Studi Eksperimen Aplikasi Flywheel Pada Pembangkit Listrik Untuk Daerah Terpencil

  Prosiding Seminar Nasional Teknologi Elektro Terapan 2017 Vol.01 No.01, ISSN: 2581-0049

  

Studi Eksperimen Aplikasi Flywheel Pada Pembangkit Listrik

Untuk Daerah Terpencil

a)

  a)

  a) Fakhrizal Akbar Ilmiawan* , Joke Pratilastiarso , Prima Dewi Permatasari

  

Abstrak: Keterbatasan sumber energi listrik di daerah terpencil menyebabkan masyarakat harus sangat berhemat

  dalam menggunakan energi listrik. Dampaknya, daerah terpencil menjadi daerah yang tertinggal dari segi ekonomi dan sosisal. Salah satu teknologi yang fleksibel digunakan di daerah terpencil adalah genset atau generator

• – set. Genset terdiri dari sebuah motor penggerak ( prime mover ) yang dikopel dengan sebuah generator untuk mengahasilkan listrik. Maka dilakukan penelitian dengan menambahkan flywheel pada genset, dengan luaran yang diharapkan adalah mengetahui pengaruh penambahan flywheel pada sistem. Pengujian yang akan dilakukan adalah pengujian arus motor listrik, pengujian rpm saat tanpa flywheel dan dengan menggunakan flywheel 8.5 kg dan 16 kg. Hasil pengujian yang didapat bahwa dari tiga variasi yang diujikan, variasi flywheeltipe B dengan massa 16 kg memiliki nilai energi kinetik rotasi, momen inersia dan torsi yang paling besar. Sehingga peningkatan arus motor listrik yang paling kecil dan waktu berhenti sistem yang paling lama ketika diaplikasikan, sehingga daya listrik yang digunakan oleh motor listrik lebih kecil dan hemat.

  Kata-kata kunci : flywheel, energy kinetik rotasi, momen inersia, torsi

1. Pendahuluan

  2. Metode

  Salah satu teknologi pembangkit listrik yang menjadi

  2.1 Desain Sistem solusi untuk ketersediaan listrik di daerah yang sulit PadaGambar 1 menampilkandesainsistem pembangkit dijangkau adalah genset atau generator

• – set. Genset terdiri listrik untuk daerah terpencil. Sistem terdiri dari motor dari motor penggerak (prime mover) yang memutar listrik (1.1 kW, 1400 rpm, 220 V, 1

  ϕ ), generator ( 3 kW, generator untuk menghasilkan listrik. Umum motor 1440 rpm, 220 V, 1

  ϕ ), flywheel dan sistem transmisi puli penggerak yang digunakan pada genset menggunakan ( P1

• – P6 ) dan V – belt. Flywheel yang digunakan adalah diesel sebagai bahan bakar. Untuk aplikasi dengan flywheel tipe A ( 8.5 kg ) dan flywheel tipe B (16 kg ).

  skalayang lebih luas, digunakanlah pembangkit listrik Geometri puli meliputi diameter dan massa puli tenaga diesel atau PLTD yang sistemnya hampir sama ditampilkan pada Tabel 1. dengan genset.

  Penggunaan genset konvensional dan PLTD sangat Tabel 1. Geometri Puli bergantung pada ketersediaan bahan bakar. Jika terjadi permasalahan pada rantai suplai bahan bakar, maka pasokan listrik di daerah juga akan terganggu. Untuk mengatasi masalah pasokanlistrik akibat distribusi bahan bakar yang bisa kapan saja terganggu,penggunaan listrik oleh masyarakat harus sangat dibatasi.

  Dari permasalahan tersebut, tugas akhir ini mencoba memodifikasi genset tersebut dengan menambahkan flywheel. Flywheel biasa digunakan dalam permesinan sebagai media penyimpan energi dan stabilisasi output.[2]

  2.2 Pengujian sistem Aplikasi flywheel pada genset atau pembangkit listrik untuk

  Untuk mengetahui pengaruh pengaplikasian flywheel daerah terpencil ini diharapkan dapat menstabilkan output pada sistem, maka dilakukan beberapa pengujian meliputi, motor penggerak. Stabilnya output motor penggerak akan pengujian arus yang dihasilkan motor listrik saat generator berdampak pula pada stabilnya output generator, sehingga tidak diberi beban dan diberi beban, pada variasi tanpa diharapkan pula dapat -memutar generator yang memiliki flywheel, dengan flywheel tipe A dan flywheel tipe B, output daya lebih besar dari input daya yang dibutuhkan pengujian kecepatan rotasi motor listrik saat generator tidak motor penggerak [3] diberi beban dan diberi beban, pada variasi tanpa flywheel, dengan flywheel tipe A dan flywheel tipe B, pengujian kecepatan rotasi generator saat generator tidak diberi beban

  ＊

  dan diberi beban,pada variasi tanpa flywheel, dengan

  Korespondensi: akbar91117@gmail.com

  

a) Departemen Mekanika dan Energi Politeknik Elektronika Negeri flywheel tipe A dan flywheel tipe B, pegujian kecepatan

Surabaya

  181

3. Hasil dan Analisis

3.1 Hasil dan Analisis Energi Kinetik Rotasi Sistem

  Pengaplikasian flywheel juga berpengaruh pada kecepatan rotasi motor listrik dan generator ketika diberi pembebanan. Pada hasil pengujian kecepatan rotasi motor listrik dan generator, pada variasi tanpa flywheel, semakin besar beban yang diberikan pada generator, maka kecepatan rotasi generator dan motor listrik mengalami banyak penurunan. Hal ini dibuktikan ketika beban mulai sama dengan daya nominal motor listrik, kecepatan rotasi motor listrik hanya tersisa 482 rpm, dan generator tersisa 920 rpm dari kecepatan rotasi nominalnya yang sebesar 1440 rpm.

  Gambar 2. Grafik torsi total system terhadap variasi flywheel Sama halnya dengan energi kinetik rotasi, torsi akan semakin meningkat ketika sebuah objek memiliki massa dan diameter serta kecepatan rotasi yang besar.[8] Hal ini dibuktikan dengan hasil perhitungan torsi puli dan flywheel dan Gambar 2 ketika flywheel tipe A dengan massa 8,5 kg dan diameter 0,35 m diaplikasikan, maka torsi total sistem naik dari angka 95,09 Nm menjadi 1063,43 Nm, dan ketika flywheel tipe B dengan massa 16 kg dan diameter 0,4 m diaplikasikan, maka torsi total sistem naik dari angka 1063,43 Nm menjadi 2816,14 Nm. Dapat diasumsikan bahwa system mengalami kenaikan torsi yang signifikan ketika flywheel diaplikasikan. Berkaitan dengan kecepatan motor listrik dan generator saat generator diberi beban, pada hasil pengujian kecepatan rotasi motor listrik dan generator terlihat bahwa pada variasi tanpa flywheel, kecepatan rotasi motor listrik dan generator mengalami banyak penurunan. Hal ini dibuktikan ketika beban mulai sama dengan daya nominal motor listrik, kecepatan rotasi motor listrik hanya tersisa 482 rpm, dan generator tersisa 920 rpm dari kecepatan rotasi nominalnya yang sebesar 1440 rpm. Dengan pengaplikasian flywheel kecepatan rotasi motor listrik dan generator memiliki angka yang lebih baik dibandingkan dengan variasi tanpa flywheel. Dari tiga variasi pengujian, flywheel tipe B memiliki angka kecepatan rotasi motor listrik dan generator yang lebih mendekati nominal. Hal ini menunjukkan bahwa pengaplikasian flywheel tipe B dengan massa 16 kg memiliki energi kinetik rotasi yang lebih besar, sehingga kecepatan rotasi

  sistem. Hal ini dibuktikan dengan garis biru yang memiliki tren naik saat flywheel diaplikasikan.

  flywheel memberikan dampak yang signifikan pada nilai torsi

  ........................................................................... (2) Berdasarkan Gambar 1, dapat diamati bahwa pengaplikasian

  3.2 Hasil dan Analisis torsi Analisis torsi dibuat berdasarkan hasil pengujian kecepatan rotasi puli dan flywheel, spesifikasi geometri flywheel, dan spesifikasi geometri puli. Flywheel tipe A memiliki spesifikasi massa 8.5 kg dan diameter 35 cm, sedangkan flywheel tipe B memiliki spesifikasi massa 16 kg dan diameter 40 cm. Sedangkan geometri puli pada Tabel 1. Data dan hasil pengujian tersebut tersebut kemudian diolah menggunakan persamaan torsi:

  Pada variasi flywheel tipe A dan B, kecepatan rotasi motor listrik dan generator memiliki angka yang lebih baik dibandingkan dengan variasi tanpa flywheel. Dari tiga variasi pengujian, flywheel tipe B memiliki angka kecepatan rotasi motor listrik dan generator yang lebih mendekati nominal. Hal ini menunjukkan bahwa pengaplikasian flywheel tipe B dengan massa 16 kg memiliki energi kinetik rotasi yang lebih besar, sehingga kecepatan rotasi motor listrik dan generator lebih mendekati rpm nominalnya.

  sudah mendapat tambahan energi kinetik rotasi melalui pengaplikasian puli P1

  rotasi tiap puli pada variasi tanpa flywheel, dengan flywheel tipe A dan flywheel tipe B, pengujian kecepatan rotasi flywheel, dan pengujian lama waktu berhenti sistem.

  flywheel , pada dasarnya tanpa pengaplikasian flywheel sistem

  Mengacu pada hasil pengujian kecepatan rotasi puli dan

  total sebesar 3328,94 J, dan ketika flywheel tipe B dengan massa 16 kg digunakan, energy kinetik total sebesar 7364,82 J.

  flywheel tipe A dengan massa 8,5 kg digunakan, energy kinetik

  Berdasarkan Gambar 1 dapat diamati bahwa dengan mengaplikasikan flywheel maka energy kinetik rotasi yang dihasilkan oleh sistem akan meningkat. Dibuktikan dengan garis biru yang memiliki tren naik saat flywheel diaplikasikan. Energi kinetik rotasi tersebut semakin meningkat ketika massa flywheel yang digunakan juga meningkat. Hal ini dibuktikan ketika

  ......................................................... (1) Gambar 1. Grafik Energi Kinetik Rotasi Sistem

  Hasil dan analisis energi kinetik rotasi didasari pada data pengujian kecepatan rotasi motor listrik, kecepatan rotasi generator, kecepatan rotasi tiap puli dan flywheel ketika generator diberi beban pada variasi tanpa flywheel, variasi flywheel tipe A (8.5kg), dan variasi flywheel tipe B (16 kg). Hasil pengujian yang didapat kemudian diolah menjadi data energi kinetic rotasi system menggunakan persamaan:

• – P6, dibuktikan dengan energi kinetik yang dihasilkan oleh masing
• – masing puli. Namun dengan tambahan pengaplikasian flywheel, total energi kinetik rotasi sistem banyak mengalami pengingkatan.

motor listrik dan generator lebih mendekati rpm nominalnya. Pada saat flywheel diaplikasikan pada sistem, torsi sistem akan meningkat signifikan. Hal ini berpengaruh pada kemampuan motor listrik dan generator untuk lebih bertahan pada kecepatan rotasi nominalnya. Hal ini dikarenakan semakin besar nilai torsi sistem, maka sistem akan memiliki nilai momen inersia yang besar, dimana ketika suatu objek berputar memiliki nilai momen inersia yang besar, maka objek lebih dapat mempertahankan kecepatan rotasinya ketika gaya yang memutar objek tersebut mengalami penurunan [3].

  3.3 Hasil dan Analisis Pengujian Arus Motor Listrik dan pengujian Lama Waktu Berhenti Sistem Berdasarkan analisis energi kinetic rotasi dan torsi, maka hasil analisis tersebut dapat dikaitkan dengan analisis arus motor listrik dan lama waktu berhenti sistem. Pada hasil pengujian arus motor listrik dan hasil perhitungan torsi, ketika generator diberi beban, variasi tanpa flywheel menunjukkan peningkatan arus yang cukup besar, yaitu dari mula

• – mula arus tanpa beban sebesar 3,5 A dan naik menuju angka 5,5 A ketika diberi beban 1100 W, mendekati daya nominal motor listrik. Ketika pada variasi flywheel tipe A dan B, saat generator diberi beban mendekati daya nominal motor listrik, terjadi peningkatan arus namun tidak sebesar ketika variasi tanpa flywheel. Dibuktikan dengan garis merah dan hijau pada hasil pengujian arus motor listrik dan Gambar 6. Peningkatan arus yang paling kecil ada pada variasi flywheel tipe B, dimana saat generator diberi beban mendekati daya nominal motor listri, hanya terjadi peningkatan arus sebesar 0,6 A, dari semula bernilai 3,6 A menjadi 4,2 A. Peningkatan arus motor listrik ini mengindikasikan bahwa kerja motor listrik bertambah berat dengan adanya pembebanan, terlebih ketika beban semakin mendekati daya nominal motor listrik. Hal ini berdampak pada kecepatan rotasi motor listrik yang berkurang sehingga kecepatan rotasi generator juga berkurang.

  Gambar 3. Grafik Arus Motor Listrik Terhadap Variasi Flywheel

  Pengaplikasian flywheel pada sistem akan meringankan beban kerja motor listrik. Ketika generator diberi beban mendekati daya nominal motor listrik, maka kecepatan rotasi motor listrik akan berkurang akibat beban kerja yang berat. Peran flywheel seperti pada hasil pengujian kecepatan rotasi motor listrik, membantu stabilisasi kecepatan rotasi motor listrik yang berdampak pada stabilisasi kecepatan rotasi generator seperti pada hasil pengujian kecepatan rotasi generator. Hal ini dibuktikan pada variasi flywheel tipe B saat generator diberi beban mendekati daya nominal motor listrik, kecepatan rotasi motor listrik memiliki nilai yang lebih mendekatai nominalnya.

  Gambar 4. Grafik Lama Waktu Berhenti Sistem Variasi Flywheel

  Ketika beban kerja motor lebih ringan, maka daya listrik yang digunakan oleh motor listrik akan berkurang dibuktikan dengan arus listrik yang lebih kecil ketika flywheel diaplikasikan. Jika daya yang digunakan motor listrik untuk menggerakkan sistem lebih sedikit, maka konsumsi daya listrik oleh motor listrik akan lebih hemat. Berkaitan dengan lama waktu berhenti sistem, ketika suplai daya motor listrik dihilangkan, maka dengan pengaplikasian flywheel waktu berhenti sistem akan lebih panjang, ditunjukkan pada Gambar 4. Hal ini dikarekan pengaplikasian flywheel akan menimbulkan lonjakan energi kinetic rotasi, momen inersia dan torsi. Ketika suplai daya motor listrik dihilangkan, maka energi yang tersimpan dalam flywheel akan membantu system mempertahankan kecepatan rotasinya dalan rentan waktu tertentu. Saat motor listrik tidak lagi berputar, energy kinetic rotasi yang dimiliki oleh flywheel dan puli akan dilepaskan untuk mempertahakan kecepatan rotasi sistem, momen inersia yang besar yang terdapat pada flywheel akan menjaga agar system tetap berotasi untuk waktu tertentu.

  4. Kesimpulan

  Dari hasil analisis dapat disimpulkan: 1. Dampak yang ditimbulkan dari pengaplikasian

  flywheel yaitu adanya penurunan arus motor listrik,

  yang berarti kerja motor listrik lebih ringan dibanding tanpa menggunakan flywheel.

  2. Pengaplikasian flywheel berefek pada waktu berhenti sistem ketika suplai daya motor listrik dihilangkan menjadi lebih lama.

  3. Dari tiga variasi yang diujikan, variasi flywheel tipe B dengan massa 16 kg memiliki nilai energi kinetic rotasi, momen inersia dan torsi yang paling besar. Sehingga peningkatan arus motor listrik yang paling kecil dan waktu berhenti sistem yang paling lama ketika diaplikasikan.

  4. Pengaplikasian flywheel tipe B memberikan efek penghematan konsumsi listrik oleh motor listrik, dibuktikan dengan peningkatan arus motor listrik yang paling kecil diantara tiga variasi.

  5. Jika memungkinkan, kedepannya diharapkan flywheel yang digunakan tidak hanya dua variasi, namun ditambahkan flywheel dengan berbagai variasi massa dan geometri untuk tren data yang lebih baik.

  6. Penggunaan flywheel akan memberikan efek yang lebih baik ketika massa dan geometri flywheel yang digunakan lebih besar, namun perlu juga dipertimbangkan kemampuan motor listrik. Penggunaan flywheel dengan massa dan geometri yang lebih besar akan memerlukan kapasitas motor listrik yang lebih besar pula.

  7. Untuk menghindari pengeluaran biaya yang terlampau besar, maka disarankan untuk menggunakan flywheel yang telah ada di pasaran atau flywheel bekas pakai, namun perlu ketelitian dalam memilih geometri dan massa flywheel.

  8. Untuk kedepannya, dapat juga divariasikan konfigurasi komponen pembangkit listrik untuk daerah terpencil, untuk melihat pengaruh apa yang dapat ditimbulkan, selain pengaruh dari flywheel.

  Daftar Pustaka

  [1] Statistik Ketenagalistrikan 2015, Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral (ESDM), 2016

  [2] Yuniarsih. P., Bachtiyar. F., Rosyidin. M., Prabawanto. T., Flywheel Generator, ITS, Surabaya

  [3] Aminudin. S.M., Sarwono, Hantoro. R., Studi Aplikasi Flywheel Energy Storage untuk Mengingkatkan dan Menjaga Kinerja Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH), ITS, Surabaya

  [4] Wicki. S., Hansen. E.G., Clean Energy Storage Technique in The Making : An Innovation Sistem Perspective on Flywheel Energy Storage, Elsevier, 2017

  [5] Conteh. M.A., Nsofor. E.C., Composite Flywheel Material Design for High

• – Speed Energy Storage, Southern Illinois University, 2016

  [6] Bai. J.G., Zhang. X.Z., Wang. L.M., A Flywheel Energy Storage Sistem with Active Magnetic Bearing, Tsinghua University, 2012

  [7] Khurmi, R.S., Gupta, J.K., A Textbook of Machine Design, Eurasia Publishing House, 2005

  [8] Serway. A.R., Jewett. J.W., Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics, 7th ed, Thomson Learning. Inc, 2008

  [9] Sears. F.W., Zemansky. M.W., College Physics, Part 1, 3th ed, Addison

• – Wesley Press Inc, 1948 [10] Han. Y., Ren. Z., Tong. Y., General Design Method of

  Flywheel Rotor for Energy Storage Sistem, Harbin Engineering University, 2012

  Lampiran

  Gambar Desain System Gambar Pengujian RPM motor listrik dan generator Gambar Pengujian puli dan flywheel dan pengujian lama waktu berhenti sistem