STUDI KOMPARATIF 2 MODEL PEMBANGKIT LISTRIK SISTEM HIBRID PLTS DAN PLN/GENSET

(1)

PROSIDING 201 2© HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK

Arsitektur Elektro Geologi Mesin Perkapalan Sipil

STUDI KOMPARATIF 2 MODEL PEMBANGKIT LISTRIK

SISTEM HIBRID PLTS DAN PLN/GENSET

IndraJaya Mansyur

Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin Jl. Perintis Kemerdekaan Km. 10 Tamalanrea - Makassar, 90245

Telp./Fax: (0411) 588111 e-mail: rianindrajaya@yahoo.com

Abstract

This paper presents a comparative study at two models of electrical power generator of hybrid sistem of PLTS and PLN/Genset. Solar Power Plant (SPP) in Indonesia, the most popularly used for the electricity needs of rural (remote areas) and lighting the street lamps, the sistem as it is popularly known as SHS (Solar Home Sistem). For small-scale power, generally using the sistem DC (direct current), so that losses and self consumption due to the use of inverter can be ignored. The rapid of developtment of solar technology, the solar is not only designed for small-scale power sistems, DC, but the growing use AC sistem, for the needs of the household and to maximize use solar energi and getting sufficient power supply and continuous as well as reduce the cost of electricity tends to up and expensive, it can be operated with solar power generation (including PLN) by way of a hibrid, which can be a PLN-PLTS, PLTS-PLT wind, solar-generator and such). There are 2 models of hybrid systems on the market, From the configuration of the hybrid system forms a model 1 and model 2 (both serial and parallel), it can be concluded that the performance of both models in perinsipnya have the same reliability in maintaining the continuity of supply of power to the load, but the simplicity of the sistem equipment, model 1 is simpler than the model 2, and when viewed from the solar readiness for supply of power to the load, the model 2 is much better than model 1, while in terms of investment, the model 2 is much more expensive than model 1.

Keywords: Solar cell, Sistem hibrid, Bi-directional

PENDAHULUAN

Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) saat ini menjadi pembangkit listrik primadona, oleh karena energi primernya merupakan energi baru dan terbarukan sekaligus sebagai energi yang ramah terhadap lingkungan. Energi baru dan terbarukan saat ini terus digalakkan, selain untuk memenuhi kekurangan energi dari Pembangkit Listrik Negara (PLN), juga untuk menekan pemakaian sumber energi primer, yaitu minyak bumi, gas dan batu bara yang dalam jangka panjang cenderung menipis dan menimbulkan pencemaran lingkungan serta menekan tarif energi listrik yang cenderung naik mengikuti harga minyak global.

Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) di Indonesia, paling populer digunakan untuk kebutuhan listrik pedesaan (daerah terpencil ) dan penerangan lampu jalan, sistem seperti ini populer dengan sebutan SHS (Solar Home Sistem). SHS umumnya berupa sistem berskala daya kecil, dimana menggunakan modul surya 50-100 Wp (Watt Peak) dengan produksi listrik harian sebesar 150-300 Wh. Untuk skala daya kecil, umumnya menggunakan sistem DC (direct current), agar losses dan self consumption akibat digunakannya inverter dapat diabaikan.

Pesatnya perkembangan teknologi PLTS, maka PLTS tidak hanya dirancang untuk daya berskala kecil dengan sistem DC, namun berkembang menggunakan sistem AC, untuk kebutuhan beban rumah tangga, dan untuk memaksimalkan penggunaan energi PLTS dan mendapatkan supply daya listrik yang cukup dan kontinyu serta menekan biaya listrik yang cendrung naik dan mahal, maka PLTS dapat dioperasikan dengan pembangkit listrik yang lain (termasuk PLN) dengan cara hibrid, yang dapat berupa PLTS-PLN, PLTS-PLT Angin, PLTS-Genset dan semacamnya).

Dalam penelitian ini akan dilakukan studi komparatif dari design 2 model sistem hibrid PLTS dan PLN/Genset yang ada dipasaran. Kedua model desain sistem hibrid tersebut adalah sistem hibrid model 1, yang merupakan

(2)

Studi Komparatif 2 Model.... IndraJaya Mansyur

sistem hibrid 1 arah dan sistem hibrid model 2, yang merupakan sistem hibrid grid interactive (2 arah). Kedua duanya merupakan pembangkit dengan supply daya listrik bolak balik (AC)

HIBRIDASI PEMBANGKIT LISTRIK

Dengan berkembangnya teknologi solar cell saat ini, maka design solar cell pun ikut berkembang, dimana dalam skala daya yang besar menggunakan sistem AC. Dan dalam banyak aplikasi, PLTS dihibridasi dengan sistem pembangkit yang lain, untuk keperluan efisiensi dengan menggunakan perangkat semi konduktor yaitu inventer.

Hibridasi pembangkit listrik adalah menggunakan 2 atau lebih pembangkit listrik dengan sumber energi yang berbeda, umumnya digunakan untuk captive genset,sehingga diperoleh sinergi yang memberikan keuntungan ekonomis maupun teknis(keandalan sistem supply).

Tujuan utama dari sistem hibrid pada dasarnya adalah berusaha menggabungkan dua atau lebih sumber energi (sistem pembangkit) sehingga dapat saling menutupi kelemahan masing-masing dan dapat dicapai keandalan supply dan efisiensi ekonomis pada tipe load (Load profile) tertentu.

Tipe load (Load profile) adalah keyword penting dalam sistem hibrid, dimana untuk setiap load profile yang berbeda, akan diperlukan sistem hibrid dengan komposisi tertentu, agar dapat dicapai sistem yang optimum. Oleh karenanya, sistem design dan sistem sizing dari solar cell memegang peranan penting untuk mencapai target dibuatnya sistem hibrid. Sebagai contoh, load profile yang relatif konstan selama 24 jam dapat dicatu secara efisien dan ekonomis oleh genset (dengan kapasitas yang sesuai), akan tetapi load profile dimana penggunaan listrik pada siang hari berbeda jauh dibandingkan dengan malam hari, akan membuat penggunaan genset menjadi tidak optimum, sehingga perlu dilakukan hibridasi pembangkit yang bekerja pada load profile masing masing.

SISTEM SIZING DAN DESIGN

Sistem sizingadalah proses menentukan kapasitas (ukuran) sistem berdasarkan load profile yang ingin di catu dengan memperhatikan kemampuan output masing-masing pembangkit. Kapasitas sistem hibrid PLTS-Genset yang banyak digunakan adalah: 2.5kW, 5kW, 10kW, 20 kW, 40kW, 60kW, 80kW, dan 100kW. Komposisi porsi PLTS dan porsi Genset ditentukan dengan mempertimbangkan banyak aspek, seperti:

a) Kondisi suplai BBM (apabila suplai BBM relatif sulit maka porsi genset cenderung diperkecil), b) Harga BBM setempat (apabila harga BBM setempat mahal maka porsi genset cenderung diperkecil), c) Load profile

d) Kemampuan biaya pembangunan (investasi). Jika porsi genset terlalu besar mengakibatkan O&M cost yang besar, tapi apabila porsi PLTS besar maka O&M cost kecil tetapi investasi besar).

Komposisi yang umum dipakai adalah: 20-40% PLTS dan 60-80% Genset. Ukuran baterai yang akan digunakan diperhitungkan dengan mempertimbangkan radiasi matahari (ESH, equivalent sun hour), load profile, dan pengaturan jam kerja genset. Ukuran baterai yang terlalu kecil akan mengakibatkan genset terlalu sering menyala, sedangkan apabila terlalu besar akan mengakibatkan tingginya biaya investasi.

Berdasarkan uraian tersebut di atas, sistem hibrid dengan kapasitas yang sama tidak berarti memerlukan biaya investasi yang sama. Biaya investasi hibrid PLTS-Genset sangat ditentukan oleh komposisi porsi genset, porsi PLTS dan ukuran baterai serta design sistemnya.

Sistem design adalah proses menentukan design peralatan yang akan dipakai agar dapat dicapai tujuan yang telah ditetapkan, agar peralatan satu dengan lainnya dapat berinteraksi dengan baik. Sebagai contoh, sistem hibrid dapat saja menggunakan genset dengan manual starter atau automatic starter, dan genset manapun yang dipilih maka harus disesuaikan dengan sistem kontrol yang akan dipakai. Sistem Hibrid yang digunakan pada jaringan captive genset/isolated genset (off grid sistem), dapat juga dilengkapi dengan sistem pra bayar, dimana masyarakat dapat membeli listrik untuk kebutuhan satu minggu/bulan.

(3)

KOMPONEN KOMPONEN PLTS Sel Surya

Sel Surya atau yang lebih dikenal dengan solar cell atau photovoltaic cell merupakan sebuah semiconductor device yang mampu merubah energi sinar matahari menjadi energi listrik. Dalam hal ini cahaya yang jatuh pada sel surya menghasilkan elektron yang bermuatan positif dan hole yang bermuatan negatif, kemudian elektron dan hole mengalir membentuk arus listrik. Prinsip ini di kenal sebagai prinsip photoelectric.

Sel surya dapat tereksitasi karena terbuat dari semikonduktor yang mengandung unsur silikon. Silikon ini terdiri atas dua jenis lapisan sensitif: lapisan negatif (tipe-n) dan lapisan positif (tipe-p). Karena sel surya ini mudah pecah dan berkarat sehingga sel ini dibuat dalam bentuk panel-panel dengan ukuran tertentu yang dilapisi plastik atau kaca bening yang kedap air dan panel ini dikenal dengan panel surya.

Besarnya pasangan elektron dan hole yang dihasilkan, atau besarnya arus yang dihasilkan tergantung pada intensitas cahaya maupun panjang gelombang cahaya yang jatuh pada sel surya. Intensitas cahaya menentukan jumlah foton, makin besar intensitas cahaya yang mengenai permukaan sel surya, makin besar pula foton yang dimiliki sehingga makin banyak pasangan elektron dan hole yang dihasilkan yang akan mengakibatkan besarnya arus yang mengalir. Makin pendek panjang gelombang cahaya maka makin tinggi energi fotonnya sehingga makin besar energi elektron yang dihasilkan, dan juga berimplikasi pada makin besarnya arus yang mengalir

Modul Photovoltaic

Modul photovoltaic tersusun dari beberapa sel photovoltaic, mempunyai ukuran 10 cm x 10 cm yang dihubungkan secara seri atau pararel. Biaya yang dikeluarkan untuk membuat modul sel surya sekitar 60% dari biaya total. Jadi, bila modul sel surya bisa dibuat didalam negeri berarti akan bisa menghemat biaya. Untuk itulah, modul pembuatan sel surya di Indonesia tahap pertama adalah membuat bingkai (frame), kemudian membuat laminasi dengan sel-sel yang masih di import. Sedangkan kendala utama yang dihadapi dalam pengembangan energi surya photovoltaic adalah investasi awal yang besar. Untuk mendapatkan kapasitas yang lebih besar maka beberapa modul digabung membentuk array

Baterai Charge Regulator (BCR)

BCR merupakan perangkat elektronik yang mengatur aliran listrik dari modul surya ke baterai dan aliran listrik dari baterai ke peralatan listrik inverter. Change-Discharge pengontrol melindungi baterai dari pengisian berlebihan dan melindungi dari pengiriman muatan arus berlebihan keinput terminal. BCR, juga mempunyai beberapa indikator yang akan memberikan kemudahan kepada pengguna PLTS dengan memberikan informasi mengenai kondisi baterai sehingga pengguna PLTS dapat mengendalikan konsumsi energi menurut ketersediaan listrik yang terdapat didalam baterai. BCR sebagai pengatur sistem berfungsi agar penggunaan listrik menjadiaman dan efektif, sehingga semua komponen - komponen sistem aman dari bahaya perubahan level tegangan.

Baterai

Baterai berfungsi menyimpan arus listrik yang dihasilkan oleh modul surya sebelum dimanfaatkan untuk kebutuhan beban. Ukuran baterai yang dipakai sangat tergantung pada ukuran panel dan load pattern. Ukuran baterai yang terlalu besar baik untuk efisiensi operasi tetapi mengakibatkan kebutuhan investasi yang terlalu besar. Sebaliknya ukuran baterai terlalu kecil dapat mengakibatkan tidak tertampungnya daya yang lebih. Baterai tersebut mengalami proses siklus menyimpan dan mengeluarkan, tergantung pada ada atau tidak adanya sinar matahari. Selama waktu adanya matahari, array panel menghasilkan daya listrik. Daya yang tidak digunakan dengan segera dipergunakan untuk mengisi baterai. Selama waktu tidak adanya matahari, permintaan daya listrik disediakan oleh baterai. Kapasitas bateri tergantung dari daya modul

Inverter

Inverter berfungsi untuk merubah arus dan tegangan listrik DC (direct current) yang dihasilkan array PV menjadi arus dan tegangan listrik AC (alternating current). Inverter yang digunakan adalah inverter dengan kapasitas yang tergantung pada kapasitas daya modul surya dengan tegangan keluaran AC 220 Volt.

(4)

Switch Controller

Proses kendali sistem hibrid antara PLTS dan PLN dilakukan oleh unit kontroler. Sistem hibrid dengan switch controller dapat dirancang sesuai penelitian Liem Ek Bien dkk yaitu menggunakan prinsip satu arah, yaitu dalam satu waktu tertentu beban hanya disuplai oleh salah satu pembangkit, oleh karena itu switch controller akan bertindak mengatur sumber pembangkit yang akan mensuplai beban. Cara lain dengan merancang switch controller menurut Toko Surya, dimana selama modul surya menghasilkan listrik maka beban di supli oleh PLTS. Apabila beban yang dicatu melebihi kemampuan PLTS, maka listrik dari PLN akan masuk membantu. Untuk alasan keamanan, bila listrik dari PLN mati dan PLTS menghasilkan daya yang kurang dari beban yang ada, maka sistem otomatis akan mati. Hal ini mencegah terjadinya islading. Ukuran dari PLTS grid connected dapat beragam sesuai dengan kemampuan. Kapasitas yang tersedia dipasaran dari 30 watt sampai 3000 watt.

SISTEM HIBRID MODEL 1

Pada gambar 1, diperlihatkan blok diagram dari sistem hibrid PLTS-PLN model 1

DC DC AC

Gambar 1. Sistem Hibrid PLTS-PLN (PLTS Grid Connection) Model 1

Cara kerja dari gambar 1, menurut Liem Ek Bien dkk, Pertama tama array sebagai modul photovoltaic menyerap panas dari matahari, arus dc yang dihasilkan oleh array diteruskan ke BCR. BCR berfungsi mengontrol pengisian aliran listrik ke baterai dan pelepasan aliran listrik dari baterai ke peralatan inverter . Baterai (Accu) sebagai penyimpan energi, saat men-supply arus listrik ke beban memiliki batas tegangan kerja, yaitu tegangan batas bawah, tegangan batas bawah rekoneksi, dan tegangan batas atas. Sistem PLTS mulai bekerja pada saat tegangan baterai melebihi tegangan batas bawah rekoneksi.

Apabila sistem PLTS tidak bekerja (Off) atau tidak digunakan untuk men-supply beban, maka secara otomatis baterai mengalami pengisian hingga tegangannya mencapai tegangan batas atas. Pada saat sistem PLTS bekerja (on), tegangan baterai akan mengalami penurunan tergantung pada besarnya beban. Bila penurunan tegangan mencapai tegangan batas bawah, maka sistem PLTS akan off dan pada saat itu pula PLN mulai bekerja (on) memasok beban. Dengan cara kerja seperti itu, maka sistem PLTS memiliki kesempatan untuk melakukan pengisian ulang (recharging) mulai dari tegangan batas bawah sampai pada batas bawah rekoneksi. Batas tegangan kerja pada baterai berguna agar sistem PLTS tidak on atau off dalam waktu yang singkat, yang dapat menyebabkan komponen sistem mudah cepat rusak.

Baterai dalam menyimpan energi dari modul, membutuhkan waktu yang tidak relatif singkat. Dari hasil penelitian Liem Ek Bien dkk untuk beban rumah tangga, diperoleh sebuah baterai dengan tegangan batas atas adalah 27,6V, tegangan batas bawah adalah 22V, dan tegangan batas bawah rekoneksi 23,3V. Sistem PLTS ini akan bekerja (on) apabila tegangan baterai mencapai batas bawah rekoneksi dan tidak bekerja (off) apabila tegangan baterai mencapai batas bawah. Baterai akan terisi penuh sampai pada tegangan batas atas. Array BCR Inverter Baterai Switch Controller PLN Beban

(5)

Gambar 2. Kurva Kerja PLTS sesuai profil tegangan pada BCR Kondisi -1:PLTS start, hanya melakukan pengisian Kondisi ke -2:Beban kecil ; cuaca cerah

Kondisi ke -3:Beban normal ; cuaca cerah

SISTEM HIBRID MODEL 2

Sistem hibrid model 2 aalah sistem hibrid model seri atau paralel. Untuk sistem seri semua pembangkit daya mensuplai daya DC kedalam baterai, setiap komponen harus dilengkapi dengan charge controller sendiri. Pada sistem ini, generator dan inverter harus didesain agar dapat melayani beban puncak. Pada sistem ini sejumlah besar energi yang dibangkitkan dilewatkan melalui baterai, siklus baterai bank menjadi naik dan mengurangi efisiensi sistem, daya listrik dari genset di DC kan dan diubah kembali menjadi AC sebelum disupai ke beban sehingga t i d a k terjadi rugi-rugi yang signifikan. Berikut ini adalah gambar konfigurasi PLTS sistem seri.

Gambar 3. Konfigurasi Pembangkit Sistem Seri

Pada PLTS dan PLN yang menggunakan sistem paralel, beban disuplai baik dari generator diesel maupun inverter secara paralel. Bi-directional inverter (BDI) digunakan untuk menjembatani antara baterai dan sumber AC. BDI dapat mengisi baterai dari generator diesel (AC-DC converter) maupun sumber energi terbarukan, juga dapat beraksi sebagai DC-AC converter.

(6)

Gambar 4. Konfigurasi Pembangkit Sistem Paralel

KESIMPULAN

Dari konfigurasi bentuk sistem hibrid model 1 dan model 2 (baik seri maupun parallel), dapat disimpulkan bahwa kinerja dari kedua model pada perinsipnya memiliki keandalan yang sama dalam mempertahankan kontinuitas supply daya ke beban, namun dari kesederhanaan sistem peralatan, model 1 lebih sederhana dari model 2, dan jika dilihat dari kesiapan PLTS dalam mensupply daya ke beban, maka model 2 jauh lebih baik dibanding model 1, sedangkan dari sisi investasi maka model 2 jauh lebih mahal dibanding model 1.

DAFTAR PUSTAKA 1. Pt Azet Surya Lestari

2. Liem Ek Bien, Ishak Kasim & Wahyu Wibowo.,” Perancangan sistem nybrid pembangkit listrik tenaga surya dengan jala jala listrik PLN untuk rumah perkotaan”, JETri, Volume 8, Nomor 1, Agustus 2008, Halaman 37-56

3. http://www.altestore.com/howto/Solar-Electric-Power/Reference-Materials/Solar-Insolation-Map-orld/a43/ 4. ZTE Presentation to Indosat, 2010

5. Noviani Rahmawati, Nunung E. Ajiwihanto, Panji Narputro, Rieky Zainal.,” Pembangkit Listrik Hibrid (Analisa Perbandingan Pada Pembangkit Listrik BTS). Magister Teknim elektro Fakultas Teknik Universitas Indonesia – 2012

6. John Wiles,.” Photovoltaic Power Sistems and The National Electrical Code: Suggested Practices”, New Mexico State University, December 1996