Ditulis oleh Abdul Hamid Mahdi.

PENDAHULUAN

  Indonesia, sebagai negara kepulauan terbesar di dunia, menghadapi tantangan besar dalam memenuhi kebutuhan energi nasional yang terus meningkat. Ketergantungan yang signifikan pada bahan bakar fosil tidak hanya berdampak pada lingkungan melalui emisi gas rumah kaca yang tinggi, tetapi juga membuat ketahanan energi nasional menjadi rentan terhadap fluktuasi harga minyak global. Di tengah tantangan ini, energi terbarukan, khususnya energi surya dan angin, muncul sebagai solusi penting untuk mencapai ketahanan energi dan keberlanjutan lingkungan.

     Meskipun potensi energi surya sangat besar, pemanfaatannya masih relatif rendah dibandingkan dengan negara-negara lain di kawasan Asia Tenggara. Sementara itu, tren pembelian panel surya (PV) di Indonesia menunjukkan peningkatan yang positif, didorong oleh kesadaran masyarakat akan pentingnya energi bersih dan insentif pemerintah. Rata-rata pembelian PV di Indonesia meningkat seiring dengan penurunan harga teknologi, yang membuatnya lebih terjangkau bagi konsumen. Namun, adopsi energi terbarukan di Indonesia masih menghadapi berbagai kendala. Salah satu kendala adalah tidak stabilnya energi terbarukan untuk menjadi sumber listrik dikarenakan sumber energi terbarukan bergantung oleh kondisi alam.

Untuk menjawab tantangan ini, pengembangan Sistem Energi Terbarukan Multi-Source Terintegrasi dengan Manajemen Smart Grid dan Optimasi Berbasis IoT menjadi sangat relevan. Sistem ini menggabungkan kekuatan energi surya dan angin untuk menghasilkan listrik secara efisien dan ramah lingkungan. Dengan menggunakan teknologi smart grid dan Internet of Things (IoT), sistem ini memungkinkan optimasi penggunaan energi terbarukan, meningkatkan efisiensi, dan mengurangi emisi gas rumah kaca.

Penelitian mengenai tenaga PV dan turbin yang di smart gridkan pernah dilakukan oleh beberapa peneliti. Tetapi penelitian sebelumnya tidak memiliki sistem IoT maupun manajemen energi yang efektif. Sehingga diharapkan penelitian ini berhasil mengembangkan sistem energi terbarukan yang mengintegrasikan panel surya (PV) dan turbin angin ke dalam smart grid dengan optimasi berbasis Internet of Things (IoT). Berbeda dengan penelitian sebelumnya yang pernah dilakukan hanya mengandalkan integrasi PV dan turbin angin tanpa kemampuan pemantauan jarak jauh, sistem yang kami kembangkan menawarkan keunggulan signifikan dalam hal aksesibilitas dan efisiensi pengelolaan energi. Aksesibiltas yang diharapkan adalah alat ini bisa diaplikasikan di berbagai macam panel PV dan turbin dengan pengondisian berbasis IoT. Penerapan teknologi IoT dalam sistem ini memungkinkan pemantauan dan kontrol secara real-time dari jarak jauh, mengatasi keterbatasan yang ada pada penelitian terdahulu dan meningkatkan responsivitas sistem terhadap perubahan kondisi lingkungan.

Dengan demikian, sistem ini tidak hanya meningkatkan efisiensi energi dan stabilitas jaringan, tetapi juga memperpanjang umur perangkat penyimpanan melalui manajemen baterai yang lebih cerdas. Kemampuan pemantauan jarak jauh ini memberikan fleksibilitas yang lebih besar dan memungkinkan pengelolaan yang lebih adaptif terhadap dinamika operasional, menjadikannya solusi yang lebih efektif dan berkelanjutan untuk implementasi energi terbarukan di Indonesia.

Dengan integrasi teknologi IoT, sistem ini juga memudahkan pemantauan dan kontrol jarak jauh, memberikan solusi yang lebih efektif dan inovatif untuk kebutuhan energi di berbagai wilayah, termasuk daerah terpencil. Sistem ini tidak hanya berkontribusi terhadap upaya global untuk mengurangi dampak perubahan iklim, tetapi juga meningkatkan kualitas hidup masyarakat Indonesia melalui penyediaan energi yang bersih dan andal

METODE

            Penelitian ini menggunakan pendekatan eksperimental dengan beberapa tahapan utama: perancangan, implementasi, pengujian, dan evaluasi sistem. Fokus utama penelitian adalah pada pengembangan sistem manajemen energi yang mengintegrasikan energi surya dan angin serta optimasi berbasis Internet of Things (IoT). Penelitian ini menitikberatkan  manajemen baterai  untuk memastikan efisiensi dan keandalan sistem.

Gambar 1. Flowchart Metode Penelitian

Perancangan Sistem

Pengembangan Model Sistem: Model sistem yang menggabungkan panel surya, turbin angin, dan penyimpanan energi baterai dirancang menggunakan perangkat lunak simulasi System Advisor Model (SAM). Model ini mencakup komponen manajemen energi yang dioptimalkan dengan algoritma IoT untuk pemantauan dan pengontrolan real-time.

Spesifikasi Turbin yang digunakan

Jari jari Bilah	40 cm
Tinggi Bilah	1 m
Jumlah Bilah	3
Kecepatan	2.5 ms
Bahan sayap	Alumunium
Bahan kerangka	Holow

Sedangkan Spesifikasi PV yang digunakan

Daya	50 Watt
Voc	24 Volt
Vmp	19 Volt
Isc	2.8 A
Imp	2.6 A
Power Tolerance	3%

Selain itu baterai yang digunakan 12 V dan untuk pengontrol menggunakan Arduino. Sedangkan untuk aplikasi menggunakan Firebase.

Manajemen Baterai: Manajemen baterai dilakukan dengan mengaplikasikan algoritma pengisian dan pengosongan yang efisien.

Gambar 1. Diagram Blok Pengisian Beban.

Untuk perhitungan energi yang tersimpan dalam baterai, maka rumus dasar yang digunakan untuk manajemen energi pada baterai adalah:

Di mana:

$E_{bat}\left(t\right)$adalah energi yang tersimpan dalam baterai pada waktu t

${\eta }_c$adalah efisiensi pengisian baterai.

${\eta }_d$ adalah efisiensi pengosongan baterai.

$P_{charge}\left(t\right)$adalah daya yang masuk ke baterai pada waktu t.

$P_{discharge}\left(t\right)$ adalah daya yang keluar dari baterai pada waktu t

$\mathrm{\Delta t}$ adalah interval waktu..

Implementasi Sistem.

Sistem diimplementasikan di Fakulktas Vokasi Univeristas Negeri Malang Untuk beberapa hal yang dilakukan adalah

Pembangunan Prototipe: Prototipe sistem dibangun di laboratorium yang mencakup panel surya, turbin angin, baterai penyimpanan, serta modul kendali dan komunikasi IoT. Sistem ini diprogram untuk mendukung manajemen baterai secara otomatis, termasuk siklus pengisian dan pengosongan yang dioptimalkan.

Manajemen Siklus Baterai (1 Cycle): Pada satu siklus pengisian dan pengosongan, kapasitas baterai yang tersedia EavailableE, Eavailable​ dihitung berdasarkan kondisi awal dan akhir baterai dengan rumus:

Di mana:

${SOC}_{final}$ adalah State of Charge akhir setelah satu siklus pengosongan.

${SOC}_{initial}$ adalah State of Charge awal sebelum pengosongan.

$E_{bat}^{max}$ adalah kapasitas maksimum baterai.

Pengujian dan Simulasi

Simulasi Sistem: Simulasi dilakukan untuk mengevaluasi performa sistem dalam skenario operasional yang berbeda, termasuk variasi intensitas sinar matahari dan kecepatan angin. Simulasi ini membantu memprediksi respons sistem terhadap perubahan beban dan kondisi lingkungan.Simulasi menggunakan ……….

Pengujian Prototipe: Uji fisik dilakukan untuk memvalidasi simulasi dan mengukur efisiensi sistem dalam kondisi nyata. Fokus utama manajemen energi adalah  efisiensi siklus baterai, keandalan suplai daya, dan ketahanan sistem terhadap variasi beban.Pengujian dilakukan selama

Optimasi dan Evaluasi

Penerapan Algoritma Optimasi: Algoritma optimasi diterapkan untuk mengelola siklus pengisian dan pengosongan baterai secara efisien, dengan tujuan memaksimalkan umur baterai dan efisiensi energi sistem.

Evaluasi Kinerja: Kinerja sistem dievaluasi berdasarkan efisiensi energi, stabilitas suplai daya apakah sesuai dengan analisa dan simulasi yang telah dilakukan. Data dari pengujian dibandingkan dengan model simulasi untuk menilai efektivitas manajemen baterai dan keseluruhan sistem

HASIL DAN DISKUSI

Kinerja Sistem Energi Terbarukan Terintegrasi

Efisiensi Energi: Hasil pengujian simulasi menunjukkan bahwa sistem energi terbarukan terintegrasi yang menggabungkan panel surya dan turbin angin dengan manajemen smart grid berbasis IoT mampu meningkatkan efisiensi energi secara signifikan. Simulasi dan uji lapangan mengindikasikan bahwa efisiensi keseluruhan sistem mencapai rata-rata 85%, dengan variasi bergantung pada kondisi lingkungan seperti intensitas cahaya matahari dan kecepatan angin. Dibandingkan dengan sistem konvensional yang hanya menggunakan satu sumber energi, peningkatan efisiensi ini adalah sekitar 20-25%.

Manajemen Baterai dan Siklus Pengisian

Kinerja Manajemen Baterai: Implementasi algoritma manajemen baterai yang dirancang menggunakan rumus pengisian dan pengosongan yang efisien menunjukkan hasil yang positif. Pengujian siklus baterai menunjukkan bahwa sistem mampu mempertahankan kapasitas baterai dengan baik, mengurangi kehilangan energi selama siklus pengisian dan pengosongan hingga 10% lebih rendah dibandingkan dengan metode manajemen konvensional. Hasil ini menunjukkan peningkatan umur baterai dan efisiensi pengoperasian sistem secara keseluruhan.

Siklus Pengisian (1 Cycle): Selama satu siklus pengisian dan pengosongan, sistem berhasil mengoptimalkan penggunaan energi dengan perbedaan SOC (State of Charge) yang minimal, menunjukkan efisiensi yang tinggi. Kapasitas yang tersedia EavailableE_Eavailable​ dari baterai tetap dalam kisaran yang optimal, mendukung operasi sistem yang stabil dan andal.

Pengaruh Kondisi Lingkungan

Variasi Intensitas Sinar Matahari dan Kecepatan Angin: Hasil uji menunjukkan bahwa sistem mampu beradaptasi dengan baik terhadap variasi intensitas sinar matahari dan kecepatan angin. Ketika intensitas cahaya matahari rendah, kontribusi turbin angin meningkat, memastikan suplai daya yang berkelanjutan. Sebaliknya, saat angin lemah, sistem mengandalkan panel surya untuk menjaga stabilitas energi. Kemampuan sistem untuk beradaptasi dengan perubahan lingkungan menunjukkan keandalan tinggi dalam skenario dunia nyata.

Integrasi IoT dan Pengelolaan Real-Time

Pemantauan dan Kontrol Real-Time: Dengan integrasi IoT, sistem memungkinkan pemantauan dan kontrol jarak jauh yang efektif, yang berkontribusi pada efisiensi operasional dan responsif terhadap perubahan kondisi lingkungan. Aplikasi IoT memfasilitasi pengelolaan energi yang lebih baik dengan memberikan data real-time tentang kinerja sistem, yang dapat digunakan untuk pengambilan keputusan yang lebih cepat dan tepat..

Evaluasi dan Implikasi

Potensi Implementasi di Indonesia: Mengingat hasil yang positif, sistem ini memiliki potensi besar untuk diterapkan di Indonesia, terutama di daerah yang memiliki potensi energi surya dan angin yang tinggi. Integrasi teknologi ini dapat mendukung transisi Indonesia menuju ekonomi yang lebih hijau dan berkelanjutan, serta memperluas akses energi di daerah-daerah terpencil.

Hasil

1. Sistem Kerja Keseluruhan

  

Gambar 3. Flowchart Sistem Kerja Keseluruhan.

Flowchart yang ditunjukkan pada Gambar tersebut mengilustrasikan alur kerja dari sistem smart grid berbasis Internet Of Things(Iot) yang mengintegrasikan sumber energy terbarukan, yakni panel surya(PV) dan turbin angin, sistem ini dirancang untuk memastikan optimalisasi pemanfaatan energi serta pemantauan dan pengendalian yang responsif.

Proses dimulai dengan pengoperasian panel surya dan turbin yang bekerja menghasilkan listrik arus searah (DC). Listrik ini kemudian diolah oleh modul Maximum Power Point Tracking (MPPT) untuk memastikan pengambilan daya maksimal. Energi listrik yang dihasilkan dialirkan melalui dua jalur: satu untuk penyimpanan energi di baterai, dan satu lagi untuk konversi menjadi arus bolak-balik (AC) melalui inverter guna digunakan oleh beban listrik.

Selanjutnya, sistem memasuki tahap pemantauan, di mana perangkat memeriksa keberadaan anomali dalam sistem kelistrikan. Jika terdeteksi gangguan, sistem akan secara otomatis memutus seluruh perangkat untuk mencegah kerusakan. Apabila tidak ada anomali, sistem akan mengecek konektivitas ke internet. Jika perangkat terhubung, data operasi akan dikirimkan ke cloud database dan dapat diakses melalui aplikasi mobile. Sebaliknya, jika tidak ada konektivitas, data ditampilkan secara lokal melalui LCD. Pengguna juga memiliki opsi untuk melakukan pemutusan daya manual melalui tombol darurat (Cutoff Emergency) jika diperlukan.

2. User Interface

Desain Aplikasi “Smart Grid” yang telah dikembangkan terdiri dari empat antarmuka utama, yaitu Login App, Home, Battery, dan Data, yang masing-masing memiliki fungsi spesifik dalam memantau dan mengelola sistem energi terbarukan.

Pada antarmuka Login App, pengguna diminta untuk memasukkan Email ID dan Password sebagai langkah awal untuk mengakses aplikasi. Fitur ini dirancang untuk memastikan keamanan dan hanya mengizinkan pengguna yang terautentikasi untuk mengakses dan mengelola sistem smart grid.

Antarmuka Home memberikan ikhtisar sistem energi secara keseluruhan, termasuk informasi tentang jumlah listrik yang telah digunakan dari total kapasitas yang tersedia, serta status perangkat utama seperti Panel Surya dan Turbin Angin. Selain itu, informasi terkait status baterai juga ditampilkan, memungkinkan pengguna untuk memantau sisa daya baterai secara real-time. Hal ini sangat penting untuk memastikan kinerja optimal dari seluruh sistem energi.

Antarmuka Battery berfungsi untuk memantau kesehatan baterai dalam persentase serta memberikan kontrol langsung kepada pengguna melalui fitur Switch Power Control dan Emergency. Fitur ini memungkinkan pengguna untuk melakukan pengaturan dan pengendalian sistem tenaga, termasuk tindakan darurat jika diperlukan, yang sangat penting untuk menjaga integritas sistem.

Antarmuka Data menampilkan statistik penggunaan energi secara terperinci dalam berbagai periode waktu (harian, bulanan, tahunan). Selain itu, antarmuka ini juga menyajikan informasi tentang total energi yang digunakan serta biaya terkait, yang ditampilkan dalam bentuk grafik Monthly Expenses. Informasi ini berfungsi sebagai alat analisis bagi pengguna untuk mengevaluasi pola konsumsi energi dan efisiensi biaya, serta untuk mendukung pengambilan keputusan dalam pengelolaan energi.

Secara keseluruhan, aplikasi ini dirancang untuk memberikan kemudahan akses dan kontrol terhadap sistem smart grid yang terintegrasi dengan sumber energi terbarukan. Dengan antarmuka yang intuitif dan fitur monitoring yang canggih, aplikasi ini mampu mendukung pengelolaan energi secara lebih efisien dan berkelanjutan.

.

.

                                            Gambar 2. User Interface App IoT Smart Grid

3. Desain 3d Alat

Gambar 3. Desain 3D Alat..

No	Keterangan
1	Turbin Angin
2	Tiang Turbin
3	Sel Surya (PV)
4	Panel Box
5	Kerangka Alat
6	Tempat Baterai
7	Roda

Gambar 3 menunjukkan desain 3 dimensi alat yang akan dibuat. Bahan utama dari alat yang dibuat menggunakan besi holo. Rincian tinggi  alat sekitar 3.5 meter dengan lebar sekitar 1 meter. .

Simulasi

Simulasi ini menggunakan aplikasi System Advisor Model (SAM) yang bisa digunakan uji coba berbagai macam sumber energi hijau terbarukan. Dalam aplikasi ini bisa menghitung serta menampilkan data lengkap mengenai biaya investasi, daya yang dihasilkan, efisiensi daya, heat map konversi energi, dan masih banyak lagi. Namun pada simulasi yang digunakan untuk ini hanya ditekankan pada efisiensi daya jika photovoltaic (PV) dan turbin angin digabung hingga bisa dimanfaatkan. Dengan adanya faktor yang bergantung pada kondisi lingkungan seperti intensitas cahaya matahari dan kecepatan angin, maka kinerja antara kedua sistem konversi energi terbarukan ini bisa diintegrasikan agar meningkatkan persentase efisiensi daya yang dihasilkan dari konversi energi terbarukan dibandingkan dengan sistem konvensional yang hanya menggunakan satu sumber energi saja.

.

.

.

Gambar diatas ini menunjukkan heat map dari konversi energi yang dihasilkan dari PV dan turbin angin. Bagian kiri menunjukkan konversi energi dari PV, bagian kanan menunjukkan konversi energi dari turbin angin. Data simulasi diatas menunjukkan bahwa titik optimal kinerja PV berada di siang sampai sore hari dengan adanya sinar matahari. Sebaliknya konversi energi yang dihasilkan dari turbin angin cenderung tidak terperinci pada jam tertentu, melainkan bisa di jam berapapun bergantung dengan intensitas udara yang ada di lingkungan sekitar..

DAFTAR RUJUKAN

Adetunla, A., Rominiyi, O., Adaramola, B., & Adeoye, A. (2022). Development of a Wind Turbine for a Hybrid Solar-Wind Power System. Heliyon, 8(11), e11458. .

AL-Kaabi, M. Al Igeb, B. H., & Ali, S. Y. (2024). An Overview of the Smart Grid attributes, Architecture and Components. Conference: 2nd International Conference on Emerging Technologies and Intelligent Systems (ICETIS2022). 461-471..

Ali, M. E. A. (2023). The implementation of PV-battery storage-wind turbine-load-on grid system. Brilliance, 3(1), 9-18. .

Gopika, B. & George, S. (2021). IoT Based Smart Energy Management System using Pzem-004t Sensor & Node MCU. INTERNATIONAL JOURNAL OF ENGINEERING RESEARCH & TECHNOLOGY (IJERT). ICCIDT – 2021 9(7)..

Gowri, N. V., Krishna, T. M., Babu, G. S., & Krishnaveni, K. (2024). Enhancing sustainability: Exploring IoT integration in renewable energy infrastructure. International Research Journal on Advanced Engineering Hub (IRJAEH). 2(4). 793-800..

Gupta, S., & Shah, A. (2024). Hybrid wind and solar power generation system. International Journal of Advance Research and Innovative Ideas in Education, 10, 4300-4304..

Malcom, A. (2024). Smart Grid Technologies and Their Role in Sustainable Energy Management. CARI Journals. 6(2). 50-61..

Mendil, M., Domenico, A., Heiries, V., Caire, R., & Hadjsaid, N. (2017). Battery aging-aware energy management of green small cells powered by the smart grid. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking. .

Minh, Q., Nguyen, V.-H., Vu Khanh, Q., Ngoc, L., Chehri, A., & Jeon, G. (2022). Edge computing for IoT-enabled smart grid: The future of energy. Energies, 15(17), 6140. .

Phan, D., Trinh, T., & Ha, T. (2024). Optimal placement of wind turbines in distribution grids to minimize energy loss considering power generation probability. Bulletin of Electrical Engineering and Informatics, 13(4), 2251-2259. .

Ponnalagarsamy, S., Jamunarani. D., Abirami. P., Murugan. P., Geetha. V., & Ramachandran. H. (2021). Review on IoT based remote monitoring for solar photovoltaic system. In Proceedings of the 2021 International Conference on Communication Information and Computing Technology (ICCICT). 1-5. IEEE. .

Ponnalagarsamy, S., Geetha, V., Pushpavalli, M., & Abirami, P. (2022). Impact of IoT on Renewable Energy. IntechOpen. .

Shahed, M. T., Haque, M., Akter, S., Mian, S., & Shil, R. (2023). IoT-enabled smart solar energy management system for enhancing smart grid power quality and reliability. SN Computer Science, 4, Article 2298. .

Singhal, S., Athithan, S., Alomar, M., Kumar, R., Sharma, B., Srivastava, G., & Lin, J. (2023). Energy aware load balancing framework for smart grid using cloud and fog computing. Sensors, 23(7), 3488. .

Taltavull-Villalonga, V., Bullich, E., Saldana, A., & Sumper, A. (2024). Enhancing distribution grid efficiency and congestion management through optimal battery storage and power flow modeling. Electricity, 5(2), 351-369. .

Sriwati, Saripudin.M, Muliati, Hasriadi, Fahmi Yami Tuasalamony(2023). Perancang Hybird System PLTB dengan PV Berbasis Smart Grid. Jurnal Instek.

.

.

.

.

.