Sistem PLTS Off-grid

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Salah satu sistem pemasangan pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) adalah off-grid. Sistem ini merupakan sistem yang tidak tersambungkan dengan grid atau jaringan listrik PLN (khusus di Indonesia). Oleh karena itu, baterai sebagai perangkat penyimpan energi menjadi sangat penting di sistem ini. Hal ini dikarenakan sistem PLTS hanya memproduksi listrik pada saat siang hari (saat sinar matahari tersedia). Akibatnya, pada malam hari listrik perlu disediakan dari perangkat lain, yaitu baterai yang sudah terisi saat siang hari.

Untuk lebih jelasnya, skema dari sistem PLTS off-grid dapat di lihat pada gambar di bawah ini:

Modul PV mengkonvesikan radiasi matahari menjadi energi listrik searah (DC). Listrik ini kemudian diatur oleh solar charge controller sesuai dengan kondisi. Jika listrik berlebih, maka kelebihan listrik akan disimpan dibaterai. Sebaliknya jika produksi listrik tidak mencukupi untuk beban, maka kekurangannya disediakan oleh baterai. Karena listrik dari sistem PLTS adalah listrik serah, maka untuk memasok listrik AC, maka dibutuhkan inverter.

Pada saat keadaan produksi listrik tidak mencukupi kebutuan dan listrik yang tersimpan dalam baterai pun kosong, maka kekurangan listrik tidak bisa terhindarkan atau dalam bahasa sehari-hari disebut mati listrik.

Bagaimana mengestimasikan berapa lama baterai dapat dipakai?

Baterai saat ini menjadi salah satu teknologi yang sangat dibutuhkan, terutama pada kendaran  listrik dan sistem pembangkit listrik tenaga surya sebagai media penyimpan energi. Pada kendaraan listrik baterai berfungsi sebagai penyuplai energi untuk menggerakkan motor. Baterai ini dapat diisi (charge) pada saat kendaraan listrik sedang tidak digunakan. Sedangkan pada PLTS, baterai sangat dibutuhkan, terutama sistem off-grid yang tidak tersambungkan dengan sumber listrik lain yang lebih handal. Pada saat listrik yang dihasilkan oleh solar panel berlebih di siang hari yang terik, maka kelebihan listrik ini akan disimpan pada baterai, yang kemudian akan digunakan saat solar PV tidak menghasilkan cukup listrik untuk kebutuhan pengguna.

Secara pemakaiannya, ada dua macam baterai: baterai primer dan baterai sekunder. Kedua baterai ini memiliki keunggulan dan kelemahan masing-masing. Baterai primer memiliki kerapatan energi yang lebih besar namun tidak dapat dicharge kembali. Sedangkan baterai sekunder memiliki kerapatan energi yang lebih rendah, namun dapat dicharge kembali.

Baik dalam bidang kendaraan listrik dan sistem PLTS, baterai dapat dikatakan sebagai salah satu komponen termahal dan berumur relatif pendek. Akibatnya baterai ini mengalami kerusakan maka biasanya menjadi mahal. Peratanyaannya adalah: Berapa sih umur baterai?

Penentuan berapa lama umur baterai sering kali tidak dibahas dalam satuan waktu seperti jam dan tahun. Namun, umur baterai sering kali ditunjukkan dalam satuan cycle (siklus). Cycle dalam baterai didefinisikan sebagai satu kali digunakan (discharge) dan diisi (charge).  Untuk lebih jelasnya bisa dilihat gambar grafik untuk baterai jenis LifePo4 berikut ini.

Gambar 1. Pengaruh DoD terhadap siklus baterai

Sumber gambar: https://batteryfinds.com/does-lifepo4-battery-cycle-life-matter/

Dalam gambar di atas terdapat beberapa variable antara lain capacity, cycle life, Dan DoD. Capacity menunjukkan kapasitas baterai, 100 % capacity menunjukkan bahwa kapasitas yang dapat digunakan. Cycle life menunjukkan jumlah siklus baterai, yaitu charge (diisi) dan discharge (digunakan). Sedangkan DoD merupakan singkatan dari depth of discharge, yaitu banyak energi yang digunakan baterai dalam setiap siklusnya. Misal, 80% DoD berarti pemakaian baterai tersebut hingga 80% kapasitas baterai.

Gambar diatas adalah contoh grafik pengaruh DoD sebuah baterai terhadap jumlah siklus. Sebagai contoh jika seseorang menggunakkan baterai ini hingga DoD 80% maka setelah sekitar 4500 siklus, baterai tersebut sudah mengalami perunuran performansi sehingga hanya dapat digunakan 80% Dari kapasitas semula. Dengan cara ini, maka umur pemakaian baterai dapat diestimasikan dengan lebih mudah. 

Setiap produk baterai seharusnya memiliki grafik yang diterbitkan oleh produsen baterai atau lembaga pengujian yang memiliki kompetensi yang terkait. Atau setidaknya jenis baterai, contoh Li-Ion, LifePo4, atau VRLA, memiliki karakteristik yang berbeda.

(Tri Ayodha Ajiwiguna)

Kalkulator PLTS On-grid

Membangun solar panel (PLTS) di rumah, apakah menguntungkan?

Kali ini kita akan bahas seberapa menguntungkan jika kita menggunakan solar panel di rumah kita. Setidaknya ada dua jenis pemasangan sistem solar panel, yaitu: on-grid dan off-grid. Untuk perbedaaan antara keduanya bisa di sini: PLTS on grid dan off grid

Jika lokasi rumah kita sudah terjangkau listrik PLN, maka saat ini sistem off-grid bukanlah pilihan yang menguntungkan. Oleh karena itu yang kita bahas sekarang adalah sistem on-grid dengan memanfaatkan sistem ekspor impor listrik dengan PLN.

Untuk memudahkan analisis investasi solar panel ini, mari kita bahas contoh kasus saja. Saya akan coba gunakan asumsi senyata mungkin di tahun 2021 ini. Misalnya si Panjul ingin memansang solar panel dengan sistem on-grid dan export-import di rumahnya yaitu di Jakarta. Panjul saat ini berlangganan listrik dari PLN dengan 2200 W. Tagihan listrik perbulannya rata-rata 500 ribu rupiah. Kondisi tersebut adalah sebelum dipasang solar panel. Untuk detil perhitungan selanjtnya dapat dilihat gambar di bawah ini:

Kapasitas panel surya yang dipasang memiliki daya puncak 1800 Wp. Total pengeluaran biaya pemasangan sistem solar panel on-grid ini adalah sekitar 28.1 juta. Biaya ini sudah termasuk biaya solar panel, sertifikat laik operasi, dan administrasi lainnya. Beberapa asumsi yang saya gunakan untuk estimasi ini: peak sun hour sebesar 4.5 jam/hari dan rugi-rugi (kabel dan inverter) sebesar 14%. Perlu diketahui bahwa tidak semua listrik yang dihasilkan oleh solar panel in diekspor ke PLN, tapi yang diekspor adalah kelebihan listrik. Contohnya pada siang hari saat terik, listrik yang dihasilkan oleh sistem solar panel adalah 1500 W, tetapi yang dikonsumsi hanya 1000 W. Artinya ada kelebihan 500 W, nah inilah yang diekspor ke PLN. Untuk penyederhanaan perhitungan, saya asumskan 70 %dari listrik yang dihasilkan digunakan untuk keperluan sendiri dan sisanya (30%) diekspor ke PLN. Oleh karena itu besarnya faktor ekspor ini diasumiskan dengan nilai tersebut.

Dengan asumsi sepert ini, maka Panjul dapat memproduksi listrik sebesar 2543 kWh per tahun. Sebagian besarnya (70%) digunakan untuk keperluan di rumah dan sisanya (30%) diekspor ke PLN. Jumlah listrik yang diekspor sebenarnya mencapai 763 kWh per tahunnya, namun yang diakui oleh PLN hanya 65% saja yaitu sekitar 496 kWh per tahunnya. Oleh karena itu, Panjul hanya membayar tagihan listrik sekitar 2.7 juta setiap tahunnya (yang tadinya 6 juta per tahun). Artinya ada penghematan biaya tagihan listrik sebensar sekitar 3.3 juta rupiah per tahun. Di sisi lain, Panjul juga ingin PLTSnya terawat dengan baik sehingga Panjul mengeluarkan biaya perawatan sebesar 630 ribu rupiah pertahunnya. Jadi penghematan bersih yang panjul dapatkan adalah sekitar 2.6 juta per tahun. Jika dihitung-hitung, sistem PLTS panjul akan mendapatkan break even point (BEP) di sekitar tahun ke 10. Jika sistem ini dapat dimanfaatkan hingga sampai 20 tahun maka keuntungan bersih Panjul total mecapai 22 juta rupiah. Kalau bisa sampai 25 tahun maka keuntungan Panjul mecapai 38 juta.

Sebenarnya kita bisa mendapatkan keuntungan lebih jika kita tidak mengekspor listrik ke PLN, kenapa? Karena saat ini listrik yang kita ekspor hanya diakui 65% nya saja. Jadi semakin sedikit listrik yang diekspor maka kita sebenarnya lebih untung. Namun, kita harus jeli dalam menentukan kapasitas PLTS yang di pasang. Untuk menghindari ekspor listrik ke PLN, kita perlu memperhitungkan agar listrik yang dihasilkan oleh sistem PLTS tidak pernah melebihi konsumsi listrik kita. Dengan cara seperti ini maka tidak ada produksi listrik yang dibuang.

(Tri Ayodha Ajiwiguna)

Penyulingan air laut dengan tenaga matahari (Solar Still)

Solar Still adalah salah satu perangkat yang memanfaatkan energi matahari untuk penyulingan air laut. Seperti yang kita ketahui bahwa air laut mengandung mineral garam sehingga rasanya asin dan tidak dapat digunakan untuk berbagai macam keperluan manusia seperti minum, mencuci, irigasi, dan lain-lain. Penyulingan (distilasi) air laut membutuhkan energi kalor untuk menguapkan air laut. Uap air yang dihasilkan adalah air murni (tanpa kandungan garam) yang berwujud uap. Jika uap ini diembunkan (kondensasi), maka didapatkanlah air tawar.

Gambar dibawah ini adalah skematik dari Solar Still. Perangkat ini terdiri dari atap berupa kaca sehingga memungkinakan radiasi matahari masuk ke dalam ruang perangkat. Radiasi matahari ini akan diserap oleh air asin (air laut) yang berada di bawah. Karena menerima radiasi termal dari matahari, maka temperatur air asin ini meningkat dan terjadilah penguapan. Uap air yang dihasilkan ini, akan bergerak ke atas hingga menyentuh permukaan dalam kaca. Temperatur kaca lebih rendah dibandingkan uap air yang dihasilkan dari penguapan air laut. Akibatnya terjadi pendinginan dari uap air ini sehingga terjadi pegembunan di permukaan kaca. Kaca in dirancang memiliki kemiringan tertentu sehingga embun air yang menempel di permukaan dalam kaca dapat bergerak turun karena gravitasi sepanjang kaca. Akhirnya embun air ini sampai ke ujung bawah kaca dan dikumpukna di sebuah wadah. Air dalam wadah inilah menjadi tempat air tawar yang diproduksi oleh sistem ini.

Perangkat ini dapat sangat bermanfaat untuk diterapkan di pulau-pulau kecil di mana sumber air tawarnya sangat terbatas. Solar still jenis ini pertama kali dibangun dengan kapasitas besar pada tahun 1872 oleh seorang insinyur berkebangsaan Swedia bernama Charles Wilson. Fasilitas ini dibangun di bagian utara Chile. Di saat musim panas, perangkat solar still ini dapat menghasilkan sekitar 4.9 kg air per hari untuk setiap meter perseginya. Fasilitas ini dibangun dengan total luas kaca 4450 m²  dan dapat menghasilkan 22.7 m³ air tawar setiap harinya. Sayangnya, fasiliats ini sudah tidak beroperasi sejak 1912.

(Tri Ayodha Ajiwiguna)

Membangun sistem PLTS sendiri efektifkah? Mungkinah kita tidak menggunakan PLN?

Untuk menilai sistem PLTS, saya akan coba gunakan BEP (break even point). Pertama setidaknya ada dua macam cara instalasi solar panel yaitu offgrid dan ongrid. Bedanya apa?

Gambar dari: jensysenergy.com

Kalo ongrid, kita masih pake PLN, artinya saat solar panel kita tidak dapat memenuhi kebutuhan listrik kita (contoh saat mendung atau malam hari), maka kita gunakan PLN sebagai back up. Karena ada backup dari PLN maka, sistem ongrid ini tidak perlu baterai. Dengan menggunakan solar panel ongrid, kita bisa mendapatkan penghematan tagihan listrik PLN. Dengan perhitungan kasar, BEP memasang solar paling cepat adalah sekitar 7–8 tahun.

Kalo offgrid, sistem solar panel terpisah dengan jaringan PLN. Artinya kita butuh baterai untuk mangatur energi listrik yang dihasilkan oleh solar panel.Saat energi listrik yang dihasilkan lebih tinggi dari pada yang dikonsumsi, maka kelebhan listrik tersebut disimpan di baterai. Begitu pula sebaliknya, energi listrik dari baterai digunakan saat malam hari. Dengan menggunakan sistem offgrid, kita tidak perlu lagi menggunakan PLN. Lalu berapa lama BEPnya? sayang sekali, untuk saat ini sistem offgrid tidak akan mencapai BEP selamanya. Kanapa? karena jika dihitung-hitung, harga produksi listrik sistem offgrid lebih mahal dibandingkan dengan harga listrik PLN. Kok bisa mahal? Hal ini dikarenakan harga baterai masih mahal saat ini. Kapasitas baterai yang didesain untuk sistem offgrid biasanya 3–4 hari autonomi. Misal kebutuhan perhari anda 50 Wh, maka kebutuhan kapasitas baterainya 150–200 Wh. Anda bisa survey sendiri harga baterai untuk kapasitas sebesae itu. Ditambah lagi, umur baterai itu pendek, 4 tahun saja sudah bagus. Artinya setiap 4 tahun kita harus ganti baterai baru.

Lalu apakah sistem off grid tidak efektif? Jawaban untuk saat ini Ya dan Tidak. Jika diterapkan di lokasi yang sudah terhubung dengan jaringan listrik, maka sistem offgrid tidak efektif. Tapi jika kita terapkan di daerah yang belum terhubung PLN (seperti pulau-pulau kecil atau daerah terpencil), maka sistem offgrid ini efektif. Hal ini dikarenakan untuk membangun infratruktur listrik ke PLN tidaklah mudah di daerah tesebut.

Apakah di kemudian hari hal ini bisa membuat kita meninggalkan produk/jasa dari penyedia listrik resmi?

Untuk ongrid, tidak bisa. Kan kita memang menggunakan PLN sebagai backup.

Untuk offgrid, bisa. Tapi untuk sekarang jatuhnya lebih mahal. Namun, di kemudian hari bukan tidak mungkin menjadi lebih murah. Yaitu saat harga baterai sudah murah dan umurnya juga lebih panjang. Para peneliti sedang berusaha untuk hal ini.

Berikut link jika tertarik mempelajari solar panel dan energu terbarukan:

Energi Terbarukan

Menghitung kebutuhan solar panel dan baterai untuk sistem off grid

Perbedaan off grid dan on grid pada solar panel

(Tri Ayodha Ajiwiguna)

Baterai dan spesifikasinya

 Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Baterai adalah salah satu perangkat penyimpan energi listrik. Saat ini penggunaan baterai dapat ditemui di berbagai bidang, dari mainan anak-anak, telepon genggam, mobil listrik, dan juga sistem solar panel. Baterai setidaknya dapat dikelompokkan menjad dua yaitu baterai primer dan baterai sekunder. Baterai primer adalah baterai yang tidak dapat direcharge. Artinya begitu energi listrik di dalam baterai habis terpakai maka baterai tersebut tidak dapat digunakan sebagai penyimpan energi listrik kembali. Baterai sekunder adalah baterai yang dapat di recharge kembali. Pemakaian baterai harus disesuaikan dengan aplikasinya, oleh karena itu saat mendesain suatu sistem yang menggunakan baterai perlu diperhatikan beberapa spesifikasi penting dari sebuh baterai.

Tegangan (Voltage)

Tegangan baterai ditunjukkan dengan satuan Volt (V). Hal ini menunjukkan beda potensial listrik antara kedua kutub baterai dalam kondisi normal.

Kapasitas

Kapasitas baterai menunjukkan banyaknya energi listrik yang dapat disimpan dalam baterai tersebut. Kapasitas baterai biasanya ditunjukkan dengan satuan Wh, kWh, Ah, atau mAH. Sebagai contoh baterai yang memiliki kapasitas 100 Ah berarti dapat digunakan untuk mengalirkan arus sebesar 100 A selama jam. Hal ini dapat juga diartikan bahwa baterai dapat digunakan untuk mengalirkan arus sebesar 50 A selama 2 jam, atau 10 A selama 10 jam, dst.

Jika dikalikan antara Ah dengan tegangan maka dihasilkan Wh. Sebagai contoh baterai yang memiliki spesifikasi 12 V, 100 Ah maka baterai ini memiliki kapasitas sebesar 1200 Wh atau 1.2 kWh.

Hambatan dalam (Internal resistance)

Hambatan dalam adalah hambatan listrik yang dimiliki oleh baterai. Dalam rangkain listrik biasanya baterai dimodelkan sebagai sebuah sumber tegangan DC dan hambatan dalam satu simbol.

State of Charge (SOC)

SOC adalah keadaan yang menunjukkan seberapa banyak energi yang tersimpan dalam baterai. Berbeda dengan kapasitas yang menunjukkan banyaknya energi listrik maximum yang dapat disimpan, SOC menujukkan keadaan pada saat tertentu. Misalnya SOC suatu baterai saat ini adalah 50% sedangkan kapasitasnya dalah 100 Ah, hal ini berarti dalam baterai terseut saat ini menyimpan energi sebesar 50 Ah.

Depth of Discharge (DoD)

DoD menunjukkan persentase dari kapasitas baterai yang sudah dipakai. Misal DoD sebuah baterai yang memiliki kapasitas 100 Ah adalah 80% maka baterai ini sudah dipakai sebesar 80 Ah atau dengan kata lain masih tersedia 20 Ah. Perlu diketahui bahwa tidak semua baterai dapat dipakai dengan baik hingga energinya habis (SOC 0%). Baterai yang dapat digunakan hingga DoDnya 80% dapat dikatakan sebagai deep cycle batterai

Data Cuaca (TMY)

Saat memperkirakan energi listrik yang dihasilkan oleh sistem solar panel, maka data cuaca khususnya radiasi matahari dan temperatur sangat diperlukan. Salah satu data cuaca yang bisa digunakan adalah typical meteorological years (TMY).  Apa itu data cuaca TMY?

TMY berisi kumpulan elemen data cuaca per jam untuk satu tahun penuh di suatu lokasi sehingga memiliki 8760 data set cuaca. Data TMY tidak berasal dari kumpulan data satu tahun saja, tapi dari bank data setidaknya dalam 12 tahun. Maksudnya apa?

Pada dasarnya cuaca di suatu lokasi tidak benar-benar sama setiap tahunnya. Sebagai contoh temperatur udara di Jakarta pada tanggal 1 Januari 2017 jam 12 siang tidak benar-benar sama dengan pada tahun 2018. Begitu pula dengan tahun-tahun lainnya. Oleh karena itu data diambil dari tahun yang diperkirakan dapat merepresentasikan data cuaca jangka panjang. Misalnya untuk bulan Januari s/d Maret menggunakan data cuaca tahun 2005, April s/d Juli mengunakan data cuaca 2010, dst. Oleh karenanya data TMY sangat cocok untuk memperhitungkan dan memperkirakan kinerja dari solar PV selama satu tahun penuh. Namun tidak cocok untuk memperkirakan kondisi terburuk atau terbaik dari cuaca selama satu tahun.

Bagaimana cara mendapatkan data TMY di lokasi yang kita inginkan?

Salah satu cara yang bisa Anda adalah dengan cek di website resmi national renewable energy laboratory di sini: https://nsrdb.nrel.gov/data-sets/archives.html

Bagaimana jika anda tidak dapat menemukan untuk lokasi yang anda inginkan?

Silakan hubungi kami via email di: thermolab.teknis@gmail.com

Kami menyediakan data cuaca di berbagai lokasi (termasuk di Indonesia). Anda dapat meminta jenis data apa yang anda butuhkan misal: Temperatur, radiasi matahari horizontal, Direct normal Irradiation, kecepatan angin, dan lain-lain. Kami juga bisa menyediakan data cuaca dengan interval waktu yang diperlukan seperti setiap jam (8760 data), setiap hari (365 data), setiap bulan (12 data), atau data tahunan (1 data).

Gambar dibawah adalah contoh plot sederhana data temperatur selama setahun untuk tiga tempat berbeda yaitu Bandung (Indonesia), Seoul (Korea Selatan), dan Scotts Peak Dam (Australia)

 

Keyword: Data cuaca, TMY, Solar energy, solar thermal, solar PV, Solar Panel