Oleh : Defan Faiz Adytama
PENDAHULUAN
Dalam menghadapi tantangan global seperti perubahan iklim dan keterbatasan sumber daya alam, kebutuhan akan solusi energi yang ramah lingkungan dan berkelanjutan semakin mendesak. Hybrid Renewable Energy Systems (HRES) yang mengintegrasikan berbagai sumber energi terbarukan, seperti panel surya dan turbin angin, menawarkan solusi potensial untuk memenuhi kebutuhan energi ini. Sistem HRES memungkinkan optimisasi produksi energi, meningkatkan efisiensi, serta stabilitas dan keandalan sistem energi (Rekioua 2020). Selain itu, HRES berperan penting dalam mengurangi emisi gas rumah kaca dan ketergantungan pada bahan bakar fosil, menjadikannya sangat relevan dalam konteks upaya global untuk memitigasi perubahan iklim (Ashraful Islam et al. 2024).
Meskipun HRES menawarkan berbagai manfaat, implementasinya dihadapkan pada sejumlah tantangan. Beberapa di antaranya meliputi fluktuasi beban, degradasi baterai, dan kebutuhan akan sistem kontrol yang kompleks. Selain itu, integrasi HRES dengan jaringan listrik yang ada juga menghadirkan kendala teknis dan sosio-ekonomi yang perlu diatasi (Jadallah, Er, and Abdulqader 2019). Oleh karena itu, ulasan literatur ini berfokus pada pengembangan solusi yang dapat meningkatkan efisiensi dan keandalan sistem HRES, dengan mempertimbangkan berbagai tantangan tersebut.
Ulasan ini bertujuan untuk mengembangkan strategi manajemen daya yang efisien untuk sistem HRES yang terintegrasi dengan HESS, serta mengevaluasi kelayakan dan kinerja sistem PV-Wind hybrid di berbagai kondisi geografis, khususnya di daerah pesisir. Tujuan lain dari ulasan ini termasuk mengoptimalkan keseimbangan produksi dan konsumsi energi untuk mencapai efisiensi maksimum, serta mengevaluasi dampak lingkungan dan ekonomi dari penerapan sistem energi terbarukan di daerah terpencil dan pesisir (Ashraful Islam et al. 2024), (Rekioua 2020).
Manfaat utama dari ulasan literatur ini meliputi peningkatan efisiensi energi dan stabilitas sistem melalui integrasi optimal berbagai sumber energi terbarukan, pengurangan emisi gas rumah kaca yang berkontribusi pada mitigasi perubahan iklim, dan pengembangan model HRES dan HESS yang dapat diimplementasikan di berbagai daerah dengan kondisi geografis serupa. Selain itu, ulasan ini bertujuan untuk menyediakan rekomendasi kebijakan yang mendukung implementasi luas energi terbarukan, yang bermanfaat bagi pembuat kebijakan dan pemangku kepentingan (Ashraful Islam et al. 2024), (Rekioua 2020).
Mengatasi tantangan utama dalam integrasi HRES dan HESS sangat penting untuk memastikan bahwa solusi energi terbarukan dapat diandalkan dan berkelanjutan. Selain itu, ulasan ini memberikan pemahaman yang lebih mendalam tentang dampak sosio-ekonomi dari penerapan sistem energi terbarukan di daerah pesisir. Hal ini memberikan wawasan berharga bagi pembuat kebijakan dan pemangku kepentingan dalam merencanakan dan mengimplementasikan proyek energi terbarukan. Dengan demikian, ulasan ini diharapkan dapat memberikan kontribusi signifikan dalam pengembangan sistem energi terbarukan yang lebih efisien dan berkelanjutan (Ashraful Islam et al. 2024), (Jadallah et al. 2019), (Nyemba et al. 2019).
ISI
1. Switching
Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa topologi sistem pengisian baterai melalui switching yang dikontrol menggunakan mikrokontroller, berdasarkan data dari sensor arus dan tegangan pada keluaran panel surya dan turbin angin, berhasil mengoptimalkan perolehan daya. Dalam proses pengisian baterai, tegangan yang dihasilkan baik dari turbin angin maupun panel surya akan ditentukan apakah melebihi tegangan sistem baterai. Jika tegangan melebihi tegangan baterai, rangkaian switch akan menutup sehingga baterai terisi, namun jika tegangan lebih rendah, saklar akan membuka. Sebagai contoh, ketika tegangan keluaran turbin angin lebih rendah dibandingkan tegangan baterai dan tegangan panel surya lebih tinggi dari baterai, hanya panel surya yang akan mengisi baterai. Jika kedua sumber memiliki tegangan lebih besar dari baterai, maka kedua sumber akan mengisi baterai, menjadikan perolehan daya optimal(Suprajitno 2022)
Sebelum penggabungan, panel surya menghasilkan daya rata-rata 42,33 watt dan turbin angin 43,07 watt. Setelah penggabungan menggunakan sistem switching, daya rata-rata meningkat menjadi 67,46 watt, menunjukkan peningkatan efisiensi sistem. Analisis ini menunjukkan bahwa metode switching efektif dalam memanfaatkan kedua sumber energi secara bersamaan, meningkatkan efisiensi pengisian daya. Penggunaan MOSFET sebagai saklar dalam sistem switching memberikan keuntungan seperti resistansi rendah saat kondisi on, kecepatan switching cepat, dan ukuran kecil, membuatnya cocok untuk aplikasi dengan ruang komponen minimal(Suprajitno 2022).
Penggunaan MOSFET dalam sistem switching memungkinkan pengembangan sistem energi terbarukan yang lebih efisien dan andal, menggabungkan keunggulan dari panel surya dan turbin angin untuk menyediakan daya yang optimal dan stabil. Penelitian ini mendukung implementasi sistem switching dalam aplikasi energi terbarukan untuk mencapai efisiensi yang lebih tinggi dan pemanfaatan sumber daya yang lebih efektif (Suprajitno 2022). Penelitian lain juga menunjukkan bahwa metode switching yang dikontrol oleh mikrokontroller dapat meningkatkan efisiensi pengisian daya dengan mengoptimalkan penggunaan sumber daya terbarukan secara simultan(Yousef et al. 2020).
2. Diffuser Turbin Angin
Studi ini mengevaluasi performa turbin angin yang dimodifikasi dengan menggunakan diffuser berbentuk kerucut, yang disebut Diffuser Augmented Wind Turbines (DAWT), serta sistem energi hibrida (HRES) yang menggabungkan energi angin dan surya untuk lampu jalan tenaga surya di Gweru, Zimbabwe. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penggunaan diffuser pada turbin angin meningkatkan output daya rata-rata sebesar 69,3%, memungkinkan pengurangan ukuran panel surya sebesar 15%, dan pengurangan kapasitas bank baterai sebesar 50%.
Analisis mendalam menunjukkan bahwa turbin angin dengan diffuser mampu mengekstraksi lebih banyak energi dari aliran angin dibandingkan dengan turbin tanpa diffuser. Peningkatan daya ini dihasilkan oleh perbedaan tekanan yang lebih besar antara bagian atas dan bawah diffuser, yang menghasilkan gaya angkat lebih besar pada rotor. Hal ini sesuai dengan hukum Biot-Savart yang menggabungkan kecepatan yang diinduksi pada bidang rotor, meningkatkan aliran massa yang mengalir melalui turbin. Penelitian lebih lanjut juga menunjukkan bahwa turbin angin dengan diffuser dapat meningkatkan produksi daya hingga 400% dibandingkan dengan turbin tanpa diffuser. Dengan menggunakan simulasi CFD, ditemukan bahwa diffuser dapat meningkatkan kecepatan aliran udara yang masuk ke turbin serta mengurangi tekanan di bagian belakang diffuser, yang berkontribusi pada peningkatan daya(Unser and Vasel-Be-Hagh 2020).
Peningkatan efisiensi yang signifikan dari turbin angin dengan diffuser menunjukkan potensi besar dalam aplikasi di daerah dengan kecepatan angin rendah, seperti di Zimbabwe. Dengan efisiensi konversi energi yang lebih tinggi, ukuran panel surya dan kapasitas bank baterai dapat dikurangi, menghasilkan sistem yang lebih ekonomis dan praktis untuk digunakan di daerah terpencil. Selain itu, penggabungan energi angin dan surya dalam sistem HRES menyediakan solusi yang lebih andal dan berkelanjutan untuk pembangkit listrik di daerah terpencil. Dengan kombinasi dua sumber energi terbarukan, sistem ini dapat memastikan suplai listrik yang stabil bahkan ketika salah satu sumber energi mengalami penurunan kinerja. Penelitian ini juga menyoroti pentingnya pemantauan dan pemeliharaan yang konstan untuk teknologi turbin angin, mengingat adanya bagian yang berputar yang memerlukan perhatian khusus. Implementasi teknologi ini di Zimbabwe diharapkan dapat mengatasi masalah pasokan listrik yang tidak menentu dan memenuhi kebutuhan pencahayaan jalan yang bersih dan ramah lingkungan(Nyemba et al. 2019).
3. PV-Bayu On-Grid
Studi ini menyelidiki kelayakan dan kinerja sistem energi hibrida PV-angin on-grid di Pantai Laut Patenga, Bangladesh. Data menunjukkan bahwa konfigurasi optimal sistem yang diusulkan, menggunakan perangkat lunak simulasi HOMER Pro, mencakup panel PV dengan kapasitas 630 kW dan 1.002 turbin angin RX-SV1 dengan kapasitas total 3.006 kW, yang dihubungkan ke jaringan listrik tanpa penyimpanan baterai. Hasil simulasi menunjukkan bahwa sistem ini mampu menghasilkan 4.604.591 kWh listrik per tahun dengan biaya energi yang diratakan (LCOE) sebesar $0,03 per kWh dan net present cost (NPC) sebesar $1,97 juta (Islam et al., 2024). Analisis lebih lanjut dilakukan menggunakan perangkat lunak PVsyst untuk memvalidasi hasil yang diperoleh dari HOMER Pro. Sistem PV yang diusulkan menunjukkan rasio kinerja (PR) sekitar 90%, menunjukkan efisiensi tinggi dalam menghasilkan listrik. Sistem PV menghasilkan 955.128 kWh per tahun, sedangkan turbin angin menghasilkan 3.649.463 kWh per tahun, yang menunjukkan potensi besar dari sumber daya terbarukan yang tersedia di Patenga (Ashraful Islam et al. 2024).
Penelitian lain menunjukkan bahwa sistem hibrida PV-angin dapat meningkatkan keandalan dan efisiensi energi. Dalam sebuah studi, performa sistem hibrida PV-angin untuk aplikasi pemompaan air menunjukkan peningkatan efisiensi dan stabilitas jaringan, serta penurunan kebutuhan perawatan(Jadallah et al. 2019). Evaluasi lebih lanjut dari sistem hibrida ini menegaskan bahwa kombinasi energi terbarukan dari PV dan angin sangat efektif dalam mengurangi ketergantungan pada bahan bakar fosil serta mengurangi emisi gas rumah kaca(Sawle, Gupta, and Bohre 2018).
Evaluasi ekonomi menunjukkan bahwa proyek ini sangat menguntungkan dengan internal rate of return (IRR) sebesar 20% dan return on investment (ROI) sebesar 15%. Periode pengembalian modal (payback period) yang diestimasi hanya 5 tahun menunjukkan daya tarik finansial yang tinggi bagi investor potensial. Selain itu, analisis sensitivitas menunjukkan bahwa sistem ini tetap ekonomis bahkan dalam skenario perubahan iklim yang buruk, yang mengindikasikan ketahanan dan fleksibilitas dari sistem yang diusulkan(Ashraful Islam et al. 2024).
Studi ini memberikan solusi yang signifikan terhadap tantangan energi yang dihadapi Bangladesh, khususnya di wilayah pesisir seperti Patenga. Dengan mengintegrasikan sumber energi surya dan angin, sistem ini tidak hanya mengurangi ketergantungan pada bahan bakar fosil tetapi juga meminimalkan emisi gas rumah kaca. Hasil simulasi menunjukkan bahwa sistem ini dapat mengurangi emisi CO2 sebesar 230.680 kg per tahun, SO2 sebesar 1.000 kg per tahun, dan NOx sebesar 489 kg per tahun dibandingkan dengan sistem jaringan konvensional (Islam et al., 2024). Namun, terdapat beberapa tantangan yang harus diatasi untuk implementasi sistem ini. Salah satunya adalah kendala geografis dan struktural yang diberlakukan oleh kedekatan dengan Bandara Internasional Shah Amanat. Solusi yang diusulkan adalah penggunaan turbin angin sumbu vertikal (VAWT) yang dapat dipasang lebih dekat ke tanah dan memiliki dampak visual dan lingkungan yang lebih rendah dibandingkan dengan turbin angin sumbu horizontal (HAWT). Pendekatan ini memungkinkan optimalisasi penggunaan lahan tanpa mengganggu operasi bandara(Ashraful Islam et al. 2024).
4. HOMER
Mengevaluasi kelayakan teknis dari sistem energi terbarukan hibrida (HRES) menggunakan perangkat lunak HOMER. Sistem ini dirancang untuk memenuhi kebutuhan energi dan produksi oksigen dalam budidaya ikan di sebuah bangunan perumahan di Manoka Island, Kamerun. Konfigurasi sistem meliputi panel surya, generator diesel, baterai, dan elektrolizer. Melalui simulasi dengan HOMER, penelitian ini berhasil mengoptimalkan konfigurasi sistem sehingga 96,31% energi berasal dari panel surya dan hanya 3,70% dari generator diesel, menunjukkan efisiensi tinggi dan emisi karbon yang rendah. Studi ini menekankan kemampuan HOMER dalam mengidentifikasi konfigurasi sistem yang paling efisien dan ekonomis untuk aplikasi spesifik ini(Mbasso et al. 2023).
Fokus penelitian ini adalah pada desain dan optimasi jaringan listrik hibrida yang mencakup kombinasi panel surya (PV), turbin angin, baterai, dan generator diesel. Metode optimasi yang diterapkan termasuk algoritma metaheuristik seperti swarm intelligence dan cuckoo search untuk menentukan ukuran optimal dari sistem. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pendekatan optimasi menggunakan HOMER dapat mengurangi biaya listrik dan emisi karbon secara signifikan dibandingkan dengan metode konvensional, memperlihatkan keunggulan HOMER dalam simulasi dan optimasi sistem energi terbarukan hibrida yang kompleks(Gusain, Nangia, and Tripathi 2024).
Penggunaan perangkat lunak HOMER dalam optimasi sistem energi terbarukan hibrida. Meskipun fokus aplikasinya berbeda, yakni pada budidaya ikan dalam jurnal pertama dan jaringan listrik hibrida dalam jurnal kedua, keduanya menunjukkan bahwa HOMER efektif dalam menentukan konfigurasi sistem yang optimal dari segi efisiensi energi dan biaya. Penggunaan HOMER memungkinkan peneliti untuk mensimulasikan berbagai skenario dan melakukan evaluasi ekonomi yang mendalam, sehingga menghasilkan sistem yang lebih efisien dan ramah lingkungan. Dengan demikian, kedua studi ini memperkuat argumen bahwa HOMER adalah alat yang sangat berguna dalam perencanaan dan optimasi sistem energi terbarukan hibrida(Gusain et al. 2024), (Mbasso et al. 2023)
Optimisasi sistem hybrid panel surya dan turbin angin untuk peningkatan efisiensi energi terbarukan menggunakan HOMER menekankan pentingnya simulasi dan evaluasi mendalam dalam menentukan konfigurasi sistem yang optimal. Dalam konteks ini, HOMER dapat menghasilkan sistem energi terbarukan yang lebih efisien dan ekonomis. Baik dalam aplikasi spesifik seperti budidaya ikan maupun dalam desain jaringan listrik hibrida secara umum, HOMER terbukti mampu mengoptimalkan berbagai komponen sistem untuk mencapai keseimbangan terbaik antara biaya, efisiensi, dan keandalan. Hal ini menunjukkan bahwa metode optimasi menggunakan HOMER tidak hanya relevan tetapi juga krusial dalam upaya meningkatkan efisiensi energi terbarukan secara keseluruhan
KESIMPULAN
Penelitian ini menunjukkan bahwa penggunaan Hybrid Renewable Energy Systems (HRES) yang mengintegrasikan berbagai sumber energi terbarukan seperti panel surya dan turbin angin, mampu meningkatkan efisiensi dan keandalan sistem energi. Metode switching yang dikontrol mikrokontroller, penggunaan diffuser pada turbin angin, serta optimasi sistem menggunakan perangkat lunak HOMER, masing-masing berkontribusi signifikan dalam mengoptimalkan produksi dan konsumsi energi. Penelitian ini juga menekankan bahwa penggabungan sumber energi terbarukan dapat mengurangi ketergantungan pada bahan bakar fosil, menurunkan emisi gas rumah kaca, serta memberikan solusi yang lebih ekonomis dan praktis, terutama untuk daerah terpencil. Oleh karena itu, pengembangan dan implementasi HRES yang efektif sangat penting dalam menghadapi tantangan global terkait perubahan iklim dan keberlanjutan sumber daya energi.
DAFTAR PUSTAKA
Ashraful Islam, Md., M. M. Naushad Ali, Abdulla Al Mamun, Molla Shahadat Hossain, Md. Hasan Maruf, and A. S. M. Shihavuddin. 2024. “Optimizing Energy Solutions: A Techno-Economic Analysis of Solar-Wind Hybrid Power Generation in the Coastal Regions of Bangladesh.” Energy Conversion and Management: X 22:100605. doi: 10.1016/j.ecmx.2024.100605.
Gusain, Chetan, Uma Nangia, and Madan Mohan Tripathi. 2024. “Optimal Sizing of Standalone Hybrid Renewable Energy System Based on Reliability Indicator: A Case Study.” Energy Conversion and Management 310:118490. doi: 10.1016/j.enconman.2024.118490.
Jadallah, A. A., Z. Er, and Z. A. Abdulqader. 2019. “Performance Analysis of a Hybrid Wind/Photovoltaic Power Generation System for Water Pumping.” International Journal of Environmental Science and Technology 16(9):5295–5304. doi: 10.1007/s13762-019-02458-5.
Mbasso, Wulfran Fendzi, Serge Raoul Dzonde Naoussi, Reagan Jean Jacques Molu, Kenfack Tsobze Saatong, and Salah Kamel. 2023. “Technical Assessment of a Stand-Alone Hybrid Renewable System for Energy and Oxygen Optimal Production for Fishes Farming in a Residential Building Using HOMER Pro.” Cleaner Engineering and Technology 17:100688. doi: 10.1016/j.clet.2023.100688.
Nyemba, Wilson R., Simon Chinguwa, Innocent Mushanguri, and Charles Mbohwa. 2019. “Optimization of the Design and Manufacture of a Solar-Wind Hybrid Street Light.” Procedia Manufacturing 35:285–90. doi: 10.1016/j.promfg.2019.05.041.
Rekioua, Djamila. 2020. Hybrid Renewable Energy Systems: Optimization and Power Management Control. Cham: Springer International Publishing.
Sawle, Yashwant, S. C. Gupta, and Aashish Kumar Bohre. 2018. “Review of Hybrid Renewable Energy Systems with Comparative Analysis of Off-Grid Hybrid System.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 81:2217–35. doi: 10.1016/j.rser.2017.06.033.
Suprajitno, Agus. 2022. “Optimasi Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Hybrid Energi Angin dan Surya Melalui Sistem Battery Charging Switching.” CYCLOTRON 5(1). doi: 10.30651/cl.v5i1.11281.
Unser, Logan, and Ahmad Vasel-Be-Hagh. 2020. “A Preliminary Evaluation on the Performance of Diffuser-Augmented Vertical Axis Wind Turbines.” Pp. 163–74 in Complementary Resources for Tomorrow, Springer Proceedings in Energy, edited by A. Vasel-Be-Hagh and D. S.-K. Ting. Cham: Springer International Publishing.
Yousef, Ali M., Mohamed Ebeed, Farag K. Abo-Elyousr, Ahmed Elnozohy, Moayed Mohamed, and Saad A. Mohamed Abdelwahab. 2020. “Optimization of PID Controller for Hybrid Renewable Energy System Using Adaptive Sine Cosine Algorithm.”
