BAB I

BAHAN BAKAR

Tujuan Instruksional Khusus

1. Mahasiswa mampu menjelaskan pengertian bahan bakar padat (batubara),

pembentukan gambut, lapisan batubara, dan teori pembentukan lapisan batubara

2. Mahasiswa mampu menuliskan dan menjelaskan jenis-jenis analisis batubara

3. Mahasiswa mampu membedakan analisis proksimat dan analisis ultimat batubara

4. Mahasiswa mampu mengklasifikasikan jenis-jenis bahan bakar cair dan gas

1.1. Pendahuluan

Ketiga kelas bahan bakar yaitu bahan bakar padat, bahan bakar cair dan bahan

bakar gas termasuk kelompok bahan bakar fossil. Semua bahan bakar fossil dihasikan

dari perfossilan senyawa karbohidrat. Senyawa ini dengan rumus Cx(H2O)y, yang

dihasilkan dari tanaman-tanaman hidup melalui proses foto sintetis ketika ia merubah

langsung energi surya menjadi energi kimia.

Kebanyakan bahan bakar fossil diproduksi pada abad Carboniferous dalam era

paleozoic bumi, kira-kira 325 juta tahun lalu. Setelah tanaman mati karbohidrat diubah

menjadi senyawa hidrokarbon dengan rumus kimia CxH7 karena pengaruh tekanan dan

panas dan dalam kondisi ketiadaan oksigen (anaerob). oleh karena itu semua bahan

bakar fossil terdiri dari senyawa hidrokarbon. Beberapa contoh bahan bakar padat

adalah kayu, arang, tempurung,gambut dan batubara.

1.2. Bahan Bakar Padat

1.2.1. Batubara

Merupakan bahan bakar fossil terbanyak berasal dari tumbuh tumbuhan yang

memfossil. Ditaksir bahwa paling tidak diperlukan 20 kaki tumbuh-tumbuhan yang

dipadatkan untuk memperoleh lapisan batubara setebal 1 kaki. Proses pembentukan

batubara dari tumbuh tumbuhan melalui dua tahap yaitu :

Tahap penggambutan dari tumbuhan disebut proses peatification

Tahap pembentukan batubara dari gambut disebut proses coalification

a. Pembentukan Gambut (Penggambutan)

Tumbuhan yang tumbang atau mati dipermukaan tanah pada umumnya akan

mengalami proses pembusukan dan penghancuran sempurna sehingga setelah

beberapa tahun kemudian tidak terlihat lagi bentuk asalnya. Pembusukan dan

penghancuran tersebut pada dasarnya merupakan proses oksidasi yang disebaban

oleh adanya oksigen dan aktivitas bakteri atau jasad renik lainnya.

Jika tumbuhan tumbang disuatu rawa yang dicirikan dengan kandungan oksigen

yang sangat rendah, sehingga tidak memungkinkan bakteri, aerob hidup, maka sisa

tumbuhan tersebut tidak mengalami proses pembusukan penghancuran sempurna,

sehinggga tiak akan terjadi proses oksidasi sempurna.

Pada kondisi tersebut hanya bakteri-bakteri anaerob saja yang berfungsi

melakukan prosess dekomposisi yang kemudian membentuk gambut. daerah yang

ideal untuk pembentukan gambut misalnya delta sungai, danau dangkal. Meskipun

oksigen tidak tersedia dalam jumlah yang cukup, komponen utama pembentukan kayu

juga akan teroksidasi menjadi H2O CH4, CO dan CO2. Gambutnya berwarna coklat

sampai hitam. Merupakan padatan yang bersifat porous dan masih memperlihatkan

struktur tumbuhan asalnya. Proses pembentukan gambut disebut juga proses biokimia.

gambut umumnya masih mengandung lengas yang tinggi (bisa lebih dari 50%)

b. Pembentukan Batubara (Pembatubaraan)

Proses pembentukan gambut akan terhen ti misalnya karena penurunan cepat

dasar cekungan. jika lapisan gambut yang telah terbentuk kemudian ditutupi oleh

lapisan sedimen, maka tidak ada lagi bakteri anaerob atau oksigen yang dapat

mengoksidasi, maka lapisan gambut akan mengalami tekanan oleh lapisan sedimen

Pengaruh tekanan terhadap lapisan gambut akan meningkat dengan bertambah

banyaknya lapisan sedimen. Tekanan yang bertambah besar mengakibatkan

peningkatan suhu. Disamping suhu juga akan meningkat dengan bertambah

kedalaman. selain karena adanya lapisan sedimen kenaikan suhu dan tekanan juga

disebabkan oleh aktivitas magma proses pembentukan gunung serta aktivitas tektonik

lainya.

Peningkatan tekanan dan suhu pada lapisan gambut akan mengkonversi gambut

menjadi batubara dimana terjadi proses pengurangan kandungan lengas, pelepasan

gas-gas (CO2,H2O, CO, CH4), peningkatan kepadatan dan kekerasan serta

peningkatan nilai kalor.

Gambar 1.1 Ilustrasi Hutan Pembentukan Batubara

Tekanan, suhu dan waktu merupakan faktor yang menentukan kualitas batubara

Tahap pembentukan batubara ini sering disebut proses termodinamika.

1.2.2 . Teori Pembentukan Batubara

Terdapat dua teori akumulasi gambut baik mengenai ketebalan maupun

penyebarannya, yang kemudian memungkinkan terjadi lapisan batubara yang

ditemukan dan ditambang saat ini.

1. Teori In Situ

Bahwa lapisan gambut terbentuk dari tumbuhan yang tumbang di tempat

tumbuh, batubara yang terbentuk disebut batubara anchtone.

2. Teori Drift

Menyatakan bahwa lapisan gambut yang terbentuk berasal dari bagian tumbuh

tumbuhan yang terbawa oleh aliran air dan terendapkan di daerah hilir (delta), batubara

yang terbentuk disebut batubara allochtone

1.2.4. Analisis Batubara

Ada dua basis analisis batubara yaitu analisis proksimat dan anaisis ultimat.

Kedua sistem analisis ini memberikan fraksi massa atau gravimetrik komponen-

komponen didalam batubara dan kedua analisis tersebut dapat dilaporkan dengan

berbagai cara yang berbeda

Pada setiap lapisan batubara, terdapat dua komponen yang menunjukan variasi

penting dari keseluruhan lapisan tersebut. Komponen tersebut adalah kebasahan dan

abu. Fraksi abu bervarasi, karena abu pada dasarnya adalah bahan anorganik yang

mengendap bersama bahan organik pada waktu proses pemadatan. Kadar kebasahan

batubara sangat bervariasi, tergantung pada keterbukaan ke air tanah sebelum

penambangan dan ke udara bebas sewaktu pengangkutan penyimpanan sebelum

dibakar.

Analisis proksimat dan ultimat biasanya dilaporkan dengan basis bebas abu dan

bebas kebasahan (kering). Untuk kegunaan penghitungan pembakaran dan

pengangkutan batubara, analisis ini harus dikonversikan kedalam basis ketika dibakar

atau diterima yang mengikut sertakan kedua fraksi abu dan kebasahan dalam batubara

tersebut.

a. Analisis Proksimat

Anaisis proksimat merupakan analisis batubara yang paling sederhana dan

menghasilkan fraksi massa karbon tetap (FC), bahan mudah menguap (VM),

kebasahan (M) dan abu (A) dalam batubara, Analisis ini dilakukan dengan menimbang,

memanaskan dan membakar sampel batubara. Sampel batubara dihaluskan, ditimbang

dengan hati-hati kemudian dipanaskan hingga suhu 110 oC (230 oF) selama 20 menit.

Sampel ini kemudian ditimbang kembali dan kehilangan massa dibagi dengan

massa semula akan memberikan fraksi massa kebasahan (M) sampel.

Sampel kemudian dipanaskan ke suhu 954 oC (1750 o F) dalam sebuah tabung

tertutup selama 7menit sesudah itu kembali ditimbang. massa yang hilang dibagi

dengan massa semula menghasilkan fraksi massa bahan yang dapat menguap (VM)

didalam sampel.

Sampel kemudian dipanaskan ke suhu 732 oC (1350oF) dalam suatu cawan

peleburan hingga terbakar sempurna. Sisanya kemudian ditimbang dan berat terakhir

dibagi dengan berat semula menghasilkan fraksi abu (A).

Fraksi Massa karbon tetap diperoleh dengan cara 1 – fraksi massa kebasahan – fraksi

massa bahan mudah menguap - fraksi massa abu. Dalam bentuk persamaan

matematis sebagai berikut: 1 - M - VM - A.

b. Analisis Ultimat

Analisis ultimat batubara adalah suatu analisis laboratorium yang memuat fraksi

massa karbon (C), hidrogen (H2), Oksigen (O2), sulfur(S) dan nitrogen (N2) dalam

batubara sekaligus dengan nilai pembakaran tinggi (HHV)nya.

Analisis batubara untuk batubara amerika yang khas ditunjukan pada lampiran C

(sumber buku prinsip-prinsip konversi energi), bersamaan dengan nilai pembakaran

tingginya. Semua analisis ini dilaporkan dengan basis kebasahan , bebas abu dan

sekaligus mengenai kadar kebasahan dan abu begitu di timbang. Jika kadar abu dan

kebasahan dapat dihitung, fraksi massa yang lain dan nilai pembakaran tinggi (HHV)

batubara dapat ditentukan dengan persamaan berikut:

Fraksi massa bahan bakar = (fraksi massa bebas abu, kering) (1 – M – A)

Nilai pembakaran tinggi begitu terbakar = (HHV bebas abu, kering) ( 1 – M - A)

Ada dua macam nilai pembakaran yaitu nilai pembakaran tinggi (HHV) dan nilai

pembakaran rendah (LHV) atau netto. Perbedaan HHV dan LHV dihitung dengan

pendekatan berdasarkan rumus berikut yang dapat terpakai untuk sembarang bahan

bakar alam basis massa:

HHV - LHV = 2400 (M + 9 H2) kj/kg

M dan H2 dalah kebasahan dan fraksi massa hidrogen bahan bakar .Bila nilai

eksperimen dari nilai pembakaran tinggi tidak tersedia, maka nilai pembakaran

tingginya dapat ditaksir dengan menggunakan analisis ultimat dan memakai rumus

Dulong:

HHV = 33.950 C+ 144.200 ( H2 - O2 ) + 9400 S kj/kg

1.3. Bahan Bakar Cair

1.3.1. Formasi dan Klasifikasi

Sementara batubara dianggap berasal dari tumbuhan yang memfossil maka

minyak bumi dianggap berasal dari kehidupan laut yang membusuk sebagian. Minyak

bumi atau minyak mentah biasanya ditemukan didalam kubah karang berpori besar.

Minyak mentah biasanya dirangking kedalam tiga katagori, tergantung pada jenis residu

yang tertinggal setelah fraksi yang ringan didistilasi dari minyak mentah itu. Dengan

sistem ini, minyak bumi diklasifikasikan sebagai minyak mentah basis parafin, basis

aspal dan basis campuran.

Meskipun minyak mentah adalah komposisi dari berbagai senyawa organik,

analisis ultimat semua minyak mentah ini adalah agak konstan. Fraksi massa karbon

berkisar antara 84 - 87 persen, fraksi massa hidrogen berkisar antara 11 - 16 persen,

jumlah oksigen dan nitrogen berkisr antara 0 - 7 persen, dan fraksi massa sulfur

berkisar 0 - 4 persen.

Ada enam jenis komersal bahan bakar minyak ,meskipun bahan bakar minyak

no 3 sudah tidak tersedia lagi secara komersial. Bahan bakar minyak no 1 adalah yang

paling ringan, paling tidak viscos dan dibuat untuk dapur pembakaran yang bekerja

dengan sistem penguapan. Bahan bakar minyak no 2 adalah minyak pemanas

domestik yang serba guna. Bahan bakar minyak no 4 adalah minyak pemanas jenis

komersial yang relatif ringan dan merupakan minyak paling berat yang dapat

dipompakan tanpa pemanasan pada suhu sedang Bahan bakar minyak no 5 adalah

bahan bakar minyak jenis komersial yang berat dan viscos, dan bahan bakar minyak no

6 atau minyak bunker-C adalah bahan bakar minyak yang paling berat dan paling

viscos. Kedua jenis terakhir ini no 5 dan 6 perlu dipanaskan terlebih dahulu sebelum

dipompakan. Sifat rata-rata bahan bakar minyak ini diberikan pada lampiran C (sumber

buku prinsip-prinsip konversi Energi)

1.3.2 Sifat-Sifat Minyak Bumi

Sifat-sifat yang penting dari minyak bumi serta turunannya adalah nilai

pembakaran, berat atau bobot jenis, titik nyala dan titik lumer. Nilai pembakaran

biasanya berupa nilai pembakaran tinggi, dinyatakan dalam satuan kj/lt atau Btu/gallon.

Nilai pembakaran dalam basis satuan massa dari turunan minyak bumi naik apabila

bobot jenisnya turun atau bila oAPI (API singkatan dari The American Petrolium

Institute) dan oBe (o Baume) nya naik.

Bobot jenis suatu cairan adalah kerapatan cairan tersebut dibagi dengan

kerapatan air pada suhu 60 oF (15,6 oC). Bobot jenis minyak bumi dan produk minyak

bumi biasanya dinyatakan dalam satuan oBe atau oAPI. Hubungan antara bobot jenis

dan satuan ini adalah sebagai berikut:

Bobot jenis (s) = 140 / (130 + oBe )

Bobot jenis (s) = 141,5 / (131,5 + oAPI )

Titik nyala suatu cairan bahan bakar adalah suhu minimum fluida pada waktu

uap yang keluar dari permukaan fluida langsung akan menyala. Pada suhu sedikit tinggi

disebut sebagai titik api (fire point), uap akan membantu pembakaran.

Titik lumer (pour point) suatu produk minyak bumi adalah suhu terendah dimana

suatu minyak atau produk minyak akan mengalir dibawah kondisi standar. Titik ini

ditentukan dengan mencari suhu maksimum dimana permukaan suatu sampel minyak

dalam suatu tabung percobaan standar tidak bergerak selama 5 detik ketika tabung

percobaan diputar ke posisi horizontal. Titik lumer adalah sama dengan suhu ini

ditambah 5 oF.

1.4 Bahan Bakar Gas

Hampir semua bahan bakar gas adalah bahan bakar fossil atau hasil samping

dari bahan bakar fossil. Bahan bakar ini dapat dibagi menjadi tiga kelompok besar yaitu

gas alam, gas pabrik dan gas hasil sampingan. Beberapa komposisi serta sifat-sifat lain

dari bahan bakar gas diberikan pada lampiran F ( sumber buku prinsip-prinsip konversi

energi)

Komposisi bahan bakar gas umumnya dinyatakan dalam bentuk fraksi molar

atau volum dari komponen gas. Untuk campuran gas ideal fraksi molar dan volum

sama. nilai pembakaran dari suatu bahan bakar gas umumya diyatakan dalam satuan

energi per satuan volum, seperti kj/m3 atau BTU/ft3, tetapi nilai ini berbanding langsung

dengan tekanan absolut berbanding terbalik dengan suhu absolut. Nilai pembakaran

juga dapat dinyatakan dalam bentuk energi persatuan massa kj/kg dan besaran ini

bebas terhadap tekanan dan suhu.

Nilai pembakaran volumetrik suatu campuran bahan bakar gas adalah sama

dengan jumlah perkalian volum atau fraksi mol komponen individual dengan nilai

pembakaran volumetrik komponen yang bersangkutan. Bila nilai pembakaran

volumetrik suatu komponen gas pada suhu referensi Tr, dan tekanan referensi Pr

diketahui, nilai pembakaran volumetrik campuran gas diperoleh dari persamaan

berikut :

(HHVv campuran)Pr,Tr = (HHVv,i)Pr,Tr(Vi)

Dimana HHVV,i dan V1 adalah nilai pembakaran tinggi volumetrik dari fraksi

volumetrik komponen gas ke i, Nilai pembakaran tinggi r sejumlah senyawa yang

mudah terbakar ditabulasikan dalam lampiran G (sumber Buku Prinsip-prinsip konversi

energi ). Persamaan berikut ini dapat dipakai untuk mengkonversikan nilai pembakaran

tinggi volumetrik pada tekanan dan suhu referensi tertentu ke tekanan dan suhu lain

(HHVv )P,T = (HHVv)Pr,Tr P TrPr T

Tekanan dan suhu pada persamaan diatas harus dalam nilai absolut.

Nilai pembakaran volumetrik HHVv pada suatu tekanan P dan suhu T dapat

dikonversikan menjadi nilai pembakaran gravimetrik HHVM dengan mengalikan nilai

volumetrik tersebut dengan volume jenis v dari gas pada tekanan dan suhu yang sama:

(HHVm = (HHVv)P,T(V )P,T

Volume jenis suatu campuran gas dapat dihitung dari berat molekul gas tersebut

(MW) dan persamaan gas ideal, seperti berikut:

v = V RT = Ru T m P P(MW)

dimana Ru adalah konstanta gas universal

Contoh soal:

Hitunglah niai pembakaran tinggi (kj/m3 dan kj/kg) pad suhu 10 oC dan tekanan 3 atm

untuk suatu campurngas dengan komposisi sebagai berikut: 94,3% CH4, 4,2%C2H6

dan1,5% CO2

Penyelesaian:

Diketahui fraksi mol dari komponen gas pada suhu20 oC dan tekanan 1 atm

(lampiran G)

(HHVv)CH4 = 37.204 kj/m3

(HHVv)C2H6 = 65.782 kj/m3

(HHVv)CO2 = 0 kj/m3

Jadi Berat molekul campuran gsa = 0,943 (16) + 0,042(30) + 0,015(44)

= 19,01 kg/kgmol

pada suhu 20 oC dan1 atm

(HHVv)campuran = 0,943 (HHVv)CH4 + 0,042((HHVv)C2H6 + 0,015 (HHVv)CO4

= 0,943 (37.204) + 0,042(65.782) + 0,015 (0)

= 117.846 kj/m3

Volumjeniscampuran gas,v= RuT/P (MW)

dimana:

P =3 atm =1,013 bar/atm (3 atm) = 3,039 bar

T = 10 oC =283 o K

Ru = 0,083314 bar.m3/ (kgmol) oK

V = 0,083314 bar.m3/ (kgmol) oK (283 o K)/ 3,039 bar x (19,01

kg/kgmol)

= 0,4552 m3/ kg

maka :

HHVm = V (HHVv)campuran

= 0,4552 m3/ kg x 117.846 kj/m3

= 53.506 kj/kg

=23.008 BTU/lbm

1. 5. Bahan Bakar Gas Khas

Gas alam adalah suatu satunya bahan bakar fossil yang sebenarnya dan

biasanya terperangkap dalam lapisan batu kapur diatas resevoar minyak bumi.

Tekanan resevoar berkisar antara 350 -700 bar. Gas alam terutama terdiri dari matane

dengan sedikit fraksi gas-gas lain.Komposisi beberapa gas alam yang khas ditunjukan

pada lampiran F.

Di antara semua bahan bakar fossil, gas alam mempunyai nlai pembakaran

gravimetrik tertinggi yaitu 55.800 kj/kg atau 24.000 Btu/lbm. Nilai pembakaran

volumetrik gas alam adalah sekitar 37.000kj/m3 pada 1 atm dan 20 oC.

Ada beberapa jenis bahan bakar gas pabrik, diantaranya adalah liqufied

petrolium gas (LPG), gas air, gas air karburasi, gas alam penganti (SNG) atau sintetis

dan gas produser. Masih ada sejumlah bahan bakar gas lain yang diproduksi sebagai

produk sampingan dari beberapa proses. Gas-gas ini misalnya gas dapur kokas, gas

riol dan gas dapur tinggi. komposisi sifat beberapa gas ini ditunjukan pada lampiran F.

Gas air adalah suatu bahan bakar gas pabrik yang diproduksi dengan cara

mengalirkan uap dan udara bergantian melalui suatu lapisan kokas pijar. Uap bereaksi

dengan kokas panas itu untuk menghasilkan hidrogen dan karbon monoksida. Kadang-

kadang ditambahkan pula uap minyak ke atas gas tersebut untuk menaikan nilai

pembakaran yang dihasilkan. Gas yang dihasilkan ini disebut gas air karburasi.

Gas produser adalah bahan bakar gas yang terbentuk dengan cara membakar

lapisan batubara grade rendah didalam tanah atau in situ dengan udara yang cukup

agar terjadi pembakaran sempurna.

Gas dapur tinggi adalah suatu bahan bakar gas berkualitas rendah yang

merupakan hasil samping dari industri baja. Gas ini dihasilkan dengan cara membakar

batubara dengan udara yang tidak cukup. Gas buang yang diperoleh dipakai untuk

memberikan pengurangan atmosfir pada logam yang telah lumer untuk mencegah

terjadinya oksidasi dari cairan logam tersebut. Meskipun gas ini mempunyai nilai

pembakaran yang hanya sepersepuuh dari gas alam, namun proses dapur tinggi

menimbulkan gas seperti dalam jumlah yang besar sehingga secara ekonomis cukup

layak untuk pengganti bahan bakarnya. Komposisi gas dapur tinggi terutama nitrogen,

karbon monoksida dan karbon dioksida.

Gas riol telah dipakai sebagai bahan bakar pemanas pada beberapa kota di

amerika serikat bagian timur. Dimasa sekarang kebanyakan perhatian terhadap gas riol

ini melibatkan pula pemakaian sampah tumbuhan dan binatang khususnya sampah dari

areal perternakan sapi yang besar untuk pembangkitan gas tersebut. Komposisi gas riol

ini pada dasarnya adalah metana murni yang dihasilkan dari proses pembusukan.