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