Rancang Bangun Pembangkit Listrik Hybrid Fuel Cell dan Solar Cell dengan Acuan Pergerakan Matahari RANCANG BANGUN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA HYBRID FUEL CELL DAN SOLAR CELL DENGAN ACUAN PERGERAKAN MATAHARI I Wayan Bayu Andana S1 Teknik Mesin Konversi Energi, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Surabaya E-mail: [email protected] Aris Ansori Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Surabaya E-mail: [email protected] Abstrak Kebutuhan energi masyarakat Indonesia terus meningkat seiring dengan pertumbuhan penduduk. Hal ini berbanding terbalik dengan pola konsumsi energi dan energi fosil yang terus berkurang. Salah satu solusi untuk mengatasi masalah energi tersebut adalah dengan menggunakan fuel cell dan solar cell. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui desain pembangkit listrik tenaga hybrid, mengetahui karakteristik daya fuel cell dan solar cell, dan mengetahui performa dari pembangkit listrik tenaga hybrid. Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan metode eksperimental (experimental research) dimana fuel cell dan solar cell akan digabung menjadi sistem hybrid untuk mengatasi masing-masing kekurangan dari fuel cell dan solar cell dengan variasi beban 25 W, 50 W, 75 W, dan 100 W. Solar cell akan dipasang dengan light dependent resistor (LDR) agar bisa mendapatkan intensitas energi surya yang tinggi. Teknik Analisis data dalam penelitian ini menggunakan analisis data deskriptif yaitu menggambarkan hasil penelitian dalam bentuk tabel dan grafik. Hasil dari penelitian ini adalah daya dari solar cell stabil saat mengalami peningkatan dan penurunan karena menggunakan sensor light dependent resistor. Daya tertinggi terdapat pada beban 75 W dengan daya sebesar 65,63 W. Sedangkan daya terendah terdapat pada beban 50 W dengan daya sebesar 18,52 W. Daya dari fuel cell mengalami fluktuasi, hal ini dikarenakan oleh konsumsi gas hidrogen yang tidak sesuai dengan kemampuan fuel cell. Daya tertinggi terdapat pada beban 50 W dengan daya sebesar 0,16 W. Sedangkan untuk daya terkecil terdapat pada beban 100 W dengan daya sebesar 0,04 W. Performa pembangkit listrik tenaga hybrid mengalami peningkatan seiring dengan bertambahnya daya beban rencana. Performa tertinggi terdapat pada beban 100 W sebesar 64,72%. Sedangkan performa terendah terdapat pada beban 25 W dengan efisiensi sebesar 63,68%. Abstract Indonesian society's energy needs continued to rise along with population growth. It was inversely proportional to the pattern of energy consumption and fossil energy that keep decreased. One solution to overcome the energy problem was to use fuel cell and solar cell. The purpose of this research was to determine the design of hybrid power plant, knowing the power characteristics of fuel cell and solar cell, and determine the performance of the hybrid power plant. This research was conducted by using experimental methods (experimental research) where fuel cell and solar cell will be merged into a hybrid system to back up each other shortcoming with a variation of load of 25 W, 50 W, 75 W, and 100 W. Solar cell will be added with a light dependent resistor (LDR) in order to obtain a higher intensity of solar energy. Analysis technique of data in this research was using descriptive analysis data that describes the results of research in the form of tables and graphs. Results from this research, power of the solar cell was well-stabled when its increased and decreased as it uses light dependent resistor sensor. The highest power was at load 75 W was 65.63 W. While the lowest power was at load 50 W with a power of 18.52 W. Power from fuel cell was fluktuated, that because the consumption of hydrogen gas that didn’t fill the capabilities of fuel cell. The highest power was at 50 W with a power of 0.16 W. For the smallest power was at load 100 W with a power of 0.04 W. The performance of hybrid power plants increased, equal with increasing load power. The highest performance was at load of 100 W with an performanceof 64,72%. And the lowest performance was at load of 25 W with an performance of 63,68%. 1 JTM. Volume 05 Nomor 01 Tahun 2017, Hal 1-8 PENDAHULUAN Energi merupakan salah satu masalah utama bagi beberapa negara, tidak terkecuali di Indonesia. Banyak krisis energi yang menjadi masalah secara berkelanjutan. Sumber-sumber energi seperti energi fosil yang notabene tidak dapat diperbarui, terus dieksploitasi secara ekstrem. Sedangkan sisa penggunaan bahan bakar fosil menghasilkan global warming dan polusi. Selain dari faktor alam, krisis energi juga mempengaruhi faktor ekonomi. Kebutuhan energi masyarakat Indonesia terus meningkat seiring dengan pertumbuhan penduduk. Hal ini berbanding terbalik dengan pola konsumsi energi dan energi fosil yang terus berkurang. Energi fosil merupakan energi yang umumnya menjadi bahan bakar utama dari pembangkit listrik. Penggunaan energi fosil yang tidak mampu memenuhi kebutuhan energi nasional mengakibatkan Indonesia harus mengimpor minyak pada tahun 2014, tercatat sebesar 32 juta kiloliter (Agung W.K, 2014). Dan berdasarkan data, Indonesia menjadi negara importir minyak terbesar ke-2 di dunia (Pustadin ESDM, 2015). Hal ini sangat ironis, mengingat Indonesia mempunyai banyak sumber daya alam namun tidak dapat mengolah sumber daya alam tersebut menjadi bahan bakar jadi. Dan apabila tidak dilakukan antisipasi lebih lanjut, maka Indonesia akan mengalami krisis energi yang berkepanjangan. Salah satu cara untuk mengatasi dan mengantisipasi krisis energi yaitu dengan menggunakan energi alternatif. Energi alternatif merupakan energi yang dapat diperbarui dan tidak dapat habis. Energi alternatif sendiri dapat dikonversi menjadi pembangkit listrik. Akan tetapi, beberapa pembangkit listrik energi alternatif bergantung pada situasi dan keadaan alam dan bahan bakar. Disini energi alternatif yang digunakan yaitu fuel cell dan solar cell. Fuel cell dan solar cell memang merupakan energi alternatif yang baik, akan tetapi fuel cell dan solar cell memiliki beberapa kekurangan. Fuei cell dapat bekerja untuk menghasilkan listrik saat hidrogen dan oksigen dialirkan ke fuel cell. Apabila pasokan dari hidrogen dan oksigen tidak terpenuhi, maka fuel cell tidak dapat bekerja menghasilkan listrik. Begitu pula dengan solar cell. Solar cell dapat menghasilkan listrik apabila intensitas energi cahaya yang mengenai solar cell dapat terpenuhi. Sehingga bila kondisi cuaca sedang mendung atau saat malam hari, solar cell tidak dapat digunakan. Solusi dari permasalahan tersebut yaitu dengan menggunakan sistem hybrid. Sistem Hybrid adalah sistem yang menggunakan dua atau lebih pembangkit energi baik secara bersamaan ataupun bergantian untuk mengatasi kekurangan dan menggunakan kelebihan masing-masing pembangkit energi untuk menciptakan performa pembangkit yang baik. Disini sistem hybrid yang digunakan antara fuel cell dengan solar cell. Sistem hybrid ini bekerja dengan menggunakan solar cell yang ditambahkan dengan Light Dependent Resitor (LDR) dan saat solar cell tidak dapat memenuhi daya yang diinginkan, fuel cell akan bekerja untuk memenuhi kekurangan daya tersebut. Penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Andres Rodriguez-Castellanos, dkk (2007), sistem hybrid solar cell dengan fuel cell dapat memenuhi kebutuhan energi walau dengan bahan bakar yang sedikit. Elektrolisis air mengubah air menjadi hidrogen dan disimpan pada tekanan yang rendah. Fuel cell bekerja dengan hidrogen yang sama, lalu berubah menjadi air yang merupakan limbah elektrolisis, menghasilkan arus listrik, dan dielektrolisis kembali menjadi hidrogen untuk dijadikan bahan bakar dari fuel cell. Menurut Andik Hikmawan (2012), hybrid power system antara photovoltaic dengan fuel cell, bekerja dengan memanfaatkan kelebihan daya yang dihasilkan oleh photovoltaic untuk menghasilkan hidrogen, yang nantinya hidrogen ini dapat digunakan oleh fuel cell untuk membangkitkan energi listrik jika terdapat kekurangan daya pada sistem. Berdasarkan masalah krisis energi dan untuk meningkatkan efisiensi dari sistem hybrid dimana solar cell dipasang sensor Light Dependent Resistor (LDR) sebagai penentu arah intensitas cahaya mana yang lebih besar yang bisa ditangkap oleh solar cell. Dan fuel cell digunakan sebagai backing dari solar cell apabila solar cell tidak dapat menyuplai daya dan saat solar cell tidak bekerja saat tidak ada cahaya matahari. Maka dari itu, peneliti merancang Pembangkit Listrik Tenaga Hybrid Fuel Cell dengan Solar Cell dengan Acuan Pergerakan Matahari dengan menggunakan Light Dependent Resistor (LDR). Rancang Bangun Pembangkit Listrik Hybrid Fuel Cell dan Solar Cell dengan Acuan Pergerakan Matahari METODE Variabel Terikat Variabel terikat adalah variabel yang dipengaruhi atau yang menjadi akibat karena adanya variabel bebas. Variabel terikat pada penelitian ini adalah model pembangkit tenaga hybrid, karakteristik daya dari solar cell dan fuel cell, dan performa pembangkit hybrid. Alat dan Instrumen Penelitian Peralatan dan instrumen merupakan peralatan uji yang digunakan untuk memperoleh data penulisan. Peralatan dan instrumen yang digunakan dalam penelitian ini adalah: Alat Gambar 2, Solar Cell Gambar 1, Flowchart Penelitian Variabel Penelitian Variabel Bebas Variabel bebas adalah variabel yang mempengaruhi atau menjadi sebab berubahnya atau timbulnya variabel terikat. Variabel bebas dalam penelitian ini adalah pemberian sensor light dependent resistor (LDR) pada modul surya dan perancangan model pembangkit hybrid fuel cell dengan solar cell. Variabel Kontrol Variabel kontrol adalah variabel yang dikendalikan atau dibuat konstan sehingga pengaruh variabel bebas terhadap variabel terikat tidak dipengaruhi faktor luar yang tidak diteliti. Variabel kontrol pada penelitian ini adalah daya rencana yang dipakai yaitu 25 W, 50 W, 75 W, dan 100 W, pengambilan data solar cell dan fuel cell pada jam 09.00 – 15.00 WIB. Gambar 3, Fuel Cell Instrumen Gambar 4, Digital Multimeter Prosedur Penelitian 3 Siapkan alat, bahan, dan instrumen penelitian Letakkan solar cell diluar Setting posisi solar cell di sudut matahari pada jam 09.00 JTM. Volume 05 Nomor 01 Tahun 2017, Hal 1-8 Buka valve tabung hidrogen ke arah kiri, pastikan dulu regulator dalam keadaan tertutup Buka regulator hidrogen secara perlahan Nyalakan saklar kontrol hybrid untuk menyalakan katup solenoid Ambil data arus dan tegangan input pada instrumen penelitian setiap 15 menit sampai jam 15.00 Setelah selesai pengecasan, lepas kabel baterai Pasang kabel inverter ke baterai Setting beban rencana yang akan dipakai, antara 25 W, 50 W, 75 W, dan 100 W Nyalakan inverter, kemudian tekan sekring pada posisi on dan tekan saklar beban Ambil data arus dan tegangan output setiap 15 menit sampai beban mati Teknik Analisis Data Teknik analisis data yang digunakan untuk menganalisis data pada penelitian ini adalah statistika deskriptif. Sehingga analisis data dilakukan dengan cara menelaah data yang diperoleh dari eksperimen, dimana hasilnya berupa data kuantitatif dalam bentuk tabel dan ditampilkan dalam bentuk grafik. Langkah selanjutnya adlah mendeskripsikan atau menggambarkan data tersebut sebagaimana adanya dalam kalimat yang mudah dibaca, dipahami, dan dipresentasikan sehingga pada intinya adalah sebagai upaya memberi jawaban atas permasalahan yang diteliti (Sugiyono, 2007:147). Gambar 6, Sistem Beban Pembangkit Hybrid Gambar 7, Pembangkit Listrik Tenaga Hybrid Fuel Cell dan Solar Cell dengan Acuan Pergerakan Matahari Hasil Uji Coba Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Hybrid Contoh perhitungan daya solar cell dan fuel cell, serta perhitungan performa pembangkit hybrid saat beban rencana 25 W. HASIL DAN PEMBAHASAN Perhitungan Daya Solar Cell pada jam 09.00 dengan VOC = 12,3 V, ISC = 2,34 A. Menghitung Filling Factor (FF) Hasil Rancangan Sistem Pembangkit Hybrid 𝐹𝐹 = 𝑉𝑂𝐶 − 𝑙𝑛(𝑉𝑂𝐶 +0,72) 𝑉𝑂𝐶 +1 12,3 − 𝑙𝑛(12,3 + 0,72) 12,3 + 1 = 0,74 Menghitung Daya Solar Cell 𝑃𝑆𝐶 = 𝐼𝑆𝐶 × 𝑉𝑂𝐶 × 𝐹𝐹 (1) = (2) = 2,34 × 12,3 × 0,74 = 21,32 𝑊 Gambar 5, Sistem Kontrol Pembangkit Hybrid Perhitungan Daya Fuel Cell pada jam 09.00 dengan VOUT = 12,4 V, I = 0,22 A. Menghitung Tegangan Fuel Cell 𝑉𝐶𝑒𝑙𝑙 = 𝑉𝑂𝑢𝑡 − 12 (3) = 12,4 − 12 = 0,4 𝑉 Rancang Bangun Pembangkit Listrik Hybrid Fuel Cell dan Solar Cell dengan Acuan Pergerakan Matahari Menghitung Daya Fuel Cell 𝑃𝐹𝐶 = 𝐼 × 𝑉𝐶𝑒𝑙𝑙 Perbandingan Daya dengan Waktu (4) 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 = 0,22 × 0,4 = 0,088 𝑊 Perhitungan Performa Pembangkit Listrik Hybrid pada Beban 25 W 𝜂= = 𝑂𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡 (𝐼𝑛𝑝𝑢𝑡)𝑥𝑓𝑐 × 100% (5) Ʃ𝑃𝑂𝑢𝑡 × 100% (Ʃ𝑃𝑆𝐶 + Ʃ𝑃𝑆𝐶 )𝑥1,1 Gambar 10, Nilai Daya Solar Cell saat Beban Rencana 50 W 616,02 = × 100% 1064,11 Perbandingan Daya dengan Waktu = 57,89 % 0.2 0.15 Grafik Daya Solar Cell dan Fuel Cell saat 0.1 Beban Rencana 25 W 0.05 Perbandingan Daya dengan Waktu 0 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 Gambar 11, Nilai Daya Fuel Cell saat Beban Rencana 50 W Grafik Daya Solar Cell dan Fuel Cell saat Beban Rencana 75 W Perbandingan Daya dengan Waktu Gambar 8, Nilai Daya Solar Cell saat 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 Beban Rencana 25 W Perbandingan Daya dengan Waktu 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 Gambar 12, Nilai Daya Solar Cell pada Beban Rencana 75 W Gambar 9, Nilai Daya Fuel Cell saat Beban Rencana 25 W Grafik Daya Solar Cell dan Fuel Cell saat Beban Rencana 50 W 5 JTM. Volume 05 Nomor 01 Tahun 2017, Hal 1-8 Perbandingan Daya Masing-Masing Beban Perbandingan Daya dengan Waktu 0.2 70.00 0.15 60.00 0.1 50.00 0.05 40.00 0 30.00 25 W 50 W 75 W 20.00 Rencana 75 W 10.00 0.00 09.00 09.30 10.00 10.30 11.00 11.30 12.00 12.30 13.00 13.30 14.00 14.30 15.00 Gambar 13, Nilai Daya Fuel Cell pada Beban Grafik Daya Solar Cell dan Fuel Cell saat Beban Rencana 100 W 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 Gambar 16, Nilai Daya Solar Cell (PSC) Terhadap Masing-Masing Beban Rencana Perbandingan Daya dengan Waktu Berdasarkan grafik 4.17, daya yang diperoleh dibandingkan terhadap waktu. Disini peneliti memulai waktu penelitian pada jam 09.00. Dan pada awal penelitian, pada beban 25 W memperoleh daya sebesar 21,32 W, pada beban 50 W memperoleh daya 18,52 W, pada beban 75 W memperoleh beban 20,17, dan pada beban 100 W memperoleh beban 21,09 W. Kemudian untuk daya tertinggi diperoleh pada beban 75 W dengan daya sebesar 65,63 W. Sedangkan untuk daya terendah diperoleh pada beban 50 W dengan daya sebesar 18,52 W. Dari grafik dapat dilihat bahwa jika waktu semakin siang, maka daya akan semakin besar. Kemudian jika waktu semakin sore, maka daya semakin menurun. Hal ini dikarenakan saat siang, intensitas cahaya matahari berada pada puncaknya. Namun tidak serta-merta daya yang dihasilkan stabil saat intensitas cahaya maksimal. Meskipun intensitas cahaya maksimal, langit tidak selalu cerah. Terkadang cerah dan terkadang berawan atau mendung. Meskipun berawan dapat mengurangi intensitas dan daya dari solar cell. Gambar 14, Nilai Solar Cell pada Beban Rencana 100 W Perbandingan Daya dengan Waktu 0.2 0.15 0.1 0.05 0 Gambar 15, Nilai Fuel Cell pada Beban Rencana 100W Pembahasan Grafik Perbandingan Daya Solar Cell pada Masing-Masing Beban Rencana 100 W Perbandingan Daya Fuel Cell pada MasingMasing Beban Rencana Rancang Bangun Pembangkit Listrik Hybrid Fuel Cell dan Solar Cell dengan Acuan Pergerakan Matahari Performa merupakan salah satu parameter untuk mengetahui sebaik apa sebuah alat bekerja. Performa pembangkit listrik hybrid merupakan hasil dari perbandingan antara daya pemakaian beban selama 3 jam dengan daya input selama 6 jam. Berdasarkan grafik 4.19, Performa dari beban rencana 25 sampai 100 W mengalami kenaikan. Hal ini dikarenakan selisih antara Pin dengan Pout berbanding lurus dengan beban rencana. Jika selisih antara Pin dengan Pout semakin kecil, maka performa pembangkit semakin besar. Jadi bisa dibilang daya Pin akan banyak terbuang apabila menggunakan beban rencana yang kecil namun daya Pin akan efisien digunakan dengan beban rencana yang besar. Perbandingan Daya Masing-Masing Beban 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 25 W 0.08 50 W 75 W 0.06 100 W 0.04 0.02 09.00 09.30 10.00 10.30 11.00 11.30 12.00 12.30 13.00 13.30 14.00 14.30 15.00 0.00 Gambar 17, Nilai Daya Fuel Cell (PFC) Terhadap Masing-Masing Beban Rencana KESIMPULAN Berdasarkan grafik 4.18, daya yang diperoleh dibandingkan terhadap waktu. Disini peneliti memulai waktu penelitian pada jam 09.00. Dan pada awal penelitian, pada beban 25 W memperoleh daya sebesar 0,09 W, pada beban 50 W memperoleh daya 0,11 W, pada beban 75 W memperoleh beban 0,09 W, dan pada beban 100 W memperoleh beban 0,04 W. Kemudian untuk daya tertinggi diperoleh pada beban 50 W dengan daya sebesar 0,16 W. Sedangkan untuk daya terendah diperoleh pada beban 100 W dengan daya sebesar 0,04 W. Dari grafik dapat dilihat bahwa daya yang dihasilkan oleh fuel cell mengalami fluktuasi. Hal ini disebabkan oleh konsumsi hidrogen yang tidak konsisten. Salah satu kelebihan dari fuel cell adalah menyuplai daya dengan konsisten. Akan tetapi jika konsumsi bahan bakar tidak sesuai dengan kemampuan fuel cell untuk menggabungkan hidrogen dengan oksigen, maka fuel cell tidak akan bekerja secara maksimal. Perbandingan Performa pada Berdasarkan dari hasil pengujian pada pembangkit listrik tenaga hybrid fuel cell dan solar cell dengan acuan pergerakan matahari terhadap desain rancangan, daya solar cell dan fuel cell, serta performa pembangkit, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: Desain dari pembangkit listrik tenaga hybrid fuel cell dan solar cell dengan acuan pergerakan matahari Masing- Masing Beban Rencana Performa pada Masing-Masing Beban Gambar 15, Desain Sistem Kontrol Pembangkit Listrik Tenaga Hybrid 59.00 58.50 58.00 57.50 57.00 25 W 50 W 75 W 100 W Gambar 18, Nilai Performa Pembangkit Listrik Hyvrid Terhadap Masing-Masing Beban Rencana 7 JTM. Volume 05 Nomor 01 Tahun 2017, Hal 1-8 Gambar 16, Desain Sistem Beban Pembangkit Listrik Tenaga Hybrid Karakteristik daya dari solar cell stabil saat mengalami peningkatan dan penurunan karena menggunakan sensor light dependent resistor. Daya tertinggi terdapat pada beban 75 W dengan daya sebesar 65,63 W. Sedangkan daya terendah terdapat pada beban 50 W dengan daya sebesar 18,52 W. Daya dari fuel cell mengalami fluktuasi, hal ini dikarenakan oleh konsumsi gas hidrogen yang tidak sesuai dengan kemampuan fuel cell. Daya tertinggi terdapat pada beban 50 W dengan daya sebesar 0,16 W. Sedangkan untuk daya terkecil terdapat pada beban 100 W dengan daya sebesar 0,04 W. Performa pembangkit listrik tenaga hybrid mengalami peningkatan seiring dengan bertambahnya daya beban rencana. Performa tertinggi terdapat pada beban 100 W dengan efisiensi sebesar 64,72%. Sedangkan efisiensi terendah terdapat pada beban 25 W dengan efisiensi sebesar 63,68%. SARAN Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut mengenai pembangkit listrik tenaga hybrid fuel cell dan solar cell dengan menggunakan kapasitas fuel cell yang lebih besar. Dalam penelitian lebih lanjut dapat dikembangkan untuk sistem pembangkit listrik hybrid on-grid. Untuk fuel cell perlu diberi flowmeter pada aliran gas hidrogen agar dapat diatur flow dan tekanan gas hidrogen. Dalam pengambilan data yang berhubungan dengan solar cell diusahakan pada musim kemarau agar intensitas yang didapat lebih maksimal. DAFTAR PUSTAKA Ansori, Aris, dkk. 2013. Pengembangan Solar Cell Berbasis TiO2 untuk Fotokatalis Gas Hidrogen sebagai Bahan Bakar Fuel Cell untuk Penggerak Motor Hybrid. Universitas Negeri Surabaya: Surabaya. Benjamin C. Kuo, 1982, Automatic Control Systems, Prentice-Hall Of India, New Delhi. Dan Liu. 2006. Durability Study of Proton Exchange Membrane Fuel Cells via Experimental Investigations and Mathematical Modeling, Dissertation submitted to the faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University. EG&G Technical Services, Inc. 2004. Fuel Cell Handbook (Seventh Edition), U.S. Department of Energy Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory P.O. Box 880 Morgantown, West Virginia 265070880 Evans John P. 2003. Experimental Evaluation of the Effect of Inlet Gas Humidification on Fuel Cell Performance, Virginia Polytechnic. Virginia Feroldi, Diego. 2009. Control and Design of PEM Fuel Cell-Based Systems. Institut d’Organitzacio i Control de Sistemes Industrials: Marzo Gratzel, 2004, Conversion of sunlight to electric power by nanocrystalline dye-sensitized solar cells, J. Photochem. Photobiol. A: Chem, 164, 3-14