ANALISA PENGHEMATAN ENERGI PADA POMPA CHILLED WATER PUMP (CWP) DENGAN MENGGUNAKAN INVERTER DI PLAZA BII JAKARTA Eko Ihsanto, Handrea Eka Wardhana Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana, Jakarta.
ABSTRAK Hampir semua gedung atau pabrik besar menggunakan motor AC sebagai penggerak utamanya, termasuk untuk sistem AC. Konsumsi daya motor-motor AC ini cukup besar dan tentu saja amat mempengaruhi besarnya tagihan listrik gedung yang bersangkutan. Dari beberapa audit energi listrik, besar tagihan yang terkait AC bisa mencapai 70% dari total tagihan listrik. Untuk itu perlu dilakukan upaya penghematan. Salah satu upaya penghematan konsumsi energi listrik motor AC adalah dengan modifikasi teknik pengendaliannya, yaitu menggunakan inverter atau Variable Speed Driver (VSD). Sebelum pemasangan inverter tersebut, harus dilakukan pengambilan data berupa konsumsi energi listrik. Setelah mendapatkan data mengenai konsumsi energi listrik, maka langkah selanjutnya adalah melihat apakah ada peluang untuk dilakukan penghematan energi pada motor – motor tersebut. Jika terdapat peluang, maka akan dipasangkan inverter (VSD) pada motor listrik tersebut. Setelah dipasangkan inverter, maka selanjutnya adalah mengambil data konsumsi energi listrik setelah motor dipasangkan inverter. Dari data tersebut, maka bisa dilihat dan dianalisa seberapa besar penghematan energi yang bisa dilakukan Penelitian ini melakukan pengukuran dan analisa konsumsi energi listrik yang terkait penggunaan CWP (Chilled Water Pump) di Gedung Plaza BII Jakarta. Beberapa rekomendasi terkait penghematan energi dan BEP (Break Even Point) disebutkan di bagian laporan penelitian ini. Kata kunci : VSD, CWP, AC, BEP. PENDAHULUAN Latar Belakang Masalah Saat ini, banyak gedung dan pabrik yang menggunakan motor listrik sebagai penggerak utama dalam sistem. Penggunaan motor-motor listrik ini membutuhkan energi listrik yang cukup besar. Jika tanpa upaya penghematan, penggunaan motor-motor listrik tersebut tanpa henti akan menyebabkan pemborosan energi listrik dan pembayaran rekeninnya. Dalam situasi di mana kebutuhan energi listrik naik dan persedian sumber daya untuk menciptakannya semakin menipis, satu cara yang jelas adalah menggunakan energi listrik secara efisien. Di dalam perkembangan teknologi, Variable Speed Drive (VSD) atau lebih dikenal inverter dapet membantu menghemat konsumsi energi listrik termasuk membantu
mengurangi emisi gas buang dari bahan bakar fosil. Penggunaan motor pompa dan kipas bisa menjadi contoh aplikasi motor listrik yang tidak efisien. Hampir setiap gedung bertingkat saat ini, menggunakan motor listik untuk Chilled Water Pump (CWP), atau pompa pendingin yang menggunakan air. Biasanya pompa ini dijalankan dengan putaran maksimum dan umumnya teknik Penggunaan Pompa CWP secara terus menerus dapat menyebabkan pemborosan energi listrik dan pembayaran rekeningnya. Selain itu, pemasangan motormotor listrik saat ini masih menggunakan cara konvensional, yaitu dengan menggunakan kontaktor. Penggunaan kontaktor dan pemasangan dengan metode konvensioanl seperti ini bisa menimbulkan lonjakan arus start saat motor pertama kali dihidupkan. Lonjakan arus karena starting ini juga mempengaruhi pemborosan
konsumsi energi listrik. Beruntung lonjakan arus seperti ini bisa kita kurangi dengan mengganti kontaktor star-delta dan meninggalkan metode lama dengan cara pemasangan inverter (Variable Speed Drive). Inverter (VSD) ini selain bisa mengurangi lonjakan arus starting, bisa juga kita manfaat kan untuk penghematan energi sepanjang pemakaian motor yang bersangkutan atau Saving Energi. Penghematan energi ini bisa kita lakukan dengan mengatur kecepatan motor menggunakan inverter (VSD) dengan cara mengatur frekuensi dari motor tersebut, sehingga sistem tersebut lebih efisien.
PERANCANGAN Gambaran Umum. Sebuah pabrik atau gedung bertingkat biasanya memiliki sistem penyejuk udara (air conditioning) yang terdiri dari beberapa unit, di antaranya pompa air dingin (chilled water), pompa condenser, menara pendingin (cooling tower), dan alat penghembus udara (AHU & FCU). Dengan banyaknya sistem seperti di atas, maka saat ini banyak dilakukan perancangan sistem untuk melakukan penghematan energi pada motor pompa dengan menggunakan inverter (VSD). Sebelum pemasangan inverter (VSD) perlu diketahui bahwa sistem lama masih menggunakan sistem konvensional (StarDelta). Sistem penghematan energi yang menggunakan inverter ini dirancang dengan didahului penentuan rating motor yang digunakan, tegangan input dan output, serta besar arus listrik pada motor tersebut.
Gambar 1. Sistem AC pada Gedung Komersial. Pada pengujian ini, penghematan energi dilakukan pada sistem air conditioning di gedung komersial “PLAZA BII Tower 2”, jalan MH. Thamrin. Pengujian dilakukan pada pompa condenser di lantai 40, dengan uraian sebagai berikut : 1. Sistem air conditioning di Tower#2 Plaza BII dilayani oleh 5 unit chiller utama masing-masing 420 kW dan 1 unit baby chiller untuk keperluan overtime dengan kapasitas 300 kW. 2. Jenis chiller ini dilayani oleh 6 unit cooling tower lengkap dengan 7 unit pompa condencer (enam dengan kapasitas 55 KW dan satu 30 KW) dan 7 unit pompa chilled water. 3. Dengan menggunakan pompa condenser water, air proses pendinginan dari colling tower di distribusikan kembali ke condenser pada unit chiller. 4. Untuk mendapatkan penghematan energi listrik dari pengoperasian sistem AC ini. Direncanakan akan menambahkan peralatan Inverter pada unit-unit pompa condenser. Mengingat sistem AC ini sudah beroperasi, untuk menunjang pemasangan inverter perlu dilakukan pekerjaan survei pada sistem untuk mengetahui flow rate dari condenser water di lt.40, terkait dengan akan disesuaikannya frekuensi (Hz) dari motor pada pompa tersebut. URUTAN PELAKSANAAN PENGUJIAN. Prosedur pengambilan data.
Untuk memperoleh data - data seperti yang sudah dijelaskan di atas, maka perlu dilakukan beberapa metode pelaksanaan antara lain sebagai berikut : 1. Proses pengumpulan data dari pihak pengelola bangunan dan selanjutnya dilakukan pengamatan langsung di lokasi agar didapat data yang cukup akurat. 2. Adapun data yang dimaksud adalah tekanan Chilled Water di lantai teratas (lt.40). 3. Dengan diketahuinya tekanan Chilled Water di lantai teratas (lt.40) dan tekanan minimal yang diperlukan berarti dapat dilakukan metode Trial, sampai seberapa besar dapat dilakukan penurunan kecepatan putar pompa dengan catatan tidak lebih rendah dari tekanan minimalnya. 4. Saat melakukan metode Trial diharapkan seluruh valve pada setiap lantai terbuka pada posisi normal. Dengan kondisi ini diharapkan hasil yang didapat cukup akurat. 5. Selanjutnya adalah melakukan pengamatan terhadap sistem pada AHU yang mencakup temperatur udara. Setelah mendapatkan data yang cukup, dilakukan pemeriksaan dan pengamatan terhadap operasional Motorized Valve yang ada pada setiap AHU. 6. Pada prinsipnya tutup/bukanya motorized valve harus selaras dengan sinyal dari perubahan temperatur ruang yang dikondisikan. 7. Jika semua data, pengamatan dan metode Trial sudah didapat, selanjutnya diselaraskankan (synchronized) dengan karakteristik unit - unit inverter yang akan dipasang pada unit Chilled Water. 8. Diprediksikan dengan dipasangnya unit Inverter akan diperoleh hasil yang optimal. 9. Pengambilan data pemakaian energi listrik dilakukan beberapa tahap, yaitu 9.1. Pengumpulan data konsumsi beban listrik dan waterflow rate tanpa menggunakan inverter. 9.2. Pengumpulan data konsumsi beben listrik dan waterflow rate dengan menggunakan inverter. 9.3. Saat trial dengan menggunakan inverter, valve pada posisi discharge pompa dibuka 100%. 9.4. Pengaturan penurunan frekuensi output inverter berdasarkan flowrate yang terukur masih
memenuhi 6525 l/m (sesuai dengan flowrate sebelum penggunaan inverter. 10. Jika semua data sudah didapat maka dilakukanlah analisa pemakaian energi listrik saat belum menggunakan inverter dan ketika menggunakan inverter serta analisa output inverter. Data Peralatan 1. WATER COOLED CHILLER. Kapasitas : 5.040.000 Btu/h Jumlah : 5 Unit 2. WATER COOLED CHILLER. Kapasitas : 3.600.000 Btu/h Jumlah : 1 Unit 3. POMPA CONDENSER WATER. Kapasitas : 262 m3/jam Head : 42 meter Jumlah : 6 Unit (1stand by) Data motor Merk : Elektrim motor Output : 55 KW Poles :4 Frequency : 50 Hz Current : 98 / 89 A Volt : 380 / 440 V Conection : D – Y Speed : 1458 rpm Frame : 55K IP : 44 4. Peralatan Pengukur listrik model HIOKI 3169ID (Ver1.05) Clamp-on Power Hitester digunakan untuk mengukur Parameter Utama (KVA, kW, PF, Hertz, KVAr, Ampere dan Volt. 5. Peralatan Pengukur Flowrate zat cair “UNIFLOW” universal multifunction flow meter tipe 1010 with ultrasonic sensor. 6. INVERTER (VSD) Merk :Fuji Electric Tipe :FRN55F1S-4A Kapasitas :55 kW Tegangan input :400 V Frekuensi input :50/60 Hz Tegangan output :400 V Frekuensi output :0 - 120 Hz Cara Kerja Sistem. Pompa CWP akan bekerja berdasarkan output analog dari BAS. Di mana BAS akan mendapatkan analog input dari pressure yang terbaca/terdeteksi di lantai teratas (lt.40). Di lt.40 ini, pressure akan dipertahankan pada nilai minimal.
Perubahan pressure yang terbaca pada lantai teratas akan menjadi referensi bagi Inverter untuk mengatur kecepatan putar dari Pompa CWP. Berikut ini adalah gambar sketsa sistem tersebut,
Flow Chart START
Pengecekan Kondisi Lapangan
Sampling Energi Listrik Tanpa Inverter
Pengolahan Data
Gambar 2. Sketsa Sistem Pompa CWP. Kemungkinan Energi Saving
Persiapan Trial
Sampling Energi Listrik Dengan Inverter
Estimasi Energi Listrik
Kesimpulan
STOP
Gambar 3. Flow Chart Pelaksanaan.
DATA DAN ANALISA HASIL PENGUJIAN SISTEM. Tanpa Inverter. Pengambilan data dilakukan dengan kondisi motor pompa CWP dijalankan secara normal. Kondisi pompa dijalankan dengan menggunakan Y – Δ starter, dimana valve output motor pompa hanya dibuka 60% dengan kecepatan putar motor maksimal. Sebuah power analzer diletakan dibawah komponen pengaman utama yaitu MCCB untuk merekam pemakaian energi listrik, serta menempatkan sebuah flow sensor pada pipa utama untuk mengetahui seberapa besar aliran zat cair yang disupply oleh motor pompa. Tabel 1. Data konsumsi daya listrik sebelum mengunakan inverter DATE
TIME
Ave E (V)
Ave I (A)
Ave (P) (Watt)
12/1/2012 10:07:27 375.67 103.89
46,806.19
12/1/2012 11:52:27 376.45 105.11
47,782.15
12/1/2012 11:57:27 376.83 104.09
47,509.31
12/1/2012 12:02:27 377.7
48,063.63
104.62
12/1/2012 12:07:27 377.98 103.83
47,770.63
12/1/2012 12:12:27 377.68 104.77
48,246.95
12/1/2012 12:17:27 377.53
47,663.32
103.5
12/1/2012 12:22:27 377.39 104.26
48,464.52
12/1/2012 12:27:27 377.11 102.86
47,399.27
12/1/2012 12:32:27 376.91
47,376.39
103.1
12/1/2012 12:37:27 376.73 103.22
47,703.18
12/1/2012 12:42:27 377.09 103.44
47,951.64
12/1/2012 12:47:27 376.98 103.59
47,763.23
12/1/2012 12:52:27 376.44 102.56
47,068.43
12/1/2012 12:57:27 376.02 104.02
48,010.50
12/1/2012 13:02:27 375.42 104.41
47,897.21
12/1/2012 13:07:27 374.68 104.39
47,948.85
12/1/2012 13:12:27 374.27 105.76
48,360.46
12/1/2012 13:17:27 374.07 104.48
47,750.54
12/1/2012 13:22:27 374.28 105.74
48,133.31
12/1/2012 13:32:27 374.43 104.84
47,744.33
12/1/2012 13:37:27 374.27 105.45
47,807.02
12/1/2012 13:42:27 374.09 105.66
47,666.19
12/1/2012 13:47:27 373.91 105.01
47,590.21
12/1/2012 13:52:27 374.19 104.76
47,314.70
12/1/2012 13:57:27 373.95 106.48
48,391.10
12/1/2012 14:00:32 374.09 105.96
47,952.68
Valve 1 60% Open
CWP
Chiller
Valve 2 Temp
P
Water flow
rate 1723Pressure gpm
Input
P
T
Evaporator
Input
Compressor Condenser
Pressure Output
P
T Temp Output
Coolin g
Gambar 4. Skematik sebelum menggunakan inverter CWP
Valve 1 100% Open
Chiller
Valve 2 Temp
Inverter
P
Water flow rate 1723 gpm
Pressure Input
Input
P
T
Evaporator Compressor Condenser
Pressure Output
Cooling
P
T Temp Output
Tower
Gambar 5. Skematik setelah penggunaan inverter
Dengan Inverter. Ketika menggunakan Inverter valve dibuka 100%, dan kecepatan motor akan diatur untuk mendapatkan flow zat cair sama dengan flow sebelum menggunakan inverter agar tidak mempengaruhi sistem yang ada. Untuk power analzer dan Flow sensor tetap pada tempatnya untuk membantu pekerjaan.
DATE
TIME
Ave (E)
Ave (I)
Ave (P) (W)
16/2/2012
10:07:27
376.42
71.65
32,342.00
16/2/2012
10:12:27
376.4
73.36
33,187.00
16/2/2012
10:17:27
376
73.36
33,306.00
16/2/2012
10:22:27
375.98
72.92
33,121.00
16/2/2012
10:27:27
376.03
72.96
33,199.00
16/2/2012
10:32:27
375.98
73.02
33,177.00
16/2/2012
10:37:27
375.77
72.82
33,111.00
16/2/2012
10:42:27
375.68
72.8
33,217.00
16/2/2012
10:47:27
376.46
72.33
32,751.00
16/2/2012
10:52:27
376.12
72.89
32,979.00
16/2/2012
10:57:27
375.94
72.06
32,730.00
16/2/2012
12:52:27
377.19
70.73
32,525.00
16/2/2012
12:57:27
376.77
71.75
33,182.00
16/2/2012
13:02:27
376.17
72.02
33,107.00
16/2/2012
13:07:27
375.43
72.02
33,146.00
16/2/2012
13:12:27
375.02
72.94
33,419.00
16/2/2012
13:17:27
374.82
72.05
32,994.00
16/2/2012
13:22:27
375.03
72.93
33,262.00
16/2/2012
13:27:27
375.24
73.27
33,318.00
16/2/2012
13:32:27
375.18
72.3
32,990.00
16/2/2012
13:37:27
375.02
72.72
33,036.00
16/2/2012
13:42:27
374.84
72.86
32,940.00
16/2/2012
13:52:27
374.94
72.25
32,698.00
16/2/2012
13:57:27
374.7
73.44
33,444.00
16/2/2012
14:00:27
374.9
72.62
32,895.00
16/2/2012
14:00:32
374.84
73.07
33,136.00
Disini kami menggunakan inverter jenis khusus HVAC dengan kapasitas 55 KW, tegangan 3 fasa 380 Volt dan frekuensi output 0 – 120 Hz. Parameter Setting Inverter. Setting parameter dilakukan sebelum menjalankan sebuah motor induksi dengan menggunakan inverter, setting ini dimaksukkan agar tidak terjadi kesalahan dalam penggunaan inverter. Setting yang dimaksud meliputi parameter kontrol inverter, parameter motor, aplikasi yang digunakan, maupun performance inverter yang diinginkan. Khusus untuk parameter motor, kita wajib mengetahui data motor yang akan dimasukan dalam settingan (kW, Ampere, Volt, Pole, Hz), biasanya setiap pengguna mengunakan data pada name plate motor sebagai acuan. Setip merk inverter memiliki kode ataupun simbol yang berbeda-beda untuk melakukan setting, dimana semua kode tersebut dimaksudkan untuk menunjang fungsi inverter untuk menjalankan motor sesuai aplikasi yang diinginkan. Analisa Efek Penghematan Energi. Setelah dilakukan setting parameter pada inverter maka selanjutnya adalah melakukan analisa efek terhadap penghematan energi pada sistem tersebut. Dan dibawah ini adalah grafik perbandingan pada pompa CWP yang menggunakan inverter dengan yang tidak menggunakan inverter.
Pemilihan Inverter. Inverter yang akan dipergunakan untuk menjalankan suatu motor induksi tiga fasa harus disesuaikan antara kapasitas daya inverter dengan daya motor induksi, serta aplikasi penggunaan motor tersebut. Pada Penelitian ini, motor induksi digunakan untuk memutar pompa air yang memiliki karakteristik variable load. Motor pompa yang dipergunakan memiliki kapasitas 55 KW dengan tegangan kerja 3 fasa 380 Volt dan frekuensi 50 Hz, sehingga inverter yang akan digunakan harus setidaknya memiliki kapasitas minimal sama dengan beban yang akan dipergunakan.
7
Gambar 6. Grafik arus listrik CWP no. 7 Tower 2 Plaza BII.
Pada gambar grafik di atas, dapat kita lihat bahwa grafik daya listrik terlihat stabil dan terjadi perbedaan yang cukup signifikan antara grafik daya listrik pompa CWP tanpa inverter dengan grafik daya listrik pompa CWP dengan menggunakan inverter. Setelah melihat grafik perbandingan diatas, maka selanjutnya akan kita lihat analisa efek penghematan energi dimana CWP no.7 dengan daya motor sebesar 55kW/380VAC digunakan mengalirkan air dari cooling tower ke condenser sebanyak 6525 l/menit, terdapat header pipe untuk menampung aliran air dari lima buah CWP motor dengan daya motor yang sama (55kW/380VAC) dan satu unit CWP dengan daya sebesar 30kW/380VAC sebagai backup operational. Pada saat sebelum menggunakan inverter, kondisi Discharge valve pada masing - masing CWP terkondisikan balanced 50% opened dengan aliran air sebesar 6525 l/min. Jika menggunakan inverter, Discharge Valve pada masing - masing CWP harus Fully Opened 100%, kebutuhuan akan debit air bisa dipenuhi dengan cara mengatur kecepatan putar pompa CWP hingga didapat aliran sebesar ± 6525 l/min. Maka untuk efek energi saving yang didapat bila Sistem beroperasi 10 jam/hari dan 312 hari/tahun adalah :
Pada gambar grafik di atas, dapat kita lihat bahwa grafik arus terlihat stabil dan terjadi perbedaan yang cukup signifikan antara grafik arus pompa CWP tanpa inverter dengan grafik arus pompa CWP dengan menggunakan inverter.
Gambar 7. Grafik Tegangan Tanpa VS Menggunakan Inverter Pada gambar di atas, dapat kita lihat grafik tegangan pada pompa CWP terlihat fluktuatif dan terjadi perbedaan yang cukup signifikan antara grafik tegangan pompa CWP tanpa inverter dengan grafik tegangan pompa CWP menggunakan inverter.
Tidak Menggunakan Inverter (prorata) = Konsumsi Daya x 10jam/hari x 312hari/tahun = 46,80kW x 10jam/hari x 312hari/tahun = 146.016 kW/tahun Menggunakan Inverter (pro-rata) = Konsumsi Daya x 10jam/hari x 312hari/tahun = 32,34 kW x 10jam/hari x 312hari/tahun = 100.900,8 kW/tahun
Effect Saving Energi dalam 1 tahun (pro-rata dalam persentasi) = 30.9% Gambar 8. Grafik Daya Listrik Tanpa VS Menggunakan Inverter
Break Even Point (BEP)
8
Setelah melihat efek dari energi saving karena pemasangan inverter maka sekarang akan coba kita hitung break even point (BEP) yang akan kita dapatkan jika kita memasang inverter pada Pompa CWP. Untuk Pompa CWP no. 7 Tower II Plaza BII, maka investasi yang dibutuhkan untuk 1 unit panel Inverter dengan kapasitas 55kW adalah sebesar Rp.179.277.713,-. Dimana untuk rinciannya bisa dilihat pada file lampiran, sedangkan perhitungan BEP bisa dilihat dibawah ini.
CWP, maka bisa dibuat beberapa kesimpulan, antara lain: 1. Konsumsi daya listrik rata – rata motor pompa CWP sebelum dipasang inverter adalah 57.987 Watt. 2. Konsumsi daya listrik rata – rata motor pompa CWP setelah dipasangkan inverter adalah 40.074 Watt. 3. Setelah dipasangkan inverter pada motor pompa CWP, maka terjadi penghematan energi sebesar 30% dari konsumsi daya listrik normal sebelum dipasangkan inverter. 4. Dengan investasi yang sudah dikeluarkan untuk pemasangan inverter ini dan terjadi penghematan energi sebesar 30%, maka akan terjadi BEP dengan waktu 56,04 bulan.
Ilustrasi konsumsi daya listrik CWP no. 7 tanpa inverter = Konsumsi Daya x 10 jam/hari x 312 hari = 46.80 x 10 x 312 = 146,016.00 kW / Tahun = Rp. 124,113,600.(TDL Rp.850,-/kWH berdasarkan penjumlahan rata-rata dari pemakaian listrik WBP dan LWBP)
DAFTAR PUSTAKA 1.
Ilustrasi konsumsi daya listrik CWP no. 7 menggunakan inverter = Konsumsi Daya x 10 jam/hari x 312 hari = 32.34 x 10 x 312 = 100,900.80 kW / Tahun = Rp. 85,765,680.(TDL Rp.850,-/kWH berdasarkan penjumlahan rata-rata dari pemakaian listrik WBP dan LWBP)
2.
3.
4. Penghematan pembayaran energi listrik dalam setahun sebesar : = Rp. 124,113,600 – Rp. 85,765,680 = Rp. 38,347,920
5.
BEP = Rp. 179,277,713 : Rp. 38,347,920 = 4.67 Tahun = 56.04 Bulan 6. Dari hasil perhitungan diatas dapat kita ketahui bahwa dengan investasi 1 unit panel inverter 55kW, bisa dilakukan penghematan sebesar Rp. 38,347,920.- dan BEP bisa dicapai dalam waktu 56,04 bulan.
7.
KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Setelah selesai mendapatkan data hasil pengukuran dan menganalisa apakah terjadi penghematan energi atau tidak setelah dipasangkan inverter pada motor pompa
9
Nonnenmann James J, “Chilled Water Plant Pumping Schemes”. Stanley Consultants, Inc. Muscatine, Iowa, 2006. Crowther, Hugh. July 2003, “Seminar on Chilled Water Plant Design: Variable Flow Systems and Low Delta T Syndrome.” Sponsored by McQuay International. Durkin, Thomas H. November 2005, “Evolving Design of Chiller Plant.” ASHRAE Journal 47: 11: 40-50. Hyman, Lucas B. and Little, Don. February 2004, “Overcoming Low Delta T, Negative Delta P at Large University Campus.” ASHRAE Journal. 46: 2: 28-34. Carrier Corporation, “Variable Frequency Drive, Operation and Application of Variable Frequency Drive (VFD) Technology”. Syracuse, New York, 2005. Lee, Edward C. “Review of Variable Speed Drive Technology”. Powertec Industrial Corporation. Hacker, Dave. Schroeder, Kyle. “Variable Volume Chilled Water Pumping”. Schneider Electric.
