Proyeksi Kekeringan Energi dan Evaluasi Komplementaritas Sistem Hibrida Angin-Surya di Indonesia Menggunakan RegCM5

Abstract

Target global dalam membatasi kenaikan suhu bumi hingga 1,5°C mendorong peningkatan kapasitas pembangkit energi terbarukan yang meningkatkan dominasi variable renewable energy (VRE) seperti angin dan surya. Namun, karakteristik VRE yang sangat bergantung pada cuaca berisiko menimbulkan fenomena kekeringan energi majemuk (Dunkelflaute). Di wilayah kepulauan beriklim monsun tropis seperti Benua Maritim Indonesia, dinamika sirkulasi lokal sangat kompleks sehingga perencanaan sistem hibrida membutuhkan data proyeksi beresolusi tinggi. Studi iklim global berskala kasar umumnya menggeneralisasi Asia Tenggara sebagai wilayah dengan variabilitas energi yang sinkron atau memiliki potensi komplementaritas yang buruk, sehingga mengabaikan pengaruh angin lokal akibat efek topografi kepulauan. Penelitian ini bertujuan memetakan potensi energi surya dan angin, menganalisis karakteristik spasio-temporal kekeringan energi, serta mengevaluasi tingkat komplementaritas sistem hibrida surya-angin di Indonesia pada periode historis (1991–2014) dan proyeksi masa depan (2015–2050). Simulasi iklim resolusi tinggi dijalankan menggunakan metode dynamical downscaling dengan model iklim regional Regional Climate Model version 5 (RegCM5) pada resolusi spasial 25 km di wilayah Indonesia. Batas awal simulasi menggunakan dua Global Climate Model (GCM) dari CMIP6, yaitu EC-Earth3 (mewakili sensitivitas iklim tinggi) dan NorESM2-MM (mewakili sensitivitas iklim rendah), yang dipilih berdasarkan performa spasio-temporal terbaik terhadap data reanalisis ERA5. Luaran mentah model dikoreksi biasnya menggunakan metode Quantile Mapping (QM) untuk periode historis dan Quantile Delta Mapping (QDM) untuk proyeksi masa depan di bawah empat skenario Shared Socioeconomic Pathways (SSP1-2.6, SSP2-4.5, SSP3-7.0, dan SSP5-8.5). Potensi energi angin pada ketinggian 100 meter dan radiasi surya permukaan dikonversi menjadi Capacity Factor (CF) harian berdasarkan spesifikasi teknis turbin kelas utilitas Siemens SWT-3.6-130 dan panel surya silikon monokristalin. Karakteristik kekeringan energi diidentifikasi menggunakan indeks frekuensi (Energy Drought Frequency/EDF) dan durasi kering maksimal (Energy Drought Duration/EDD). Tingkat komplementaritas sistem hibrida dievaluasi menggunakan analisis korelasi Spearman’s Rank Correlation Coefficient (SRCC), Composite Variability Index (CVI), dan klasterisasi spasial K-Means (k=2) untuk delineasi zona fisis hibrida. Hasil penelitian menunjukkan kontras spasio-temporal yang ekstrem antara kedua sumber energi terbarukan di Indonesia. Potensi energi surya terbukti sangat stabil dengan CF tinggi di hampir seluruh wilayah ekuatorial, sedangkan potensi angin bersifat sangat fluktuatif karena dikontrol ketat oleh sirkulasi angin Monsun Asia-Australia, di mana potensi memadai hanya terkonsentrasi secara musiman di perairan terbuka (seperti Laut Cina Selatan pada musim Desember-Februari serta Laut Arafura dan perairan selatan Jawa pada Juni-Agustus). Temuan baru menunjukkan tingkat kerentanan fisis energi angin daratan (onshore) yang sangat parah, ditandai oleh nilai EDF harian yang tinggi dan EDD maksimum yang panjang di sebagian besar daratan Indonesia, sehingga pembangkitan angin darat murni sangat tidak diandalkan. Sebaliknya, potensi sistem hibrida pesisir terbukti sangat tangguh. Algoritma K-Means berhasil memvalidasi delineasi wilayah komplementaritas Indonesia menjadi dua kelas secara tegas. Kelas 1 (komplementaritas ideal dengan korelasi negatif kuat dan volatilitas rendah) terkonsentrasi di wilayah maritim dan bentang pesisir sempit (perairan Bali-Nusra, Maluku, Sulawesi, Sumatera Utara, dan Pantai Utara Jawa) karena didukung sirkulasi harian angin darat-laut lokal. Kelas 2 (komplementaritas lemah) didominasi oleh daratan luas seperti Kalimantan akibat hambatan orografi topografi daratan serta fenomena sinkronisasi regional ITCZ dan anomali ENSO yang menurunkan kedua potensi energi secara bersamaan. Temuan mikro-spasial ini merevisi klaim studi global terdahulu yang menggeneralisasi Indonesia memiliki komplementaritas buruk akibat bias data spasial berskala kasar. Sebagai implikasi kebijakan tata ruang kelistrikan nasional, instalasi pembangkit hibrida angin-surya skala besar sangat direkomendasikan untuk difokuskan di wilayah maritim Kelas 1 (Bali-Nusra dan Maluku) menggunakan sistem desentralisasi smart micro-grid guna meminimalkan kehilangan daya transmisi jarak jauh. Untuk wilayah Kalimantan yang tergolong Kelas 2, perencanaan bauran energi sebaiknya dialihkan sepenuhnya pada pemanfaatan panel surya secara tunggal (stand-alone) tanpa memaksakan pembangunan turbin angin daratan. Lebih lanjut, mengingat adanya risiko volatilitas monsun tropis yang tersinkronisasi, integrasi sistem hibrida intermiten di pulau padat penduduk (seperti Jawa dan Sumatera) mutlak membutuhkan dukungan pembangkit beban dasar rendah karbon yang kebal cuaca (firm capacity), seperti energi panas bumi dan biomassa skala utilitas, guna menjamin keandalan inersia jaringan listrik nasional.

The global commitment to limit global warming to 1.5°C drives the rapid deployment of renewable energy capacity, leading to an increased share of variable renewable energy (VRE) sources such as wind and solar power. However, the weather-dependent nature of VRE poses a critical risk of compound energy droughts, also known as Dunkelflaute. In an equatorial monsoonal archipelago like the Indonesian Maritime Continent, localized circulation dynamics are highly complex, requiring high-resolution projection models for robust hybrid system planning. Coarse-scale global climate studies generally categorize Southeast Asia as a region with synchronous resource variability or poor complementarity, thereby overlooking the localized wind patterns induced by island topography. This study aims to map solar and wind energy potentials, analyze the spatiotemporal characteristics of energy droughts, and evaluate the complementarity of solar-wind hybrid systems in Indonesia for both the historical period (1991–2014) and future projections (2015–2050). High-resolution climate simulations were executed using dynamical downscaling via the Regional Climate Model version 5 (RegCM5) at a 25-km spatial resolution over the Indonesian domain. The initial and boundary conditions were derived from two selected CMIP6 Global Climate Models (GCMs): EC Earth3 (representing high climate sensitivity) and NorESM2-MM (representing low climate sensitivity), selected based on their superior spatiotemporal performance against ERA5 reanalysis data. The raw RegCM5 outputs were bias-corrected using Quantile Mapping (QM) for the historical period and Quantile Delta Mapping (QDM) for future projections under four Shared Socioeconomic Pathways (SSP1 2.6, SSP2-4.5, SSP3-7.0, and SSP5-8.5). Wind speeds at a 100-meter hub height and surface solar radiation were converted into daily Capacity Factors (CF) based on the technical specifications of a utility-scale Siemens SWT-3.6-130 wind turbine and a monocrystalline silicon solar panel. Energy drought characteristics were identified using the Energy Drought Frequency (EDF) and the maksimum consecutive Energy Drought Duration (EDD) indices. Hybrid complementarity was quantified using Spearman's Rank Correlation Coefficient (SRCC) and the Composite Variability Index (CVI), followed by K-Means clustering (k=2) to delineate potential spatial hybrid zones. The results reveal an extreme spatiotemporal contrast between the two renewable resources in Indonesia. Solar energy shows high stability with a high CF across almost the entire equatorial region, whereas wind energy is highly fluctuating and tightly controlled by the Asia-Australia Monsoon, with favorable potentials concentrated seasonally in open waters (such as the South China Sea during DJF and the Arafura Sea and southern waters of Java during JJA). A key novelty of this study is the identification of severe physical vulnerabilities for onshore wind power in Indonesia, as indicated by extremely high EDF and long maksimum EDD over inland areas, confirming that onshore wind power is highly unreliable. Conversely, coastal hybrid systems prove to be highly resilient. K Means clustering successfully validated the delineation of Indonesia's complementarity into two distinct zones. Class 1 (ideal complementarity with strong negative correlation and low volatility) is concentrated in maritime areas and narrow coastal strips (including the waters of Bali-Nusra, Maluku, Sulawesi, Northern Sumatra, and the Northern Coast of Java), supported by daily land-sea breeze circulations. Class 2 (weak complementarity) is dominated by large landmasses, particularly Kalimantan, where land orography and regional sync triggers like the ITCZ and ENSO weaken both solar and wind resources simultaneously. These micro-spatial findings fundamentally revise previous global studies that generalized Indonesia as having poor complementarity due to coarse scale spatial data bias. In terms of spatial grid planning implications, it is recommended to prioritize large-scale wind-solar hybrid installations in Class 1 maritime zones, such as Bali Nusra and Maluku, using decentralized smart micro-grids to minimize transmission losses and grid volatility. For Class 2 regions like Kalimantan, bauran energy planning should shift entirely to stand-alone solar PV systems without onshore wind turbines. Furthermore, given VRE intermittency and the risk of synchronized monsoonal fluctuations, the integration of hybrid systems in densely populated islands (such as Java and Sumatra) remains essential to be supported by weather independent, low-carbon baseload resources (firm capacity) like utility-scale geothermal and biomass to ensure national grid stability.