Agri-tek Volume 13 Nomor 1 Maret 2012 SIMULASI DAN ANALISIS ... ...24 SIMULASI DAN ANALISIS GENERATOR LISTRIK HYBRID
BERBAHAN BAKAR BIOMASSA DAN SOLAR Aris Budi Harsanto 1
Sudarno 2
1, 2)
Dosen Fakultas Teknik Universitas Merdeka Madiun
Abstract
Biomass as a renewable energy development can be an alternative solution to global problems of the 21st century that is guaranteed availability / supply of energy, food availability and environmental protection. Given its potential as an agricultural country, Indonesia is rich supply of raw material derived from plant biomass and wastes processed agricultural products and oil, so it is possible to be driven development. Biomass energy is also environmentally friendly energy and the supply of heat energy can be combined (mixed or hybrid) with other energy sources. This analysis will be simulated on the application of steam power system of generators and steam turbines to generate electrical energy from the electrical load, energy and investment costs and operational use software help Homer. Performance of the generator is a hybrid between a steam turbine generator and biomass-fueled diesel generator diesel engines, which are the primary work on the steam turbine generator fueled by biomass and assisted diesel generators in case of excess load / no load electricity be supplied by the turbine generator steam. Simulation and analysis can be concluded : The amount of electrical energy generated by the system based on load demand reached 70080 kWh per year, with details of the productivity of electrical energy for each generator is 65984 kWh (94%) to 4097 kWh and biomass generators (6%) for diesel generator; electrical efficiency for biomass generator at 52.5%, while the diesel generator at 21.9%, CO2 emissions from the burning of the two types of generatorsxbyx5024xkgxperyear.
Key words : Biomass, Homer, Generator, Hybrid, Electric Energy.
PENDAHULUAN
Salah satu sumber energi terbarukan adalah biomassa atau “energi nabati”, karena berasal dari bagian-bagian tumbuhan, contohnya adalah kayu. Kayu untuk bahan bakar memasak atau pemanas telah dimanfaatkan orang sejak jaman pra-sejarah. Pada hakekatnya, kayu masih merupakan sumber daya energi biomassa terbesar hingga saat ini. Selain kayu, sumber biomassa lainnya adalah limbah (residu) dari tanaman pertanian (padi, singkong, kedelai dan jagung); tanaman
perkebunan (tebu dan kelapa sawit); kehutanan (kayu jati); limbah perkotaan dan limbah industri (misalnya : industri bioetanol, biodiesel dan bio oil). Pengembangan Biomassa sebagai energi terbarukan dapat menjadi solusi alternatif untuk permasalahan global abad 21 yaitu jaminan ketersediaan/pasokan energi, ketersediaan pangan dan pelestarian lingkungan hidup. Biomassa juga dapat diubah menjadi bahan bakar cair untuk keperluan (energi) transportasi, yang hingga saat ini masih bergantung pada bahan bakar fosil. Mengingat potensinya
sebagai negara agraris, Indonesia kaya pasokan sumber bahan baku biomassa yang berasal dari tanaman maupun limbah (pertanian, perkebunan,
peternakan & kehutanan), sehingga sangat memungkinkan untuk segera dipacu pengembagannya. Disamping itu, energi biomassa juga merupakan energi yang ramah lingkungan dan dalam
Agri-tek Volume 13 Nomor 1 Maret 2012 SIMULASI DAN ANALISIS ... ...25 penyediaan energi panas dapat digabung
(mix) dengan sumber energi yang lain. Ada banyak pemakaian sumber energi alternatif yang bersamaan, baik secara mix maupun hybrid, tujuannya adalah untuk mencukupi kebutuhan beban/load dari aplikasinya, disamping karena alasan faktor ekonomis dan ketersediaan sumber energinya. Contohnya adalah sistem hybrid sel surya dan turbin angin, turbin angin dan diesel, biomassa dan diesel, dan masih banyak yang lainnya [1],[2],[6]. Aplikasi pemakaian sumber energi panas dari hasil pembakaran biomassa salah satunya untuk merubah air menjadi uap. Dimana, biomassa dibakar dalam suatu tungku untuk memanaskan air di dalam ketel, konversi energi panas hasil pembakaran biomassa ini selanjutnya digunakan untuk merubah air menjadi uap. Uap yang terbentuk tersebut selanjutnya diaplikasikan untuk berbagai keperluan, contohnya di industri pengolahan gula tebu, uap digunakan untuk mengolah nira tebu menjadi gula dan sebagian uap dipanaskan lanjut (superheated) untuk menggerakkan turbin uap. Energi mekanis dari turbin uap diaplikasikan untuk memutar mekanisme peralatan/mesin pabrik dan menghasilkan energi listrik setelah dikopel dengan generator [7]. Bahan bakar (biomassa) dari instalasi daya uap di industri gula biasanya berasal dari limbah perasan tebu (bagase), kayu, dan daun tebu yang kering. Khusus untuk aplikasi turbin uap untuk menghasilkan energi listrik, seringkali karena naiknya fluktuasi kebutuhan listrik yang tidak dapat dipenuhi oleh turbin, maka implementasinya sering di bantu oleh generator listrik bermesin diesel, sehingga kinerja generator listrik merupakan hybrid (kombinasi) antara turbin uap dan mesin diesel.
METODE SIMULASI DAN DASAR TEORI
Pada analisis ini akan disimulasikan aplikasi dari sistim daya uap dari generator dan turbin uap untuk
menghasilkan energi listrik dari sisi beban listrik, energi dan biaya investasi maupun operasionalnya menggunakan bantuan software HOMER. Kinerja generator adalah hybrid antara generator turbin uap berbahan bakar biomassa dan generator mesin diesel berbahan bakar solar, dimana kerja primer terdapat pada generator turbin uap berbahan bakar biomassa dan dibantu oleh generator diesel apabila terjadi kelebihan beban/load listrik yang tidak dapat di penuhi oleh generator turbin uap.
Pada simulasi ini, beban energi listrik tertinggi sebesar 11.9 kW, dan beban terendahnya sebesar 4,3 kW. Kapasitas generator berbahan bakar biomassa adalah 10 kW dan generator Diesel sebesar 3 kW. Sehingga apabila terjadi kenaikan beban listrtik yang melebihi kapasitas generator biomassa, maka kekurangan pasokan energi listrik akan di penuhi oleh generator Diesel. Dari sini nantinya akan dianalisis bagaimana frekuensi distribusi beban listrik terhadap kerja hybrid antara kedua jenis generator, ditinjau dari sisi kinerja generator, proses konversi energi yang terjadi, biaya investasi dan operasionalnya.
Prinsip kerja dari turbin dan generator uap berdasar pada siklus daya uap Rankine, secara skematis dapat dilihat pada gambar.1, untuk sumber panas dari ketel didapatkan dari hasil pembakaran biomassa. Secara umum, sistim generator uap terdiri dari peralatan : ketel (boiler) dan tungku pembakaran bahan bakar (biomassa), pemanas lanjut uap (superheater), turbin uap, kondenser, dan pompa pengisi air dalam ketel. Energi panas yang dihasilkan dari hasil pembakaran biomassa dikonversikan kedalam air dalam ketel, sehingga air akan berubah fasanya menjadi uap bertekanan, kemudian uap dipanaskan lanjut di dalam superheater untuk dinaikkan tekanannya. Uap bertekanan tinggi selanjutnya di alirkan kedalam turbin uap, dan energi tekanan uap terkonversi menjadi energi kinetik pada sudu turbin uap, selanjutnya energi kinetik pada sudu turbin terkonversi
Agri-tek Volume 13 Nomor 1 Maret 2012 SIMULASI DAN ANALISIS ... ...26 menjadi energi mekanis (putar) pada
poros turbin. Energi mekanis inilah yang selanjutnya di kopel dengan poros generator, dan akhirnya perputaran generator menghasilkan energi listrik. Uap yang telah digunakan untuk memutar turbin selanjutnya dikondensasikan sehingga menjadi air kembali dan dipompa kembali kedalam ketel untuk proses siklus selanjutnya.
Gambar. 1 : Siklus Daya Uap Rankine
Prosesnya tingkat keadaan termodinamikanya adalah sebagai berikut :
Kerja netto ( ) = - = -
Efisiensi Termis. :
Heat Rate (HR) :
Kesetimbangan Aliran Massa :
Kesetimbangan Energi :
Aliran Uap Aktual :
dimana:
a = Transmisi temperatur uap b = Transmisi tekanan Uap c = Transmisi aliran uap
Sehingga Daya (Power) Listrik dapat diketahui dengan rumusan :
Dalam simulasi dan analisis kali ini mengacu pada parameter-parameter simulasi yang terdapat pada software HOMER meliputi :
A. NPC dan COE
NPC atau net present cost adalah biaya bersih total saat ini (sekarang), ini untuk merepresentasikan siklus biaya bersih peralatan (saat ini), NPC dapat diketahui dengan rumusan :
dimana, TAC adalah biaya total tahunan dan CRF adalah faktor pemulihan modal, CRF dapat dicari menggunakan rumus :
dimana, N adalah menyatakan tahun dan i adalah tingkat suku bunga tahunan (%).
Sedangkan COE atau capita of
electricity adalah biaya rata-rata
perkapita energi listrik yang dihasilkan oleh sistem, rumusannya adalah :
dimana, adalah biaya total tahunan, dan E adalah total pemakaian/konsumsi listrik per tahun :
( )
B. RF
RF atau renewable fraction (f BIO) atau fraksi terbarukan yaitu bagian dari energi yang dihasilkan yang digunakan untuk mengangkat beban yang ada. RF dapat dicari dengan rumusan :
Agri-tek Volume 13 Nomor 1 Maret 2012 SIMULASI DAN ANALISIS ... ...27 dimana, adalah sistem
pembangkit energi total tahunan dan adalah Energi Biomassa (kg), dan adalah jumlah emisi CO2 per
kilogram biomassa. C. Emission ( )
Adalah jumlah emisi gas yang dihasilkan dari proses pembakaran biomassa per tahun, rumusannya adalah :
dimana, adalah konsumsi pemakain biomassa (kg), dan adalah jumlah emisi CO2 per
kilogram biomassa.
SIMULASI DAN ANALISIS
Instalasi dari generator sistem pembangkit energi listrik seperti terlihat di gambar. 2, beban kebutuhan energi listrik rata-rata per hari sebesar 192 kWh, dengan beban puncak (peak) sebesar 12 kW terjadi pada pemakaian antara jam 16.00 sampai jam 21.00. Generator biomassa yang memiliki kapasitas 10 kW, dan generator diesel memiliki kapasitas 3 kW. Kinerja primer/utama terdapat pada generator biomassa, dan apabila terjadi lonjakan beban listrik yang melebihi kemampuannya, maka akan dibantu oleh generator diesel.
Gambar. 2 : Sistem instalasi generator
Distribusi beban listrik harian (per jam) dapat dilihat pada gambar. 3, sehingga dari grafik dapat diketahui generator diesel akan bekerja pada jam
beban listrik yang melebihi 10 Kw, yaitu selama 5 jam per hari (jam 16.00 - 21.00). Beban pemakaian listrik minimum sebesar 4,2 kW terjadi pada jam 01.00 - 02.00, dan beban maksimum sebesar 12 kW terjadi pada jam 18.00 - 19.00. Dan diasumsikan pemakaian energi listrik adalah sama untuk setiap harinya.
G Gambar. 3 : Distribusi beban listrik harian
Karena dalam software HOMER hanya menyediakan fasilitas analisis biaya dalam US Dollar, maka semua besaran nilai biaya dalam analisis ini disajikan dalam mata uang US dollar. Untuk Generator biomassa kapasitas 10 kW diasumsikan dalam pembuatannya memerlukan biaya $10.000, sedangkan generator diesel kapasitas 3 kW sebesar $2.500. Biomassa yang digunakan sebagai bahan bakar adalah kayu dengan harga per ton sebesar $10, sedangkan diesel menggunakan bahan bakar solar dengan harga per liter sebesar $0.6. Kebutuhan bahan bakar kayu per hari sebesar 2 ton dan solar per hari sebesar 12 liter. Dari hasil simulasi software HOMER didapat besaran NPC dari keseluruhan sistem adalah $232.463, sedangkan biaya operasional sistem selama setahun sebesar $17.207 /tahun. Untuk besaran biaya energi per kWh yang harus dikeluarkan sebesar $0.259 / kWh.
Tabel. 1 : Net Present Cost
Untuk detail Net Present Cost masing-masing sistem generator dapat dilihat
Agri-tek Volume 13 Nomor 1 Maret 2012 SIMULASI DAN ANALISIS ... ...28 pada tabel.1, dan untuk biaya total
tahunan dapat dilihat pada tabel. 2.
Tabel. 2 : Biaya tahunan
Sehingga berdasar dari tabel. 2, biaya operasional sistem total yang harus dikeluarkan setiap tahun sebesar $18.185, dengan rincian untuk biaya keseluruhan generator biomassa sebesar $14.040 (77,2%) dan generator diesel sebesar $4.145 (22,8).
Besaran energi listrik yang dihasilkan oleh sistem yang didasarkan pada kebutuhan beban mencapai 70.080 kWh per tahun, dengan rincian produktifitas energi listrik untuk masing-masing generator adalah 65.984 kWh (94%) untuk generator biomassa dan 4.097 kWh (6%) untuk generator diesel, dengan besar fraksi terbarukan (RF) sebesar 0,942%.
Tabel. 3 : Produktifitas energi
Rincian produktifitas energi dapat dilihat pada tabel. 3, operasional total generator biomassa selama setahun sebesar 8.760 jam dan generator diesel sebesar 3.650 jam hal ini relevan dengan perbandingan jam kerja antara keduanya selama 24 jam (satu hari). Biaya operasional tetap per jam untuk generator biomassa adalah $1,51 dan generator diesel sebesar $0,927. Sedangkan rata-rata produktifitas energi
listrik untuk generator biomassa sebesar 7,53 kW dan generator diesel sebesar 1,12 kW, energi listrik minimum yang dihasilkan oleh generator biomassa sebesar 4,10 kW dan generator diesel sebesar 0,90 kW. Energi listrik maksimum yang dihasilkan oleh kedua generator masing-masing adalah 10 kW untuk generator biomassa dan 1,91 kW untuk generator diesel. Kebutuhan bahan bakar untuk generator biomassa sebesar 117 ton kayu per tahun dan 1900 liter solar per tahun untuk generator diesel, dengan konsumsi bahan bakar spesifik untuk generator biomassa sebesar 1,246 kg kayu per kWh dan 0,464 liter solar per kWh untuk generator diesel. Besaran energi yang dibutuhkan untuk menjalankan generator biomassa sebesar 125.578 kWh per tahun dan generator diesel membutuhkan energi sebesar 18.697 kWh per tahun. Efisiensi elektrik untuk generator biomassa sebesar 52,5%, sedangkan generator diesel sebesar 21,9%. Sehingga secara proses konversi energi, kinerja generator biomassa lebih efektif dibandingkan generator diesel, walaupun biaya operasional pengoperasiannya yang ditinjau dari sisi harga bahan bakar lebih efisien generator diesel. Efektifitas dari pemakaian generator biomassa ini akan lebih baik dari semua sisi apabila pemakaian bahan bakarnya menggunakan jenis biomassa yang memiliki nilai ekonomis rendah [3],[4], contohnya limbah olahan dari bahan-bahan produk tumbuhan, misal jerami, bongkaran tanaman perkebunan yang sudah tidak produktif, bagase (ampas tebu) dan lain-lain.
Tabel. 4 : Emisi gas hasil pembakaran
Dari tabel. 4 dapat dilihat bahwa emisi gas hasil pembakaran dari
Agri-tek Volume 13 Nomor 1 Maret 2012 SIMULASI DAN ANALISIS ... ...29 operasional kedua jenis generator masih
tergolong tinggi, dimana polutan didominasi oleh gas CO2 sebesar 5.024
kg per tahun, 13,1 kg per tahun gas CO, gas NO sebesar 117 kg per tahun, dan partikulat-partikulat lainnya yang jumlahnya relatif kecil.
KESIMPULAN
Dari simulasi dan analisis pada sistem hybrid antara generator biomassa dan generator diesel diatas dapat ditarik kesimpulan :
1. Simulasi sistem kerja generator dengan bantuan software HOMER sangat berguna untuk menjelaskan secara detail uraian mengenai distribusi beban listrik terhadap kinerja generator, proses konversi energi yang terjadi, dan analisis berbagai macam biaya.
2. Besaran energi listrik yang dihasilkan oleh sistem yang didasarkan pada kebutuhan beban mencapai 70.080 kWh per tahun, dengan rincian produktifitas energi listrik untuk masing-masing generator adalah 65.984 kWh (94%) untuk generator biomassa dan 4.097 kWh (6%) untuk generator diesel. 3. Efisiensi elektrik untuk generator
biomassa sebesar 52,5%, sedangkan generator diesel sebesar 21,9%, namun biaya operasionalnya yang ditinjau dari sisi harga bahan bakar, lebih efisien generator diesel. Efektifitas dari pemakaian generator biomassa ini akan lebih baik dari semua sisi apabila pemakaian bahan bakarnya menggunakan jenis biomassa yang memiliki nilai ekonomis rendah.
4. Emisi gas CO2 dari hasil
pembakaran kedua jenis generator sebesar 5.024 kg per tahun.
SARAN
Simulasi sistem kerja generator biomassa dapat dikembangkan lebih lanjut pada kinerja hybrid dengan generator jenis lain yang energinya bersumber pada energi terbarukan
lainnya, semisal energi angin, sel surya, dan panas bumi.
DAFTAR PUSTAKA
Ali Naci Celik, 2003, "Techno-economic
analysis of autonomous PV-wind
hybrid energy systems using
different sizing methods," Energy
Conversion and Management 44, 1951-1968.
A.N. Celik, 2002 "Optimisation and
techno-economic analysis of
autonomous photovoltaic-wind
hybrid energy systems in
comparison to single photovoltaic and wind systems," Conversion
and Management 43, 2453-2468.
David Edwards and Michael Negnevitsky, 2008, "Designing a Wind-Diesel
Hybrid Remote Area Power Supply (RAPS) System," Senior Member,
IEEE .
Gang Liu, M. G. Rasul, M. T. O. Amanullah, M. M. K. Khan, 2008 "
Feasibility study of stand-alone
PV-wind-biomass hybrid energy
system in Australia," Power
Engineering Research Group Faculty of Sciences, Engineering and Health CQUniversity Rockhampton, Australia.
Nader Barsoum, Wong Yew Yiin, Tan Kwong Ling, Goh, W.C, 2006, "Modeling and Cost Simulation of
Stand-alone Solar and Biomass Energy," Second Asia International
Conference on Modelling & Simulation.
S. Ashok and P.Balamurugan, 2007, "Biomass Gasifier Based Hybrid
Energy System for Rural Areas,"
IEEE Canada Electrical Power Conference.
S.M. Shaahid, M.A. Elhadidy, 2007, "Technical and economic assessment of grid-independent hybrid photovoltaic-diesel-battery
Agri-tek Volume 13 Nomor 1 Maret 2012 SIMULASI DAN ANALISIS ... ...30
power systems for commercial loads in desert environments," -
Renewable and Sustainable Energy Reviews
T. Givler and P. Lilienthal, 2005 "Using
HOMER®) Software, NREL's
Micropower Optimization Model, to Explore the Role of Gen-sets in Small Solar Power Systems Case Study: Sri Lanka," Technical Report
