TESIS
Oleh
FRIADY HARTONO SIREGAR 197034009
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
2022
PERANCANGAN HYBRID RENEWABLE ENERGY PANAS BUMI DAN MATAHARI DI DESA SIPOHOLON KABUPATEN TAPANULI UTARA, SUMATERA UTARA
TESIS
Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
OLEH:
FRIADY HARTONO SIREGAR 190734009
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
2022
Telah diuji pada
Tanggal : 15 Desember 2021
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua : Yulianta Siregar, S.T., M.T., Ph.D Anggota : Emerson P. Sinulingga,S.T., M.Sc., Ph.D
: Ir. Surya Hardi, M.Sc., Ph.D : Ir. Syafruddin Hs, M.Sc., Ph.D
i ABSTRAK
Perkembangan teknologi dalam pemanfaatan sumber energi terbarukan terus berkembang hingga saat ini. Hal ini untuk mendukung optimalisasi potensi energi terbarukan yang dapat diperoleh dari suatu daerah dan mengurangi ketergantungan akan sumber energi primer seperti bahan bakar fosil. Selain energi yang ramah lingkungan, energi terbarukan juga memberikan banyak manfaat lainnya. Potensi energi panas bumi (geothermal) dan energi matahari (solar) perlu dikembangkan mengingat wilayah Negara Indonesia yang memiliki banyak sumber panas bumi dan terletak di garis khatulistiwa. Desa Sipoholon termasuk salah satu daerah yang memiliki potensi untuk pembangunan pembangkit energi terbarukan. Dalam makalah ini, digunakan sistem komputasi berbasis komputer sebagai alat bantu untuk memudahkan perancangan. Penelitian ini menghasilkan sebuah rancangan sistem pembangkit hybrid energi terbarukan tenaga panas bumi dan matahari di Desa Sipoholon Kabupaten Tapanuli Utara menggunakan perangkat lunak RETScreen Expert. Pembangkit hybrid energi terbarukan merupakan suatu sistem pembangkit listrik dengan menggunakan beberapa sumber energi terbarukan yang berbeda. Energi yang digunakan dapat berasal dari energi matahari, angin, panas bumi, air yang dikombinasikan sehingga menjadi suatu pembangkit yang lebih efektif, efisien dan handal untuk dapat mensuplai kebutuhan energi listrik. Perancangan dimulai dengan menganalisis kebutuhan energi listrik di Desa Sipoholon melalui perhitungan kemudian disimulasikan dengan memasukkan parameter pembangkit tenaga panas bumi dan tenaga matahari yang dirancang. Pembangkit hybrid yang dirancang akan dianalisis dari segi teknis dan finansial. Hasil analisis menunjukkan bahwa sistem hybrid ini dapat menghasilkan daya sebesar 198 kW dari pembangkit tenaga panas bumi dan 188 kW dari pembangkit tenaga matahari untuk memenuhi kebutuhan energi listrik di Desa Sipoholon. Pembangkit hybrid yang dirancang juga dapat mengurangi emisi gas rumah kaca sebesar 93% per tahun, serta layak secara finansial pada tingkat suku bunga yang diasumsikan sebesar 4% dan 6%
menggunakan perangkat lunak RETScreen Expert.
Kata kunci : Hybrid, energi terbarukan, panas bumi, matahari, RETScreen Expert
ii ABSTRACT
Technological developments in the use of renewable energy sources continue to develop today. This is to support the optimization of renewable energy potential that can be obtained from an area and reduce dependence on primary energy sources such as fossil fuels. In addition to environmentally friendly energy, renewable energy also provides many other benefits. The potential of geothermal energy (geothermal) and solar energy (solar) needs to be developed considering the territory of the State of Indonesia which has many geothermal sources and is located on the equator. Sipoholon Village is one of the areas that has the potential for the construction of renewable energy plants. In this paper, a computer-based computing system is used as a tool to facilitate the design. This research resulted in a design of a hybrid renewable energy generation system for geothermal and solar energy in Sipoholon Village, North Tapanuli Regency using RETScreen Expert software. Renewable energy hybrid power plant is a power generation system using several different renewable energy sources. The energy used can come from solar energy, wind, geothermal, and water which are combined so that it becomes a more effective, efficient and reliable generator to be able to supply electrical energy needs. The design begins by analyzing the electrical energy needs in Sipoholon Village through calculations and then simulating it by entering the parameters of the designed geothermal and solar power plants. The hybrid power plant designed will be analyzed from a technical and financial perspective. The results of the analysis show that this hybrid system can generate power of 198 kW from geothermal power plants and 188 kW from solar power plants to meet the electrical energy needs in Sipoholon Village. The designed hybrid plant can also reduce greenhouse gas emissions by 93% per year, and is financially feasible at an assumed interest rate of 4% and 6% using RETScreen Expert software.
Keywords: Hybrid, renewable energy, geothermal, solar, RETScreen Expert
iii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan atas kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan berkah-Nya kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan tesis ini dengan judul “PERANCANGAN HYBRID RENEWABLE ENERGY PANAS BUMI DAN MATAHARI DI DESA
SIPOHOLON KABUPATEN TAPANULI UTARA, SUMATERA
UTARA”.
Penulisan tesis ini dimaksudkan untuk memenuhi persyaratan dalam memperoleh gelar Magister dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Penulis menyadari bahwa dalam penyelesaian tesis ini tidak terlepas dari bimbingan, arahan, saran, finansial maupun fasilitas dari berbagai pihak.
Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Bapak Yulianta Siregar, ST. MT. Ph.D dan Bapak Emerson P. Sinulingga, ST. M.Sc. Ph.D selaku Dosen Pembimbing.
2. Bapak Ir. Surya Hardi, M.Sc. Ph.D dan Bapak Ir. Syafruddin HS, M.Sc.
ph.D selaku Dosen Penguji.
3. Bapak Dr. Ali Hanafiah Rambe, S.T., M.T. selaku Ketua Program Studi Magister Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara.
4. Bapak Dr. ir. Fahmi, M.Sc. IPM selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
5. Teristimewa kepada keluarga besar penulis, kedua orang tua yaitu Ibunda Rotua Sihombing dan Ayahanda Hiras Ganda Siregar, Istri Erickha Wan
iv
May Happy Purba, Saudara Leonardo Siregar, Marojahan Siregar, Nova Siregar dan Nora Siregar.
6. Seluruh staf pengajar, rekan mahasiswa, karyawan dan civitas akademik di Program Studi Magister Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara.
Penulis mengetahui bahwa tesis ini masih belum sempurna, baik dari bagian materi ataupun dari bagian penulisan. Dalam hal ini saran dan kritik sangat diharapkan agar tulisan ini menjadi lebih baik dan bermanfaat bagi pembaca di masa yang akan datang. Semoga kiranya Tuhan Yang Maha Esa memberkati kita semua. Amin.
Medan, November 2021
Penulis
v
DAFTAR RIWAYAT HIDUP Data Pribadi
Nama : Friady Hartono Siregar
Tempat Tanggal Lahir : Pasar Baru, 23 April 1987 Jenis Kelamin : Laki-laki
Agama : Kristen
Kebangsaan : Indonesia
Status : Menikah
Alamat : Jl. Bunga Rampai 1 gg. Keluarga, Kel.
Simalingkar B, Kecamatan Medan Tuntungan, Kota Medan
No. Telepon/Email : 0852-7556-5221/friadysiregar23@gmail.com
Pendidikan
1. Tamatan SD Negeri 2 Kec. Lintongnihuta : Tahun 2000 2. Tamatan SMP Negeri 1 Kec. Lintongnihuta : Tahun 2003 3. Tamatan SMK Telkom Sandhy Putra Medan : Tahun 2006 4. Tamatan D-III Teknik Telekomunikasi Politeknik : Tahun 2009
Negeri Medan
5. Tamatan S-1 Teknik Elektro Universitas Darma Agung : Tahun 2012 Medan
Pekerjaan
1. PNS Dinas Komunikasi dan Informatika Kabupaten Labuhanbatu Medan, November 2021 Penulis,
Friady Hartono Siregar
vi
DAFTAR ISI
Halaman
ABSTRAK ... i
ABSTRACT... ii
KATA PENGANTAR ... iii
DAFTAR RIWAYAT HIDUP ... v
DAFTAR ISI ... vi
DAFTAR TABEL ... viii
DAFTAR GAMBAR ... ix
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang... 1
1.2. Rumusan Masalah ... 3
1.3. Tujuan Penelitian ... 3
1.4. Batasan Masalah ... 4
1.5. Manfaat Penelitian ... 4
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Umum ... 6
2.2. Pembangkit Hybrid Energi Terbarukan ... 6
2.3. Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (Geothermal) ... 8
2.4. Pembangkit Listrik Tenaga Surya (Solar) ... 12
2.5. Analisis Kelayakan Teknis dan Finansial ... 19
2.5.1. Analisis Kelayakan Teknis ... 19
2.5.2. Analisis Finansial ... 20
2.6. Perangkat Lunak Retscreen Expert ... 24
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Lokasi dan Waktu Penelitian ... 27
3.2. Tahapan Penelitian ... 27
3.3. Studi Literatur ... 27
3.4. Pengumpulan Data ... 29
3.5. Perancangan Pembangkit Hybrid ... 32
vii BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Analisis Teknis ... 37
4.1.1 Analisis Energi Listrik Yang Dihasilkan... 37
4.1.2 Analisis Emisi Gas Rumah Kaca ... 49
4.2 Analisis Finansial ... 50
4.2.1 Analisis Net Present Value (NPV) ... 52
4.2.2 Analisis Payback Period (PP) ... 58
4.2.3 Analisis Benefit Cost of Ratio (BCR) ... 59
4.2.4 Analisis Internal Rate of Return (IRR) ... 59
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ... 60
5.2 Saran ... 61
DAFTAR PUSTAKA ... 62
viii
DAFTAR TABEL
Nomor Judul Halaman
2.1 Potensi Energi Terbarukan di Indonesia ... 7
2.2 Daerah Potensi Energi Terbarukan Terbesar di Indonesia .. 7
2.3 Asumsi Angka Parameter Estimasi Potensi Panas Bumi... 12
2.4 Payback Period Pembangkit listrik Tenaga Panas Bumi .... 23
2.5 Payback Period Pembangkit listrik Tenaga Matahari ... 24
3.1 Spesifikasi Panel Tenaga Surya dan Inverter yang Diusulkan ... 35
3.2 Spesifikasi dan Parameter Pembangkit Panas Bumi yang Diusulkan ... 36
4.1 Radiasi matahari harian pada posisi horizontal ... 39
4.2 Pelacakan sel surya posisi Azimuth dengan sudut kemiringan 45° ... 41
4.3 Pelacakan sel surya dengan sudut kemiringan tetap 45° ... 42
4.4 Variasi kapasitas aliran uap yang disimulasikan ... 46
4.5 Energi Listrik yang dapat dihasilkan ... 48
4.6 Spesifikasi pembangkit hybrid yang diusulkan... 49
4.7 Biaya pembangkitan tenaga panas bumi ... 51
4.8 Biaya pembangkitan tenaga matahari ... 52
4.9 Parameter finansial pembangkit yang diusulkan ... 52
4.10 Arus kas tahunan pada suku bunga 4% ... 54
4.11 Arus kas tahunan pada suku bunga 6% ... 55
4.12 Hasil simulasi kelayakan finansial ... 59
viii
ix
DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul Halaman
2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi ... 10
2.2 Modul Solarcell ... 14
2.3 Tipe Sel Surya ... 15
2.4 Tampilan awal perangkat lunak RETScreen Expert ... 25
3.1 Tahapan Penelitian ... 28
3.2 Tampilan Lokasi Penelitian Melalui RETScreen Expert ... 29
3.3 Manifestasi panas bumi di Desa Sipoholon ... 30
3.4 Normal Suhu Rata-rata Bulanan 1981-2010 Hingga Februari 2021 ... 31
3.5 Perancangan sistem hybrid... 33
3.6 Tampilan menu parameter pembangkit RETScreen Expert . 34 3.7 Menu RETScreen Expert untuk hasil simulasi teknis ... 36
4.1 Pelacakan sel surya dengan kemiringan 45° ... 40
4.2 Pelacakan panel surya dengan azimuth 45° ... 40
4.3 Simulasi pembangkit tenaga matahari ... 44
4.4 Simulasi pembangkit tenaga panas bumi ... 46
4.5 Energi listrik tenaga panas bumi yang tersedia ... 47
4.6 Energi listrik tenaga matahari yang tersedia ... 48
4.7 Grafik pengurangan emisi gas rumah kaca ... 50
4.8 Grafik kumulatif cash flow suku bunga 4%... 56
4.9 Grafik kumulatif cash flow suku bunga 6%... 57
x
4.10 Grafik arus kas tahunan sebelum pajak
pada suku bunga 4% ... 57 4.11 Grafik arus kas tahunan sebelum pajak
pada suku bunga 6% ... 58
1 BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Meningkatnya pertumbuhan ekonomi global menyebabkan secara signifikan kenaikan pasokan tenaga listrik berbagai negara dengan memanfaatkan bahan bakar fosil. Sehingga pertumbuhan ekonomi global membutuhkan lebih banyak permintaan daya. Dengan demikian kegagalan untuk memenuhi kebutuhan konsumsi daya berbagai konsumen akan berdampak negatif pada produk domestik bruto (PDB). Hal ini menunjukkan bahwa dunia ekonomi sangat bergantung pada ketersediaan tenaga listrik. Saat ini, 75,5% listrik global bersumber dari bahan bakar fosil sedangkan 24,5% berasal dari sumber energi terbarukan [1].
Pembangkit listrik bahan bakar fosil sangat mahal untuk dijalankan karena biaya pengoperasian dan pemeliharaan yang tinggi. Sumber energi bahan bakar fosil juga menyebabkan banyak masalah degradasi lingkungan seperti hujan asam, pemanasan global, penipisan ozon dan polusi yang berpengaruh pada kesehatan [2]. Kunci untuk memenuhi keberlanjutan energi global adalah dengan mendorong penggunaan energi terbarukan.
Sebagai negara kepulauan, wilayah Indonesia memiliki banyak sumber potensi energi terbarukan, diantaranya sumber energi tenaga air, panas bumi (geothermal), bayu (angin), biomassa, dan tenaga surya (solar). Salah satu wilayah yang memiliki potensi energi terbarukan adalah Kabupaten Tapanuli Utara dimana secara geologis merupakan daerah yang cukup kaya akan sumber daya
2
panas bumi, khususnya Desa Sipoholon [3]. Namun, potensi ini belum dikembangkan untuk keperluan pembangkit tenaga listrik. Manifestasi panas bumi di Kabupaten Tapanuli Utara berupa pemunculan mata air panas [4]. Desa Sipoholon juga merupakan salah satu daerah berpotensi panas bumi yang sudah ditetapkan menjadi Wilayah Kerja Pertambangan (WKP) oleh Kementerian Energi dan Sumber Daya Energi Republik Indonesia.
Salah satu metode yang dapat digunakan untuk memaksimalkan berbagai sumber potensi energi terbarukan yang disebutkan di atas adalah dengan sistem hybrid. Hybrid renewable energy terdiri dari dua atau lebih sumber energi terbarukan yang digunakan bersamaan untuk meningkatkan efisiensi sistem serta keseimbangan yang lebih besar dalam pasokan energi. Maka dari itu diperlukan bantuan dari sistem komputasi berbasis komputer untuk mempermudah dan mempercepat analisis awal pembangkit yang akan dirancang.
Penelitian sebelumnya membahas tentang analisis emisi dan keuangan energi panas bumi di Lahendong menggunakan perangkat lunak RETScreen.
Penelitian ini menghasilkan kapasitas terpasang 30 MW, pengurangan 169 ktCO2 emisi gas rumah kaca per tahun, Internal Rate of Return (IRR) berkisar antara 30,4% dan 53,5% dan Payback Period (PP) antara 2,1 tahun dan 3,8 tahun [5].
Penelitian lainnya mensimulasikan tenaga surya terhubung ke jaringan 100 kW di 8 (delapan) lokasi Bangladesh menggunakan perangkat lunak RETScreen.
Hasilnya menunjukkan setiap lokasi yang disimulasikan layak secara teknis dan finansial serta terdapat pengurangan sekitar 166 ton emisi gas karbondioksida tiap tahunnya [6].
Dalam penelitian ini akan dilakukan perancangan hybrid renewable energy tenaga panas bumi dan tenaga matahari menggunakan perangkat lunak RETScreen Expert di Desa Sipoholon, Kabupaten Tapanuli Utara. Parameter pembangkit sistem hybrid akan disimulasikan untuk mendapatkan kelayakan secara teknis dan finansial.
1.2 Rumusan Masalah
Untuk memenuhi kebutuhan energi listrik di Desa Sipoholon dan memaksimalkan sumber potensi energi terbarukan yang ada, maka perlu dirancang pembangkit energi terbarukan yang sesuai dengan kondisi geografis Desa Sipoholon menggunakan suatu perangkat lunak perancangan untuk membantu mensimulasikan rancangan pembangkit hybrid. Berdasarkan rumusan masalah yang ada, berikut pertanyaan yang dikaji dalam penelitian ini adalah : a. Bagaimana rancangan pembangkit hybrid tenaga panas bumi dan tenaga
matahari yang sesuai di Desa Sipoholon?
b. Bagaimana sistem operasi pembangkit hybrid tenaga panas bumi dan tenaga matahari di Desa Sipoholon?
c. Faktor apakah yang dapat mempengaruhi besaran energi listrik yang dihasilkan pembangkit hybrid tenaga panas bumi dan tenaga matahari di Desa Sipoholon?
1.3 Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan adalah sebagai berikut :
4
1. Menentukan posisi pelacakan sel surya yang paling optimal di Desa Sipoholon.
2. Menentukan laju aliran uap pembangkit tenaga panas bumi yang sesuai untuk kebutuhan di Desa Sipoholon.
3. Merancang pembangkit hybrid tenaga panas bumi dengan tenaga matahari di Desa Sipoholon yang layak secara teknis dan finansial.
1.4 Batasan Masalah
Agar penelitian ini lebih terarah dan dapat mencapai hasil yang diinginkan, maka pelaksanaan penelitian ini difokuskan pada :
a. Energi listrik yang akan dihasilkan untuk kebutuhan di Desa Sipoholon . b. Pembangkit yang dirancang adalah sistem hybrid panas bumi dan
matahari.
c. Menggunakan perangkat lunak RETScreen Expert.
d. Parameter yang dianalisis adalah kelayakan teknis dan finansial dari sistem hybrid.
1.5 Manfaat Penelitian
Penelitian ini dapat bermanfaat untuk :
a) Memenuhi kebutuhan energi listrik di Desa Sipoholon, Kabupaten Tapanuli Utara yang bersumber dari energi terbarukan dengan sistem hybrid.
b) Pengembangan lebih lanjut pada rancangan instalasi pembangkit listrik sistem hybrid tenaga panas bumi (geothermal) dan matahari (solar).
6 BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Umum
Posisi Indonesia dalam wilayah tumbukan lempeng tektonik dan garis khatulistiwa membuat negara ini memiliki cadangan energi yang besar. Indonesia memiliki cadangan energi fosil seperti minyak, gas dan batu bara dan cadang energi nonfosil seperti energi panasbumi, air, angin, dan matahari.
2.2 Pembangkit Hybrid Energi Terbarukan
Pembangkit hybrid energi terbarukan adalah suatu sistem pembangkit listrik dengan menggunakan beberapa sumber energi terbarukan yang berbeda.
Energi yang digunakan dapat berasal dari energi matahari, angin, panas bumi, air yang dikombinasikan sehingga menjadi suatu pembangkit yang lebih efektif, efisien dan handal untuk dapat mensuplai kebutuhan energi listrik.
Pada tahun 2011, Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) menerbitkan laporan studi bahwa hampir 80% dari pasokan energi dunia dapat dipenuhi oleh sumber energi terbarukan pada tahun 2050. Secara teoritis, skenario terbaik adalah bahwa sumber energi terbarukan dapat memenuhi kebutuhan daya dunia [7].
Indonesia sebagai salah satu negara yang memiliki potensi energi terbarukan yang sangat besar hingga 443 GW, namun penggunaanya masih tergolong kecil yaitu sekitar 8 GW [8]. Potensi terbesar yaitu energi matahari (solar) dengan kapasitas 207.898 MW sebagaimana ditunjukkan pada Tabel (2.1).
Tabel 2.1 Potensi Energi Terbarukan di Indonesia [8]
No. Jenis Energi Terbarukan Potensi (MW) 1 Panas bumi (Geothermal) 29.544
2 Air (Hydro) 94.476
3 Bioenergi 32.654
4 Angin 60.647
5 Surya (Solar) 207.898
6 Arus laut 17.989
Total 443.208
Terdapat 10 (sepuluh) provinsi di Indonesia yang memiliki potensi energi terbarukan terbesar. Tabel (2.2) menunjukkan Provinsi Sumatera Utara memiliki potensi sebesar 22.478 MW dengan kapasitas terpasang sampai tahun 2018 masih 839 MW atau sekitar 3,7 % dari potensi yang ada [9].
Tabel 2.2 Daerah Potensi Energi Terbarukan Terbesar di Indonesia [9]
No. Provinsi Potensi (MW) Kapasitas Terpasang
2018 (MW)
1 Kalimantan Barat 26.841 247
2 Papua 26.529 20
3 Jawa Barat 26.190 3.184
4 Jawa Timur 24.240 275
5 Kalimantan Timur 23.841 -
6 Sumatera Utara 22.478 839
7 Nusa Tenggara Barat 21.991 17
8 Sumatera Selatan 21.866 18
9 Kalimantan Tengah 19.568 -
10 Jawa Tengah 19.450 366
Pembangkit energi terbarukan sistem hybrid dapat dioperasikan dalam bentuk berdiri sendiri (stand-alone) atau terhubung ke jaringan (grid-connected).
Untuk bentuk berdiri sendiri (stand-alone), sistem tenaga hybrid memasok listrik ke daerah setempat atau lokal. Bentuk ini memiliki potensi yang besar untuk
8
dioperasikan di pulau-pulau, namun bentuk ini membutuhkan perangkat cadangan, seperti baterai, genset, dan lain-lain [10].
Dalam pembangkit sistem hybrid, mengkombinasikan sumber energi yang ada dan sarana penyimpanan energi dengan memenuhi 2 (dua) tujuan [11]:
1. Memastikan produksi energi listrik yang cukup sesuai dengan kebutuhan 2. Menjamin biaya yang lebih minim unutk pemakaian energi
Dengan mengkombinasikan beberapa sumber energi, beban yang terpasang juga dibagi menjadi beberapa bagian, supaya sumber yang ada dapat berkontribusi maksimal pada bagian- bagian tersebut.
Beberapa manfaat yang dapat diperoleh dari energi terbarukan sistem hybrid yaitu [12] :
1. Mengurangi emisi dan pemanasan global.
2. Penghematan biaya karena pengurangan produksi dan pembelian bahan bakar fosil.
3. Keragaman sumber energi dan tidak terbatas.
Dalam penelitian ini akan dianalisa sistem hybrid energi terbarukan tenaga panas bumi (geothermal) dengan matahari (solar).
2.3 Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (Geothermal)
Energi geotermal adalah energi panas yang terkandung dalam fluida air (bisa dalam uap, cair, atau campuran keduanya) yang berada pada kedalaman lebih dari 1 kilometer di bawah permukaan bumi. Fluida panas ini memiliki
temperatur dan tekanan yang tinggi. Bahkan, ada yang memiliki temperatur lebih dari 300° C. Ini menjadikan geotermal sebagai penyedia energi yang masif.
Sumber panas bumi berupa uap panas atau cair tersedia sekitar seperempat hingga sepertiga dari permukaan planet bumi [13]. Indonesia merupakan salah satu negara dengan potensi panas bumi terbesar di dunia, dengan pemasangan kapasitas sekitar 28 GW [14]. Potensi pembangkit listrik tenaga panas bumi di Desa Sipoholon, Kabupaten Tapanuli Utara dengan menggunakan rumus Lump Parameter adalah 140 MWe [15].
Efisiensi konversi pembangkit listrik tenaga panas bumi dipengaruhi oleh beberapa faktor, diantaranya desain sistem, gas tidak terkondensasi, kehilangan panas dari efisiensi peralatan, turbin dan generator dan pembangkit listrik beban parasit, cuaca dan faktor lainnya. Rata-rata di seluruh dunia efisiensi konversi pembangkit listrik tenaga panas bumi adalah 12% sedangkan efisiensi konversi tertinggi adalah 20,7% di Indonesia [16].
Gambar (2.1) menunjukkan kontruksi sederhana dari sebuah pembangkit listrik tenaga panas bumi . Pada bagian production well (sumur produksi) cairan panas bumi, seperti air panas dan uap yang terdapat pada geothermal reservoir (waduk panas bumi) dibawa ke permukaan dan disalurkan ke power plant (pembangkit listrik). Di dalam pembangkit listrik, cairan panas bumi akan menggerakkan turbin untuk menghasilkan energi listrik. Kemudian cairan panas bumi yang telah digunakan diinjeksi kembali ke waduk panas bumi melalui injection well (sumur injeksi).
10
Gambar 2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi [17]
Secara garis besar proses pemanfaatan energi panas bumi menjadi energi listrik dibedakan menjadi 3 jenis, yaitu :
a) Sistem Dry Steam
Sistem ini mengambil sumber uap panas dari bawah permukaan. Sistem ini dipakai jika fluida yang dikeluarkan melalui sumur produksi berupa fasa uap.
Uap tersebut yang langsung dimanfaatkan untuk memutar turbin dan kemudian turbin akan mengubah energi panas bumi menjadi energi gerak yang akan memutar generator untuk menghasilkan energi listrik.
b) Sistem Flash Steam
Pembangkit jenis ini memanfaatkan reservoir panas bumi yang berisi air dengan temperatur lebih besar dari 82°C. Air yang sangat panas ini dialirkan ke atas melalui pipa sumur produksi dengan tekanannya sendiri. Karena mengalir keatas, tekanannya menurun dan beberapa bagian dari air menjadi uap. Uap ini kemudian dipisahkan dari air dan dialirkan untuk memutar turbin. Sisa air dan uap
yang terkondensasi kemudian disuntikkan kembali melalui sumur injeksi kedalam reservoir, yang memungkinkan sumber energi ini berkesinambungan dan terbarui.
c) Sistem Bynari Cycle
Dioperasikan dengan air pada temperatur lebih rendah yaitu antara 107°- 182°C. Pembangkit ini menggunakan panas dari air panas untuk mendidihkan fluida kerja yang biasanya senyawa organik (misalnya iso-butana) yang mempunyai titik didih rendah. Fluida kerja ini diuapkan dengan heat exchanger yang kemudian uap tersebut digunakan untuk memutar turbin. Air kemudian disuntikkan kembali kedalam reservoir melalui sumur injeksi untuk dipanaskan kembali. Pada seluruh proses dalam sistem ini air dan fluida kerja terpisah, sehingga hanya sedikit atau tidak ada emisi udara .
Untuk melakukan estimasi potensi energi panas bumi dalam kelas sumber daya spekulatif dihitung pada Persamaan (2.1) [18]:
He = A x h (1 – ή ) x ρr x Cr x T...(2.1) dimana :
He = kandungan energi panas (kJ)
A = luas daerah panas bumi prospek (km2 ) h = tebal reservoir (m)
T = temperatur reservoir (°C)
Cr = kapasitas panas batuan (kJ/kg °C) ή = porositas batuan reservoir (%) ρr = densitas batuan (kg/m3)
Asumsi angka parameter untuk perhitungan estimasi panas bumi terlihat pada Tabel (2.3), dimana untuk Desa Sipoholon estimasi panas bumi menggunakan parameter pada temperatur tinggi (>225°C) [18].
12
Tabel 2.3 Asumsi Angka Parameter Estimasi Potensi Panas Bumi [18]
Setelah diketahui kandungan energi panas bumi pada lokasi sumber terduga, maka dapat di hitung besarnya potensi listrik panas bumi yaitu besarnya energi listrik yang dapat dibangkitkan selama periode waktu 1 (satu) tahun menggunakan Persamaan (2.2) :
Hel = ………...…….….(2.2) dimana :
1 joule = 1 watt detik
Hel = potensi listrik panas bumi (kJ/s) atau (MWe) η = faktor konversi listrik (%)
2.4 Pembangkit Listrik Tenaga Matahari (Solar) a) Sistem Photovoltaic
Energi matahari menghasilkan 2 (dua) macam energi yaitu panas dan cahaya. Panas matahari biasanya digunakan untuk sistem pemanasan air dan cahaya matahari untuk sistem pembangkit tenaga matahari.
Parameter
Temp.
Tinggi (>225°C)
Temp.
Sedang (125°C -
225°C)
Temp.
Tinggi (<225°C) Tebal Reservoir (meter) 2.000 2.000 2.000
Saturasi air (%) 100 100 100
Porositas batuan (%) 10 10 10
Kapasitas panas batuan
(kJ/Kg°C) 1 0,9 0,8
Densitas Batuan (Kg/m3) 2,5 x 103 2,6 x 103 2,7 x 103 Faktor Konversi Listrik
(%) 10 10 10
He x ή 365 x 24 x 3600
Cahaya matahari terdiri atas partikel energi surya yang disebut dengan foton, dimana foton-foton mengandung tingkat energi yang berbeda-beda.
Perbedaan tingkat energi dari foton cahaya akan menentukan panjang gelombang dari spektrum cahaya. Ketika foton mengenai permukaan suatu sel PV, maka foton tersebut dapat dibiaskan, diserap, ataupun diteruskan menembus sel PV.
Foton yang diserap oleh sel PV inilah yang dapat dikonversi menjadi energi listrik [19].
Konsep sederhana pembangkit listrik tenaga matahari yaitu mengubah cahaya matahari menjadi energi listrik. Pembangkit listrik tenaga matahari dapat menghasilkan energi listrik dalam jumlah yang tidak terbatas yang langsung diambil dari matahari, tanpa ada bagian yang berputar sehingga tidak berisik, bersih dan ramah lingkungan.
Sistem pembangkit listrik tenaga surya fotovoltaik yang digunakan terdiri dari panel sel surya (solar cell), rangkaian kontroller pengisian baterai (battery control regulator), dan aki (battery). Sel Surya (solar cell) terdiri dari 2 (dua) tipe yaitu : crystalline dan amorphous [20]. Konversi energi pada solarcell dilakukan dengan menggunakan efek fotoelektrik. Gambar (2.2) menunjukkan salah satu contoh modul solar cell.
14
Gambar 2.2 Modul Solarcell
Modul sel surya menghasilkan energi listrik yang proporsional dengan luas permukaan panel yang terkena sinar matahari. Sel surya merupakan sambungan dua semikonduktor tipe P dan N. Dalam sambungan P-N tersebut terbentuk tiga daerah berbeda. Pertama daerah tipe P, yang mayoritas pembawa muatannya adalah lubang (hole), kedua daerah tipe N dengan mayoritas pembawa muatan adalah elektron dan ketiga adalah daerah pengosongan (deplesi), pada daerah ini terdapat medan listrik internal yang arahnya dari N ke P. Apabila radiasi sinar matahari mengenai sel surya tersebut maka akan terbentuk elektron dan hole.
Adanya pengaruh medan listrik internal, maka hole akan bergerak menuju ke P dan elektron akan bergerak menuju N, sehingga keduanya menghasilkan arus fotodifusi. Sedangkan pada daerah pengosongan dapat pula terjadi pasangan hole dan elektron yang karena pengaruh medan internal yang sama akan bergerak menuju ke arah mayoritasnya, sehingga akan menghasilkan arus. Gambar (2.3) menunjukkan proses konversi energi cahaya matahari pada modul solar cell.
Gambar 2.3 Sistem Sel Surya [21]
Pada umumnya modul PV memiliki spesifikasi teknis yang dibedakan dalam dua kondisi, Standard Test Condition (STC) dan Normal Operating Test Condition (NOTC). STC adalah kondisi laboratorium saat modul PV diuji dan merupakan tolak ukur yang dipakai untuk membandingkan berbagai jenis modul PV. Jenis sel PV yang biasa digunakan untuk wilayah Indonesia adalah tipe polycrystalline dengan pertimbangan berbagai faktor seperti kondisi iklim, efisiensi biaya, dan pangsa pasar global [22]. Tingkat suhu berpengaruh terhadap kinerja solar panel. Idealnya solar panel bekerja pada temperatur standar 25°C.
Seiring dengan meningkatnya suhu, maka efisiensi kinerja solar panel juga menurun [23].
Dari pengujian yang telah dilakukan, menunjukkan bahwa setiap kenaikan temperatur 1°C dari temperatur standar panel surya, maka akan mengakibatkan daya yang dihasilkan oleh panel surya berkurang sekitar 0.5% [24]. Panel surya akan semakin optimal ketika berhadapan langsung dengan matahari, dalam artian
16
PMPP saat naik menjadi t°C
PMPP
posisi permukaan panel surya berhadapan langsung dengan iradian yang datang atau tegak lurus menghadap matahari [25].
Untuk menghitung besarnya daya yang berkurang pada saat temperatur disekitar panel mengalami kenaikan °C dari temperatur standarnya, menggunakan rumus pada Persamaan (2.3) :
Psaat t naik °C = 0,5% /°C x PMPP x kenaikan temperatur (°C)…..(2.3) dimana :
P saat t naik °C = daya pada saat temperatur naik °C dari temperatur standarnya.
PMPP = daya keluaran maksimum panel surya.
Daya keluaran maksimum panel surya pada saat temperaturnya naik menjadi t°C dari temperatur standarnya diperhitungkan dengan menggunakan rumus pada Persamaan (2.4) :
PMPP saat naik menjadi t°C = PMPP – P saat t naik °C...(2.4) dimana :
PMPP saat naik menjadi t°C = daya keluaran maksimum panel surya pada saat temperatur disekitar panel surya naik menjadi t°C dari temperatur standarnya.
Faktor koreksi temperatur (Temperature Correction Factor) diperhitungkan dengan menggunakan rumus pada Persamaan (2.5) :
TCF = ...(2.5)
P watt peak
PMPP
𝐸𝐿
𝐺𝑎𝑣 𝑥 𝜂𝑃𝑉 𝑥 𝑇𝐶𝐹 𝑥 𝜂𝑂𝑢t
b) Kapasitas Komponen Pembangkit Tenaga Matahari 1. Jumlah Panel Surya
Daya (W peak) yang dibangkitkan PLTS untuk memenuhi kebutuhan energi, diperhitungkan dengan Persamaan (2.6) :
Jumlah Panel Surya = ...(2.6) dimana :
P watt peak = Daya yang dibangkitkan (Wp)
PMPP = Daya maksimum keluaran (output) panel surya (Wp) 2. Menghitung Area Array (PV Array)
Luas area array (PV Area) diperhitungkan dengan menggunakan rumus pada Persamaan (2.7) :
𝑃𝑉 𝐴𝑟𝑒𝑎 = ………..………… (2.7) dimana :
EL = pemakaian energi (kWh/hari)
Gav = isolasi harian matahari rata-rata (kWh/m2/hari) ηPV = efisiensi panel surya
η out = efisiensi inverter
TCF = Temperature Correction Factor 3. Daya yang dibangkitkan PLTS (Watt Peak)
Dari perhitungan area array, maka besar daya yang dibangkitkan PLTS (Watt peak) dapat diperhitungkan dengan rumus pada Persamaan (2.8) :
P Watt peak = Area array x PSI x ƞPV ……...(2.8) dimana :
PSI (Peak Solar Insolation) = 1000 W/m2
ȠPV = efisiensi panel surya
18
c) Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Matahari
Ada beberapa jenis sistem PLTS, baik untuk sistem yang tersambung ke jaringan listrik PLN (on-grid) maupun sistem PLTS yang berdiri sendiri (stand alone) atau tidak terhubung ke jaringan listrik PLN (off-grid) [23]. Jenis sistem PLTS on-grid ada PLTS rooftop (terpasang di atap) dan PLTS skala utilitas.
Sedangkan untuk PLTS off-grid jenisnya ada PLTS tersebar (SHS), PLTS Komunal atau terpusat, dan PLTS hibrida.
1. PLTS Grid Connected
Sistem PLTS Grid Connected pada dasarnya adalah menggabungkan PLTS dengan jaringan listrik (PLN) atau terhubung dengan jaringan PLN.
Komponen utama dalam sistem ini adalah inverter grid atau Power Conditiong Unit (PCU). Inverter inilah yang berfungsi mengubah daya DC yang dihasilkan oleh PLTS memjadi daya AC sesuai dengan persyaratan dari jaringan listrik yang terhubung (utility grid).
2. PLTS Off Grid (Stand Alone)
PLTS off-grid atau PLTS berdiri sendiri (stand-alone), beroperasi tanpa terhubung dengan jaringan PLN. Energi listrik yang dihasilkan di siang hari akan disimpan dalam baterai sebelum digunakan. Ada dua konfigurasi sistem PLTS offgrid yang umum digunakan, yaitu sistem penyambungan AC atau AC-Coupling dan penyambungan DC atau DC-coupling. Sistem AC-coupling menghubungkan rangkaian modul surya dan baterai ke sisi AC melalui inverter jaringan dan inverter baterai. Jika ada kelebihan daya yang tidak digunakan oleh beban, maka kelebihan daya akan dikonversi kembali ke DC oleh inverter baterai dan energi
akan disimpan dalam baterai. Sistem DC-coupling menghubungkan rangkaian modaul fotovoltaik ke sisi DC sistem PLTS melalui solar change controller.
Gambar menunjukkan diagram dari PLTS yang berdiri sendiri.
Model proyek tenaga surya pada RETScreen dapat digunakan dengan efisien. Evaluasi dapat dilakukan untuk 3 (tiga) aplikasi dasar tenaga surya yaitu : on-grid, off-grid, dan sistem pompa air [26].
Rata-rata lama penyinaran ideal yang dapat memproduksi listrik pada panel surya adalah 4 hingga 5 jam per hari. Wialayah paling barat dan timur memiliki potensi penyinaran ideal yang paling besar, yaitu 5 jam. Dengan area meliputi di barat adalah Aceh, Sumatera Barat, Sumatera Utara, Riau, Kepulauan Riau, Jambi dan sebagian Bengkulu. Sedangkan di area timur meliputi seluruh Papua, Maluku, Nusa Tenggara Timur, Nusa Tenggara Barat, dan sebagian Sulawesi dengan rata- rata penyinaran 4,5 – 4,8 jam [27].
2.5. Analisis Kelayakan Teknis dan Finansial 2.5.1 Analisis Kelayakan Teknis
Aspek teknis yang dianalisis yaitu kapasitas energi dan emisi gas rumah kaca atau Green House Gas (GHG) yang dihasilkan dari perancangan sistem hybrid yang dibuat.
a. Kapasitas Energi Yang Dihasilkan
RETScreen Expert akan menganalisis aspek teknis ini setelah parameter pembangkit sistem hybrid dimasukkan. Hasil analisa akan menunjukkan apakah proyek yang akan dilaksanakan dapat dilanjutkan atau tidak.
20
b. Emisi Gas Rumah Kaca
Gas rumah kaca merupakan gas-gas di atmosfer yang memiliki kemampuan menyerap dan memancarkan kembali radiasi infra merah yang berasal dari sinar matahari. Secara alami GRK terdapat pada atmosfer bumi dan keberadaannya sangat penting bagi keberlangsungan kehidupan di bumi.
Keberadaan GRK akan menjaga suhu permukaan bumi berada pada kisaran 15°C sementara tanpa keberadaan GRK suhu permukaan bumi akan mencapai 18°C [28]. Peningkatan konsentrasi GRK di atmosfer berbanding lurus dengan peningkatan jumlah radiasi inframerah yang terjebak di atmosfer yang mendorong terjadinya pemanasan global (global warming).
Sektor penyediaan energi menjadi kontributor utama emisi GRK dunia.
Penyediaan energi menghasilkan 25,9% emisi GRK pada tahun 2004 [28].
Besarnya emisi GRK yang dihasilkan dari sektor penyediaan energi disebabkan sebagian besar pembangkit listrik menggunakan energi fosil. Salah satu metode yang dapat dilakukan untuk mengurangi emisi GRK dari penyediaan energi yaitu dengan penggunaan energi terbarukan untuk menggantikan energi fosil.
2.5.2 Analisis Finansial
Analisis finansial merupakan suatu analisis yang membandingkan antara biaya dan manfaat untuk menentukan apakah suatu proyek akan menguntungkan atau tidak. Di bidang energi terbarukan, pemerintah sudah mengeluarkan peraturan tentang harga jual tenaga listrik berdasarkan jenis dan lokasi pembangkit listrik. Untuk pembangkit seperti, angin matahari, biomassa, biogas dan kelautan tenaga air setara dengan 85% tarif listrik lokal, tetapi jika lebih
Rt
(1 + i ) t
rendah dari jumlah tarif listrik nasional maka harga jual listrik sesuai ketentuan kesepakatan antara pihak swasta dan PLN [8].
Beberapa metode yang umum digunakan dalam analisis finansial antara lain Net Present Value (NPV), Internal Rate Return (IRR), Benefit Cost Ratio (BCR) dan Payback Periode (PP), laba rugi dan analisa sensitivitas.
a. Net Present Value (NPV)
NPV (net present value) adalah selisih antara pengeluaran dan pemasukan yang telah didiskon dengan menggunakan social opportunity cost of capital sebagai diskon faktor, atau dengan kata lain merupakan arus kas yang diperkirakan pada masa yang akan datang yang didiskonkan pada saat ini. Untuk menghitung NPV diperlukan data tentang perkiraan biaya investasi, biaya operasi, dan pemeliharaan serta perkiraan manfaat/benefit dari proyek yang direncanakan.
Persamaan (2.9) dalam menghitung NPV adalah :
NPV = ………(2.9) dimana :
t = Waktu arus kas (Tahun) I = Suku bunga diskonto (%)
Rt = Arus kas bersih (the net cash flow) dalam waktu t
Apabila NVP > 0 maka investasi yang dilak ukan memberikan manfaat dan proyek bisa dijalankan, sedangkan apabila NVP < 0 maka investasi yang dilakukan mengakibatkan kerugian atau proyek ditolak.
b. Internal Rate Of Return (IRR)
IRR (internal rate of return) merupakan indikator tingkat efisiensi dari suatu investasi. Suatu proyek/investasi dapat dilakukan apabila laju
22
pengembaliannya (rate of return) lebih besar daripada laju pengembalian apabila melakukan investasi di tempat lain (bunga deposito bank, reksadana dan lain- lain).
Jika tingkat suku bunga sebesar IRR, maka nilai NPV = 0. Jika tingkat suku bunga r < IRR, maka suatu proyek secara ekonomi layak untuk dibangun.
Meskipun nilai r = IRR, secara ekonomi proyek masih cukup layak untuk dilaksanakan.
c. Benefit Cost Ratio (BCR)
Benefit Cost Ratio adalah sebuah perbandingan antara semua nilai benefit terhadap semua nilai pengorbanan atau biaya.
Perhitungan BCR dengan persamaan (2.10) :
B/C= PWbenefit/(PW cost) ………...… (2.10) dimana :
PW = Present worth ( nilai ekivalen pada saat sekarang)
Jika B/C ≥ 1, maka alternatif investasi atau proyek layak (feasible), diterima dan jika B/C < 1, maka alternatif investasi atau proyek tidak layak (not feasible).
d. Payback Period (PP)
Payback Period (PP) dapat diartikan sebagai periode pembayaran atau pengembalian modal investasi dalam jangka waktu tertentu. Perhitungan Payback Period (PP) energi panas bumi dan matahari untuk beberapa provinsi di Indonesia dengan asumsi bunga 10% / tahun, jangka waktu pembayaran kembali 7 tahun dan pinjaman sebesar 70% dari total investasi diperoleh seperti terdapat pada Tabel
(2.4) [8]. Tabel (2.4) juga menunjukkan PP PLTP beberapa provinsi di Indonesia, dimana Provinsi Sumatera Utara memiliki PP selama 5,4 tahun.
Tabel 2.4 Payback period pembangkit listrik tenaga panas bumi [8]
No. Provinsi Biaya Listrik (Rp)
Payback Period (Tahun)
1 Aceh 1.491 4,5
2 Sumatera Utara 1.308 5,4
3 Sumatera Barat 1.025 7,7
4 Riau 1.470 4,6
5 Jambi 1.025 7,7
6 Bangka Belitung 2.077 3
7 Kepulauan Riau - -
8 Sumatera Selatan 1.025 7,7
9 Bengkulu 1.025 7,7
10 Lampung 1.025 7,7
Berdasarkan Tabel (2.4) Provinsi Sumatera Utara potensial untuk pengembangan pembangkit listrik tenaga panas bumi dengan periode pembayaran yang relatif singkat. Untuk payback period PLTS, Provinsi Bangka Belitung memiliki jangka waktu tercepat, namun biaya listrik yang cukup tinggi seperti pada Tabel (2.5) [8].
24
Tabel 2.5 Payback Period pembangkit listrik tenaga matahari [8]
No. Provinsi Biaya Listrik (Rp)
Payback Period (Tahun)
1 Aceh 1.267 9,6
2 Sumatera Utara 1.112 11,9
3 Sumatera Barat 1.025 13,8
4 Riau 1.250 9,8
5 Jambi 1.025 13,8
6 Bangka Belitung 1.765 5,9
7 Kepulauan Riau 1.250 9,8
8 Sumatera Selatan 1.025 13,8
9 Bengkulu 1.025 13,8
10 Lampung 1.025 13,8
2.6 Perangkat Lunak RETScreen Expert
RETScreen Expert adalah sebuah perangkat lunak yang digunakan untuk memfasilitasi studi pra-kelayakan dan studi kelayakan proyek- proyek energi bersih. Dengan menerapkan lima langkah analisa proyek sesuai standar internasional, RETScreen Expert dapat membantu para stakeholders (terutama calon investor) untuk membuat keputusan-keputusan penting menjelang implementasi proyek.
RETScreen Expert yang didesain oleh RETSCreen International Canada, menyediakan fasilitas studi kelayakan untuk berbagai teknologi energi bersih, yaitu: energi angin, energi air skala kecil, energi surya, cogeneration (gabungan listrik dan panas), energi biomassa, pemanas udara tenaga surya, pemanas air tenaga surya, sistem pengendalian temperatur gedung pasif, dan panas bumi (geothermal). Gambar (2.4) merupakan tampilan awal perangkat lunak RETScreen Expert yang dipergunakan dalam penelitian ini.
Gambar 2.4 Tampilan awal perangkat lunak RETScreen Expert
Perangkat lunak ini menggunakan data iklim dunia National Aeronautics and Space Administration (NASA) sebagai salah satu bagian dari alat analisisnya [6]. Keluaran yang dihasilkan RETScreen Expert meliputi kapasitas energi, estimasi pengurangan emisi gas rumah kaca, analisa finansial, analisa sensitifitas dan analisa resiko.
Untuk menganalisa kelayakan sistem hybrid baik secara teknis dan finansialnya dengan menggunakan perangkat lunak Retscreen Expert, terdapat tahapan - tahapan yang harus dilakukan, seperti :
a. Energi Model
Pada lembar kerja ini, pengguna memasukkan beberapa parameter yang menggambarkan tata letak proyek, peralatan dan teknologi yang akan digunakan
26
dan beban atau sumber daya. Perangkat lunak kemudian menghitung beberapa nilai lain seperti produksi energi tahunan dan kapasitas daya pembangkit.
b. Analisis Biaya
Dalam lembar kerja analisis biaya, perangkat lunak memungkinkan pengguna untuk memasukkan biaya awal, tahunan dan periodik.
c. Analisis Emisi Gas Rumah Kaca atau Green House Gas (GHG)
Lembar kerja ini dapat digunakan untuk menentukan pengurangan emisi gas rumah kaca sebagai hasil dari menggunakan teknologi terbarukan atau bersih daripada teknologi konvensional.
d. Analisis Finansial/Keuangan
Pada lembar kerja ini, pengguna memasukkan parameter keuangan yang diperlukan untuk analisis keuangan. Parameter ini meliputi inflasi, tingkat diskon, utang, pajak, dan lainnya. Menggunakan parameter ini bersama dengan biaya dan harga listrik, RETScreen menghitung beberapa indikator keuangan untuk mengevaluasi kelayakan proyek yang diusulkan. Beberapa indikator ini yaitu Internal Rate of Return (IRR), Net Present Value (NPV) dan Benefit Cost Ratio (BCR), dan PP (payback Period).
e. Sensitivitas dan Analisis Risiko
Ini adalah lembar kerja opsional. Ini membantu pengguna menentukan bagaimana ketidakpastian dalam beberapa parameter input dapat mempengaruhi kelangsungan hidup keuangan secara keseluruhan proyek.
27 BAB 3
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Lokasi dan Waktu Penelitian Penelitian ini dilaksanakan di Desa Sipoholon, Kabupaten Tapanuli Utara,
Sumatera Utara. Waktu pelaksanaan penelitian dan penulisan berlangsung bulan September 2020 sampai dengan Februari 2021.
3.2 Tahapan Penelitian
Untuk mendapatkan hasil yang diharapkan maka penelitian ini dilakukan dengan langkah-langkah pada Gambar (3.1).
3.3 Studi Literatur
Penelitian dimulai dengan melakukan studi literatur terhadap perancangan sistem hybrid energi terbarukan, pembangkit listrik tenaga panas bumi, pembangkit listrik tenaga surya dan analisis pembangkit energi terbarukan menggunakan perangkat lunak RETScreen Expert.
28
Gambar 3.1 Tahapan Penelitian Mulai
Studi Literatur
Pengumpulan Data 1. Lokasi penelitian
2. Kondisi cuaca
3. Parameter pembangkit 4. Ketentuan tarif listrik
Desain & input data Sistem Hybrid Renewable Energy
Hasil dan Kesimpulan : 1. Analisis Teknis :
- Kapasitas energi
- Green House Gas (GHG) 2. Analisis Finansial : - Net Present Value (NPV) - Benefit Cost Ratio (BCR) - Internal Rate Of Retun (IRR) - Payback Period (PP)
Selesai
Simulasi RETScreen Expert
Ya
Tidak Layak?
3.4 Pengumpulan Data a. Lokasi Penelitian
Lokasi yang diusulkan dalam penelitian ini adalah Desa Sipoholon, Kabupaten Tapanuli Utara. Luas daerah yang dilakukan penyelidikan memiliki ukuran sekitar 14 km (ke arah timur) x 16 km (ke arah utara), dengan posisi geografis antara 1o56’00” - 2o06’00’’ lintang utara dan 98o54’00”- 99o 01’30”, belahan bumi utara [3]. Gambar (3.2) merupakan tangkapan layar lokasi penelitian pada perangkat lunak RETScreen Expert.
Gambar 3.2 Tampilan lokasi penelitian melalui RETScreen Expert
Lokasi desa Sipoholon Kabupaten Tapanuli Utara memiliki banyak sumber air panas sebagai bentuk manifestasi panas bumi. Gambar (3.3) adalah salah satu sumber air panas yang dimanfaatkan masyarakat Desa Sipoholon untuk area rekreasi atau pemandian air panas.
30
Gambar 3.3 Manifestasi panas bumi di Desa Sipoholon
b. Kondisi Cuaca
Berdasarkan data dari 79 stasiun pengamatan BMKG, normal suhu udara bulan Februari periode 1981-2010 di Indonesia adalah sebesar 26.4 oC (dalam range normal 20.6 oC - 28.2 oC) dan suhu udara rata-rata bulan Februari 2021 adalah sebesar 26.9 oC. Berdasarkan nilai-nilai tersebut, anomali suhu udara rata-rata pada bulan Februari 2021 merupakan anomali positif dengan nilai sebesar 0.5 oC. Gambar (3.4) menunjukkan anomali suhu udara Indonesia pada bulan Februari 2021 ini merupakan nilai anomali tertinggi ke-tujuh sepanjang periode data pengamatan sejak 1981 [29].
Gambar 3.4 Normal suhu rata-rata bulanan 1981-2010 hingga Februari 2021 [29]
c. Parameter Pembangkit
Data yang dibutuhkan dalam penelitian ini yaitu parameter pembangkit energi listrik yang diperoleh dari jurnal terkait dan data iklim dari perangkat lunak RETScreen Expert. Data iklim mengacu kepada hasil pengukuran satelit National Aeronautics and Space Administration (NASA) di Amerika Serikat dan dapat menampilkan data iklim pertahun pada beberapa tempat di seluruh dunia. Data iklim yang dimaksud adalah temperatur udara, kelembaban relatif, intensitas radiasi matahari perhari, tekanan udara, kecepatan dan angin.
32
d. Ketentuan Tarif
Sumber data lainnya adalah ketentuan tarif untuk Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLPB) dan Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS), untuk wilayah Provinsi Sumatera Utara serta biaya pendukung lainnya.
3.5 Perancangan Pembangkit Hybrid
Sistem hybrid dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis, yaitu tanpa baterai dan yang menggunakan baterai. Pada penelitian ini akan dibahas mengenai sistem hybrid tenaga panas bumi dengan tenaga matahari yang tidak menggunakan baterai sebagai penyimpan energi listrik (storage system).
Hibridasi antara panas bumi-matahari bertujuan untuk mendapatkan kontinuitas pasokan (supply) energi listrik ke beban. Sistem hybrid yang akan dirancang menggunakan prinsip kerja secara satu arah dan paralel, dimana beban akan dipasok oleh pembangkit tenaga matahari dan pada saat waktu tertentu beban dipasok oleh pembangkit panas bumi.
Ketika intensitas radiasi matahari tinggi (siang hari), maka daya yang dibangkitkan pembangkit tenaga matahari akan maksimum (daya PV lebih besar dari daya beban) sehingga dapat memasok beban. Sebaliknya jika intensitas radiasi matahari berkurang atau malam hari (daya PV lebih kecil dari daya beban), maka pembangkit panas bumi harus beroperasi untuk menjaga kontinuitas pelayanan beban. Penggunaan tenaga matahari dalam sistem hybrid ini adalah untuk mengurangi kerja pembangkit tenaga panas bumi yang memiliki biaya pembangkitan yang relatif lebih mahal dibandingkan tenaga matahari.
Perancangan sistem hybrid tenaga panas bumi dan matahari di Desa Sipoholon pada penelitian ini seperti ditunjukkan pada Gambar (3.5).
Gambar 3.5 Perancangan sistem hybrid
Perangkat lunak RETScreen Expert terlebih dahulu dihubungkan dengan jaringan internet. Setelah memilih lokasi penelitian, perancangan dilanjutkan dengan memasukkan parameter-parameter yang akan dianalisis. Gambar (3.6) merupakan tampilan perangkat lunak RETScreen Expert untuk memasukan parameter pembangkit.
34
Gambar 3.6 Tampilan menu parameter pembangkit RETScreen Expert
Spesifikasi panel surya dan inverter yang diusulkan dalam penelitian ini terdapat pada Tabel (3.1) [26].
Tabel 3.1 Spesifikasi Panel Tenaga Surya dan Inverter yang Diusulkan
Panel Surya
Type Poly-Si
Kapasitas Daya 290 W
Manufaktur Yingli Solar
Model Poly-Si - YGE - YL290P-
35b
Efisiensi 14,90%
Suhu sel operasi
maksimal 45°C
Area cakupan matahari 86,152 m2 Kerugian lain-lain 15%
Inverter
Efisiensi 98%
Kapasitas 100 KW
Kerugian lain-lain 0%
Untuk spesifikasi dan parameter pembangkit tenaga panas bumi yang diusulkan sebagaimana terdapat pada Tabel (3.2). Pemilihan perusahaan manufactur pembangkit panas bumi berserta model dan kapasitas sudah tersedia di perangkat lunak RETScreen Expert. Perancangan pembangkit listrik sistem hybrid disimulasikan untuk mengetahui kelayakan sistem berdasarkan aspek teknik dan finansial. Analisa aspek teknis hasil simulasi perangkat lunak RETScreen Expert meliputi hasil produksi listrik dan emisi gas rumah kaca (GHG), sedangkan analisa berdasarkan aspek finansial meliputi NPV (Net Present Value), IRR (Internal Rate of Return), Benefit Cost Ratio (BCR) dan PP (payback Period).
36
Tabel 3.2 Spesifikasi dan Parameter Pembangkit Panas Bumi yang Diusulkan
Parameter Nilai Referensi
Perusahaan
Manufaktur Siemens RETScreen
Model Geothermal Power Plants
Sgeo RETScreen
Kapasitas 5.000 kW RETSCreen
Tekanan Operasi 10 bar [15]
Suhu Uap 230 ° C [15]
Suhu Penjenuhan 180 ° C [15]
Tekanan Balik 8 kPa RETScreen
Efisiensi Turbin Uap 77% Estimasi
Kapasitas Minimum 40% Estimasi
Gambar (3.7) merupakan menu RETScreen Expert untuk menampilkan hasil simulasi teknis pembangkit hybrid yang diusulkan. Kapasitas daya terpasang dan energi listrik yang dapat dieksport ke jaringan akan ditunjukkan pada menu ini. Hasil simulasi akan diperoleh setelah memasukkan parameter kedua pembangkit.
Gambar 3.7 Menu RETScreen Expert untuk hasil simulasi teknis
37 BAB 4
HASIL DAN PEMBAHASAN
Setelah ditentukan parameter pembangkit tenaga panas bumi dan tenaga matahari yang diusulkan, maka akan di analisis kelayakan pembangkit secara teknis dan finansial.
4.1 Analisis Teknis
4.1.1 Analisis energi listrik yang dapat dihasilkan a. Pembangkit Tenaga Matahari
Berdasarkan data Rencana Program Investasi Jangka Menengah Bidang Pekerjaan Umum/Cipta Karya Tahun 2014-2018 Kabupaten Tapanuli Utara, standard daya untuk Desa Sipoholon sebesar 9 VA per orang [30]. Dimana Desa Sipoholon memiliki luas 189,20 Km2 dengan jumlah penduduk sebanyak 24.156 jiwa [31]. Sehingga total kebutuhan daya menjadi 217.404 VA atau sekitar 220 kW. Dengan pemakaian perhari (24 jam), maka diperoleh total kebutuhan energi (El) untuk Desa Sipoholon sebesar 5.280 kWh.
Tahap awal penelitian ini yaitu menganalisis kebutuhan jumlah panel surya dan besar energi listrik yang dapat dihasilkan. Dengan lama penyinaran ideal selama 5 (lima) jam, maka dalam penelitian ini jam puncak intensitas radiasi matahari untuk pembangkit tenaga matahari beroperasi diasumsikan mulai dari jam 10.00 WIB sampai dengan jam 15.00 WIB setiap harinya.
Sehingga besar energi yang dibutuhkan selama 5 (lima) jam tersebut adalah sebesar :
38
= 220 kW × 5 h
= 1.100 kWh
Berdasarkan data BMKG, suhu udara rata-rata bulan Februari 2021 adalah sebesar 26.9 oC. Terjadi kenaikan sebesar 1,9 oC dari suhu standar (25 oC). Panel surya yang akan dipergunakan sebagai acuan adalah panel sesuai spesifikasi Tabel (3.1). Panel surya ini memiliki spesifikasi daya (PMPP) sebesar 290 W per panel.
Maka besar daya yang berkurang saat suhu mengalami kenaikan sebesar 1,9 oC dihitung dengan Persamaan (2.3) :
P saat t naik °C = 0,5% /°C x PMPP x kenaikan temperatur (°C)
= 0,5 % x 290 x 1,9 °C
= 2,755 W
Untuk daya keluaran maksimum panel surya pada saat temperature naik menjadi 26.9 oC, diperhitungkan dengan Persamaan (2.4) :
PMPP saat naik menjadi t°C = PMPP – P saat t naik °C
= 290 W – 2,755 W
= 287,245 W
Berdasarkan hasil perhitungan daya keluaran maksimum panel surya pada saat temperaturnya naik menjadi 26.9 oC, maka nilai TCF dapat dihitung dengan Persamaan (2.5) :
TCF =
TCF =
PMPP saat naik menjadi t°C
PMPP
287,245 W 290 W
TCF = 0,99
Efisiensi keluaran (ηout) ditentukan berdasarkan efisiensi komponen- komponen yang melengkapi PLTS seperti: baterai, change controller, dan inverter. Karena PLTS yang akan dikembangkan di Desa Sipoholon dilengkapi dengan inverter maka nilai untuk ηout ditentukan berdasarkan efisiensi inverter, yaitu sebesar 0.98.
Tabel (4.1) merupakan hasil simulasi menggunakan perangkat lunak RETScreen Expert yang menunjukkan besar radiasi matahari di Desa Sipoholon dengan panel surya pada posisi horizontal. Hasil simulasi akan ditampilkan setelah titik lokasi penelitian diatur melalui perangkat lunak RETScreen Expert.
Tabel 4.1 Radiasi matahari harian pada posisi horizontal
Bulan Radiasi matahari harian- horizontal kWh/m2/hari
Januari 5,41
Februari 5,74
Maret 5,54
April 5,28
Mei 5,22
Juni 5,09
Juli 4,93
Agustus 4,85
September 4,91
Oktober 4,89
November 4,71
Desember 4,99
Tahunan 5,13
Kemudian pembangkit tenaga matahari disimulasikan menggunakan perangkat lunak RETSceen Expert dalam 2 (dua) posisi pelacakan sel surya, yaitu
40
posisi tetap dengan sudut kemiringan 45° dan posisi azimuth dengan kemiringan 45°. Gambar (4.1) merupakan ilustrasi pelacakan sel surya dengan sudut kemiringan 45°.
Gambar 4.1 Pelacakan sel surya dengan kemiringan 45°
Sedangkan untuk posisi azimuth panel surya diputar 45° searah putaran jarum jam dengan kutub Utara sebagai titik nol. Gambar (4.2) menunjukkan pelacakan panel surya dengan azimuth 45°.
Gambar 4.2 Pelacakan panel surya dengan azimuth 45°
Panel Surya
Panel Surya
Sudut Azimuth
Pada menu model energi yang ada di perangkat lunak RETScreen Expert dapat diatur posisi pelacakan sel surya. Tabel (4.2) menunjukkan nilai radiasi matahari dengan pelacakan sel surya posisi azimuth dengan sudut kemiringan 45°.
Tabel 4.2 Pelacakan sel surya posisi Azimuth dengan sudut kemiringan 45°
Bulan Radiasi matahari harian- Azimut 45° kWh/m2/hari
Januari 6,77
Februari 6,89
Maret 6,31
April 6,00
Mei 6,21
Juni 6,21
Juli 5,88
Agustus 5,51
September 5,42
Oktober 5,55
November 5,58
Desember 6,21
Tahunan 6,04
Berdasarkan simulasi juga diperoleh bahwa rata-rata radiasi matahari tahunan posisi azimuth dengan sudut kemiringan 45° sebesar 6,04 kWh/m2/hari.
Tabel (4.3) menunjukkan hasil simulasi dengan pelacakan sel surya posisi tetap dengan sudut kemiringan 45°. Terdapat perbedaan besar radiasi matahari harian dari posisi pelacakan pertama.
Hasil simulasi menunjukkan bahwa pelacakan sel surya dengan posisi azimuth dengan kemiringan 45° memiliki nilai radiasi harian yang lebih besar.
42
Sehingga nilai radiasi posisi azimuth dengan kemiringan 45° akan digunakan dalam analisis yang dilakukan.
Tabel 4.3 Pelacakan sel surya dengan sudut kemiringan tetap 45°
Bulan
Radiasi matahari harian- posisi tetap 45°
kWh/m2/hari
Januari 5,67
Februari 5,47
Maret 4,63
April 3,79
Mei 3,25
Juni 2,93
Juli 2,99
Agustus 3,35
September 3,91
Oktober 4,44
November 4,73
Desember 5,31
Tahunan 4,20
Apabila nilai EL, Gav, ηPV, TCF dan ηout disubtitusikan pada Persamaan (2.7) maka akan diperoleh :
PV Area =
PV Area =
PV Area = 1.341,4 m2
Dari perhitungan area array, maka besar daya yang dibangkitkan PLTS (Watt-peak) dapat dihitung dengan Persamaan (2.8). Dengan area array adalah
𝐸𝐿
𝐺𝑎𝑣 𝑥 𝜂𝑃𝑉 𝑥 𝑇𝐶𝐹 𝑥 𝜂𝑂𝑢t 1.100 KWh
6,04 kWh/m2/hari 𝑥 0,149𝑥 0.99 𝑥 0.98
187.796 Wp 290 Wp
1.341,4 m2 , Peak Sun Insolation (PSI) adalah 1000 W/m2 dan efisiensi modul surya adalah 14,87 % maka :
PWatt peak = Area array x PSI x ƞPV
PWatt peak = 1.341,4 m2 x 1000 W/m2 x 0,149 PWatt peak = 187.796 Watt peak
Sehingga diperoleh kebutuhan untuk jumlah modul panel surya sebanyak : Jumlah panel surya =
Jumlah panel surya =
Jumlah panel surya = 647,5 unit atau sekitar 648 unit
Jumlah panel surya kemudian disimulasikan menggunakan perangkat lunak RETScreen Expert. Hasil simulasi menunjukkan besarnya daya yang dapat dibangkitkan sebesar 187.920 Watt atau sekitar 188 kW . Nilai yang diperoleh hampir sama dengan analisis perhitungan. Hasil simulasi pembangkit tenaga matahari yang diusulkan ditunjukkan pada Gambar (4.3).
Dari total kebutuhan kebutuhan energi listrik untuk Desa Sipoholon sebesar 5.280 kWh (24 jam operasional), sebanyak 1.100 kWh akan dipasok dari pembangkit tenaga matahari (5 jam operasional). Sehingga energi listrik yang akan dipasok pembangkit tenaga panas bumi adalah sebesar 4.180 kWh setiap hari.
Pwatt peak
PMPP
44
Gambar 4.3 Simulasi pembangkit tenaga matahari
b. Pembangkit Tenaga Panas Bumi
Selanjutnya akan dianalisis besarnya energi yang dapat dibangkitkan oleh pembangkit tenaga panas bumi. Sumber daya spekulatif energi panas bumi dan estimasi energi listrik di Desa Sipoholon per 1 km2 (106 m2 ) dengan h = 2000 m dan T = 230 oC dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan (2.1). Dimana berdasarkan Tabel (2.3) porositas batuan = 0,1 dan densitas batuan = 2,5 x 103 .
Berdasarkan data tersebut, maka kandungan energi panas bumi di Desa Sipoholon adalah sebesar :
He = A x h [(1 – ή) ρr x Cr x T
= 1 x 106 x 2 x 103 x (1-0,1) x 2,5 x 103 x 1 x 230 oC
= 1,035 x 1015 kJ
Dari hasil perhitungan, sumber daya spekulatif potensi panas bumi pada titik lokasi Desa Sipoholon diperoleh kandungan panas (He) sebesar 1,035 x 1015 kJ, dari hasil tersebut selanjutnya dapat dihitung estimasi besar potensi energi listrik yang dihasilkan dengan menggunakan Persamaan (2.2), diperoleh :
Hel =
Hel =
Hel = 3,2 MWe
Dengan luas area reservoir 1 km2, potensi energi listrik yang dapat dihasilkan dari pembangkit listrik tenaga panas bumi di Desa Sipoholon sebesar 3,2 Mwe per tahun. Pembangkit tenaga panas bumi yang direncanakan sesuai dengan spesifikasi pada Tabel (3.2). Kemudian disimulasikan menggunakan perangkat lunak RETScreen Expert.
Untuk mendapatkan energi yang dibutuhkan dari pembangkit tenaga panas bumi maka disimulasikan dengan memvariasikan kapasitas aliran uap pada turbin.
Gambar (4.4) menunjukkan hasil simulasi pembangkit tenaga panas bumi menggunakan RETScreen Expert dengan kapasitas aliran uap 1.250 kg/h.
He x ή 365 x 24 x 3600 1,035 x 1015 kJ . 0.1
365 x 24 x 3600
