Oleh: Davidika Argo Selo B., Diatri Rahima Adristi, Dhea Salsabila, dan Rifqi Firza Ananda

Menurut Lembaga Eksekutif Institute for Essential Service Reform (IESR), Indonesia memiliki potensi energi terbarukan sekitar 442,4 GW dan sampai saat ini baru dimanfaatkan sebesar 2% [2]. Salah satu pemanfaatan energi terbarukan yang saat ini memiliki potensi besar untuk dikembangkan adalah energi angin. Energi angin merupakan sumber energi terbarukan yang dapat dijadikan sebagai sumber energi alternatif dikarenakan energi angin tidak memerlukan bahan bakar untuk menghasilkan energi listrik dan hanya membutuhkan ruang instalasi yang kecil [3]. Energi ini merupakan energi yang bersih dan dalam proses produksinya tidak mencemari lingkungan.

Bagaimanakah potensi energi angin di Indonesia?

Kecepatan angin rata-rata di wilayah Indonesia tergolong kecepatan angin rendah, yaitu berkisar antara 3 m/s hingga 5 m/s [4]. Dalam menentukan energi angin di suatu daerah bukanlah hanya dengan mengetahui kecepatan angin rata-rata pada daerah tersebut, karena kecepatan angin sangat fluktuatif setiap waktunya. Oleh karena itu, yang terpenting adalah perhitungan lama/durasi kecepatan angin produktif tersebut berhembus setiap harinya dengan diketahui besar energinya.

Potensi angin Indonesia memang cukup besar. Rencana Umum Energi Nasional (RUEN) mencantumkan angka 60.647,0 MW untuk kecepatan angin 4 meter per detik atau lebih [5]. Menurut ketua peneliti Pusat Teknologi Dirgantara Terapan Lapan, Energi angin sebagai sumber energi terbarukan yang berkecepatan lima meter per detik bisa dianalogikan setiap satu kilometer persegi menghasilkan 4-5 MW listrik.

Dalam Pemanfaatannya, energi angin dapat dimanfaatkan sebagai salah satu penerapan untuk lampu penerangan di jalan tol. Penerangan jalan tol merupakan hal yang penting bagi aktivitas transportasi terutama dalam kondisi malam hari. Sumber energi angin yang terbanyak pada jalan raya terletak pada jalan tol dikarenakan selain aliran angin alami, aliran angin yang berasal dari kendaraan yang melintas pada jalan tol menjadi sumber yang sangat potensial. Tingginya kecepatan angin yang berasal dari pergerakan kendaraan pada jalan tol menghasilkan gangguan yang kuat pada udara dan mengirimkan energi untuk membangun pemanfaatan energi dalam bentuk energi angin lokal [6]. Tingginya potensi energi angin pada jalan tol bergantung pada jauhnya jarak jalan tol dan tingginya suatu jalan tol [7]. Selain untuk pemanfaatan lampu penerangan jalan, energi angin juga dapat dimanfaatkan untuk penerangan rest area di sepanjang jalan tol.

Mengapa memanfaatkan energi angin lebih efektif daripada sumber energi solar cell?

Pada umumnya, penerangan jalan raya menggunakan teknologi solar cell dengan memanfaatkan penyerapan energi radiasi matahari yang dikonversikan menjadi energi listrik, namun solar cell masih memiliki kekurangan pada bahannya. Bahan silikon masih terlalu rendah dalam menyerap spektrum radiasi matahari karena dibutuhkan ketebalan material silikon yang cukup besar (ketebalan 200 µm). Kemudian, upaya meningkatkan daya serap solar cell yang berhubungan dengan efisien diperlukan proses pemurnian untuk meningkatkan kualitas bahan silikon dengan biaya yang mahal,  dengan kekurangan tersebut maka diperlukan teknologi energi alternatif yang lain seperti teknologi turbin angin [8].

Bagaimana cara memanfaatkannya?

Energi angin yang berasal dari kendaraan dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik menggunakan turbin angin. Pemilihan turbin angin sangat penting untuk menyesuaikan karakteristik angin di suatu daerah atau tempat. Dengan kondisi dan karakteristik angin yang dihasilkan dari kendaraan, turbin angin vertikal akan menghasilkan efisiensi yang lebih baik. Hal ini dikarenakan turbin angin vertikal memiliki keunggulan berupa tidak perlu diarahkan ke arah angin bertiup serta variasi kecepatan angin [9].

Turbin angin sumbu vertikal banyak sekali jenisnya. Melihat karakteristik angin yang dihasilkan, turbin angin vertikal yang dipilih adalah jenis savonius. Turbin savonius ini memiliki banyak kelebihan, diantaranya:

1. Dapat dipasang di dekat tanah dan tidak memerlukan tower yang tinggi.
2. Dapat bekerja pada kecepatan rendah
3. Ramah lingkungan.

Savonius dalam mengonversi energi angin menjadi listrik dengan prinsip aerodinamika dalam mengonversi aliran energi yang melewati sudu turbin dengan memanfaatkan gaya drag dari proses tersebut. Turbin angin mempunyai daya dan putaran yang rendah dengan memanfaatkan gaya hambat tersebut. Akan tetapi, turbin ini tidak membutuhkan energi awal yang besar untuk memulai putaran rotornya [10].

Putaran pada poros turbin ini terjadi akibat adanya gaya drag angin yang memutar sudu pada turbin savonius. Poros ini tersambung dengan gearbox yang berada di bawah turbin ini. Adanya gearbox berfungsi untuk mengubah kecepatan putar dari turbin menjadi lebih tinggi. Sebelum mencapai generator, diperlukan sebuah braking system agar kecepatan yang dihasilkan dapat terkendali. Hal ini penting dilakukan agar generator memiliki batas titik kerja aman agar didapatkan hasil yang maksimal [11]. Adanya braking system akan mengontrol kecepatan putar apabila terjadi perubahan kecepatan yang sangat signifikan. Putaran poros yang mencapai generator akan dimanfaatkan untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik [12]. Listrik yang dihasilkan ini tidak dapat langsung tersimpan di baterai. Hal ini dikarenakan baterai hanya dapat diisi atau discharge dengan arus listrik DC. Penggunaan rectifier atau penyearah digunakan untuk mengubah arus listrik AC dari generator menjadi arus listrik DC sehingga dapat digunakan untuk mengisi baterai. Kemudian pada saat listrik dari baterai akan digunakan, listrik perlu diubah kembali menjadi arus AC dengan menggunakan inverter. Penggunaan turbin angin savonius ini sesuai untuk digunakan pada jalan tol.

Apa saja parameter penempatan turbin angin yang perlu diperhatikan agar pemanfaatan energinya bisa optimal?

Penempatan turbin angin dapat menentukan kecepatan angin yang akan diterima oleh turbin, begitu juga untuk penempatan pada jalan tol. Kecepatan angin ini didapatkan dari pergerakan kendaraan yang melintas pada jalan. Dengan demikian, sebelum dilakukan penempatan turbin, perlu dilakukan pencarian kecepatan angin yang optimal dengan mengukur variasi kecepatan angin pada 3 parameter penempatan yang berbeda. Tiga parameter penempatan tersebut adalah jarak lateral (samping) penempatan terhadap jalan, ketinggian penempatan terhadap tanah, dan arah sudut datang angin. 

Kecepatan angin di pinggir jalan berbeda-beda bergantung pada jaraknya terhadap tepi jalan. Semakin jauh posisi terhadap tepi jalan, maka angin yang didapati lebih kecil daripada jarak yang lebih dekat. Hal ini dikarenakan sumber angin yang berasal dari pergerakan kendaraan di jalan. Akan lebih baik apabila penempatan turbin angin tidak terlalu jauh dari tepi jalan, namun bukan berarti penempatan yang terbaik berada di jarak terdekat dengan tepi jalan. Hal ini mempertimbangkan adanya turbulensi angin pada bagian belakang kendaraan yang bisa disebut trailing vortice [14]. (Gambar 3).

Pada studi kasus Jalan Federal no. 33, Malaka, Malaysia; kecepatan angin optimal berada di jarak 1 meter terhadap tepi jalan dengan kecepatan angin 6 m/s. Sementara itu, pada jarak 0.5 m, kecepatan angin yang didapatkan 4.5 m/s [14]. Berdasarkan hal tersebut, kecepatan angin yang optimal akan didapatkan pada penempatan yang tidak terlalu jauh maupun dekat.

Besar kecepatan angin juga relatif terhadap ketinggian terhadap jalan dan sudut datang angin. Berdasarkan penelitian, penempatan ketinggian yang mampu memberikan kecepatan angin optimal adalah penempatan ketinggian 1 meter terhadap tanah. Sedangkan untuk sudut datang angin, besar sudut yang optimal adalah 45^o [14].  Tiga parameter di atas berlaku untuk turbin angin yang dipasang sejajar dengan jalan. Namun, parameter sudut kedatangan angin ini hanya berpengaruh pada turbin angin horizontal dan tidak berlaku untuk turbin angin vertikal. Dengan demikian, penerapan turbin angin horizontal pada jalan tol hanya mempertimbangkan parameter yang lebih sedikit. Hal ini membuat potensi angin pada jalan tol optimal jika dimanfaatkan dengan turbin angin vertikal, seperti turbin savonius, daripada turbin angin horizontal.

Bagaimana kendala dan tantangan turbin angin di masa mendatang?

Penerapan turbin angin di jalan tol sebagai generator listrik merupakan inovasi yang cukup tepat. Hal ini dikarenakan sifatnya yang berkelanjutan dan memanfaatkan energi angin yang timbul dari pergerakan kendaraan. Namun, dalam pengembanganya masih dijumpai beberapa tantangan. Dari segi efisiensi, VAWT dalam skala kecil cukup sulit untuk memperoleh efisiensi yang besar. Hal ini dikarenakan performa dari VAWT sangat sensitif terhadap lift/drag rasio dari bilah/sudu turbin tersebut dan tidak cocok atau kurang baik jika digunakan pada bilangan Reynold yang rendah. Pada penelitian lain, didapatkan prototype turbin yang memiliki efisiensi mencapai 34,6%. Prototype yang cukup menjanjikan untuk pengembangan skala komersial [16]. Selain itu dalam segi Operation & Maintenance (O&M), turbin angin jalan tol harus didesain dengan perawatan yang minimum tetapi memiliki jangka waktu kerja yang maksimal. Hal ini dilakukan karena peletakannya yang di jalan tol, tempat kendaraan akan selalu melewati jalan, maka perawatan yang minimum cukup diperlukan agar tidak mengganggu jalannya kendaraan. Perawatan turbin angin pada umumnya  terdiri dari pembaruan minyak untuk lubrikasi dan penggantian ball bearing. Pembaruan minyak ini dapat dilakukan 3 sampai 4 tahun sekali, sedangkan untuk penggantian ball bearing dilakukan setiap 20 sampai 40 tahun sekali atau tergantung dengan lokasi dan intensitas angin di daerah tersebut [17]. Sedangkan pada biaya Operation & Maintenance (O&M), setiap jenis turbin angin memiliki nilai yang berbeda tergantung pada jenis turbin angin itu sendiri.

Hal lain yang perlu diperhatikan untuk turbin angin yaitu dampaknya terhadap lingkungan. Masalah umum yang terjadi pada pembangkit listrik tenaga angin adalah kebisingan dari turbin angin yang mempengaruhi lingkungan sekitar. Pada dasarnya turbin angin memiliki 2 sumber kebisingan yaitu yang berasal dari segi aerodinamis dan segi mekanikal. Kebisingan yang disebabkan sifat aerodinamis berasal dari interaksi sudu turbin angin dengan udara/angin di sekitarnya. Kekuatan suara yang dimiliki dari sifat aerodinamis ini yaitu berhubungan dengan rasio dari kecepatan ujung sudu dengan kecepatan angin [18]. Dengan demikian, solusi untuk mengurangi kebisingan yaitu dengan cara mendesain dan memodifikasi turbin yang sesuai. Sementara itu, kebisingan segi mekanikal berasal dari mesin-mesin internal turbin angin. Suara yang dihasilkan memiliki nada yang konstan, yang berkebalikan dengan kebisingan dari sifat aerodinamis, yaitu tergantung dengan intensitas angin yang ada pada saat tertentu. Sejauh ini menurut beberapa penelitian yang telah dilakukan, tipe yang cocok digunakan pada jalan tol adalah VAWT. Hal ini juga didukung dari segi kebisingan karena VAWT memiliki tingkat kebisingan yang lebih rendah dibandingkan HAWT [19]. Hal ini terkait letak gearbox, generator, electrical condult, dan drive shaft dapat terletak di dasar permukaan (Gambar 4). Walaupun tingkat kebisingan lebih rendah, tetap perlu dilaksanakan penelitian lebih lanjut mengenai pengaruhnya terhadap pengemudi di jalan tol.

Hal lain yang menjadi tantangan dari turbin angin adalah dari segi penyimpanan dan pendistribusian energi listrik. Seperti yang diketahui  bahwa energi angin merupakan salah satu energi terbarukan yang bersifat intermitent, sehingga diperlukan sarana penyimpanan yang paling efisien dan memiliki kapasitas yang cukup. Selain itu, energi listrik yang telah dihasilkan seharusnya dapat digunakan untuk berbagai hal, seperti infrastruktur lampu di jalan tol. Ke depannya, turbin angin jalan tol dapat menyalurkan hasil listriknya ke penduduk sekitar maupun ke jaringan utama PLN.

Referensi

1. Y. Yoneda, “INHABITAT,” Turbine Light Illuminates Highways With Wind, 2 Mei 2010. [Online]. Available: https://images.app.goo.gl/gyJRi2S5QFiAvduh6. [Accessed 31 Agustus 2020].
2. A. Padda, “Indonesia miliki potensi energi terbarukan 442,4 GW,” AntaraNews.com, 13 Juli 2020. [Online]. Available: antaranews.com/berita/1608254/indonesia-miliki-potensi-energi-terbarukan-4424-gw. [Accessed 25 Agustus 2020].
3. C. Photong and C. Promdee, “Effects of Wind Angles an Wind Speeds on Voltage Generation of Savonius Wind Turbine with Double Wind Tunnels,” ScienceDirect, pp. 401-404, 2016.
4. M. L. Dewi, “ANALISIS KINERJA TURBIN ANGIN POROS VERTIKAL DENGAN MODIFIKASI ROTOR SAVONIUS L UNTUK OPTIMASI KINERJA TURBIN,” Universitas Sebelas Maret, Surakarta, 2010.
5. “Lampiran 1 Peraturan Presiden Nomor 22 Tahun 2017 tentang Rencana Umum Energi Naional,” Sekretariat Kabinet Republik Indonesia,, [Online]. Available: https://sipuu.setkab.go.id/PUUdoc/175146/Lampiran%20I%20Perpres%20Nomor%2022%20Tahun%202017.pdf.. [Accessed 25 Agustus 2020].
6. H. Gopalan and C. Lapointe, “Numerical Investigation of Mini Wind Turbines Near Highways,” Journal of Solar Energy Engineering, Januari 2016.
7. W. Tian, Z. Mao, X. An, B. Zhang and H. Wen, “Numerical study of energy recovery from the wakes of moving vehicles on highways by using a vertical axis wind turbine,” Elsevier, vol. 141, pp. 715-728, 2017.
8. P. Yu, J. Wu, S. Liu, J. Xiong, C. Jagadish and Z. M. Wang, “Design and fabrication of silicon nanowires towards efficient solar cells,” UCL, vol. 11, no. 6, pp. 704-737, 2016.
9. F. N. Soelaiman, N. P. Tandian and Rosidin, “Perancangan dan Pengujian Prototipe SKEA menggunakan Rotor Savonius dan Windside untuk Penerangan jalan Tol,” ITB, Bandung, 2006.
10. M. K. Fauzi, “Aerodynamics Characteristics of A Stationary Five Bladed Vertical Axis vane Wind Turbine,” Journal of Mechanical Engineering, vol. ME39, no. 2, pp. 95-99, 2008.
11. N. Mittal, “Investigation of Performance of a Novel VAWT,” Department of Mechanical Engineering University of Strathclyde, UK, 2001.
12. D. Marsudi, Pembangkit Energi Listrik, Jakarta: Erlangga, 2005.
13. “Penampang Turbin Savonius,” [Online]. Available: https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn%3AANd9GcT4xcFbY3cRw-qPeK2l7meW9_MLy5_3aQPoIw&usqp=CAU.
14. A. A. Al-Aqel, B. K. Lim, Noor and E. E. Mohd, “Potentiality of small wind turbines along highway in Malaysia,” in Researchgate, 2016.
15. C. Jermann, G. Pujals, P. Meliga, E. Serre and F. Gallaire, “Characterization of the streamwise vortices and near-wake dynamics in the turbulent flow around the 25° Ahmed body based on SPIV,” in 3rd GDR Symposium “Flow Separation Control”, Ecole Centrale de Lille, 7th and 8th,, Lille, France, 2013.
16. Banihani, E. Sedaghat, A. alshammari, M. Hussein, A. Kakuli, H. Shuaib and Abdulmalik, “Feasibility of Highway Energy Harvesting Using a Vertical Axis Wind Turbine,” Energy Engineering: Journal of the Association of Energy Engineers, vol. 115, 2018.
17. B. d. Jong, “Wind Turbines along highways, Feasibility study of the implementation of small scale wind turbines along the Prins Bernardweg Zaandam to Bolswarderbaan highway in the Netherlands,” Faculty Technology, Policy & Management, Delft University of Technology, Energy & Industry department, Delft, 23 Februari 2015.
18. D. J. Alberts, “Addressing wind turbine noise,” Lawrence University, 2006.
19. E. MÖLLERSTRÖM, S. LARSSON, F. OTTERMO, J. HYLANDER and L. BÅÅTH, “Noise Propagation from a Vertical Axis Wind Turbine,” in Congr. INTER.NOISE, 2014.