5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Biomassa

2.1.1 Definisi Biomassa

Biomassa merupakan energi terbarukan yang berasal dari derivat ternak

maupun tumbuhan (dapat ditanam ulang) dan dikenal sebagai energi hijau (Kong,

2010).Biomassa merupakan istilah yang digunakan untuk berbagai jenis bahan

organik dalam bentuk pada yang dapat digunakan sebagai bahan bakar, seperti

kayu, arang, kotoran hewan, limbah pertanian, limbah padat lainnya yang dapat

terbiodegradasi (Fisafarani, 2010).

Menurut Handayani (2009), biomassa adalah keseluruhan makhluk hidup

(hidup atau mati), misalnya tumbuh-tumbuhan, binatang, mikroorganisme, dan

bahan organik (termasuk sampah organik). Unsur utama dari biomassa adalah

bermacam-macam zat kimia (molekul) yang sebagian mengandung atom

karbon.Bila kita membakar biomassa, karbon tersebut dilepaskan keudara dalam

bentuk karbon dioksida (CO2).Energi biomassa merupakan energi tertua yang

telah digunakan sejak peradaban manusia dimulai, sampai saat inipun energi

biomassa masih memegang peranan pentingkhususnya didaerah pedesaan.

Biomassa sangat beragam jenisnya yang pada dasarnya merupakan hasil

produksi dari makhluk hidup.Biomassa dapat berasal dari tanaman perkebunan

atau pertanian, hutan, peternakan atau bahkan sampah.Biomassa (bahan organik)

dapat digunakan untuk menyediakan panas, membuat bahan bakar, dan

membangkitkan listrik, hal ini disebut bioenergi. Biomassa sebagai sumber energi

di Indosesia umumnya diperoleh dari :

1. Areal hutan (limbah tebangan, patahan cabang, dan ranting)

2. Pertanian (limbah pertanian)

3. Perkebunan (limbah pasca panen dan limbah pengolahan)

4. Areal pemukiman (pohon,tanaman kayu, tinja dan sampah)

5. Peternakan (kotoran ternak)

6. Limbah (dari beberapa jenis industri)

6

2.1.2 Potensi Biomassa Di Indonesia

Perkebunan dan pertanian merupakan sektor bisnis yang sangat

berkembang di Indonesia, hal tersebut menunjukkan potensi yang cukup tinggi untuk

memenuhi sumber bahan baku pembuat biomassa. Menurut DITJEM EBTKE,

KEMJEN ESDM tahun 2013, telah memetakan potensi penghasil biomassa dari

berbagai sektor yang ada di Indonesia, dari peta tersebut dapat dilihat daerah mana

saja yang memiliki potensi paling tinggi, sehingga dapat dijadikan lokasi produksi

energi biomassa yang lebih efisien. Gambar 2.1 dibawah menunjukkan lokasi-lokasi

dan tingkat potensi bahan baku biomassa secara umum di Indonesia.

Gambar 2.1 Potensi Biomassa di Indonesia

(ZREU, 2000)

Berdasarkan gambar tersebut dapat dilihat lokasi-lokasi dengan tingkat

energi yang dapat dihasilkan dari ketersediaan sumber biomassanya.Energi yang

dapat diperoleh dari biomassa di Indonesia sangat besar yaitu 5.083 MWe, namun

dari sangat besarnya daya yang dihasilkan tersebut masih sangat sedikit energi yang

termanfaatkan. Data dari gambar dibawah dapat dilihat bahwa hanya sebagian kecil

energi yang termanfaatkan dari sekian banyak bahan baku biomassa yang tersedia di

Indonesia.

7

Gambar 2.2 Diagram potensi biomassa dan pemanfaatannya

Gambar diatas menunjukkan bahwa hanya sedikit sekali yang

termanfaatkan, dari 30.000 MWe potensi yang ada, hanya sekitar 850 MWe saja yang

termanfaatkan.Dengan pengelolaan yang baik tentunya angka tersebut dapat berubah

secara signifikan. Selain itu manfaat lain yang dapat dirasakan tentu mengurangi

limbah yang ada di Indonesia.

2.1.3 Kandungan Biomassa

Menurut Kong (2010), terdapat beberapa aspek yang perlu diperhatikan sebagai

bahan pertimbangan dalam penggunaan biioomassa, yakni selain aspek ketersediaan

biomassa yang telah dibahas sebelumnya ialah aspek nilai kalori dan kandungan dari

biomassa tersebut (moisture content, ash content, volatile matter, unsur klorin, dan

sebagainya). Dengan mengetahui kandungan yang dimiliki oleh suatu biomasssa

tertentu, maka dapat ditentukan jalur konversi termal (pembakaran langsung, pirolisis,

gasifikasi atau fermentasii) yang paling cocok untuk jenis biomassa tersebut.

Kadar air atau moisture content yang tinggi mengakibatkan biomassa

menjadi sulit terbakar karena dibutuhkan sejumlah kalor laten untuk

menguuapkan air yang terkandung daalam biomassa tersebut dan kalor sensibel

untuk menaikkan suhu. Sedangkan, kadar abu atau ash content yang tinggi

berpengaruh terhadap perancanga garanga (grate) dari kompor. Hal ini juga akan

mengakibatkan timbulnya emisi partikulat yang tinggi dalam pembakaran

sehiingga perlu penanganan khusus untuk abu dan partikulat yang

dihasilkan.Selain itu, abu bersifat inert sehingga mampu mengurangi efisiensi

kalor yang dihasilkan dari bahan bakar (Chigier, 1981).Volatile matter yang tinggi

menunjukkan bahwa biomassa tersebut lebih mudah menyala dan lebih cepat

8

terbakar (Fisafarani, 2010). Kandungan zat volatil ini dapat menguntungkan

dalam hal penyalaan biomassa karena kandungan zat volatil (campuran dari uap

dan gas yang keluar saat proses pirolisis dari biomassa) tersebut dapat melepaskan

secara konveksi maupun radiasi, serta membentuk pori pada permukaan ketika zat

volatil lepas dari permuaan biomassa. Sedangkan karbon tetap (fixed carbon)

yang tinggi menyebabkan semakin tinggi nilai kalori dari suatu biomassa karbon

tetap bertindak sebagai pembangkit utama panas selama pembakaran.

2.3 Kompor Biomassa

Kompor biomassa merupakan kompor berbahan bakar padat.Bahan biomassa

adalah semua yang berasal dari makhluk hidup seperti kayu, tumbuh-tumbuhan,

daun-daunan, rumput, limbah pertanian dan lain-lainnya.Komponen terpenting

biomassa yang digunakan untuk pembakaran adalah selulosa dan ligno-

selulosa.Sejauh ini biomassa padat terutama kayu sudah dimanfaatkan secara

tradisional untuk memasak didaerah pedesaan, baik melalui dapur tradisional maupun

pembakaran langsung.Namun, kualitas pembakaran yang jelek mengakibatkan

efisiensi pembakaran biomassa sangat rendah. Disamping itu, asap pembakaran

mengakibatkan polusi udara yang berbahaya bagi kesehatan. (Rizqiardihatno, 2008).

Berbeda dengan kompor briket arang, penggunaan bahan bakar pada kompor

biomassa tidak perlu mengubah biomassa menjadi arang. Secara kimia, asap

pembakaran tersusun atas gas-gas diantaranya adalah H2, CO, CH4, CO2B, SOx, NOx,

dan uap air. Sebagian gas-gas tersebut, yaitu hydrogen (H2), karbon monoksida (CO),

dan metana (CH4) adalah gas-gas yang dapat terbakar, sehingga dapat dimanfaatkan

menjadi bahan bakar. Untuk meningkatkan efisiensi penggunaan biomassa sebagai

bahan bakar, maka asap yang dihasilkan pada proses pengarangan harus dibakar lagi

untuk kedua kali dan menghasilkan api yang mempunyai nyala yang lebih bersih.

Pada gambar 2.3 dijelaskan struktur kompor biomassa gasifikasi (Sujardi, 2012).

9

Gambar 2.3 struktur kompor biomassa gasifikasi

Sumber :Sujardi, 2012

Komponen dan fungsi bagian-bagian kompor biomassa gasifikasi sebagai berikut :

a. Reaktor

Bagian reaktor berfungsi sebagai tempat bahan bakar biomassa dan tempat

dimana proses gaifikasi dan combustion berlangsung. Bagian reaktor ini terdiri dari

dua lapis silinder seng yaitu tabung luar dan tabung dalam.

b. Lubang udara

Kompor biomassa gasifikasi terdapat dua jenis lubang udara yaitu lubang

udara primer dan lubang udara skunder. Lubang udara primer mempunyai fungsi

membantu proses pembakaran gasifikasi yang akan menghasilkan gas. Lubang udara

skunder mempunyai fungsi pembentukan gas yang dihasilkan dari proses gasifikasi

biomassa.

c. Burner

Burner berfungsi sebagai tempat berlangsungnya pembakaran gas hasil

gasifikasi yang digunakan untuk memasak, burner juga merupakan tempat masuknya

udara skunder untuk membantu pembakaran gas.Karena itu burner juga tempat

menaruh wajan atau panci.

Menurut Sugiyanto (2010) besarnya energi yang dihasilkan oleh pembakaran suatu

bahan bakar tergantung pada :

1. Kandungan Karbon

Semakin besar kandungan karbon dalam suatu bahan, makin baik fungsi

bahantersebut sebagai bahan bakar karena akan menghasilkan energi yang lebih

besar.

10

2. Pembakaran Sempurna (complete combustion)

Pembakaran disebut sempurna bila seluruh unsur karbon yang bereaksi

denganoksigen menghasilkan hanya CO2. Pembakaran yang tidak sempurna

akanmenghasilkan zat arang (C), gas CO, CO2, atau O. Secara umum,

pembakaranbiomassa dengan oksigen dapat dilukiskan sebagai berikut:

3. Pembakaran Habis

Pembakaran bahan bakar disebut pembakaran habis (habis terbakar) bila

seluruhkar 2 +

H2O

2.4 Pelet

Pelet adalah gumpalan yang terbuat dari bahan lunak yang dikeraskan.Pelet

merupakan salah satu bahan bakar alternatif yang memiliki prospek bagus untuk

dikembangkan. Karena selain dari proses pembuatannya yang mudah,

ketersediaan bahan bakunya juga mudah didapat Pelet dibuat dengan menekan

dan mengeringkan campuran bahan menjadi blok yang keras. Metode ini umum

digunakan untuk bahan yang memiliki nilai kalori rendah atau serpihan bahan

biomassa agar memiliki tambahan nilai jual dan manfaat.Pelet dapat digunakan di

industri dan rumah tangga.

Gambar 2.4 Pelet pulai dan serbuk pelepahsawit

(Sumber: Zulfikar, 2018).

2.5 Nilai Kalor Bahan Bakar

Nilai kalor didefinisikan sebagai jumlah satuan panas yang dihasilkan per

satuan bobot dari proses pembakaran yang cukup oksigen dari suatu bahan yang

mudah terebakar. Jumlah panas yang dihasilkan saat bahan menjalani pembakaran

sempurna ataudikenal sebagai kalor pembakaran. Nilai kalor ditentukan melalui

11

rasiokomponen dan jenisnya serta rasio unsur didalam biomassa itu

sendiriterutama kadar karbon. Besarnya nilai kalor setara dengan jumlah

komponen yang terdapat dalam kayu. Nilai kalor kayu terutama ditentukan oleh

berat jenis dan kadar air kayu Nilai kalor sangat menentukan kualitas pelet.

Semakin tingginilai kalor, maka semakin baik kualitas pelet yang

dihasilkan.Pengujian terhadap nilai kalor bertujuan untuk mengetahui sejauh

mana nilai panas pembakaran yang dihasilkan oleh pelet. Pengujian nilai kalor

menggunakan alat Calorimeter Bomb

Hasil pengujian nilai kalor setiap eksperimen, yaitu untuk mengetahui

hubungan dan hasil dari pengujian nilai kalor briket dengan variasi pencampuran

serbuk kayu dan lateks.dari data di atas nilai kalor yang tertingi dari data

eksperimen pertama (50-50) nilai kalor (cal/gr)6300.5 (Anang Prasetyo,2015).

Tabel 2.1 Tabel nilai kalor bahan bakar pelet

Sumber : Masariuslaia, 2018

2.6 Analisis Proximate dan Ultimate

Untuk mengetahui karateristik, sifat fisis, sifat kimia dan fuel properties

suatu biomassa dapat dilakukan dengan analisis Proximatedan Ultimate. Analisis

Proximate bertujuan untuk mengetahui komponen volatil, karbon tetap, dan abu

suatu biomassa.Sedangkan analisis Ultimate bertujuan untuk mengetahui

komposisi kimia dan HHV (Higher Heating Value) dari suatu biomassa. Karena

biomassa memiliki sifat yang bervariasi, maka analisis biasanya dilakukan pada

basis kering (Reed dan Das ; 1988)

12

Tabel 2.2 Data analisis Proximate PelepahKelapaSawit

Sumber : Fiseha. M. G et al., 2014

Tabel 2.3 Panaslatendanperubahansuhu

Sumber :http://www.scribd.com/doc/49093686/ ,Wikipedia

2.7 Teknologi Gasifikasi

Teknologi gasifikasi biomassa merupakan teknologi yang relatif sederhana

dan mudah pengoperasiannya serta secara teknik maupun ekonomi adalah layak

untuk dikembangkan.Teknologi gasifikasi biomassa sangat potensial menjadi

teknologi yang sepadan untuk diterapkan di berbagai tempat di Indonesia.

Gasifikasi adalah suatu proses perubahan bahan bakar padat secara termo kimia

menjadi gas, dimana udara yang diperlukan lebih rendah dari udara yang

digunakan untuk proses pembakaran. Selama proses gasifikasi reaksi kimia utama

yang terjadi adalah endotermis (diperlukan panas dari luar selama proses

berlangsung). Media yang paling umum digunakan pada proses gasifikasi ialah

udara dan uap. Produk yang dihasilkan dapat dikategorikan menjadi tiga bagian

13

utama, yaitu padatan, cairan (termasuk gas yang dapat dikondensasikan) dan gas

permanen. Gas yang dihasilkan dari gasifikasi dengan menggunakan

udaramempunyai nilai kalor yang lebih rendah tetapi disisi lain proses operasi

menjadi lebih sederhana (Sujardi, 2012).

Menurut Lubwama (2010), Gasifikasi terdiri dari empat tahapan terpisah:

pengeringan, pirolisis, oksidasi/pembakaran dan reduksi. Keempat tahapan ini

terjadi secara alamiah dalam proses pembakaran. Gasifikasi keempat tahapan ini

dilalui secara terpisah sedemikian hingga dapat menginterupsi api dan

mempertahankan gas mudah terbakar tersebut dalam bentuk gas serta mengalirkan

produk gasnya ke tempat lain. Salah satu cara untuk mengetahui proses yang

berlangsung pada gasifier jenis ini adalah dengan mengetahui rentang temperatur

masing-masing proses.

2.8 Efisiensi Pembakaran dan Thermal

Efisiensi pembakaran yaitu besaran yang menyatakan tingkat

kesempurnaan proses pembakaran yang ditandai oleh minimnya gas karbon

monoksida (CO) di dalam gas hasil bakar. Efisiensi pembakara dihitung

konsentrasi karbon monoksida (CO) dan karbon dioksida (CO2) di dalam gas

hasil bakar. Berikut persamaan efisiensi pembakaran:

𝑆𝑐=𝑁𝐶𝑂2𝑁𝐶𝑂

Keterangan:

N : fraksi massa dari masing-masing gas

Nilai efisiensi energi kompor berbahan bakar biomassa adalah berapa nilai panas

sensibel dan panas latennya dibagi dengan nilai energi bahan bakar biomassa yang

terpakai. Persamaan matematis efesiensi termal kompor biomassa adalah sebagai

berikut:

𝜂𝑇=𝑚𝑎𝐶𝑝Δ𝑇+Δ𝑚𝑎𝐿Δ𝑚𝑘𝐿𝐻𝑉

Keterangan :

ma : massa air (dalam kilogram);

Cp : 4180 J/(0C kg) adalah kalor jenis air;

ΔT : selisih suhu akhir air terhadap suhu awal air;

Δma : massa air yang menguap;

14

L : kalor penguapan air;

Δmk : massa bahan bakar yang telah dibakar/digunakan;

LHV : nilai kalor netto bahan bakar (SNI 7926:2013)

Panas sensibel ialah jumlah energi panas yang digunakan untuk menaikkan

temperatur air, sedangkan panas laten yaitu jumlah energi panas yang digunakan

untuk menguapkan air (Makino, 1992).

Gambar 2.5 Rangkaian peralatan untuk uji efisiensi dan emisi

Sumber : (SNI 7926:2013)

2.9 Analisis Proximate dan Ultimate

Untuk mengetahui karateristik, sifat fisis, sifat kimia dan fuel properties

suatu biomassa dapat dilakukan dengan analisis Proximatedan Ultimate. Analisis

Proximate bertujuan untuk mengetahui komponen volatil, karbon tetap, dan abu

suatu biomassa.Sedangkan analisis Ultimate bertujuan untuk mengetahui

komposisi kimia dan HHV (Higher Heating Value) dari suatu biomassa. Karena

biomassa memiliki sifat yang bervariasi, maka analisis biasanya dilakukan pada

basis kering (Reed, 1981)

15

2.10 Uji Performa dan Evaluasi Operasi Kompor

2.10.1 Parameter Evaluasi Operasi Kompor

Berikut ini merupakan parameter yang pada umumnya digunakan sebagai

ukuran dalam evaluasi performa suatu kompor gas-biomassa (Belonio, 2005):

a) Waktu startup

Parameter ini merupakan waktu yang diperlukan untuk menyalakan bahan

bakar sehingga gas-gas pirolisis diproduksi, diukur dari penyalaan awal dengan

pembakaran potongan kertas hingga timbulnya gas-gas pirolisis yang dihasilkan.

b) Waktu operasi

Parameter ini merupakan durasi waktu sejak gas-gas pirolisis timbul hingga

tidak Nampak lagi gas tersebut diproduksi (berhentinya produksi gas ditunjukkan

dengan padamnya api karena volatile matter dalam bahan bakar habis dan hanya

tinggal char saja).

c) Total waktu operasi

Parameter ini merupakan hasil penjumlahan waktu start up dan waktu

operasi.

d) Laju konsumsi bahan bakar (Fuel Consumption Rate/FCR)

Parameter ini merupakan jumlah bahan bakar biomassa yang diperlukan

dibagi dengan waktu operasi

e) Laju gasifikasi spesifik (Specific GasificationRate/SGR)

Parameter ini merupakan jumlah bahan bakar biomassa yang diperlukan per

satuan waktu per satuan luas reactor gasifikasi.

f) Laju zona pembakaran (Combustion Zone Rate/CZR)

Parameter ini merupakan waktu yang dibutuhkan untuk zona pembakaran

bergerak menurun di sepanjang reaktor, dimana tinggi reactor dibagi dengan waktu

operasi didapatkan laju zona pembakaran.

g) Waktu pendidihan

Parameter ini merupakan waktu yang diperlukan untuk mendidihkan sejumlah

air dengan massa tertentu, diukur sejak panic diletakkan di atas kompor hingga air

mencapai suhu 100oC.

h) Kalor sensibel

Parameter ini merupakan jumlah energy kalor yang dibutuhkan untuk

meningkatkan suhu air, dihitung sebelum dan sesudah air mencapai suhu 100oC.

16

i) Kalor laten

Parameter ini merupakan jumlah energy kalor yang dibutuhkan untuk

menguapkan air (mengubah wujud air dari cair menjadi uap).

j) Energi kalor yang masuk (Heat EnergyInput)

Parameter ini merupakan jumlah energy kalor yang terdapat di dalam bahan

bakar.

k) Efisiensi termal

Parameter ini merupakan perbandingan antara jumlah energy kalor yang

dibutuhkan untuk mendidihkan dan menguapkan air terhadap jumlah energy kalor

yang terdapat di dalam bahan bakar.

l) Daya yang masuk (Power Input)

Parameter ini merupakan jumlah energi yang disuplai kekompor

berdasarkan jumlah bahan bakar yang dikonsumsi.

m) Daya yang keluar (Power Output)

Parameter ini merupakan jumlah energi yang dilepaskan oleh kompor

untuk memasak.

n) Persentase charyangdiproduksi

Parameter ini merupakan perbandingan antara jumlah char yang

diproduksi terhadap jumlah bahan bakar yang digunakan.

2.10.2 Uji Efisiensi Termal dengan Metode WBT

Metode WBT yang dikembangkan oleh VITA (Volunteers in Technical

Assistance), Amerika Serikat.Secara garis besar, metode WBT menghasilkan rasio

perbandingan kalor yang dihasilkan oleh bahan bakar terhadap kalor yang

diterima oleh air untuk menaikkan suhunya dan menguapkannya (Rizqiardihatno,

2008).Metode tersebut sangat sederhana dan mudah diaplikasikan, serta data yang

dibutuhkan pun relative singkat namun menunjukkan hasil yang relative

akurat.Secara umum, WBT dilakukan dalam tiga tahap.

Tahap pertama disebut uji high power (cold start), dimana penguji menggunakan

kompor pada suhu ruang dan sejumlah bahan bakar untuk mendidihkan sejumlah

air dalam sebuah panic standar.Untuk pengujian tahap berikutnya digunakan panci

yang baru.

17

Tahap kedua disebut uji high power (hot start), di mana air dididihkan dengan

kompor yang telah panas dengan tujuan untuk mengidentifikasi perbedaan daya

guna kompor ketika dingin dan ketika panas.

Kemudian, tahap ketiga adalah uji low power (simmering), dimana penguji

menggunakan panic dan air yang telah dididihkan pada tahap kedua. Dengan

menggunakan sejumlah bahan bakar, air yang telah mendidih tersebut dipanaskan

selama 45 menit dan suhu air harus tetap terjaga sekitar 3oC di bawah titik didih.

Tujuan dari tahap ketiga ini ialah menguji kemampuan kompor untuk

memanaskan air dengan menggunakan bahan bakar seminimal mungkin

(Handayani, 2009; Suhartini, 2010). Perhitungan efisiensi termal kompornya

dinyatakan dengan rumus sebagai berikut:

TE = QS+QLx100 Qin

Dimana :

TE : efesiensi termal (%)

QS : panas sensible (W)

QL : panas laten (W)

Qin : energi panas tersedia dalam bahan bakar (W)

Dengan demikian, parameter efisiensi termal dalam perancangan kompor

gas-biomassa dapat diukur secara kuantitatif melalui metode WBT ini. Adapun

pengukuran efisiensi termal dengan metode WBT perlu dilakukan karena

berkaitan dengan sisi aplikatif kompor gas-biomassa, yang dimaksud sisi aplikatif

di sini adalah alangkah baiknya apabila kompor gas-biomassa yang dirancang

dalam penelitian ini tidak hanya baik dari segi kesehatan pengguna, yakni dengan

emisi gas CO yang rendah, tetapi juga dengan efisiensi termal yang tinggi mampu

digunakan sesuai dengan fungsinya, yakni untuk memasak dengan lebih cepat

(Suhartono, 2018).