Smart IoT-Agrophotovoltaic System Berlandaskan Energi Berkeadilan Sebagai Penunjang Ekonomi Petani Di Pedesaan NTB, Jawa Barat, Dan Jawa Timu .

Reiner Nathaniel Jabanto Mahasiswa Instititut Teknologi Bandung (ITB)

Karya ini menjadi Pemenang 2, dalam Kompetisi Penulisan Artikel Energi Baru Terbarukan, Piala Menteri ESDM RI 2021.

1.1. Pendahuluan

Musim kemarau di Indonesia menyebabkan angka produksi padi menurun sebesar 4,6 juta ton terjadi di tahun 2019 [1]. Gambar 1 menunjukan luas fase persiapan lahan terjadi penurunan pada bulan April – Agustus yang sesuai dengan musim kemarau di Indonesia. Provinsi yang memiliki luas fase persiapan terbesar diantaranya Jawa Barat, Jawa Tengah, Jawa Timur, Sulawesi Selatan, dan Sumatera Selatan.

Selain itu, provinsi tersebut memiliki tingkat petani skala kecil yang hanya memiliki luas sawah 0,16 hektar dengan persentase tertinggi di Indonesia. Salah satu indikator tujuan pembangunan berkelanjutan pada sektor pertanian yaitu nilai produksi per hektar, 90% lahan pertanian di Jawa Barat, Jawa Timur, dan Nusa Tenggara Barat (NTB) dikategorikan lahan pertanian tidak berkelanjutan. 

Hal ini disebabkan karena tidak ada sumber air saat musim kemarau, bantuan dari pemerintah berupa pompa air tetapi sumber listrik di lokasi belum memadai. Mahalnya harga dan jauhnya akses untuk membeli bahan bakar minyak (BBM) membuat petani yang memiliki sawah di desa tidak sanggup untuk menggunakan BBM.

Energi terbarukan bisa menjadi salah satu pembangkit listrik untuk menyuplai pompa air. Dengan potensi radiasi matahari di Indonesia, panel surya menjadi opsi yang tepat sebagai pembangkit listrik dan memiliki harga yang sudah ekonomis.

Namun, penggunaan panel surya bisa mengurangi luas lahan pertanian dan mengakibatkan penurunan jumlah produksi. Salah satu solusi meningkatkan persentase keberlanjutan yaitu menggunakan system of rice intensification (SRI) dengan sumber listrik pompa yang berasal dari panel surya tanpa mengurangi banyak lahan sawah melalui sistem agrophotovoltaic (APV) yang sudah diterapkan di luar negeri dengan melakukan penyesuaian sesuai kondisi Indonesia.

2.2. Studi Literatur

2.1 Metode pengolahan System of Rice Intensification (SRI)

Metode pengairan sesuai jumlah dan waktu yang dibutuhkan oleh tanaman secara terputus-putus (intermittent). Metode ini dapat meningkatkan produktivitas tanaman sebesar 30-100 % [3]. Air selama satu masa tanam (100 hari) untuk sawah dengan sistem pemberian air secara SRI yaitu 467 mm atau 4,67 mm/hari dengan konversi 0,116 liter/detik/ha. Sementara, untuk produktivitas air (water productivity) atau rasio antara gabah kering giling yang dihasilkan (kg) dengan konsumsi air (m3) memiliki nilai 1,12 kg/m3 [4].

2.2 Potensi penggunaan panel surya

Indonesia memiliki potensi radiasi matahari yang dapat dimanfaatkan oleh panel surya sebesar 3,4 – 4,4 kWh/m2/hari termasuk pertanian di Jawa Barat, Jawa Timur, dan NTB.

2.3 Perhitungan Sistem APV

Untuk menghitung besar daya pompa air hidrolik (W) yang diperlukan dapat menggunakan persamaan

Dimana ρ (kg/m3) adalah massa jenis air, g (9,81 m/s2) adalah gravitasi, Q adalah debit air (m3/s), H adalah head ketinggian dari permukaan air hingga ke titik keluaran pompa (m), η_p adalah efisiensi pompa, dan η_e adalah efisiensi motor.

Untuk menghitung daya hidrolik yang diperlukan dalam sehari (kWh) dapat menggunakan persamaan (2) sebagai berikut: 

Dimana V adalah volume yang dibutuhkan dalam sehari (m3/hari), η_(s )adalah efisiensi sistem, dan E_PV adalah energi dari panel surya.

Untuk menghitung panel surya yang dibutuhkan (kW) dapat menggunakan persamaan (3) sebagai berikut:

Dimana G_T (kWh/m2), E adalah sistem efisiensi direntang 0,2 hingga 0,6, dan F adalah faktor koreksi panel surya dengan rentang 0,85 hingga 0,9 [6].

2.4 Aspek Keekonomian

Untuk menghitung nilai present value cost (PVC) dari sistem panel surya menggunakan persamaan (4) berikut:

Dimana IC adalah biaya awal pembuatan sistem APV (Tabel 1.), A adalah biaya perawatan (asumsi 3% dari IC), PWF adalah nilai present worth factor, s adalah biaya tak terduga yang nilainya 8% dari IC, n umur dari panel surya yaitu 25 tahun, dan r adalah tingkat rasio suku bunga 7%. Nilai PWF ditentukan dengan:

Untuk menghitung biaya penjualan listrik (LCOE) dapat menggunakan persamaan (6) berikut;

Dimana LPM adalah durasi penyinaran matahari (jam).

Untuk mencari harga jual yang tepat, digunakan analisis Payback Period yang menggunakan persamaan (7).

2.4 Aspek Lingkungan

Untuk menghitung penurunan emisi karbon dioksida oleh sistem agrophotovoltaic dengan membandingkan jika menggunakan diesel sesuai dengan persamaan (8).

Dengan faktor emisi dari APV dan diesel masing – masing sebesar 0,05 kg CO2ek/kWh dan 0,359 kgCO2ek/kWh [9,10].

3. Metodologi

Pada penulisan ini, penggunaan panel surya yang berada pada atas lahan sawah dengan memiliki ketinggian tertentu agar tidak menggangu aktivitas petani dan tidak menutup sinar matahari yang dibutuhkan oleh tanaman tersebut.

Selanjutnya, energi monitoring akan mengirimkan jumlah listrik yang diproduksi ke aplikasi. Setelah itu, pompa sibel akan menghisap air dari sumur yang akan disimpan pada tangki air. Tangki air akan mengalirkan air tersebut ke sawah-sawah.

4. Hasil dan Diskusi

Pada penelitian ini, sistem APV dibuat untuk mengatasi lahan pertanian yang tidak berkelanjutan akibat kekeringan. Sistem APV dibuat modular agar bisa dipindahkan dari satu petak ke petak lainnya. Penyangga APV menggunakan galvanized untuk mencegah karat akibat hujan.

Dirancang sebuah panel surya dengan kapasitas sebesar 1,5 kW untuk mengairi sawah sebesar 1 hektar dengan pompa rendam yang mampu mengaliri air sebesar 0,5 liter/detik dengan maksimal kedalaman 100 meter. Sistem APV ini akan menggunakan modul surya berjenis monocrystalline sebesar 450 Wp akan ada 3 – 4 modul yang digunakan dengan kapasitas inverter 1,5 kW.

Untuk perhitungan PVC digunakan persamaan (4) dan Present Worth Factor dihitung lewat persamaan (5). Dari persamaan tersebut didapatkan perhitungan:

Selanjutnya akan dihitung LCOE dengan menggunakan persamaan (6). Hasil perhitungan adalah sebagai berikut

Dari data tersebut, maka langkah selanjutnya adalah menentukan harga jual listrik. Harga jual listrik terhadap Payback Period dapat dilihat pada Gambar 5.

Maka dari itu, dipilih harga jual listrik sebesar Rp2.500,-/kWh.

Sistem ini dilengkapi dengan aplikasi pada telepon genggam yang menampilkan besaran listrik yang dibangkitkan dan menampilkan fitur pembukuan untuk petani sehingga pemerintah daerah bisa memonitor setiap harinya. Harga jual listrik dari APV sebesar Rp2.500,-/kWh jika dibandingkan dengan mesin diesel kapasitas tersebut membutuhkan dana pembelian IDR 15.000,00.

Dengan sistem APV, sawah mampu berproduksi saat musim kemarau dengan bantuan listrik dari panel surya. Berdasarkan desain yang dipasang, 1 hektar sawah akan menghasilkan padi sebesar 7,5 ton [11]. Satu hektar sawah dikelola olah petani yang berjumlah 5 – 6 orang, selain itu sistem ini mampu menurunkan emisi karbon dioksida 99% dibandingkan menggunakan mesin diesel yang ditampilkan pada Gambar 7.(*)

Daftar Pustaka

1. BPS 2019, Luas Panen dan Produksi Padi di Indonesia 2019, Jakarta, 2020.

2. BPS 2020, Indikator Tujuan Pembangunan Berkelanjutan Sektor Pertanian 2020 di Provinsi Jawa Barat, Jawa Timur, dan Nusa Tenggara Barat, Jakarta, 2020.

3. Rizal F., Alfiansyah, & Rizalihadi, M. (2014). Analisis perbandingan kebutuhan air irigasi tanaman padi metode konvensional dengan metode SRI organik. Jurnal Teknik Sipil, 3(4), 67-76.

4. Fuadi, N. A., Purwanto, M. Y. J., & Tarigan, S. D. (2016). Kajian Kebutuhan Air dan Produktivitas Air Padi Sawah dengan Sistem Pemberian Air Secara SRI dan Konvensional Menggunakan Irigasi Pipa. Jurnal Irigasi, 11(1), 23. https://doi.org/10.31028/ji.v11.i1.23-32.

5. The World Bank 2019, Global Solar Atlas 2.0 by solargis, di akses pada 20 Februari 2021, https://solargis.com/maps-and-gis-data/download/indonesia.

6. Chueco-Fernandez Francisco J, Bayod-Rujula Angel A. ‘Power supply for pumping systems in northern Chile: Photovoltaic as alternative to grid extension and diesel engines. Energy 2010; 35: 2909–21.

7. Khatib T. Design of photovoltaic water pumping systems at minimum cost for Palestine: a review. Journal of Applied Sciences 2010;10:2773–84.

8. Al-Badi, A., & Yousef, H. (2016). Design of photovoltaic water pumping system as an alternative to grid network in Oman. Renewable Energy and Power Quality Journal, 1(14), 11–15. https://doi.org/10.24084/repqj14.203.

9. US EPA 2020 Life Cycle Greenhouse Gas Results (Online) July 2020 (https://www.epa.gov/fuels-registration-reporting-and-compliance-help/lifecycle-greenhouse-gas-results accessed on 1st April 2020).

10. NREL 2013 Life Cycle Greenhouse Gas Emissions from Solar Photovoltaics NREL Fact Sheet.

 11. Fuadi, N. A., Purwanto, M. Y. J., & Tarigan, S. D. (2016). Kajian Kebutuhan Air dan Produktivitas Air Padi Sawah dengan Sistem Pemberian Air Secara SRI dan Konvensional Menggunakan Irigasi Pipa. Jurnal Irigasi, 11(1), 23. https://doi.org/10.31028/ji.v11.i1.23-32

]]> .
Reiner Nathaniel Jabanto Mahasiswa Instititut Teknologi Bandung (ITB)

Karya ini menjadi Pemenang 2, dalam Kompetisi Penulisan Artikel Energi Baru Terbarukan, Piala Menteri ESDM RI 2021.

1.1. Pendahuluan

Musim kemarau di Indonesia menyebabkan angka produksi padi menurun sebesar 4,6 juta ton terjadi di tahun 2019 [1]. Gambar 1 menunjukan luas fase persiapan lahan terjadi penurunan pada bulan April – Agustus yang sesuai dengan musim kemarau di Indonesia. Provinsi yang memiliki luas fase persiapan terbesar diantaranya Jawa Barat, Jawa Tengah, Jawa Timur, Sulawesi Selatan, dan Sumatera Selatan.

Selain itu, provinsi tersebut memiliki tingkat petani skala kecil yang hanya memiliki luas sawah 0,16 hektar dengan persentase tertinggi di Indonesia. Salah satu indikator tujuan pembangunan berkelanjutan pada sektor pertanian yaitu nilai produksi per hektar, 90% lahan pertanian di Jawa Barat, Jawa Timur, dan Nusa Tenggara Barat (NTB) dikategorikan lahan pertanian tidak berkelanjutan. 

Hal ini disebabkan karena tidak ada sumber air saat musim kemarau, bantuan dari pemerintah berupa pompa air tetapi sumber listrik di lokasi belum memadai. Mahalnya harga dan jauhnya akses untuk membeli bahan bakar minyak (BBM) membuat petani yang memiliki sawah di desa tidak sanggup untuk menggunakan BBM.

Energi terbarukan bisa menjadi salah satu pembangkit listrik untuk menyuplai pompa air. Dengan potensi radiasi matahari di Indonesia, panel surya menjadi opsi yang tepat sebagai pembangkit listrik dan memiliki harga yang sudah ekonomis.

Namun, penggunaan panel surya bisa mengurangi luas lahan pertanian dan mengakibatkan penurunan jumlah produksi. Salah satu solusi meningkatkan persentase keberlanjutan yaitu menggunakan system of rice intensification (SRI) dengan sumber listrik pompa yang berasal dari panel surya tanpa mengurangi banyak lahan sawah melalui sistem agrophotovoltaic (APV) yang sudah diterapkan di luar negeri dengan melakukan penyesuaian sesuai kondisi Indonesia.

2.2. Studi Literatur

2.1 Metode pengolahan System of Rice Intensification (SRI)

Metode pengairan sesuai jumlah dan waktu yang dibutuhkan oleh tanaman secara terputus-putus (intermittent). Metode ini dapat meningkatkan produktivitas tanaman sebesar 30-100 % [3]. Air selama satu masa tanam (100 hari) untuk sawah dengan sistem pemberian air secara SRI yaitu 467 mm atau 4,67 mm/hari dengan konversi 0,116 liter/detik/ha. Sementara, untuk produktivitas air (water productivity) atau rasio antara gabah kering giling yang dihasilkan (kg) dengan konsumsi air (m3) memiliki nilai 1,12 kg/m3 [4].

2.2 Potensi penggunaan panel surya

Indonesia memiliki potensi radiasi matahari yang dapat dimanfaatkan oleh panel surya sebesar 3,4 – 4,4 kWh/m2/hari termasuk pertanian di Jawa Barat, Jawa Timur, dan NTB.

2.3 Perhitungan Sistem APV

Untuk menghitung besar daya pompa air hidrolik (W) yang diperlukan dapat menggunakan persamaan

Dimana ρ (kg/m3) adalah massa jenis air, g (9,81 m/s2) adalah gravitasi, Q adalah debit air (m3/s), H adalah head ketinggian dari permukaan air hingga ke titik keluaran pompa (m), η_p adalah efisiensi pompa, dan η_e adalah efisiensi motor.

Untuk menghitung daya hidrolik yang diperlukan dalam sehari (kWh) dapat menggunakan persamaan (2) sebagai berikut: 

Dimana V adalah volume yang dibutuhkan dalam sehari (m3/hari), η_(s )adalah efisiensi sistem, dan E_PV adalah energi dari panel surya.

Untuk menghitung panel surya yang dibutuhkan (kW) dapat menggunakan persamaan (3) sebagai berikut:

Dimana G_T (kWh/m2), E adalah sistem efisiensi direntang 0,2 hingga 0,6, dan F adalah faktor koreksi panel surya dengan rentang 0,85 hingga 0,9 [6].

2.4 Aspek Keekonomian

Untuk menghitung nilai present value cost (PVC) dari sistem panel surya menggunakan persamaan (4) berikut:

Dimana IC adalah biaya awal pembuatan sistem APV (Tabel 1.), A adalah biaya perawatan (asumsi 3% dari IC), PWF adalah nilai present worth factor, s adalah biaya tak terduga yang nilainya 8% dari IC, n umur dari panel surya yaitu 25 tahun, dan r adalah tingkat rasio suku bunga 7%. Nilai PWF ditentukan dengan:

Untuk menghitung biaya penjualan listrik (LCOE) dapat menggunakan persamaan (6) berikut;

Dimana LPM adalah durasi penyinaran matahari (jam).

Untuk mencari harga jual yang tepat, digunakan analisis Payback Period yang menggunakan persamaan (7).

2.4 Aspek Lingkungan

Untuk menghitung penurunan emisi karbon dioksida oleh sistem agrophotovoltaic dengan membandingkan jika menggunakan diesel sesuai dengan persamaan (8).

Dengan faktor emisi dari APV dan diesel masing – masing sebesar 0,05 kg CO2ek/kWh dan 0,359 kgCO2ek/kWh [9,10].

3. Metodologi

Pada penulisan ini, penggunaan panel surya yang berada pada atas lahan sawah dengan memiliki ketinggian tertentu agar tidak menggangu aktivitas petani dan tidak menutup sinar matahari yang dibutuhkan oleh tanaman tersebut.

Selanjutnya, energi monitoring akan mengirimkan jumlah listrik yang diproduksi ke aplikasi. Setelah itu, pompa sibel akan menghisap air dari sumur yang akan disimpan pada tangki air. Tangki air akan mengalirkan air tersebut ke sawah-sawah.

4. Hasil dan Diskusi

Pada penelitian ini, sistem APV dibuat untuk mengatasi lahan pertanian yang tidak berkelanjutan akibat kekeringan. Sistem APV dibuat modular agar bisa dipindahkan dari satu petak ke petak lainnya. Penyangga APV menggunakan galvanized untuk mencegah karat akibat hujan.

Dirancang sebuah panel surya dengan kapasitas sebesar 1,5 kW untuk mengairi sawah sebesar 1 hektar dengan pompa rendam yang mampu mengaliri air sebesar 0,5 liter/detik dengan maksimal kedalaman 100 meter. Sistem APV ini akan menggunakan modul surya berjenis monocrystalline sebesar 450 Wp akan ada 3 – 4 modul yang digunakan dengan kapasitas inverter 1,5 kW.

Untuk perhitungan PVC digunakan persamaan (4) dan Present Worth Factor dihitung lewat persamaan (5). Dari persamaan tersebut didapatkan perhitungan:

Selanjutnya akan dihitung LCOE dengan menggunakan persamaan (6). Hasil perhitungan adalah sebagai berikut

Dari data tersebut, maka langkah selanjutnya adalah menentukan harga jual listrik. Harga jual listrik terhadap Payback Period dapat dilihat pada Gambar 5.

Maka dari itu, dipilih harga jual listrik sebesar Rp2.500,-/kWh.

Sistem ini dilengkapi dengan aplikasi pada telepon genggam yang menampilkan besaran listrik yang dibangkitkan dan menampilkan fitur pembukuan untuk petani sehingga pemerintah daerah bisa memonitor setiap harinya. Harga jual listrik dari APV sebesar Rp2.500,-/kWh jika dibandingkan dengan mesin diesel kapasitas tersebut membutuhkan dana pembelian IDR 15.000,00.

Dengan sistem APV, sawah mampu berproduksi saat musim kemarau dengan bantuan listrik dari panel surya. Berdasarkan desain yang dipasang, 1 hektar sawah akan menghasilkan padi sebesar 7,5 ton [11]. Satu hektar sawah dikelola olah petani yang berjumlah 5 – 6 orang, selain itu sistem ini mampu menurunkan emisi karbon dioksida 99% dibandingkan menggunakan mesin diesel yang ditampilkan pada Gambar 7.(*)

Daftar Pustaka

1. BPS 2019, Luas Panen dan Produksi Padi di Indonesia 2019, Jakarta, 2020.

2. BPS 2020, Indikator Tujuan Pembangunan Berkelanjutan Sektor Pertanian 2020 di Provinsi Jawa Barat, Jawa Timur, dan Nusa Tenggara Barat, Jakarta, 2020.

3. Rizal F., Alfiansyah, & Rizalihadi, M. (2014). Analisis perbandingan kebutuhan air irigasi tanaman padi metode konvensional dengan metode SRI organik. Jurnal Teknik Sipil, 3(4), 67-76.

4. Fuadi, N. A., Purwanto, M. Y. J., & Tarigan, S. D. (2016). Kajian Kebutuhan Air dan Produktivitas Air Padi Sawah dengan Sistem Pemberian Air Secara SRI dan Konvensional Menggunakan Irigasi Pipa. Jurnal Irigasi, 11(1), 23. https://doi.org/10.31028/ji.v11.i1.23-32.

5. The World Bank 2019, Global Solar Atlas 2.0 by solargis, di akses pada 20 Februari 2021, https://solargis.com/maps-and-gis-data/download/indonesia.

6. Chueco-Fernandez Francisco J, Bayod-Rujula Angel A. ‘Power supply for pumping systems in northern Chile: Photovoltaic as alternative to grid extension and diesel engines. Energy 2010; 35: 2909–21.

7. Khatib T. Design of photovoltaic water pumping systems at minimum cost for Palestine: a review. Journal of Applied Sciences 2010;10:2773–84.

8. Al-Badi, A., & Yousef, H. (2016). Design of photovoltaic water pumping system as an alternative to grid network in Oman. Renewable Energy and Power Quality Journal, 1(14), 11–15. https://doi.org/10.24084/repqj14.203.

9. US EPA 2020 Life Cycle Greenhouse Gas Results (Online) July 2020 (https://www.epa.gov/fuels-registration-reporting-and-compliance-help/lifecycle-greenhouse-gas-results accessed on 1st April 2020).

10. NREL 2013 Life Cycle Greenhouse Gas Emissions from Solar Photovoltaics NREL Fact Sheet.

 11. Fuadi, N. A., Purwanto, M. Y. J., & Tarigan, S. D. (2016). Kajian Kebutuhan Air dan Produktivitas Air Padi Sawah dengan Sistem Pemberian Air Secara SRI dan Konvensional Menggunakan Irigasi Pipa. Jurnal Irigasi, 11(1), 23. https://doi.org/10.31028/ji.v11.i1.23-32
]]> .
Sumber : Rakyat Merdeka – RM.ID .

Leave a Reply

Your email address will not be published.

Categories