SISTEMWIND-DIESELUNTUK PEMBANGKIT LISTRIK Dl LOKASI

SISTEM WIND-DIESEL UNTUK PEMBANGKIT
LISTRIK Dl LOKASI DENGAN KECEPATAN ANGIN MENENGAH Dl INDONESIA
Sahat Pakpahan
Peneliti Pusat Teknolog) Dirgantara Terapan, LAPAN
ABSTRACT
Windspeed is u s e d as a reference in utilization of windturbine as a generating
system a n d will be the main variable for calculation of the energy produced at a certain
location.Windspeeds are classified in small scale, medium a n d large scales. Applications
of small scales are generally in the stand-alone mode, while the large systems are
intended for interconnection into the utility grid. In between, there a r e medium scale
applications with the a n n u a l average windspeed of 4.0 m / s - 5.0 m/s.Example of
applications are hybrid of windturbine with local diesel generating sets, known as winddiesel system using one or more windturbines of t h e size of 10 kW -100 kW a n d to be
matched with the capacity of the existing diesel. Most applications are in the
intermittent mode of operation in order to obtain higher fuel saving which is used to
operate the diesel. Some configurations, selection of components, modelling and
calculations are presented to identify more detailed behaviour of the system.
ABSTRAK
Kecepatan angin m e r u p a k a n acuan dalam pemanfaatan turbin angin sebagai
pembangkit listrik d a n m e r u p a k a n variabel u t a m a u n t u k perhitungan energi aktual di
s u a t u lokasi. Kecepatan angin dikelompokkan dalam skala kecil, menengah atau besar.
Pemanfaatan skala kecil p a d a u m u m n y a adalah dalam modus berdiri sendiri, sedangkan
skala besar ditujukan u n t u k interkoneksi ke jaringan u m u m / P L N setempat.
Pemanfaatan skala menengah dengan kecepatan angin rata-rata tahunan dari 4,0-5,0 m / s
adalah a n t a r a skala kecil d a n besar, contoh aplikasinya adalah hibrida turbin angin
d a n pembangkit diesel yang disebut sistem wind-diesel. Sistem terdiri dari satu atau
lebih turbin angin dengan kapasitas 10 kW-100 kW disesuaikan dengan kapasitas
genset yang ada. Sistem yang banyak digunakan adalah yang bekerja secara bergantian
g u n a memperoleh penghematan b a h a n bakar yang lebih besar u n t u k pengoperasian
genset Konfigurasi, analisis pemilihan komponen, pemodelan d a n perhitungan disajikan
dalam makalah ini guna mengetahui lebih rinci mengenai sifat-sifat sistem.
Kata k u n c i : Angin-diesel, Modus bergantian, Penghematan bahan bakar
I
PENDAHULUAN
Energi baru d a n terbarukan (EBT)
m e r u p a k a n s u m b e r - s u m b e r potensial
u n t u k penyediaan listrik di berbagai
wilayah di Indonesia yang sekarang ini
peranannya makin ditingkatkan sehubungan dengan meningkatnya kebutuhan
energi bagi masyarakat dan cadangan
sumber energi konvensional yang makin
berkurang. S u m b e r - s u m b e r EBT yang
akan dikembangkan m e n c a k u p energi
angin, surya, mikro hidro, d a n biodiesel,
1R
dan Iain-lain yang dalam program implementasinya juga telah di d u k u n g oleh
berbagai kebijakan pemerintah dalam
bidang energi t e r m a s u k energi angin
sehingga kontribusinya a k a n meningkat.
Diharapkan, hingga tahun 2025 kontribusi
EBT dapat mencapai 5% dari pasokan
listrik nasional.
Dalam bidang energi angin, berbagai aplikasi skala kecil k h u s u s n y a
u n t u k listrik pedesaan telah dikembangkan, sedangkan dalam skala yang lebih
besar yaitu skala menengah d a n besar
telah dilakukan berbagai kajian d a n
program pengembangan lanjut u n t u k
pemanfaatan yang lebih ekonomis sebagai
pemasok listrik terutama interkoneksi
dengan jaringan listrik u m u m setempat
(PLN}. Secara teknis, pengertian skala kecil
adalah pemanfaatan turbin-turbin angin
sampai kapasitas 10 kW terpasang per
unit dengan kecepatan angin rata-rata
2,5 - 4,0 m / s di lokasi, skala menengah
dari 10 kW - 100 kW dengan kecepatan
angin rata-rata 4,0 - 5,0 m / s , sedangkan
skala besar adalah turbin angin kapasitas
di atas 100 kW dengan kecepatan angin
rata-rata t a h u n a n di atas 5,0 m / s . Skala
besar digunakan u n t u k interkoneksi
dengan jaringan listrik u m u m setempat
yakni PLN. Salah s a t u aplikasi skala
menengah adalah sistem pembangkit
yang menggabungkan turbin angin dengan
pembangkit listrik diesel setempat (PLTD)
dan disebut sistem wind-dieseL
Sistem wind-diesel adalah s u a t u
sistem pembangkit listrik yang terdiri
atas s a t u atau lebih turbin angin digabungkan dengan satu a t a u lebih generator diesel (disebut genset) yang dihubungkan secara paralel u n t u k pemasokan listrik secara bergantian dan bekerja
otomatis. Pada waktu angin tinggi, turbin
angin akan lebih banyak memasok listrik
ke konsumen, sedangkan p a d a waktu
angin rendah, pemasokan listrik akan di
alihkan secara otomatis ke pembangkit
diesel (genset) yang ada. Dibandingkan
dengan skala besar yang di interkoneksi
ke jaringan listrik PLN, pengembang
pembangkit turbin angin dalam sistem
interkoneksi menjual listrik ke PLN;
sedangkan dengan sistem wind-diesel,
listrik u n t u k k o n s u m e n di pasok secara
bergantian oleh turbin angin dan genset
Tujuannya adalah penghematan bahanbakar solar u n t u k mengoperasikan genset,
dan porsi p e n g h e m a t a n n y a bergantung
pada potensi energi angin yang tersedia
di lokasi dan permintaan [demand\. Dari
aspek teknis, sistem ini t e r m a s u k dalam
skala menengah yang menggunakan
turbin angin sampai 100 kW per unit
terpasang.
Sistem wind-diesel telah dikembangkan di berbagai negara a n t a r a lain
Norwegia, Inggris, Amerika Serikat, dan
Iain-lain Untuk Indonesia, prospek pemanfaatan yang telah diidentifikasi antara
lain adalah di wilayah NTT d a n Sulawesi
Selatan dengan kecepatan angin rata-rata
t a h u n a n sebesar 4,0 - 6,0 m / s .
2
KONFIGURASI
OPERASI
DAN
SISTEM
Konfigurasi u t a m a sebuah pembangkit wind-diesel terdiri atas turbin
angin, generator-diesel (genset) d a n unit
kontrol a n t a r a turbin angin d a n genset
yang berfungsi u n t u k mengontrol pengalihan pasokan listrik ke konsumen
dari turbin angin ke genset d a n dari
genset ke turbin angin yang pada dasarnya
di rancang secara otomatis. KonMgurasi
utama pembangkit wind-diesel terdiri d a r i :
a. Turbin Angin
S e b u a h turbin angin terdiri dari
rotor, generator, nasel, roda-gigi, unit
pengarah, unit kontrol dan menara. Turbin
angin merupakan pembangkit listrik yang
mengubah energi angin menjadi listrik
(disebut PLTB-Pembangkit Listrik tenaga
Bayu/Angin) d a n dapat di interkoneksi
dengan generator diesel. J u m l a h turbin
angin bisa satu atau lebih.
b. Generator-diesel
Generator-diesel [genset) sebagai
pembangkit u t a m a terdiri atas motor
diesel yang selanjutnya di sebut mesin
diesel, dan generatornya sendiri. Mesin
diesel berfungsi u n t u k mengubah bahan
bakar solar menjadi energi mekanis dalam
bentuk p u t a r a n poros dan selanjutnya
dengan menggandengkan poros tersebut
ke poros sebuah generator, maka generator
akan menghasilkan listrik. Gabungan
a n t a r a mesin diesel dan generatornya di
sebut generator diesel (genset\. Untuk
m e m p e r t a h a n k a n daya bermanfaat, generator dilengkapi dengan governor yang
mengatur kecepatan putaran mesin
diesel dan frekuensi tegangan yang di
hasilkan. J u m l a h genset sebagai s u b -
19
Jumal TelyioUiQi (Dtrgantara Vol: 4 Wo. 1 Junt 2006:18-30
sistem
lebih.
wind-diesel j u g a
bisa
satu
atau
Mesin diesel sebagai bagian d a r i
s e b u a h genset, d i k e l o m p o k k a n m e n u r u t
b e b e r a p a kriteria y a k n i b e r d a s a r k a n tipe
b a h a n bakar yang digunakan, kecepatan
niesin, b e n t u k a s p i r a s i d a n s i k l u s operasi.
Pemilihan b a h a n b a k a r b e r g a n t u n g
p a d a h a r g a / b i a y a , k e t e r s e d i a a n , nilai
k a l o r i , kondisi t e m p e r a t u r d a n ciri spesifik
mesin, dan u m u m n y a pemakaian bahan
b a k a r tersebut m e n c a k u p 80 % dari
b i a y a o p e r a s i genset.
B e n t u k a s p i r a s i m e s i n diesel a d a l a h
natural a t a u turbo charged. D a l a m t i p e
natural, u d a r a d i a m b i l p a d a t e k a n a n
a t m o s f e r ; s e d a n g k a n p a d a t i p e turbo
charged, c a m p u r a n u d a r a d a n b a h a n
b a k a r d i i n j e k s i k a n k e d a l a m silinder
m e s i n p a d a t e k a n a n y a n g lebih b e s a r
d a r i p a d a t e k a n a n a t m o s f e r . Tipe turbo
charged s e c a r a signifikan a k a n m e n i n g k a t k a n k a p a s i t a s m e s i n ( s a m p a i 40%) d a n
efisiensi d e n g a n m e m b o l e h k a n p e r t a m b a h a n volume u d a r a yang m e m a s u k i
ruang pembakaran g u n a menjamin pemb a k a r a n b a h a n b a k a r y a n g lebih b a i k d a n
efisien.
S i k l u s o p e r a s i m e s i n diesel a d a l a h
2 - t a k (2-strokes) a t a u 4 - t a k (4-strokes).
Dalam mesin 4 tak, s e m u a siklus pemb a k a r a n y a n g terdiri dari induksi, kompressi, e k s p a n s i d a y a d a n p e m b u a n g a n
(exhaust) terjadi p a d a l a n g k a h t o r a k y a n g
terpisah; s e d a n g k a n dalam 2-tak, i n d u k s i
d a n p e m b u a n g a n terjadi bila t o r a k h a m p i r
b e r h e n t i (stasioner) p a d a a k h i r l a n g k a h
e k s p a n s i . D i m e n s i m e s i n 2-tak c e n d e r u n g
menjadi sangat besar atau sebaliknya
s a n g a t kecil.
Metoda pendinginan dapat b e r u p a
pendinginan udara, u d a r a yang di mamp a t k a n a t a u pendinginan dengan cairan.
K e c e p a t a n s e b u a h m e s i n diesel
b i a s a n y a terkait d e n g a n u k u r a n n y a . Mesin
b e s a r c e n d e r u n g beroperasi p a d a p u t a r a n
y a n g lebih r e n d a h y a i t u d i b a w a h 9 0 0
rpm, s e d a n g k a n m e s i n - m e s i n kecil hingga
m e d i u m p a d a p u t a r a n y a n g lebih tinggi
dari 900 r p m yaitu 1200 rpm, 1500 rpm,
1800 r p m , 2 4 0 0 r p m , 3 0 0 0 r p m a t a u
20
3 6 0 0 r p m . H a l ini s e s u a i d e n g a n p u t a r a n
normal generator komersial.
Untuk pengontrolan kecepatan
generator-diesel y a i t u frekuensi generator,
d i g u n a k a n governor y a n g d a p a t b e r u p a
peralatan mekanik a t a u p u n elektronik.
Governor m e k a n i k dipakai u n t u k k a p a s i t a s
d i b a w a h 5 0 0 k W a t a u bila b e b a n terbagi
dapat berfluktuasi sebesar + 5 s a m p a i
10 %, s e d a n g k a n governor e l e k t r o n i k di
g u n a k a n u n t u k stabilitas frekuensi yang
l e b i h teliti a t a u d a l a m o p e r a s i p a r a l e l
yang otomatis. Beban-beban biasanya di
kelola dalam b a t a s ± 5%.
Nilai kalori b a h a n b a k a r y a n g d a p a t
di u b a h menjadi daya mekanis hanya
m e n c a p a i 3 0 % - 40%; s e d a n g k a n energi
lainnya di u b a h menjadi p a n a s yang
s e b a g i a n b e s a r d i p i n d a h k a n oleh p e n d i n g i n a n d i d a l a m radiator, d i b u a n g dalam
g a s - g a s p e m b a k a r a n t e m p e r a t u r tinggi,
atau di radiasi dari p e r m u k a a n mesin.
U n t u k tipe natural d a n turbo charged,
h a l ini d i p e r l i h a t k a n p a d a T a b e l 2 - i .
T a b e l 2 - 1 : KESETIMBANGAN
PANAS
DALAM MESIN D I E S E L (%)
Beberapa pabrikan merekomend a s i k a n agar diesel t i d a k di o p e r a s i k a n
p a d a kapasitas di bawah sebagian beban
t e r t e n t u d a l a m s u a t u p e r i o d a y a n g lebih
l a m a , d a n nilai a m b a n g y a n g d i s a r a n k a n
a d a l a h 4 0 % w a l a u p u n 20-30%) s e h a r u s n y a
lebih u m u m u n t u k m e s i n - m e s i n d i e s e l
y a n g lebih b a r u . S a l a h s a t u a l a s a n n y a
a d a l a h k a r e n a p a d a w a k t u t i d a k bero p e r a s i p u n , s e b u a h genset b a h k a n a k a n
mengkonsumsi bahan bakar yang cukup
apresiatif yaitu 2 0 - 3 0 % d a r i b e b a n p e n u h -
nya. N a m u n hal ini tidak menyiratkan
bahwa p e m b e b a n a n r e n d a h tidak dapat
di toleransi u n t u k perioda yang singkat,
karena telah terbukti bahwa sebuah genset
dapat mengakomodasikan beban-beban
negatif hingga 30% dari output nominalnya.
Konsumsi bahan bakar dalam daerah
negatif terus menurun bila jumlah beban
negatif yang t e r s a m b u n g lebih banyak
dan frekuensi sistem u m u m n y a adalah
stabil selama beban negatif tersebut tidak
melebihi 30% dari nominalnya. Namun
dalam hal ini, ditekankan agar bebanbeban negatif h a n y a digunakan u n t u k
perioda yang singkat.
Generator u n t u k genset adalah
generator sinkron a t a u p u n asinkron/
induksi. Generator sinkron memiliki penguatan sendiri (self-excitation) d a n memberikan persyaratan daya reaktif, sedangkan generator induksi harus memperoleh
arus magnetisasi dari s u m b e r luar. Oleh
karena itu, secara tipikal generator induksi
tidak digunakan u n t u k operasi terisolir
yang independen. Generator a r u s searah
juga dapat digunakan tetapi tidak banyak
tersedia di p a s a r a n . Pilihan yang paling
u m u m adalah generator sinkron.
mengontrol pasokan listrik p a d a kondisikondisi yang telah dirancang yaitu pada
s a a t angin tinggi m a u p u n p a d a saat
angin rendah.
Beberapa konfigurasi wind-diesel
di perlihatkan p a d a G a m b a r 2 - 1 , 2-2
d a n 2-3.
c. Unit penyimpan (bila diperlukan)
Untuk sistem otonomous tanpa unit
penyimpan, terdapat dua jenis modus
operasi yaitu :
• Jika daya angin lebih kecil daripada
permintaan (load demand], m a k a generator sinkron genset digerakkan oleh
motor diesel d a n menghasilkan daya
listrik. J i k a efisiensi generator adalah
r| dengan 0 < r\ < 1 d a n faktor daya
minimum adalah cos 0 (0 < cos 8 < 1),
maka daya nyata generator paling sedikit
sebesar T)/COS 0 dari daya diesel nominal.
Suatu contoh adalah memilih daya
nominal genset sebesar 60 kW dan untuk
turbin angin 25 kW. Dengan modus
operasi ini, genset d a p a t memenuhi
semua fungsi pengontrolan.
3
d.Unit Kontrol
3.1 Modus Operasi Genset
Berfungsi sebagai a n t a r - m u k a /
interface a n t a r a PLTB d a n PLTD guna
Persyaratan u t a m a u n t u k merancang s u a t u pembangkit wind-diesel yang
PEMILIHAN KOMPONEN
21
efektif dan viabel secara ekonomis adalah
tersedianya d a t a d a n karakteristik rejim
angin yang rinci di lokasi (minimal 1
lahun) serta pola pemanfaatan d a n
permintaan yang direncanakan. Pada
d a s a r n y a sistem r a n c a n g a n m e n c a k u p
beberapa hal b e r i k u t :
a. Modus operas!
Tersedia dalam d u a modus yaitu
yang beroperasi secara kontinu dan secara
bergantian [intermittent). Secara teknis,
modus kontinu lebih sederhana dan andal
karena lebih m u d a h menjamin pasokan
yang kontinu, n a m u n bila menggunakan
banyak genset, jika sebagian genset-nya
mati m a k a genset lainnya yang hidup
tidak boleh terbebani lebih. Genset yang
di lengkapi dengan beban p e m b u a n g a n
[dump-load} u m u m n y a m a m p u mempert a h a n k a n nilai tegangan d a n frekuensi
sistem. Kekurangan tipe kontinu adalah
kontribusi turbin angin yang lebih rendah
dengan penghematan b a h a n bakar yang
kecil karena genset-nya beroperasi kontinu.
Khususnya u n t u k sistem pembangkit yang
kecil, tipe ini memiliki prestasi part-load
yang jelek yang membatasi penghematan
bahan bakar, b a h k a n pada beban nol,
sebuah pembangkit diesel kecil mengkonsumsi bahan bakar sebesar 20 - 30 %
dari beban penuhnya. Selain itu, u n t u k
menghindari efek k e r u s a k a n yang terjadi
bila genset beroperasi p a d a beban-beban
rendah, biasanya pabrikan menyarankan
pembebanan yang minimum. Misalnya
bila yang d i s a r a n k a n adalah 4 0 % dari
output nominal, berarti konsumsi b a h a n
bakar diesel minimum adalah 60 % nya
(dari 40%) p a d a beban penuh. Dengan
kondisi ini, penghematan bahan bakar
tidak a k a n berarti, sehingga dapat di
simpulkan bahwa cara yang terbaik u n t u k
meningkatkan penghematan bahan bakar
adalah mematikan genset bila tidak di
perlukan.
Hubungan
antara
pemakaian
b a h a n bakar d a n daya yang dihasilkan
diperlihatkan p a d a G a m b a r 3 - 1 .
Pada tipe bergantian, tujuan utama
adalah penghematan b a h a n b a k a r yang
lebih besar dengan cara mengoperasikan
22
genset hanya pada waktu angin r e n d a h
atau p a d a saat permintaan [demand)
tinggi, n a m u n konsekuensinya adalah
strategi kontrol yang lebih rumit. U n t u k
sistem tanpa unit penyimpan, hal ini
menyangkut pengalihan pasokan lislrik
dari turbin angin ke genset bilamana
surplus turbin angin ke beban t u r u n di
bawah s u a t u batas yang a m a n u n t u k
memperhitungkan fluktuasi yang diakibatkan oleh turbulensi angin. Dalam praktoknya, pendekatan ini menghasilkan diesel
yang b e r p u t a r selama perioda yang di
perpanjang bila output-nya ternyata tidak
di perlukan. Diesel dapat dibiarkan mati
[offl sampai waktu yang di perlukan untuk
menggantikan pengurangan energi, hanya
bila sistem dilengkapi dengan u n i t penyimpan energi a t a u m e n e r a p k a n roanajemen pembebanan yang tepat.
J u m l a h siklus hidup-mati [on/off]
genset yang di ijinkan yang dapat di
toleransi bergantung p a d a tipe mesin
diesel dan cara p e n g a s u t a n n y a [starting).
P e n a m b a h a n kapasitas unit penyimpan
a k a n mengurangi laju siklus dan bergantung pada rugi-rugi (tosses) yang
tercakup dalam unit penyimpan yang
lebih besar, m a k a secara marginal pengurangan bahan bakar dapat di harapkan. Dalam proses rancangan, biaya
t a m b a h a n u n t u k unit penyimpan h a r u s
dikompromikan t e r h a d a p penghematan
b a h a n bakar yang direncanakan d a n
juga t e r h a d a p k e u n t u n g a n ekonomis
akibat pengurangan operasi atau penurunan siklus genset/diesel tersebut.
Pengurangan siklus genset juga
dimungkinkan dengan menggunakan unit
kontrol, n a m u n , cara ini cenderung akan
menghasilkan p e n a m b a h a n konsumsi
bahan bakar. Dengan demikian, guna
memperoleh sistem yang optimum, ket e n t u a n k h u s u s yang h a r u s dilakukan
adalah menetapkan perlu tidaknya unit
penyimpan, modus operasi yang akan di
gunakan, d a n nilai nilai [rating) masing
masing elemen sistem. Filosofi penggunaan
genset u n t u k daya beban d a n daya
turbin angin tertentu diperlihatkan pada
Gambar 3-2.
23
Gambar 3-4: Sistem wind-diesel dengan generator sinkron sebagai pembangkit listrik
genset
b . Kualitas daya
Kualitas daya wind-diesel ditentukan oleh pasokan yang dihasilkan. Bila
utilitas di lokasi (misalnya pulau terpencil)
memiliki banyak generator diesel sebagai
pembangkit, m a k a kualitas daya akan
ditentukan oleh utilitas itu sendiri yaitu
genset tersebut, d a n dalam hal ini, jika
wind diesel m e r u p a k a n satu satunya
pembangkit yang tersedia untuk konsumen,
m a k a kualitas daya d a n keandalannya
perlu dikaji secara lebih cermat.
Kualitas daya sering dinyatakan
berkenan dengan karakteristik fisik d a n
sifat-sifat listrik yang dibangkitkan dan
paling sering dinyatakan oleh : stabilitas
tegangan, stabilitas frekuensi, frekuensi
harmonik, interferensi telepon, efek interferensi elektromagnetik, kesetimbangan
fasa d a n faktor daya.
Secara ideal, pasokan daya h a r u s
memiliki kualitas yang tidak m e r u s a k
komponen d a n perlengkapan listrik konsumen atau tidak mengalami p e n u r u n a n
fungsi selama beroperasi. Kualitas daya
yang s e m p u r n a adalah tegangan yang
kontinu d a n sinusoida m u r n i dengan
amplitudo d a n frekuensi yang konstan,
n a m u n k a r e n a dalam prakteknya hal ini
tidak mungkin terjadi, m a k a digunakan
s u a t u cara penilaian berdasarkan peng24
u k u r a n penyimpangan dari kondisi ideal
(nominal) yaitu mengukur besarnya tingkat
penyimpangan tersebut d a n digunakan
sebagai indikator. Indikator yang dapat
digunakan adalah ke tidak teraturan
tegangan yang mencakup: variasi tegangan
yang lambat, p e r u b a h a n nilai tegangan
rms yang tiba-tiba, p e n u r u n a n tegangan,
fluktuasi tegangan yang cepat, ke tidak
setimbangan tiga fasa tegangan, distorsi
tegangan harmonik dan variasi frekuensi.
Variasi tegangan yang lambat didefinisik a n sebagai p e r u b a h a n nilai rms yang
terjadi dalam senjang waktu menit atau
lebih. Dengan standar IEC (International
Electric Code) tegangan adalah 2 3 0 / 4 0 0 V,
50 Hz d a n tegangan pada konsumen
tidak boleh melebihi ±10 % dari nilai
nominalnya. Pengontrolan level tegangan
dalam julat yang di ijinkan merupakan
s u a t u cara yang bermanfaat u n t u k
pengontrolan beban.
Fluktuasi tegangan yang cepat di
definisikan sebagai sederetan perubahan
tegangan atau variasi siklus pembungkus
tegangan dan di artikan sebagai sederetan p e r u b a h a n terhadap interval,
yaitu interval tunda-waktu awal satu
perubahan tegangan ke awal yang lain
yang lebih singkat daripada 1 a t a u 2
menit. Penurunan tegangan di definisikan
sebagai penurunan tegangan yang singkat
yang lebih besar daripada suatu nilai
minimum dengan interval p e r u b a h a n
dari 10 ms sampai 60 s.
Untuk ketidaksetimbangan fasa,
faktor ketidaksetimbangan yang diijinkan
oleh IEC adalah lebih kecil atau sama
dengan 1 % u n t u k periode panjang atau
1,5 % u n t u k periode yang singkat.
Sistem besar biasanya sangat
stabil dan u n t u k frekuensi, variasi yang
di ijinkan adalah < 1%. Komponen kompor.cn dan peralatan listnk dirancang
agar m a m p u m e n e r i m a deviasi frekuensi
paling sedikit ± 3 %.
Pada dasarnya, pemilihan u k u r a n
genset dapat dilakukan m e n u r u t cara
yang konvensional terkait dengan sifatsifat alamiah beban yang h a r u s mencakup
beberapa faktor, antara lain: beban untuk
pengasutan motor diesel, karakteristik
frekuensi dan tegangan yang diperlukan.
Pertimbangan juga h a r u s dilakukan
dalam memilih u k u r a n genset di lokasilokasi yang memiliki kerapatan u d a r a
yang rendah, k a r e n a peningkatan daya
dan k e m a m p u a n pendingin dapat dipengaruhi oleh t e k a n a n atmosfer yang
r e n d a h a t a u t e m p e r a t u r sekeliling yang
tinggi.
Penyebab u t a m a distorsi harmonik
adalah inverter, konverter d a n saturasi
magnetik transformator. Distorsi ini mer u p a k a n p e r u b a h a n b e n t u k gelombang
tegangan d a n nilai yang diperbolehkan
diberikan oleh s t a n d a r nasional m a u p u n
internasional.
Dengan berbagai kondisi pemilihan
ini, pedoman u m u m adalah menggunakan generator sinkron sebagai unit
pembangkit listrik k a r e n a generator tipe
ini m a m p u melakukan berbagai fungsi.
3.2 Pemilihan Ukuran Mesin Diesel
Secara u m u m , u k u r a n genset dapat
dipilih tidak bergantung pada sub&istem
lainnya karena biasanya dianggap bahwa
dalam kondisi yang paling buruk, genset
h a r u s m a m p u memasok konsumen pada
waktu tidak a d a angin d a n unit penyimpan dalam keadaan kosong. Pengecualian
u t a m a adalah sistem yang didasarkan
pada pendekatan cycle-charge yaitu diesel
beroperasi secara periodik u n t u k mengisi
unit penyimpan. Dalam hal ini nilai
nominal (rating) genset h a r u s lebih besar
dari p a d a permintaan [demand] r a t a r a t a
atau kebutuhan yang berkesinambungan.
Pada sistem dengan pengisian non
c(/c/e,ukuran genset di pilih agar selain
memenuhi permintaan m a k s i m u m yang
diharapkan, juga m a m p u mengatasi
rugi-rugi y a n g telah a d a d a l a m sistem
yang tercakup. Dalam hal ini, s u a t u
margin yang a m a n mungkin perlu ditambahkan, dengan m e m b u a t ketentuan
u n t u k p e n a m b a h a n demand. Sebagai
contoh, u n t u k sistem wind-diesel yang
baru, adalah l u m r a h menaikkannya
secara berarti dan sering secara dramatis
menambah konsumsi listrik.
3.3 Pemilihan Generator Untuk Genset
Generator yang digunakan sebagai
pembangkit listrik genset yang digandengkan ke motor diesel, adalah
a.Generator a r u s searah (dc generator).
Digunakan
untuk
permintaan
[demands yang rendah dengan b e b a n /
konsumen yang secara fisik dekat dengan
turbin angin. Generator tipe ini biasanya
digunakan u n t u k mengisi baterai dan
pemanas resistif yang beroperasi pada
kecepatan variabel.
b. Generator arus bolak balik (ac generator)
Fungsi generator a r u s searah saat
ini telah banyak digantikan oleh generator
arus bolak-balik atau alternator yang
u m u m n y a dieksitasi oleh magnet permanen dan kemudian diubah menjadi
a r u s searah dengan menggunakan rangkaian penyearah tipe semi-konduktor.
Generator a r u s bolak balik dengan magnet
permanen yang beroperasi pada kecepatan
variabel d a n menghasilkan tegangan
variabel memungkinkan u n t u k pengontrolan agar menghasilkan daya maksimum
pada kecepatan angin tinggi dengan
menggunakan perubahan reaktansi induktif gulungan stator u n t u k membatasi
keluaran a r u s .
25
jm*Mw H n n w w N M >-cw. •• ,-•<*. i ./tin* duuv. to-jv
c. Generator sinkron
Generator sinkron digandeng ke
mesin diesel melalui kopling. Fungs i
generator sinkron, adalah mengubah daya
mekanis yang dihasilkan oleh mesin
diesel menjadi listrik, memasok daya
reaktif ke sistem, yaitu beban, beban
pembuangan, ke turbin angin, mengontrol level tegangan jaringan, menghasilkan tegangan sinusoida yang sama dengan
jaringan, menghasilkan a r u s hubung
singkat u n t u k memutus sekring, melakukan komutasi thyristor dalam hal konvertor
terkomutasi jaringan dihubungkan ke
jaringan, dan memasok a r u s m a s u k ke
mesin induksi dalam sistem.
3 . 4 Pemilihan Turbin Angin
Prestasi s e b u a h turbin angin
dinyatakan oleh kurva daya yang memberikan h u b u n g a n a n t a r a daya yang
dihasilkan pada berbagai kecepatan angin
d a n daya bermanfaat berada a n t a r a
kecepatan cut-in d a n cut-out. Di a t a s
kecepatan cut-in (kecepatan minimal
agar turbin angin menghasilkan listrik),
daya bertambah secara cepat sampai
mencapai nominal {rated speed), d a n
selanjutnya dari kecepatan nominal hingga
cut-out, daya yang dihasilkan a k a n dip e r t a h a n k a n p a d a nilai yang konstan
yang disebut daya nominal. Pada kecepatan angin melebihi cut-out, daya
keluaran akan dibatasi agar memproteksi
kerusakan, a t a u menghentikan turbin
angin.
Karena kecepatan d a n arah angin
selalu berubah, hal ini akan mengakibatkan turbulensi yaitu variasi kecepatan
dan arah angin dalam waktu yang sangat
singkat dalam orde beberapa detik hingga
beberapa menit, dan hal ini a k a n mengubah daya yang dihasilkan selama interval
tersebut. Akibatnya bila dibandingkan
terhadap rata-rata selama suatu interval
waktu misalnya 10 menit hingga 1 jam,
daya sesaat kadang-kadang akan j a u h
lebih besar daripada nilai rata-rata d a n
kadang-kadang j a u h lebih rendah. Hal
ini merupakan faktor yang sangat penting
26
dalam merancang sistem wind-diesel
yang efektif.
Di lokasi yang baik, keluaran daya
j a n g k a panjang s e b u a h turbin a n g i n
hanya sama hingga ± 3 0 % dari daya
nominal generator; n a m u n demikian, di
lokasi terpencil, nilai faktor beban yang
lebih rendah dari 2 0 % masih dapat
ekonomis namun sangat bergantung pada
lokasi. Dengan demikian, dalam perancangan diperlukan estimasi potensi
produksi energi angin di lokasi, d a n juga
sifat-sifat alamiah beban serta tersedianya
daya g u n a m e m u n g k i n k a n memperoleh
rating yang optimum. Berbagai kritcria
yang digunakan u n t u k memilih turbin
angin, adalah k a p a s i t a s / d i a m e t e r rotor,
posisi rotor [up wind a t a u down wind),
jumlah sudu, tipe generator u n t u k turbin
angin, subsistem kontrol, tipe d a n tinggi
menara, level tegangan d a n frekuensi.
Sebuah kurva yang memperlihatkan hubungan antara daya dan kecepatan
angin diperlihatkan p a d a Gambar 3-3.
Beberapa parameter u n t u k pemilihan turbin angin diperlihatkan p a d a
Tabel3-1.
Pemilihan tipe generator akan
menghasilkan strategi pengontrolan yang
berbeda. Generator magnet permanen,
alternator d a n generator a r u s searah
u m u m n y a beroperasi paralel dengan
generator diesel u n t u k mengisi baterai
dan selanjutnya memasok daya ke
konsumen.
Tipe generator, konfigurasi rotor
dan pengontrolan s e m u a n y a mempengaruhi variabilitas daya yang dihasilkan oleh
turbin angin d a n dengan demikian, h a r u s
diperhitungkan sewaktu merencanakan
strategi pengontrolan. Petunjuk u m u m
adalah b a h w a nilai nominal {rating)
turbin angin tidak secara signifikan lebih
besar dari penjumlahan beban konsumen
maksimum dan rugi-rugi sistem; kecuali
bila sistem pembangkit dilengkapi dengan
u n i t penyimpan energi yang besar.
Kecepatan nominal [rated) turbin angin
secara ideal h a r u s lebih kecil dari pada
bila turbin angin tersebut diinterkoneksi
dengan grid.
Tabel 3 - 1 : PARAMETER UNTUK
LIHAN TURBIN ANGIN
PEMI-
menghasilkan fluktuasi j a n g k a pendek
yang lembut dalam daya turbin angin
d a n / a t a u beban u n t u k menyempurnakan
kualitas grid, mengurangi siklus start/
stop genset (penyimpanan j a n g k a pendek
hingga menengah), mengurangi konsumsi
daya (penyimpanan jangka pendek hingga
medium), mempertahankan kesetimbangan daya turbin angin u n t u k j a n g k a
menengah d a n panjang atau s u r p l u s
beban k o n s u m e n (penyimpanan j a n g k a
panjang) dan meminimumkan waktu startup diesel yang berarti memperpanjang
waktu diam/stand-still mesin diesel (penyimpanan jangka pendek). Berbagai tipe
u n i t penyimpan yang digunakan adalah:
baterai,
flywheel,
hydraulic
pressure
vessels d a n hidro. Tipe baterai yang digunakan adalah Asam Timbal (Lead Acid),
Nikel Kadmium dan Sodium Sulfur dengan
kelebihan dan kekurangan masing masing.
3.6 Unit Kontrol
Pengontrolan sebuah turbin angin
dimaksudkan u n t u k mengontrol keluaran
daya d a n p u t a r a n (rpm) turbin angin.
Sistem dengan s u d u t pitch yang beru b a h - u b a h (variable-pitch) dapat mengontrol kecepatan lebih, menghentikan
turbin angin d a n menghasilkan pemb a t a s a n daya yang maksimum, sedangkan
untuk turbin angin dengan s u d u t pitch
tetap, s u d u - s u d u mempertahankan sudut
yang sama a n t a r a garis kord d a n bidang
rotor sehingga dalam hal ini digunakan
pengontrolan
stall
(aerodynamic stall
control) yang dilengkapi dengan rem u n t u k
menghentikan rotor.
3.5 Pemilihan Unit Penyimpan
Untuk sistem wind-diesel yang tidak
bergantung p a d a grid, fungsi atau pemakaian unit penyimpan m e n c a k u p :
Sebuah genset pada dasarnya telah
dilengkapi dengan governor u n t u k mengatur kecepatan, u r u t a n pengasutan,
proteksi d a n p e n g a t u r a n tegangan.
Demikian j u g a turbin angin g u n a mengontrol p e n y a m b u n g a n d a n p e m u t u s a n
daya ke s e b u a h jaringan d a n dalam
beberapa hal m e l a k u k a n pengontrolan
daya. Dengan demikian, sebagai bagian
sistem wind-diesel, kelengkapan sistem
kontrol tersebut h a r u s memungkinkan
u n t u k dioperasikan dalam sistem walaup u n beberapa modjfikasi mungkin diperlukan misalnya u n t u k pembatasan
frekuensi d a n tegangan yang lebih teliti.
Dua hal penting yang h a r u s diperhatikan
dalam merancang sistem kontrol adalah:
Pertama, pengontrolan frekuensi dengan
cara surplus daya d a n bila diesel memerlukan p e m b e b a n a n minimum.
Hal ini biasanya diperoleh dengan
menggunakan dump-load a t a u elemen
penyimpan yang dikontrol agar menghasilkan kesetimbangan daya.
Pengontrolan cara ini didasarkan
p a d a daya atau frekuensi yang t e r u k u r
atau keduanya dan memiliki peranan
kritis terkait dengan stabilitas sistem.
27
'jurnat 'tiKpologi 'Uugantara 'Vol 4 J.O. I JuiuZUiXKlA-JU
Kedua, menghidupkan dan mematikan diesel. Dalam prakteknya terdapat
kendala u n t u k mencegah siklus off/on
yang berlebih dan kondisi ini a k a n
bervariasi bergantung pada lokasi khususnya intensilas turbulensi.
Untuk sistem dengan unit penyimpan misalnya minimal yang dapat
mencakup beban sementara diesel di
hidupkan, m a k a k e p u t u s a n u n t u k menghidupkan diesel dapat diambil berdasarkan frekuensi minimum yang dapat
diterima, sedangkan yang paling rumit
adalah k e p u t u s a n u n t u k mematikan
diesel. Sejumlah kondisi berbeda didasarkan pada:
• Waktu m i n i m u m diesel u n t u k beroperasi. Misalnya diesel h a r u s beroperasi
paling sedikit selama waktu yang telah
di setel sejak diesel tersebut dihidupkan
sampai berhenti kembali;
• Surplus daya yang d i b u t u h k a n ;
• Perataan atau
penapisan {filtering
surplus daya angin.
Dalam prakteknya, ketiga hal tersebut dapat digabungkan.
3 . 7 Kcsclamatan Konsumen
Sistem wind-diesel harus memenuhi
persyaratan s t a n d a r u n t u k keselamatan
konsumen, p e n d u d u k m a u p u n operator.
Beberapa contoh adalah :
• Integrasi PLTB ke jaringan PLTD kecil
dilakukan oleh pengembang independen.
• Integrasi dilakukan oleh utilitas sendiri,
atau.
• Membangun s u a t u pembangkit winddiesel yang baru di daerah yang belum
digunakan.
3.8 Manajemen Beban
Masalah variabilitas daya angin
pada dasarnya d a p a t di atasi dengan
pengontrolan beban daripada mengupayakan penyesuaian pembangkitan daya ke
konsumen dengan m e n a m b a h k a n unit
penyimpan.
Pendekatan lain adalah menghubungkan beban secara bergantian agar
sepadan dengan daya yang tersedia, akan
28
tetapi bila diperlukan agar sifat-sifat sistem
pemasok daya benar-benar harus transparan ke k o n s u m e n akhir sebagaimana
diharapkan pada grid yang besar, m a k a
pengontrolan beban mungkin tidak tepat,
sehingga instalasi penyangga energi atau
unit penyimpan benar-benar diperlukan.
Akan tetapi tanpa penyimpanan energi
yang besar u n t u k penetrasi angin yang
signifikan, kelebihan energi h a r u s dialihkan ke beban pembuangan {dump-load)
walaupun
umumnya
menghasilkan
viabilitas ekonomi yang rendah. Dalam
banyak pemakaian, permintaan yang
nyata tidak selalu h a r u s terpenuhi; dan
suatu cara adalah memanfaatkan daya
lebih dengan baik. Dalam kenyataannya
jika diberikan insentif ekonomi, banyak
konsumen yang bersedia menjadwalkan
kembali permintaannya [demand) agar
sesuai dengan sistem pemasok atau
mentoleransi ketcrbatasan pasokan. Hal
ini akan memberikan fleksibilitas yang
lebih baik bagi perancang.
Kunci keberhasilan pengontrolan
beban terletak pada k e m a m p u a n mengelompokkan beban-beban tersebut sesuai
dengan prioritas permintaan. Hal ini akan
m e m p e r m u d a h pengontrolan hidup-mati
genset berdasarkan prioritas tersebut.
Strategi manajemen beban di bagi
dalam strategi jangka pendek dan jangka
panjang. Dalam jangka pendek, pengalihan
dapat terjadi dalam waktu yang sangat
singkatyaitu orde milisekon.
4
PEMODELAN SiSTEM
Model simulasi u n t u k sistem winddiesel diperlukan u n t u k m e m b a n t u rancangan teknis d a n analisis ekonomi.
Aplikasi selain hal tersebut adalah:
• Interpretasi s e m u a jenis data eksperimental baik di laboratorium m a u p u n
di lokasi;
• Optimasi sistem sebelum menetapkan
komponen atau perangkat keras. Hal
ini akan sangat mengurangi biaya
pengadaan dibandingkan dengan cara
uji-coba;
• Dalam waktu singkat dapat mengidentifikasi sifat-sifat wind-diesel terh a d a p p e r u b a h a n angin d a n beban
yang ekstrim;
• Sebagai referensi atau pembanding
terhadap p e m a s a n g a n di lokasi lain
yang memiliki pola angin d a n beban
yang berbeda;
• Mempermudah mempelajari efek pemodelan dengan m e n g g u n a k a n skala
dimensi (scaling] terhadap sifat-sifat dan
prestasi keseluruhan.
Model-model yang digunakan dapat
berupa :
• Model deret waktu (time series) g u n a
mempelajari respons sistem terhadap
gangguan (sebagai fungsi waktu) dalam
data masukan yang u m u m n y a dijelaskan
oleh sekumpulan persamaan differensial
biasa dengan waktu sebagai variabel
bebas;
• Model Dinamik, u n t u k menganalisis
kualitas daya, u k u r a n komponen dan
stabilitas sistem dalam h u b u n g a n n y a
dengan tegangan d a n frekuensi. Model
dinamik juga menjelaskan transien listrik
d a n mekanik d a n mewakili level-level
rincian tertinggi k a r e n a h a r u s m a m p u
mensimulasikan berbagai fenomana
transien dalam komponen listrik. Aplikasi
lainnya adalah u n t u k subsistem kontrol
daya/tegangan reaktif dan daya/frekuensi
reaktif;
• Model prestasi j a n g k a pendek dan
j a n g k a panjang, u n t u k mempelajari
kesesuaian daya a n t a r a turbin angin,
diesel d a n beban dalam j a n g k a pendek
(sampai beberapa menit) hingga jangka
panjang. Secara k h u s u s , model jangka
panjang d i m a k s u d k a n u n t u k menentukan prestasi sistem keseluruhan dengan
s a s a r a n u t a m a m e n a k s i r penghematan
bahan b a k a r dibandingkan dengan bila
sistem pembangkit hanya menggunakan
genset Pemodelan ini mencakup turbin
angin (hubungan a n t a r a daya d a n
kecepatan angin), genset (konsumsi
b a h a n b a k a r sebagai data m a s u k a n
d a n keluaran daya yang u m u m n y a dianggap linear a t a u kuadratik), penyim29
banyak berupa PLTD/Diesel yang d a l a m
operasinya membutuhkan biaya pemakaian b a h a n bakar yang tinggi termasuk
pemeliharaan. Beberapa wilayah yang telah
diidentifikasi antara lain, adalah Nusa
Tenggara Timur, Sulawesi Selatan, Aceh
d a n Nias yang memiliki kecepatan angin
rata rata t a h u n a n a n t a r a 4,0-7,0 m / s .
7
PENUTUP
Terima kasih diucapkan kepada
berbagai pihak yang telah memberikan
d u k u n g a n d a t a d a n informasi dalam
penulisan makalah ini, yaitu Pemerintah
Kabupaten Kupang, Timor Tengah Selatan
d a n Rote di wilayah NTT, WINDGUARD,
Soluziana, DJLPE d a n LAPAN. Dengan
informasi tersebut, analisis u n t u k implementasi sistem wind-diesel dapat did u k u n g oleh d a t a d a n informasi yang
aktual dari berbagai wilayah tersebut.
DAFTAR RUJUKAN
Daya
nyata yang dipasok oleh
generator sinkron bergantung pada faktordaya karena pasokan daya m a k s i m u m
pada tegangan terminal yang konstan
terutama ditentukan oleh nilai maksimum
tegangan terbuka.
6
KESIMPULAN DAN SARAN
Pemanfaatan SKEA/turbin angin
dengan sistem wind-diesel m e r u p a k a n
s u a t u prospek yang baik di beberapa
wilayah di Indonesia u n t u k penghematan
b a h a n b a k a r yang lebih besar. Hal ini
dapat dikembangkan karena sistem pembangkit di berbagai wilayah p a d a saat ini
30
AWEA, 1991. Wind-diesel Systems Architecture Guidebook, AWEA, Washington
DS USA.
BP Solar, 1993.Hybrid Power System, BP
Solar.
IEAP, 1990. Power Performace Testing;
USA.
Ray h u n t e r and George Elliot, 1994.
Wind-diesel Systems'A Guide to the
Technology and Its Implementation;
Cambridge Univ Press, NY USA.
Renewable Energy Group, 1993. Interactive
Simulation of Renewable Electrical
Energy Supply System (INSEL); Dept
of Physics University of Oldenburg;
Germany.
Tim LAPAN, 1996. Sistem Simulasi Hibrida
dan Otonomous; Putekgan LAPAN.