BAB II TINJAUAN PUSTAKA - Optimasi Pembangkit Listrik Hibrid (Diesel-Surya-Angin) Di Desa Si Onom Hudon 7 Kecamatan Parlilitan Kabupaten Humbang Hasundutan Provinsi Sumatera Utara

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Sistem Pembangkit Listrik Hibrid
Pembangkit listrik hibrid adalah pembangkit yang membangkitkan listrik di
mana digunakan lebih dari satu macam pembangkit. Misalnya listrik tenaga surya
(photovoltaic, PV) dipadu dengan genset, maka disebut hibrid PV-genset. Sistem
hibrid yang pernah diterapkan di Indonesia adalah: hibrid PV-Genset, hibrid PVmikrohidro, hibrid PV-bayu (angin), dan bahkan hibrid PV-bayu-genset. Tetapi
yang agak berbeda adalah kombinasi ini menggabungkan sumber energi yang dapat
diperbaharui (renewable) dengan yang tidak dapat diperbaharui (unrenewable).
Renewable energy yang digunakan dapat berasal dari energi matahari,
angin, surya dan lain-lain yang dikombinasikan sehingga menjadi suatu pembangkit
yang lebih efisien, efektif dan handal. Untuk dapat mensuplai kebutuhan energi
listrik, baik sebagai penerangan rumah atau kebutuhan peralatan listrik yang lain
seperti TV, pompa air, setrika listrik, serta kebutuhan industri kecil di daerah
tersebut. Dengan adanya kombinasi dari sumber-sumber energi tersebut,
diharapkan dapat menyediakan catu daya listrik yang kontinyu dengan efisiensi
yang paling optimal.
Adapun manfaat pembangkit listrik hibrid adalah:
1. Mengoptimalkan penggunaan sistem pembangkit listrik.
2. Meningkatkan efisiensi ekonomi pembangkit.

3. Meningkatkan reliability (keandalan) pembangkit.

Universitas Sumatera Utara

4. Meningkatkan waktu layanan listrik secara ekonomis.
Suatu sistem pembangkit hibrid biasanya dibangun dari:
1. Inverter dengan rating daya kontinyu 60% dari daya beban.
2. Satu atau dua mesin dan generator diesel yang biasanya memiliki kapasitas
sama hingga 1,5 kali rating daya inverter dan dilengkapi sistem kontrol
otomatis.
3. Sistem penyimpanan yang biasnya berupa bank baterai leadacid dengan
kapasitas penyimpanan minimum tertentu.
4. Sistem pembangkit energi terbarukan seperti photovoltaic dilengkapi
regulator.
5. Sistem kontrol berbasis mikroprosesor untuk keperluan monitoring dan
otomasi managemen sistem.
Berbagai komponen sistem pembangkit hibrid tersebut dirangkai dalam
beberapa konfigurasi yaitu:
1. Series hybrid system
2. Switched hybrid system

3. Parallel hybrid system
Pada penelitian ini digunakan konfigurasi parallel hybrid system seperti
Gambar 2.1. Pada parallel hybrid system, generator diesel, turbin angin, surya dan
bank baterai bersama-sama secara paralel menyuplai beban. Parallel hybrid system
menggunakan inverter dua arah (bi-directional) yang dapat berfungsi sebagai
inverter (mengubah daya dc menjadi ac) dan sebagai charger dan regulator
(mengubah daya ac menjadi dc). Saat daya beban lebih rendah dari daya bank

Universitas Sumatera Utara

baterai, maka beban disuplai oleh baterai melalui bi-directional inverter (yang
berfungsi sebagai inverter) sedangkan generator diesel dipadamkan. Pada saat daya
beban melebihi daya baterai namun lebih kecil dari daya generator diesel, generator
diesel dinyalakan untuk mensuplai beban dan mengisi baterai dengan kelebihan
dayanya. Pada saat ini bi-directional inverter berfungsi sebagai regulator dan
charger. Pada saat daya beban lebih tinggi dari daya generator diesel, generator
diesel tetap menyuplai beban sedangkan bi-directional inverter kembali berfungsi
menjadi inverter lalu bersama-sama secara paralel menyuplai beban.
Konfigurasi parallel hybrid system memiliki beberapa keuntungan antara
lain :

1) beban dapat dipenuhi secara optimal.
2) Efisiensi generator diesel tinggi sehingga mengurangi biaya perawatan.
3) Ukuran generator diesel dan komponen lain dapat diminimalisir sehingga
mengurangi biaya investasi.
Jika suatu sistem pembangkit hibrid dengan konfigurasi parallel hybrid
system dilengkapi dengan pembangkit listrik energi terbarukan (Gambar 2.1),
kehandalan dan efisiensi sistem akan meningkat, dan ukuran generator-generator
makin kecil. Hal ini dimungkinkan karena generator diesel berubah fungsi menjadi
back-up, sedangkan suplai utama berasal dari pembangkit energi terbarukan dan
baterai.

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.1 Contoh Parallel hybrid system

Gambar 2.2 Parallel hybrid system dengan photovoltaic

Alasan teknis dimanfaatkannya sistem hibrid adalah sebagai berikut :
saling melengkapi keunggulan dan kelemahan masing-masing pembangkit,
misalnya untuk hybrid PV-mikrohydro, pada musim penghujan air banyak tetapi

matahari relatif sedikit dan sebaliknya jika musim kemarau air akan sedikit
sedangkan intensitas cahaya matahari tinggi. Mengoptimalkan kemampuan sistem

Universitas Sumatera Utara

pembangkit: pada hybrid PV-genset, genset untuk memenuhi kebutuhan pada saat
"peak load" , sedangkan pada saat "base load" genset dimatikan dan PLTS mencatu
listrik ke jaringan, dengan demikian masing-masing pembangkit dapat beroperasi
pada kapasitas optimalnya. Mengurangi ketergantungan pada suplai BBM.
Pada hybrid PV-genset pemakaian genset dapat dikurangi sampai
dengan 75%, tanpa mengganggu suplai kebutuhan listrik, sehingga ketergantungan
suplai BBM untuk genset dapat dikurangi. Meningkatkan keandalan (reliability)
dan kualitas suplai listrik. Grid connected dapat meningkatkan keandalan dan
kualitas suplai listrik karena listrik yang disuplai lebih stabil dan dapat diseting agar
memiliki fungsi back up. Alasan ekonomisnya adalah meningkatkan efisiensi
sistem pembangkit hibrid PV-genset mengurangi biaya operasional sistem, karena
pada saat "base load" dimana kebutuhan listrik konsumen jauh dibawah kapasitas
genset, maka genset dapat dimatikan dan PLTS menggantikan, sehingga genset
tidak dibiarkan beroperasi pada kapasitas di bawah kapasitas optimum.
Meningkatkan keandalan (reliability) dan pelayanan secara ekonomis.

Listrik pedesaan yang beroperasi 6-12 jam per hari dapat ditingkatkan
menjadi beroperasi penuh 24 jam/hari secara ekonomis. Apabila peningkatan
dilakukan dengan menggunakan genset saja maka investasi yang dibutuhkan kecil
tetapi biaya operasi akan meningkat karena pada saat "base load" genset terus
beroperasi, ketergantungan terhadap suplai BBM juga semakin tinggi (di
pedesaan/pulau terpencil sulit diharapkan kepastian suplai BBM). Apabila
peningkatan dilakukan dengan menambah PV saja, meskipun biaya operasi menjadi
nol tetapi biaya investasi akan membengkak. Hibrid PV-genset dapat meningkatkan
keandalan dan suplai listrik 24 jam (layanan kepada pelanggan) dengan

Universitas Sumatera Utara

menghindari penambahan investasi awal yang terlalu besar, menghindari biaya
operasi yang besar, dan mengurangi ketergantungan terhadap suplai BBM.

2.2 Energi Terbarukan (Renewable Energy)
Energi terbarukan adalah energi yang tersedia di alam dan dapat di
gunakan secara berkelanjutan dalam jangka panjang dengan persedian yang sangat
melimpah ataupun tidak habis-habis.

Berikut adalah jenis-jenis dari energi

terbarukan (renewable energy) :
a. Biomassa
b. Energi Surya
c. Energi Angin
d. Energi Air (Hydro)
e. Energi Pasang Surut (Tidal)
f. Energi Panas Bumi (Geo-Thermal)
g. Fotosintetis
Energi terbarukan tentunya memiliki keunggulan dan kelemahan tertentu, seperti
halnya energi konvensional. Berikut akan kita lihat apa saja keunggulan dan
kelemahannya. Adapun keunggulan dari energi terbarukan adalah:
a. Ramah lingkungan
Energi terbarukan menghasilkan emisi gas yang sangat sedikit bahkan tidak
ada sehingga terjamin aman bagi lingkungan jika dipergunakan dengan
bijak. Tidak seperti energi fosil yang menghasilkan kadar CO dan CO2
yang menyebabkan pemanasan global dan kondisi udara yang tidak sehat.
b. Sumber energi gratis

Universitas Sumatera Utara

Energi terbarukan tersedia di alam dengan melimpah tanpa harus
membayarnya kita hanya mengoperasikannya.
c. Pasokan melimpah
Ketersediaannya sangat banyak di alam bahkan tidak pernah habis jika
dipergunakan dengan bijak dan terkendali.
d. Mengurangi ketergantungan pada impor minyak
Minyak masih merupakan energi yang paling banyak digunakan untuk
memenuhi kebutuhan energi nasional. Untuk memenuhi kebutuhan energi
kita mengimpor dari luar negeri dengan harga mahal. Dengan
mengoptimalkan energi terbarukan dapat mengurangi bahkan tidak lagi
impor minyak dari luar negeri.
Energi terbarukan juga memiliki kelemahan diantaranya adalah:
a. Biaya instalasi awal tinggi
b. Penyimpanan dan transportasi
c. Belum handal
d. Belum efisien
e. Tradisi

2.3 Pembangkit Tenaga Surya
Kawasan desa Si onom Hudon 7 memiliki tingkat radiasi cahaya matahai yang
bagus dapat dilihat pada Gambar 2.3

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.3 Kondisi pencahayaan di salah satu sudut Desa Si Onom Hudon 7

Pembangkit

listrik

tenaga

surya

adalah

pembangkit

yang

memanfaatkan sinar matahari sebagai sumber penghasil listrik. Alat utama
untuk menangkap, perubah dan penghasil listrik adalah photovoltaic yang
disebut secara umum modul/panel solar cell. Dengan alat tersebut sinar
matahari dirubah menjadi listrik melalui proses aliran-aliran elektron negatif
dan positif di dalam sel modul tersebut karena perbedaan elektron. Hasil dari
aliran elektron-elektron akan menjadi listrik DC yang dapat langsung
dimanfatkan

untuk

mengisi

battery/aki sesuai tegangan dan arus yang diperlukan. Rata-rata produk
modul solar cell yang ada dipasaran menghasilkan tegangan 12 s/d 18 VDC
dan arus antara 0.5 s/d 7 Ampere. Secara umum ada dua pembangkit tenaga
surya untuk menghasilkan energi listrik yaitu :
1. Pembangkit listrik tenaga thermal

Universitas Sumatera Utara

Dalam pembangkit ini energi cahaya matahari akan digunakan untuk
memanasi suatu fluida yang kemudian fluida tersebut akan memanaskan air.
Air panas akan menghasilkan uap yang digunakan untuk memutar turbin,
sehingga dapat menghasilkan energi listrik.
2. Pembangkit surya photovoltaic (PV)
Pembangkit jenis ini memanfaatkan sel surya (solar cell) untuk
mengkonversi radiasi cahaya menjadi energi listrik secara langsung.
Dalam sistem yang akan dirancang sistem pembangkit adalah
menggunakan sistem PV. Energi sel surya (solar sel) adalah sumber energi yang
dihasilkan oleh cahaya matahari yang di pancarkan ke bumi dan di dalam cahaya
matahari tersebut terkandung foton yang nantinya dapat di konversi menjadi energi
listrik. Energi yang dikeluarkan oleh sinar matahari hanya 69% dari total energi
pancaran matahari diterima oleh permukaan bumi. Suplai energi dari sinar matahari
yang diterima oleh permukaan bumi mencapai 3 x 1024 joule per tahun (setara
dengan 2 x 1017 Watt). Jumlah energi sebesar ini setara dengan 10.000 kali
konsumsi energi di seluruh dunia saat ini.
Menutup 0,1% saja permukaan bumi dengan divais solar sel yang
memiliki efisiensi 10% sudah mampu untuk menutupi kebutuhan energi di seluruh

dunia saat ini. Indonesia berpotensi untuk menjadikan solar sel sebagai salah satu
sumber energi masa depannya mengingat posisi Indonesia pada daerah
khatulistiwa.
Dalam kondisi puncak atau posisi matahari tegak lurus, sinar matahari
yang jatuh di permukaan panel surya di Indonesia seluas 1 m2 mampu mencapai

Universitas Sumatera Utara

900 hingga 1000 Watt. Total intensitas penyinaran per harinya di Indonesia
mencapai 4500 watt hour/m2 yang membuat Indonesia tergolong kaya sumber
energi matahari ini. Bentuk solar sel dapat dilihat pada gambar 2.4.

Gambar 2.4 Solar Sel

Photovoltaic merupakan proses perubahan cahaya menjadi energi listrik (photos:
cahaya dan volta nama fisikawan italia yang menemukan tegangan listrik). Sistem
pembangkit tenaga surya dapat dilihat pada gambar 2.5.
Teknologi photovoltaic merupakan suatu teknologi konversi yang
mengubah cahaya (photo) menjadi listrik (volt) secara langsung (direct conversion).
Peristiwa ini dikenal sebagai efek foto listrik (photo electric effect).

Di

dalam proses konversi cahaya listrik tidak ada bagian yang bergerak, sehingga
produk teknologi photovoltaic memiliki umur teknis yang panjang (>25 tahun).
Sebuah sel surya dapat beroperasi secara maksimum jika temperature sel tetap
normal (pada 25ºC), kenaikan temperature lebih tinggi dari temperature normal
pada sel photovoltaic akan melemahkan voltage (Voc).

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.5 Sistem pembangkit tenaga surya

Setiap kenaikan temperature sel surya 1ºC (dari 25º) akan berkurang sekitar
0.4% pada total tenaga yang dihasilkan atau akan melemah hingga separuhnya
untuk setiap kenaikan temperature sel 10ºC. Kecepatan angin di sekitar lokasi panel
photovoltaic dapat membantu mendinginkan permukaan temperatur permukaan sel
photovoltaic sehingga menaikkan efisiensi operasinya. Untuk dapat memperoleh
sejumlah tegangan atau arus yang dikehendaki, maka umumnya masing-masing sel
surya dihubungkan satu sama lain baik secara hubungan seri ataupun secara paralel,
sehingga membentuk suatu rangkaian photovoltaic yang disebut modul. Sebuah
modul photovoltaic umumnya terdiri dari 36 sel surya atau 33 sel, dan 72 sel.
Beberapa modul photovoltaic dihubungkan untuk membentuk satu rangkaian
tertentu disebut photovoltaic panel, sedangkan jika berderet-deret modul
photovoltaic dihubungkan secara baris dan kolom yang disebut sebagai
photovoltaic array.
Sel photovoltaic atau sel surya merupakan salah komponen di dalam sistem
pembangkit listrik tenaga surya. Penentuan kapasitas photovoltaic yaitu kapasitas

Universitas Sumatera Utara

photovoltaic array ditentukan oleh keseimbangan antara daya yang dihasilkan dan
daya yang disuplai ke beban serta intensitas solar energi dengan menggunakan
rumus:

PPV = (dl/Htd).(A/K)..............................[1]
dimana:
PPV

: kapasitas photovoltaik(Wp)

dl

: energi beban rata-rata(Kwh/d)

A

: radiasi standar(1000 Watt/m2)

Htd

: insolasi design(Kw/m2-a)

K

: faktor kerugian

Prinsip Kerja Panel Surya
Proses pengubahan atau konversi cahaya matahari menjadi listrik ini
dimungkinkan karena bahan material yang menyusun sel surya berupa
semikonduktor. Lebih tepatnya tersusun atas dua jenis semikonduktor yakni
jenis n dan jenis p.
Semikonduktor jenis n merupakan semikonduktor yang memiliki kelebihan
elektron, sehingga kelebihan muatan negatif, (n = negatif). Sedangkan
semikonduktor jenis p memiliki kelebihan hole, sehingga disebut dengan p ( p =
positif) karena kelebihan muatan positif. Caranya, dengan menambahkan unsur lain
ke dalam semikonduktor, maka kita dapat mengontrol jenis semikonduktor tersebut,
sebagaimana diilustrasikan pada gambar di bawah ini.

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.6 Struktur semikonduktor

Pada awalnya, pembuatan dua jenis semikonduktor ini dimaksudkan untuk
meningkatkan tingkat konduktifitas atau tingkat kemampuan daya hantar listrik dan
panas semikonduktor alami. Di dalam semikonduktor alami (disebut dengan
semikonduktor intrinsik) ini, elektron maupun hole memiliki jumlah yang sama.
Kelebihan elektron atau hole dapat meningkatkan daya hantar listrik maupun panas
dari sebuah semikoduktor.
Misal semikonduktor intrinsik yang dimaksud ialah silikon (Si).
Semikonduktor jenis p, biasanya dibuat dengan menambahkan unsur boron (B),
aluminum (Al), gallium (Ga) atau indium (In) ke dalam Si. Unsur-unsur tambahan
ini akan menambah jumlah hole. Sedangkan semikonduktor jenis n dibuat dengan
menambahkan nitrogen (N), fosfor (P) atau arsen (As) ke dalam Si. Dari sini,
tambahan elektron dapat diperoleh. Sedangkan, Si intrinsik sendiri tidak
mengandung unsur tambahan. Usaha menambahkan unsur tambahan ini disebut
dengan doping yang jumlahnya tidak lebih dari 1% dibandingkan dengan berat Si
yang hendak di-doping.
Dua jenis semikonduktor n dan p ini jika disatukan akan membentuk
sambungan p-n atau dioda p-n (istilah lain menyebutnya dengan sambungan
metalurgi /metallurgical junction) yang dapat digambarkan sebagai berikut.

Universitas Sumatera Utara

1. Semikonduktor jenis p dan n sebelum disambung.

Gambar 2.7 semikondukter jenis p dan jenis n

2. Sesaat setelah dua jenis semikonduktor ini disambung, terjadi perpindahan
elektron-elektron dari semikonduktor n menuju semikonduktor p, dan
perpindahan hole dari semikonduktor p menuju semikonduktor n.
Perpindahan elektron maupun hole ini hanya sampai pada jarak tertentu dari
batas sambungan awal.

Gambar 2.8 elektron dan hole dalam arah yang berbeda dalam semikonduktor

Universitas Sumatera Utara

3. Elektron dari semikonduktor n bersatu dengan hole pada semikonduktor p
yang mengakibatkan jumlah hole pada semikonduktor p akan berkurang.
Daerah

ini

akhirnya

berubah

menjadi

lebih

bermuatan

positif.

Pada saat yang sama hole dari semikonduktor p bersatu dengan elektron yang
ada pada semikonduktor n yang mengakibatkan jumlah elektron di daerah ini
berkurang. Daerah ini akhirnya lebih bermuatan positif.

Gambar 2.9 Daerah deplesi

4. Daerah negatif dan positif ini disebut dengan daerah deplesi (depletion
region) ditandai dengan huruf W.
5. Baik elektron maupun hole yang ada pada daerah deplesi disebut dengan
pembawa

muatan

minoritas

(minority

charge

carriers)

karena

keberadaannya di jenis semikonduktor yang berbeda.
6. Dikarenakan adanya perbedaan muatan positif dan negatif di daerah deplesi,
maka timbul dengan sendirinya medan listrik internal E dari sisi positif ke
sisi negatif, yang mencoba menarik kembali hole ke semikonduktor p dan
elektron ke semikonduktor n. Medan listrik ini cenderung berlawanan
dengan perpindahan hole maupun elektron pada awal terjadinya daerah
deplesi (nomor 1 di atas).

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2. 10 Medan listrik E di daerah deplesi

7. Adanya medan listrik mengakibatkan sambungan pn berada pada titik
setimbang, yakni saat di mana jumlah hole yang berpindah dari
semikonduktor p ke n dikompensasi dengan jumlah hole yang tertarik
kembali ke arah semikonduktor p akibat medan listrik E. Begitu pula dengan
jumlah elektron yang berpindah dari semikonduktor n ke p, dikompensasi
dengan mengalirnya kembali elektron ke semikonduktor n akibat tarikan
medan listrik E. Dengan kata lain, medan listrik E mencegah seluruh elektron
dan hole berpindah dari semikonduktor yang satu ke semiikonduktor yang
lain.
Pada sambungan p-n inilah proses konversi cahaya matahari menjadi listrik
terjadi. Untuk keperluan sel surya, semikonduktor n berada pada lapisan atas
sambungan p yang menghadap ke arah datangnya cahaya matahari, dan dibuat jauh
lebih tipis dari semikonduktor p, sehingga cahaya matahari yang jatuh ke
permukaan sel surya dapat terus terserap dan masuk ke daerah deplesi dan
semikonduktor p.

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.11 Cahaya matahari mengenai semikonduktor

Ketika sambungan semikonduktor ini terkena cahaya matahari, maka
elektron mendapat energi dari cahaya matahari untuk melepaskan dirinya dari
semikonduktor n, daerah deplesi maupun semikonduktor. Terlepasnya elektron ini
meninggalkan hole pada daerah yang ditinggalkan oleh elektron yang disebut
dengan fotogenerasi elektron-hole (electron-hole photogeneration) yakni,
terbentuknya pasangan elektron dan hole akibat cahaya matahari.

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.12 Photogenerasi pada semikonduktor

Cahaya matahari dengan panjang gelombang yang berbeda, membuat
fotogenerasi pada sambungan pn berada pada bagian sambungan pn yang berbeda
pula. Spektrum merah dari cahaya matahari yang memiliki panjang gelombang
lebih

panjang,

mampu

menembus

daerah

deplesi

hingga

terserap

di

semikonduktor p yang akhirnya menghasilkan proses fotogenerasi di sana.
Spektrum biru dengan panjang gelombang yang jauh lebih pendek hanya terserap
di daerah semikonduktor n.
Selanjutnya, dikarenakan pada sambungan pn terdapat medan listrik E,
elektron hasil fotogenerasi tertarik ke arah semikonduktor n, begitu pula dengan
hole yang tertarik ke arah semikonduktor p.
Apabila rangkaian kabel dihubungkan ke dua bagian semikonduktor, maka
elektron akan mengalir melalui kabel. Jika sebuah lampu kecil dihubungkan ke
kabel, lampu tersebut menyala dikarenakan mendapat arus listrik, dimana arus
listrik ini timbul akibat pergerakan elektron.

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.13 Aliran elektron panel surya saat melayani beban

2.4 Pembangkit Tenaga Diesel
Sejak lama di desa ini pemerintah sudah mencoba menyelesaikan masalah
kelistrikan dengan menggunakan mesin diesel. Banyak penduduk yang membeli
mesin diesel secara pribadi tetapi tidak maksimal penggunaanya karena
maintanance yang tidak baik. Ketika terjadi kerusakan tidak ada engineer yang
handal dalam maintanence, sehingga tidak handal pengoperasianya selama ini.
Contoh mesin diesel yang masih digunakan dapat di lihat pada gambar 2.6

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.14 Mesin diesel dengan kapasitas 12 KVA di Desa Si Onom Hudon 7

Pusat listrik tenaga diesel (PLTD) sesuai untuk diimplementasikan pada
lokasi dimana pengeluaran bahan bakar rendah, persediaan air terbatas, minyak
sangat murah dibandingkan dengan batubara dan semua beban dasarnya adalah
seperti yang dapat ditangani oleh mesin pembangkit dalam kapasitas kecil, serta
dapat berfungsi dalam waktu yang singkat. Kegunaan utama PLTD adalah penyedia
daya listrik yang dapat berfungsi untuk pusat pembangkit, cadangan (stand by
plant), beban puncak dan cadangan untuk keadaan darurat. Komponen pembangkit
tenaga surya dapat dilihat pada gambar 2.9.
Komponen-komponen mesin diesel adalah:
1. Fuel Tank
2. Fuel oil separator
3. Daily tank
4. Fuel oil booster
5. Diesel motor

Universitas Sumatera Utara

6. Turbo charger

: menaikkan efisiensi udara yang dicampur dengan bahan
bakar dan menaikkan tekanan serta temperaturnya

7. Air intake filter

: Perangkat untuk mengalirkan udara

8. Exhaust gas silincer: Peredam dari sisa gas yang digunakan
9. Generator

: Menghasilkan energi listrik

10. Pengubah utama : Alat pengubah utama untuk menjadi energi listrik
11. Jalur transmisi

: Penyaluran energi listrik ke konsumen

Gambar 2.15 Komponen PLTD.

Pembangkit listrik tenaga diesel adalah pembangkit listrik yang
menggunakan mesin diesel sebagai penggerak mula (prime mover). Bahan bakar
yang umum digunakan adalah minyak diesel yang biasanya disebut solar. Gas juga
dapat digunakan. Daya yang dihasilkan oleh kerja motor diesel tercantum pada
rumus berikut:

Universitas Sumatera Utara

P=

𝐷.𝑉.𝑖.𝑛
350.𝑏

........................................................[2]

di mana:
P : daya
D : tekanan efektif
v : volume langkah silinder
i

: jumlah silinder

n : putaran per menit
b : 2 untuk mesin 4-langkah, 1 untuk mesin 2-langkah.

Prinsip kerja Pembangkit Listrik Tenaga Diesel

Gambar 2.16 Model mesin diesel

Generator adalah mesin yang dapat mengubah tenaga mekanis menjadi
tenaga listrik melalui proses induksi elektromagnetik. Generator ini memperoleh

Universitas Sumatera Utara

energi mekanis dari prime mover. Generator arus bolak-balik (AC) dikenal dengan
sebutan alternator.

Generator adalah alat yang bekerja menggunakan prinsip percobaannya
faraday yaitu memutar magnet dalam kumparan atau sebaliknya, ketika magnet
digerakkan dalam kumparan maka akan terjadi perubahan fluks gaya magnet
(perubahan arah penyebaran medan magnet) di dalam kumparan dan menembus
tegak lurus terhadap kumparan sehingga menyebabkan beda potensial antara ujungujung kumparan (yang menimbulkan listrik).

Syarat utama untuk dapat menghasilkan listrik, harus ada perubahan fluks
magnetik, jika tidak maka tidak akan timbul listrik. Cara mengubah fluks magnetik
adalah dengan menggerakkan magnet dalam kumparan atau sebaliknya dengan
energi dari sumber lain, seperti angin dan air yang memutar baling-baling turbin
untuk menggerakkan magnet tersebut.

Apabila suatu konduktor digerakkan memotong medan magnet maka akan
timbul beda tegangan di ujung-ujung konduktor tersebut. Tegangannya akan naik
saat mendekati medan dan turun saat menjauhi. Sehingga listrik yang timbul dalam
siklus: positif-nol-negatif-nol (AC). Generator DC membalik arah arus saat
tegangan negatif, menggunakan mekanisme cincin-belah, sehingga hasilnya jadi
siklus: positif-nol-positif-nol (DC).

Prime mover merupakan peralatan yang mempunyai fungsi menghasilkan
energi mekanis yang diperlukan untuk memutar rotor generator. Pada mesin
diesel/engine terjadi penyalaan sendiri, karena proses kerjanya berdasarkan udara

Universitas Sumatera Utara

murni yang dimampatkan di dalam silinder pada tekanan yang tinggi (± 30 atm),
sehingga temperatur di dalam silinder naik. Dan pada saat itu bahan bakar
disemprotkan dalam silinder yang bertemperatur dan bertekanan tinggi melebihi
titik nyala bahan bakar sehingga akan menyala secara otomatis.

Pada mesin diesel penambahan panas atau energi senantiasa dilakukan pada
tekanan yang konstan. Pada mesin diesel, piston melakukan 2 langkah pendek
menuju kepala silinder pada setiap langkah daya.

1. Langkah ke atas yang pertama merupakan langkah pemasukan dan
penghisapan, di sini udara dan bahan bakar masuk sedangkan poros engkol
berputar ke bawah.
2. Langkah kedua merupakan langkah kompresi, poros engkol terus berputar
menyebabkan torak naik dan menekan bahan bakar sehingga terjadi
pembakaran. Kedua proses ini (1 dan 2) termasuk proses pembakaran.
3. Langkah ketiga merupakan langkah ekspansi dan kerja, di sini kedua katup
yaitu katup isap dan buang tertutup sedangkan poros engkol terus berputar
dan menarik kembali torak ke bawah.
4. Langkah keempat merupakan langkah pembuangan, disini katup buang
terbuka dan menyebabkan gas akibat sisa pembakaran terbuang keluar. Gas
dapat keluar karena pada proses keempat ini torak kembali bergerak naik
keatas dan menyebabkan gas dapat keluar. Kedua proses terakhir ini (3 dan
4) termasuk proses pembuangan.

Universitas Sumatera Utara

5.

Setelah keempat proses tersebut, maka proses berikutnya akan mengulang
kembali proses yang pertama, dimana udara dan bahan bakar masuk
kembali.

2.5 Pembangkit Tenaga Angin/Bayu
Desa Si Onom Hudon 7 adalah daerah pegunungan yang merupakan
kawasan pertanian yang memiliki kecepatan dan massa angin yang cocok untuk
memutar turbin angin dapat dilihat pada Gambar 2.8.

Gambar 2.17 Kawasan pegunungan desa Si Onom Hudon 7

Pembangkit listrik tenaga angin adalah pembangkit listrik yang
menggunakan angin untuk memutar generator sehingga dihasilkan arus listrik.

Universitas Sumatera Utara

Komponen dari pembangkit listrik tenaga angin dapat dilihat pada gambar 2.8.
Adapun komponen-komponen dari pembangkit listrik tenaga angin adalah:
1) Blades (Bilah Kipas): Kebanyakan turbin angin mempunyai 2 atau 3 bilah
kipas angin yang menghembus menyebabkan turbin tersebut berputar.
2) Rotor: Bilah kipas bersama porosnya dinamakan rotor Tower (Menara):
Menara bisa dibuat dari pipa baja, beton, ataupun rangka besi. Karena
kencangnya angin bertambah dengan seiring dengan bertambahnya
ketinggian, maka makin tinggi menara makin besar tenaga angin yang
didapat.
3) Pitch (Sudut Bilah Kipas): Bilah kipas dapat diatur sudutnya sesuai dengan
kecepatan rotor yang dikehendaki. Tergantung kondisi angin yang terlalu
rendah atau terlalu kencang.
4) Brake (Rem): Suatu rem cakram yang dapat digerakkan secara mekanis
dengan bantuan tenaga listrik atau hidrolik untuk menghentikan rotor atau
saat keadaan darurat.
5) Low-speed shaft (Poros Puutaran Rendah): Poros turbin yang berputar kirakira 30-60 rpm.
6) Gear box (Roda Gigi): Roda gigi menaikkan putaran dari 30-60 rpm
menjadi sekitar 1000-1800 rpm. Ini merupakan tingkat putaran standar yang
disyaratkan untuk memutar generator listrik.
7) Generator: Generator pembangkit listrik, biasanya sekarang disebut
alternator arus bolak-balik.
8) Controller (Alat Pengontrol): Alat Pengontrol ini men-start turbin pada
kecepatan angin kira-kira 12-25 km/jam, dan kemudian mematikannya pada

Universitas Sumatera Utara

kecepatan 90 km/jam. Turbin tidak beroperasi di atas 90 km/jam. Hal ini
dikarenakan tiupan angin yang terlalu kencang dapat merusakkannya.
9) Anemometer: Mengukur kecepatan angin dan mengirim data angin ke alat
pengontrol.
10) Wind vane (tebeng angin): Mengukur arah angin, berhubungan dengan
penggerak arah yang memutar arah turbin disesuaikan dengan arah angin.
11) Nacelle (rumah mesin): Rumah mesin ini terletak di atas menara . Di
dalamnya berisi gearbox, poros putaran tinggi/rendah, generator, alat
pengontrol, dan alat pengereman.
12) High-speed shaft (poros putaran tinggi): Berfungsi untuk menggerakkan
generator.
13) Yaw drive (penggerak arah): Penggerak arah memutar turbin ke arah angin
untuk desain turbin yang menghadap angin. Untuk desain turbin yang
mendapat hembusan angin dari belakang tak memerlukan alat ini.
14) Yaw motor (motor penggerak arah): Motor listrik yang menggerakkan yaw
drive.
15) Tower (menara).

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.18 Pembangit listrik tenaga angin (bayu)

Kondisi angin yang memutar turbin angin berbeda-beda dapat di lihat pada tabel
2.1 dan 2.2.

Tabel 2.1 Tabel Kondisi Angin

Universitas Sumatera Utara

Tabel 2.2 Tingkat Kecepatan Angin 10 Meter di atas Permukaan Tanah

Kelas yang berwarna merah adalah kelas angin yang memungkinkan dikonversi
menjadi energi listrik, yaitu berada di kelas tiga 3 (tiga) sampai dengan 8 (delapan).

Prinsip Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Angin
Cara kerja dari pembangkitan listrik tenaga angin ini yaitu awalnya energi
angin memutar turbin angin. Turbin angin bekerja berkebalikan dengan kipas angin
(bukan menggunakan listrik untuk menghasilkan listrik, namun menggunakan
angin untuk menghasilkan listrik). Kemudian angin akan memutar sudut turbin,
lalu diteruskan untuk memutar rotor pada generator di bagian belakang turbin
angin. Generator mengubah energi gerak menjadi energi listrik dengan teori medan
elektromagnetik, yaitu poros pada generator dipasang dengan material
ferromagnetik permanen. Setelah itu di sekeliling poros terdapat stator yang bentuk

Universitas Sumatera Utara

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 fluks ini akan dihasilkan tegangan dan arus listrik
tertentu. Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan ini disalurkan melalui kabel
jaringan listrik untuk akhirnya digunakan oleh masyarakat. Tegangan dan arus
listrik yang dihasilkan oleh generator ini berupa AC (alternating current) yang
memiliki bentuk gelombang kurang lebih sinusoidal. Energi Listrik ini biasanya
akan disimpan kedalam baterai sebelum dapat dimanfaatkan.
Secara umum tempat yang cocok untuk pemasangan turbin angin antara lain
adalah:
1. Celah antara gunung, tempat dijadikan nozzle yang mempercepat aliran
angin
2. Dataran terbuka. Karena tidak ada penghalang yang dapat memperlambat
angin. Daratan yang luas mempunyai potensi energi angin yang besar.
3. Pesisir pantai. Perbedaan suhu darat dan laut menyebabkan angin bertiup
terus menerus.

Energi angin adalah energi yang terkandung pada massa udara yang
bergerak. Energi angin berasal dari energi matahari. Pemanasan bumi oleh sinar
matahari menyebabkan perbedaan massa jenis udara. Perbedaan massa jenis ini
menyebabkan perbedaan tekanan pada udara sehingga akan terjadi aliran fluida dan
menghasilkan angin. Kondisi aliran angin dipengaruhi oleh medan atau permukaan
bumi yang dilalui oleh aliran angin dan perbedaan temperatur permukaan bumi.

Universitas Sumatera Utara

Bentuk energi yang terdapat pada angin yang dapat diekstraksi oleh turbin
angin adalah energi kinetiknya. Angin adalah massa udara yang bergerak. Besarnya
energi yang terkandung pada angin tergantung pada kecepatan angin dan massa
jenis angin atau udara yang bergerak tersebut. Jika diformulasikan, besar energi
kinetik yang terkandung pada angin atau udara bergerak yang bermassa m dan
berkecepatan v adalah :

………………[3]
Dimana:
Ek = Energi kinetic (joule)
m = massa udara (kg)
v = kecepatan angin (m/s)

Perhitungan daya yang dapat dihasilkan oleh sebuah turbin angin dengan diameter
kipas R adalah :

………………[4]
Dimana :
P adalah daya yang dihasilkan turbin angin
R adalah radius turbin angin
adalah kerapatan angin pada waktu tertentu
adalah kecepatan angin pada waktu tertentu

Universitas Sumatera Utara

Umumnya daya efektif yang dapat dipanen oleh sebuah turbin angin hanya
sebesar 20%-30%. Jadi rumus di atas dapat dikalikan dengan 0,2 atau 0,3 untuk
mendapatkan hasil yang cukup eksak.

Potensi Angin Di Indonesia
Berdasarkan data kecepatan angin di berbagai wilayah, sumberdaya energi
angin Indonesia berkisar antara 2,5 – 5,5 m/detik pada ketinggian 24 meter di atas
permukaan tanah. Dengan kecepatan tersebut sumberdaya energi angin Indonesia
termasuk dalam kategori kecepatan angin kelas rendah hingga menengah. Secara
keseluruhan, potensi energi angin Indonesia diperkirakan mencapai 9.290 MW.
Angin di wilayah Indonesia secara umum di sebelah utara khatulistiwa bertiup dari
arah Barat Laut menuju Timur Laut. Sedangkan di sebelah selatan khatulistiwa
bertiup dari arah Barat Daya menuju Barat Laut. Kecuali di Sumatera bagian selatan
dan Jawa angin bertiup dari arah Timur menuju Tenggara.

2.6 Software HOMER
HOMER adalah singkatan dari The Hybrid Optimization Model for Electric
Renewables, salah satu perangkat lunak yang paling populer saat ini untuk
mensimulasikan kinerja sistem PLH baik dari sisi ekonomis maupun teknis.
Homer menyediakan beberapa pilihan jenis pembangkit, baik yang menggunakan
sumber energi terbarukan maupun sumber energi konvensional. Sistem hibrid yang
disimulasikan dapat berupa sistem tunggal atau sebagai sebuah sistem yang

Universitas Sumatera Utara

tergabung dengan grid atau sebagai sebuah unit sistem hibrid yang dilengkapi
media penyimpan energi atau tanpa media penyimpan energi.
Gambar 2.10 memperlihatkan tampilan sistem hibrid yang dibangun serta
hasil simulasinya. Hasil simulasi yang ditampilkan diurut berdasarkan tingkat
efisiensi operasi atau biaya satuan energi yang paling rendah. Urutan yang paling
atas adalah kombinasi sistem hibrid yang paling optimal atau yang paling rendah
biaya satuan energinya.

Gambar 2.19 Tampilan Program HOMER

Perangkat lunak HOMER mensimulasikan operasi sistem dengan
menyediakan perhitungan keseimbangan daya antara daya yang dapat dibangkitkan
dan beban yang harus disuplai selama 8.760 jam dalam setahun. Jika sistem
mengandung baterai dan generator diesel/bensin, HOMER juga dapat memutuskan

Universitas Sumatera Utara

kapan seharusnya beroperasi dan berapa daya yang harus dibangkitkan. Demikian
pula jadwal pengisian atau pengosongan baterai. Selanjutnya HOMER menentukan
konfigurasi sistem

terbaik dan kemudian memperkirakan biaya instalasi dan

operasi sistem selama masa operasinya seperti biaya awal, biaya penggantian
komponen, biaya O&M, biaya bahan bakar, dan lain-lain.
Saat melakukan simulasi, HOMER menentukan semua konfigurasi sistem
yang mungkin, kemudian ditampilkan berurutan menurut net presents costs - NPC
atau disebut juga life cycle costs. Jika analisa sensitivitas diperlukan, HOMER akan
mengulangi proses simulasi untuk setiap variabel sensitivitas yang ditetapkan.
Kesalahan relatif tahunan sekitar 3% dan bulanan sekitar 10%. Gambar 2.11
menunjukkan arsitektur HOMER yang terdiri atas tiga bagian utama yaitu input,
simulasi dan output.

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.20 Arsitektur Simulasi dan Optimasi HOMER

2.7 Model Ekonomi

2.7.1 Biaya sikulus hidup/Net Present Cost(NPC)

Yaitu biaya Net Total Masa Kini, merupakan keluaran ekonomi yang paling utama
untuk nilai suatu sistem pada PLH, HOMER akan mengurutkan data hasil keluaran
simulasi dan optimasi berdasar nilai NPC terendah. Total NPC dapat dihitung
dengan menggunakan persamaan sebagai berikut ini :

𝐶𝑁𝑃𝐶 =

𝐶𝑎𝑛𝑛,𝑡𝑜𝑡

𝐶𝑅𝐹(𝑖,𝑅𝑝𝑟𝑜𝑗)

………………………….....[5]

1(1+𝑖)𝑁

CRF (i, N) = 1(1+𝑖)𝑁 −1………………..…………[6]

Dengan :
Cann,tot

: total biaya tahunan ($/tahun)

CRF

: faktor penutupan modal

I

: suku bunga (%)

Rproj

: lama waktu suatu proyek

N

: jumlah tahun

2.7.2 Biaya Energi pada Generator

Homer menggunakan persamaan berikut untuk menghitung biaya energi pada
generator dengan menggunakan rumus :

Universitas Sumatera Utara

Cgen,fixed = Com,gen
Dengan :

𝐶𝑟𝑒𝑝,𝑔𝑒𝑛
𝑅𝑔𝑒𝑛

+ Fo Ygen Cfuel, eff..............[7]

Ccom,gen

: biaya O&M ($/jam)

Crep,gen

: biaya penggantian

Rgen

: lifetime

Fo

: koefisien generator (kW)

Cfuel,eff

: harga bahan bakar

2.7.3 Syarat Batas Biaya Energi (Levelized Cost of Energy)

Levelized cost of energy (COE) didefinisikan sebagai biaya rata per kWh produksi
enegi listrik yang terpakai oleh sistem. Untuk menghitung COE, biaya produksi
energi listrik tahunan dibagi dengan total energi listrik terpakai yang diproduksi,
dengan persamaan sebagai berikut :

𝐶𝑎𝑛𝑛,𝑡𝑜𝑡

CO = 𝐸𝑝𝑟𝑖𝑚,𝐴𝐶+𝐸𝑔𝑟𝑖𝑑,𝑠𝑎𝑙𝑒𝑠+𝐸𝑑𝑒𝑓.....................[8]
Dengan :
Cann,tot

: biaya total sistem tahunan ($/tahun)

Eprim,AC

: beban AC utama yang terpenuhi (kWh/tahun)

Edef

: beban deferrable yang terpenuhi (kWh/tahun)

Egrid,sales = total penjualan grid (kWh/tahun)

Universitas Sumatera Utara