TESIS
STUDI PEMANFAATAN CATU DAYA HIBRIDA PLTS
3,7 kWp DAN PLN PADA INSTALASI PENGOLAHAN
AIR LIMBAH (IPAL) DESA PEMECUTAN KAJA
DENPASAR BALI
PUTU ARIES RIDHANA ARIMBAWA
PROGRAM PASCASARJANA
UNIVERSITAS UDAYANA
DENPASAR
2016
i
TESIS
STUDI PEMANFAATAN CATU DAYA HIBRIDA PLTS
3,7 kWp DAN PLN PADA INSTALASI PENGOLAHAN
AIR LIMBAH (IPAL) DESA PEMECUTAN KAJA
DENPASAR BALI
PUTU ARIES RIDHANA ARIMBAWA NIM 1291761015
PROGRAM MAGISTER
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
PROGRAM PASCASARJANA
UNIVERSITAS UDAYANA
DENPASAR
ii
STUDI PEMANFAATAN CATU DAYA HIBRIDA PLTS
3,7 kWp DAN PLN PADA INSTALASI PENGOLAHAN
AIR LIMBAH (IPAL) DESA PEMECUTAN KAJA
DENPASAR BALI
Tesis untuk Memperoleh Gelar Magister
dalam Program Studi Teknik Elektro pada Program Pascasarjana Universitas Udayana
PUTU ARIES RIDHANA ARIMBAWA NIM. 1291761015
PROGRAM MAGISTER
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
PROGRAM PASCASARJANA
UNIVERSITAS UDAYANA
DENPASAR
2016
iv
Tesis Ini Telah Diuji pada Tanggal 4 Maret 2016
Panitia Penguji Tesis Berdasarkan SK Rektor
Universitas Udayana, No : 1121/UN.14.4/HK/2016, Tanggal 14 Maret 2016
Ketua : I Nyoman Satya Kumara, ST., MSc., PhD
Anggota
1. Prof. Ir. Rukmi Sari Hartati, MT., PhD 2. Prof. Ir. I. A. Dwi Giriantari, MEngSc., PhD 3. Wayan Gede Ariastina, S.T., M.Eng.Sc., PhD 4. Ir. Linawati, MEngSc., PhD
v
SURAT PERNYATAAN BEBAS PLAGIAT
Saya yang bertanda tangan dibawah ini : Nama : Putu Aries Ridhana Arimbawa NIM : 1291761015
Program Studi : Magister Teknik Elektro
Judul Tesis : Studi Pemanfaatan Catu Daya Hibrida PLTS 3,7 kWp Dan PLN Pada Instalasi Pengolahan Air Limbah (IPAL) Desa Pemecutan Kaja Denpasar Bali
Dengan ini menyatakan bahwa karya ilmiah Tesis ini bebas plagiat
Apabila dikemudian hari terbukti plagiat dalam karya ilmiah ini, maka saya bersedia menerima sanksi sesuai peraturan Mendiknas RI no. 17 tahun 2010 dan peraturan perundang-undangan yang berlaku.
vi ABSTRAK
STUDI PEMANFAATAN CATU DAYA HIBRIDA PLTS 3,7 kWp DAN PLN PADA INSTALASI PENGOLAHAN AIR LIMBAH (IPAL) DESA PEMECUTAN KAJA
DENPASAR BALI
Indonesia memiliki potensi energi listrik surya sebesar 4,5 kW/m2/hari, sehingga tergolong kaya energi matahari. Berdasarkan surat perintah kerja Dinas Pekerjaan Umum Kota Denpasar Nomor: 640/1355/ DPU tahun 2009, Desa Pemecutan Kaja merupakan desa yang menjadi percontohan di wilayah Kota Denpasar dalam pengolahan air limbah. Di desa ini telah dibangun Instalasi Pengolahan Air Limbah (IPAL) rumah tangga. IPAL ini mengolah limbah rumah tangga dari dua banjar yaitu Banjar Merthayasa dan Banjar Tulang Ampiang. Tahun 2014 pengelolaan IPAL dikelola langsung oleh Desa Pemecutan Kaja. Untuk pemeliharaan sistem, belum pernah dilakukan perawatan dan kelompok kerja desa hanya melakukan pengisian pulsa agar daya dari PLN dapat tetap tersuplai. Minimnya pengetahuan tentang pengoperasian PLTS dan belum dilakukan pengkajian tentang konsumsi energi di IPAL menjadi kendala dalam pengelolaan IPAL secara optimal dan berkelanjutan.
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui kinerja PLTS di Instalasi Pengolahan Air Limbah (IPAL) Desa Pemecutan Kaja menggunakan sistem hibrida PLTS dengan PLN, iuran masyarakat serta model pengelolaan IPAL Desa Pemecutan Kaja secara optimal dan berkelanjutan.
Hasil analisis studi pemanfaatan catu daya hibrida PLTS dan PLN di IPAL ini rata-rata energi listrik yang dihasilkan PLTS per hari yaitu 23,59 kWh dengan harga energi sebesar Rp.7.766,25/kWh. Energi listrik yang dihasilkan PLTS dapat memenuhi kebutuhan energi listrik IPAL sebelum melakukan maintenance sebesar 267,03 %, setelah melakukan maintenance sebesar 773,50 %, dengan pengembangan IPAL dengan jumlah pengguna sebanyak 200 KK sebesar 145,89 % serta pengembangan pengguna IPAL menjadi 290 KK sesuai produksi energi listrik PLTS yaitu sebesar 100,44 %. Iuran perbulan masyarakat bervariasi tergantung dari jumlah pengguna IPAL dimana dengan jumlah pengguna IPAL sebanyak 70 KK besaranya iuran perbulan adalah sebesar Rp. Rp.213.995,00, dengan pengembangan sesuai perencanaan IPAL jumlah pengguna menjadi sebanyak 200 KK besaranya iuran adalah Rp.74.899,00 serta dengan pengembangan IPAL sesuai produksi energi listrik PLTS dengan jumlah pengguna IPAL menjadi sebanyak 290 KK besaranya iuran adalah Rp.51.654,00. Berdasarkan hasil analisis tersebut, biaya energi listrik menggunanakan sumber energi terbarukan memerlukan biaya yang lebih mahal dibandingkan dengan pembangkit listrik konvensional atau menggunakan bahan bakar fosil. Kata kunci: Energi listrik terbarukan, Catu daya hibrida, PLTS, IPAL.
vii ABSTRACT
UTILIZATION STUDY HYBRID POWER SUPPLY PLTS 3.7 kWp AND PLN IN WASTE WATER TREATMENT PLANT (WWTP) PEMECUTAN KAJA VILLAGE DENPASAR
BALI
Indonesia has the potential of solar electric energy of 4.5 kW / m2 for day, so relatively rich in solar energy. Based on the work order Denpasar City Department of Public Works No. 640/1355 / DPU 2009, Pemecutan Kaja village is the pilot project of wastewater treatment in Denpasar city. In this village has been built Wastewater Treatment Plant (WWTP) households. WWTP treating household waste from two banjar : Banjar Merthayasa and Banjar Tulang Ampiang. In 2014 the management of the WWTP is directly managed by Pemecutan Kaja Village. For maintenance system, maintenance has not been done and working groups of the village only charging pulses so that power from PLN can remain well supplied. The lack of knowledge about the operation of the SPP and has not carried out an assessment of the energy consumption in WWTP become an obstacle in the management of WWTP optimal and sustainable.
The benefit of this study was to determine the performance PLTS in Waste Water Treatment Plant (WWTP) Pemecutan Kaja village hybrid system using solar power to PLN, community contributions as well as wastewater management model in Pemecutan Kaja village optimal and sustainable.
Results of the study analyzes the utilization of solar power and hybrid power supply PLN in this WWTP average electrical energy generated solar power for one day is 23.59 kWh with the prices of energy is Rp.7.766,25 / kWh. Electrical energy generated solar power can meet the electrical energy needs of the WWTP before performing maintenance at 267.03%, after performing maintenance at 773.50%, with the development of WWTP with the number of users as many as 200 families amounting to 145.89% and the development of the WWTP to 290 families PLTS corresponding electrical energy production which amounted to 100.44%. Community monthly dues vary depending on the number of users WWTP where the number of users as many as 70 families magnitude WWTP monthly fee is Rp. Rp.213.995,00, with appropriate development planning WWTP number of users to as many as 200 families the amount of dues is Rp.74.899,00 as well as with the development of electrical energy production WWTP according PLTS with the number of users to as many as 290 families WWTP amount of dues is Rp.51.654,00. Based on the results of the analysis, the cost of electricity using renewable energy sources will cost more expensive than conventional power plants or using fossil fuels.
viii
UCAPAN TERIMA KASIH
Pertama-tama perkenankanlah penulis memanjatkan puji syukur kehadapan Ida Sang Hyang Widhi Wasa/ Tuhan Yang Maha Esa, karena hanya atas asung wara nugraha-Nya/kurnia-Nya, Tesis yang berjudul “STUDI PEMANFAATAN
CATU DAYA HIBRIDA PLTS 3,7 kWp DAN PLN PADA INSTALASI PENGOLAHAN AIR LIMBAH (IPAL) DESA PEMECUTAN KAJA DENPASAR BALI” ini dapat diselesaikan.
Pada kesempatan ini perkenankanlah penulis mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada Bapak I Nyoman Satya Kumara, ST., MSc., PhD, pembimbing utama yang dengan penuh perhatian telah memberikan dorongan, semangat, bimbingan, dan saran selama penulis mengikuti program magister, khususnya dalam penyelesaian Tesis ini. Terima kasih sebesar-besarnya pula penulis sampaikan kepada Ibu Prof. Ir. Rukmi Sari Hartati, MT., PhD, Pembimbing II yang dengan penuh perhatian dan kesabaran telah memberikan bimbingan dan saran kepada penulis.
Ucapan yang sama juga ditujukan kepada Rektor Universitas Udayana Prof. Dr. dr. Ketut Suastika Sp.PD. KEMD atas kesempatan dan fasilitas yang diberikan kepada penulis untuk mengikuti dan menyelesaikan pendidikan Program Magister di Universitas Udayana. Ucapan terimakasih ini juga ditujukan kepada Direktur Program Pascasarjana Universitas Udayana yang dijabat oleh Prof. Dr. dr. A.A. Raka Sudewi, Sp.S (K) atas kesempatan yang diberikan kepada penulis untuk menjadi mahasiswa Program Magister pada Program Pascasarjana Universitas Udayana. Tidak lupa pula penulis ucapkan terima kasih kepada Prof.Ir.Ngakan Putu Gede Suardana, MT., PhD, Dekan Fakultas Teknik Universitas Udayana atas ijin yang diberikan kepada penulis untuk mengikuti pendidikan program Magister. Ucapan terima kasih penulis sampaikan pula kepada seluruh dosen yang mengajar di Program Magister Jurusan Teknik Elektro atas arahan ilmu dan solusi yang diberikan. Pada kesempatan ini, penulis juga menyampaikan rasa terimakasih kepada para penguji Tesis, yaitu Prof. Ir. I. A. Dwi Giriantari, M.Eng,Sc., PhD, Wayan Gede Ariastina, S.T., M.Eng.Sc., PhD
ix
dan Ir. Linawati, MEngSC., PhD, yang telah memberikan masukan, saran, sanggahan, dan koreksi sehingga Tesis ini dapat terwujud seperti ini. Penulis juga mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada Bapak Kepala Desa Pemecutan Kaja yang telah memberikan bantuan data dalam bentuk data-data sekunder sehingga membantu penulis dalam menyelesaikan studi ini.
Pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang tulus disertai penghargaan kepada seluruh guru-guru yang telah membimbing penulis, mulai dari sekolah dasar sampai perguruan tinggi. Penulis juga ucapkan terimakasih kepada Ibu dan Ayah yang telah mengasuh dan membesarkan penulis, memberikan dasar-dasar berpikir logik dan suasana demokratis sehingga terciptanya lahan yang baik untuk berkembangnya kreativitas. Penulis juga tidak lupa ucapkan terimakasih kepada Ayu Putu Mirah Diana Putri yang selalu setia mendampingi penulis dalam keadaan apapun dalam menyelesaikan tulisan ini. Ungkapan terimakasih juga penulis sampaikan kepada rekan-rekan kerja penulis di UNO GROUP dan rekan-rekan seperjuangan jurusan Manajemen Energi 2012 atas segala bantuan dan dukungan baik secara moril maupun materil hingga Tesis ini dapat terselesaikan.
Semoga Ida Sang Hyang Widhi Wasa/ Tuhan Yang Maha Esa selalu melimpahkan berkah dan rahmat-Nya kepada semua pihak yang telah membantu pelaksanaan dan penyelesaian Tesis ini, serta kepada penulis sekeluarga.
Denpasar, Maret 2016
x
DAFTAR ISI
Hal
SAMPUL DALAM ... i
PRASYARAT GELAR ... ii
LEMBAR PERSETUJUAN PEMBIMBING/PROMOTOR ... iii
PENETAPAN PANITIA PENGUJI ... iv
SURAT PERNYATAAN BEBAS PLAGIAT... v
ABSTRAK ... vi
ABSTRACT ... vii
UCAPAN TERIMAKASIH ... viii
DAFTAR ISI ... x
DAFTAR TABEL ... xiii
DAFTAR GAMBAR ... xiv
DAFTAR SINGKATAN ... xvi
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 5
1.3 Tujuan Penulisan ... 5
1.4 Manfaat Penelitian ... 6
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 State Of The Art ReviewOn The Application Of Solar Power System ... 7
2.2 Pembangkit Listrik Tenaga Surya ... 10
2.2.1 Sel Surya. ... 11
2.2.2 Prinsip Kerja Sel Surya ... 12
2.2.3 Karakteristik Sel Surya ... 13
2.2.4 Komponen-komponen Pembangkit Listrik Tenaga Surya ... 17
2.3 Data Isolasi Matahari di Bali ... 22
xi
2.5 Manajemen Pembangkit Listrik Tenaga Surya ... 27
2.5.1 Manajemen pengelolaan PLTS ... 28
2.5.2 Manajemen Perawatan PLTS ... 35
2.6 Aspek Ekonomi Terhadap PLTS ... 38
2.6.1 Biaya Siklus Hidup (Life Cycle Cost) ... 39
2.6.1. Biaya Energi PLTS ... 40
2.6.2 Waktu Pengembalian Investasi ( Payback period) ... 41
BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian. ... 43
3.2 Data ... 43
3.2.1 Sumber Data ... 43
3.2.2 Jenis Data ... 43
3.2.3 Teknik Pengumpulan Data ... 44
3.3 Langkah-langkah Penelitian ... 45
3.4 Diagram Alir Penelitian ... 47
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Gambaran Umum IPAL Desa Pemecutan Kaja. ... 48
4.2 Sistem Catu Daya IPAL Desa Pemecutan Kaja ... 51
4.3 Produksi Daya Dan Energi Listrik PLTS ... 60
4.4 Model Pengelolaan IPAL Desa Pemecutan Kaja ... 64
4.5 Analisa Kinerja Sistem Catu Daya PLTS ... 64
4.5.1 Produksi Daya Listrik PLTS ... 64
4.5.2 Produksi energi listrik PLTS ... 66
4.5.3 Persentase energi ... 68
4.6 Analisis Model Pengelolaan IPAL Desa Pemecutan Kaja ... 71
4.6.1 Sumber Daya Manusia ... 73
4.6.2 Manajemen perawatan ... 74
xii
4.6.3.1 Biaya siklus hidup bagian catu daya IPAL ... 75
4.6.3.2 Biaya siklus hidup bagian Sipil IPAL ... 85
4.6.3.3 Iuran Perbulan Masyarakat ... 87
4.7 Rekomendasi Model Pengelolan IPAL Desa Pemecutan Kaja ... 93
BAB V SIMPULAN DAN SARAN 5.1 Simpulan ...104
5.2 Saran ...105
DAFTAR PUSTAKA Lampiran
xiii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Data Isolasi Matahari di Bali (kWh/m2/day) ... 24
Tabel 4.1 Spesifikasi modul photovoltaic Solar World (sunmodule, SW 85 mono) ... 55
Tabel 4.2 Spesifikasi battery charger controller Staca Tarom 440 ... 56
Tabel 4.3 Spesifikasi battery MR 2-1260Ah C10 ... 57
Tabel 4.4 Spesifikasi Inverter Steca Xtender XTM 3500-24 ... 58
Tabel 4.5 Hasil Rata-rata Pengukuran Perhari PLTS Dan PLN Di IPAL Desa Pemecutan Kaja. ... 61
Tabel 4.6 Kebutuhan Energi Listrik Per Hari (kWh) IPAL Desa Pemecutan Kaja ... 62
Tabel 4.7 Perhitungan Daya Listrik Produksi PLTS Setiap Jam Pada Minggu I . 65 Tabel 4.8 Rata-Rata Daya Listrik Produksi PLTS ... 65
Tabel 4.9 Perhitungan Energi Listrik PLTS Minggu I ... 67
Tabel 4.10 Energi Listrik Produksi PLTS ... 67
Tabel 4.11 Persentase Perbandingan Produksi Energi Listrik PLTS Terhadap Hasil Pengukuran Kebutuhan Energi Listrik IPAL Dengan Jumlah Pengguna IPAL ... 69
Tabel 4.12 Persentase Perbandingan Produksi Energi Listrik PLTS Terhadap Perhitungan Kebutuhan Energi Listrik IPAL Dengan Jumlah Pengguna IPAL ... 71
Tabel 4.13 Biaya Investasi Awal Pembangunan PLTS ... 75
Tabel 4.14 Tarif Dasar Listrik Prabayar ... 80
Tabel 4.15 Jadwal Perawatan Catu Daya IPAL Desa Pemecutan Kaja ... 96
Tabel 4.16 Jadwal Perawatan Bagian Sipil IPAL Desa Pemecutan Kaja ... 97
Tabel 4.17 Pengembalian Investasi Dengan Iuran Rp.213.995,00 ... 98
Tabel 4.18 Pengembalian Investasi Dengan Iuran Rp.10.000,00 ... 99
Tabel 4.19 Pengembalian Investasi Dengan Iuran Rp.15.000,00 ...100
Tabel 4.20 Pengembalian Investasi Dengan Iuran Rp.74.899,00. ...101
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 PLTS Stand Alone dan Grid Connected system. ... 12
Gambar 2.2. Cara kerja sel surya silicon... 13
Gambar 2.3. Kurva I – V ... 15
Gambar 2.4 Pengaruh Temperatur Terhadap Panel Surya ... 16
Gambar 2.5 Pengaruh Intensitas Radiasi Terhadap Panel Surya ... 16
Gambar 2.6 Pengaruh Sudut Kemiringan Terhadap Panel Surya ... 17
Gambar 2.7. Modul sel surya (modul photovoltaics) ... 19
Gambar 2.8. Baterai dan elemen-elemennya ... 20
Gambar 2.9 Contoh regulator baterai yang ada di pasaran ... 21
Gambar 2.10. Inverter ... 23
Gambar 2.11 Luas di Bawah Kurva ... 26
Gambar 2.12. Diagram metode PAR ... 29
Gambar 2.13. Struktur organisasi garis ... 31
Gambar 2.14. Struktur organisasi garis dan staf ... 32
Gambar 2.15. Struktur organisasi fungsional ... 34
Gambar 3.1 Diagram Alur Analisis ... 47
Gambar 4.1 Peta lokasi IPAL Desa Pemecutan Kaja ... 48
Gambar 4.2 Pemipaan salauran utama IPAL Desa Pemecutan Kaja ... 49
Gambar 4.3 Sistem radial flow anaerobic ... 50
Gambar 4.4 Tangki rabic pro dan tangki up flow ... 51
Gambar 4.5 hibrida antara PLTS dengan PLN di IPAL Desa Pemecutan Kaja. .. 52
Gambar 4.6 Sistem catu daya IPAL Desa Pemecutan Kaja ... 53
Gambar 4.7 Skematik modul photovoltaic yang dihubungkan seri dan paralel ... 54
Gambar 4.8 modul photovoltaic Solar World (sunmodule, SW 85 mono) ... 55
Gambar 4.9 Battery Charger Controller ... 56
Gambar 4.10 Battery MR 2-1260Ah C10 ... 57
Gambar 4.11 Inverter Steca Xtender XTM 3500-24 ... 58
Gambar 4.12 Inverter Lokal ... 59
xv
Gambar 4.14 Grafik arus pompa IPAL selama satu hari ... 63
Gambar 4.15 Daya Listrik Produksi PLTS ... 66
Gambar 4.16 Diagram metode PAR ... 72
xvi
DAFTAR SINGKATAN
AC : Alternative Current
APBD : Anggaran Pendapatan dan Belanja Daerah BDI : Bi-directional inverter
DC : Direct Current
I : Arus Listrik, dengan satuan Ampere (A) IPAL : Instalasi Pengolahan Air Limbah
kWh : Kilo Watt Hours MW : Mega Watt
NASA : National Aeronautics and Space Administration PCU : Power Conditioning Unit
PLH : Pembangkit Listrik Hybrid PLN : Perusahaan Listrik Negara
PLTS : Pembangkit Listrik Tenaga Surya PV : Photovoltaic
V : Tegangan Listrik dengan satuan V VOC : Open Circuit Voltage
VRLA : Valve Regulated Lead Acid W : Daya Listrik, dengan satuan Watt Wh : Energi Listrik, dengan satuanWatt hours Wp : Kapasitas Panel Surya, denganWatt Peak
