PLTS Aplikatif: Greenhouse System dan Energy Storage Sistem Masa Depan PLTS

Indonesia memiliki harga karun yang sangat berlimpah khususnya dalam bidang penyediaan energi. Letak geografis dan iklim di Indonesia yang sangat potensial membuat Indonesia memiliki potensi energi baru terbarukan (EBT) yang sangat meliimpah. Salah satunya adalah energi surya.

Berdasarkan data Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral (ESDM), sumber energi surya di Indonesia mencapai 10 kali lipat dari panas bumi yang ada, yakni sebesar 207,8 giga watt (GW). Potensi tersebut diproyeksikan akan menjadi masa depan energi baru terbarukan, dalam memenuhi ketersediaan energi. 

Dalam penggunaanya, terdapat beberapa hal yang perlu dikontrol, salah satunya adalah quality control. Sistem PLTS memerlukan quality control untuk tetap menjaga dan memastikan bahwa sistem bekerja dengan baik.

Quality control adalah kunci untuk menciptakan sistem yang efektif dan efisien. Beberapa kasus pada sistem PLTS disebabkan oleh quality control tidak diperhatikan. Akibatnya akan terjadi kerusakan sistem yang tentunya akan mempengaruhi performance dan kinerja dari PLTS. 

Selain itu, meski potensi surya yang dimiliki sangatlah besar, namun sifat dari energi surya adalah intermittent, dimana produksi listrik akan dipengaruhi oleh kondisi dan ketersediaan sinar matahari. Artinya energi surya hanya akan tersedia ketika terdapat supply panas matahari yang mengenai modul.

Oleh sebab itu, dibutuhkan tempat penyimanan energi (energy storage). Tujuan penggunaannya yaitu untuk menyimpan energi ketika pembangkit menghasilkan energi yang berlebih. Ketika energi tersebut telah dibutuhkan kembali, energi yang tadinya disimpan dapat dimanfaatkan. Tempat penyimpanan energi ini disebut dengan energy storage system.

Dalam sistem pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) menggunakan energy storage yaitu baterai. Jenis-jenis baterai yaitu terdapat chemical, electrochemical, thermal, mechanical, dan solid state.

• Chemical terdiri dari hydrogen, methane, dan bio energy.
• Electrochemical terdiri dari lead acid, lithium ion, sodium batteries, zinc air, vanadium flow, zinc bromine flow dan fuel cell.
• Thermal berdiri dari molten salts, hot water, chillers, ice making, phase change materials (cold and heat).
• Mechanical terdiri dari rotary atau flywheel, pumped storage, gravity based, dan compressed air.
• Solid state terdiri dari ultracapasitors, superconductor magnets, ceramic electrolyte, dan glass electrolyte.

Pembangkit listrik yang dilengkapi dengan energy storage biasanya banyak ditemukan pada penggunaan PLTS aplikatif. Beberapa jenis pemanfaatan PLTS aplikatif yakni solar water pumping, light traffic, aquavoltaics, agrophotovoltaic, desalination system dan greenhouse. Pada artikel ini akan dibahas salah satu PLTS aplikatif yaitu greenhouse.

Greenhouse merupakan salah satu elemen terpusat yang paling khusus dari sistem pertanian modern. Tujuannya untuk melindungi tanaman dari kondisi cuaca yang keras di luar, pencegahan kontaminasi, dan perlindungan hama serta kondisi di dalam greenhouse. Selain itu, greenhouse akan membuat tanaman tumbuh dengan baik, khususnya jenis tanaman tertentu seperti buah-buahan, sayuran, bunga, dan rempah-rempah sepanjang tahun [1, 2].

Baru-baru ini integrasi sistem PV pada sistem greenhouse mendapat perhatian yang luar biasa karena memiliki potensi besar untuk mengatasi tantangan utama yang melekat pada sektor greenhouse, termasuk keterbatasan ketersediaan lahan yang subur dan kewajiban untuk mengurangi emisi GRK. 

Kebutuhan listrik pada greenhouse dapat disuplai baik dengan memasang modul PV pada kulit rumah kaca (atap atau dinding) atau memasangnya sebagai unit terpisah. 

Sistem PV yang terintegrasi dapat terhubung ke jaringan ataupun berdiri sendiri. Kelebihannya listrik dapat dengan mudah dikontrol sebab menggunakan energy storage, sehingga energi dapat disimpan jika terjadi kelebihan supply. Selain itu, diharapkan dapat memberikan sumber pendapatan tambahan bagi para petani.

Saat ini, terdapat tiga jenis integrasi berbagai macam teknologi modul PV pada greenhouse, yakni PV integrated solar greenhouse [3], PVT integrated solar greenhouse [4], dan CPVT integrated solar greenhouse [5].

1. PV integrated solar greenhouse

Menurut literatur, pada PV integrated solar greenhouse, modul PV yang paling banyak digunakan adalah jenis monocrystaline dan polikristalin. Meskipun integrasi modul PV buram dan semitransparan pada greenhouse sistem ini, telah didapatkan beberapa penelitian, transparansi cahaya yang diberikan oleh tipe ini dapat mengurangi masalah pemblokiran cahaya di dalam greenhouse. 

Yildiz dkk. (Yildiz, 2012) mengembangkan sistem pendingin bertenaga PV yang terhubung ke jaringan dan mengintegrasikan sistem yang diusulkan pada greenhouse. Komponen utama perancangan adalah: (I) konverter, (II) sel PV, (III) inverter, (IV) kipas angin, (V) penukar panas bumi-ke-udara (HAHE), dan (VI ) greenhouse.

2. PVT integrated solar greenhouse

Saat mendesain PV salah satu hal yang perlu diperhatikan yakni payback period. Pada sistem PVT didesain dengan menghadirkan alternatif yang baik dan menyediakan pembangkit listrik termal dan listrik, sehingga terdapat pengurangan waktu pengembalian yang signifikan [117, 118]. Menurut literatur, dalam aplikasi greenhouse, udara dan air adalah salah satu fluida kerja yang paling banyak digunakan dalam modul PVT. 

Namun, modul PVT berbasis air lebih efektif untuk menurunkan suhu sel PV, terutama di bawah kondisi iklim panas. Di sisi lain, dalam hal kesederhanaan dan efektivitas biaya, modul PVT berbasis udara memiliki keunggulan tambahan [7, 8].

3. CPVT integrated solar greenhouse

Overheating sel surya adalah salah satu kemunduran utama dalam modul CPV, karena nilai rasio konsentrasinya yang tinggi, yang dapat mencapai lebih dari 100 [10]. Oleh karena itu, diperlukan mekanisme pendinginan permanen untuk menghindari kerusakan pada modul. Integrasi modul termal dengan unit CPV akan berbasis daya termal dan listrik yang signifikan sebagai output [11]. Modul CPVT, menggunakan reflektor atau lensa pemusatan, membawa dua keuntungan utama: (1) sistem yang kompak sehingga dapat dengan mudah dipasang di atap, dan (2) memberikan output yang dapat diterima bahkan dalam kondisi cuaca buruk.

Seperti halnya sektor lain, penggunaan PLTS pada sistem greenhouse diharapkan dapat mengurangi masalah meningkatnya penggunaan bahan bakar fosil, seiring dengan meningkatnya ketergantungan pada kegiatan padat energi. 

Mengingat permintaan energi yang tinggi dengan implikasi dari jejak karbon yang lebih tinggi dalam kegiatan pertanian, kebutuhan untuk adopsi sumber energi terbarukan di komunitas pertanian tampaknya penting. Keuntungan dari penggunaan teknologi PV pada sistem greenhouse yakni :

• Penerapan teknologi PV pada sistem greenhouse cukup beragam dan memiliki potensi luar biasa untuk mengurangi emisi karbon dan membawa keuntungan lebih lanjut bagi bisnis.
• Pengembangan beberapa teknologi greenhouse berbasis PV membawa lebih jauh inovasi dan fleksibilitas dalam penggunaan teknologi PV di lahan, terutama sistem PVT.
• Solusi yang lebih hemat biaya dengan opsi penyimpanan energi yang lebih murah diperlukan untuk lebih meningkatkan penggunaan teknologi PV.

References :

[1]      G. A. Giacomelli, "Engineering principles impacting high-tunnel environments," Horttechnology, vol. 19, no. 1, pp. 30--33, 2009, doi: 10.21273/hortsci.19.1.30.

[2]      A. Scognamiglio, F. Garde, T. Ratsimba, A. Monnier, and E. Scotto, "Photovoltaic Greenhouses: A Feasible Solutions For Islands? Design , operation , monitoring and lessons learned from a real case study .," 6th World Conf. Photovolt. Energy Convers., no. November, pp. 1169--1170, 2014.

[3]      F. Sgroi, S. Tudisca, A. M. Di Trapani, R. Testa, and R. Squatrito, "Efficacy and efficiency of italian energy policy: The case of PV systems in greenhouse farms," Energies, vol. 7, no. 6, pp. 3985--4001, 2014, doi: 10.3390/en7063985.

[4]      S. Tiwari, J. Bhatti, G. N. Tiwari, and I. M. Al-Helal, "Thermal modelling of photovoltaic thermal (PVT) integrated greenhouse system for biogas heating," Sol. Energy, vol. 136, pp. 639--649, 2016, doi: 10.1016/j.solener.2016.07.048.

[5]      et al Sonneveld, P. J., "A Fresnel lenses based concentrated PV system in a greenhouse.," Greensys, vol. 893, pp. p343-50, 2009.

[6]      A. Yildiz, O. Ozgener, and L. Ozgener, "Energetic performance analysis of a solar photovoltaic cell (PV) assisted closed loop earth-to-air heat exchanger for solar greenhouse cooling: An experimental study for low energy architecture in Aegean Region," Renew. Energy, vol. 44, pp. 281--287, 2012, doi: 10.1016/j.renene.2012.01.091.

[7]      B. Agrawal and G. N. Tiwari, "Optimizing the energy and exergy of building integrated photovoltaic thermal (BIPVT) systems under cold climatic conditions," Appl. Energy, vol. 87, no. 2, pp. 417--426, 2010, doi: 10.1016/j.apenergy.2009.06.011.

[8]      X. Zhang, X. Zhao, S. Smith, J. Xu, and X. Yu, "Review of R&D progress and practical application of the solar photovoltaic/thermal (PV/T) technologies," Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 16, no. 1, pp. 599--617, 2012, doi: 10.1016/j.rser.2011.08.026.

[9]      K. Wang, A. M. Pantaleo, G. S. Mugnozza, and C. N. Markides, "Technoeconomic assessment of solar combined heat and power systems based on hybrid PVT collectors in greenhouse applications," IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng., vol. 609, no. 7, 2019, doi: 10.1088/1757-899X/609/7/072026.

[10]    C. Lamnatou and D. Chemisana, "Solar radiation manipulations and their role in greenhouse claddings: Fluorescent solar concentrators, photoselective and other materials," Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 27, pp. 175--190, 2013, doi: 10.1016/j.rser.2013.06.052.

[11]    S. K. Chou, K. J. Chua, J. C. Ho, and C. L. Ooi, "On the study of an energy-efficient greenhouse for heating, cooling and dehumidification applications," Appl. Energy, vol. 77, no. 4, pp. 355--373, 2004, doi: 10.1016/S0306-2619(03)00157-0.

[12]    M. Imtiaz Hussain, A. Ali, and G. H. Lee, "Multi-module concentrated photovoltaic thermal system feasibility for greenhouse heating: Model validation and techno-economic analysis," Sol. Energy, vol. 135, pp. 719--730, 2016, doi: 10.1016/j.solener.2016.06.053.