Transportasi bertanggung jawab atas 24% emisi CO2 langsung dari pembakaran bahan bakar. Meskipun penerbangan (transportasi udara) saat ini bertanggung jawab atas sekitar 3% dari total emisi CO2. Akibat pandemi virus corona yang berdampak global, pembatasan perjalanan udara telah menyebabkan penurunan emisi karbon yang signifikan di sektor penerbangan pada masanya.
Namun, pandemi ini hanya berdampak sementara pada emisi karbon yang tidak mengarah pada penerbangan berkelanjutan dalam jangka panjang. Industri penerbangan sebagian besar menggunakan bahan bakar fosil, yang lebih sulit didekarbonisasi dibandingkan dengan transportasi darat dan kereta api.
Secara internasional, kompleksitas dan kebutuhan dekarbonisasi penerbangan telah menginisiasi kebijakan dan penanggulangan untuk mengatasi tantangan lingkungan industri penerbangan oleh pemerintah dan organisasi terkait. Sebagai contoh, Uni Eropa (UE) mengusulkan agenda Flightpath 2050 untuk mengurangi 90% emisi NOx, dan 75% emisi CO2, dan semua operasi di darat bandara harus bebas emisi. Civil Aviation Administration of China (CAAC) telah mengumumkan “Rencana Lima Tahun ke-13” untuk penerbangan sipil dengan target pengurangan emisi karbon setidaknya 4% dibandingkan dengan rencana lima tahun sebelumnya.
Salah satu pendekatan yang menjanjikan untuk mencapai tujuan penerbangan rendah karbon adalah melalui elektrifikasi, yang telah menjadi agenda dari banyak maskapai penerbangan dan manufaktur untuk mengadopsi pesawat listrik dan pesawat hibrida-listrik. Namun, beberapa masalah teknis seperti kepadatan energi baterai menyulitkan realisasi elektrifikasi pesawat berbadan lebar dan jarak jauh.
Oleh karena itu, atensi dibutuhkan dengan fokus pada kelayakan awal elektrifikasi Ground Service Equipment (GSE) di bandara, terutama tercermin dalam dua aspek: i) Kendaraan darat di bandara sepenuhnya terelektrifikasi, seperti bus antar-jemput penumpang, traktor pesawat, kendaraan berpemandu, kendaraan servis, trailer pengangkut barang, forklift, dan sebagainya; ii) Ground Power Unit (GPU) digunakan untuk memberi daya pada pesawat guna menggantikan pengoperasian Auxiliary Power Unit (APU) saat pesawat berada di darat, yaitu alternatif APU.
Namun, terdapat dua tantangan potensial dalam perluasan jaringan listrik untuk memasok listrik tambahan untuk elektrifikasi bandara: (1) Dengan elektrifikasi pesawat terbang dan kendaraan layanan darat, pasokan energi untuk memenuhi permintaan listrik bandara di masa depan menjadi semakin menantang. Sebagai contoh, APU pesawat harus dipasok oleh sistem energi bandara, dan pengisian daya kendaraan listrik menjadi persyaratan tambahan bagi bandara untuk menyediakan pasokan energi.
Untuk memenuhi keseimbangan “pasokan-permintaan” dari sistem energi bandara, metode tradisional perluasan kapasitas jaringan listrik hulu kurang layak karena biaya investasi modal yang tinggi, keterbatasan lahan dan sumber daya, dan siklus konstruksi yang panjang.
Skema perluasan pembangkit listrik dengan tambahan kapasitas transmisi dan distribusi listrik pada akhirnya akan menyebabkan biaya penggunaan listrik yang lebih tinggi di bandara. Pada saat yang sama, perluasan jaringan listrik akan menyebabkan kerugian transmisi dan emisi yang lebih tinggi dari industri listrik. Dan (2) tujuan dari elektrifikasi bandara adalah untuk mengurangi konsumsi energi, emisi dan biaya operasional. Jika kebutuhan listrik sepenuhnya dipasok oleh jaringan listrik hulu, sumber emisi akan bergeser dari industri penerbangan ke industri listrik.
Area bandara yang luas termasuk atap terminal bandara, tempat parkir mobil, dan ruang terbuka lainnya sangat ideal untuk pengembangan pembangkit listrik Photovoltaic (PV), yang dapat menyediakan pasokan energi bandara yang bersih dan mandiri.
Namun, pembangkit PV yang terputus-putus dan tidak stabil membutuhkan penyimpanan energi untuk memperlancar profil keluaran, dan masa pakai Battery Storage System (BSS) tidak cukup lama untuk mendukung keseluruhan siklus hidup proyek: siklus hidup proyek bandara umumnya 20-25 tahun, sedangkan masa pakai BSS umumnya 8-15 tahun dengan biaya penggantian yang besar.
Selain itu, konsumsi energi PV di tribun terpencil bandara membutuhkan biaya konstruksi yang besar untuk jaringan distribusi daya Mid-Low-Voltage (MLV), dan sering kali dibatasi oleh ruang lahan dari perspektif perencanaan bandara. Oleh karena itu, catu daya yang fleksibel seperti GPU untuk pesawat di tribun jarak jauh diperlukan untuk mengaktifkan catu daya bergerak.
Hidrogen yang dihasilkan dari sumber-sumber ramah lingkungan dianggap sebagai solusi yang layak untuk mendekarbonisasi sistem energi masa depan. Hidrogen berada dalam bentuk air dan hidrokarbon, dan menunjukkan nilai kalor tertinggi per massa dari semua bahan bakar kimia.
Hidrogen juga bersifat regeneratif dan ramah lingkungan. Produksi bersih hidrogen diperoleh melalui elektrolisis air dari energi terbarukan. Hydrogen Energi System (HES) terutama mencakup elektroliser, Hydrogen Storage Tank (HST), dan unit pembangkit Fuel Cell (FC). Dibandingkan dengan BSS, HES memiliki masa pakai yang panjang yang dapat mencakup siklus hidup proyek bandara secara umum yaitu 25 tahun, kecuali untuk sel bahan bakar hidrogen dengan asumsi masa pakai 5 tahun.
Lebih penting lagi, tidak ada penyimpanan hidrogen yang hilang, dan energi hidrogen mudah diangkut. Di masa depan, transmisi energi molekuler dapat diterapkan, yang dapat menghindari perluasan jaringan serta kerugian penyimpanan energi. Integrasi energi hidrogen ke dalam sistem energi bandara di masa depan dianggap sebagai tren pengembangan yang layak untuk pasokan dan penyimpanan energi bandara.
Beban listrik utama untuk elektrifikasi bandara adalah konsumsi energi di darat pesawat dan pengisian daya mobil listrik bandara. Ada dua jenis beban pesawat: beban di dudukan kontak dan beban di dudukan jarak jauh. Beban pesawat di stan jarak jauh sangat mobile, yang secara tradisional dipasok oleh APU onboard pesawat. Namun, penggunaan APU onboard akan menghasilkan emisi dan kebisingan yang signifikan di bandara. Pembangkit sel bahan bakar hidrogen yang dibawa oleh Ground-mobile Power Vehicle (GPV) akan menyediakan catu daya yang fleksibel dan bergerak untuk pesawat di landasan jarak jauh untuk menggantikan APU di dalam pesawat.
Oleh karena itu, ada persyaratan mendesak untuk menilai kelayakan, peran, dan nilai integrasi sumber daya energi baru seperti PV, pasokan hidrogen, dan sistem penyimpanan energi untuk elektrifikasi bandara. Desain yang layak dan optimalisasi sistem energi bandara di masa depan sangat penting untuk operasi ekonomi bandara menuju penerbangan berkelanjutan rendah karbon. Disinilah kemudian secara konseptual, penilaian tekno-ekonomi sebagai metode menganalisis kinerja ekonomi dari suatu proses, produk, atau layanan industri menjadi dibutuhkan.
Arsitektur Sistem Energi Bandara
Sebuah bandara umumnya terdiri dari bagian-bagian berikut: 1) Area penerbangan, termasuk landasan pacu, taxiway, dan jalan penghubung; 2) Apron; 3) Terminal; 4) Menara navigasi; 5) Bagian-bagian pendukung bandara, termasuk garasi perawatan pesawat, sistem pengisian bahan bakar, dll.
Target pasokan energi masa depan utamanya adalah pesawat dan kendaraan listrik. Diagram skematis bandara ditunjukkan pada gambar 1. Umumnya, penumpang akan diatur dengan metode boarding yang berbeda tergantung pada lokasi pesawat. Penumpang pesawat yang diparkir di tempat parkir dekat dapat naik ke pesawat melalui jembatan keberangkatan, sementara pesawat yang diparkir di tempat parkir jauh harus menggunakan bus antar-jemput ke dermaga pesawat untuk naik ke pesawat. Diasumsikan bahwa ada catu daya yang dipasang di bawah setiap jembatan naik di tribun kontak untuk memasok daya bagi pesawat (standar daya pesawat adalah: 115V /200V, 400Hz).
Beberapa bandara memiliki kotak distribusi daya di apron, yang perlu dihubungkan ke power car melalui kabel daya jarak jauh. Daya listrik 400Hz yang dipasang di power car digunakan untuk mengubah frekuensi daya untuk memenuhi kebutuhan daya pesawat di remote stand. Namun, sebagian besar bandara masih menggunakan APU onboard untuk memasok pesawat di remote stand. Selain itu, kendaraan listrik di bandara semakin banyak digunakan untuk menggantikan kendaraan bahan bakar yang lebih konvensional.
Konsumsi energi di luar gedung terminal terutama mencakup catu daya darat untuk pesawat guna menggantikan APU pesawat dan pengisian daya kendaraan listrik. Kebutuhan energi tersebut akan dipasok oleh desain sistem multi-energi termasuk PV, BSS, HES, dan Microgrid DC.
Pasokan dan Permintaan Energi untuk Elektrifikasi Bandara
Untuk meningkatkan pasokan energi dan mengurangi emisi karbon untuk elektrifikasi bandara, sumber energi baru diintegrasikan ke dalam bandara. Energi surya adalah energi terbarukan utama yang dipertimbangkan untuk sistem energi bandara, di mana PV dapat dipasang di atap terminal dan ruang terbuka di apron.
Energi PV digunakan untuk memasok kebutuhan APU listrik pesawat dan mobil listrik. Karena ketidakseimbangan permintaan pasokan dari pembangkit PV, BSS direncanakan untuk menyimpan kelebihan PV dalam bentuk listrik. Selain itu, HES secara inovatif digunakan di lingkungan bandara untuk menyimpan kelebihan energi PV melalui power-to-gas, di mana kelebihan energi PV diubah menjadi hidrogen dan oksigen menggunakan elektroliser.
Hidrogen hijau yang dihasilkan disimpan dalam HST dapat digunakan untuk memasok beban bandara di tribun terpencil melalui generator sel bahan bakar sebagai pembangkit listrik terdistribusi bergerak. Oksigen yang dihasilkan dapat dijual sebagai oksigen industri atau oksigen medis untuk memberikan pendapatan tambahan untuk operasi energi bandara. Semua pasokan dan permintaan energi terdistribusi terhubung dan dikelola bersama melalui sistem microgrid oleh pusat kendali energi.
Diagram pasokan dan permintaan energi secara keseluruhan untuk bandara masa depan disajikan pada Gambar 2.
Sistem Energi Mikrogrid DC untuk Bandara
Sistem energi Microgrid DC diusulkan untuk bandara masa depan untuk mengintegrasikan beberapa pasokan energi DC termasuk PV, baterai, EV, dan elektroliser hidrogen. Untuk jaringan listrik AC tradisional, inverter biasanya diperlukan untuk mengubah pembangkit listrik atau penyimpanan dari DC menjadi AC yang dapat disalurkan melalui sistem distribusi listrik AC.
Konversi energi DC/AC di sisi suplai dan permintaan tidak hanya menyebabkan kerugian listrik, tetapi juga mengurangi keandalan sistem karena kompleksitas konversi daya [45]. Struktur Microgrid DC bertujuan untuk meminimalkan arsitektur konverter dengan kualitas catu daya yang tinggi dan menghilangkan masalah daya reaktif dan ketidakseimbangan fasa [46]. Oleh karena itu, struktur pasokan energi baru berdasarkan Microgrid DC diusulkan untuk menggantikan sistem distribusi AC tradisional di bandara masa depan.
Gambar 3 menyajikan desain skematis Microgrid DC untuk elektrifikasi bandara di masa depan. Sistem ini mengintegrasikan berbagai sumber energi dengan pembawa energi yang berbeda melalui konverter, distribusi energi, dan komponen penyimpanan dengan cara yang optimal untuk berbagai penggunaan energi bandara. FC di HES tidak terhubung langsung ke Microgrid DC.
Sebaliknya, generator sel bahan bakar dipasang di kendaraan darat dan dirancang sebagai sumber daya bergerak, yang digunakan untuk memasok listrik bagi pesawat di landasan terpencil. Elektroliser yang terhubung ke Microgrid DC dengan HST yang terpasang menyediakan produksi dan penyimpanan hidrogen hijau di tempat. Node yang berbeda dalam microgrid, seperti PV, FC, HES, BSS, EV, dan beban listrik, dapat bertukar daya dengan sistem kontrol terdistribusi otonom berdasarkan tegangan DC.
Pusat kontrol energi secara otomatis mengontrol semua komponen sistem untuk memastikan pengiriman dan pemanfaatan energi yang optimal dalam jaringan DC. Tegangan operasi microgrid DC dirancang 600V, yang dapat langsung terhubung dengan Battery Storage System (BSS). Tegangan jaringan DC 600V kemudian diturunkan ke tegangan output yang dibutuhkan oleh beban (380V / 400V).
Way Forward
Sumber daya energi utama termasuk Photovoltaic, Hydrogen Energy System, Electric Vehicles, Hydrogen Fuel Cell Generator, dan Battery Storage System terintegrasi untuk membentuk microgrid arus searah dengan berbagai opsi pasokan energi. Berdasarkan jadwal penerbangan, model karakteristik beban pesawat dikembangkan untuk mengukur beban listrik pesawat dengan mengganti unit daya tambahan pesawat dengan tujuan untuk meminimalkan total biaya tahunan dari keseluruhan sistem energi termasuk biaya investasi, operasi dan emisi selama siklus hidup proyek.
Strategi manajemen energi perlu dikembangkan untuk mengirimkan pembangkit Photovoltaic setiap satuan waktu, pembelian listrik jaringan, pengisian/pengosongan baterai, dan produksi/penyimpanan hidrogen untuk memenuhi keseimbangan pasokan-permintaan microgrid bandara.
Perlu dilakukan analisis sensitivitas untuk mengevaluasi dampak dari parameter utama seperti radiasi matahari, emisi jaringan, harga listrik, pajak karbon, biaya unit hidrogen dan harga jual oksigen terhadap desain, biaya dan pengoperasian microgrid yang diusulkan.
