REKAYASA ENERGI BAYU: STUDI LITERATUR TERKAIT KAJIAN PEMANFAATAN SISTEM PENYIMPANAN ENERGI DALAM PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN
Disusun oleh: Yeremia Yeremia Christiatriaditya Christiatriaditya 12/333838/TK/40180
Program Studi Teknik Fisika Departemen Teknik Nuklir Teknik Fisika Universitas Gadjah Mada 2015
I.
PENDAHULUAN Dengan semakin berkurangnya cadangan bahan bakar fosil dan semakin meningkatnya kepedulian masyarakat dunia terhadap lingkungan hidup, saat ini terjadi peningkatan penggunaan pembangkit listrik dengan energi terbarukan. Pembangkit listrik tenaga angin (PLTAngin) adalah salah satu jenis pembangkit listrik energi terbarukan yang memanfatkan energi angin. Pada saat ini PLTAngin yang dibangun di dunia mengalami peningkatan yang sangat pesat Berdasar data yang dilaporkan Global Wind Energy Council, akumulasi kapasitas terpasang pembangkit tenaga angin di dunia sejak tahun 1996 sampai akhir tahun 2010 mencapai 194390 MW. Untuk setiap tahun selalu terjadi peningkatan prosentase kapasitas terpasang dari tahun sebelumnya. Pada tahun 2010 peningkatan yang terjadi sebesar 22.5 %. Adanya beberapa faktor kendala dalam penerapan pemanfaatan energi angin sebagai pembangkit listrik (PLTAngin) antara lain adalah adanya fluktuasi kecepatan angin yang digunakan untuk memutar turbin. Adanya perubahan kecepatan angin yang terjadi setiap saat akan berpengaruh pada catu daya yang diberikan ke sistem. Apabila penetrasi daya PLTAngin cukup besar dengan perubahan yang cepat, maka pembangkit akan kesulitan dalam pengaturan daya keluarannya. Ketika angin laut bertiup kencang, maka deretan turbin angin juga akan berputar kencang. Kelebihan energi yang diproduksi dapat merusak sistem kelistrikan yang ada, antara lain kabel dan transformator yang sebelumnya hanya dirancang untuk batas energi tertentu. Selain itu adanya fluktuasi energi listrik dari pembangkit listrik tenaga angin juga cukup berpengaruh. Fluktuasi tidak hanya soal kuantitas produksi listrik, namun juga soal drastisnya perubahan energi listrik yang dihasilkan dan yang dibutuhkan. Tiap jam bahkan tiap menit, fluktuasi produksi listrik amat besar dan juga berdampak pada fluktuasi beban/ permintaan listrik yang juga berubah-ubah tiap waktu. Tanpa adanya perhitungan energi listrik yang dihasilkan dan beban listrik yang akurat, pemadaman listrik bisa terjadi kalau angin tidak bertiup sama sekali. Sementara di bidang ekonomi, perhitungan tidak akurat menyebabkan pemadaman listrik atau kelebihan pasokan listrik, suatu hal yang amat merugikan bagi perusahaan. Untuk meminimalkan fluktuasi daya keluaran diperlukan suatu sistem penyimpanan energi/ Energy Storage System (ESS), dengan adanya sistem ini, diharapkan masalah fluktuasi energi listrik dapat teratasi. PLTAngin sangat dipengaruhi oleh kondisi cuaca, sehingga daya yang dihasilkannya menjadi tidak stabil. Dalam sebuah jaringan kelistrikan, ESS berfungsi sebagai backup energi, perumpamaan sederhana yang dapat digunakan adalah jika angin hanya mampu memutar turbin angin pada siang hari, maka pada siang hari PLTAngin akan mensuplai listrik ke jaringan dan sekaligus menyimpan energi pada sistem, sedangkan pada malam hari atau pada saat angin tidak dapat memutar turbin maka ESS berfungsi untuk mensuplai listrik
ke jaringan. Dari perumpamaan tadi dapat dikatan bahwa ESS dapat berfungsi sebagai kompensator ketidakstabilan dari PLTAngin. Pada saat output daya dari PLTAngin turun maka ESS akan mensuplai listrik ke jaringan sesuai jumlah penurunan ouput daya dari pembangkit dengan sesegera mungkin sehingga kestabilan frekuensi dan tegangan pada jaringan dapat terjaga. Tulisan ini akan mencoba mengkaji berbagai sistem penyimpanan energi yang dapat digunakan dapat meminimalkan fluktuasi daya keluaran yang dihasilkan pembangkit listrik tenaga angin.
II. REVIEW STUDI LITERATUR Ketika melihat perkembangan teknologi pembangkit listrik tenaga angin, kita dapat melihat bahwa perkembangan sistem penyimpanan energi listrik ialah yang paling menonjol. Pada tulisannya Sercan, Mesut (2009) mengatakan bahwa jika berbicara tentang penyimpanan energi listrik, sesungguhnya tidak hanya berbicara tentang baterai saja. Mereka menjelaskan bahwa ESS sudah berkembang pesat hingga kita bisa menyimpan energi dalam bentruk elektromagnet, elektrokimia, energi kinetik, atau sebagai energi potensial. Sercan, Mesut (2009) menjelaskan bahwa perkembangan teknologi ESS pada umumnya terdapat di dua poros, kuantitas energi yang dapat diserap dan disimpan oleh ESS, dan kecepatan transfer energi dari ESS ke sistem kelistrikan. Jintao, Kejun dan Ying (2011) mengatakan bahwa terdapatt beberapa hal harus dipertimbangkan pada waktu memilih, merencanakan dan mengoperasikan setiap sistem penyimpanan energi. Pertama, berapakah efisiensi total sistem, ini termasuk proses pengisian, kerugian penyimpanan dan proses pengambilan kembali. Kedua, seberapa bagus respon waktu dari ESS. Ketiga, berapa kali system ini bisa dipakai ulang dan tahan berapa lama. Flywheel Storage Dengan flywheel energi listrik dapat disimpan secara kinetik. Energi listrik yang ada dipergunakan untuk memutar silinder dengan momen inersia besar dan diubah dalam bentuk energi kinetik. Energi kinetis ialah energi mekanis yang berkaitan dengan gerakan suatu massa relatif terhadap yang lain. Al-Diab, Sourkounis (2011) menjelaskan untuk membandingkan flywheel, cara praktis yang umum ialah dengan mengevaluasi jumlah energi kinetik maksimum yang disimpan dalam flywheel satuan volume piringan uniform yang mempunyai dimensi aksial dan radial sama dengan lebar dan jari-jari maksimum flywheel gila tersebut. Perbandingan energy ini bisa digambarkan sebagai
()
max =
di mana K v adalah sama dengan perkalian K w dengan bagian piringan unifrorm yang diempati oleh flywheel gila tersebut..
Al-Diab dan Sourkounis (2011) mengatakan bahwa untuk mencapai energi yang tinggi di dalam flywheel, material harus mempuyai kekuatan mekanis yang besar dan kerapatan yang rendah. Kerapatan yang rendah memungkinkan operasi pada kecepatan sudut yang besar atau dengan radius yang lebih besar sebelum gaya sentrifugal merrusakan bagian flywheel. Komposit fiber yang tadinya dikembangkan untuk program ruang angkasa, menunjukan kemampuan menyimpan yang lebih besar disbanding sistem dengan baja konvensional. Selain itu material ini lebih murah disbanding baja. Al-Diab dan Sourkounis (2011) telah mengajukan flywheel sebagai alternatif sistem energi untuk sistem energi untuk sistem penyimpanan energi mekanis dari perlengkapan listrik juga sebagai sistem propulsi untuk kendaraan otomobil dan bus. Sistem flywheel dapat menerima dan menyerahkan daya pada jumlah yang lebih besar dibanding sistem penyimpanan energi yang lebih konvensional, misalnya batere penyimpanan Hydrogen Storage Hidrogen saait ini dapat disimpan dengan beberapa cara, dan sistem untuk menghasilkan dan menyimpannya telah dikembangkan dengan baik. Menurut Karthikeyan dan Bapu (2010), salah satu rekasi yang dapat digunakan untuk menghasilkan hidrogen adalah elektrolisis, dimana suatu arus searah dialirkan melalui konduktor air yang menghasilkan hydrogen di satu elektroda dan oksigen di elektroda yang lain. Proses elektrolisis mempunyai efisiensi konversi actual sekitar 85%. Tetapi karena proses inimenggunakan listrik, total efisiensi mulai dari energi panas, energi listrik sampai menjadi energi kimia maksimum hanya sekitar 35%. Dengan adanya kondisi angin yang tidak selalu tersedia untuk memutar turbin, output dari pembangkit ini dimungkinkan untuk dapat menjadi sumber energi dalam melakukan elektrolisis.
Gambar1. Hydrogen Energy Storage System pada Turbin Angin
Gambar2. Skema Pemanfaatan Hydrogen Energy Storage System pada Turbin Angin
Compressed-Air Energy Storage (CAES) Shively dan Gardner (2014) menjelaskan kelebihan energi listrik pada sistem pembangkit menggunakan ESS ini akan digunakan untuk memompa udara bertekanan ke atas reservoir. Atau dengan kata lain mengubah energi listrik menjadi energi potensial. Shively dan Gardner (2014)mengatakan bahwa sistem ini menggunakan ruang bawah tanah seperti bekas tambang yang ditinggalkan, lapangan gas dan minyak yang sudah ditinggalkan, aquifer yang disekat, gua alam dalam tanah, gua galian, atau lumeran timbunan garam untuk wadah udara termampat.
Gambar 3. Skema Penggunaan Compressed-Air Energy Storage (CAES) pada Turbin Angin
Shively dan Gardner (2014)menjelaskan bahwa udara dipompakan ke dalam ruangan selama permitaan daya rendah dan kemudian pada waktu permitaan tinggi, udara tersebut diambil kembali, dicampur dengan bahan bakar dan dibakar. Gas pembakaran bertekanan tinggi ini kemudian ekspansikan diturbin gas untuk membangkitkan daya. Karena hampir separuh dari daya yang dihasilkan turbin gas konvensional digunakan untuk menggerakkan kompresor, system diatas secara nyata menaikan daya berguna dari unit. Volume udara-tersimpan yang dibutuhkan untuk sistem ini menurut Shively dan Gardner (2014) berbanding langsung dengan jumlah energi yang disimpan dan berbanding terbalik dengan tekanan udara di dalam wadah tersebut. Tekanan gas harus sedapat mungkin dijaga mendekati konstan agar bisa dicapai efesiensi turbin dan kompresor yang tinggi. Hal ini bisa didapat dengan menggunakan air dari danau atau reservoir yang dekat untuk membanjiri wadah. Udara termampat kemudian diisikan ke dalam wadah dan air di dorong kembali keseluruhan pengisi sampoai ke reservoir. Tekenan hidraulis yang dihasilkan menjaga tekanan udara tetap konstan selama udara ditambahkan maupun ketika diambil dari wadah.
Pumped-Hydroelectric Storage (PHS) Prinsip keja dari pada Pumped-Hydroelectric Storage (PHS) ini sama dengan Compressed-Air Energy Storage (CAES), energi disimpan dalam bentuk energi potensial, yang menjadi pembeda disini adalah medium penyimpanan energi berupa air.
Gambar 4. Pumped-Hydroelectric Storage (PHS) Pada Turbin Angin
Shively dan Gardner (2014) mengatakan meskipun jumlah energi yang dapat diambil dari masa hanya kecil, sistem ini digunakan untuk menyimpan sejumlah besar energi dengan memindahkan sejumlah besar air melalui jarak yang layak dalam apa yang disebut system penyimpanan energi terpompa (pumped-storage energy system). Dalam sistem ini, sistem pompa-generator hidroelektrik dapat-balik digunakan untuk memompa air dari sungai atau danau ke reservoir yang mempunyai elevasi lebih tinggi selama periode kebutuhan daya dari pusat listrik rendah. Pada waktu beban puncak, sistem balik untuk mendapatkan kembali hampir semua daya yang disimpan. Skema ini secara menaikkan foktor beban pembangkit daya dan memungkinkan pemakaian sumber daya berbiaya rendah untuk menggantikan unit beban puncak yang membutuhkan biaya tinggi. Kekurangan dari sistem penyimpanan-terpompa ini menurut Shively dan Gardner (2014) adalah memerlukan topografi khusus sehingga sangat membatasi pemakaian. Sebagai tambahan, sistem yang disebutkan diatas dan ditunjukkan pada Gambar 10.2, beberapa hasil penelitian juga mempertimbangkan pemakaian sistem air tanah yang yang menggunakan tambang yang sudah ditinggalkan ataupun gua alam di dalam tanah.
III. KESIMPULAN Dari berbagai penjelasan yang ada dapat disimpulkan bahwa variasi sistem penyimpanan energi cukup beragam. Namun, untuk membuat sebuah ESS sebagai cadangan sistem kelistrikan makro, diperlukan resource berupa lahan, biaya pembangunan, dan biaya maintenance yang tidak murah. Untuk itulah, daripada membangun ESS berskala besar yang dapat menyimpan energi listrik, lebih baik memikirkan teknologi dan strategi cara penyimpanan energi yang optimal. Strategi penyimpanan energi yang dapat mengatasi fluktuasi energi terbarukan, menjaga realibilitas sistem kelistrikan, plus sistem yang cepat transfer energinya (cepat menyerap-cepat menyalurkan), aman, serta tahan lama.
IV. DAFTAR PUSTAKA 1. Sercan Teleke, Mesut E. Baran, et al., 2009. Control Strategies for Battery Energy Storage for Wind Farm Dispatching. IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION, VOL. 24, NO. 3, SEPTEMBER 2009 p. 725 2. Jintao Cui, Kejun Li, Ying Sun, Zhenyu Zou,. 2011. Yue Ma. “Distributed energy storage system in wind power generation ”. Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies (DRPT), 2011 4th International Conference 3. Al-Diab, A.; Sourkounis, C.IECON 2011 - 37th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society 4. Bapu, B.R.R.; Karthikeyan, J.; Reddy, K.V.K. 2010. “
Hydrogen storage in wind turbine tower
—
A review”. Frontiers in Automobile
and Mechanical Engineering (FAME), 2010 5. Shively, D.; Gardner, J.; Haynes, T.; Ferguson, J.2008. “Energy Storage Methods for Renewable Energy Integration and Grid Support Energy 2030 Conference ”. 2008. ENERGY 2008. IEEE
