Pengelolaan Energi Listrik Pada Proses Permunian Air Berbasis Energi Surya

 Jeremyah Charga /TEKNIK ELEKTRO                 

                      Ketersediaan air bersih merupakan salah satu isu global yang terus menjadi perhatian, terutama di daerah terpencil yang sering kali mengalami keterbatasan akses terhadap air layak konsumsi. Pemurnian air menjadi solusi yang efektif, namun proses ini memerlukan konsumsi energi yang tinggi. Di sisi lain, pengembangan energi terbarukan seperti tenaga surya dapat menjadi alternatif untuk memenuhi kebutuhan energi secara berkelanjutan, khususnya untuk sistem pemurnian air.

                Pengelolaan energi listrik berbasis surya memiliki potensi besar untuk diimplementasikan dalam berbagai aplikasi, termasuk pemurnian air. Energi surya yang bersifat ramah lingkungan dan mudah diakses menawarkan solusi jangka panjang tanpa ketergantungan pada bahan bakar fosil. Sistem ini melibatkan beberapa komponen utama seperti panel surya, baterai, inverter, dan kontroler. Panel surya digunakan untuk mengubah energi matahari menjadi listrik, sementara baterai menyimpan energi yang tidak langsung digunakan untuk memastikan ketersediaan daya selama 24 jam.

Namun, salah satu tantangan utama dalam sistem ini adalah memastikan efisiensi penggunaan energi. Dalam hal ini, teknologi modern seperti kecerdasan buatan (AI) memainkan peran penting. AI dapat digunakan untuk memprediksi kebutuhan energi berdasarkan kondisi cuaca dan pola penggunaan. Dengan algoritma pembelajaran mesin, sistem dapat menyesuaikan operasinya untuk memaksimalkan efisiensi energi. Selain itu, sensor yang terhubung dengan sistem AI memungkinkan pemantauan kualitas air secara real-time, sehingga proses pemurnian dapat berjalan lebih efektif.

                Selain itu, kemajuan di bidang nanoteknologi turut memberikan kontribusi signifikan dalam meningkatkan performa sistem pemurnian air. Penggunaan material berbasis nano dalam filtrasi memungkinkan penghilangan partikel mikroskopis, logam berat, dan bakteri dengan efisiensi yang tinggi. Teknologi ini tidak hanya meningkatkan kualitas air, tetapi juga mengurangi konsumsi energi dalam proses filtrasi.

Sains data juga dapat diintegrasikan untuk menganalisis dan memantau performa sistem. Data yang dikumpulkan dari sensor pada sistem dapat digunakan untuk mempelajari pola penggunaan energi, mendeteksi anomali, dan merancang strategi optimasi yang lebih baik. Dengan demikian, pengelolaan energi dalam sistem pemurnian air tidak hanya menjadi lebih efektif tetapi juga dapat dipelihara secara berkelanjutan.

Melalui kombinasi teknik elektro, kecerdasan buatan, sains data, teknologi rekayasa, dan nanoteknologi, pengembangan sistem pemurnian air berbasis energi surya dapat menjadi solusi yang holistik dan aplikatif. Solusi ini tidak hanya relevan untuk mengatasi tantangan air bersih di daerah terpencil tetapi juga mendukung pencapaian Sustainable Development Goals (SDG) poin 6 (Clean Water and Sanitation) dan poin 7 (Affordable and Clean Energy).

            Sinar matahari dalam arti luas adalah spektrum total radiasi elektromagnetik yang diberikan oleh matahari. Di Bumi, sinar matahari disaring melalui atmosfer, dan radiasi matahari terlihat jelas saat siang hari ketika matahari berada di atas cakrawala, hal ini biasanya selama seharian. Di musim panas matahari berada mendekati kutub, sehingga lama siang pada kutub berlangsung lebih lama dibandingkan malam hari, bahkan daerah kutub dapat terkena matahari selama 24 jam secara penuh dan saat musim dingin di daerah kutub, sinar matahari mungkin tidak terjadi setiap saat atau bahkan tidak ada matahari sama sekali.

     

Cara Kerja Sel Surya

                     Sel surya konvensional bekerja menggunakan prinsip p-n junction, yaitu junction antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n. Semikonduktor ini terdiri dari ikatan- ikatan atom yang dimana terdapat elektron sebagai penyusun dasar. Semikonduktor tipe-n mempunyai kelebihan elektron (muatan negatif), sedangkan semikonduktor tipe- p mempunyai kelebihan hole (muatan positif) dalam struktur atomnya. Kondisi kelebihan elektron dan hole tersebut bisa terjadi dengan mendoping material dengan atom dopant. Sebagai contoh untuk mendapatkan material silikon tipe-p, silikon didoping oleh atom boron, sedangkan untuk mendapatkan material silikon tipe-n, silikon didoping oleh atom fosfor.

                     Zat padat dapat dibagi menjadi tiga kategori, berdasarkan konduksi listrik. Seperti: konduktor, semi-konduktor dan isolator. Diantara celah antara pita valensi dan pita konduksi (pita energi terlarang) dalam kasus isolator (hvEg), celah yang moderat dan elektron pada pita valensi dapat memperoleh energi cukup bagi mereka untuk menyeberangi daerah terlarang. Sementara, dalam kasus konduktor (Eg 0), celah tidak dilarang ada dan elektron dapat dengan mudah pindah ke pita konduksi. Semi-konduktor dapat lagi dibagi menjadi dua kategori: intrinsik dan ekstrinsik. Intrinsik (murni) semi-konduktor memiliki tingkat permifitas di tengah konduksi dan pita valensi. Dalam hal ini kepadatan elektron bebas di pita konduksi dan lubang bebas di pita valensi sama n=p=ni dan masing-masing sebanding dengan 

 

 

 

Gambar struktur pita semikonduktor bahan intrinsiki, TIwari 2010

b.Array PV (Panel Surya)

             Sebuah array fotovoltaik adalah kumpulan hubungan dari modul fotovoltaik, yang pada gilirannya terbuat dari beberapa sel surya yang saling berhubungan. Sel-sel mengubah energi matahari menjadi listrik arus searah (DC) melalui efek fotovoltaik. 

Kebanyakan array PV menggunakan inverter untuk mengubah daya DC yang dihasilkan oleh modul ke dalam arus bolak-balik (AC) yang dapat masuk ke infrastruktur yang ada untuk lampu listrik, motor dan beban lainnya. Modul dalam array PV biasanya pertama-tama dihubungkan secara seri untuk mendapatkan tegangan yang diinginkan; string individu kemudian terhubung secara paralel untuk memungkinkan sistem untuk menghasilkan lebih banyak. Array surya biasanya diukur dengan daya listrik yang mereka hasilkan dalam Watt, kiloWatt atau bahkan megaWatt.

              Output listrik dari modul tergantung pada ukuran dan jumlah sel. Panel listrik surya dapat dalam segala bentuk dan ukuran, dan dapat dibuat dari bahan yang berbeda. Kebanyakan panel PV surya memiliki 30-36 sel dihubungkan secara seri. Setiap sel memproduksi sekitar 0,5 V di bawah sinar matahari, sehingga panel menghasilkan 15 V sampai 18 V. Panel ini dirancang untuk mengisi baterai 12 V. Besar tegangan dan arus ini tidak cukup untuk berbagai aplikasi, sehingga umumnya sejumlah sel surya disusun secara seri membentuk modul surya. Modul surya tersebut bisa digabungkan secara paralel atau seri untuk memperbesar total tegangan dan arus outputnya sesuai dengan daya yang dibutuhkan untuk aplikasi tertentu. Gambar 2.8 menunjukan ilustrasi dari modul surya. 

 

Bentuk fisik solar cell, Jenny nelson

                    

             Panel satuan dalam Watt peak (Wp), yaitu listrik yang dihasilkan dalam sebuah beban optimal disesuaikan dengan insiden radiasi matahari 1000 WM2. Sebuah rating panel khas adalah 40 Wp. Dalam iklim tropis 40 Wp bisa menghasilkan rata-rata 150 Wh listrik per hari, tetapi karena cuaca perubahan energi bervariasi, biasanya antara 100 Wh dan 200 Wh per hari.

Unit Filtrasi Menggunakan Multi Media Filter (MMF)

              Prinsip dasar dari dari teknologi multi media filter adalah filtrasi. Filtrasi adalah pemisahan partikel padat dari suatu fluida dengan cara melewatkannya pada media penyaringan. Campuran heterogen antara fluida dan partikel padatan akan dipisahkan oleh media filter, dimana partikel padatan akan tertahan dan fluida akan lolos. Proses filtrasi mempunyai beberapa jenis media penyaring. Apabila proses filtrasi menggunakan lebih dari satu media penyaring maka disebut dengan multi media filter. Media penyaringan di tempatkan di dalam tangki. Pada saat air masuk ke dalam tangki melalui pipa inlet menuju outlet tangki maka air akan melewati media filter sehingga partikel partikel padat yang terkandung dalam air akan tersaring oleh media filter . 

 

Gambar Unit media filter, sumber :Said ,2005

Jenis - Jenis Media Filter

1 Sand Silica

Sand silica adalah mineral kuarsa denga kadar SiO2 yang tinggi, yaitu lebih dari 90%. Pasir silika berukuran 2,362 - 0,063 mm (Rachman dkk, 2012). Pasir silika dapat digunakan untuk menyaring kandungan lumpur, debu, partikel kecil, dan sedimen pada air. Apabila pasir silika sudah mulai menggumpal maka pasir silika harus segera diganti karena proses penyaringannya sudah tidak efektif lagi.

2.Carbon Active

Carbon active dalam arti luas mencakup berbagai olahan material berbentuk karbon amorf (Bansal dkk, 2005). Karbon aktif berfungsi untuk menyaring bau, warna, logam berat, dan kaporit. Karbon aktif memiliki gaya adsorpsi yang sangat kuat karena memiliki volume pori penyerapan yang tinggi. Luas per mukaan karbon aktif bisa mencapai lebih dari 1000 m2/g (Ibrahim dkk, 2014).

3.Manganese Zeolit

Manganese zeolit adalah zeolit sintetis yang permukannya dilapisi oleh mangan oksida yang memiliki rumus molekul K2Z.MnO.Mn2O7. Mangan zeolit merupakan media filter yang digunakan untuk menyaring kadar besi dan mangan dalam air. Menurut penelitian yang dilakukan oleh (Studi & Lingkungan, 2016) mangan zeolit dapat menurunkan konsentrasi kadar Fe dan Mn sebesar 39,4 % - 40,1%.

4.Gravel Filter

Gravel filter merupakan media filter yang terdiri atas lapisan media kerikil yang memiliki ukuran 3-66 mm. Gravel filter berfungsi untuk menurunkan tingkat kekeruhan dan memperoduksi suspemsi tanpa memerlukan penambahan koagulan 

Membran

         Membran didefinisikan sebagai suatu media berpori, berbentuk film tipis, bersifat semipermiabel, dan dapat digunakan untuk memisahkan partikel dengan ukuran molekular dalam suatu sistem larutan atau suspensi. Membran dapat diklasifikasikan berdasarkan eksistensinya, yaitu membran alamiah dan sintetik. Membran alamiah adalah membran dalam jaringan tubuh organisme, sedangkan membran sintetik adalah membran yang dibuat dari material tertentu seperti polimer dan keramik. Klasifikasi lain adalah berdasarkan strukturnya, yaitu membran simetrik dan asimetrik. Ketebalan membran simetrik berada antara 10 - 200 m dengan daya tahan transfer massa ditentukan dari ketebalan membran, sedangkan membran asimetrik terdiri dari lapisan atas berupa kulit tipis dengan ketebalan 0,1 -- 0,5 m dan didukung oleh bagian sub layer berpori dengan ketebalan 50 - 150 m. membran ini berselektifitas tinggi dan memiliki daya tahan terhadap transfer massa yang ditentukan dari tipisnya lapisan atas dan ukuran pori.

 

Kinerja Membran

Kinerja membran atau efisiensi membran dapat ditentukan oleh dua parameter, yaitu fluks volume dan rejeksi (Mulder, 1996).

            a. Fluks Volume (Jv)                

Fluks volume didefinisikan sebagai zat yang dapat menembus membran tiap satuan luas membran persatuan waktu. Fluks dapat dinyatakan dengan persamaan : 

Jv =   

Keterangan :

Jv : Fluks Volume (L/m2menit) 

A : Luas Permukaan (m2)

V   : Volume Permeat  (L)

 T : Waktu Proses (menit)

b. Rejeksi

Rejeksi menunjukkan besarnya kandungan garam yang tertahan pada permukaan membran. Semakin besar koefisien rejeksi yang diperoleh maka air yang dihasilkan semakin baik. Persamaan koefisien rejeksi, yaitu :

R = (1  Keterangan :

R : Rejeksi (%)

Cp : Konsentrasi solute dalam permeat (mg/L)

 Cf : Konsentrasi solute dalam umpan (mg/L)

2.5. Unit Reverse Osmosis (RO)

               Reverse Osmosis adalah suatu metode pemurnian air melalui membran semi permeable yang berukuran 0,0001 m, dimana suatu tekanan tinggi diberikan melampaui tarikan osmosis sehingga akan memaksa air melewati proses reverse osmosis dari bagian yang memiliki kepekatan tinggi kebagian dengan kepekatan rendah. Molekul air dan bahan mikro yang lebih kecil dari pori - pori reverse osmosis akan melewati pori - pori membran dan hasilnya adalah air yang murni. Proses ini mirip dengan proses filtrasi membran. Mekanisme utama pemisahan partikel - partikel asing dalam air pada proses filtrasi membran adalah pemisahan eksklusi berdasarkan ukuran partikel. Perbedaaannya adalah proses RO melibatkan mekanisme difusi sehingga efisiensi pemisahan partikel tergantung pada kadar partikel non dominan dalam larutan, tekanan, dan rasio dari water flux rate. Membran RO bisa menghasilkan air murni hingga 99%. Hal ini dikarenakan membran RO dapat menghilangkan polutan berbahaya di dalam air seperti logam - logam berat, pestisida, racun - racun, zat kimia, bakteri, virus, garam, dan endapan lainnya (Garca Reyes, 2013) (Budiyono dan Siswo, 2013).

 

Gambar Membran Reverse Osmosis. Budiyono dan Siswo, 2013

Prinsip Kerja Reverse Osmosis

             Prinsip kerja reverse osmosis adalah dimana terdapat dua jenis larutan yang diletakkan secara berdampingan dan diantara kedua jenis itu diletakkan membrane semi permeable sebagai pembatas. Pada wadah sebelah kiri disebut concentrated solution, yaitu larutan dengan kadar garam yang tinggi, sedangkan pada wadah sebelah kanan disebut dilute solution, yaitu larutan dengan kadar garam rendah. Fungsi membrane semi permeable yang diletakkan diantara kedua larutan tersebut adalah untuk mencegah terjadinya pencampuran diantara kedua larutan tersebut. Membran semi permeable adalah membran yang bisa dilewati molekul air, tetapi tidak bisa dilewati molekul garam.

             Proses reverse osmosis pada prinsipnya adalah kebalikan dari proses osmosis. Proses osmosis merupakan proses alamiah yang terjadi sebagai upaya untuk menyeimbangkan konsentrasi garam pada kedua sisi. Pada proses osmosis, molekul air akan mengalir dari permukaan air yang lebih rendah (dilute solution) menuju ke permukaan air yang lebih tinggi (concentrated solution). Tekanan inilah yang biasa disebut osmotic pressure, sedangkan proses reverse osmosis adalah proses dengan memberikan tekanan pada larutan yang memiliki kadar garam lebih tinggi (concentrated solution) agar terjadi aliran molekul air yang menuju larutan dengan kadar garam yang lebih rendah. Pada proses ini molekul garam tidak dapat menembus membrane semi permeable, sehingga hanya molekul air sajalah yang dapat mengalir dan kemudian akan menghasilkan air yang murni, sedangkan garam-garam terlarut yang tidak tersaring akan dibuang melalui saluran rejeksi atau saluran air buangan RO.

 

Perhitungan Pengisian Daya Pada Baterai

                Perhitungan pengsisian daya pada baterai disini untuk melihat berapa kapasitas baterai yang akan menyimpan daya yang disalurkan oleh solar cell 1000 Wp. Dengan dapatnya nilai pada perhitungan pemakaian beban yang disalurkan pada Pompa Ro dan UV, maka untuk menghitung berapa jam pengisian pada

baterai pada saat sinar matahari terlihat dalam kondisi cerah.

Perhitungan Berapa Jam Pengisian Baterai

Jenis Baterai = 12 V x 200 Ah

= 2400 Watt / Hari

Pemakaian    = Pompa Ro + UV

= 50 Watt + 6 Watt

= 56 Watt

Jumlah Baterai =  

   

  = 0,023 = 1 Unit

Pengisian Baterai =  

 = 2 jam 40 menit

 

 DAFTAR PUSTAKA

Rimbawati, R., Cholish, C., Tanjung, W. A. L., & Effendy, M. A. R. (2021). Pengujian Air Bersih Menjadi Hidrogen Untuk Energi Alternatif Dengan

Menggunakan Arduino. CIRCUIT: Jurnal Ilmiah Pendidikan Teknik 

Elektro, 5(1), 65-74.

Rimbawati, R., Siregar, Z., Yusri, M., & Al Qamari, M. (2021). Penerpan Pembangkit Tenaga Surya Pada Objek Wisata Kampung Sawah Guna Mengurangi Biaya Pembelian Energi Listrik. Martabe: Jurnal Pengabdian Kepada Masyarakat, 4(1), 145-151.

Hartono, B., & Purwanto. (2015). Perancangan pompa air tenaga surya guna memindahkan air bersih ke tangki penampung. Jurnal Mesin Teknologi (SINTEK), 9(1), 28–33.

Iqtimal, Z., & Devi, I. (2018). Aplikasi Sistem Tenaga Surya Sebagai Sumber Tenaga Listrik Pompa Air. Kitektro, 3(1), 1–8.

Mashadi, A., Surendro, B., Rakhmawati, A., & Amin, M. (2018). Peningkatan Kualitas PH, FE Dan Kekeruhan Dari Air Sumur Gali Dengan Metode Filtrasi. Jurnal Riset Rekayasa Sipil, 1(2), 105.

https://doi.org/10.20961/jrrs.v1i2.20660

Nasir, S., Ibrahim, E., & Arief, A. T. (2013). Pendahuluan Air Asam Tambang dan Pengolahannya Sand Filter , Ultrafiltrasi dan Reverse Osmosis. 193– 200.

Said, N. I. (2009). Uji Kinerja Pengolahan Air Siap Minum Dengan Proses Biofiltrasi, Ultrafiltrasi Dan Reverse Osmosis (RO) Dengan Air Baku Air Sungai Nusa Idaman Said. Jai, 5(2), 144–161.

Setiaji, G., & Said, N. I. (2018). Perancangan Pengolahan Air Minum Tenaga

Surya Kapasitas 50 M3/HARI (Dengan Menggunakan Proses Biofiltrasi Dan

Ultrafiltrasi).       Jurnal Air       Indonesia,       9(1). https://doi.org/10.29122/jai.v9i1.2472

Studi, P., & Lingkungan, T. (2016). Pengaruh Jenis Media Filtrasi Kualitas Air Sumur Gali Jenni Oni Rahmawati 1) dan Indah Nurhayati 2) 1). 14(2010).

Vegatama, M. R., Willard, K., Saputra, R. H., Ramadhan, M. A., Tinggi, S., Migas, T., Perminyakan, T., Tinggi, S., Migas, T., Tinggi, S., Migas, T., Tinggi, S., & Migas, T. (2020). Rancang Bangun Filter Air Dengan Filtrasi. 2, 1–10.

Wiyono, N., Faturrahman, A., & Syauqiah, I. (2017). Sistem Pengolahan Air Minum Sederhana (Portable Water Treatment). Konversi, 6(1), 27. https://doi.org/10.20527/k.v6i1.3012