Upload
others
View
30
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
4
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Biomassa
Biomassa merupakan sumber energi yang dapat diperbarui dan tumbuh sebagai
tanaman yang selalu dapat ditanam ulang dan dituai dengan cara-cara sebagaimana
manusia memanfaatkannya sebagai bahan bakar dahulu kala. Kegiatan
memanfaatkan biomassa juga sering disebut dengan “menanam energi hijau “
(energy farming) tanpa membutuhkan modal/biaya tinggi, tetapi mampu
melibatkan banyak tenaga kerja sehingga layak disebut “pro job action”. (Gan Thay
Kong, 2010)
Beberapa contoh dari energi biomassa antara lain yaitu biogas yang merupakan
energi alternatif yang berasal dari bahan organik, seperti material tanaman, kotoran
manusia, pupuk kandang dan sebagainya. Contoh lain adalah kayu yang merupakan
energi panas yang terlepas pada saat terbakar, panas tersebut dimanfaatkan untuk
memasak, penghangat ruangan dan sebagainya. Pada skala besar kayu juga bisa
dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik tenaga uap. Limbah pertanian juga
termasuk energi biomassa dan yang dapat digunakan untuk energi biomassa adalah
ampas tebu, jerami dan kotoran ternak. Tanaman energi yang banyak ditanam
sebagai sumber energi biomassa, antara lain adalah jagung, rami, kedelai dan
gandum. Berbagai tanaman tersebut dapat menghasilkan bahan bakar seperti
biodiesel, propanol, etanol danbutanol.
2.2 Potensi Biomassa di Indonesia
Indonesia mempunyai sumber energi biomassa yang sangat banyak. Salah satu
penyebabnya karena Indonesia termasuk negara dengan iklim tropis disertai dengan
wilayah yang luas. Pertanian dan perkebunan adalah sektor bisnis yang paling
berkembang di Indonesia, hal tersebut memperluhatkan potensi yang lumayan besar
untuk mencukupi sumber bahan baku pembuat biomassa.
5
Gambar 2.1 Potensi Biomassa di Indonesia
(Arif Tajali, 2015)
Gambar diatas menampilkan lokasi-lokasi dengan tingkat energi yang
diperoleh dari ketersediaan sumber biomassanya. Energi yang diperoleh dari
biomassa di Indonesia sangat besar yaitu 5.083 MWe, namun daya yang dihasilkan
masih sangat sedikit energi yang termanfaatkan.(Arif Tajali, 2015)
Pada penelitian ini bahan bakar yang digunakan adalah biomassa, dengan kata
lain penelitian ini dilakukan untuk memaksimalkan penggunaan energi biomassa
agar tidak terbuang sia-sia dan tidak menimbulkan dampak negatif untuk
lingkungan sekitar.
2.3 Bahan Bakar
Bahan bakar ialah suatu bahan untuk menghasilkan panas api. Bahan bakar bisa
diperoleh dari alam, bisa juga buatan karena telah melalui proses pengolahan
dengan terknologi (Ismun, 1993). Secara umum kayu dibagi dengan 2 jenis, yaitu
kayu lunak dan keras. Pohon yang berdaun lebar biasanya kayunya keras,
sedangkan kayu dari pohon berdaun jarum biasanya lebih lunak. Walaupun pohon
tersebut dari jenis yang sama, setiap pohon memiliki kekerasan berbeda, bahkan
pada satu jenis pohon kekerasan kayunyanya berbeda. (Janto, 1978)
Menurut Mahendra (2017) ada hal- hal yang termasuk dalam sifat kayu antara
lain berat volume, kekerasan, berat jenis dan keawetan alami. Berat jenis yang
6
dimiliki setiap kayu berbeda-beda, biasanya berkisar antara 0,2 (kayu biasa) hingga
1,28 (kayu lara/kayu nani). Kayu lamtoro sendiri memiliki nilai kalori sebesar
19.250 kJ/kg. Sifat fisik kayu ditentukan dari ukuran volume rongga atau porositas,
organisasi struktur sel dan kandungan air. Titik pembakaran suatu bahan bakar tidak
sama, misalnya kayu memiliki titik pembakaran pada 300oC, yang mana pada
temperatur tersebut kayu mulai terbakar.
Pada penelitian ini bahan bakar yang digunakan adalah kayu lamtoro.
Penggunaan kayu lamtoro sebagai bahan bakar karena cukup mudah ditemukan
apalagi di daerah pedesaan yang masih alami.
2.4 Udara
Menurut Fardiaz (1992) udara merupakan percampuran gas yang berada pada
lapisan yang mengelilingi bumi dan komponen percampuran tersebut tidak selalu
konstan. Udara termasuk salah satu pembentuk atmosfer karena berada di area bumi
yang bermanfaat untuk kehidupan semua makhluk hidup di bumi.
2.1 Tabel Komposisi Udara Bersih
(Prodjosantoso, 2011)
7
Psikometri udara merupakan total udara yang mensuplai oksigen hanya untuk
proses pembakaran. Total psikometri udara bisa digunakan persamaan sebagai
berikut :
SA = 𝑏𝑎𝑛𝑦𝑎𝑘𝑛𝑦𝑎 𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛 𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟
𝑗𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑘𝑎𝑛𝑑𝑢𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛 𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟 x masa oksigen
Pada penelitian ini udara yang digunakan adalah udara bebas dengan kecepatan
dan tekanan standar tanpa menggunakan blower atau alat bantu lainnya untuk
merekayasa udara yang masuk kedalam kompor biomassa.
2.5 Fluida
Penjelasan yang lebih tepat untuk membedakan fluida dengan zat padat ialah
dari karakteristik deformasi bahan-bahannya. Zat padat dianggap sebagai bahan
yang menunjukkan reaksi deformasi yang terbatas ketika menerima atau mangalami
gaya geser . Sedangkan fluida menunjukkan fenomena sebagai zat yang terus
menerus berubah bentuk apabila mengalami gaya geser, dengan kata lain yang
dikategorikan sebagai fluida ialah suatu zat yang tidak mampu menahan tekanan
geser tanpa berubah bentuk. (Ridwan, 1999)
Secara umum jenis aliran fluida dapat dibedakan atau dikelompokkan sebagai
berikut :
Aliran lunak (steady), aliran yang kecepatannya konstan dan tidak dipengaruhi
oleh perubahan waktu.
Aliran seragam (uniform), aliran dengan penampang lintasan serta kecepatanya
berubah sedangkan besar dan arahnya tidak berubah.
Aliran tidak lunak, aliran yang kecepatannya berubah terhadap waktu.
Aliran tidak seragam (non uniform), aliran dengan kondisi terjadi perubahan
baik kecepatan maupun penampangnya.
Dari berbagai jenis atau tipe alirannya, harus memenuhi hubungan-hubungan
sebagai berikut :
- Hukum-hukum Newton tentang gerakan, yang harus berlaku untuk setiap
partikel pada setiap saat.
- Syarat-syarat batas.
- Hukum pertama dan hukum kedua termodinamika.
- Hubungan kontinuitas atau hukum kekalan massa.
8
Berikut adalah beberapa persamaan dasar aliran fluida :
Persamaan Kontiunitas
Aliran steady pada suatu volume kendali (pk), berlaku persamaan :
pk v.dA = 0 . . . (2.2)
bahwa laju bersih aliran massa keluar dari volume kendali itu harus nol. Jika tidak
ada aliran melalui dinding tabung, maka :
1 v1 dA1 = 2 v2 dA2 . . . (2.3)
Gambar 2.2 Aliran steady pada tabung aliran
(Ridwan, 1999)
Persamaan Bernouli
gz = v2
2+
p
ρ = konstan . . . (2.3)
Kerja aliran merupakan kerja bersih yang dilakukan oleh elemen fluida terhadap
lingkungannya selama fluida tersebut mengalir.
Gambar 2.3 Kerja yang dilakukan dengan tekanan secara terus menerus
(Ridwan, 1999)
9
Pada penelitian ini aliran di dalam kompor biomassa termasuk jenis aliran
lunak (steady) karena udara yang digunakan adalah udara bebas dan kecepatannya
tidak dipengaruhi oleh waktu.
2.6 Kompor Biomassa
Kompor biomassa ialah kompor dengan bahan bakar biomassa padat, seperti
tanaman, kayu, sampah, limbah pertanian, dan sebagainya. Selama ini biomasa
yang sering dipakai untuk memasak di daerah pedesaan ialah kayu karena sangat
mudah ditemui. Akan tetapi kualitas pembakaran yang bagus akan menimbulkan
efisiensi pembakaran sempurna dan apabila pembakaran buruk maka bisa
menimbulkan asap yang berefek negatif jika terhirup manusia.
Gas–gas seperti hidrogen (H2), metana (CH4) dan karbon monoksida (CO)
ialah gas hasil dari pembakaran dan gas tersebut bisa terbakar sehingga bisa
digunakan menjadi bahan bakar. Supaya menghasilkan nyala api yang sempurna
maka asap hasil dari proses pengarangan harus dibakar lagi untuk kedua kalinya.
Gambar 2.4 Kompor Biomassa Gasifikasi
(Nurhuda, 2008)
10
Komponen – komponen pada kompor biomassa adalah sebagai berikut:
Burner
Merupakan tempat berlangsungnya pembakaran gas hasil gasifikasi yang akan
dipakai untuk memanaskan benda diatas kompor seperti teko, panci, dll. Burner
juga merupakan tempat dimana terjadinnya secondary combustion agar api
yang dihasilkan sempurna dan pembakaran lebih efisien.
Lubang Udara
Kompor biomassa ini mempunyai 2 tipe lubang udara, antara lain lubang udara
primer yang berfungsi membantu proses pembakaran gasifikasi yang
menghasilkan gas dan lubang udara sekunder yang berfungsi membakar sisa-
sisa gas yang dihasilkan oleh gasifikasi di lubang primer.
Reaktor
Berfungsi sebagai tempat pembakaran pada saat proses gasifikasi dan
pembakaran berlangsung. Bagian reaktor ini terdapat dua lapis yaitu tabung
luar dan tabung dalam.
Kandungan Karbon
Semakin besar kandungan karbon di suatu bahan maka semakin baik pula bahan
tersebut untuk dijadikan bahan bakar karena energi yang dihasilkan lebih besar.
Pembakaran Sempurna
Pembakaran sempurna terjadi apabila semua unsur karbon yang bereaksi bersama
oksigen, dan hanya akan menghasilkan CO2. Sedangkan pembakaran tidak
sempurna akan menghasilkan gas CO2, O, CO dan zat arang (C). Secara umum,
pembakaran biomassa dengan oksigen bisa ditulis sebagai berikut :
CH4Oy + O2 CO2 + H2O
11
Pembakaran Habis
Pembakaran yang tidak menyisakan karbon pada saat bahan bakar bereaksi dengan
oksigen.
(Ediy Satiawan, 2015)
Pada penelitian ini kompor saya memiliki sistem kerja dan cara mensuplai
udara yang sama seperti kompor yang sudah ada. Namun kompor saya memiliki
desain berbeda berbeda dan memiliki fungsi yang lebih baik.
2.7 Gasifikasi
Gasifikasi merupakan proses perubahan bahan bakar padat secara temokimia
menjadi gas, pada saat udara yang dibutuhkan lebih kecil dari udara yang dipakai
pada proses pembakaran (Suyitno, 2007). Teknologi gasifikasi biomassa yaitu
teknologi yang cukup sederhana serta gampang dalam pengoperasian dan layak
untuk dikembangkan.
Gasifikasi terdiri dari 4 tahap antara lain pengeringan, pirolisis,
oksidasi/pembakaran dan reduksi. Salah satu cara untuk mengetahui tahap yang
sedang berlangsung yaitu dengan mengetahui rentang temperature masing-masing
tahap :
Pengeringan
Reaksi ini terdapat pada bagian atas reaktor dan termasuk zona temperature
terendah pada reactor yaitu dibawah 150 oC.
Pirolisis/Devolatilisasi
Suatu rangkaian proses kimia dan fisik yang terjadi selama proses ini dimulai
secara perlahan pada suhu 700 oC.
Oksidasi/Pembakaran
Proses ini mensuplai seluruh energi panas yang diperlukan pada reaksi
endotermik. Oksigen yang disuplai ke dalam gasifier bereaksi dengan substansi
dan mudah terbakar.
12
Reduksi
Produk yang diperoleh pada proses ini adalah gas bakar, seperti H2, CO, dan
CH4. Reduksi memiliki beberapa tahapan, antara lain :
1. Water-gas reaction (reaksi oksidasi parsial)
2. Boudouard reaction (reaksi antara karbondioksida dengan arang)
3. Shift conversion (reduksi karbonmonoksida untuk memproduksi
hidrogen)
4. Methanation (pembentukan gas metan)
Gambar 2.5 Tahapan proses gasifikasi
(Bilad, 2010)
13
Secara global gasifikasi diklasifikasikan menjadi up draft, down draft, dan
Cross draft (Quakk et al., 1999).
Up Draft Gasifier
Up draft merupakan tipe tersederhana dari gasifikasi, biomassa yang
dimasukkan dari atas kemudian berjalan ke bawah dan akan menghasilkan gas
beserta arang, udara masuk dari bawah dan menghasilkan gas yang keluar ke atas.
Bahan bakar berjalan berlawanan arah dengan zona aliran produser gas melewati
zona pengeringan, zona pirolisis, zona reduksi dan zona pembakaran.
Gambar 2.6 Up Draft Gasifier
(Quakk et al., 1999)
Down Draft Gasifier
Bahan bakar biomassa dimasukkan dari bagian atas kompor beserta dengan
udara masuk. Selanjutnya gas hasil pembakaran akan mengalir ke bawah (reactor),
jadi aliran biomassa dan udara sejalan. Tipe ini memiliki keunggulan, yaitu
menghasilkan gas dengan kandungan tar yang rendah. Kelebihan gasifikasi tipe
down draft ini antara lain :
Teknik pembersihan gas lebih sederhana karena tar yang rendah.
Gas yang dihasilkan lebih panas daripada tipe up draft.
Lebih gampang untuk diteruskan ke proses pembakaran.
14
Gambar 2.7 Down Draft Gasifier
(Quakk et al., 1999)
Cross Draft Gasifier
Pada tipe ini, udara masuk dengan kecepatan tinggi melalui nozzle tunggal.
Tmeperatur yang dihasihlkan tipe ini sangat tinggi, sehingga ta yang dihasilkan
rendah. Biomassa yang dimasukkan dari atas namun udara dan gas yang diperoleh
pada setiap biomassa terdapat pada bagian samping reaktor. Gasifikasi tipe ini
hanya dipakai untuk bahan bakar dengan kandungan tar yang rendah.
Gambar 2.8 Cross Draft Gasifier
(Quakk et al., 1999)
Pada penelitian ini jenis gasifikasi yang akan saya gunakan adalah Up draft dan
down draft gasifier karena udara dimasukan dari bawah dan dari samping sehingga
gas yang dihasilkan memiliki kandungan tar yang rendah dan suhu dari gas tersebut
menjadi lebih panas.
15
2.8 Metode Beda Hingga
Beda hingga merupakan contoh dari pendekatan numerik yang biasa
dipergunakan untuk mencari penyelesaian dari suatu persamaan, metode ini
susungguhnya diartikan sebagai nilai perbedaan dari dua titik atau lebih. Pemikiran
dari metode ini ialah untuk mencari aproksimasi numerik sebuah titik berdasarkan
pada nilai dari beberapa titik disekitar titik tersebut,
Gambar 2.9 Metode Beda Hingga