Teknik Konservasi Energi Listrik

KONSERVASI ENERGI LISTRIK

§  Skenario Energi Di Masa Mendatang

Pemakaian listrik per kapita kadangkala  digunakan sebagai indik ator perkembangan suatu negara. Di negara yang sedang berkembang, industri merupakan pemakai  listrik terbesar dan sekitar 30 persen masyarakat belum dapat menikmati listrik.

Gambar 1: Penambahan pembangkitan
& investasi sampai tahun 2030

Badan Energi Internasional meramalkan skenario berikut untuk tahun 2030 (IEA, 2004):

? Akses  terhadap  listrik  di  negara  yang  sedang  berkembang  mencapai  78  persen  dari populasi penduduknya, dengan pemakaian rata-rata per kapitanya 2.136 kWh

? 1,4  milyar  penduduk  belum  akan  dapat  memiliki  akses  terhadap  listrik.  Investasi tambahan  diperlukan  sebesar   $665  milyar  untuk  mencapai  akses  100  persen  (lihat Gambar 1) dan memberikankan akses keuntungan bagi masyarakat rata-rata 526 kWh/kapita. Mula-mula setiap orang  hanya akan  mendapatkan akses penggunaan listrik sebagai substitusi bahan  bakar  tradisionil  ( LPG,  minyak tanah )  yang digunakan untuk menutupi kebutuhan dasar. Hampir seluruh pasokan tambahan akan diperlukan di Afrika (437 TWh)  dan Asia Selatan  (377  TWh),  atau  masing-masing  terdapat  peningkatan sebesar 25 persen dan 18 persen.

IEA/ Badan Energi Internasional merekomendasikan hal-hal berikut untuk menjamin akses terhadap listrik secara universal (IEA, 2004):

? Renovasi  dan  modernisasi  pembangkit  listrik  konvensional,  dan  sistim  jaringan  dan pendistribusian de ngan teknologi baru yang efisien dalam energi

? Manajemen dari sisi permintaan: adopsi dan pelaksanaan penggunaan teknologi yang efisien dalam energi.

? Menciptakan kepedulian diantara anggota pengguna energi untuk pelaksanaan pemantauan penghematan energi dan menerima teknologi baru bilamana tersedia.

§  Pembangkitan & Pendistribusian Listrik

Gambar 2 memperlihatkan bahwa hampir kebanyakan listrik dihasilkan oleh stasiun daya listrik yang   menggunakan bahan bakar fosil (batubara, gas, minyak) dan fasilitas nuklir yang menggunakan uranium.

 

Gambar 2. Pembangkitan listrik di dunia

Dikarenakan  kepedulian terhadap   lingkungan  dan keselamatan, dan akhir-akhir ini kepedulian terhadap keamanan  energi  sebagaimana  pasokan minyak  tergantung  pada   sedikit  negara, sumber  alternatif energi  masih  sedang digali. Energi terbarukan menyediakan 21 persen dari kebutuhan energi dunia, termasuk PLTA/ daya air  (20 persen), energi matahari, angin, panas bumi, biomasa, dan ombak (sekitar 1 persen namun makin berkembang).  Gambar 3 memperlihatkan gambaran sederhana mengenai sistim kelistrikan, yang dijelaskan dibawah ini.

Gambar 3. Pembangkitan, transmisi
dan distribusi daya listrik

Listrik umumnya dibangkitkan dengan pembangkit AC disebut “alternator”pada pembangkit daya termal, air atau nuklir pada 50 atau 60 siklus per detik.  Biasanya listrik dibangkitkan pada sekitar 9 hingga 13 KV di terminal pembangkitnya.  Daya yang dihasilkan oleh satu pembangkit (dikenal juga dengan istilah UNIT) berada pada kisaran 67,5 MW, 110 MW, 220 MW, 500 MW, dan ada juga yang mencapai 1000 MW atau lebih. Tingkat MW yang lebih tinggi lebih disukai karena lebih rendahnya pemakaian daya pembantu, biaya perawatan dan biaya operasi per MW yang dihasilkan.

Listrik harus dibangkitkan  hanya jika diperlukan, sebab listrik tidak dapat disimpan. Daya yang  dihasilkan  disalurkan  ke  pengguna  melalui  jaringan  transmisi  dan  dist ribusi,  yang terdiri dari trafo, jalur transmisi dan peralatan kontrol. Seluruh stasiun daya memiliki trafo pembangkit (GTs) yang meningkatkan tegangan menjadi tegangan ekstra tinggi (EHV, misal 132 KV, 220 KV, 400 KV)  sebelum d itransmisikan.  Mentransmisikan daya pada tegangan tinggi  mempunyai  keuntungan  dapat  mengurangi  kehilangan  selama  transmisi  dan dapat digunakan jalur transmisi  yang lebih kecil dan lebih ekonomis,  hal ini diperlihatkan  pada Tabel  1.  Kemudian,  pada  sub-stasiun  dipasang  trafo  penurun,  yang  akan  menurunkan tegangan untuk didistribusikanan ke pengguna industri, perdagangan dan pemukiman melalui jalur distribusi.

Tidak terdapat perbedaan antara jalur transmisi dan jalur distribusi kecuali tingkat tegangan dan kemampuan penanganan  daya nya. Jalur transmisi beroperasi pada EHV dan biasanya mampu mentransmisikan energi listrik dalam jumlah besar yang melintasi jarak yang sangat jauh.  Jalur  distribusi  membawa daya  dalam  jumlah  terbatas  pada  tegangan  lebih  rendah dengan jarak yang pendek.

Tabel 1. Keuntungan Transmisi Tegangan Tinggi

Alasan	Penjelasan	Keuntungan
Lebih sedikit terjadi penurunan tegangan	Penurunan       tegangan       pada     jalur transmisi /distribusi tergantung pada tahanan, reaksi dan panjang jalur, dan arus yang  terambil.  Untuk  jumlah daya  yang sama yang dialirkan, tegangan yang lebih tinggi menghasilkan arus terambil lebih rendah  dan   penurunan   tegangan   yang lebih rendah.	Pengaturan tegangan yang baik (perbedaan antara tegangan yang terkirim dan diterima sekecil mungkin ).
Lebih sedikit terjadi kehilangan daya	Daya  yang  hilang  pada  jalur  sebanding dengan hambatan (R) dan kuadrat arus (I), jadi  PLoss =  I2 R.  Tegangan   yang  lebih tinggi  menghasilkan    arus   yang   lebih rendah sehingga kehilangan daya lebih rendah.	Efisiensi transmisi tinggi
Konduktor lebih kecil	Tegangan yang lebih tinggi menghasilkan arus yang lebih rendah sehingga hanya diperlukan   konduktor   yang   lebih   kecil untuk mengalirkan arus.	Investasi dan Biaya pemasangan lebih sedikit
Contoh: Jika tegangan dari daya yang didistribusikan meningkat dari 11 kV ke 33 kV, maka penurunan tegangan dapat berkurang 1/3 dan kehilangan jalur akan lebih rendah dengan faktor 1/9, atau (1/3)2.

§   FASE LISTRIK

Terdapat satu karakteristik utama dari pasokan listrik AC yang memerlukan penjelasan: fase. Pada dasarnya pasokan listrik AC dibagi kedalam sirkuit satu fase  dan tiga fase. Sirkuit AC satu fase memiliki dua b uah kawat yang dihubungkan ke sumber listrik. Tidak seperti sirkuit DCyang arah arus listrik nya tidak berubah, maka dalam sirkuit AC arah arus berubah berkali- kali tiap detiknya tergantung pada frekuensi pasokan. Listrik 240 volt (V) yang dipasok ke rumah kita merupakan listrik AC satu fase dan memiliki dua buah kawat: ‘aktif’dan ‘netral’.

Jalur distribusi dapat terdiri dari empat jalur. Tiga jalur membawa listrik dari tiga sirkuit listrik, yang dibagi  menjadi  jalur  netral  yang umum  (tiga  jalur  aktif  dan satu jalur  netral). Sistim 3 fase memiliki  3  bentuk  gelombang (biasanya  membawa  daya)  yaitu  2/3  p  radian (120 derajat,1/3 siklus) untuk waktu tertentu. Gambar 4 menunjukan sistim satu siklus tiga fase, dari 0 hingga 360 derajat  (2 p radians), sepanjang  aksis  waktu.  Garis  yang  diplotkan menunjukan  keragaman  tegangan  sesaat  (atau arus) dalam waktu. Siklus ini akan berulang 50 atau 60 kali per detiknya tergantung pada frekuensi sistim dayanya. Warna garis menyatakan kode pewarnaan Amerika untuk sistim tiga fase: hitam =VL1 merah=VL2 biru=VL3.

Gambar 4. Sistim listrik 3 fase

Sistim  pasokan  tiga fase selanjutnya  dinyatakan  oleh hubungan bintang dan delta seperti ditunjukkan dalam Gambar 5 dan 6.

 

Gambar 5 dan 6. Hubungan bintang
dan delta pada sistem listrik

§   DAYA AKTIF DAN REAKTIF

Daya aktif, diukur dalam  kilowatt (kW),  merupakan  daya  nyata  (daya  poros, daya yang sebenarnya)  yang digunakan  oleh beban untuk melakukan  tugas tertentu. Terdapat beban tertentu  seperti motor, yang memerlukan  bentuk lain dari daya yang disebut  daya reaktif (kVAR)  untuk  membuat  medan  magnet.  Walaupun  daya  reaktif  merupakan  daya  yang tersendiri,  daya  ini  sebenarnya  merupakan  beban  (kebutuhan)  pada  suatu sistim  listrik. Utilitas harus membayar daya/ kebutuhan total seperti digambarkan dalam Gambar 7.

Gambar 7. Gambaran segitiga daya

Penjumlahan vektor daya aktif dan reaktif merupakan daya total (nyata), diukur dalam kVA (kilo Volts-Amperes). Daya ini merupakan daya yang dikirim oleh PLN ke pelanggan. Secara matematis hal ini dapat dinyatakan sebagai:

 

kVA =  (KW)2  + (KVAR)2

§   KOREKSI FAKTOR DAYA

Apakah yang disebut Faktor Daya?

Faktor daya  adalah perbandingan antara  daya aktif  (kW) dengan  daya  total  (kVA), atau kosinus sudut antara daya aktif dan total (cos φ). Daya reaktif yang tinggi akan meningkatkan sudut ini dan sebagai hasilnya faktor daya akan menjadi lebih rendah (Lihat Gambar 7).

Faktor daya selalu lebih kecil atau sama dengan satu. Secara teoritis, jika seluruh beban daya yang  dipasok  oleh  perusahaan  listrik  memiliki  faktor  daya  satu,  daya  maksimum  yang ditransfer setara dengan kapasitas sistim pendistribusian. Sehingga, dengan beban yang terinduksi dan jika faktor  daya  berkisar dari 0,2 hingga 0,3, kapasitas  jaringan  distribusi listrik menjadi tertekan. Jadi, daya reaktif (kVAR) harus serendah mungkin untuk keluaran kW yang sama dalam rangka meminimalkan kebutuhan daya total (kVA).

Kapasitor untuk Memperbaiki Faktor Daya

Faktor daya dapat diperbaik i dengan memasang kapasitor pengkoreksi  faktor  daya (lihat gambar 8 dan 9) pada sistim distribusi daya pabrik. kapasitor bertindak sebagai pembangkit daya reaktif dan oleh karenanya akan mengurangi jumlah daya reaktif, juga daya total yang dihasilkan oleh bagian utilitas.

 

Gambar 8. Kapasitor sebagai arus kVAR

Gambar 9. Capacitor Bank jenis film

Contoh

Sebuah  pabrik  kimia  memasang  sebuah trafo 1500 kVA.  Kebutuhan parik pada mulanya  1160  kVA  dengan  faktor  daya 0,70. Persentase pembebanan trafo sekitar 78   persen   (1160/1500   =   77.3   persen). Untuk memperbaiki faktor daya dan untuk mencegah denda oleh pemasok listrik, pabrik menambahkan sekitar 410 kVAr pada beban motor.  Hal ini meningkatkan faktor daya hingga 0,89, dan mengurangi kVA yang diperlukan menjadi 913, yang merupakan penjumlahan vektor kW dan kVAr.

Trafo 1500 kVA kemudian hanya berbeban 60 persen dari kapasitasnya. Sehingga pabrik akan dapat menambah beban pada trafonya dimasa mendatang.

Gambar : Penyelesaian Masalah

Keuntungan Perbaikan Faktor Daya dengan Penambahan Kapasitor

Keuntungan perbaikan faktor daya melalui pemasangan kapasitor adalah:

Bagi perusahaan:

?  Diperlukan hanya sekali investasi untuk pembelian dan pemasangan kapasitor dan tidak ada biaya terus menerus.

?  Mengurangi  biaya  listrik  bagi  perusahaan sebab  (a)  daya  reaktif  (kVAR)  tidak  lagi dipasok oleh perusahaan  utilitas sehingga kebutuhan total (kVA) berkurang dan (b) nilai denda yang dibayar jika beroperasi pada faktor daya rendah dapat dihindarkan.

?  Mengurangi kehilangan distribusi (kWh) dalam jaringan pabrik.

?  Tingkat tegangan pada beban akhir meningkat sehingga meningkatkan kinerja motor.

Bagi utilitas pemasok listrik

?  Komponen reaktif pada jaringan dan arus total pada sistim ujung akhir berkurang

?  Kehilangan daya I2R dalam sistim berkurang karena penurunan arus

?  Kemampuan kapasitas jaringan distribusi listrik meningkat, mengurangi kebutuhan untuk memasang kapasitas tambahan

§   MANAJEMEN BEBAN LISTRIK

Di tingkat makro, meningkatnya konsumsi listrik dan kecenderungan menurunnnya konsumsi listrik  selama  waktu  tertentu  pada  siang  hari  dapat  diatur  untuk  disesuaikan  dengan kebutuhan. Dengan mahalnya penambahan kapasitas dan hanya dapat dipasang dalam jangka waktu yang panjang (terutama jika plant daya yang baru harus dibangun), manajemen pembebanan yang lebih baik pada penggunaan akhir dapat membantu meminimalkan kebutuhan puncak pada infrastruktur utilitas dan memperbaiki penggunaan kapasitas pembangkit listrik. Beberapa teknik yang efektif untuk manajemen pembebanan diberikan dalam Tabel 2.

Ta bel 2: Strategi Manajemen Beban Puncak

Menggeser Beban Proses yang Tidak Kritis dan Tidak Kontinyu ke waktu bukan Beban Puncak	Penjadwalan ulang beban listrik yang besar dan pengoperasian peralatan, pada shift kerja yang ada dapat direncanakan dan diterapkan untuk meminimalkan permintaan maksimum secara bersamaan. Untuk maksud ini, disarankan untuk mempers iapkan diagram alir operasi dan diagram proses. Menganalisa diagram tersebut dengan pendekatan yang terintegrasi, memungkinkan untuk melakukan penjadwalan ulang operasi peralatan dengan berbagai cara untuk memperbaiki faktor beban yang pada gilirannya akan menurunkan permintaan maksimum.
Membuang Beban yang Tidak Penting selama Waktu Beban Puncak	Bila  permintaan  maksimum  cenderung  mencapai  batas  yang  sudah ditentukan, pembuangan beberapa beban yang tidak perlu untuk sementara waktu dapat menolong mengurangi beban. Dapat juga dipasang sistim pemantauan langsung, yang akan mematikan beban yang tidak perlu bila batas permintaan yang ditentukan telah tercapai. Sistim yang sederhana adalah dengan membunyikan alarm, kemudian beban dibuang secara manual. Sistim pengendali mikroprosesor yang canggih juga   tersedia,   yang   memberikan  opsi   pembuangan   beban   secara otomatis.
Mengoperasikan Pembangkitan di tempat atau Penggunaan Pembangkit Diesel selama Waktu Beban Puncak	Jika digunakan pembangkit diesel (DG) untuk melengkapi daya yang dipasok oleh utilitas listrik, disarankan untuk menggunakan DG untuk waktu beban puncak. Hal ini akan mengurangi permintaan beban menuju tingkat yang dapat dipertimbangkan dan meminimalkan biaya tagihan.
Mengoperasikan unit AC selama waktu bukan beban puncak dan menggunakan penampung termis dingin	Memungkinkan untuk  mengurangi permintaan maksimum dengan cara membangun tempat  penyimpanan produk/  bahan,  air,  air  dingin/  air panas, yang dioperasikan selama waktu beban rendah. Operasi pada waktu beban rendah dapat menolong dalam menghemat energi dikarenakan kondisi yang baik seperti suhu luar yang lebih rendah dll.
Pemasangan Peralatan Pengkoreksi Faktor Daya	Permintaan  maksimum  dapat  juga   dikurangi  pada   pabrik  dengan menggunakan bank kapasitor dan menjaga faktor  daya optimal. Si stim tersebut menyala - matikan bank kapasitor untuk mencapai faktor  daya yang dikehendaki pada suatu sistim  sehingga dapat mengoptimalkan permintaan maksimum.

Suatu penyajian dari permintaan beban oleh pemakai terhadap waktu dikenal dengan  nama ‘Kurva Beban’. Jika permintaan beban diplotkan untuk 24 jam pada satu hari, dikenal dengan istilah ‘Kurva Beban Jam-an’ (lihat Gambar 10) dan jika permintaan harian diplotkan untuk selama satu bulan, disebut ‘Kurva Beban Harian’. Kurva beban berguna dalam memperkirakan pola permintaan daya rendah yang tinggi untuk bagian pabrik, pabrik keseluruhan, distribusi, dll.

Gambar 10. Kurva beban harian industri rekayasa