all about electricity (indonesia)

Archive for Desember, 2009

Kapasitas Pembangkitan Listrik dengan Pendekatan Probabilistik – Reliability STL Bagian II

Teori Probabilitas Dasar

Saya merekomendasikan untuk membaca terlebih dahulu buku Statistik dari Schaum’s Outlines bab 6 agar anda lebih mudah mengikuti pemaparan tentang kapasitas pembangkitan dengan pendekatan probabilistik. Ada yang mengatakan Probabilitas adalah peluang kemunculan suatu kejadian. Sebagian besar Probabilitas suatu kejadian akan bernilai di antara 0 (gagal / failure (f)) dan 1 (berhasil / success (s)) kecuali untuk kasus-kasus yang ekstrim.

Jika p = probabilitas keberhasilan, q = probabilitas kegagalan, s = jumlah keberhasilan, dan f = jumlah kegagalan, maka

p=\frac{s}{s + f}

q=\frac{f}{s + f}

dimana p + q = 1.

Selain itu kita perlu mengingat kembali konsep Kombinasi dan Permutasi. Kenapa? Agar kita dapat menganalisis dengan lebih efisien dibanding jika kita harus menuliskan satu-persatu kemungkinan kejadian-kejadian dalam analisis kita. Kombinasi berhubungan dengan banyaknya cara sebuah item dapat divariasikan/diatur namun tidak melihat urutan pengaturan tsb. Pada Permutasi, urutan pengaturan tsb. dilihat. Pada STL, kita akan lebih banyak membicarakan kombinasi. Kita lebih memperhatikan event-event mana, jika dikombinasikan, yang akan menyebabkan STL gagal, ketimbang urut-urutan event-eventnya (permutasi) yang menyebabkan sistem gagal.

Praktek Probabilitas dalam Enjiniring

Mungkin kita sering membaca tentang cara menghitung probabilitas sisi mana yang muncul pada sebuah koin. Semakin sering percobaannya maka, angka probabilitasnya semakin akurat. Dalam kenyataannya, deduksi data probabilitas kesuksesan atau kegagalan sebuah STL tidak dapat diperoleh melalui percobaan seperti koin tsb. Lantas apa yang dapat dilakukan ? Caranya dapat dengan membagi STL ke dalam beberapa level hirarki. Hirarki yang paling rendah dipilih (pembangkitan) yang data probabilitasnya relatif lebih mudah diperoleh. Data kegagalan untuk sistem secara keseluruhan diperoleh dari teknik reliability assesment.

Aplikasi Distribusi Binomial

Distribusi Probabilitas

Bilangan random mengikuti salah satu dari distribusi

Perilaku acak dari sebuah sistem diwakili oleh satu atau lebih parameter disamping distribusinya, seperti:

  • Rata-rata atau nilai yang diharapkan <– Momen pertama distribusi
  • Varian dan deviasi standar <– Momen kedua distribusi

Distribusi binomial masuk dalam kategori variabel random diskrit. Dengan penerapan distribusi binomial, solusi dari permasalahan reliability yang rumit menjadi lebih mudah. Jika kita menghubungkan probabilitas keberhasilan p dan kegagalan q dengan konsep binomial maka untuk sebuah n kali (jumlah n tetap) percobaan,

distribusi binomialnya = (p + q)^{n}.

Kondisi lain yang harus dipenuhi :

  • p + q = 1 (cuma boleh ada 2 kemungkinan keluaran, berhasil dan gagal / hidup dan mati dsb)
  • nilai p dan q, masing-masing konstan
  • percobaan harus independen

Agar kita dapat mengevaluasi hasil-hasil keluaran dan probabilitasnya, kita perlu menurunkan  (p + q)^{n}  menjadi :



Contoh 1 (p = q = 0.5)

Sebuah koin dilempar 5 kali. Evaluasi probabilitas masing-masing keluaran yang mungkin.

Jumlah Sisi

Formula Binomial

Probabilitas Individu Probabilitas Kumulatif
Angka Burung
0 5 5C0(½)0(½)5 1/32 1/32
1 4 5C1(½)1(½)4 5/32 6/32
2 3 5C2(½)2(½)3 10/32 16/32
3 2 5C3(½)3(½)2 10/32 26/32
4 1 5C4(½)4(½)1 5/32 31/32
5 0 5C5(½)5(½)0 1/32 32/32
     

Σ = 1

 

Contoh cara menghitung kombinasi 5C3

= \frac{5!}{3!(5-3)!} = \frac{5 \times 4 \times 3 \times 2 \times 1}{3 \times 2 \times 1 (2 \times 1)} = \frac{5 \times 4}{2} = 10

Contoh 2 (p ≠ q)

 

Sebuah pembangkit listrik berskala kecil akan dibangun untuk memenuhi kebutuhan beban 10 MW konstan. Designer sistem ini mempertimbangkan 4 kemungkinan konfigurasi unit-unit (mesin) di dalam pembangkit tersebut. Asumsi untuk unit-unit dalam pembangkit tsb. Forced Outage Rate (FOR) = 0.02.

  1. 1 unit x 10 MW
  2. 2 unit x 10 MW
  3. 3 unit x 5 MW
  4. 4 unit x 3\frac{1}{3} MW

Jawaban Contoh 2

Dalam lingkup sederhana, kita mengaplikasikan distribusi binomial pada dua keadaan pembangkit, yaitu :

  1. Pembangkit tidak siap (outage), misal dilambangkan dengan p = FOR = 0.02
  2. Pembangkit siap (available), misal dilambangkan dengan q = 1 - FOR = 0.98

Dalam praktek, dengan perhitungan yang lebih teliti, biasanya dinyatakan dalam EAF (Equivalent Availability Factor) dan EFOR (Equivalent Forced Outage Rate).

Pada rumus binomial :

(p + q)^{n}= \sum_{r=0}^{n} {}_{n}C_{r}p^{r}q^{n-r}

  • nilai  p = 0.02, q = 0.98,
  • r = 0, 1, … sampai dengan n,
  • n = 1 (kasus 1), n = 2 (kasus 2), n = 3 (kasus 3), n = 4 (kasus 4).

Misal untuk yang (b) / kasus 2,

(p + q)^{n}=\sum_{r=0}^{2}{}_{2}C_{r}(0.02)^{r}(0.98)^{(2-r)}

={}_{2}C_{0}(0.02)^{0}(0.98)^{(2-0)}+{}_{2}C_{1}(0.02)^{1}(0.98)^{(2-1)}+{}_{2}C_{2}(0.02)^{2}(0.98)^{(2-2)}

={}_{2}C_{0}(0.98)^{2}+{}_{2}C_{1}(0.02)(0.98)+{}_{2}C_{2}(0.02)^{2}

=0.9604+0.0392+0.0004

Jika kita masukkan satu persatu nilai2 tsb., maka hasilnya dapat ditabulasikan dalam tabel COP (capacity outage probability) sbb. :

Capacity Outage Probability Tables
           
    Units out Capacity, MW Individual probability
      Out Available  
—– ——————– ————– ————– ————– ——————
(a) 1 x 10 MW unit      
    0 0 10 0.98
    1 10 0 0.02
          1.00
(b) 2 x 10 MW units      
    0 0 20 0.9604
    1 10 10 0.0392
    2 20 0 0.0004
          1.0000
(c) 3 x 5 MW units      
    0 0 15 0.941192
    1 5 10 0.057624
    2 10 5 0.001176
    3 15 0 0.000008
          1.000000
(d) 4 x 3\frac{1}{3} MW units      
    0 0 13\frac{1}{3} 0.92236816
    1 3\frac{1}{3} 10 0.07529536
    2 6\frac{2}{3} 6\frac{2}{3} 0.00230496
    3 10 3\frac{1}{3} 0.00003136
    4 13\frac{1}{3} 0 0.00000016
          1.00000000
           

Bagaimana dengan interpretasi tabel COP ini ?

Pemilik (owner) sistem berbeban 10 MW ini tentu mengharapkan, pembangkit listrik yang dibangun dapat memenuhi kebutuhannya minimal 10 MW dengan keandalan setinggi mungkin. Dengan data probabilitas ini, si desainer sistem memberitahu si owner bahwa alternatif-alternatif tsb. akan mampu mensuplai minimal 10 MW (x ≥ 10 MW) dengan probabilitas :

  1. Alternatif (a) = 0.98
  2. Alternatif (b) = 0.960 + 0.039 = 0.999
  3. Alternatif (c) = 0.941 + 0.057 = 0.998
  4. Alternatif (d) = 0.922 + 0.075 = 0.997

Si owner tentu saja langsung memilih alternatif (b) yang tingkat keandalannya paling tinggi. Namun demikian, paparan dari si desainer belum selesai, investasi awal untuk membangun pembangkit ini disebutkan US$ 1 juta / MW, sehingga acquisition costs yang harus dikeluarkan untuk alternatif :

  1. (a) = US$ 10 juta
  2. (b) = US$ 20 juta
  3. (c) = US$ 15 juta
  4. (d) = US$ 13\frac{1}{3} juta

Si owner kemudian pikir-pikir dan membatalkan keputusannya memilih alternatif (b) dan memilih alternatif (d). Keputusan akhir ini tidak selalu fix, bisa berubah-ubah bergantung pada optimalisasi tujuan (objective) si owner sebagai fungsi dari keandalan dan biaya dengan batasan (constraint) yang mungkin tidak sepenuhnya diketahui si desainer. Disini lah maksud dari trade-off antara reliability vs cost, yang jika diungkapkan secara matematis sebagai optimisasi : optimization, or mathematical programming, refers to choosing the best element from some set of available alternatives.

Dari tabel diatas juga dapat diinterpretasikan berapa MW yang kemungkinan hilang ketika melayani beban 10 MW (expected load loss).

  Kapasitas Unit yang Keluar (MW) Probabilitas Kehilangan Beban untuk Melayani 10 MW (MW) Expected Load Loss (MW)
(a) 1 x 10 MW unit      
  0 0.98 0  -
  10 0.02 10 0.2
        0.2
(b) 2 x 10 MW units      
  0 0.9604 0  -
  10 0.0392 0  -
  20 0.0004 10 0.004
        0.004 MW
(c) 3 x 5 MW units      
  0 0.941192 0  -
  5 0.057624 0  -
  10 0.001176 5 0.00588
  15 0.000008 10 0.00008
        0.00596 MW
(d) 4 x 3\frac{1}{3} MW units      
  0 0.92236816 0  -
  3\frac{1}{3} 0.07529536 0  -
  6\frac{2}{3} 0.00230496 3\frac{1}{3} 0.00768320
  10 0.00003136 6\frac{2}{3} 0.00020907
  13\frac{1}{3} 0.00000016 10 0.00000160
        0.00789387 MW

Misal untuk kasus yang (c) :

  • Ketika unit 0 MW keluar, tidak ada (0 MW) kehilangan beban.
  • Ketika unit 5 MW keluar, beban 10 MW tetap terlayani (tidak ada kehilangan beban).
  • Ketika 2 unit, total 10 MW keluar, ada 5 MW yang tidak terlayani dari 10 MW yang dibutuhkan.
  • Ketika semua unit, total 15 MW keluar, semua (10 MW) beban tidak terlayani.

Kesimpulannya, jika ada 3 unit x 5 MW dengan FOR = 0.02 melayani beban 10 MW, maka dari 10 MW tersebut, 0.00596 MW beban akan tidak terlayani (expected load loss).

Pertanyaan berikutnya adalah, bagaimana jika kita dihadapkan pada kasus besarnya unit pembangkit tidak sama / tidak identik, apa yang harus kita lakukan ?

Kita akan belajar menggunakan teknik recursive untuk membangun tabel COP kita pada tulisan yang akan datang.

Komplemen untuk Tulisan Dahlan Iskan: Dampak Pembangkit…

Akhir-akhir ini semakin banyak yang mengulas kelistrikan nasional. Tidak terkecuali pak Dahlan Iskan, yang juga menaruh perhatian pada masalah ini. Terlepas dari pro-kontra pencalonan beliau sebagai calon nahkoda PLN, saya hendak menambahkan dan meluruskan tulisan beliau di Jawa Pos 17  dan 18 November 2009.  Dalam tulisan tsb. disebut-sebut PLTG (Pembangkit Listrik Tenaga Gas), yang kemudian disebut sebagai PLTS (PLT Solar) karena menggunakan solar sebagai bahan bakar.

Apa yang hendak diluruskan dari tulisan tsb. ?

Yang dimaksud dengan “Tenaga Gas” adalah tenaga dari gas hasil pembakaran, jadi bukan gas sebagai bahan bakarnya. Sebuah PLTG umumnya berbahan bakar gas alam (Natural Gas) atau minyak solar (High Speed Diesel Oil). Di beberapa PLTG bahan bakarnya bisa juga berupa condensat gas alam yang harganya rata-rata 20% lebih murah dari HSD oil. Yang lebih ekstrim ada juga yang diberi bahan bakar minyak berat (Marine Fuel Oil). Jadi, apa pun bahan bakarnya, sebuah PLTG tetap lah PLTG, pembangkit listrik tenaga gas.

Yang mungkin juga menggelitik adalah kenapa di sebuah Sistem Tenaga Listrik (STL) dibutuhkan PLTG ?

Jawabannya, karena PLTG terutama yang berbahan-bakar minyak HSD adalah juru selamat yang dibutuhkan ketika terjadi kondisi-kondisi darurat. Sebuah PLTG dalam hitungan menit biasanya dapat langsung menghasilkan listrik ketika terjadi kondisi ekstrim di sistem dimana dibutuhkan suplai listrik dengan segera(misal ada pembangkit listrik yang trip / mendadak mati). Yang dapat mengalahkan kecepatan PLTG cuma PLTA (air). Namun PLTA biasanya sangat terbatas / kecil kapasitasnya untuk membantu sistem. Jadi PLTG minyak biasa digunakan sebagai cadangan dingin atau bisa juga sebagai peak shaver atau peaker atau buffer power plant.

Mungkin juga ada pertanyaan, kenapa juru selamatnya bukan PLTGU (PLT Gas dan Uap) yang lebih efisien tara kalornya (efisiensi thermal dan heat rate) atau PLTG dengan bahan bakar gas atau PLTU berbahan bakar batubara?

Untuk PLTGU, di sistem Jawa Bali, jumlahnya cukup banyak. Gas buang dari hasil pembakaran turbin gas dimanfaatkan untuk memanaskan air dalam ketel atau HRSG (heat recovery steam generator). Uap ini yang dipakai untuk memutar turbin uap dan generatornya dan menghasilkan listrik. PLTGU sering disebut sebagai pembangkit dengan siklus kombinasi (combine cycle), sedang PLTG disebut sebagai pembangkit siklus terbuka (open atau single cycle). Jadi ketika sebuah PLTGU dimanfaatkan siklus terbukanya saja untuk segera memenuhi kebutuhan sistem, maka yang beroperasi sebenarnya adalah PLTG. Sedangkan siklus kombinasinya (turbin uap) membutuhkan waktu dalam hitungan jam untuk menghasilkan listrik.

Untuk PLTG berbahan bakar gas, biasanya sudah dijalankan kontinyu, karena kebanyakan kontrak gas ke pembangkit basisnya adalah “Take or Pay” (TOP) sehingga sangat sulit mengharapkan fluktuasi yang besar atau start-stop dari PLTG gas. Pengecualian, seperti yang juga ditulis di JP, jika PLTG gas memiliki fasilitas penyimpanan gas bertekanan (compressed) atau gas cair (liquid), maka dimungkinkan PLTG gas mungkin cukup ekonomis untuk di start-stop. Namun kembali, fasilitas tsb., biasanya tidak murah dan harga gas cair biasanya juga lebih mahal dari gas alam yang disalurkan dalam pipa.

Untuk PLTU batubara jawabannya jelas, perlu waktu berjam-jam untuk men-start sebuah PLTU batubara, atau bahkan untuk sekedar load up – load down, operator PLTU harus mempertimbangkan banyak hal agar pembangkitnya tetap dapat beroperasi dengan aman.

Jadi, apa kesimpulannya ?

Untuk sebuah keandalan, memang diperlukan biaya lebih yang harus dibayar. Ini yang saya maksud dengan “trade-off” antara keandalan (reliability) vs efisien (ekonomis). Apakah ada pilihan lain ? Bisa saja, operator sistem membiarkan kekurangan suplai dan menjaga kestabilan sistem dengan melepas sebagian beban di konsumen (load shedding) atau pemadaman parsial. Jika langkah ini dilakukan, biasanya akan timbul isu yang lebih besar lagi, kenapa sistem dibiarkan defisit padahal masih ada resources tersedia.

Imaduddin's Weblog

all about electricity (indonesia)

all about electricity (indonesia)

Ikuti

Get every new post delivered to your Inbox.

Bergabunglah dengan 59 pengikut lainnya.