4

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Biomassa

2.1.1 Definisi Biomassa dan Kayu Bakar

Biomassa merupakan istilah yang biasanya digunakan untuk berbagai jenis

bahan organik dalam bentuk padat yang dapat digunakan sebagai bahan bakar,

seperti kayu, arang, kotoran hewan, limbah pertanian, dan limbah padat lainnya

yang dapat terbiodegradasi (Fisafarani, 2010). Biomassa adalah sumber energi

terbesar keempat di dunia dan memberikan kebutuhan dasar energi untuk memasak

dan pemanas rumah tangga pedesaan di Negara – Negara berkembang (S.C.

Bhattacharya, 2006).

Kayu bakar adalah berbagai macam jenis kayu yang dikumpulkan untuk

digunakan sebagai bahan bakar. Umumnya kayu bakar merupakan bahan yang tidak

diproses selain pengeringan dan pemotongan, dan masih terlihat jelas bagian –

bagian kayu seperti kulit kayu, mata kayu, ranting, dan sebagainya (J. F.

Dumanauw, 1982)

2.2 Potensi Biomassa di Indonesia

Indonesia memiliki sumber daya biomassa yang sangat melimpah. Salah

satu penyebabnya adalah Indonesia termasuk Negara beriklim tropis dengan

wilayah yang sangat luas.

5

Gambar 2.1 Potensi Biomassa di Indonesia (ZREU, 2000)

2.3 Bahan Bakar

Bahan bakar merupakan istilah popular media untuk menyalakan api. Bahan

bakar dapat bersifat alami (didapatkan langsung dari alam), tetapi ada juga bersifat

buatan diolah dengan terknologi (Ismun, 1993). Bahan bakar yang digunakan

adalah kayu lamtoro, secara umum kayu dibagi atas dua golongan, yaitu kayu keras

dan lunak. Pohon yang memiliki daun lebar pada umumnya memiliki kayu yang

keras, sedangkan kayu yang berasal dari pohon dengan daun jarum biasanya lebih

lunak. Namun setiap pohon memiliki kekerasan yang berbeda, walaupun pohon

tersebut dari jenis yang sama.

Hal – hal yang tergolong dalam sifat kayu adalah keawetan alami, berat

jenis, kekerasan dan berat volume. Kayu memiliki berat jenis yang berbeda - beda,

pada umumnya berkisaran antara minimum 0,2 (kayu biasa) hingga 1,28 (kayu

lara). Kayu lamtoro yang digunakan pada pengujian kompor biomassa ini adalah

kayu yang dipotong – potong kecil dengan panjang ±15 cm. K5ayu lamtoro

6

memiliki nilai kalori sebesar 19.250 kJ/kg. Menurut Haygreen dan Bowyer (1989),

sifat fisik kayu ditentukan dari 3 ciri – ciri yaitu kandungan air, porositas atau

ukuran volume rongga dan organisasi struktur sel. Flash point suatu bahan bakar

berbeda – beda, kayu memiliki flash point pada 300oC, yang mana pada temperatur

tersebut kayu mulai terbakar.

2.4 Udara

Udara adalah suatu campuran gas yang terdapat pada lapisan yang

mengelilingi bumi dan komponen campuran gas tersebut tidak selalu konstan

(Fardiaz, 1992). Udara juga termasuk dalam kategori atmosfer bumi karena berada

di sekeliling bumi dan juga termasuk sebagai jenis sumber daya alam karena

memiliki banyak fungsi bagi makhluk hidup. Apabila makhluk hidup bernapas

maka kandungan oksigen akan berkurang, namun ketika tumbuhan menjalani

system fotosintesis maka oksigen dibebaskan kembali ke atmosfer.

Gambar 2.2 Persentase Campuran Udara

Udara merupakan campuran dari berbagai macam gas yaitu 78% nitrogen,

20.9 % oksigen, 0.9% argon, 0.03% karbon dioksida dan gas – gas lainnya.

Kandungan partikel dalam udara akan berubah tergantung ketinggian permukaan

laut dan massanya akan berkurang semakin tingginya dari permukaan laut.

7

2.4.1 Aliran Fluida

Setiap aliran fluida yang mengalir didalam sebuah pipa harus memasuki

pipa dari suatu lokasi. Daerah aliran di dekat lokasi fluida memasuki pipa disebut

dengan daerah masuk (Entrance Region). Aliran udara secara alami dapat diketahui

dengan beberapa hal diantaranya adalah udara akan mengalir dari kondisi

temperature yang rendah (dingin) ke temperatur yang tinggi (panas), selain itu

udara juga akan lebih banyak mengalir melalui jalur ventilasi yang memberikan

tekanan yang kecil dibandingkan dengan jalur yang bertekanan lebih besar

Aliran fluida memiliki berbagai macam aliran tergantung dari medan yang

dilewati oleh fluida tersebut, berikut adalah tipe – tipe aliran fluida:

• Aliran Laminar

Aliran fluida yang bergerak dengan kondisi lapisan – lapisan yang

membentuk garis – garis alir dan tidak memotong satu sama lain. Selain itu

aliran laminar tidak memiliki arus yang berputar, hanya memiliki aliran

yang lurus dan sejajar. Sebuah aliran disebut laminar ketika Reynolds

number (Re) >2300.

Gambar 2.3 Aliran Laminar

8

• Aliran Turbulen

Aliran fluida yang mempunyai partikel – partikel bergerak secara tidak

beraturan dan tidak stabil dengan kecepatan berfluktuasi yang saling

berinteraksi, akibatnya adalah garis alir antar partikel fluidanya saling

berpotongan atau bertabrakan. Terjadinya aliran turbulen ketika Reynolds

Number lebih besar daripada 4000.

Gambar 2.4 Aliran Turbulen

• Aliran Transisi

Aliran transisi merupakan perubahan aliran dari laminar ke aliran turbulen.

Masing – masing aliran ini berperilaku dengan cara yang tidak sama

tergantung dari minimalnya energi gesek yang dihasilkan. Aliran ini terjadi

ketika Re berada diantara 2300 dan 4000.

Gambar 2.5 Aliran Transisi

9

2.4.2 Vortices

Vortices/vorteks adalah suatu aliran dimana aliran tersebut berputar dan

biasanya menghasilkan turbulen. Gerakan spiral/berputar dengan arah aliran

tertutup disebut dengan aliran vorteks. Gerakan perputaran sebuah aliran dengan

cepat memutari pusatnya disebut sebagai vorteks. Kecepatan vorteks dorongan

adalah nol di pusat dan meningkat secara proporsional sesuai dari jarak pusat

putarannya. Kecepatan dan tingkat rotasi aliran dalam vorteks irotasional atau

bebas, lebih tinggi di pusatnya dan menurun secara perlahan sesuai dari jarak

pusatnya.

Gambar 2.6 Vortex Flow

Aliran vorteks ini sangat membantu dalam pembakaran pada kompor

biomassa ini dikarenakan aliran berputar yang dapat membantu mengurangi jumlah

karbon monoksida dengan cara memutarkan aliran api sehingga gas – gas yang

tersisa dari pembakaran tingkat I dapat bercampur atau terbakar dengan baik

sehingga dihasilkannya pembakaran yang sempurna.

10

2.5 Kompor Biomassa

Kompor biomassa merupakan kompor berbahan bakar biomassa padat

contohnya seperti kayu, tumbuh – tumbuhan, limbah pertanian, sampah dan lain –

lainnya. Selama ini biomasa yang sudah sering digunakaan untuk memasak di

daerah – daerah pedesaan adalah kayu karena bahan bakar tersebut sangat mudah

ditemukan. Namun kualitas pembakaran yang tidak bagus mengakibatkan efisiensi

pembakaran sempurna dan juga apabila pembakaran tidak bagus maka dapat

menimbulkan asap yang dapat merdampak buruk jika terhirup oleh manusia.

Gambar 2.7 Kompor Tradisional

Gas – gas seperti hydrogen (H2), metana (CH4) dan karbon monoksida

(CO) adalah gas yang dihasilkan dari pembakaran dan gas tersebut dapat terbakar

sehingga dapat digunakan menjadi bahan bakar. Agar menghasilkan api yang

nyalanya lebih bersih maka asap yang dihasilkan dari proses pengarangan harus

dibakar lagi untuk kedua kalinya.

11

Gambar 2.8 Struktur Kompor Biomassa Gasifikasi (Nurhuda, 2008)

Komponen – komponen penting yang terdapat pada kompor biomassa adalah

sebagai berikut:

• Lubang Udara

Kompor biomassa ini memiliki 2 macam lubang udara yaitu lubang udara

primer dan lubang udara sekunder, lubang udara ini memiliki fungsi yang

berbeda – beda. Lubang udara primer memiliki fungsi yang membantu

proses pembakaran gasifikasi yang menghasilkan gas. Sedangkan untuk

lubang udara sekunder mempunyai fungsi untuk membakar sisa – sisa gas

yang dihasilkan oleh gasifikasi pada lubang primer.

• Reaktor

Reaktor berfungsi sebagai tempat pembakaran dimana proses gasifikasi dan

pembakaran berlangsung. Bagian reaktor ini terdiri dari 2 lapis yaitu tabung

luar dan tabung dalam.

12

• Burner

Burner adalah tempat terjadinya pembakaran gas hasil gasifikasi yang akan

digunakan untuk memanaskan benda yang berada diatas kompor seperti

panic dll. Burner juga merupakan tempat dimana secondary combustion

terjadi agar api yang dihasilkan lebih bersih dan pembakaran lebih efisien.

2.6 Proses Pembakaran Biomassa

Agar dapat mengoptimasi dan mengontrol proses pembakaran maka

pertama – tama hal yang perlu diketahui adalah mengetahui kondisi – kondisi yang

sangat berpengaruh terhadap pembakaran tersebut. Berikut ini adalah uraian

mengenai setiap tahap yang terjadi dalam proses pembakaran biomassa:

• Pengeringan

Dalam proses ini terjadi penguapan air yang terkandung di dalam

bahan bakar biomassa. Waktu yang dibutuhkan untuk mengubah seluruh air

menjadi uap air tergantung pada kadar air yang dimiliki oleh biomassa yang

digunakan. Semakin rendah kadar airnya, semakin cepat waktu yang

dibutuhkan untuk pengeringan dan semakin besar energi yang dihasilkan

untuk pembakaran.

• Devolatilisasi (pirolisis)

Tahap berikutnya setelah terjadi pengeringan adalah pirolisisi.

Dimana setelah pengeringan selesai maka suhu akan mulai meningkat.

Ketika suhu meningkat dan panas diabsorpsi oleh partikel biomassa,

biomassa terdekomposisi dengan cara bertahap yaitu dimulai dari

hemiselulosa, selulosa dan lignin. Akibatnya adalah biomassa akan

13

melepaskan volatile matter dan menyisakan produk padatan. Bila

dipandang dari sisi pelepasan volatile matter dari biomassa, fenomena ini

disebut dengan devolatilisasi (Roth, 2011).

• Pembakaran Padatan Biomassa

Tahap terakhir dari proses pembakaran suatu bahan bakar padat

adalah pembakaran char. Char dan abu akan tersisa setelah proses

devolatilisasi selesai terjadi. Char merupakan bahan residu yang miskin

akan oksigen dan hydrogen, namun kaya akan karbon. Partikelnya memiliki

patahan dan lubang yang disebabkan oleh hilangnya volatile matter dan gas.

2.7 Pembakaran Tingkat II

Pembakaran tingkat II atau yang bisa juga disebut sebagai secondary

combustion, merupakan pembakaran yang terjadi setelah terjadinya pembakaran

tingkat I (primary combustion) pada kompor biomassa. Sebagian besar volatile

terlepas dengan tidak terbakar sempurna menyebabkan hilangnya nilai kalor kayu,

maka dari itu dengan suplai udara sekunder yang cukup dapat mengembalikan nilai

kalor yang hilang tersebut.

Gambar 2.9 Dua Tahap Pembakaran

14

Fungsi lain dari pembakaran tingkat II adalah untuk mengurangi gas

berbahaya atau gas yang tidak terbakar dengan sempurna yang dihasilkan dari

pembakaran tingkat I seperti karbon monoksida (CO). Sehingga pada pembakaran

tingkat II ini dapat mengurangi emisi polutan yang tidak terbakar dan meningkatkan

suhu pembakaran.

2.8 Gasifikasi

Gasifikasi adalah salah satu proses perubahan yang bertahap dari bahan

bakar padat dengan ketersediaan oksigen yang terbatas sehingga gas yang

dihasilkan masih berpotensi untuk terbakar, dimana hampir semua bahan organic

dari biomassa diubah menjadi gas bahan bakar yang netral dan bersih (Faaji, 2006).

Gasifier biomassa merupakan suatu sistem yang mengubah biomassa padat menjadi

gas dan membakarnya dengan cara yang dapat dikontrol melalui pengaturan suplai

udara (Roth, 2011).

Secara global gasifikasi diklasifikasikan menjadi: up draft, downdraft, dan

Crossdraft (Quakk et al., 1999).

2.8.1 Up Draft Gasifier

Up draft merupakan tipe yang paling sederhana dari gasifikasi. Biomassa

dimasukkan dari bagian atas dan bergerak ke arah bawah menghasilkan gas dan

arang, udara masuk dari bawah dan gas yang dihasilkan keluar ke arah atas. Pada

tipe ini bahan bakar bergerak berlawanan arah dengan zona aliran gas melewati

zona pengeringan, zona distilasi, zona reduksi dan zona pembakaran.

15

Gambar 2.10 Up Draft Gasifier

2.8.2 Down Draft Gasifier

Bahan bakar dimasukkan dari bagian atas kompor begitu juga dengan udara

yang masuk. Kemudian gas yang dikeluarkan dari pembakaran ini akan mengalir

ke bagian bawah reaktor. Aliran biomassa dan udara searah. Keunggulan dari tipe

ini adalah menghasilkan gas yang kandungan tarnya tergolong rendah.

Gambar 2.11 Downdraft Gasifier

16

2.8.3 Cross Draft Gasifier

Seperti pada downdraft, yaitu biomassa dimasukkan melalui atas namun

yang berbeda adalah udara dan gas yang dihasilkan masing – masing berada pada

bagian samping reaktor. Tipe cross draft ini digunakan untuk menghasilkan arang

dari pembakaran dengan kualitas yang tinggi.

Gambar 2.12 Cross draft Gasifier

2.9 Response Surface Methodology

Response Surface Methodology (RSM) atau Metode Permukaan Respon

merupakan kumpulan metode – metode matematika dan statistik teknik untuk

membangun model empiris. Dengan desain eksperimen yang teliti, tujuannya

adalah untuk mengoptimalkan variabel output (respon) yang terpengaruhi oleh

beberapa variabel input (variabel independen). Eksperimen adalah serangkaian tes

yang disebut run, dimana perubahan input dibuat untuk mengidentifikasi alasan

perubahan pada respon output.

17

Pada RSM ini biasanya permukaan respon digambarkan dengan grafik 3D

atau bisa juga disebut dengan 3D plot diagram, yaitu menampilkan sumbu x,y dan

z. Sehingga pada umumnya grafik yang akan ditampilkan terlihat seperti pada

gambar 2.11. Kontur plot sering digunakan karena membantu untuk membaca

bentuk permukaan plot.

Gambar 2.13 Metode Permukaan Respon (RSM)