## Jurnal Arus Elektro Indonesia (JAEI)

## DESAIN SISTEM PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA HYBRID MICROHYDRO PV ARRAY (STUDI KASUS DUSUN SADAP BANGKA TENGAH)

## Rizki Malindo@Akie Iskandar
akieiskandar93@gmail.com
Teknik Elektro, Universitas Bangka Belitung, Pangkalpinang, Indonesia

## Wahri Sunanda

## wahrisunanda@gmail.com
Teknik Elektro, Universitas Bangka Belitung, Pangkalpinang, Indonesia
Rika Favoria Gusa

## rika_favoria@yahoo.com
Teknik Elektro, Universitas Bangka
Belitung, Pangkalpinang, Indonesia

## Abstrak
Untuk  melayani  kebutuhan  listrik,  penduduk  dusun  Sadap mengandalkan  PLTMH  berukuran  40  kW  yang  dibangun  dengan dana APBN pada tahun 2007. Daya rata-rata perhari dusun Sadap adalah  sebesar  722,78  Watt/kepala  keluarga.Dari  analisis  yang telah dilakukan, hasil pemodelan untuk sistem dengan beban listrik harian sebesar 130.1 kWh dengan NPC terendah berdasarkan hasil simulasi  adalah  sebagai  berikut:  1  unit  mikrohidro  dengan kapasitas 19 kW, photovoltaic array dengan total kapasitas 4 kW, 48 unit baterai 12 Volt 83,3 Ah, dan 6 kW bidirectional converter. Kontribusi  energi  listrik  yang  diproduksi  mikrohidro  sebesar 155.775  kWh/yr  atau  sekitar  96.78%  dan  energi  listrik  yang diproduksi  oleh photovoltaic  array adalah  sebesar  5.179  kWh/yr atau  sekitar  3.22%,  sehingga  dengan  kontribusi  total  kedua pembangkit  ketika  100%  adalah  sebesar  160.954  kWh/yr. Konfigurasi  pembangkit  listrik  tenaga  hibrid  ditetapkan  sebagai yang  paling  optimal  berdasarkan  nilai total NPC  terendah  yaitu sebesar  Rp  938.310.656,00  dan levelized COE  sebesar  Rp 1.528,500/kWh  dengan initial  capital yang  diperlukan  untuk merealisasikan  sistem  pembangkit  listrik hybrid ini  sebesar  Rp 403.968.000,00.
Kata  Kunci  :  pembangkit  listrik  tenaga  hibrid ,  m ikrohidro, photovoltaic array.

## Abstract
To  serve  the  needs  of  electricity,  villagers  rely  on  microhydro renewable energy with 40kW capacity, which was built with APBN budget funds in 2007. Average powerper day of Sadap mounted to 722.78  Watts/KK.  From  the  analysis  that  has  been  done,  the results  of  modeling  for  system  with  daily  load  of  130.1kWh  with the  lowest  NPC  based  on  simulation  results  are  as  follows:1 microhydro  power  unit  19kW,  photovoltaic  array  with  a  total capacity of 4kW, 48 units of 12 Volt 83.3 Ah battery ,and 6kW of bidirectional  converter.  Contribution  of  microhydro  electric energy  produced  amounted  to  155.775kWh/yr,  or  about  96,78% and  the  electrical  energy  produced  by  the  photovoltaic  array  is equal  to  5.179kWh/yr,  or  about  3,22%,  so  that  the  total contribution of both plants when 100% is equal to 160.954kWh/yr. The  configuration  is  set  as  the  most  optimal  based  on  the  lowest NPC  total  is  Rp.938.310.656,00  and  levelized  COE
isRp1.528,500/kWh  with  an  initial  capital  required  for  the realization  of  this  hybrid  power  generation  system  is Rp.403.968.000,00.
Keywords: hybrid power plants, microhydro, photovoltaic array.

## I. PENDAHULUAN
Sadap  adalah  dusun  yang  berada  di  desa  Perlang, kecamatan  Lubuk  Besar,  kabupaten  Bangka  Tengah, provinsi  Kepulauan  Bangka  Belitung,  Indonesia.  Secara geografis,  dusun  Sadap  terletak  antara  2 o 36’04”  – 2 o 36’47”LS dan 106 o 30’53” – 106 o 31’29”BT. Dusun Sadap memiliki  luas  ±2.155,77  km 2 yang  memiliki  sekitar  180 kepala keluarga dan mayoritasnya adalah petani dan buruh. Sumber  air  di  dusun  Sadap  dengan  ketinggian  berkisar  50 meter  dpl  (di  atas  permukaan  laut)  sangat  cocok  dengan PLTMH  yang  telah  dibangun  di  desa  Sadap  ini  dengan ketinggian  lokasi  PLTMH  adalah  70  meter  dpl.  Untuk melayani  kebutuhan  listrik,  penduduk  dusun  Sadap mengandalkan PLTMH berukuran 40 kW beroperasi selama 24  jam,  yang  mana  dibangun  dengan  dana  APBN  pada tahun  2007  .  Konsumsi  daya  rata-rata  perhari  untuk  tiap kepala  keluarga  di  dusun  Sadap  sebesar  722,78  Watt/ dengan  peralatan  listrik  yang  digunakan  sebagian  besarnya adalah lampu dan TV.
Pemanfaatan  sumber  energi  terbarukan  khususnya energi  surya  sebagai  pembangkit  listrik  memiliki  potensi yang  sangat  besar,  karena  letak  Indonesia  yang  berada  di daerah  tropis,  dimana  matahari  bersinar  sepanjang  waktu. Sumber energi terbarukan menawarkan alternatif persediaan energi  listrik  di  daerah-daerah  terpencil  dan  ramah lingkungan.  Dusun  Sadap  ini  merupakan  daerah  yang memiliki  intensitas  cahaya  matahari  yang  cukup  tinggi  , berdasarkan data badan antariksa Amerika Serikat (NASA) yaitu  sebesar  4,54  kWh/m ² /hari  .  Pola  hunian  penduduk yang  terpusat  di  desa  ini  maka  desa  ini  berpotensi  untuk dipasangkan photovoltaic  array sebagai  pembangkit  listrik
tambahan  yang  bersumber  dari  energi  terbarukan  sebagai pasokan energi tambahan.

## II. DASAR TEORI

## 2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Hibrid
Pembangkit  Listrik  Tenaga  Hibrid  (PLTH) didefinisikan sebagai suatu sistem pembangkit tenaga listrik yang  menggabungkan  dua  atau  lebih  pembangkit  dengan sumber  energi  yang  berbeda,  umumnya  digunakan  untuk isolated grid ,  sehingga  diperoleh  sinergi  yang  memberikan keuntungan  ekonomis  maupun  teknis  .  Konfigurasi  dasar dari  sistem  pembangkit  listrik  tenaga  hibrid  tersebut  dapat dikelompokkan menjadi tiga yaitu :
a. Sistem hybrid seri
b. Sistem hybrid paralel
c. Sistem hybrid switched

## 2.2 Mikrohidro
Mikrohidro  atau  dimaksud  dengan  pembangkit  listrik tenaga  mikrohidro  (PLTMH),  adalah  suatu  pembangkit listrik  skala  kecil  yang  menggunakan  tenaga  air  sebagai tenaga  penggeraknya  seperti  saluran  irigasi  sungai  atau  air terjun  alam  dengan  cara  memanfaatkan  tinggi  terjunan ( head )  dan  jumlah  debit  air.  Mikrohidro  mendapatkan energi  dari  aliran  air  yang  memiliki  perbedaan  ketinggian tertentu.  Pada  dasarnya,  mikrohidro  memanfaatkan  energi potensial jatuhan  air  ( head) .  Semakin  tinggi  jatuhan  air maka  semakin  besar energi  potensial air  yang  dapat  diubah menjadi energi listrik. Disamping faktor geografis (tata letak sungai),  tinggi  jatuhan  air  dapat  pula  diperoleh  dengan membendung  aliran  air  sehingga  permukaan  air  menjadi tinggi.  Air  dialirkan  melalui  sebuah  pipa  pesat  ke  dalam rumah pembangkit yang pada umumnya dibangun dibagian tepi  sungai  untuk  menggerakkan  turbin  atau  kincir  air mikrohidro. Energi mekanik yang berasal dari putaran poros turbin  akan  diubah  menjadi  energi  listrik  oleh sebuah generator.  Untuk  perhitungan  keluaran  daya output dari hydro  turbine dalam  perangkat  lunak  HOMER menggunakan persamaan:
= (1)
Keterangan :
= daya outputhydro turbine (kW)
= efisiensi hydro turbine (%)
= kecepatan gravitasi (9,81 m/s ² ) = effective head (m) = debit air hydro turbine (m ³ /s)
2.3 Photovoltaic Array
Photovotaic  array atau  panel  surya  adalah  alat  untuk mengkonversi  tenaga  matahari  menjadi  energi  listrik. Photovoltaic adalah  teknologi  yang  berfungsi  untuk
mengubah  atau  mengkonversi  radiasi  matahari  menjadi energi  listrik  secara  langsung.  PV  biasanya  dikemas  dalam sebuah unit yang disebut modul. Dalam sebuah modul surya terdiri  dari  banyak  sel  surya  yang  bisa  disusun  secara  seri maupun  paralel.  Sedangkan  yang  dimaksud  dengan  surya adalah  sebuah  elemen  semikonduktor  yang  dapat mengkonversi energi surya menjadi energi listrik atas dasar efek fotovoltaik. Total energi yang dihasilkan dari PV array tergantung dari jumlah solar panel yang dipasang atau total watt  peak  module dan  intensitas  matahari  ( kW/m ² /day )  di tempat  yang  akan  dipasang.  Untuk  penentuan  besar kapasitas  terpasang  yang  dibangkitkan  oleh  PV  maka digunakan persamaan-persamaan berikut ini : Luas area photovoltaic array
(2)
Daya yang dibangkitkan photovoltaic array P Watt Peak = (3)

## Jumlah modul surya yang dibutuhkan
(4)
Keterangan:
=  pemakaian energi (kWh/hari)
=   insolasi  harian  rata  –  rata  matahari (kWh/m ² /hari)
=   efisiensi modul surya (%)
= Temperature Cost Factor =   efisiensi output dari modul surya (%)
= Peak Solar Insolation adalah 1000 W/m ² =   daya yang dibangkitkan (Wp)
=  daya maksimum modul surya (W)
Untuk  menghitung  besar  daya  panel  PV  yang  berkurang pada saat temperatur naik 1 0 C sebagai berikut:
(5)
Daya  keluaran  maksimum  panel  PV  pada  saat  temperatur naik jadi T 0 C dari angka 25 0 C maka dapat dihitung dengan rumus berikut :
(6)
Faktor koreksi temperatur ( Temperature Correction Factor, TCF) dapat dihitung sebagai berikut :
(7)
2.4  Baterai
Baterai  adalah  bagian  dari  pembangkit  listrik  tenaga hibrid  yang  fungsinya  untuk  menyimpan  energi  yang diperoleh  dari  solar  panel  dan  turbin  mikrohidro.  Ukuran kapasitas  baterai  dinyatakan  dengan  satuan Ampere-Hours (Ah). Kapasitas (Ah) dari satu baterai dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :

## Jurnal Arus Elektro Indonesia (JAEI)
(8)

## Kapasitas baterai
(9)
Kapasitas baterai yang melibatkan efisiensi kerja inverter
Ah dg. Efisiensi kerja inverter = Kap. batt + [(100% - Eff.
Inv) . Kap. batt] (10) Kapasitas minimal baterai yang dibutuhkan = (11) Keterangan :
= kebutuhan energi listrik konsumen (Wh) = tegangan sistem (V)
= tegangan nominal battery (V)
= kapasitas battery ( Ampere hour)
=  persentase  tingkat  kedalaman discharge maksimum  yang  dapat  diberlakukan  pada battery
=  suatu  kondisi  hari  dimana  jumlah  hari  yang diasumsikan  terjadi  hujan/mendung/tidak  ada sinar matahari selama 3 hari berturut-turut.
2.5 Bi-directional Converter
Bi-Directional  Converter, merupakan  suatu  alat  yang digunakan untuk mengkonversikan sumber listrik DC 12, 24, 48  Volt  yang  dihasilkan  dari  sumber  listrik  seperti photovoltaic modul dan battery, menjadi  sumber  listrik  AC ( inverter )  yang  dapat  dimanfaatkan  sesuai  spesifikasi peralatan elektrik (120 atau 240 V AC, 50 atau 60 Hz) atau setara dengan listrik PLN dan sebaliknya ( rectifier ) . 2.6 Software HOMER HOMER  ( Hybrid  Optimalization  Model  for  Energy Renewable )  merupakan  perangkat  lunak  simulasi  yang mengoptimalkan  sistem  pembangkit  tenaga  listrik off-grid ( stand-alone ) maupun grid-connected yang dapat terdiri atas kombinasi photovoltaic, mikro hidro, battery dan kombinasi sumber  energi  baru  dan  terbarukan  lainnya  serta  untuk melayani  beban  listrik  maupun  beban thermal. HOMER akan mengurutkan data hasil keluaran simulasi dan optimasi berdasar  nilai  NPC  terendah.  Total  NPC  dapat  dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut ini :
(12) Keterangan : = total biaya tahunan ($/tahun) CRF = faktor penutupan modal i = suku bunga (%)
= lama waktu suatu proyek
Untuk  menghitung  COE,  biaya  produksi  energi  listrik tahunan  dibagi  dengan  total  energi  listrik  terpakai  yang diproduksi, dengan persamaan sebagai berikut :
(13)
Keterangan : =  biaya total sistem tahunan ($/tahun) =  beban AC utama yang terpenuhi(kWh/tahun) =   beban deferrable yang terpenuhi (kWh/tahun)
=  total penjualan grid (kWh/tahun)

## III. METODE PENELITIAN
Gambar  1  merupakan  diagram  alir  penelitian  dari penelitian  yang  dilakukan.  Terdapat  beberapa input yang harus  ditentukan  sebelum  memulai  simulasi.  Setelah input dari  mikrohidro,  PV,  baterai,  konverter  dan  beban ditentukan,  pemodelan  sistem  PLTH  kombinasi  antara mikrohidro  dan  PV  yang  akan  dirancang  .  Sesuai  dengan input yang  dimasukkan,  aplikasi  ini  akan  bekerja  dan mensimulasi  untuk  mendapatkan  hasil  dan  biaya  dari kombinasi  antara  PV  dan  PLTMH.  Kemudian,  pilih  sistem dengan  nilai  NPC  terendah  yang  terdapat  di  halaman simmulation results .

## IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Sistem kelistrikan yang terdapat di dusun Sadap terdiri dari  sistem  pembangkit  dan  pendistribusian  langsung  pada pemukiman  warga,  kondisi  kelistrikan  dapat  dilihat  pada Tabel  1.  Pemodelan  sistem    pembangkit  listrik  mikrohidro dilakukan  untuk  mengetahui  seberapa  besar  biaya  yang harus  disiapkan  dalam  sistem  selama  pengoperasian pembangkit  listrik  mikrohidro  dan  sistem  PLT Hybrid dengan menambahkan sistem photovoltaic array.
4.1 Pemodelan Sistem PLTH Mikrohidro dan Photovoltaic Array
Pada  pemodelan  sistem hybrid pembangkit  listrik mikrohidro  dan photovoltaic array khususnya photovoltaic array menggunakan  PV  panel  bertipe Monocrystalline berkapasitas  200  Wp  dengan  mempertimbangkan  harga modal  yang  menguntungkan  sehingga  biaya  investasi  yang dikeluarkan  lebih  kecil.  Data  parameter  PV  dan  harga komponen    yang  mendukung  dalam  pemodelan  sistem hibrid dapat dilihat pada Tabel 2.
Dari  perhitungan  yang  dilakukan  sebagai  pendekatan untuk  mengetahui  besarnya  kebutuhan  PV  panel  yang seharusnya  disiapkan  sehingga  biaya  yang  dikeluarkan untuk modal PV panel dapat ditentukan  didapatkan jumlah PV  yang  dibutuhkan  untuk  memenuhi  beban  4  kW  adalah sebanyak  24  buah,  48  unit  baterai  12  Volt  83,3  Ah,  dan  6 kW bidirectional converter .
TABEL I. KONDISI KELISTRIKAN DI DUSUN SADAP
Jumlah penduduk teraliri listrik 180 rumah Rata-rata daya listrik terpasang 722,78 Watt lama pengoperasian PLTMH 24 jam Biaya listrik perbulan Rp10 rb /titik Kapasitas Daya PLTMH 40 kW

## 4.2 Skema Pemodelan Sistem PLTH
Pada  skema  pemodelan  sistem  PLTH  mikrohidro  dan photovoltaic array dapat dilihat pada garis berwarna merah dengan  menambahkan  komponen  PV  panel,  baterai  dan converter. Setelah  jumlah  unit  komponen  PLTS  dihitung dan harga unit diketahui dimasukkan, kemudian dilanjutkan dengan  memberikan  nilai  “ search  space” pada  masing- masing  komponen  PLTS  termasuk  mikrohidro  untuk mendapatkan  komposisi  masing-masing  pembangkit  listrik alam sistem PLT hybrid yang tepat dengan mempertimbangkan biaya yang ekonomis.

## Gambar 1. Diagram alir
TABEL 2. SPESIFIKASI PV PANEL TN 200N Rated Power (P max ) 200 Watt Efisiensi Cell 18,69 % Tegangan pada Pmax (V mp ) 37,5 Volt Arus pada Pmax (I mp ) 5,33 Tegangan Voc 46,5 Arus Short Circuit (Isc) 5,62 Max System Voltage 1000 Standard test condition 25 0 C Size (mm) 1580*808*35
Hasil  simulasi  perhitungan  PLTH  mikrohidro  dan PV array dapat  dilihat  pada  Gambar  4.Terdapat  banyak pilihan  bervariasi  yang  ditampilkan  melalui simmulation result , namun pemilihan kondisi optimum dari suatu PLTH adalah melalui nilai NPC yang paling rendah.
Hasil dari perhitungan simulasi yakni  jumlah tiap komponen yang dibutuhkan adalah 4 kW PV atau sebanyak 24 unit PV 200 Wp, 48 unit baterai 12 Volt 83,3 Ah, dan 6 kW bidirectional  converter dengan  nilai  NPC  terendah untuk  PLTH mikrohidro  dan photovoltaic array ini  adalah sebesar Rp 938.310.656,00 dengan nilai awal pembangunan yang  diperlukan  untuk  merealisasikan  sistem  PLTH mikrohidro dan photovoltaic array sebesar Rp 403.968.000,00.  Total  produksi  energi  listrik  yang dihasilkan  melalui  harga  NPC  dan initial  cost tersebut adalah sebesar 160.954 kWh/thn.
Dari Gambar 5 untuk komponen PV panel biaya yang dikeluar  merupakan  nilai capital sebesar  Rp  68.000.000 tanpa  penggantian  selama  25  tahun  operasi,  baterai mengeluarkan  biaya capital Rp  79.968.000  dengan penggantian selama 10 tahun operasi sebesar Rp 70.646.688, untuk converter biaya capital yang  dikeluarkan  adalah sebesar  Rp  6.000.000  dengan  penggantian  selama  1  kali dalam  15  tahun  beroperasi  sebesar  Rp  2.545.641. Sedangkan  untuk  biaya capital dari  mikrohidro  adalah  Rp 250.000.000  dengan  biaya  operasi  dan  perawatan  sebesar Rp 471.207.680 selama 25 tahun waktu operasi. Maka dari total  biaya  komponen  yang  dikeluarkan  tersebut,  jika dijumlahkan  didapat  biaya  yang  dikeluarkan  oleh  sistem atau  nilai  NPC  dari  sistem  PLTH mikrohidro  dan photovoltaic array ini sebesar Rp 938.310.464.
Gambar 2. Pemodelan PLTH Mikrohodro & PV
Gambar 3. Skema sistem PLTH

## Gambar 4. Hasil perhitungan PLTH
Maka  diperoleh  desain  PLTH yang  paling  optimal sehingga  demikian  hasil  simulasi  bagian electrical -nya dapat diperlihatkan pada Gambar 6.
Gambar 6 menunjukkan hasil simulasi dari pemodelan sistem  PLTH mikrohidrohidro  dan photovoltaic  array menampilkan  bahwa  kontribusi  energi  listrik  yang diproduksi mikrohidro sebesar 155.775 kWh/yr atau sekitar 96.78% dan energi listrik yang diproduksi oleh photovoltaic array adalah  sebesar  5.178  kWh/yr  atau  sekitar  3.22  %, sehingga  dengan  kontribusi  total  kedua  pembangkit  ketika 100% adalah sebesar 160.954 kWh/yr, nilai produksi energi listrik  ini  lebih  tinggi  dari  pengoperasian  PLT  mikrohidro saja yaitu sebesar 155.775 kWh/yr.

## V. PENUTUP
Setelah  dilakukan  simulasi  pemodelan  sistem  PLTH mikrohidro dengan photovoltaic array dengan menggunakan  bantuan software HOMER,  maka  dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut:
1. Sistem  PLTH  mikrohidro  dengan photovoltaic  array yang  paling  optimal  dalam  mensuplai  listrik  untuk masyarakat  dusun  Sadap  desa  Perlang  kecamatan Lubuk  Besar  kabupaten  Bangka  Tengah  berdasarkan pada  total  NPC  terendah  dengan  rinciannya  sebagai berikut  :  1  unit  mikrohidro  berkapasitas  19  kW, photovoltaic  array dengan  total  kapasitas  4  kW,  48 unit  baterai  12  Volt  83,3  Ah,  dan  6  kW bidirectional converter. Konfigurasi  tersebut  ditetapkan  sebagai yang  paling  optimal  berdasarkan  nilai total NPC terendah  yaitu  sebesar  Rp  938.310.656  dan levelized COE sebesar Rp 1.528,500/kWh dengan initial capital yang diperlukan untuk merealisasikan sistem PLTH ini sebesar Rp 403.968.000.
2. Hasil  simulasi  dari  pemodelan  sistem  PLTH mikrohidrohidro  dan photovoltaic array menampilkan bahwa  kontribusi  energi  listrik  yang  diproduksi mikrohidro sebesar 155.775 kWh/yr atau sekitar 96.78 % dan energi listrik yang diproduksi oleh photovoltaic array adalah sebesar 5.179 kWh/yr atau sekitar 3.22 %, sehingga  dengan  kontribusi  total  kedua  pembangkit ketika  100%  adalah  sebesar  160.954  kWh/yr,  nilai produksi  energi  listrik  ini  lebih  tinggi  dari pengoperasian  PLT  mikrohidro  saja  yaitu  sebesar 155.775 kWh/yr.
Gambar 5. Perhitungan biaya PLTH
Gambar 6. Hasil Simulasi Kelistrikan PLTH

## REFERENSI
[1]  Badan Meteorologi, Klimatologi dan Geofisika, Stasiun Metereologi Pangkalpinang,  2015,  “Data  suhu  rata-rata  dan  lama  penyinaran matahari periode 2012-2014”.
[2] Novi  Kurniasih,  2015,  “ Analisis  Mode  Sistem  Pembangkit  Listrik Tenaga  Hibrid  Microhydro  –  Photovoltaic  Array  Menggunakan HOMER ”, Jurnal Nasional Teknik Elektro, vol. 4, No. 1, hal. 30-40.
[3] Rosyid,  2011,  “ Pembangkit  Listrik  Tenaga  Surya  Hibrida  Untuk Listrik  Pendesaan  di  Indonesia”, Jurnal  Material  dan  Energi Indonesia, vol. 1, no. 1, hal. 31-38.
[4] Sari, Dewi Purnama, 2015, “ Optimalisasi Desain Sistem Pembangkit Listrik  Tenaga  Hybrid  Diesel  Generator  –  Photovoltaic  Array Menggunakan HOMER ”, Jurnal Nasional Teknik Elektro, vol. 4, No. 1, hal. 1-12.
[5] Susilo,  Guspan  Hidi,  2015,  “ Pemodelan Sistem Pembangkit Listrik Hibrida,  Diesel  dan  Energi  Terbarukan  di  Pulau  Enggano, Bengkulu Utara Menggunakan Perangkat Lunak HOMER ”.
[6] The  HOMER  Pro  3  Software.  (2016,  Februari  03).  HOMER 3 Version 3.1.2 [Online]. Availabe : http://www.homerenergy.com
[7] Yulistiono,  Irwan,  2012,  “ Perancangan Hybrid Sistem Photovoltaic di Gardu Induk Blimbing-Malang ”.
[8] Zuhal, 1991, “Dasar Tenaga Listrik” . ITB Bandung, Bandung.