Mengonversi Pusat Data dari Pembangkitan Daya Diesel menjadi Pembangkitan Daya Gas

Marcelo Algrain, Ph.D.
Manajer Senior Teknik Rekayasa
Divisi Daya Listrik, Caterpillar, Inc.

Oktober 2016

Pendahuluan

Kebutuhan energi untuk industri pusat data (DC, data center) terus berkembang pesat. Di masa lalu, lokasi DC yang dipilih adalah di dekat sumber daya yang tidak mahal dan dapat diandalkan. Kini, lokasi seperti itu semakin sulit didapat, dan tekanan bertambah untuk menemukan solusi alternatif yang tidak terlalu mengandalkan grid, terutama bila permintaan listrik tinggi.

Meskipun banyak DC yang memiliki kapasitas pembangkitan sendiri yang memadai dari unit siaga dieselnya, kepraktisan pengoperasian unit tersebut untuk mengurangi pemakaian grid tidak realistis secara ekonomis (biaya pengoperasiannya akan sangat mahal karena tingginya biaya bahan bakar) atau tidak diperbolehkan karena ada pembatasan jam penggunaan tahunan oleh dewan sumber daya udara (air board) saat ini. Fungsi unit darurat diesel hanya khusus untuk daya cadangan di DC selama pemadaman listrik utilitas.  

Di sisi lain, pembangkitan daya berbasis gas memiliki dampak lingkungan yang jauh lebih rendah dan biaya bahan bakarnya turun secara signifikan dibandingkan pembangkitan daya diesel. Selain itu, beberapa utilitas memberikan insentif finansial untuk mengurangi konsumsi saat terjadi kemacetan grid. Dalam kondisi ini, penggunaannya menjadi praktis dari segi ekonomi dan lingkungan bila DC menggunakan genset gas untuk kogenerasi selama periode non-darurat. Seberapa banyak kogenerasi yang akan dibutuhkan tergantung pada skenario tertentu, namun bisa serendah beban non-kritis pendukung untuk memberikan daya ke seluruh fasilitas DC.

Tidak perlu dijelaskan lagi bahwa bagi industri yang harus menyediakan ketahanan dengan tingkatan tertinggi, ide untuk beralih dari daya diesel ke daya gas akan menjadi loncatan teknis yang mungkin dianggap terlalu radikal oleh sebagian orang. Jika demikian, pendekatan evolusi melalui langkah-langkah bertahap mungkin lebih sesuai.  

Transisi DC dari daya diesel ke daya gas bisa tercapai dalam beberapa cara. Beberapa opsinya dijelaskan di bawah ini. Perhatikan bahwa solusi yang umumnya dianggap tidak menarik juga bisa menjadi solusi yang tepat di kasus tertentu. 

Membangun pembangkit listrik untuk beban puncak yang diletakkan bersebelahan dengan DC

Opsi pertama akan memiliki tingkat gangguan paling kecil terhadap DC. Pembangkit beban puncak akan dikirim ketika permintaan listrik DC harus dibatasi. Apakah pembangkit akan memberikan fungsi dukungan grid tambahan atau tidak sepenuhnya terserah kepada pemilik. Jika pembangkit akan mendukung grid, ini harus sesuai dengan kode grid negara terkait, misalnya, IEEE 1547 di AS. Di sisi lain, jika pembangkit beban puncak ditujukan hanya untuk mendukung DC dan mengompensasi beban di utilitas, kode grid tidak berlaku di sebagian besar kasus sehingga memudahkan pemasangan, proses persetujuan koneksi, dan menurunkan biaya modal.

Mengonversi unit diesel ke unit bahan bakar ganda

Mengonversi unit diesel ke bahan bakar ganda (diesel dan gas) adalah solusi yang menarik secara teknis. Ini akan menghasilkan genset yang memiliki respons seperti engine diesel, namun biaya bahan bakarnya hampir menyamai engine gas. Sayangnya, di lingkungan peraturan saat ini, unit ini harus memenuhi peraturan engine diesel daya primer dan akan membutuhkan aftertreatment gas buang yang lengkap dengan biaya yang signifikan. 

Memberikan daya ke beban non-kritis dengan unit gas

Pilihan ketiga yaitu memberikan daya ke beban non-kritis dengan unit gas akan menghasilkan solusi parsial terhadap pengimbangan beberapa beban DC pada utilitas. Umumnya, beban non-kritis menyumbang kurang dari seperempat beban DC total. Jika hal tersebut cukup memberikan pengurangan, ini bisa menjadi solusi yang diterima. Jika DC dapat menggunakan sejumlah panas yang dihasilkan oleh unit gas sebagai solusi gabungan panas dan daya (CHP, combined heat and power), hal ini bisa dicoba untuk semakin meningkatkan efisiensi termal.

Mengganti unit diesel dengan unit gas yang memiliki kemampuan penerimaan beban lebih tinggi

Penggantian langsung genset diesel dengan genset gas adalah solusi ideal. Meskipun ada persepsi umum bahwa unit gas kurang unggul dari unit diesel dalam hal kemampuan penerimaan bebannya, perkembangan terbaru dalam teknologi engine gas telah menghasilkan beberapa terobosan dalam kinerja engine dan meningkatkan kemampuannya secara signifikan untuk menerima beban.

Gambar 1: Transien Tegangan dan Frekuensi untuk perubahan tahapan 75 persen pada beban tempat penyimpan beban (load bank)

Gambar 1 menunjukkan transien tegangan (sisi kiri) dan frekuensi (sisi kanan) untuk perubahan tahapan 75% pada beban. Jejak biru mewakili genset gas konvensional, jejak merah mewakili genset gas baru dengan respons dinamis, dan jejak hijau mewakili genset diesel. Seperti terlihat di Gambar 1, kemampuan penerimaan beban engine gas dengan teknologi yang baru mulai mendekati tingkat kinerja yang diharapkan dari unit diesel, pada beberapa kasus bahkan mencapai titik yang memungkinkan terjadinya penggantian langsung unit diesel dengan unit gas. Selain itu, mengoptimalkan pengurutan pembebanan, memperpanjang waktu ramp UPS, dan mengurangi ukuran beban blok dapat membentuk profil beban DC agar berada dalam kemampuan penerimaan beban dari genset gas generasi yang akan datang, sehingga DC berdaya gas bisa diwujudkan.

Menggunakan sistem pembangkitan hibrid dengan kombinasi unit gas dan diesel 

Terakhir ada solusi hibrid yang menggabungkan unit gas dan diesel untuk mengompensasi permintaan DC terhadap utilitas saat saat terjadi kemacetan grid sambil mempertahankan kinerja genset diesel selama kondisi darurat. Ini dimungkinkan karena adanya fakta bahwa beban kondisi stabil di DC umumnya lambat berfluktuasi dan permintaan untuk respons transien genset tidak berat. Tantangan hadir saat ada transisi dari satu sumber daya ke sumber daya lain. Genset diesel umumnya dapat menangani transisi ini tanpa insiden. Sebaliknya, unit gas konvensional belum dapat menandingi kemampuan transien unit diesel. Namun, sistem gas-diesel hibrid akan mampu memenuhi persyaratan respons transien dan memberikan kemampuan pembangkitan non-darurat untuk mengurangi beban di utilitas saat terjadi permintaan puncak.

Versi yang lebih sederhana dari DC hibrid diesel-gas adalah konfigurasi bus paralel dengan kombinasi genset gas dan diesel. Pada dasarnya, genset gas dan diesel dihubungkan ke bus paralel yang berbagi beban. Karena unit gas umumnya akan memiliki kemampuan penerimaan beban yang lebih rendah daripada unit diesel, maka dipandang menguntungkan bila unit gas dioperasikan dalam mode beban dasar dan unit diesel dalam mode mengikuti beban (load-follow). Pembagian jumlah antara gas dibanding diesel harus dipilih berdasarkan tingkat pembangkitan non-darurat yang diinginkan sambil tetap menyediakan kekakuan bus listrik yang memadai melalui genset diesel untuk mempertahankan kualitas daya yang ditargetkan selama kondisi darurat. Meskipun rasio antara diesel dan gas akan berbeda di setiap kasus, titik awal yang wajar untuk pembagiannya adalah 50/50.

Untuk DC yang menggunakan desain modular dengan satu genset menghidupkan beban IT melalui UPS, mengembangkan konfigurasi hibrid memerlukan keseimbangan yang lebih ekstensif. Umumnya, sistem modular memiliki tingkat redundansi pembangkitan tertentu, N+1 atau N+2, dsb. Genset redundan menghadirkan peluang untuk hibridisasi. Gambar 2 menunjukkan diagram garis tunggal sederhana dari DC modular. Ada dua peluang berbeda yang bisa dipilih: 

1. Genset gas digunakan untuk unit redundan dan unit diesel digunakan untuk unit utama
2. Genset diesel digunakan untuk unit redundan dan unit gas digunakan untuk unit utama

Pada kasus pertama, kapasitas untuk pengurangan beban utilitas adalah 1/N atau 2/N, tergantung pada tingkat redundansi. Ini akan menjadi konfigurasi dominan diesel. Pada kasus kedua adalah konfigurasi dominan gas yang berpotensi memberikan semua daya yang diperlukan untuk DC. Kesesuaian dari setiap kasus tergantung pada tingkat pembangkitan-sendiri non-darurat yang ditargetkan.

Gambar 2: Contoh Konfigurasi DC Modular

Berdasarkan asumsi bahwa genset gas tidak sepenuhnya mampu mengimbangi respons transien penerimaan beban dari unit diesel, mari kita tinjau bagaimana kebutuhan tersebut akan dipenuhi oleh sistem hibrid. Pada kasus 1 yang unit redundannya adalah unit gas, genset ini dapat digunakan untuk mengurangi beban pada utilitas selama kondisi non-darurat. Genset gas akan beroperasi pada mode beban dasar. Jika utilitas tidak memadai, unit diesel akan menyalakan dan memulihkan daya ke UPS seperti biasa, baik dalam kondisi unit gas beroperasi atau tidak. Pada kasus yang jarang terjadi ketika salah satu unit diesel gagal dinyalakan, unit gas akan tersedia untuk menggantikan unit diesel, namun walk-in UPS untuk genset gas harus diturunkan ke tingkat kemampuan penerimaan beban unit gas. Atau, jika ada beberapa unit gas untuk menggantikan unit diesel yang gagal menyala, misalnya, sistem N+2, kedua unit gas tersebut mungkin memiliki kemampuan penerimaan beban yang memadai untuk mengambil alih fungsi walk-in UPS.

Pada konfigurasi hibrid kedua yang genset redundannya adalah diesel dan genset primernya adalah gas, terdapat kapasitas pembangkitan non-darurat yang memadai untuk memenuhi seluruh konsumsi listrik DC tanpa adanya beban yang diberikan pada utilitas. Namun, mungkin akan menguntungkan untuk tetap terhubung ke utilitas untuk membuat sumber listrik kaku dan menambahkan redundansi lainnya. Jika mungkin, urutan penyalaan akan terjadi saat terhubung ke utilitas, sehingga genset gas dapat naik ke tingkat yang beban IT-nya dibawa sepenuhnya oleh unit gas dan tidak ada aliran arus ke pemutus utilitas yang terkait. Jika genset gas harus dihidupkan tanpa utilitas, genset diesel redundan akan memberikan kekakuan bus listrik yang diperlukan untuk mentransfer beban IT ke unit gas. Proses ini harus diulang secara berurutan sampai semua unit gas aktif dan beroperasi dari kondisi black start (pemulihan). Proses ini akan memperpanjang waktu pengoperasian UPS terutama di unit terakhir yang akan dihidupkan (walk-in). Namun, untuk UPS baterai dengan beberapa menit kemampuan waktu pengosongan, ini tidak akan menjadi pembatasan karena pengindeksan prioritas walk-in genset akan menyeimbangkan waktu pengaktifan UPS di semua unit. Pendekatan terakhir ini memungkinkan DC mengurangi konsumsi utilitas hingga ke tingkat hampir nol saat terjadi kemacetan grid, dan ini akan memungkinkan pemilik DC untuk memanfaatkan insentif ekonomi yang mungkin diberikan oleh utilitas.

Kesimpulan

Secara ringkas, buku putih ini menguraikan berbagai opsi untuk mengonversi DC dari pembangkitan daya diesel menjadi pembangkitan daya gas. Migrasi ini bisa berupa konversi bertahap hingga konversi total. Keputusan terkait seberapa jauh konversi akan dilakukan umumnya akan didasarkan pada rentang pengurangan grid yang diperlukan pada saat permintaan listrik tinggi dan insentif ekonomi untuk membatasi konsumsi listrik eksternal pusat data melalui penggunaan kogenerasi. Tren saat ini menunjukkan bahwa kemacetan grid akan semakin meningkat karena pembangkit daya lawas telah dinonaktifkan dan semakin besarnya penetrasi sumber daya pembangkit dari energi terbarui dan variabel. Untuk mengimbangi ketidakstabilan yang berkembang dalam pasar energi listrik, pembangkitan daya gas memberikan solusi bagus yang tangguh dan ideal dari segi lingkungan dan ekonomis untuk fasilitas DC. Biaya gas alam umumnya rendah dan suplainya banyak. Dalam studi1 oleh Departemen Pertahanan AS disimpulkan bahwa sistem gas alam umumnya cukup tangguh untuk menangani pemadaman grid listrik selama dua minggu hingga tiga bulan. Secara historis, sangat sedikit kejadian pemadaman listrik di sistem distribusi gas alam, dengan kontrak suplai tetap yang menunjukkan keandalan di atas 99,999%. Singkatnya, gas alam adalah opsi yang realistis untuk menghidupkan pusat data.

1Sumber: Departemen Pertahanan: Interdependensi Sistem Pembangkit Listrik dan Sistem Gas Alam serta Implikasi untuk Keamanan Energi - 2013

Tentang Caterpillar

Selama 90 tahun, Caterpillar Inc. telah membuat kemajuan yang berkelanjutan dan mendorong perubahan positif di setiap benua. Pelanggan menghubungi Caterpillar untuk membantu mereka mengembangkan infrastruktur, aset sumber daya energi dan alam. Dengan penjualan dan pendapatan sebesar $47,01 miliar di tahun 2015, Caterpillar adalah produsen terdepan di dunia untuk konstruksi dan peralatan tambang, engine diesel dan gas alam, turbin gas industri, dan lokomotif diesel-listrik. Caterpillar terutama beroperasi melalui tiga segmen produknya- Industri Sumber Daya, Industri Konstruksi, dan Sistem Daya. Caterpillar juga memberikan layanan pembiayaan dan layanan terkait melalui segmen Financial Products-nya.

Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi caterpillar.com. 

Electric Power Solutions Center: cat.com/powergeneration.

Electric Power Social Media: Social Media