Simulasi HOMER untuk Menghasilkan Sistem Tenaga Listrik yang Ramah Lingkungan pada BTS di Kuantan

Latar Belakang

Telekomunikasi adalah industri yang tumbuh pesat. Tidak hanya di perkotaan, wilayah pedesaan pun sudah mulai haus akan kebutuhan komunikasi.  Para operator telekomunikasi terus berupaya untuk memperluas cakupan layanannya. Dengan demikian para operator akan berusaha membangun BTS-BTS di daerah-daerah yang jauh dipelosok. BTS-BTS tersebut tentunya membutuhkan energi agar dapat memberikan layanan bagi masyarakat. Masalahnya, tidak semua wilayah di Indonesia dapat menikmati listrik. Masih banyak dearah-daerah yang mengalami kesulitan mengakses listrik. Operator harus mencari cara agar dapat memperoleh energi yang cukup efektif dan efisien untuk mengoperasikan BTS mereka di daerah yang tidak memiliki PLN.

Saat ini, sebagian besar operator cenderung mengunakan generator atau pembangkit tenaga Diesel untuk memasok listrik bagi BTS mereka di wilayah yang tidak meliliki PLN. Generator ini menggunakan bahan bakar solar dan menghasilkan polusi yang merusak lingkungan. Selain merusak lingkungan, penggunaan genset juga membutuhkan biaya yang tidak sedikit karena harga solar terus naik dari tahun ke tahun karena solar merupakan sumber daya yang tidak terbaharukan sehingga dapat habis pada suatu waktu tertentu. Bagaimana bila sumber energi kita habis? Manusia harus terus berfikir untuk menemukan sumber daya – sumber daya baru yang terbaharukan dan ramah lingkungan, bagaimanapun juga, Bumi adalah rumah kita bersama yang kelestariannya harus kita jaga. Industri telekomunikasi juga harus menjadi industri yang ramah lingkungan.

Seiring dengan berkembangnya teknologi, muncul sumber energi – sumber energi yang ramah lingkungan. Sumber energi ini merupakan sumber energi terbaharukan yang tidak mengunakan bahan bakar dan tidak menghasilkan polusi. Sumber energi – sumber energi terbaharukan yang saat ini sudah mulai dikembangkan antara lain adalah matahari (sel surya/PV), angin (turbin angin), laut (ombak dan panas laut), biomass (kayu bakar,  metan, minyak jatropa), hidrogen (fuel cell), air (hydro) dan panas bumi (geotermal). Penggunaan sumber energi terbaharukan ini bergantung dari ketersediaannya di lingkungan kita. Sebagai contoh, untuk daerah khatulistiwa seperti Indonesia, sel surya yang membutuhkan banyak energi dari matahari dapat menjadi sumber energi terbaharukan yang potensial. Untuk wilayah yang tiupan anginnya cukup kencang dan stabil,  makan turbin angin merupakan pilihan yang potensial. Untuk wilayah yang dekat gunung berapi dan aliran sungai tentunya memiliki pilihan sumberdaya terbaharukan lain yang potensial.

Desain & Data

Pada tulisan ini akan dipaparkan pemilihan komponen dan parameter untuk membuat suatu sistem pembangkit energi pada suatu koordinat wilayah tertentu di daerah Kuantan, Sumatera. Sistem ini akan digunakan untuk memberikan energi bagi perangkat BTS yang sudah ditentukan load bebannya per jam. Dalam simulasi ini dimisalkan BTS memiliki inputan AC walau dalam kenyataannya saya sering menjumpai BTS yang inputanya DC. Koordinat dari BTS tersebut adalah Latitude: 0 0’ North dan Longitude: 101 55’ East.

Peta Lokasi BTS

Data Beban

Untuk membuat sistem pembangkit energi bagi BTS ini, digunakan software HOMER (Hybrid Optimization Model for Energy Renewable). HOMER adalah perangkat lunak yang digunakan untuk membantu pemodelan dari sebuah sistem tenaga listrik dengan menggunakan berbagai pilihan sumber daya terbaharukan. Dengan HOMER, dapat diperoleh spisifikasi paling optimal dari sumber energi – sumber energi yang mungkin diterapkan. Kita harus memasukkan data load beban, data sumber daya matahari, sumber daya angin dari daerah di mana kita akan membangun BTS (beban), data ekonomi, data constraints, system control inputs, data emisi dan data harga solar. Dari peta dapat dilihat bahwa di daerah dekat BTS, tidak dijumpai sungai, laut atau gunung berapi, maka sumber energi yang mungkin dapat dipergunakan adalah generator diesel, sel surya (PV) dan turbin angin.

Input Data Beban

Input Data Diesel

Sensitivity Harga Solar

Untuk data harga Solar, saya masukan data harga Solar diSumatera untuk industri pada periode April 2012 yaitu Rp. 10925,95/L. Berhubung HOMER membaca dalam satuan $, maka harga solar dalam $ menjadi $ 1.1546/L. Harga solar tentunya berfariasi dan berubah-ubah, maka saya tambahkan parameter sensitivity sebanyak 2 lagi yaitu $ 1/L dan $ 1,5/L sehingga kita dapat melihat hasil dari simulasi ketika harga solar berubah pada kisaran $ 1/L dan $ 1,5/L.

Input Data Ekonomi

Biaya O&M sistem ini adalah fixed $1200/tahun. Berarti biaya untuk melakukan perawatan perangkat-perangkat yang digunakan pada sistem pembangkit energi bagi BTS ini sudah dianggarkan dengan besaran tetap yaitu sebesar $1200 setiap tahun.

Input Data Constraints

Dengan nilai maximum annual capacity shortage sebesar 0%, maka nilai unmet electric load atau nilai dimana daya listrik dari BTS tidak terpenuhi oleh sistem dibatasi agar selalu lebih kecil dari 0,09% sehingga mendekati 0%. Dengan demikian kombinasi yang dihasilkan oleh sistem selalu dapat memenuhi kebutuhan listrik bagi BTS.

Input Data System Control

Dengan dipilihnya cycle charging dan setpoint state of charge sebesar 79%, maka daya generator selain dipergunakan untuk menyuplai load (BTS), digunakan pula untuk menyuplai baterai hingga baterai terisi 79% dari kapasitas maksimumnya.

Daftar Denda Emisi di Amerika Serikat

Input Data Emisi

Data denda emisi yang digunakan pada simulasi ini menggunakan denda yang berlakukan di California, Amerika Serikat. Denda seperti ini dapat pula diberlakukan di Indonesia asalkan penggunaan hasil dari denda tidak disalahgunakan. Uang yang terkumpul dari denda ini dapat dipergunakan untuk penghijauan dan reboisasi sehingga ada semacam “ganti rugi” dari pencemaran lingkungan yang dilakukan oleh industri.

Input Data Matahari

Sensitivity Data Matahari

Data matahari yang dipergunakan saya ambil dari NASA. Berdasarkan data ini dapat terlihat bahwa intensitas matahari di wilayah Kuantan cukup baik sehingga kita layak untuk menggunakan sel surya atau PV di sana. Rata-rata dari intensitas matahari bernilai 4,82, namun kita semua tahu bahwa ini hanyalah nilai rata-rata dan belum tentu nilainya akan pasti seperti ini sepanjang tahun, maka saya tambahkan sensitivity sebanyak 2 lagi yaitu 4,5 dan 5.

Data Kecepatan Angin di Kuantan

Kurva Turbin Angin BWC XL.1

Nilai rata-rata angin pada lokasi BTS ini hanya 2,83 m/s. Nilai ini  sangat kecil sehingga tidak efisien bila menggunakan wind turbin karena rata-rata wind turbin dapat menghasilkan energi yang optimal ketika kecepatan anginnya di atas 3m/s. Maka sumber energi terbaharukan yang mungkin digunakan pada daerah ini hanya 1 yaitu sel surya.

Sistem Pembangkit Daya BTS

Kemudian kita harus memasukkan data-data dari produk perangkat membangkit energi yang akan kita pergunakan yaitu generator, PV dan baterai. Tidak lupa konverter juga dimasukkan karena beban dalam AC dan tidak semua sumber energi yang menyuplai beban adalah dalam bentuk AC, ada yang dalam bentuk DC juga. Konverter dapat berfungsi sebagai rectifier ketika mengkonversi AC ke DC dan dapat pula berfungsi sebagai inverter ketika mengkonversi DC ke AC. Biaya replacement pada perangkat-perangkat tersebut adalah 80% dari biaya kapital karena ketika terjadi penggantian, tidak semua komponen perlu diganti.

Data Input Generator

Grafik Efisiensi

Emisi Generator

Jadwal Kerja Generator

Generator yang dipergunakan adalah generator Yanmar yang penggunaannya bersifat standby, tidak dibatasi hanya hari-hari tertentu.

Input Data Konverter

Konverter yang dipergunakan adalah konverter Latronics yang disimulasi ini dapat berfungsi sebagai inverter dan rectifier dengan nilai efisiensi 95,5%.

Data Dimensi Sel Surya

Data Input Sel Surya

PV yang dipergunakan adalah PV Schuco. Berapapun nilai kW dari perangkat dimasukkan, asalkan dapat memenuhi perhitungan HOMER, pasti akan terus diizinkan. HOMER belum memperhitungkan dimensioning dan biaya beli/sewa tanah sehingga pengiraan apakah ukuran komponen yang terpilih dapat digunakan atau tidak dilokasi harus dilakukan dengan manual atau tool dimensioning lain seperti planet dan sebagainya. Padahal pada kenyataannya luas lahan untuk 1 BTS terbatas karena harga tanah atau sewa tanah tidaklah murah, maka pada simulasi ini besar PV saya batasi 85 kW walau dengan nilai ini pembangkit energi BTS terpaksa beberapa kali menggunakan tenaga dari generator. Bila saya mau, bisa saja sistem ini dibuat agar 100% mengunakan energi terbaharukan sehingga sangat ramah lingkungan, namun dimensi dari PV menjadi penghambat. Mungkin di masa depan nanti dapat ditemukan PV dengan keluaran yang besar tapi dimensi yang kecil dengan harga yang terjangkau. Tapi untuk saat ini, saya masih menggunakan nilai batasan sebesar 85 kW agar 1 site BTS di Kuantan tidak sebesar lapangan sepak bola x_x.

Input Data Baterai

Baterai yang dipergunakan adalah baterai Rolls tipe Surrette 4KS25P. Digunakan 2 rangkaian seri baterai yang diparalel sebagai proteksi apabila salah satu rangkaian seri baterai bermasalah.

Simulasi, Optimasi, Sensitivitas & Analisa

Dengan menggunakan data-data dan desain yang sudah dimasukkan di HOMEr, maka selanjutnya dilakukan simulasi yang akan menghasilkan konfigurasi paling optimal dari sistem pembangkit energi yang akan dibangun. Konfigurasi teroptimal ini juga dapat dilihat pada berbagai situasi yang berbeda seperti harga Solar dan intensitas matahari yang berbeda, konfigurasi teroptimal pada saat harga Solar $1/L bisa saja berbeda dengan konfigurasi saat harga Solar $1,5/L.

Hasil Optimasi

Konfigurasi komponen yang paling optimal pada Global Solar 4.82kWh/m²/d  dan harga bahan bakar $1.15/L adalah 22.40kW PV, 5.4kW Generator, 50 Baterai, 8kW Converter. Konfigurasi yang paling optimal adalah yang NPC-nya paling kecil, bukan COE. NPC (Net Present Cost) merupakan nilai saat ini dari semua biaya yang muncul selama masa pakai dikurangi semua pendapatan yang diperoleh selama masa pakai sedangkan COE (Cost of Energy) merupakan biaya rata-rata per kWh dari energi listrik tergunakan yang dihasilkan oleh sistem.

Cash Flow Summary

Baterai memiliki nilai replacement karena sebelum masa proyek berakhir sudah harus diganti.  Baterai dan generator memiliki nilai sisa walau nilai sisa generator kecil sekali. Nilai sisa generator bergantung dari berapa lama jumlah pemakaian generator selama proyek berlangsung. Sementara itu nilai O & M merupakan penjumlahan dari fixed O &M cost dan denda polutan.

Cash Flow

Pengeluaran terbesar adalah pada awal project untuk membeli perangkat, kemudian pengeluaran rutin per tahun adalah biaya operasional. Sesuai data sheet baterai, pada tahun ke-12 terdapat pengeluaran untuk mengganti baterai. Pada tahun ke-15 terdapat pemasukan berupa nilai sisa dari generator dan baterai.

Electrical Summary

Produksi energi pada sistem ini didominasi oleh sel surya, hal ini dapat kita lihat dari warna kuning yang dominan setiap bulannya. Excess electricity atau kelebihan energi dari sistem ini adalah sebesar 0.152%, dengan kata lain energi listrik tak tergunakan yang dihasilkan oleh sistem adalah sebesar 0.152%. Semakin kecil nilai excess electricity, semakin bagus karena energi yang dihasilkan hampir semuanya tidak ada yang terbuang.

Hourly Data Plot

Gambar di atas menunjukkan bahwa listrik untuk BTS pada siang hari diberikan oleh sel surya, sedang pada malam hari diberikan oleh baterai, namun ketika sel surya tidak beroperasi dan baterai kekurangan energi, maka listrik untuk BTS diberikan oleh generator diesel.

Sesitivitas

HOMER merekomendasikan penggunaan PV/Generator/Baterai pada kondisi saat panas matahari 4.5kWh/m²/d – 5kWh/m²/d dan harga solar $1/L – $1.5/L. Warna dari grafik sensitivity sistem ini memang merah semua karena hanya ada 1 kombinasi yang baik. Bila kita menggunakan sumber energi laindalam 1 sistem seperti turbin angin dan geothermal, hasil dari grafik ini bisa saja berwarna-warni. Warna-warna tersebut akan menunjukkan kombinasi yang paling optimal pada saat-saat tertentu.

Dari data hasil optimasi yang paling optimal ketika intensitas matahari bernilai 4,82 dan harga Diesel bernilai 1,15, dapat diperoleh grafik-grafik antara kadar renewable fraction dengan berbagai faktor-faktor lain yang menjadi bahan pertimbangan dalam membangun sistem pembangkit energi bagi BTS.

Grafik Renewable Fraction Vs Biaya Kapital & Biaya Operasional

Semakin besar energi yang berasal dari sumber daya terbaharukan pada suatu sistem, semakin besar biaya awalnya, namun sebaliknya biaya operasinya semakin kecil.

Grafik Renewable Fraction Vs Waktu Operasional Genset

Semakin besar energi yang berasal dari sumber daya terbaharukan pada suatu sistem, semakin kecil waktu operasi generator diesel.

Grafik Renewable Fraction Vs Konsumsi Diesel

Semakin besar energi yang berasal dari sumber daya terbaharukan pada suatu sistem, semakin kecil konsumsi BBM-nya.

Grafik Renewable Fraction Vs Emisi

Semakin besar energi yang berasal dari sumber daya terbaharukan pada suatu sistem, semakin kecil emisinya.

Kesimpulan

1. Sistem tenaga listrik yang paling optimal pada lokasi yang ditentukan adalah dengan menggunakan Sel Surya, Generator dan Baterai dengan pemilihan konfigurasi yang mampu menghasilkan  NPC terendah.
2. Sumber daya angin kurang optimal untuk digunakan sebagai pembangkit energi bagi BTS di Kuantan.
3. Semakin besar energi yang berasal dari sumber daya terbaharukan pada suatu sistem, semakin besar biaya awalnya, namun sebaliknya biaya operasinya semakin kecil.
4. Penggunaan sumber daya terbaharukan dapat mengurangi konsumsi dan biaya BBM (Solar).
5. Penggunaan sumber daya terbaharukan dalam suatu sistem sumber listrik BTS dapat menjadikan industri telekomunikasi sebagai industri yang lebih ramah lingkungan.

Saran

1. Pemerintah harus konsisten dan memiliki itikad yang kuat terhadap masterplan penggunaan energi terbarukan dengan melaksanakan dengan sungguh-sungguh pengurangan energi fosil secara bertahap di semua bidang  termasuk di dalamnya sektor telekomunikasi.
2. Menambahkan permen atau perpres pada UU ketenagalistrikan No. 30 Tahun 2009, tentang adanya insentif bagi pelaku usaha yang menggunakan energi baru terbarukan.
3. Perlu adanya standar perangkat, terutama sistem RF yang hemat energi dengan batasan power consumption yang memungkinkan optimalnya penggunaan energi hijau. Aturan tersebut akan berlaku untuk beberapa tahun ke depan secara bertahap dan berkoordinasi dengan instansi terkait serta memberikan ruang bagi operator dan penyedia perangkat untuk dapat menyesuaikan.
4. Menggalakan penggunaan BTS outdoor yang hemat energi dan tanpa penggunaan air conditioner.
5. Memajukan penelitian dan pengembangan sumber energi alternatif yang sesuai dengan topologi wilayah di Indonesia seperti pemetaan sumber energi alternatif dan kemandirian sumber daya energi.

Referensi

Electricity Generation and Environmental Externalities: Case Studies. (1995). Energy Information Administration Office of Coal, Nuclear, Electric and Alternate Fuels Coal and Electric Analysis Branch U.S. Department of Energy

http://eosweb.larc.nasa.gov

http://maps.google.com

http://niagajaya.com

Home

http://www.bphmigas.go.id/

http://www.ems.im/

Home

Home

http://www.nrel.gov/homer/

http://www.solarelectricsupply.com

http://www.solaronline.com.au

http://www.wholesalesolar.com