan pompa untuk memenuhi kebutuhan gas dalam tabung penampung. Saat kedua tabung terpenuhi (dalam hal ini bertekanan tertentu), kontroler menghentikan kerja katup dan pompa dalam sistem. Kemudian ketika generator dinyalakan, maka mulai dilakukan prosedur running yang akan menyalurkan bahan bakar gas ke saluran generator.
Gambar 4. Gambar 5.
Diagram Alir Sistem Ketika Awal Beroperasi Diagram Alir Sistem Saat Running
Pada Gambar 5 di atas, distribusi gas dilakukan pertama kali dari tabung A. Selanjutnya kontroler akan mengendalikan kerja katup, pompa dan memonitor setiap perubahan sensor tekanan di kedua tabung. Ketika Tekanan di tabung A menunjukkan batas bawah yakni 2 Bar, maka secara otomatis distribusi gas dialihkan ke tabung B. Sementara tabung A diisi kembali sampai memenuhi batas atas sensor tekanan yaitu sebesar 8 Bar. Proses ini terus berlanjut sampai tekanan gas di tabung B juga mengalami penurunan dan secara otomatis kontroler akan melakukan pengisian ulang gas ke tabung B dan distribusi kembali di alihkan dari tabung A.
Semua kondisi di atas dilakukan oleh kontroler. Operator hanya melakukan set poin tekanan gas di tabung dan memastikan semua komponen terhubung dengan baik. Selain itu, proses berada dalam kendali kerja sebuah mikrokontroler.
Sistem pengisian tabung bahan bakar gas diperlukan untuk mengendalikan pengisian gas pada generator. Rancangan metoda secara otomasi sudah diterapkan pada prototipe generator listrik berbahan bakar gas-diesel. Bahan bakar gas yang dihasilkan dari kotoran sapi dapat memenuhi kebutuhan energi generator untuk membangkitkan energi listrik. Mikrokontroler yang digunakan dapat memenuhi kebutuhan kendali katup dan pompa pada pengisian bahan bakar ke dalam tabung penampung serta mampu menjaga besarnya tekanan dalam tabung penampung selama sistem beroperasi sesuai set poin yang ditetapkan oleh operator. Algoritma ini dirancang sesuai kebutuhan penelitian generator dual-fuel di P2Telimek-LIPI, dan hasil implementasi di lapangan dirasa masih perlu perbaikan dari sisi aktuator dan kontrol.
Pada algoritma di atas, alur gas yang diberikan ke generator diatur secara manual melalui katup. Pengembangan ke depan diharapkan dapat digunakan katup otomatis yang dapat mengatur alur tekanan bahan bakar yang masuk ke generator. Selain itu integrasi kontrol bahan bakar akan lebih meningkatkan efisiensi energi yang dihasilkan.
UCAPAN TERIMA KASIH
Pada kesempatan ini Penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada staf peneliti di Laboratorium Motor Bakar, staf peneliti di Bidang Peralatan Transportasi dan Kepala Bidang Peralatan Transportasi serta rekan-rekan di P2Telimek-LIPI yang sangat membantu dalam kegiatan penelitian ini.
DAFTAR PUSTAKA
1. Anonim1. BBM, Listrik dan Krisis Energi. 2008. Diakses dari
http://belabangsa.com/index2.php?option=com_content&do_pdf=1&id=18 2. Anonim2. Pembangkit Listrik dari Kotoran Sapi. Agustus 2009. Diakses dari
http://www.kec-cilengkrang.web.id
3. Anonim3. Tutorial & Artikel Kelistrikan: Pembangkit Listrik Tenaga Diesel. 2008. Diakses dari http://erfad.890m.com/ar-listrik/12-PLTD.php
4. Jensen, S. Converting Diesel Engines to Dual Fuel: The Pros and Cons of Common Gas Engine Types. 2006. Energy Conversion Inc. Diakses dari
http://www.energyconversions.com/whitepaperdualfuelengines.pdf
5. Kilian, C. T., 2000, Modern Control Technology: Componen and Systems, 2nd Edition, Delmar, New York.
6. LIPI. Arsip berita P2Telimek. 2009. Diakses dari http://www.lipi.go.id
7. Putra, A. E., 2002, Belajar Mikrokontroler AT89C51/52/55: Teori dan Aplikasi, Edisi ke-2, Gava Media, Yogyakarta.
8. Vijayabalan P. and Nagarajan G. Performance, Emission and Combustion of LPG Diesel Dual Fuel Engine using Glow Plug. Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering. Volume 3. Number 2. 2009. Pages 105 – 110.
