BAB I PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN (PLTB) 1.1. Prinsip

BAB I
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN (PLTB)
1.1. Prinsip Kerja PLTB
Angin adalah salah satu bentuk energi yang tersedia di alam, Pembangkit Listrik Tenaga
Angin mengkonversikan energi angin menjadi energi listrik dengan menggunakan turbin angin
atau kincir angin. Cara kerjanya cukup sederhana, energi angin yang memutar turbin angin,
diteruskan untuk memutar rotor pada generator dibagian belakang turbin angin, sehingga akan
menghasilkan energi listrik. Energi Listrik ini biasanya akan disimpan kedalam baterai sebelum
dapat dimanfaatkan. Secara sederhana skema kincir angin adalah sebagai berikut :
Gambar 1.1. Skema Pembangkit Listrik Tenaga Angin
Indonesia, negara kepulauan yang 2/3 wilayahnya adalah lautan dan mempunyai garis pantai
terpanjang di dunia yaitu ± 80.791,42 Km merupakan wilayah potensial untuk pengembangan
pembangkit listrik tenaga angin, namun sayang potensi ini nampaknya belum dilirik oleh
1
pemerintah. Sungguh ironis, disaat Indonesia menjadi tuan rumah konferensi dunia mengenai
pemanasan global di Nusa Dua, Bali pada akhir tahun 2007, pemerintah justru akan membangun
pembangkit listrik berbahan bakar batubara yang merupakan penyebab nomor 1 pemanasan
global.
Syarat – syarat dan kondisi angin yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi listrik dapat
dilihat pada tabel berikut :
Tingkat Kecepatan Angin 10 Meter Diatas Permukaan Tanah
Kelas
Kecepatan
Angin
(m/s)
1
0 - 0.2
tidak ada indikasi
2
0.3 – 1.5
angin tenang, asap lurus keatas
3
1.5 – 3.3
asap bergerak mengikuti arah angin
4
3.4 – 5.4
wajah terasa ada angin, daun-daun bergoyang pelan, petunjuk arah angin bergerak
5
5.5 – 7.9
debu jalan, kertas beterbangan, air plumpang berombak kecil
6
8.0 – 10.7
ranting pohon bergoyang, bendera berkibar
7
10.8 – 13.8
ranting pohon besar bergoyang, air plumpang berombak kecil
8
13.9 – 17.1
ujung pohon melengkung, hembusan angin terasa di telinga
9
17.2 – 20.7
dapat mematahkan ranting pohon, jalan berat melawan arah angin
10
20.8 - 24.4
dapat mematahkan ranting pohon, rumah roboh
11
24.5 – 28.4
dapat merobohkan pohon, menimbulkan kerusakan
12
28.5 – 32.6
menimbulkan kerusakan parah
13
32.7 – 36.9
Tornado
Kondisi Alam di Daratan
Tabel 1.1 Karakteristik Angin
Angin kelas 3 adalah batas minimum dan angin kelas 8 adalah batas maksimum energi angin
yang dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik.
Pemanfaatan energi angin merupakan pemanfaatan energi terbarukan yang sangat
berkembang saat ini. Berdasarkan data dari GWEC (Global Wind Energy Council), sampai
dengan tahun 2011 perkiraan energi listrik yang dihasilkan oleh turbin angin mencapai 237.669
MW.
2
Gambar 1.2 Kapasitas PLTB Dunia Tahun 2011
Sedangkan tren perkembangan pembangunan fasilitas pembangkit listrik tenaga angin dunia
menunjukkan peningkatan yang cukup signifikan. Berikut data perkembangan pembangunan
PLTB di dunia sejak tahun 2006 hingga akhir tahun 2011 :
Gambar 1.3. Perkembangan Pembangunan PLTB Dunia
3
1.2. Kondisi di Indonesia
Daerah pantai merupakan salah satu tempat yang dapat dimanfaatkan secara maksimal
sebagai daerah pengembangan energi terbarukan, dalam hal ini Pembangkit Listrik Tenaga
Angin.Berdasarkan data NASA, didapatkan kecepatan angin di Indonesia sebagai berikut :
Gambar 1.4. Data Kecepatan Angin di Indonesia
Dari Gambar 1.4 dapat dilihat bahwa daerah yang memiliki kecepatan angin rata-rata terbesar
adalah daerah Nusa Tenggara, 5,5-6,5 m/s. Sedangkan pulau-pulau besar di Indonesia, seperti
Sumatera, Kalimantan, Jawa, Sulawesi dan Papua hanya memiliki kecepatan angin rata-rata
antara 2,7 – 4,5 m/s.
Berdasarkan data dari kementrian ESDM Republik Indonesia, kapasitas terpasang PLTB di
Indonesia mengalami kenaikan yang kurang signifikan setiap tahunnya, dengan kapasitas
terpasang pada tahun 2010 sebesar 1.962,45 MW.
Tabel 1.2 Kapasitas Terpasang PLTB di Indonesia
4
1.3. Karakteristik dan Macam Penggerak
Pembangkit listrik tenaga angin (PLTB) memanfaatkan angin sebagai tenaga penggerak
untuk memutar turbin. Turbin angin merupakan mesin dengan sudu berputar yang
mengonversikan energi kinetik angin menjadi energi mekanik. Jika energi mekanik digunakan
langsung secara permesinan seperti pompa atau grinding stones, maka mesin (turbin) disebut
windmill. Jika energi mekanik dikonversikan menjadi energi listrik, maka mesin disebut turbin
angin atau wind energy converter (WEC).
Banyak jenis mesin turbin yang telah dikembangkan, tetapi secara garis besar dapat
dibedakan menjadi dua tipe, yaitu:
1. HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine)
2. VAWT (Vertical Axis Wind Turbine)
1.3.1. Turbin angin sumbu horizontal (HAWT)
Turbin angin sumbu horizontal (HAWT) memiliki poros rotor utama dan generator
listrik di puncak menara. Turbin berukuran kecil diarahkan oleh sebuah baling-baling
angin (baling-baling cuaca) yang sederhana, sedangkan turbin berukuran besar pada umumnya
menggunakan sebuah sensor angin yang digandengkan ke sebuah servo motor. Sebagian besar
memiliki sebuah gearbox yang mengubah perputaran kincir yang pelan menjadi lebih cepat
berputar. Karena sebuah menara menghasilkan turbulensi di belakangnya, turbin biasanya
diarahkan melawan arah anginnya menara. Bilah-bilah turbin dibuat kaku agar mereka tidak
terdorong menuju menara oleh angin berkecepatan tinggi. Sebagai tambahan, bilah-bilah itu
diletakkan di depan menara pada jarak tertentu dan sedikit dimiringkan.
Karena turbulensi menyebabkan kerusakan struktur menara, dan realibilitas begitu
penting, sebagian besar HAWT merupakan mesin upwind (melawan arah angin). Meski
memiliki permasalahan turbulensi, mesin downwind (menurut jurusan angin) dibuat karena tidak
memerlukan mekanisme tambahan agar mereka tetap sejalan dengan angin, dan karena di saat
angin berhembus sangat kencang, bilah-bilahnya bisa ditekuk sehingga mengurangi wilayah
tiupan mereka dan dengan demikian juga mengurangi resintensi angin dari bilah-bilah itu.
5
Kelebihan :

Dasar menara yang tinggi membolehkan akses ke angin yang lebih kuat di tempat-tempat
yang memiliki geseran angin (perbedaan antara laju dan arah angin antara dua titik yang
jaraknya relatif dekat di dalam atmosfer bumi. Di sejumlah lokasi geseran angin, setiap
sepuluh meter ke atas, kecepatan angin meningkat sebesar 20%.
Kelemahan :

Menara yang tinggi serta bilah yang panjangnya bisa mencapai 90 meter sulit diangkut.
Diperkirakan besar biaya transportasi bisa mencapai 20% dari seluruh biaya peralatan
turbin angin.

Turbin yang tinggi sulit dipasang, membutuhkan derek yang yang sangat tinggi dan
mahal serta para operator yang tampil.

Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah-bilah yang berat,
gearbox, dan generator.

Turbin yang tinggi bisa memengaruhi radar airport.

Ukurannya yang tinggi merintangi jangkauan pandangan dan mengganggu penampilan
lansekap.

Berbagai varian downwind menderita kerusakan struktur yang disebabkan oleh
turbulensi.

Turbin membutuhkan mekanisme kontrol yaw tambahan untuk membelokkan kincir ke
arah angin.
Gambar 1.5. Turbin Angin Sumbu Horizontal
6
1.3.2. Turbin Angin Sumbu Vertikal (VAWT)
Turbin angin sumbu vertikal/tegak (atau VAWT) memiliki poros/sumbu rotor utama yang
disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah turbin tidak harus diarahkan ke angin
agar menjadi efektif. Kelebihan ini sangat berguna di tempat-tempat yang arah anginnya sangat
bervariasi. VAWT mampu mendayagunakan angin dari berbagai arah. Dengan sumbu yang
vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di dekat tanah, jadi menara tidak perlu
menyokongnya dan lebih mudah diakses untuk keperluan perawatan. Tapi ini menyebabkan
sejumlah desain menghasilkan tenaga putaran yang berdenyut. Drag (gaya yang menahan
pergerakan sebuah benda padat melalui fluida (zat cair atau gas) bisa saja tercipta saat kincir
berputar.
Karena sulit dipasang di atas menara, turbin sumbu tegak sering dipasang lebih dekat ke
dasar tempat ia diletakkan, seperti tanah atau puncak atap sebuah bangunan. Kecepatan angin
lebih pelan pada ketinggian yang rendah, sehingga yang tersedia adalah energi angin yang
sedikit. Aliran udara di dekat tanah dan obyek yang lain mampu menciptakan aliran yang
bergolak, yang bisa menyebabkan berbagai permasalahan yang berkaitan dengan getaran,
diantaranya kebisingan dan bearing wear yang akan meningkatkan biaya pemeliharaan atau
mempersingkat umur turbin angin. Jika tinggi puncak atap yang dipasangi menara turbin kirakira 50% dari tinggi bangunan, ini merupakan titik optimal bagi energi angin yang maksimal dan
turbulensi angin yang minimal.
Kelebihan :

Tidak membutuhkan struktur menara yang besar.

Karena bilah-bilah rotornya vertikal, tidak dibutuhkan mekanisme yaw.

Bisa diletakkan lebih dekat ke tanah, membuat pemeliharaan bagian-bagiannya yang
bergerak jadi lebih mudah.

Memiliki sudut airfoil (bentuk bilah sebuah baling-baling yang terlihat secara melintang)
yang
lebih
tinggi,
memberikan
keaerodinamisan
yang
tinggi
sembari
mengurangi drag pada tekanan yang rendah dan tinggi.
7

Desain VAWT berbilah lurus dengan potongan melintang berbentuk kotak atau empat
persegi panjang memiliki wilayah tiupan yang lebih besar untuk diameter tertentu
daripada wilayah tiupan berbentuk lingkarannya HAWT.

Memiliki kecepatan awal angin yang lebih rendah daripada HAWT. Biasanya
VAWTmulai menghasilkan listrik pada 10km/jam (6 m.p.h.)

Memiliki tip speed ratio (perbandingan antara kecepatan putaran dari ujung sebuah bilah
dengan laju sebenarnya angin) yang lebih rendah sehingga lebih kecil kemungkinannya
rusak di saat angin berhembus sangat kencang.

Bisa didirikan pada lokasi-lokasi dimana struktur yang lebih tinggi dilarang dibangun.

Tutbin yang ditempatkan di dekat tanah bisa mengambil keuntungan dari berbagai lokasi
yang menyalurkan angin serta meningkatkan laju angin (seperti gunung atau bukit yang
puncaknya datar dan puncak bukit),

Tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah.

Kincir pada VAWT mudah dilihat dan dihindari burung.
Kelemahan :

Kebanyakan VAWT memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi HAWT karena drag
tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar.

Turbin ini tidak mengambil keuntungan dari angin yang melaju lebih kencang di elevasi
yang lebih tinggi.

Kebanyakan mempunyai torsi awal yang rendah, dan membutuhkan energi untuk mulai
berputar.

Sebuah VAWT yang menggunakan kabel untuk menyanggahnya memberi tekanan pada
bantalan dasar karena semua berat rotor dibebankan pada bantalan. Kabel yang dikaitkan
ke puncak bantalan meningkatkan daya dorong ke bawah saat angin bertiup.
8
Gambar 1.6. Turbin Angin Sumbu Vertikal (VAWT)
1.4. Generator yang Digunakan pada Masing-Masing Penggerak
Generator adalah salah satu komponen yang dapat mengubah energi gerak menjadi energi
listrik. Prinsip kerjanya dapat dipelajari dengan teori medan elekronik. Poros pada generator
dipasang dengan material ferromagnetic permanen. Setelah itu di sekeliling poros terdapat stator
yang bentuk fisisnya adalah kumparan-kumparan kawat yang membentuk loop. Ketika poros
generator mulai berputar maka akan terjadi perubahan fluks pada stator yang akhirnya karena terjadi
perubahan tegangan dan arus listrik tertentu. Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan ini disalurkan
melalui kabel jaringan listrik. Berdasarkan arus yang disalurkan generator menjadi dua jenis yaitu
generator AC (bolak balik) dan generator DC (searah). Generator AC atau altenator bekerja pada
prinsip yang sama dari induksi elektromagnetik sebagai generator DC. Arus bolak balik dapat
dihasilkan dari perputaran lilitan pada medan magnet atau perputaran medan magnet pada lilitan
stasioner (seimbang/tidak berubah). Nilai dari tegangan tergantung pada:
- Jumlah perputaran pada lilitan
- Kekuatan medan
- Kecepatan rotasi lilitan/medan magnet
9
1.4.1 Generator Arus Bolak Balik (AC)
Sebuah generator arus bolak balik mengkonversikan energi mekanik menjadi energi listrik
berdasarkan prinsip induksi elektromegnetik. Dalam pembelajaran secara magnetik, menunjukkan
arus yang dibawa konduktor menghasilkan sebuah daerah magnet disekelilingnya. Ini juga akan
merubah medan magnet yang akan menghasilkan elektromagnetik pada konduktor. Jika sebuah
konduktor berada dalam medan magnet atau diantara medan magnet itu dan pergerakan konduktor.
Ini yang disebut dengan induksi elektromagnet. Listrik Arus bolak-balik (listrik AC -- alternating
current) adalah arus listrik dimana besarnya dan arahnya arus berubah-ubah secara bolak-balik.
Berbeda dengan listrik arus searah dimana arah arus yang mengalir tidak berubah-ubah dengan
waktu. Bentuk gelombang dari listrik arus bolak-balik biasanya berbentuk gelombang sinusoida,
karena ini yang memungkinkan pengaliran energi yang paling efisien. Karakteristik dari daya yang
dihasilkan oleh generator arus bolak balik adalah adanya nilai faktor daya.
Faktor daya atau faktor kerja adalah perbandingan antara daya aktif (watt) dengan daya
semu/daya total (VA), atau cosinus sudut antara daya aktif dan daya semu/daya total (lihat gambar
1.7). Daya reaktif yang tinggi akan meningkatkan sudut ini dan sebagai hasilnya faktor daya akan
menjadi lebih rendah. Faktor daya selalu lebih kecil atau sama dengan satu. Secara teoritis, jika
seluruh beban daya yang dipasok oleh perusahaan listrik memiliki faktor daya satu, maka daya
maksimum yang ditransfer setara dengan kapasitas sistim pendistribusian. Sehingga, dengan beban
yang terinduksi dan jika faktor daya berkisar dari 0,2 hingga 0,5, maka kapasitas jaringan distribusi
listrik menjadi tertekan. Jadi, daya reaktif (VAR) harus serendah mungkin untuk keluaran kW yang
sama dalam rangka meminimalkan kebutuhan daya total (VA). Faktor Daya / Faktor kerja
menggambarkan sudut phasa antara daya aktif dan daya semu. Faktor daya yang rendah merugikan
karena mengakibatkan arus beban tinggi. Perbaikan faktor daya ini menggunakan kapasitor.
10
Gambar 1.7. Bentuk gelombang pada arus bolak balik
(sumber : Fogiel, 2004.)
Dalam sistem listrik AC/Arus Bolak-Balik ada tiga jenis daya yang dikenal, khususnya untuk beban
yang memiliki impedansi (Z), yaitu:
• Daya semu (S, VA, Volt Amper)
• Daya aktif (P, W, Watt)
• Daya reaktif (Q, VAR, Volt Amper Reaktif)
Untuk rangkaian listrik AC, bentuk gelombang tegangan dan arus sinusoida, besarnya daya
setiap saat tidak sama. Maka daya yang merupakan daya rata-rata diukur dengan satuan Watt, Daya
ini membentuk energi aktif persatuan waktu dan dapat diukur dengan kwh meter dan juga merupakan
daya nyata atau daya aktif (daya poros, daya yang sebenarnya) yang digunakan oleh beban untuk
melakukan tugas tertentu.
Sedangkan daya semu dinyatakan dengan satuan Volt-Ampere (disingkat, VA), menyatakan
kapasitas peralatan listrik, seperti yang tertera pada peralatan generator dan transformator. Pada suatu
instalasi, khususnya di pabrik/industri juga terdapat beban tertentu seperti motor listrik, yang
memerlukan bentuk lain dari daya, yaitu daya reaktif (VAR) untuk membuat medan magnet atau
dengan kata lain daya reaktif adalah daya yang terpakai sebagai energi pembangkitan flux magnetik
sehingga timbul magnetisasi dan daya ini dikembalikan ke sistem karena efek induksi
11
elektromagnetik itu sendiri, sehingga daya ini sebenarnya merupakan beban (kebutuhan) pada suatu
sistim tenaga listrik.
Pada sistem arus bolak-balik, daya listrik tidak sesederhana pada sistem arus searah. Pada
arus bolak-balik terdapat tiga jenis daya, yaitu daya semu, daya aktif dan daya reaktif, secara
matematis :
S = P + jQ................................................................................................. (1)
Dimana daya semu (S) merupakan hasil penjumlahan daya aktiv (P) dengan daya reaktif (jQ) secara
vektoris. Daya semu merupakan hasil perkalian langsung antara tegangan kerja dengan Arus
konsumsi peralatan listrik yang terpasang
S = V x I .................................................................................................. (2)
Gambar 1.8 Hubungan antara daya semu, daya aktif dan daya reaktif
(sumber : www.scribd.com)
Daya aktif, merupakan daya yang digunakan oleh peralatan, sedangkan daya reaktif daya
yang ditimbulkan oleh komponen reaktif induktor yang bersifat rugi-rugi sistem jaringan listrik.
Karena penjumlahan daya aktiv (P) dengan daya reaktif (S) secara vektoris maka besarnya
perbandingan antara daya aktiv terhadap daya semu merupakan fungsi cosinus.
12
1.4.2 Generator Arus Searah DC
Generator DC merupakan sebuah perangkat mesin listrik dinamis yang mengubah energi
mekanis menjadi energi listrik. Generator DC menghasilkan arus DC / arus searah. Generator DC
dibedakan menjadi beberapa jenis berdasarkan dari rangkaian belitan magnet atau penguat
eksitasinya terhadap jangkar (anker), jenis generator DC yaitu :
1. Generator penguat terpisah
2. Generator shunt
3. Generator kompon
Pada umumnya generator DC dibuat dengan menggunakan magnet permanent dengan 4
kutub rotor, regulator tegangan digital, proteksi terhadap beban lebih, starter eksitasi, penyearah,
bearing dan rumah generator atau casis, serta bagian rotor. Gambar 1.9 menunjukkan gambar
potongan melintang konstruksi generator DC.
Gambar 1.9 Konstruksi generator DC
(sumber : Gunawan, 2010)
Generator DC terdiri dua bagian, yaitu stator, yaitu bagian mesin DC yang diam, dan bagian rotor,
yaitu bagian mesin DC yang berputar. Bagian stator terdiri dari: rangka motor, belitan stator, sikat
13
arang, bearing dan terminal box. Sedangkan bagian rotor terdiri dari: komutator, belitan rotor, kipas
rotor dan poros rotor.
Syarat untuk dapat dibangkitkan GGL adalah :

Harus ada konduktor ( hantaran kawat )

Harus ada medan magnetik

Harus ada gerak atau perputaran dari konduktor dalam medan, atau ada fluksi yang berubah
yang memotong konduktor itu
Gambar 1.10 Prinsip kerja generator DC
(sumber : Gunawan, 2010)
Untuk perolehan arus searah dari tegangan bolak-balik, meskipun tujuan utamanya adalah
pembangkitan tegangan searah, tampak bahwa tegangan kecepatan yang dibangkitkan pada
kumparan jangkar merupakan tegangan bolak-balik. Bentuk gelombang yang berubah-ubah tersebut
karenanya harus disearahkan. Untuk mendapatkan arus searah dari arus bolak balik dengan
menggunakan :
• Saklar
• Komutator
• Dioda
14
1.5. Penggerak Langsung (Gearless)
Alasan utama penulis mengajukan sistem tanpa gearbox karena penggunaan roda gigi
dapat menimbulkan adanya gesekan pada saat mengkonversikan putaran rendah pada balingbaling menjadi putaran tinggi pada generator. Gaya gesekan yang timbul ini akan menyebabkan
turbin angin bergetar tak-seimbang, terkadang menimbulkan polusi suara bising, dan tentu saja
hal ini nantinya akan membutuhkan perawatan khusus dengan memberikan pelumas secara rutin.
Sistem PLTB tanpa menggunakan gearbox (gearless wind turbine system) atau sering juga
disebur direct drive, selain membuat efisiensi PLTB menjadi lebih tinggi diklaim juga dapat
mengurangi polusi suara serta mengurangi biaya investasi awal dan perawatan pada sistem
pembangkit listrik tenaga angin.
Desain direct drive biasanya menggunakan generator sinkron – rotor belitan atau
generator sinkron – magnet permanen. Alasannya karena kedua tipe generator ini memungkinkan
untuk membuat generator dengan kutub banyak (perbanyak jumlah kutub rotor) yang kecepatan
putarnya sesuai dengan putaran nominal turbin angin.
Sayangnya generator kutub banyak ini hanya cocok untuk aplikasi PLTB daya kecil,
karena semakin besar daya yang didesain akan menyebabkan generator menjadi lebih besar dan
lebih berat. Untuk aplikasi PLTB berdaya rendah dan sedang, permasalahan penggunaan
gerabox dapat dieliminasi dengan mendesain generator kutub banyak yang menghasilkan listrik
secara optimal pada kecepatan angin yang rendah. Solusi dari permasalahan ini adalah Indonesia
harus menguasai teknologi pembuatan generator kutub banyak.
Bagaimana dengan permasalahan kecepatan angin di Indonesia yang sangat berfluktuasi?
Kecepatan angin di Indonesia sering melonjak selama beberapa saat sehingga membutuhkan
desain sistem PLTB yang dapat menghasilkan daya keluaran generator maksimum pada
kecepatan angin yang berubah-ubah. Jika kita merancang generator pada satu kecepatan angin
rendah (low fixed speed), generator tidak bisa mengkonversikan energi pada kecepatan angin
yang tinggi untuk mengurangi resiko kerusakan generator. Sebaliknya, sistem PLTB yang
biasanya dipasang di Indonesia memiliki efisiensi konversi energi yang rendah karena generator
dirancang berputar pada kecepatan yang sedikit lebih tinggi dari kecepatan angin rata-rata.
Kedua sistem PLTB ini bukan merupakan solusi sistem PLTB di Indonesia.
15
1.5.1. Sistem Turbin Angin Penggerak Langsung dan Variable Speed dengan Generator
Sinkron Magnet Permanen
Dari gambar terlihat bahwa sistem ini memerlukan generator magnet permanen berkutub banyak,
penyearah dioda, konverter DC-DC, dan Inverter. Dengan sistem seperti ini memungkinkan
untuk mendesain turbin angin dapat berputar pada kecepatan poros yang berubah-ubah.
Gambar 1.11. Variable speed dan direct-drive menggunakan generator magnet permanen
Keuntungan yang diperoleh dengan menggunakan sistem ini antara lain :

Generator bekerja maksimum pada kecepatan angin yang berubah-ubah, atau dengan kata
lain sistemvariable speed direct-drive ini dapat mengekstrak daya pada kecepatan putar
turbin berapapun.

Menghindarkan penggunaan roda gigi / gearbox dengan menggunakan generator yang dapat
beroperasi pada putaran rendah (multi-pole generator).

Tidak menggunakan brush, sehingga biaya perawatan komponen generator dan juga rugirugi daya pada rotor dapat dikurangi.

Tidak memerlukan sistem daya untuk medan eksitasinya.

Menggunakan magnet permanen untuk membangkitkan tegangan, sehingga rugi-rugi daya
pada rotor yang biasanya timbul pada generator rotor belitan dapat dihilangkan.
Sedangkan kekurangan sistem ini adalah :

Ukuran generator dapat menjadi besar dan berat.

Generator magnet permanen kutub banyak tidak dijual dipasaran secara umum, butuh
keahlian khusus untuk mendesain generatornya.

Membutuhkan magnet permanen yang mahal dan sulit diperoleh di Indonesia.

Butuh keahlian khusus untuk mendesain rangkaian elektronika daya yang spesifik.
16
1.6. Penggerak Tidak Langsung
Pada penggerak tidak langsung, turbin dikopel dengan gearbox untuk mengatur kecepatan
putaran turbin. Ada berbagai desain gearbox yang dapat digunakan di turbin angin, gearbox juga
dibuat oleh produsen yang berbeda-beda. Gearbox memungkinkan turbin angin untuk
meningkatkan rotasi lambat baling-baling menjadi rotasi yang cepat. Selanjutnya, turbin angin
menggunakan generator untuk mengubah energi mekanik menjadi listrik. Turbin angin juga
menggunakan gearbox untuk mengurangi beratnya dan untuk menghubungkan antara poros
berkecepatan rendah ke poros yang berkecepatan tinggi. Gearbox sebagian besar digunakan
untuk membantu turbin menghasilkan tenaga listrik.
Gearbox terbuat dari bahan-bahan dari logam berkualitas unggul seperti baja, alloy, dan besi
cor. Salah satu gearbox terbaik adalah planetary gearbox. Gearbox ini memiliki unsur
fleksibilitas yang membantu dalam peningkatan kapasitas operasional dibandingkan dengan
gearbox lain seperti spur, helicalatau worm gearbox. Gearbox turbin angin memiliki beberapa
keuntungan, antara lain kemampuan memberikan kecepatan yang sangat tinggi untuk
memproduksi listrik, serta kemampuan untuk memberikan torsi tinggi. Mereka dirancang
sehingga beratnya menjadi ringan dan memungkinkannya untuk digunakan pada ruang instalasi
yang kecil. Selain itu, gearbox juga sangat andal dan mudah diinstal dengan komponen-kompnen
lainnya. Gearbox juga menggunakan teknologi tinggi, berdasarkan fakta gearbox telah digunakan
selama empat dekade terakhir dan teknologi terus menyempurnakan mereka.
Gambar 1.12 Gearbox
17
1.7. Generator Sinkron
Hampir semua energi listrik dibangkitkan dengan menggunakan mesin sinkron.
Generator sinkron (sering disebut alternator) adalah mesin sinkron yangdigunakan
untuk mengubah daya mekanik menjadi daya listrik. Generator sinkrondapat berupa
generator sinkron tiga fasa atau generator sinkron AC satu fasatergantung dari
kebutuhan.
1.7.1 Konstruksi Generator Sinkron
Pada generator sinkron, arus DC diterapkan pada lilitan rotor untuk menghasilkan medan
magnet rotor. Rotor generator diputar oleh prime mover menghasilkan medan magnet berputar
pada mesin. Medan magnet putar ini menginduksi tegangan tiga fasa pada kumparan stator
generator. Rotor pada generator sinkron pada dasarnya adalah sebuah elektromagnet yang besar.
Kutub medan magnet rotor dapat berupa salient (kutub sepatu) dan dan non salient (rotor
silinder). Pada kutub salient kutub magnet menonjol keluar dari permukaan rotor sedangkan pada
kutub non salient konstruksi kutub magnet rata dengan permukaan rotor. Rotor silinder
umumnya digunakan untuk rotor dua kutub dan empat kutub, sedangkan rotor kutub sepatu
digunakan untuk rotor dengan empat atau lebih kutub.
Pemilihan konstruksi rotor tergantung dari kecepatan putar prime mover, frekuensi dan
rating daya generator. Generator dengan kecepatan 1500 rpm ke atas pada frekuensi 50 Hz dan
rating daya sekitar 10MVA menggunakan rotor 130 silinder. Sementara untuk daya dibawah 10
MVA dan kecepatan rendah maka digunakan rotor kutub sepatu.
Arus DC disuplai ke rangkaian medan rotor dengan dua cara:
1. Menyuplai daya DC ke rangkaian dari sumber DC eksternal dengan sarana slip ring dan sikat.
2. Menyuplai daya DC dari sumber DC khusus yang ditempelkan langsung pada batang rotor
generator sinkron.
18
Gambar 1.13 (a) rotor Non-salient (rotor silinder), (b) penampang rotor
1.7.2. Prinsip Kerja Generator Sinkron
Jika sebuah kumparan diputar pada kecepatan konstan pada medan magnet homogen,
maka akan terinduksi tegangan sinusoidal pada kumparan tersebut. Medan magnet dihasilkan
oleh kumparan yang dialiri arus DC atau oleh magnet tetap. Pada tipe mesin ini medan magnet
diletakkan pada stator (disebut generator kutub eksternal / external pole generator). Pada
generator tipe ini, energi listrik dibangkitkan pada rotor kumparan rotor. Hal ini menyebabkan
kerusakan pada slip ring dan karbon sikat, sehingga menimbulkan permasalahan pada
pembangkitan daya tinggi. Untuk mengatasi permasalahan ini, digunakan tipe generator dengan
kutub internal (internal pole generator). Pada tipe ini, medan magnet dibangkitkan oleh kutub
rotor. Kemudian tegangan AC dibangkitkan pada rangkaian stator. Tegangan yang dihasilkan
akan sinusoidal jika rapat fluks magnet pada celah udara terdistribusi sinusoidal dan rotor diputar
pada kecepatan konstan. Pada rotor kutub sepatu, fluks terdistribusi sinusoidal didapatkan
dengan mendesain bentuk sepatu kutub. Sedangkan pada rotor silinder, kumparan rotor disusun
secara khusus untuk mendapatkan fluks terdistribusi sinusoidal ini.
19
Suplai DC yang dihubungkan ke kumparan rotor melalui slip ring dan sikat untuk
menghasilkan medan magnet merupakan eksitasi daya rendah. Jika rotor menggunakan magnet
permanen, maka tidak slip ring dan sikat karbon tidak begitu diperlukan. Tegangan AC tiga fasa
dibangkitan pada mesin sinkron kutub internal
dengan tiga kumparan stator yang diset pada sudut 120°.
Gambar 1.14 Pembangkitan tegangan 3 fasa
1.7.3. Kecepatan Putar Generator Sinkron
Frekuensi elektris yang dihasilkan generator sinkron adalah sinkron dengan kecepatan
putar generator. Rotor generator sinkron terdiri atas rangkaian elektromagnet dengan suplai arus
DC. Medan magnet rotor bergerak pada arah putaran rotor. Hubungan antara kecepatan putar
medan magnet pada mesin dengan frekuensi elektrik pada stator adalah :
n = 120 f/P
dimana :
f = frekuensi elektrik [Hz]
n = kecepatan medan magnet = kecepatan putar rotor [rpm]
P = jumlah kutub
Oleh karena rotor berputar pada kecepatan yang sama dengan medan magnet, persamaan
diatas juga menunjukkan hubungan antara kecepatan putar rotor dengan frekuensi elektrik yang
dihasilkan. Daya listrik dibangkitkan pada 50 atau 60 Hz, maka generator harus berputar pada
kecepatan tetap tergantung pada jumlah kutub mesin. Sebagai contoh untuk membangkitkan 60
20
Hz pada mesin dua kutub rotor harus berputar dengan kecepatan 3600 rpm. Untuk
membangkitkan daya 50 Hz pada mesin empat kutub rotor harus berputar pada 1500 rpm.
1.8. Generator Asinkron (Induksi)
Penggunaan generator asinkron semakin meningkat dalam sistem pembangkitan tenaga
listrik yang menggunakan energi non konvensional. Energi non konvensional yang dapat
digunakan seperti : energi angin, mikro/mini hydro dan lain-lain. Pada daerah yang terisolasi,
generator induksi rotor sangkar dengan eksitasi kapasitor sangat banyak digunakan. Generator
induksi lebih unggul dibanding dengan generator sinkron. Kelebihan generator induksi adalah
harganya lebih murah, andal, tanpa sikat, perawatan mudah dan proteksi sendiri bila terjadi
beban lebih dan hubung singkat.
Berdasarkan jenis eksitasinya, generator induksi dibagi menjadi dua yaitu :
1.
Generator induksi berpenguatan sendiri ( Self Excited Induction Generator atau SEIG).
2.
Generator induksi masukan ganda (Doubly Fed Induction Generator atau DFIG)
1.8.1. Generator induksi berpenguatan sendiri ( Self Excited Induction Generator atau SEIG)
Untuk generator berkapasitas besar umumnya digunakan sistem penguatan sendiri. Sistem
penguatan ini digunakan pada generator tanpa sikat (brushless alternator). Generator tanpa sikat
ini mempunyai exiter yang kumparan jangkarnya pada rotor dan kumparan medannya pada
stator. Arus penguatan didapat dari induksi magnet sisa (remanensi) pada stator generator utama
yang diberikan oleh stator generator penguat. Arus tersebut diatur terlebih dahulu oleh AVR
(automatic voltage regulator) yang merupakan alat pengatur tegangan yang bekerja secara
otomatis. AVR dalam hal ini melakukan pengaturan tegangan. Arus yang dihasilkan oleh rotor
generator penguat akan disearahkan dengan menggunakan dioda putar (rotating diode) yang ikut
berputar dengan kedua rotor generator yang berputar. Sistem penguatan sendiri dipasang pada
ujung poros generator utamanya.
21
Gambar 1.15 Self Excited AVR Controlled Generator
Sebagai salah satu contoh sistem eksitasi penguatan sendiri yang dipakai adalah sistem
eksitasi penguatan sendiri dengan menggunakan magnet permanen (permanent magnet generator
excited-AVR controlled generators). Dalam hal ini, generator magnet permanen (PMG) berperan
memberikan suplai untuk sistem eksitasi melalui AVR dimana AVR berperan sebagai alat untuk
mengontrol tingkat eksitasi yang disediakan untuk medan exiternya. AVR akan memberikan
respon terhadap sinyal tegangan yang dirasakannya melalui transformator berisolasi (isolating
transformer) dari kumparan stator utama.
Dengan mengendalikan suplai yang rendah dari medan eksitasinya, kontrol untuk suplai
yang tinggi yang diperlukan pada medan exiter dapat terpenuhi melalui keluaran penyearah dari
stator eksitasi. Sistem ini menghasilkan sumber eksitasi yang konstan dan mampu menyediakan
start motor yang tinggi dan juga memiliki kekebalan terhadap gangguan berbentuk gelombang
(waveform distortion) pada keluaran stator utama yang dapat terjadi karena adannya beban yang
non linear. AVR akan merasakan tegangan dua fasa rata-rata mendekati regulasi tegangan yang
diinginkan. AVR ini juga mampu mendeteksi perubahan kecepatan mesin dan dapat mengatasi
tegangan turun sebagai akibat turunnya kecepatan putaran mesin dibawah frekuensi yang telah
ditentukan sehingga dapat menghindari eksitasi berlebih pada saat kecepatan mesin rendah dan
22
memperhalus dampak dari perubahan beban (load switching) untuk menghindari kerusakan
mesin. Sistem ini juga menyediakan proteksi untuk eksitasi berlebih yang bekerja dengan waktu
tunda tertentu ketika terjadi lonjakan tegangan medan eksitasi.
Gambar 1.16 Permanent Magnet Generator (PMG) Exciter
1.8.2. Generator induksi masukan ganda (Doubly Fed Induction Generator atau DFIG)
Pada generator induksi masukan ganda, eksitasi diperoleh dari jaringan listrik yang telah
terpasang. Generator induksi jenis ini menyerap daya reaktif dari jaringan listrik untuk
memangkitkan medan magnet yang dibutuhkan. Pada generator induksi jenis ini, terminal
keluaran generator dihubungkan dengan inverter yang kemudian dihubungkan dengan bagian
rotor generator.
23
Gambar 1.17 Skema Generator Induksi Masukan Ganda
Gambar diatas merupakan skema dari model generator induksi masukan ganda. Seperti
yang terlihat pada gambar, terdapat dua buah inverter yang menghubungkan antara keluaran
generator dengan rotor. Kedua inverter terseut dihubungkan dengan penghubung as. Inverter
yang terhubung dengan jaringan bekerja pada frekuensi yang sama dengan frekuensi jaringan.
Inverter ini juga mengatur besar faktor daya yang masuk agar sesuai dengan besar daya reaktif
yang dibutuhkan oleh generator. Sedangkan inverter yang terhubung dengan rotor bekerja pada
frekuensi yang sesuai dengan frekuensi putaran generator. Dengan menggunakan konfigurasi
seperti ini, besar arus yang mengalir pada rotor dapat diatur sesuai dengan daya yang akan
dibangkitkan.
Generator induksi masukan ganda saat ini banyak digunakan sebagai generator pada
pembangkit listrik tenaga angin. Keuntungan dari generator induksi masukan ganda diantaranya
adalah tegangan dan frekuensi yang dihasilkan dapat tetap besarnya walaupun kecepatan
putarnya berubah-ubah. Namun generator jenis ini membutuhkan inverter sebagai pengatur
tegangan pada rotor dan juga rotor jenis kumparan karena generator ini membutuhkan sumber
pada rotornya. Sehingga tidak semua jenis mesin induksi dapat digunakan sebagai generator
induksi jenis ini. Selain itu juga generator ini membutuhkan adanya jaringan listrik untuk dapat
beroperasi, karena sumber daya reaktif yang dibutuhkan oleh generator berasal dari jaringan.
24
Sehingga apabila tidak ada jaringan listrik atau generator llain yang memberikan daya reaktif
maka generator jenis ini tidak dapat beroperasi. Selain itu jika terjadi gangguan pada jaringan
atau blackout jaringan generator ini juga tidak dapat beroperasi.
1.9. Proteksi Terhadap Badai
Beberapa pembangkit listrik tenaga angin berada pada daerah yang rawan badai, sehingga
harus didesain bertahan pada kecepatan angin 140 m/s. Untuk melindungi turbin dari kecepatan
tinggi, maka diperlukan proses pengereman pada turbin.
Macam sistem pengereman :
1. Pengereman dinamis menggunakan resistor
Pergerakan turbin angin ukuran kecil dapat dilakukan dengan membuang tenaga listrik dari
generator ke dalam resistor, mengubah energi kinetik rotasi turbin menjadi panas. Metode ini
berguna jika beban kinetik pada generator tiba-tiba berkurang atau terlalu kecil untuk
menjaga kecepatan turbin dalam batas yang diperbolehkan. Dengan cara ini, putaran turbin
dapat dijaga pada kecepatan yang aman dalam kondisi kecepatan angin yang tinggi sekaligus
tetap menjaga besaran daya keluaran pada nominalnya. Metode ini biasanya tidak diterapkan
pada turbin angin ukuran besar.
2. Pengereman mekanis
Suatu rem mekanis biasanya digunakan untuk mengerem turbin pada saat diistirahatkan
untuk pemeliharaan. Rem tersebut biasanya diterapkan setelah pengereman dinamis telah
mengurangi kecepatan turbin, karena rem mekanis akan menjadi aus dengan cepat jika
digunakan untuk mengerem turbin dari kecepatan penuh.
25
Gambar 1.18 Pengereman dinamis dengan resistor
Gambar 1.19 Pengereman mekanis
26
BAB II
DISTRIBUTED GENERATION
Penyediaan energi listrik dilakukan oleh suatu sistem tenaga listrik yang meliputi sistem
pembangkitan, sistem transmisi dan sistem distribusi. Untuk menjamin kontinuitas pelayanan
energi listrik diperlukan suatu tingkat keandalan yang tinggi pada ketiga unsur sistem tenaga
listrik tersebut. Keandalan sistem distribusi secara khusus menjadi perhatian dibandingkan kedua
sistem lainnya (pembangkitan dan transmisi) adalah karena sistem ini secara langsung
berhubungan dengan pelanggan sehingga kinerja sistem ini akan langsung mempengaruhi tingkat
layanan ke pelanggan. Konfigurasi sistem distribusi umumnya berbentuk radial dimana
bebannya rawan terjadi pemadaman karena hanya disuplai oleh satu sumber sehingga apabila
terjadi gangguan pada komponen sistem tersebut yang berakibat lepas dari sistem maka suplai
daya ke beban akan langsung terputus.
Pembangunan pembangkit adalah salah satu solusi untuk meningkatkan keandalan sistem
tenaga listrik. Namun pembangunan pembangkit skala besar tentunya membutuhkan biaya
yang besar dan waktu yang lama. Oleh.karena itu pembangkit skala kecil dan menengah bisa
dimanfaatkan dengan memasangnya pada jaringan distribusi. Jenis pembangkit ini dikenal
dengan nama Distributed Generation (DG).Pemasangan pembangkit tersebut diharapkan
memperbaiki keandalan suplai daya kepada setiap beban terutama untuk beban yang relatif
sangat jauh dari sumber suplai daya.
2.1 Distributed Generation (DG)
Distributed Generation seringkali disebut juga dengan on-site generation, dispersed
generation, embedded generation, decentralized generation, atau distributed energi. Secara
mendasar, DG menghasilkan energi listrik dari beberapa sumber energi yang berkapasitas kecil
dan dihubungkan langsung pada jaringan distribusi.
27
2.2 Sejarah Perkembangan DG
Beberapa publikasi yang ada sekarang tentang Distributed Generation menunjukkan bahwa
DG merupakan suatu fenomena baru dan berkembang secara signifikan hampir di seluruh dunia.
Namun, analisis dari Lembaga Energy Information Administration di Amerika Serikat
menunjukkan bahwa implementasi DG telah berkembang secara drastis pada akhir tahun 1980an dan pertengahan tahun 1990-an. Sebenarnya, perkembangan DG dalam tahap awal telah
dimulai ketika DG digunakan sebagai co-generator. Penggunaan co-generator dimulai pada
masa
tahun 1960-an dan banyak dikembangkan pada lokasi-lokasi industri dengan
memanfaatkan panas dari gas buang kondensor (output thermal dari alat pemanas berdaya besar).
Pasar untuk DG terus berkembang. Unit- uni DG terus diuji pada konsumen-konsumen
perumahan, industri dan sebagainya sebagai salah satu sumber energi listrik yang mereka
butuhkan. Di sisi lain, keuntungan dari DG Universitas Sumatera Utaramenunjukkan potensi
yang besar. Dengan perubahan struktur energi listrik yang terus berkembang, saat ini DG telah
dimanfaatkan sebagai pembangkitan siaga yang memberi keuntungan pada sistem tenaga listrik
sebagai sumber energi pada beban puncak, kehilangan daya pada sistem dan meningkatkan
kualitas daya para konsumen. Beberapa perkembangan terus dilakukan dan membuat DG tidak
hanya mungkin dilakukan tetapi suatu potensi yang diharapkan. Perkembangan DG di masa
sekarang didukung oleh dua isu utama dalam sistem tenagan listrik pada masa sekarang yaitu :
1. Perubahan kebijakan energi listrik di seluruh dunia dari sistem monopoli menjadi sistem yang
lebih kompetitif terkhusus pada sektor pembangkit yang memungkinkan keragaman dalam
kepemilikan aset pembangkit sehingga akan adanya persaingan yang mendorong harga energi
listrik menjadi lebih murah.
2. Kebijakan lingkungan yang berkelanjutan yang mengharapkan DG dapat membantu
mengurangi gas emisi terutama emisi karbon. Pemanfaatan energi DG harus mendorong
pengurangan emisi karbon karena umumnya teknologi DG memiliki emisi karbon yang rendah
bahkan ada yang emisi karbonnya nol seperti photovoltaic (sel surya) .
2.3 Defenisi Distributed Generation
CIGRE telah mendefinisikan
Distributed Generation sebagai semua unit pembangkit
dengan kapasitas maksimal berkisar sampai 50 MW dan dipasangkan ke jaringan distribusi.
IEEE mendefinisikan Distributed Generation sebagai pembangkitan yang menghasilkan energi
28
dalam kapasitas yang lebih kecil Universitas Sumatera Utaradibandingkan pusat-pusat
pembangkit konvensional dan dapat dipasangkan hampir pada setiap titik sistem tenaga listrik.
IEA (2002) mendefinisikan Distributed Generation sebagai unit-unit yang menghasilkan energi
pada sisi konsumen atau dalam jaringan distribusi lokal. Semua definisi di atas menunjukkan
bahwa pembangkitan dengan skala
kecil yang dihubungkan ke jaringan distribusi dapat dianggap sebagai bagian dari DG. Selain itu,
pembangkitan yang dipasangkan dekat dengan sisi beban atau konsumen juga dapat dikatakan
sebagai Distributed Generation.
2.4 Teknologi DG di Indonesia
2.4.1 Sejarah Perkembangan
Perkembangan teknologi DG di Indonesia telah berkembang sejak lama seiring
dikeluarkannya Peraturan Pemerintah Nomor 10 Tahun 1989 “Tentang Penyediaan dan
Pemanfaatan Energi” yang mengijinkan pembelian terhadap kelebihan energi listrik (excess
power). Teknologi DG yang banyak digunakan pada masa itu adalah teknologi cogeneration.
Bahkan menurut data penelitian Energy and Electricity (EERDC), kapasitas terpasang teknologi
cogeneration telah mencapai 834 MW pada tahun 1997. Perkembangan teknologi DG terus
berkembang dengan memfaatkan pembangkit listrik skala kecil (mikrohidro) yang dikelola oleh
pihak PLN atau swasta (Independent Power Producer). Sejak tahun 2002, teknologi DG di
Indonesia dikenal sebagai “Pembangkit Listrik Skala Kecil Tersebar” seperti yang tertuang
dalam Peraturan Pemerintah Nomor 30 tahun 2002.
Melalui PP Nomor 31/2009, Pemerintah juga mendorong penggunaan sumber energi baru,
terbarukan dan energi primer yang yang lebih efisien untuk pembangkit tenaga listrik, dan
diberikan kesempatan bagi Pembangkit Skala Kecil Swasta dan Koperasi (PSKSK) untuk
menjual tenaga listriknya kepada PLN. Harga jual tenaga listrik dari PSKSK adalah harga pada
titik interkoneksi dengan Sistem PLN dan harga jual ini disesuaikan setiap tahunnya berdasarkan
perhitungan biaya marginal Sistem PLN.
Harga Pembelian (HP) tenaga listrik yang dimaksud adalah
HP = Harga energi/kwh x F ……………………………………………………….……….. (2.1)
29
dimana nilai F ditentukan oleh daerah pembelian tenaga listrik oleh PT. PLN
yang didasarkan sebagai berikut :
a. Zona 1, Wilayah Jawa dan Bali, F = 1
b. Zona 2, Wilayah Suamtera dan Sulawesi, F = 1.2
c. Zona 3, Wilayah Kalimantan, NTB dan NTT, F = 1.3
d. Zona 4, Wilayah Maluku dan Papua, F = 1.5
Tabel 2.1 Harga Jual Energi Listrik Pembangkit Skala Kecil Tersebar Menurut PP No. 31/2009
Dewasa ini, skema pemanfaatan teknologi DG di Indonesia dibagi atas 2, yaitu :
1. Skema IPP (Independent Power Producer)
Skema ini berisi perjanjian dimana teknologi DG harus mengirim tenaga listriknya ke sistem
PLN secara kontiniu (24 jam). Skema ini biasanya memiliki kontrak dalam jangka waktu yang
lama (minimal 15 tahun) dan dapat diperpanjang sesuai kebutuhan atas kesepakatan bersama.
2. Skema Pembelian Excess Power (Kelebihan Tenaga Listrik)
Skema ini berisi perjanjian dimana teknologi DG mengirim kelebihan tenaga listriknya ke
sistem PLN pada waktu-waktu tertentu (biasanya pada Waktu Beban Puncak). Skema ini
biasanya memiliki kontrak jangka pendek (1 tahun) dan dapat diperpanjang sesuai kebutuhan
atas kesepakatan bersama.
2.4.2 Aplikasi Teknologi DG
Pemanfaatan teknologi DG yang telah banyak dikembangkan di Indonesia adalah teknologi
pembangkitan mikrohidro walaupun dewasa ini yang cukup signifikan adalah pembelian
30
kelebihan energi listrik (excess power) dari pihak industri-industri besar (PLTU). Berikut ini
adalah tabe yang menunjukkan aplikasi tekonologi DG berupa pembangkitan mikrohidro yang
telah terkoneksi pada jaringan distribusi di daerah Sumatera Utara. Tabel 3.2 Pemanfaatan
Pembangkitan Mikrohidro yang terinterkoneksi
pada Jaringan Tegangan Menengah 20 KV di Sumatera Utara
2.5 Teknologi DG yang Dapat Dikembangkan di Indonesia
Beberapa jenis teknologi DG yang dapat dikembangkan di Indonesia adalah mikrohidro,
bahan bakar nabati, biomassa, energi angin, tenaga surya, energi hybrid (angin dan surya),
pasang surut, dan panas bumi.
2.5.1 Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro
Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) adalah pembangkit listrik skala kecil yang
menggunakan energi air sebagai penggeraknya, misalnya saluran irigasi, sungai atau air terjun
31
dengan cara memanfaatkan tinggi terjunnya (head) dan jumlah debit airnya. Kondisi air yang
bisa dimanfaatkan sebagai sebagai sumberdaya penghasil listrik memiliki kapasitas aliran
maupun ketinggian tertentu. Semakin besar kapasisitas aliran maupun ketinggiannya maka
semakin besar energi yang bisa dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik.
Pembangkit tenaga mikrohidro bekerja dengan cara memanfaatkan semaksimal mungkin energi
potensial air. Energi ini secara perlahan diubah menjadi energi kinetik saat melalui nosel yang
ditembakkan untuk memutar sudu-sudu turbin. Energi mekanis dari putaran turbin akhirnya
diubah menjadi energi listrik melalui putaran generator.
Karena besar tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada tinggi jatuh dan
debit air, maka total energi yang tersedia dari suatu reservoir air merupakan energi potensial air.
Dengan demikian poensi daya air yang tersedia berdasarkan energi potensial dapat ditulis dalam
bentuk persamaan berikut :
PG = ρ . g . Q . Hg................................................................................. (2.2)
dimana : PG = potensi daya (kW)
ρ = massa jenis (kg/m3)
Q = debit aliran air (m3/s)
Hg = head kotor (m)
g = percepatan gravitasi (9,81 m/det2)
Potensi daya listrik yang dapat dibangkitkan adalah :
P = ρ . g . Q . He . Eff ............................................. (3.3)
dimana : P = daya listrik yang keluar dari generator (kW)
He = head efektif (m)
Eff = efisiensi
2.5.2 Teknologi Bahan Bakar Nabati
Biofuel adalah bahan bakar yang diproduksi dari sumber-sumber hayati, disebut juga BBN.
Secara umum biofuel dapat dikelompokkan menjadi tiga jenis bahan bakar, yaitu biodiesel,
bioethanol, dan biooil. Pengelompokan ini dapat dikatakan merujuk pada jenis-jenis BBM
konvensional dari sumber energi tak terbarukan yang ingin digantikan dengan biofuel. Biodiesel
dimaksudkan sebagai pengganti solar (high-speed diesel) dan minyak diesel industri (industrial
32
diesel-oil). Bioethanol yaitu etanol yang dihasilkan dari biomassa dimaksudkan sebagai bahan
bakar pengganti bensin. Sedangkan biooil dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar pengganti
minyak tanah dan minyak bakar (marine fuel-oil). Mengingat adanya keragaman bahan baku
(sisi hulu) dan keragaman bentuk akhir bahan bakar serta segmentasi penggunaannya, bagian
terpenting yang harus dilakukan dalam studi kelayakan teknis bahan bakar nabati adalah
screening rute produksi. Dalam melakukan identifikasi dan screening rute produksi, kajian
dilakukan dari mulai tahapan penanaman, pengolahan bahan baku, pemroduksian, penggunaan,
hingga dampaknya terhadap lingkungan. Tujuan dari screening ini adalah memilih rute produksi
yang paling layak secara tekno-ekonomis.
Identifikasi dan screening rute produksi untuk oil processing plant dan biodiesel plant lebih
ditekankan pada upaya untuk menyusun rute konversi produksi bahan bakar hayati khususnya
pure plant oil dan biodiesel. Gambar 3.2 menunjukkan ilustrasi awal rute konversi untuk sintesa
bahan bakar nabati. Biodiesel adalah suatu sumber daya yang dapat diperbaharui berasal dari
minyak nabati, penggunaanya untuk menggantikan solar dari minyak bumi yang merupakan
bahan bakar yang dominan untuk mesin diesel. Pertumbuhan penggunaan biodiesel tumbuh
dengan cepat terutama dalam bidang transportasi. Disamping itu biodisel dapat juga digunakan
sebagai bahan bakar untuk generator. Manfaat utama dari biodiesel adalah mengurangi emisi
udara yang berbahaya bagi lingkungan dalam pengoperasian pembangkit energi listrik.
Keuntungan dan kerugian pembangkit listrik yang mengunakan minyak nabati antara lain :
a. Keuntungan:
1. Ketersediaan bahan baku memadai seperti: kelapa sawit, jarak, singkong, jagung, dan tebu
untuk bioethanol dan biodiesel.
2. Bisa diandalkan sebagai pengganti solar dan bensin.
b. Kekurangan:
1. Jalur konversi yang panjang untuk menghasilkan energi listrik.
2. Membutuhkan Tenaga Ahli untuk proses konversi dari bahan baku menjadi biodiesel dan
bioethanol.
3. Sebagian besar bahan bakunya berasal dari bahan pangan.
4. Meningkatkan beban lingkungan karena adanya perkebunan mono kultur sehingga dapat
mengurangi produktifitas tanah dan mengganggu keseimbangan ekosistem.
33
2.5.3 Pembangkit Listrik Tenaga Biomassa
Biomassa adalah sebutan yang diberikan untuk material yang tersisa dari tanaman atau
hewan seperti kayu dari hutan, material sisa pertanian serta Iimbah organik manusia dan hewan.
Energi yang terkandung dalam biomassa berasal dari matahari. Melalui fotosintesis,
karbondioksida di udara di transformasi menjadi molekul karbon lain (misalnya gula dan
selulosa) dalam tumbuhan. Energi kimia yang tersimpan dalam dalam tanaman dan hewan
(akibat memakan tumbuhan atau hewan lain) atau dalam kotorannya dikenal dengan nama bioenergi.
Ketika biomassa dibakar, energi akan terlepas, umumnya dalam bentuk panas. Karbon pada
biomassa bereaksi dengan oksigen di udara sehingga membentuk karbondioksida. Apabila
dibakar sempurna, jumlah karbondioksida yang dihasilkan akan sama dengan jumlah yang
diserap dari udara ketika tanaman tersebut tumbuh. Oleh karena itu kecepatan regenerasi
biomassa merupakan salah satu hal terpenting yang menentukan layak tidaknya untuk
dimanfaatkan.
Secara umum keuntungan dan kerugian pembangkit listrik biomasa yaitu :
a. Keuntungan :
1. Sumber energi yang murah dan memanfaatkan limbah tanaman seperti kayu dari hutan,
material sisa pertanian serta Iimbah organik manusia dan hewan.
2. Dapat digunakan sebagai bahan bakar pengganti batubara.
b. Kerugian :
1. Lokasi ketersediaan biomasa tersebar sehingga susah dilakukan pengumpulan dalam jumlah
yang banyak.
2. Kontiniutas ketersediaan biomasa tidak terjamin.
2.5.4 Pembangkit Listrik Tenaga Surya
Energi matahari merupakan sumber energi penting sejak dahulu kala, dimulai cara
memanfaatkan yang primitif sampai teknologi photovoltaic. Matahari melepas 95% energinya
sebagai cahaya yang bisa dilihat dan sebaian lagi sebagai yang tidak terlihat seperti sinar infrared dan ultra-violet. Sebagai negara tropis, Indonesia mempunyai potensi energi surya yang
34
cukup besar. Berdasarkan data penyinaran matahari yang dihimpun dari 18 lokasi di Indonesia,
radiasi surya di Indonesia dapat diklasifikasikan berturut-turut sebagai berikut: untuk kawasan
barat dan timur Indonesia dengan distribusi penyinaran di Kawasan Barat Indonesia (KBI)
sekitar 4,5 kWh/m2 /hari dengan variasi bulanan sekitar 10%; dan di Kawasan Timur Indonesia
(KTI) sekitar 5,1 kWh/m 2 /hari dengan variasi bulanan sekitar 9%. Dengan demikian, potensi
energi surya rata-rata Indonesia sekitar 4,8 kWh/m2/hari dengan variasi bulanan sekitar 9%
Kelebihan dan kekurangan dari penggunaan energi panas matahari antara lain :
a. Kelebihan :
1. Energi panas matahari merupakan energi yang tersedia hampir diseluruh bagian permukaan
bumi dan tidak habis (renewable energy).
2. Penggunaan energi panas matahari tidak menghasilkan polutan dan emisi yang berbahaya baik
bagi manusia maupun lingkungan.
b. Kerugian :
1. Sistem pemanas air dan pembangkit listrik tenaga surya tidak efektif digunakan pada daerah
memiliki cuaca berawan untuk waktu yang lama.
2. Pada musim dingin, pipa-pipa pada sistem pemanas ini akan pecah karena air di dalamnya
membeku.
3. Membutuhkan lahan yang sangat luas yang seharusnya digunakan untuk pertanian,
perumahan, dan kegiatan ekonomi lainya. Hal ini karena rapat energi matahari sangat rendah.
4. Sistem hanya bisa digunakan pada saat matahari bersinar dan tidak bisa digunakan ketika
malam hari atau pada saat cuaca berawan.
2.5.5 Pembangkit Listrik Tenaga Angin
Pembangkit Listrik Tenaga Angin mengkonversikan energi angin menjadi energi listrik
dengan menggunakan turbin angin atau kincir angin. Cara kerjanya cukup sederhana, energi
angin yang memutar turbin angin, diteruskan untuk memutar rotor pada generator dibagian
belakang turbin angin, sehingga akan menghasilkan energi listrik. Energi Listrik ini biasanya
akan disimpan kedalam baterai sebelum dapat dimanfaatkan. Energi kinetik dari angin ditangkap
35
melalui turbin angin (kincir angin) yang diubah menjadi energi mekanis dan selanjutnya
dikonversikan menjadi energi listrik melalui generator listrik.
Kelebihan dan kekurangan Pembangkit Listrik Tenaga Angin antara lain:
a. Kelebihan :
1. Teknologi yang ramah Lingkungan (environmental friendly) dan tidak rumit.
2. Mudah dalam pengoperasianya dan tidak memerlukan perawatan khusus.
b. Kekurangan :
1. Butuh biaya yang cukup besar untuk investasi awal.
2. Lokasinya tertentu, didaerah yang kecepatan angin cukup untuk memutar baling-baling.
3. Kecepatan angin yang fluktuatif tergantung pada musim.
2.5.6 Pembangkit Listrik Tenaga Pasang Surut
Gerakan naik dan turun air laut yang luas menunjukkan adanya sumber tenaga yang tidak
terbatas. Jika beberapa bagian dari tenaga yang besar sekali ini dialihkan ke tenaga listrik, tentu
akan menjadi sumber penting bagi tenaga air. Gambaran utama siklus air pasang adalah
perbedaan naiknya permukaan air pada waktu air pasang dan pada waktu air surut. Jika
perbedaan tinggi ini dimanfaatkan guna mengoperasikan turbin, tenaga air pasang itu dapat
dialihkan pada tenaga listrik. Pada dasarnya, hal ini tidak terlalu sukar karena air pada waktu
pasang, berada pada tingkatan yang tinggi dan dapat disalurkan ke dalam kolam untuk disimpan
pada tingkatan tinggi di situ. Air tersebut juga dapat dialirkan kembali ke laut waktu air surut
melalui turbin-turbin, yang berarti memproduksi tenaga. Karena tingkatan permukaan air di
kolam tinggi dan permukaan laut rendah, terdapatlah perbedaan perbandingan tinggi air, yang
dapat digunakan untuk menggerakkan turbin-turbin.
2.5.7 Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi
Energi panas bumi adalah energi yang dihasilkan oleh tekanan panas bumi. Energi ini dapat
digunakan untuk menghasilkan listrik, sebagai salah satu bentuk dari energi terbarukan. Air
panas alam bila bercampur dengan udara karena terjadi fraktur atau retakan maka selain air panas
akan keluar juga uap panas (steam). Air panas dan steam inilah yang kemudian dimanfaatkan
sebagai sumber pembangkit tenaga listrik. Agar panas bumi (geothermal) tersebut bisa
36
dikonversi menjadi energi listrik tentu diperlukan pembangkit (power plants). Pembangkit yang
digunakan untuk mengonversi fluida geothermal menjadi tenaga listrik secara umum mempunyai
komponen yang sama dengan power plants lain yang bukan berbasis geothermal, yaitu terdiri
dari generator, turbin sebagai penggerak generator, heat exchanger, chiller, pompa, dan
sebagainya.
2.6. Keuntungan Distributed Generation
Dalam banyak penelitian, DG dapat beradaptasi dengan perubahan ekonomi dalam cara
yang fleksibel karena ukurannnya yang kecil dan konstruksi yang lebih sederhana dibandingkan
dengan pusat-pusat pembangkit konvensional. Menurut IEA, penilaian ekonomi atas nilai
fleksibiltas DG sangat memungkinkan dan layak (2002). Sebagian besar DG memang sangat
fleksibel dalam beberapa hal seperti operasi, ukuran, dan kemajuan teknologi. Selain itu, DG
dapat meningkatkan keandalan sistem tenaga listrik. Dalam pemasangannya di jaringan
distribusi, DG ditempatkan dekat dengan daerah beban dan beberapa keuntungan dalam
pemakaian DG :
1. DG memberi keandalan yang lebih tinggi dalam pemanfaatan daya
2. DG sebagai sumer energi lokal dapat membantu untuk penghematan daya listrik pada jaringan
transmisi dan distribusi.
3. Dibandingkan dengan power plants, DG memiliki efesiensi yang lebih tinggi dalam
penyaluran daya. Selain itu, bila dikoneksikan pada jaringan, DG dapat meningkatkan
efesiensi sistem karena DG membantu mengurangi rugi-rugi pada sistem.
4. Dalam memproduksi energi listrik, DG bersifat ramah lingkungan. Emisi yang dihasilkan dari
produksi energi listrik oleh DG tergolong rendah, bahkan mendekati nol.
37