Biaya Operasional Lebih Rendah

Tenaga angin bukan hanya mampu menciptkan badai. Cukup banyak angin yang bertiup dan menghasilkan energi angin. Para ilmuwan harus bekerja keras—seperti di Eropa yang telah menginvestasikan 13 miliar euro untuk membangun ribuan wind turbine (turbin angin) baru. Meski Indonesia memiliki potensi kekuatan angin yang dapat diolah menjadi energi terbarukan, kita jauh tertinggal di bidang penelitian dan pengembangan.

Pengujian bahan XXL: Baling-baling turbin angin dapat diuji di dalam sebuah bangunan dengan panjang 85 meter dan tinggi 25 meter yang dibangun untuk tujuan ini. (Sumber foto/©: Fraunhofer IWES)

Puluhan ribu turbin angin telah beroperasi dan bermanfaat di Eropa sedangkan Indonesia sedang mengembangkan kekuatan angin di berbagai provinsi. Untuk mempertahankan agar turbin-turbin angin tersebut bekerja secara andal dan baik, tim lintas disiplin terus mengembangkan teknologi baru untuk konstruksi, jaminan kualitas, dan pemeliharaan.

Listrik hijau menjadi tren: tenaga surya, angin, dan air tidak menghasilkan gas buang yang beracun, tidak mempunyai limbah radioaktif, dan tidak ada gas rumah kaca. Pegiat lingkungan hidup menyerukan untuk mengupayakan lebih banyak listrik hijau sejak beberapa tahun silam.

Pada tahun 2020, 20 % dari energi yang dikonsumsi di Uni Eropa—hanya 5 % di tahun 2005—yang akan dipasok energi terbarukan. Penjualan senilai 24 hingga 30 miliar euro pada tahun 2020 merupakan perkiraan bagi perusahaan di Jerman yang mengembangkan sumber energi terbarukan.

Potensi tenaga angin di Indonesia

Sementara itu, di Indonesia, energi yang dianggap bersih, renewable, dan dapat digunakan untuk menghasilkan listrik adalah energi angin. Indonesia menggunakan teknologi untuk menghasilkan listrik dari angin yang disebut dengan Pembangkit Listrik Tenaga Angin (Bayu) PLTB atau sistem konversi energi angin SKEA. Teknologi berfungsi untuk mengkonversi energi kinetik dari angin menjadi energi untuk memutar bilah rotor dalam sebuah generator untuk menghasilkan listrik yang bebas polusi.

Perkembangan teknologi itu menjadikan proses konversi lebih efisien sehingga energi angin menjadi alternatif untuk menghasilkan energi listrik. Sayangnya, Indonesia tertinggal dalam memanfaatkan energi angin sebagai sumber energi listrik meski wilayah yang terletak di jalur khatulistiwa mempunyai potensi angin dengan peringkat kecil hingga sedang dengan kecepatan rata-2 3-5m/s.

Perubahan iklim akibat pemanasan global ternyata meningkatkan potensi angin di Indonesia terutama di daerah-daerah tertentu seperti di Nusa Tenggara, pantai selatan Jawa Sumatera dan Sulawasi Selatan. Peta potensi angin di Indonesia seperti di bawah ini.

Kita bisa belajar dari Jerman

Energi angin khususnya tengah naik daun: rencana penggunaan kincir angin untuk memasok dua-pertiga dari “gentle energy” pada masa depan. Total penjualan di bidang ini sudah mencapai 15,4 miliar euro (2007). Produsen dan pemasok di Jerman menyumbang 37 % dari angka penjualan itu, menjadikan perusahaan di Jerman sebagai pemimpin pasar.

Apabila prediksi Asosiasi Energi Angin Eropa (European Wind Energy Association) tepat, jumlah lapangan kerja di sektor energi angin meningkat dua kali lipat dari tahun 2007 hingga 2020, lebih dari 300.000 lapangan kerja di seluruh Eropa. Perusahaan-perusahan di Jerman memperkirakan penjualan antara 16 sampai 20 miliar euro.

Jumlah instalasi tenaga angin yang terus bertumbuh merupakan tantangan besar bagi insinyur dan teknisi untuk merangcang dan memproduksi semakin banyak turbin yang kemudian dipasang (dioperasikan) dan dipelihara.

“Pencatatan dan optimalisasi seluruh siklus hidup turbin angin membutuhkan tim lintas disiplin di mana produsen sistem, insinyur produksi, pengembang metode pengujian non-destruktif, dan ahli matematika yang mensimulasikan hasil listrik, semuanya bekerja sama,” papar Dr. Mario Ragwitz dari Jaringan Energi Angin Fraunhofer. “Badan-badan pada Fraunhofer memiliki banyak pakar hebat di semua disiplin ilmu. Sejak Jaringan ini didirikan pada tahun 2005, kelompok ahli dari sepuluh lembaga berhasil melaksanakan kerja sama.”

Di Jerman, terdapat lebih 20.000 turbin angin yang menyediakan 41.000 gigawatt-jam, atau enam % dari total energi yang dikonsumsi. Energi terbarukan itu tidak hanya ramah terhadap iklim dan lingkungan, melainkan juga hemat untuk kantong konsumen, karena energi angin menurunkan harga listrik. Ini adalah kesimpulan yang didapatkan dalam sebuah penelitian yang dilakukan oleh para peneliti dari Institut Fraunhofer untuk Systems and Innovation Research ISI di Karlsruhe.

Penurunan harga adalah hasil dari interaksi kompleks: dibandingkan dengan instalasi listrik tenaga gas atau batu bara. Turbin angin membutuhkan biaya operasional yang lebih rendah. Biaya itu pada gilirannya, sangat penting untuk menghitung harga listrik: semakin rendah biaya operasional, semakin murah harga kilowatt-jam yang bisa ditawarkan kepada konsumen.

Dengan demikian, ketika terjadi banyak hembusan angin pada hari-hari tertentu, pembangkit listrik tenaga batubara atau gas yang harganya paling mahal, yang menentukan harga di pasar listrik, harus dimatikan–instalasi tersebut tidak lagi layak secara ekonomis.

“Ini membantah prasangka bahwa energi angin membuat harga listrik tinggi,” lanjut Ragwitz. Fakta bahwa konsumen belum menyadari hal menyenangkan ini, sekalipun dalam beberapa tahun terakhir kian banyak turbin angin yang beroperasi. “Harga bahan bakar fosil telah melonjak secara dramatis selama periode ketika konsumen belum mencatat penurunan harga yang dihasilkan energi angin.”

Menaklukkan pasar baru dengan keahlian lintas disiplin

“Kondisi politik secara umum dan tren harga saat ini mendukung terjadinya peningkatan dalam hal permintaan,” kata Dr. Hans-Gerd Busmann, direktur pelaksana Institut Fraunhofer untuk Wind Energy and Energy System Technology (IWES). Institut baru yang didirikan di Bremerhaven pada Januari 2009 itu menjadi lokasi bagi para ahli dari berbagai disiplin ilmu pada masa depan.

Para insinyur yang pernah bekerja di Pusat Fraunhofer untuk Wind Energy and Maritime Technologies (CWMT) di Bremerhaven menyumbangkan pengalaman dalam hal pengujian bahan dan simulasi, sementara para peneliti di Institute untuk Solar Energy Supply Technology(SET) di Kassel secara khusus menangani isu-isu elektroteknik. “Kelompok-kelompok ini saling melengkapi satu sama lain dengan sempurna,” imbuh Busmann.

“Bersama-sama kami bisa membangun sebuah pusat kompetensi yang menawarkan semua layanan, mulai dari pengembangan dan konstruksi komponen hingga pengoperasian kendali dan pengujian.”

Pada kenyataannya, para peneliti mencakup berbagai bidang. Para insinyur di Kassel mengkhususkan diri pada pengintegrasi jaringan pembangkit listrik dan perkiraan produksi listrik dengan bantuan simulasi komputer. Proyeksi semacam itu membantu menghemat bahan baku fosil.

Apabila operator pembangkit listrik tenaga gas atau batu bara mendapatkan pemberitahuan di muka kapan turbin angin akan memasok listrik, dan bisa mengurangi produksi tepat waktu. Kini dimungkinkan untuk menggunakan program komputer untuk memperkirakan secara sangat akurat output dari turbin angin 24 jam sebelumnya.

Bagaimana membuat turbin-turbin benar-benar menghasilkan output yang dihitung secara teoritis? Turbin-turbin tersebut harus dalam kondisi sempurna secara teknis. Cacat bahan terkecil sekalipun bisa memiliki konsekuensi yang menghancurkan. Oleh karena itu, penting dilakukan pemeriksaan komponen, seperti baling-baling dengan panjang 70 meter, merupakan sains tersendiri. Para insinyur di Fraunhofer-Bremerhaven mengkhususkan diri pada pengujian bahan berukuran sangat besar dan pengujian yang andal.

Di dalam sebuah bangunan dengan panjang 85 meter dan tinggi 25 meter, Dr. Arno von Wingerde dan rekan-rekannya menguji baling-baling yang akan diperiksa dengan aman dipasangkan ke sebuah blok beton yang tertanam secara kokoh ke dalam tanah dan kemudian diregangkan dengan sebuah kabel. Untuk memahami secara persis bagaimana distorsi baling-baling dengan beban. Ilmuwan di Institut Fraunhofer untuk Information and Data Processing (IITB) telah mengembangkan sistem pengukurannya sendiri dan dipasang di Bremerhaven.

Tanda diberikan pada baling-baling yang akan diperiksa dan di gedung; sebuah kamera mencatat tanda-tanda itu selama uji coba. Perangkat lunak mengevaluasi gambar-gambar, menentukan posisi yang tepat dari titik-titik yang ditandai di area tersebut, dan menghitung di bagian mana baling-baling mengalami pembengkokan atau terdistorsi, dan seberapa besar.

“Informasi ini penting, karena memungkinkan kami untuk menarik kesimpulan tentang beban material dan kemungkinan penyebab kerusakan,” papar Dr. Martin Ruckhäberle dari IITB.

Untuk memenuhi persyaratan keselamatan, sebuah baling-baling dengan panjang 70 meter harus bertahan terhadap deformasi 15 meter tanpa kerusakan. “Tempat pengujian kami merupakan salah satu yang terbesar di dunia,” jelas Dr. Holger Huhn dari IWES.

“Produsen baling-baling telah menyatakan minat yang sangat besar untuk menggunakan pengujian daya tahan ini.” Para peneliti Bremerhaven juga dapat mensimulasikan beban dinamis: baling-baling berada tetap di suatu tempat dan digerakan dengan bantuan silinder hidrolik.

“Dengan menggunakan frekuensi alami, kami memproduksi deformasi bengkokan besar yang sebanding dengan deformasi pada turbin angin. Selama satu siklus pengujian dengan beberapa juta gerakan, baling-baling diperiksa berulang-ulang sehingga kami dapat menentukan apakah tekanan telah menyebabkan kerusakan pada materi,” Huhn menguraikan.

Untuk memungkinkan pengujian sejumlah zona pada berbagai bagian baling-baling secara simultan selama uji getaran siklik, para peneliti saat ini sedang mengembangkan sistem pengujian multi-sumbu. Sistem ini harus memasok hasil yang dapat diandalkan dalam kurun waktu yang lebih singkat dan dengan mengeluarkan lebih sedikit energi dibandingkan dengna metode pengujian yang ada saat ini.

Mensimulasikan persyaratan masa depan

Persyaratan kualitas industri akan meningkat pada tahun-tahun mendatang. Para peneliti IWES meyakini hal itu. “Ada semakin sedikit ruang. Hanya masalah waktu sebelum Jerman membangun instalasi listrik tenaga angin di Laut Utara,” kata Hans-Gerd Busmann.

“Tapi hukum di daerah lepas pantai berbeda dengan daratan: turbin harus dirancang dan dibangun sedemikian rupa sehingga tahan terhadap angin, cuaca, dan gelombang selama bertahun-tahun dan bahkan puluhan tahun. Jangkar untuk menara bahkan harus mampu bertahan terhadap gelombang badai.

Konsep-konsep baru untuk pemeliharaan harus dikembangkan, karena pemeriksaan oleh inspektur yang harus datang dengan menggunakan kapal, memanjat menara, dan kemudian menurunkan diri mereka ke baling-baling dengan seutas tali hanya mungkin selama beberapa hari dalam setahun, tergantung pada cuaca.

Para ahli dari berbagai lembaga kini sudah bekerja untuk mengembangkan teknologi untuk pasar luar negeri di kemudian hari:. Di Institut Fraunhofer untuk Non-Destructive Testing IZFP, Bernd Frankenstein dan timnya sedang mengembangkan sensor yang bisa mendeteksi kelelahan bahan secara dini. “Sensor ini mendeteksi deformasi pada baling-baling dan mencatat kerusakan kecil pada materi.”

Pada pameran yang bertajuk Messe Hannover, para peneliti menunjukkan bagaimana kerusakan lebih luas dapat diprediksi dengan bantuan pengukuran sensor: satu segmen baling-baling mengalami tekanan. Sebelum rusak, keretakan dapat didengar. Sensor yang dipasang pada permukaan mencatat kebisingan dan membunyikan alarm setelah keretakan melampaui tingkat kebisingan tertentu.

“Pengukuran sensor sangat cocok untuk memonitoring secara jangka panjang di laut, karena ekonomis dan, apabila sensor diintegrasikan ke dalam laminasi fiberglass, maka sensor tersebut benar-benar tahan cuaca,” jelas Frankenstein.

Manusia super: kekuatan raksasa bekerja selama inspeksi material dan keandalan. Dan karena itu baling-baling harus berlabuh secara aman di dinding. (Sumber foto/©: Fraunhofer IWES)

Kelompok penelitian lain mengerjakan peralatan tes yang menggunakan ultrasound atau cahaya untuk melacak cacat pada baling-baling. “Selain baling-baling, para ilmuwan juga fokus pada struktur pendukung turbin pembangkit listrik lepas pantai,” jelas Huhn.

“‘Simulasi aeroelastik’ turbin angin lepas pantai (OWT – offshore wind turbines), yang telah kami perkuat melalui kerjasama dengan kantor teknik Aero Dynamik Consult, memungkinkan kami untuk menggunakan elemen-elemen pasti untuk mengkalkulasikan interaksi landasan dan angin dan beban gelombang. Produk kami telah menempatkan kami di posisi terdepan secara internasional. Tujuannya adalah meningkatkan keandalan teknis turbin angin dengan cara simulasi keseluruhan yang dioptimalkan sehingga memungkinkan kondisi perencanaan yang lebih baik untuk instalasi listrik tenaga angin lepas pantai.” (Diolah dari tulisan Monika Weiner; www.fraunhofer.de/magazine dan beberapa sumber)

Jaringan Energi Angin Fraunhofer