60 6.1 Optimalisasi Energi
Optimalisasi energi dalam penggunaan limbah perkotaan di Bangli dapat di integrasikan antara Pembangkit Listrik Tenaga Biomassa (PLTBm) dengan PLTS. Limbah perkotaan yang dihasilkan di Bangli sebagai berikut; 30% limbah perkotaan merupakan limbah jenis plastik, 20% merupakan limbah jenis kertas/kardus dan organik, pertanian, sisa makanan sebanyak 40%, dan 10% kaca/keramik merupakan limbah yang tidak bisa dimanfaatkan lagi untuk energi. Jika limbah perkotaan menghasilkan 180 m3 limbah kota, maka 54 m3 berupa plastik, 36 m3 berupa kertas/kardus dapat digunakan sebagai bahan baku briket. 72 m3 berupa limbah organik, pertanian & sisa makanan. Dalam hal ini, limbah organik, pertanian & sisa makanan sebesar 72 m3 tetap dimanfaatkan dimanfaatkan sebagai bahan baku briket dan bambu yang langsung masuk ke tungku pembakaran untuk menghasilkan uap panas Tabel 6.1 memperlihatkan neraca massa limbah dan pemanfaatanya.
Tabel 6.1 Neraca Massa limbah MSW Bahan Baku Masuk Ke TPA
(m3) TPA Ke Industri Inergi (m3) Sisa Tidak Terpakai (m3) Plastik,Gabus 54 54 0 Kertas 36 36 0 Pertanian 72 72 0 Kaca 18 0 18 Bambu 38,3 38,3 0 Jumlah 218,3 200,3 18
Gambar 6.1. Neraca Massa Limbah msw
6.2 Produksi Energi dari Limbah Perkotaan (MSW)
Dalam produksi energi dari limbah perkotaan (msw) semuanya dirubah menjadi energi listrik melalui proses pembakaran dalam sebuah pembangkit listrik ketel uap atau boiler.
6.2.1 Produksi energi MSW kering
Ditinjau dari limbah perkotaan (MSW) kering plastik kertas diolah menjadi uap panas dan uap panas tersebut dimanfaatkan untuk menjadi energi listrik. Perhitungan energi yang dihasilkan oleh limbah kering berupa: kertas dan plastik dengan jumlah limbah 90 m3.
Diketahui limbah kertas 20%, limbah plastik 30% dari limbah total yang dihasilkan maka :
Kertas 20% = 36 m3 Plastik 30% = 54 m3
Nilai kalor (LHV) = 17,65 MJ/kg = 17650 kJ/kg Massa jenis sampah ( ρ ) = 0,4 kg/liter
Energi panas (Q) = m x LHV Diketahui m = ρ x volume = x 90 m3 1 m3 = 1.000 liter = = 36.000 kg Q = 36.000 kg x 17650 kJ/kg = 635.400.000 kJ 1 kJ = 0.000278 kWh ( Sumber: Konversisatuan.com ) Maka 635.400.000 kJ = 176641,2 kWh = 176,6412 MWh
Dari limbah kering kertas dan plastik sebanyak 90 m3 mampu menghasilkan enegri listrik sebesar 176,6412 MWh
6.2.2 Produksi energi MSW organik basah
Ditinjau dari limbah organik basah dari limbah tanaman, pertanian, sisa makanan dan sejenisnya yang diolah didalam boiler dengan jumlah limbah basah dari organik tanaman, sisa makanan & pertanian sebanyak - 40 % limbah = 72 m3 maka :
Dari hasil uji laboratorium limbah basah organik yaitu:
Nilai kalor (LHV) = 14,941 Mj/kg = 14941 kJ/kg Massa jenis sampah (ρ) = 0,4 kg/liter
Limbah organik sebanyak 72 m3 dengan hasil uji dimana limbah organik basah menghasilkan 20% limbah organik kering atau sama dengan 14,4 m3 limbah, maka :
Produksi limbah organik Energi panas (Q) = m x LHV Diketahui m = ρ x volume = x 14,4 m3 1 m3 = 1.000 liter = = 5.760 kg Q = m x LHV = 5.760 kg x 14941 kJ/kg = 86.060.160 kJ 1 kJ = 0.000278 kWh (sumber: konversisatuan.com) Maka 86.060.160 kJ = 23924,72 kWh = 23,92 MWh
Dari limbah kering organik, pertanian & Sisa makanan sebanyak 72 m3 mampu menghasilkan enegri listrik sebesar 23,92 MWh
6.2.3 Studi Kelayakan limbah bambu menjadi energi
Seperti diketahui pada sub-bab 5.3, bahwa bambu memiliki potensi energi yang cukup melimpah yaitu 36,1 ton per hari maka hasil tinjauan kelayakan bambu sebagai bahan baku lain penghasil energi dapat diestimasikan sebagai berikut :
Limbah bambu sebanyak 36,1 ton/hari limbah bambu, maka : Produksi limbah bambu = 36.100 kg
Dari hasil uji laboratorium limbah bambu yaitu:
Nilai kalor (LHV) = 15,150 Mj/kg = 15150 kJ/kg
Dari 100% limbah bambu basah mampu menghasilkan 50% limbah bambu kering atau sama dengan 19.150 kg limbah bambu kering.
Energi panas (Q) = m x LHV Diketahui m = 18.050 Q = m x LHV = 18.050 kg x 15150 kJ/kg = 273.457.500 kJ 1 kJ = 0.000278 kWh ( Sumber: Konversisatuan.com ) Maka 273.457.500 kJ = 76021 kWh = 76.021 MWh
Dari limbah bambu sebanyak 36,1 ton mampu menghasilkan enegri listrik sebesar 76.021 MWh
6.2.4 Potensi energi total msw
Produk MSW kering menghasilkan energi :
176,64 MWh
Produk MSW Organik basah menghasilkan energi :
23,92 MWh Produk limbah bambu :
Energi total = 176,64 + 23,92 + 76,02 = 276,68 MWh
Gambar 6.2. Grafik Fluktuasi Energi Total
Gambar diatas menunjukkan fluktuasi jumlah energi total dari limbah organik, limbah bambu dan plastik kertas per hari, secara grafis fluktuasi dari energi tersebut tidak mengalami perubahan yang cukup jauh, nilai rata-rata dari energi total tersebut adalah sekitar 276,68 MWh.
6.2.5 Neraca energi
Potensi energi total dari ketiga sampah yang bisa diolah menjadi enrgi didapat 276,68 MWh energi tersebut hanya sebagian saja yang dapat dimanfaatkan menjadi energi listrik karena adanya (losses) rugi-rugi pada alat pembangkit.
Gambar 6.3. Neraca Energi msw
6.2.6 Energi Final
Sesuai dengan pertimbangan losses yang telah dilakukan dari neraca energi diatas, maka potensi energi output yang dapat dihasilkan dari limbah msw tersebut adalah 59,06 % dari total energi inputnya. Untuk itu jumlah potensi energi output yang dapat dihasilkan tersebut yaitu sebesar :
Qak = ƞ x Qbb
= 0,5906 x 276,68 MWh = 163,35 MWh
= 163,35 MWh : 24 Jam = 6,80 MW
Gambar 6.4. Grafik Fluktuasi Energi Final
Gambar diatas menunjukkan fluktuasi jumlah energi final dari limbah organik, limbah bambu dan plastik kertas per hari, secara grafis fluktuasi dari energi tersebut tidak mengalami perubahan yang cukup jauh, nilai rata-rata dari energi total tersebut adalah sekitar 6,80 MW.
6.2.7 Spesifikasi alat
Setelah energi final didapat, langkah selanjutnya adalah menentukan unit pembangkit listrik yang akan digunakan. Unit pembangkit tersebut terdiri dari unit boiler sebagai penghasil steam dan unit turbin dan generator set sebagai penghasil listriknya. Sesuai dengan tema kajian energi biomassa ini, maka unit boiler yang digunakan berbahan bakar sampah biomasa, dan unit yang sesuai tersebut adalah
boiler jenis VEESONS GRATE TYPE BOILERS (lampiran). Berikut merupakan spesifikasi dari unit tersebut.
Nama Unit boiler : VEESONS GRATE TYPE BOILERS Kapasitas : 25 TPH
Pressure : 125 kg/cm2 Temperatur : up to 540 oC
Untuk jenis unit turbin yang dipilih adalah jenis turbin yang satu set dengan generator agar mudah dalam pemeliharaannya dan efisiensinya masih relatif tinggi. Berdasarkan brosur yang ada, maka unit turbin dan generator yang dipilih adalah type SST-111 SIEMENS (lampiran). Adapun spesifikasi dari set turbin dan generator tersebut adalah sebagai berikut :
Type : SST-111 SIEMENS turbin + generator set
Power output : up to 12 MW
Live steam conditions
Pressure : up to 131 bar
Temperature : up to 530° C
6.3 Upaya Integrasi PLTS dan PLTBm
Sperti yang disebutkan pada bab 5.2 bahwa plts hanya mampu menghasilkan 0,7 MW dan dari bab 6.2 PLTBm mampu menghasilkan 6.80 MW maka langkah selanjutnya adalah mengupayakan integrasi antara kedua unit power plant tersebut.
PLTS
1 MW MSW
180 m3/ hari
Energi yang dihasilkan 7,44 MW
Tungku Pembakaran Uap Panas 204,18 MWh Listrik 0,04 MW Listrik 0,64 MW Bambu 36,1 ton/ hari Listrik 0,02 MW 76,02 MWhKering Kering 200,56 MWh
Turbin & Generator Set
PLTBm
Listrik 163,35 MWh
6,80 MW
Gambar 6.5. Integrasi PLTS dan PLTBm
Terlihat pada gambar 6.5 diatas bahwa potensi energi listrik dari PLTS yang sebesar 1 MW tidak seluruhnya bisa dipakai, sekitar 30% dari 1 MW atau 0,3 MW terbuang akibat rugi-rugi pada masing-masing unit PLTS tersebut, dan sebagian lagi disuplai ke PLTBm untuk kebutuhan listrik starting awalnya, yaitu sebesar 0,06 MW sehingga suplai listrik yang dapat disalurkan untuk memenuhi permintaanya adalah hanya sebesar 0,64 MW, PLTBm sendiri dari sumber bahan bakar MSW dan limbah bambu yang ada memiliki potensi energi sebesar 276,68 MWh, namun seperti halnya pada PLTS potensi sebesar 276,68 MWh tidak seluruhnya dapat disuplai untuk memenuhi permintaan energinya, hal ini dikarenakan adanya rugi-rugi kalor pada mesin-mesin yang ada di unit PLTBm. Rugi-rugi kalor tersebut terdiri dari rugi-rugi kalor pada tungku pembakaran
sebesar 204,18 MWh (73,8 %), dan rugi-rugi kalor pada unit turbin dan generator set sebesar 163,35 MWh (20%). Dengan demikian supplai energi listrik yang dapat disalurkan untuk memenuhi permintaan energi tersebut hanya sebesar 163,35 MWh atau 6,80 MW.
Sehingga energi listrik total yang dapat disalurkan untuk memenuhi permintaan tersebut adalah sebesar 7,44 MW ( penjumlahan antara PLTS dan PLTBm).
6.4 Analisis Ekonomi
Dari perhitungan enegri yang dihasilkan diatas, maka pembangkit yang akan dibuat sebesar 6,80 MW dengan perhitungan analisis ekonomi menghitung Nilai bersih sekarang dengan investasi energi sebesar 6,80 MW, maka :
Metode Nilai Bersih Sekarang (Net Present Value) dari masing – masing sumber potensi energi adalah :
Tabel 6.2 Biaya investasi alat pembangkit dan pembuatan pembangkit Tabel 6.3 Biaya Tahunan (Annual cost).
Tabel 6.4. Pendapatan Tahunan (Benefit cost).
NPV = - I + Ab (P/A,i,n) + S (P/F,i,n) – Ac (P/A,i,n) – Oh (P/F,i,n) Keterangan: I = Investasi
Ab = Annual Benefit Ac = Annual Cost S = Nilai Sisa
Oh = Overhoul n = Umur investasi i = Bunga tahunan
Tabel 6.2. Biaya investasi alat pembangkit dan pembuatan pembangkit
Keterangan Nilai Unit (MW) Harga/Unit (MW) Total ($) Unit Pembangkit 59,81 Ton/Produksi 6,80 1.880.000 12.784.000 Pekerja Pembuatan Pembangkit 20,00 % 2.556.800 Pajak 7,50 % 958.800 Koordinator lapang 6,00 % 767.040 Trasportatin to Asia/Eropen port 60.000 Land transportatin to custamer place 30.000 Tanah Lokasi Pembangkit 33.000 m2 40 1.320.000 Konstruksi 110.000 Start Up Konstruksi 210.000
Teknisi dan Mekanik 507.500
Izin Otoritas 8.000
Biaya Takterduga 5,00 % 639.200
Total Investasi (Investment) 19.951.340 $/MW: (Gielen, 2012)
Tabel 6.3.Biaya Tahunan (Annual cost)
Biaya Tahunan Nilai Satuan Unit ($) Total ($)
Operasional Biomass 1 $/Kg/d 1.923 692.280
Pekerja 1 Paket 110.520 110.520
Management Manager 1 Paket 240.000 240.000
Material Lain 1 Paket 15.000 15.000
Takterduga 1 Paket 14.754 14.754
Kesalahan 9% 96.530
PPN 10% 116.908
PPH 2% 60.395
Total Biaya Tahunan (Annual Cost) 1.285.992
Tabel 6.4. Pendapatan Tahunan (Benefit cost)
Pendapatan Tahunan Nilai Satuan Unit Total ($)
Penjualan Listrik 103.416,67 kWh/tahun 0,080 3.019.766,67 Dihasilkan : Suku bunga tahunan = 12%
n (umur pakai) = 25 tahun
(P/A,i,n) = 7,853
(P/F,i,n) = 0,0588
S = 40% dari unit pembangkit ; $ 5.113.600 OHtahun = 15% dari unit pembangkit ; $ 1.917.600 NPV = - I + Ab (P/A,i,n) + S (P/F,i,n) – Ac (P/A,i,n) – Oh (P/F,i,n)
= - $ 19.951.340 + $ 3.019.767 x (7,853) + $ 5.113.600 x (0,0588) - $ 1.285.992 x (7,853) - $ 1.917.600 x (0,0588)
= $ 14.275.221
Berdasarkan nilai NPV, terdapat tiga kelayakan investasi, yaitu : a. NPV > 0, maka usaha layak untuk dilaksanakan
b. NPV = 0, manfaat yang diperoleh hanya cukup untuk menutupi biaya yang dikeluarkan.
c. NPV < 0, maka usaha tidak layak untuk dijalankan
Dalam hal ini investasi dalam pengembangan dan pendirian PLTBm dan PLTS sangat baik karena NPV > 0, maka usaha layak untuk dilaksanakan. Rasio Manfaat Terhadap Biaya (B/C Ratio) :
Dimana : Cb = Cash Flow Benefit Cc = Cash Flow Cost
t = Periode Waktu n = Umur Investasi PWB = Ab (P/A,i,n)+S (P/F,i,n) = (($3.019.767) x (7,853)) + (($ 5.113.600) x (0,0588)) = $ 24.014.907 PWC = I + Ac (P/A,i,n) + Oh (P/F,i,n) = ($ 19.951.340) + (($ 1.285.992) x (7,853)) + (($ 1.917.600) x (0,0588)) = $ 30.162.993 BCR = PWC / PWB = $ 30.162.993 / $ 24.014.907 = 1,25
Apabila (B/C) > 1 maka proyek atau kegiatan dinyatakan layak. Masa Pengembalian Investasi (Payback Periode) :
= x periode waktu
=
= 6,6 tahun 6.5 Tinjauan Kajian Energi
Pengkajian sumber energi MSW di Kabupaten Bangli Propinsi Bali, merupakan sebuah optimalisasi penggunaan energi dengan memanfaatkan potensi di sekitar sehingga mampu diaplikasikan sebagai sumber bahan baku energi. Tinjauan sebelumnya, lee dkk (2013) dalam studi empirik karakteristik kinerja BIPV (Building Integrated Photovoltic) sebuah sistem realisasi nol energi input, mampu meminimalkan penggunaan energi dari luar (input PLN) hingga lebih dari 50%. Tinjauan meminimlakan energi ini berdasarkan sumber potensi penghasil energi. Penggunaan bangunan sebagai potensi penghasil energi dalam tinjauan penelitiannya menggunakan luas total bangunan 2449 m2. Dibandingkan dengan potensi MSW yang ada hal ini sangat memungkinkan bahwa sumber bahan baku energi dari MSW mampu menghasilkan energi optimal. Gambar 6.2. menunjukan pembandingan penggunaan sumber energi berdasakan tinjauan sebelumnya.
Gambar 6.6. Sumber enegri BIPV (kiri), sumber enegri MSW (kanan)
Pemanfaatan energi dari bahan baku sekitar mampu menekan nilai cost dari luar (Byrne dkk, 1998)¸ dalam hal ini energi yang dihasilkan dari MSW dengan nilai investasi pembangkit energi MSW (tabel 6.2) kondisi awal membutuhkan cost tinggi dan secara berkesinambungan akan menghasilkan benefit tetapi dalam kurun waktu cukup panjang, tetapi dilihat dari sudut yang lain, lebih menguntungkan misalnya dari segi kesehatan, kebersihan, lingkungan. Penelitian ini bertitik berat pada penggunaan MSW sebagai bahan baku pembangkit energi. Gambar 6.3. lay out pemanfaatan energi MSW
Luas total bangunan 2449 m2, Kaca sebagai penghatar panas. (lee dkk)
Limbah MSW 180 m3
Pembangkit Biomasa
Industri Energi Biomassa
Pengguna Pengguna Pengguna Pengguna
Kantor
Pengguna Pengguna Pengguna Pengguna
Pembangkit Solar cell Park Park S o la r P a n e l Pos Pos Industri Kecil hasil MSW
Park Park Gudang
Pengguna Pengguna Pengguna Pengguna
S o la r P a n e l
Gambar 6.7. Lay Out pemanfaatan energi MSW Tabel 6.5 Penelitian sebelumnya
Peneliti Tahun Hasil Penelitian
Pharta 2010
Penggunaan sampah organik di sarbagita mampu meningkatkan efisiensi pembangkit hingga 30%, efisiensi yang cukup tinggi mampu menurunkan nilai cost dalam penggunaan energi.
Wang, dkk 2011
Mengintegrasi energi panas matahari dan panas bumi memberikan manfaat renewable energi dalam peranan kelayakan ekonomi, kelayakan teknik dan dampak lingkungan.
Sonia, dkk 2011
Sebuah integrasi dari tiga sektor antara lain : pertanian, peternakan dan industri. Dalam penelitian tersebut dijelaskan sebuah model integrasi tanaman jagung dengan ternak babi serta industri kopi dan memberikan dampak positif dengan efisiensi penggunaan energi industri serta penggunaan pupuk pertanian.
6.6 Permintaan dan Penawaran Energi
Seperti yang telah disebutkan pada sub-bab 6.3 bahwa potensi energi final yang didapat dari sampah tersebut masih relatif lebih kecil bila dibandingkan dengan permintaan energi yang ada di daerah bangli. Gambar berikut memberikan penjelasan lebih lengkap antara perbandingan potensi energi yang ada dengan permintaan energinya.
PLTS 1 MW MSW 180 m3/ hari Demand Permintaan 12 MW Tungku Pembakaran Uap Panas 204,18 MWh Listrik 0,04 MW Listrik 0,64 MW Bambu 36,1 ton/ hari Listrik 0,02 MW 76,02 MWhKering Kering 200,56 MWh
Turbin & Generator Set PLTBm Listrik 163,35 MWh 6,80 MW Supply dari PLN 4,56 MW
Gambar 6.8. Supply and demand energy
Dari gambar 6.8 energi yang didapat dari integrasi PLTS dan PLTBm didapatkan energi listrik sebesar 7,44 MW energi tersebut adalah potensi energi yang ada di bangli, sedangkan permintaan sesungguhnya dari bangli adalah sebesar 12 MW, lebih besar dari potensi yang ada. Oleh sebab itu masih terdapat kekurangan sejumlah energi (sekitar 4,56 MW) jika memanfaatkan potensi limbah yang ada di daerah tersebut. Jadi masih diperlukan input energi dari luar sistem integrasi sekitar 4,56 MW, dan input dari luar tersebut dapat diperoleh dari listrik PLN.
6.7 Optimalisasi dari sumber MSW
Perencanaan energi sumber bahan baku MSW dalam pengembanganya dilakukan beberapa pendekatan sebagai teknik analisa potensi dalam optimalisasi energi.
a. Pendekatan Proses
Pendekatan proses menguraikan aliran energi dari sumber energi primer sampai permintaan final. Prosesnya dimulai dari ekstraksi sumber daya energi, penyulingan, konversi, transportasi, penimbunan, transmisi dan distribusi. Dalam penelitian ini di tunjukkan dalam gambar 6.4 sebagai pendekatan proses.
Penampung MSW (180 m3) Unit Pemilahan Plastik 30% kertas 20% Pertanian 40% kaca 10% Truk Perkotaan Unit Pembangkit Plts 0,64MW & Energi Total MSW 7,80 MW Bahan Baku Produk listrik 7,44 MWh Penggunaan Rumah tangga, Industri, Umum Distribusi Penampung Bambu 38,8 ton/hari Unit Pemilahan Truk
Gambar 6.9. Sistimatika integrasi pembangkit b. Pendekatan Trend
Pendekatan dalam penelitian ini menunjukkan adanya hubungan erat antara kecenderungan masa lalu berdasarkan pemilihan kurva. Analisis ini dapat juga dilakukan dengan memproyeksikan nilai historis rata-rata kegiatan energi-ekonomi dan rasio energi perkapita. Dalam penelitian ini telah dikaji dari segi ekonomi dimana didapatkan payback periode atau kembalinya modal selama 6,6 tahun.
c. Pendekatan Elastisitas
Pendekatan elastisitas dilakukan dengan menghitung besarnya elastisitas permintaan energi listrik terhadap pendapatan dan elastisitas permintaan terhadap harga.
Dalam hal ini kebutuhan energi listrik di Bangli adalah sebesar 12 MW yang dipakai mulai dari rumah tangga, pemerintahan, perkantoran industri menengah ke atas dan penerangan jalan. Dengan penggunaan MSW sebagai bahan baku energi mampu menekan kebutuhan energi dari luar
hingga 62% . Gambar 6.8 menunjukan energi proses dari MSW dan pembangkit listrik tenaga surya yang terdapat di Bangli dapat di integrasikan dengan limbah MSW dan diolah sebagai sumber penghasil energi.
d. Pendekatan Ekonometri
Pendekatan ekonometri menggunakan standar perhitungan kuantitatif untuk analisis dan proyeksi ekonomi. Dalam penelitian ini didapatkan nilai NPV > 0, sehingga usaha layak untuk di laksanakan, dengan payback periode 6,6 tahun.
e. Pendekatan Input-Output
Pendekatan input-output hampir sama dengan pendekatan ekonometri. 6.8 Integrasi Dalam Penyedia Energi
Pemanfaatan limbah MSW sebagai penghasil energi merupakan integrasi energi antara MSW dan pembangkit listrik solar cell, integrasi ini dapat dijadikan percontohan di beberapa daerah dalam keberlanjutan energi non fosil. Dikaji dari Kabupaten Bangli dengan jumlah limbah total sebesar 200,3 m3 dengan diintegrasikan dengan plts mampu menghasilkan energi listrik sebesar 7,44 MW, dalam hal ini menekan input energi diluar sistem integrasi sebesar 62 %.
