analisis konsumsi energi pada industri air minum di …

ANALISIS KONSUMSI ENERGI PADA INDUSTRI AIR MINUM DI JAKARTA

HERU PRASETYO, BUDIHARJO

Mechanical Engineering, Engineering, University of Indonesia, Kampus UI Depok 16424 Indonesia, Depok, 16424, Indonesia

E-mail : [email protected]

Abstrak

Ketersediaan energi saat ini menjadi isu stategis dalam pembangunan nasional. Sehubungan dengan ketersediaan energi di Indonesia, sejak beberapa tahun lalu Pemerintah Republik Indonesia telah mencanangkan beberapa program dan kebijakan mengenai konservasi energi. Energi yang paling banyak terpakai berada di sektor industri. Dalam penelitian ini batasan masalah yang diamati yaitu gambaran konsumsi energi listrik pada pompa distribusi perusahaan air minum X yang meliputi tren daya terhadap waktu pada pompa distribusi sehingga dapat diketahui penggunaan daya teoritis pada pompa dengan daya yang sebenarnya terpakai serta rekomndasi teknis agar tercapai penghematan penggunaan listrik pada sistem pompa. Dari hasil pengamatan pada 7 pompa didapatkan grafik daya teoritis (berdasarkan spesifikasi pompa) dan grafik daya aktual (berdasarkan pengamatan dari hari Senin, 10 Mei 2014 hingga Rabu, 14 Mei 2014 dengan sistem SCADA) dimana penggunaan daya pada kondisi aktual (setelah pemasangan VSD pada pompa 2, 3, dan 4) lebih rendah sebab terjadi modifikasi kecepatan putar dengan pengaturan frekuensi agar tercapai efisiensi. Dari perhitungan pada pompa 2 didapatkan bahwa setelah pemasangan VSD (Variable Speed Drive) didapatkan efisiensi daya sebesar 17-19%.

Energy Consumption Analysis on Water Treatment Industry in Jakarta

Abstract

The availability of energy in this era has been the strategic issue for national development. As energy

availability in Indonesia, since many years ago Indonesian government has applied many programs and policies

about energy conservation. Energy, which most used, is in industry. In this thesis, the problem boundary which

analyzed is electricity energy consumption in water treatment industrie’s pump which include power trend based

on time on distribution pump so that is known the comparison of teoritical power consumption on pumps with

actual used power and the recommendation in mechanical to gain efficiency of electricity on pump system. From

observation on 7 pumps, there are teoritical power graphic (based on pump spsesification) and actual power

graphic (based on observation on Monday, May 10th 2014 until Wednesday, May 14th 2014 with SCADA

system) where the power consumption on actual condition (after VSD installment on pump 2, 3, and 4) lesser

because rotational speed modification with frequency different occurs to gain efficiency. From calculation on

pump 2, it can conclude that with VSD installment there is power efficiency between 17-19%.

Keywords: Energy consumption, water treatment industry, SCADA, VSD

Analisis konsumsi..., Heru Prasetyo, FT UI, 2014

Pendahuluan

Ketersediaan energi pada akhir-akhir ini telah menjadi isu strategis bagi pembangunan

nasional. Pertumbuhan konsumsi energi merupakan hasil dari pertumbuhan jumlah penduduk,

industrialisasi, perkembangan ekonomi, transportasi dan kenaikan konsumsi energi listrik

yang membuat ketidakseimbangan antara permintaan dan ketersediaan energi. Selain itu,

sumber energi utama seperti minyak bumi dan gas menurun sementara pemakaian energi

alternatif tidak terlalu signifikan sehingga niat yang kuat dibutuhkan dalam penggunaan

energi secara bijak dan efisien.

Salah satu faktor yang butuh perhatian tentang penggunaan energi primer di Indonesia

dikarenakan ketergantungan minyak. Berdasarkan data pada tahun 2010, diketahui bahwa

penggunaan minyak bumi masih dominant sekitar 46,8% disusul gas 24,3% dan terakhir

batubara 23,9%. Sehingga energi tak terbarukan masih sekitar 95%. Berdasarkan data pada

tahun 2010 diketahui bahwa sektor industri mendominasi konsumsi energi nasional sekitar

475.828.415 SBM atau 44% kemudian sektro transportasi sebesar 389.638.586 SBM (36%).

Tinjauan Teoritis

Sistem Pengolahan Air Minum

Gambar 1. Proses Pengolahan Air Minum

Proses Pengolahan Air :


1. Air Baku, merupakan air yang berasal dari sumber (belum dilakukan perawatan). Pada

umumnya air baku yang telah sampai pada sistem pengolahan terlebih dahulu

dimasukkan ke water intake.

2. Koagulasi

Koagulasi merupakan suatu proses de-stabilisasi muatan listrik dari koloid sehingga

memungkinkan untuk bergabung satu sama lain. Proses koagulasi ini dimasukkan ke

dalam sebuah chamber, dimana pada proses ini terjadi proses percampuran antara air

baku dengan bahan koagulan yaitu Alumunium Sulfat sebagai penyumbang ion

positif. Kedua zat ini diaduk secara cepat agar terjadi percampuran secara merata

sehingga terjadi konsentrasi yang sama.

3. Floculation

Floculation merupakan proses percampuran berintensitas rendah yang digunakan

untuk meningkatkan aglomerasi dari partikel kecil dan koloid untuk membentuk flocs

yang dapat dipindahkan oleh proses separasi. Dalam kompartemen flokulasi, flok

diusahakan untuk tidak mengendap atau flok menjadi pecah.

4. Sedimentation

Sedimentation, merupakan suatu proses yang dilakukan untuk menghilangkan materi

tersuspensi atau flok kimia yang cukup besar dengan berat jenis lebih dari 1 yang akan

mengendap secara gravitasi di bak pengendapan atau dikenal dengan nama

akselerator. Proses terbentuknya sedimentasi dimulai dari flok-flok yang cukup besar

dan berat jenis lebih dari 1 secara perlahan turun karena adanya pengaruh gravitasi.

Flok-flok yang berukuran halus akan terbawa aliran keluar, yang selanjutnya akan

mengalami pemisahan melalui proses filtrai. Dalam bak sedimentasi, flok diusahakan

tidak mengalami pemecahan dikarenakan gradian kecepatan yang tinggi.

5. Filtration

Filtration, merupakan proses penyaringan yang berfungsi untuk memisahkan padatan

tersuspensi dan flok-flok yang masih lolos dalam proses sedimentasi. Proses

penyaringan ini menggunakan kerikil, pasir, dan bahan-bahan lainnya yang dapat

digunakan berulangkali.

6. Reservoir

Reservoir, merupakan tempat untuk menampung air hasil pengolahan sebelum

didistribusikan ke konsumen dalam sistem distribusi.

7. Clean Water Distribution, merupakan air bersih yang akan didistribusikan ke

pelanggan.


Sebagian besar air yang didistribusikan oleh perusahaan air minum yang penulis teliti (61%)

berasal dari Waduk Jatiluhur dan diolah di 2 Instalasi Pengolahan Air (5.000 liter/detik). 4,5%

lainnya datang dari Kali Krukut dan diolah di IPA Cilandak (365 liter/detik). Selebihnya

sebesar 2.800 liter/detik dibeli oleh Perseroan dalam bentuk Air Curah Olahan dari PDAM

Tangerang yang merupakan air olahan dari Sungai Cisadane.

Sistem Pompa

Sistem pompa terpakai sekitar 20% dari permintaan energi listrik di seluruh dunia dan

berkisar dari 25-50% pemakaian energi di industri (US DOE, 2004). Pompa memiliki dua

fungsi utama, yaitu :

1. Memindahkan cairan dari tempat satu ke tempat lainnya

2. Mensirkulasikan cairan pada sistem

Komponen utama sistem pompa yaitu :

1. Pompa

2. Penggerak utama, motor listrik, mesin diesel atau sistem udara

3. Pemipaan, digunakan untuk membawa fluida

4. Katup, digunakan untuk mengendalikan aliran pada sistem

5. End-use equipment, yang memiliki persyaratan berbeda dan menentukan komponen

sistem pompa dan konfigurasinya.

Pompa sentrifugal termasuk dalam pompa dinamik yang paling umum digunakan untuk

pemompaan air pada aplikasi industri. Pompa ini memiliki cara kerja sebagai berikut :

• Cairan dipaksa masuk ke dalam impeller baik dengan tekanan atmosfir atau

dengan bantuan tekanan buatan.

• Baling-baling impeller mengantarkan energi kinetik ke cairan yang menyebabkan

cairan berputar yang kemudian meninggalkan impeller dengan kecepatan tinggi.

• Impeller dikelilingi oleh volute casing yang mengkonversi energi kinetik menjadi

energi tekanan. Gambar 2. Working Pronciple of Centrifugal Pump


Komponen utama pompa sentrifugal :

§ Komponen berputar : impeller yang terhubung dengan poros

§ Komponen tetap :

casing, casing cover dan bearing Gambar 3. Instalasi Pompa

Gambar 4. Kurva Kinerja Pompa

Metode Penelitian

Hukum Afinitas Pompa

32

231

1

22

22

1

1

2

2

1

1

2121

;

NP

NP

NH

NH

NQ

NQ

NNDD

=⇒

=⇒

=⇒

≠=


Pemasangan Pompa

Katup

Katup merupakan peralatan mekanikal yang mengatur besarnya debit, menghentikan,

membuka, mengubah arah, serta mencegah terjadinya aliran balik zat alir (cair maupun gas)

yang mengalir di dalam pipa atau alat distribusi lainnya.

Berikut berbagai macam katup :

§ Gate Valve Gambar 5. Gate Valve

Gate valve merupakan katup yang paling banyak digunakan pada aplikasi shutoff

karena desain dan operasi yang sederhana. Memiliki sedikit gangguan untuk mengalir,

turbulensi rendah, dan perbedaan tekanan yang rendah. Gate Valve biasanya memiliki

perbedaan tekanan yang rendah ketika terbuka penuh dan memiliki tutup yang tebal ketika

tertutup. Gate valve disarankan terbuka secara perlahan untuk menghindari kejutan hidraulik

pada jalur. Penutupan yang lambat membantu mengeluarkan sedimen dan kotoran yang

terperangkap.


§ Globe Valve Gambar 6. Globe Valve

Globe valve secara normal digunakan untuk keperluan umum.

Fitur spesifik Globe Valve tipe ini yaitu throttling yang efisien dengan

minimum wire drawing. Namun tipe ini kurang direkomendasikan

dimana hambatannya terhadap aliran dan perbedaan tekanan paling

tinggi dibandingkan jenis katup lainnya.

§ Pinch Valve Gambar 7. Pinch Valve

Pinch Valve merupakan desain yang paling sederhana diantara katup lainnya

dan relatif tidak mahal. Desain yang sederhana menghasilkan pressure drop yang

rendah. Katup ini tidak memiliki tepi internal sehingga tidak dapat mengumpulkan

sedimen atau sampah yang dapat menyebabkan katup terkorosi. Sampah seperti

plastik, ranting, dan sebagainya dapat melewati katup.

§ Ball Valve Gambar 8. Ball Valve


Ball valve berbentuk bola dengan lubang ditengahnya yang memiliki satu

sumbu, menghubungkan inlet dan outlet. Ball valve memiliki desain sederhana, mudah

dirawat, membutuhkan sedikit pelumasan, dan menyediakan penutupan yang tebal

dengan torsi yang rendah.

§ Butterfly Valve Gambar 9. Butterfly Valve

Butterfly valve memiliki konsep pipe damper dan memiliki komponen kontrol

berupa piringan yang berdiameter sama dengan jalur pipa dan berputar secara

horizontal dan vertikal. Ketika fluida mengalir katup terbuka dan ketika fluida

berhenti mengalir maka katup tertutup. Butterfly valve pada ukuran besar memiliki

berat, ruang, dan biaya inisiasi yang lebih menguntungkan dibandingkan katup gate,

globe, dan ball. Biaya perawatan rendah karena jumlah komponen bergerak dan tidak

adanya ruang untuk memerangkap fluida.

Berikut perbandingan biaya beberapa katup berdasarkan ukuran: Gambar 10. Grafik Perbandingan Biaya dan Jenis Katup


Variable Speed Drive

VSD dihubungkan dengan motor induksi yang berada pada pompa berputar

dengan kecepatan tetap, ditentukan oleh frekuensi yang disuplai oleh tegangan suplai.

Arus yang diaplikasikan ke stator memproduksi medan magnet yang memutar

kecepatan sinkron. Kecepatan dapat dihitung dengan membagi alur frekuensi dengan

jumlah kutub magnetik. VSD mengkonversi frekuensi tetap ke frekuensi variabel yang

memungkinkan kecepatan motor dapat diubah. Berikut berbagai persamaan yang

digunakan dalam VSD :

!" =120!"

!

Keterangan :

§ Ns : putaran (rpm)

§ f : frekuensi (Hz)

§ p : jumlah kutub

! =!"#

9549

Keterangan : § Daya poros : putaran (kW) § T : torsi (Nm) § N : putaran (rpm)

! =!"#"$%"1,

73

1000

Keterangan :

§ P : daya listrik (kW)

§ V : tegangan (Volt)

§ I : arus (Amp)

§ pf : faktor daya (0,8)


Berikut rangkaian yang terdapat pada Variable Speed Drive : Gambar 11. Variable Speed Drive

Keterangan :

penyearah/rectifier

transistor, yang memiliki dua fungsi yaitu :

§ transistor sebagai switch, dikategorikan menjadi dua kondisi : FULLY ON dan

OFF, pada kondisi FULLY ON, tegangan transistor hampir nol, dan transistor

dikatakan dalam keadaan saturated karena tidak dapat mengalirkan arus collector

Ic lagi. Peralatan yang di-switch oleh transistor biasa disebut load.

§ transistor sebagai inverter, dimana sinyal output merupakan kebalikan dari sinyal

input. Ketika input-nya tinggi maka output-nya rendah dan sebaliknya jika input-

nya rendah maka output-nya tinggi.

Dalam rangkaian VSD yang diteliti, fungsi transistor sebagai inverter.

Gambar dibawah merupakan cara pemasangan VSD yang benar dan yang salah :


Gambar 12. Cara pemasangan VSD yang benar dan yang salah

Berikut ini merupakan tipe-tipe dari VFD :

1. Pengendali Mekanikal yang meliputi Adjustable sheave belt drive, Clutch, Traction

drive

2. Pengendali Elektrikal yang meliputi Eddy, DC, Solid state Vac, Multispeed motors

3. Pengendali Fluida

Uninterruptible Power Supply

Uninterruptible Power Supply (UPS) merupakan suatu alat yang menyediakan listrik

cadangan ketika sumber daya input gagal. Prinsip kerja UPS berupa perlindungan dan backup

baterai. Gambar 13. UPS dalam kondisi ON

Gambar 14. UPS dalam kondisi CHARGING


MULAI

mengurus perizinan dan

perjanjian dengan perusahaan

Maret-April 2014

mengikuti training untuk studi

lapangan dan manajemen

Awal Mei 2014

berdiskusi dengan divisi monitoring

control dan production

Pertengahan Mei 2014

melakukan capturing kondisi

lapangan dan peralatan yang ada

Pertengahan Mei 2014

mengambil data process flow

diagram Akhir Mei 2014

mengambil data pompa distribusi

Awal Juni 2014

mengambil data tren daya vs waktu selama 5 hari Awal Juni 2014

melakukan studi peralatan dan cara

kerja peralatan produksi (pompa

dan valve) Awal Juni 2014

melakukan analisa data dan menyusun

laporan Pertengahan Juni

2014

melengkapi laporan Akhir Juni 2014

SELESAI

Peralatan yang diproteksi dikoneksikan dengan daya utilitas. Ketika tegangan masuk

jatuh maka UPS secara mekanikal mengganti peralatan terkoneksi ke inverter output DC-AC.

Metode Penelitian

Hasil Penelitian

Setelah dilakukan pengukuran daya aktual (setelah pemasangan VSD pada pompa 2,3,

dan 4) dengan perhitungan daya teoritis (sebelum pemasangan VSD) diketahui bahwa nilai

daya aktual pada grafik lebih rendah dikarenakan pengaruh penurunan kecepatan putar.

Berikut data-data yang telah didapatkan :


0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

daya teori*s daya aktual

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000


Gambar 15. Grafik perbandingan daya aktual dan teoritis(kW) vs Waktu (jam) pada Sabtu, 10 Mei

2014

Jumlah Presentase penurunan daya : 0,089%

Gambar 16. Grafik perbandingan daya aktual dan teoritis (kW) vs Waktu (jam) pada Minggu, 11

Mei 2014

Jumlah Presentase penurunan daya : 0,098 %


0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000


0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000


Gambar 17. Grafik perbandingan daya aktual dan teoritis (kW) vs Waktu (jam) pada Senin, 12

Mei 2014

Jumlah Presentase penurunan daya : 1,7 %.

Gambar 18. Grafik perbandingan daya aktual dan teoritis (kW) vs Waktu (jam) pada Selasa, 13 Mei

2014



0

100

200

300

400

500

600

700

800

900


Gambar 19. Grafik perbandingan daya aktual dan teoritis (kW) vs Waktu (jam) pada Rabu, 14 Mei 2014


Pembahasan

Berikut analisa dari hasil pengukuran dan perhitungan:

v Terjadi penurunan daya dari jam 19.00 hingga jam 22.00 yang sengaja dikondisikan

agar pemakaian daya pompa sesuai dengan kebutuhan air yang tidak begitu besar pada

jam-jam tersebut.

v Terjadi penaikan daya dari jam 04.00 hingga jam 07.00 yang dikondisikan agar sesuai

dengan kebutuhan air yang besar pada jam 07.00 hingga jam 19.00.

v Pengaturan frekuensi pada VSD menyebabkan penurunan putaran sesuai kebutuhan

(yang pada akhirnya berujung pada efisiensi).

v Terjadi grafik daya aktual yang lebih bervariasi dibandingkan daya teoritis yang

cenderung mengalami penurunan daya disebabkan pengaturan putaran motor yang

intensif dengan VSD.

v Berikut analisa biaya dan konsumsi energi :

Perhitungan Konsumsi Energi Listrik terukur pada pompa yang belum dipasang VSD

dapat dilihat sebagai berikut :

v Biaya listrik di luar waktu beban puncak :

Rp 1.059,- per kWh

v Biaya listrik di waktu beban puncak :

Rp 1.482,- per kWh

Pemakaian listrik :


v Rata-rata perhari di luar waktu beban puncak (23.00-17.00) : 688 kWh

v Rata-rata perhari di waktu beban puncak (18.00-22.00) : 678 kWh

Biaya listrik selama 1 tahun :

Rp 17.674.209,- /hari x 30 hari x 12 :

Rp 6.362.715.240,-

Perhitungan Konsumsi Energi Listrik terukur pada pompa yang telah dipasang VSD dapat

dilihat sebagai berikut :

v Biaya listrik di luar waktu beban puncak :

Rp 1.059,- per kWh

v Biaya listrik di waktu beban puncak :

Rp 1.482,- per kWh

Pemakaian listrik :

v Rata-rata perhari di luar waktu beban puncak (23.00-17.00) : 704 kWh

v Rata-rata perhari di waktu beban puncak (18.00-22.00) : 668 kWh

Biaya listrik selama 1 tahun :

Rp 17.153.029,- /hari x 30 hari x 12 : Rp 6.175.090.440,-

Penghematan yang terjadi selama 1 tahun sebesar : Rp 187.624.800,-

Harga 3 buah VSD tegangan 380V, 3 fase dan frekuensi 50 Hz adalah Rp883.570.140,-

sehingga payback period didapat setelah 5,4 tahun.

Kapasitas kebutuhan air bersih penduduk Senayan dan Kebayoran sebesar 42.578.050

liter/hari sedangkan kapasitas air total yang di-supply per hari sebesar 61.920.000 liter/hari

(800 liter/detik x (3.600 x 24) detik/hari) sehingga dapat disimpulkan bahwa kapasitas air

yang di-supply memenuhi kebutuhan pelanggan setiap harinya.

Benefit Cost Ratio

Merupakan perbandingan revenue (pendapatan + nilai jual alat) dengan biaya investasi

(nilai beli alat). Dalam penelitian ini, revenue adalah penghematan ditambah harga jual VSD

dan biaya investasi adalah harga beli VSD. Dengan pertimbangan penurunan harga VSD

sebesar 10% selama 5 tahun maka perhitungan sebagai berikut :

!"# =!"#"$%"

!"#$%&'$"& =Rp187.624.800,−+ Rp795.213.126,−

Rp883.570.140,− = 1,11

Nilai BCR yang didapat lebih dari 1 sehingga dapat disimpulkan bahwa pembelian VSD

layak untuk dilakukan.


Gambar 20. Perbandingan sebelum dan sesudah pemasangan VSD dengan sampel pompa 2 pada Selasa,

13 Mei 2014

Parameter Before After Efficiency

kWh 842,8 692,2 17%

WBP 1,19 1 16%

LWBP 8,9 7,3 18%

Kesimpulan dan Saran

v Dibutuhkan pemasangan UPS (Uninterruptible Power Supply) untuk mengatasi putus

sambungan listrik.

v Dibutuhkan pemeriksaan pressure gauge pada sensor.

v Pemasangan VSD pada pompa 2,3 dan 4 memberikan efisiensi yang cukup baik dalam

parameter biaya (Luar Waktu Beban Puncak dan Waktu Beban Puncak), kWh (antara

16% hingga 18%).

Kepustakaan

1. Church, Austin. Centrifugal Pumps and Blowers. Krieger Publishing Company. New

York. 1972.

2. Data Peralatan dan Operasional Harian Divisi Produksi Perusahaan Air Minum X.

3. Data pengukuran Divisi Control-Monitoring Perusahaan Air Minum X

4. Energy Efficiency Guide for Industry in Asia. www.energyefficiencyasia.org. UNEP

2006.

5. Laporan Tahunan Perusahaan Air Minum X tahun 2011.

6. Slide Dasar Kelistrikan Pusat Penelitian Sains dan Teknologi Universitas Indonesia.

7. Ulanski, Wayne. Valve&Actuator Technology. McGraw-Hill,inc. Bogota. 1991.

8. http://id.wikipedia.org/wiki/SCADA diakses pada 6 Juni 2014.

9. http://energymanagertraining.com/Journal/VariableFrequencyDrives.pdf diakses

pada 6 Juni 2014


analisis konsumsi energi pada industri air minum di …

Documents