BAB IIDASAR TEORI

2.1 Biomassa

2.1.1 Pengertian Biomassa

Biomassa adalah bahan organik yang dihasilkan melalui proses fotosintentis,

baik berupa produk maupun buangan. Biomassa juga digunakan sebagai sumber

energi (bahan bakar). Secara umum yang digunakan sebagai bahan bakar adalah

biomassa yang nilai ekonomisnya rendah atau merupakan limbah setelah diambil

produk primernya. Sumber energi yang dapat diperbarui sehingga dapat

menyediakan sumber energi secara berkesinambungan. Di Indonesia, biomassa

merupakan sumber energi alam yang sangat penting dengan berbagai produk primer

berupa bahan pangan, serat kayu dan lain lain yang selain digunakan untuk

memenuhi kebutuhan domestic juga di ekspor dan menjadi tulang punggung

penghasil devisa negara.

Jumlah biomassa di Indonesia yang biasa digunakan sebagai sumber energi

sangat melimpah. Limbah yang berasal dari hewan maupun tumbuhan semuanya

potensial untuk dikembangkan. Tanaman pangan dan perkebunan menghasilkan

limbah yang cukup besar, yang dapat dipergunakan untuk keperluan lain seperti

bahan bakar nabati. Pemanfaatan limbah sebagai bahan bakar nabati memberikan

tiga keuntungan langsung. Pertama, peningkatan efesiensi energi, secara keseluruhan

karena kandungan energi yang terdapat pada limbah cukup besar dan akan terbuang

percuma jika tidak dimanfaatkan. Kedua, penghematan biaya, karena seringkali

membuang limbah biasa lebih mahal dari pada memanfaatkannya. Ketiga,

mengurangi keperluan akan tempat penimbunan sampah karena penyediaan tempat

penimbunan akan menjadi lebih sulit dan mahal, khususnya di daerah perkotaan.

Selain pemanfaatan limbah, biomassa sebagai produk utama untuk sumber energi

juga akhir-akhir ini dikembangkan secara pesat. Kelapa sawit, jarak, kedelai

merupakan beberapa jenis tanaman yang produk utamanya sebagai bahan baku

pembuatan biodiesel.

2.1.2 Biomassa Kulit Kopi

Kopi (coffea sp.) adalah spesies tanaman berbentuk pohon yang termasuk

dalam keluarga rubiaceae dan genus coffea. Tanaman ini berbentuk tegak, bercabang

dan bila dibiarkan tumbuh dapat mencapai tinggi 12 m. Jenis kopi yang banyak

diusahakan di Indonesia yaitu Robusta dan Arabika, meskipun dulu ada kopi jenis

Liberika di tanam di Indonesia, tapi sekarang sulit di jumpai jenis tanaman tersebut.

Pohon kopi dapat dilihat pada gambar 2.3.

Gambar 2.1 Tanaman Kopi

Dalam proses pengolahan kopi secara basah akan menghasilkan limbah padat

berupa kulit buah pada proses pengupasan buah (pulping) dan kulit tanduk pada saat

penggerbusan (hulling). Kadar c-organik kulit buah kopi adalah 45,3 %, kadar

nitrogen 2,98 %, fosfor 0,18 % dan kalium 2,26 %. Selain itu kulit buah kopi juga

mengandung Ca, Mg, Mn, Fe, Cu dan Zn. Kulit kopi selama ini tidak mengalami

pemprosesan di pabrik karena yang digunakan hanya biji kopi yang kemudian

dijadikan bubuk kopi instan.

2.1.3 Produk Biomassa

Ada tiga tipe bahan bakar yang dihasilkan oleh biomassa dan dipergunakan

untuk berbagai macam kebutuhan, antara lain :

Cairan berupa : ethanol, biodiesel dan methanol.

Gas berupa : biogas (CH4, CO2), producer gas (CO2, H2,

CH4, CO2), syngas (CO2, H2).

Padat : arang, briket.

Penggunaan ethanol dan biodiesel sebagai bahan bakar kendaraan transportasi

dapat mengurangi emisi gas CO2. Oleh karena itu biomassa bukan hanya energi

terbarukan tapi juga bersih atau ramah lingkungan, dan dapat digunakan sebagai

sumber energi secara global.

Biomassa merupakan sumber energi tertua yang dikenal oleh manusia,

kontribusinya terhadap total pemanfaatan energi di Indonesia masih sangat kecil.

Pemahaman keterbatasan dari sumber energi fosil dan kepedulian terhadap

kelangsungan penyediaan sumber energi. Akan tetapi harga dan energi yang terus

menerus menurun saat ini menyebabkan perkembangan teknologi tidak begitu pesat.

Maka pada tahun 1980an kepedulian terhadap emisi CO2 yang disebabkan oleh

penggunaan energi fosil mengakibatkan dikeluarkannya Kyoto protocol yang

membatasi emisi CO2 yang diperbolehkan dilepas ke udara bebas.

2.2 Konversi Thermokimia dan Pengertian Gasifikasi Biomassa

2.2.1 Konversi Thermokimia

Biomassa memiliki tiga metode konversi thermokimia yaitu pirolosis,

gasifikasi dan pembakaran (pengarangan). Perbedaan jenis konversi thermokimia

tersebut terletak pada banyaknya udara (oksigen) yang dikonsumsi saat proses

konversi berlangsung. AFR adalah tingkat aliran udara primer yang masuk ke

reaktor. Hal ini mengacu pada laju aliran udara yang diperlukan untuk mengubah

bahan bakar padat menjadi gas. Hal ini sangat penting dalam menentukan ukuran

blower yang dibutuhkan untuk reaktor. Ini dapat ditentukan dengan menggunakan

tingkat konsumsi bahan bakar (FCR), udara stokiometri (SA) dari bahan bakar dan

rasio equivalensi ( ) untuk gasifikasi 0,3 sampai 0,4.

Gambar 2.2 Grafik Batasan Konversi Thermokimia Biomassa (Putri, 2009)

2.2.2 Gasifikasi Biomassa

Gasifikasi adalah suatu proses konversi thermokimiawi dari bahan bakar yang

mengandung karbon menjadi gas yang disebut syngas (synthetic gas) atau gas

sintesis dimana gas tersebut memiliki nilai bakar dengan cara oksidasi parsial pada

temperature tinggi. Tetapi sejauh ini teknologi ini umumnya masih terbatas pada

skala penelitian karena konsumsi energi yang dibutuhkannya sangat besar. Namun

ada juga beberapa negara yang telah menerapkan teknologi ini pada bidang

pembangkit listrik, dimana gas yang dihasilkan oleh reaktor gasifikasi dipakai untuk

menggerakkan generator. Terdapat berbagai jenis gasifier dan beberapa dapat

dibedakan berdasarkan :

Mode Fluidisasi.

Arah Aliran.

Gas yang diperlukan untuk proses gasifikasi.

Berdasarkan mode fluidisasinya, jenis gasifier dapat dibedakan menjadi

gasifikasi unggun tetap (fixed bed gasification), gasifikasi unggun bergerak (moving

bed gasification), gasifikasi unggun terfluidisasi (fluidizied bed gasification) dan

entrained bed.

Berdasarkan arah aliran, gasifier dapat dibedakan menjadi gasifikasi aliran

searah (downdraft gasification), gasifikasi aliran berlawanan (updraft gasification)

dan gasifikasi aliran menyilang (crossdraft gasification). Pada gasifikasi downdraft,

arah aliran gas dan arah aliran padatan adalah sama-sama ke bawah. Pada gasifikasi

updraft, arah aliran padatan sedangkan arah aliran gas mengalir ke atas. Sedangkan

gasifikasi crossdraft, arah aliran gas dijaga mengalir mendatar dengan aliran padatan

ke bawah. Jenis-jenis gasifier ini juga termasuk tipe moving bed gasifier.

Updraft Gasifier

Downdraft Gasifier

Crossdraft Gasifier

Gambar 2.3 Skema Gasifier Updraft, Downdraft dan Crossdraft)

Berdasarkan gasifiying yang diperlukan untuk proses gasifikasi, terdapat

gasifikasi udara dan gasifikasi oksigen/uap. Gasifikasi udara adalah metode dimana

gas yang digunakan untuk proses gasifikasi adalah udara. Sedangkan untuk gasifikasi

uap, gas yang digunakan pada proses yang terjadi adalah uap. Penelitian

menggunakan downdraft gasifier, dengan gasifying agent udara, karena kemampuan

dan kelebihannya meskipun memiliki beberapa kekurangan. Berikut ini adalah

kelebihan dan kekurangan ketiga jenis reaktor tersebut yang akan diuraikan pada sub

bab berikutnya.

Tabel 2.1 Kelebihan dan Kekurangan Jenis Gasifier

Tipe Gasifier Kelebihan Kekurangan

Updraft - Menghasilkan pembakaranyang sangat bersih.

- Lebih mudah dioperasikan- Arang yang dihasilkan lebih

sedikit

- Menghasilkan sedikitmetan

- Tidak dapat beroperasisecara continyu

- Gas ynag dihasilkan tidakkontinyu

Downdraft - Dapat beroperasi secarakontinyu dan suhu gas tinggi

- Tar yang dihasilkan lebihbanyak

- Produksi asap terlalubanyak saat beroperasi

- Menghasilkan arang lebihbanyak

Crossdraft - Suhu gas yang keluar tinggi- Reduksi CO2 rendah- Kecepatan gas tinggi- Tempat penyimpanan,

pembakaran dan zona reduksiterpisah

- Kemampuan pengoprasiannyasangat bagus

- Waktu mulai lebih cepat

- Komposisi gas yangdihasilkan kurang bagus

- Gas CO yang dihasilkantinggi, gas H rendah

- Gas metan yang dihasilkanjuga rendah

2.2.3 Jenis-jenis Gasifier

Dari penjelasan pada sub bab sebelumnya, berdasarkan arah aliran gasnya,

gasifier dapat dibedakan menjadi gasifikasi aliran searah (downdraft gasification),

gasifikasi aliran berlawanan (downdraft gasification) dan gasifikasi aliran menyilang

(crossdraft gasification).

a) Updraft Gasifier.

Pada bagian ini pembakaran berlangsung di bagian bawah dari tumpuan

bahan bakar dalam silinder, gas hasil pembakaran akan mengalir ke atas

melewati tumpuan bahan bakar sekaligus mengeringkannya. Bahan bakar

dimasukkan ke dalam ruang bakar dari lubang pemasukan atas.

Gambar 2.4 Skema Updraft Gasifier

b) Crossdraft Gasifier.

Udara disemprotkan ke dalam bahan bakar dari lubang arah samping

yang saling berhadapan dengan lubang pengambilan gas sehingga

pembakaran dapat terkonsentrasi pada satu bagian saja dan berlangsung

secara lebih banyak dalan suatu satuan waktu tertentu.

Gambar 2.5 Skema Crossdraft Gasifier

c) Downdraft Gasifier.

Gas hasil pembakaran dilewatkan pada bagian oksidasi dari

pembakaran dengan cara ditarik mengalir ke bawah sehingga gas yang

dihasilkan akan lebih bersih karena tar dan minyak akan terbakar sewaktu

melewati bagian tadi.

Gambar 2.6 Skema Downdraft Gasifier

2.2.4 Tingkatan-Tingkatan Pembagian Daerah Pembakaran Gasfikasi

Zona Pengeringan

Bahan bakar padat dimasukkan ke dalam reactor. Hal ini tidak perlu

menggunakan peralatan pengumpanan bahan bakar yang kompleks, karena

sejumlah kecil kebocoran udara dapat toleransi di tempat ini. Sebagai akibat

dari perpindahan panas dari bagian bawah gasifier, pengeringan bahan bakar

biomassa terjadi dibagian bungker. Uap air akan mengalir ke bawah dan

menambah uap air yang terbentuk di daerah oksidasi. Bagian dari itu dapat

direduksi menjadi hidrogen dan sisanya akan berakhir sebagai kelembaban

dalam gas.

Zona pirolisis

Tidak seperti pembakaran, pirolisis terjadi pada tempat yang tidak

terdapat oksigen, kecuali dalam kasus dimana oksidasi parsial diperbolehkan

untuk menyediakan energi thermal yang dibutuhkan untuk proses gasifikasi.

Terdapat tiga variasi antara lain :

a) Mild Pyrolysis.

b) Slow Pyrolysis.

c) Fast Pyrolysis.

Pada pyrolysis molekul besar hydrocarbon dipecah menjadi partikel

kecil hydrocarbon. Fast pyrolysis hasil utamanya adalah bahan bakar cair,

slow pyrolsis menghasilkan gas dan arang. Mild pyrolysis yang saat ini

sedang dipertimbangkan untuk memanfaatkan biomassa yang efektif. Pada

proses ini biomassa dipanaskan 200-300oC tanpa kontak dengan oksigen.

Struktur kimia dari biomassa diubah, dimana menghasilkan karbon dioksida,

karbon monoksida, air, asam asetat, dan methanol. Mild pyrolisis

meningkatkan densitas energi dari biomassa.

Pada suhu di atas 250oC, bahan bakar biomassa dimulai pyrolysing.

Rincian pyrolysis ini reaksi yang tidak dikenal, tetapi orang biasa menduga

bahwa molekul-molekul besar (seperti selulosa, hemi-selulosa dan lignin)

terurai menjadi molekul berukuran sedang dan karbon (char) selama

pemanasan bahan baku. Produk pirolisis mengalir ke bawah zona pemanasan

pada gasifier. Beberapa akan terbakar di daerah oksidasi, dan sisanya akan

memecah molekul yang lebih kecil dari hydrogen, metan, karbon monoksida,

etana, etilena, dan lain-lain jika tetap berada di zona panas cukup lama. Jika

waktu tinggal di zona panas terlalu pendek atau suhu terlalu rendah, maka

molekul yang berukuran menengah akan berpindah dan mengembun sebagai

tar dan minyak, dalam suhu rendah bagian dari system. Secara umum reaksi

yang terjadi pada pirolysis beserta produknya adalah :

Biomassa char + tar + gases (CO2, CO, H2O, H2CH4, CxHy)........(2.1)

Zona Oksidasi

Dibentuk pada tingkat dimana oksigen (udara) dimasukkan. Reaksi

dengan oksigen sangat eksostermik dan mengakibatkan kenaikan tajam suhu

sampai 1200°C. sebagaimana yang dibutuhkan di atas, fungsi penting zona

oksidasi, selain penghasil panas, adalah untuk mengkonversi dan

mengoksidasi hampir semua produk terkondensasi dari zona pirolisis. Untuk

menghindari titik-titik dingin di zona oksidasi, kecepatan udara masuk dan

geometri reaktor harus dipilih dengan baik. Umumnya dua metode yang

digunakan untuk mendapatkan suhu yang terdistribusi :

a) Mengurangi luas penampang pada ketinggian tertentu dari reaktor.

b) Penyebaran nozel inlet udara di atas lingkaran mengurangi cross-

sectional area, atau alternatif menggunakan inlet udara sentral dengan

perangkat penyemprotan.

Zona Reduksi

Produk reaksi dari zona oksidasi (gas panas dan bara arang) bergerak

turun ke zona reduksi. Di zona ini panas masuk secara sensible dari gas dan

arang yang dikonversi sebanyak mungkin menjadi energi kimia dari gas

produser. Produk akhir dari reaksi kimia yang terjadi di zona reduksi adalah

gas mudah terbakar yang dapat digunakan sebagai bahan bakar gas pada

pembakaran motor dalam dan sedikit abu.

Abu yang dihasilkan dari gasifikasi biomassa kadang-kadang harus

dibuang dari reaktor. Biasanya akan timbul perapiaan di dasar peralatan dan

dengan demikian membantu untuk mencegah penyumbatan yang dapat

menyebabkan obstruksi aliran gas. Berikut adalah reaksi kimia yang terjadi

pada zona tersebut :

Reaksi Bourdouar :

C + CO2 2 CO – 172 (MJ/Kmol).....................................(2.2)

Reaksi Karbon-Uap :

C + H2O CO + H2 - 131 (MJ/Kmol)..................................(2.3)

Reaksi Pergeseran Air-Gas :

C + H2O HO2 + H2 + 41 (MJ/Kmol)..................................(2.4)

Methanation CO :

C + 3H2 206 (MJ/Kmol) CH4 + H2O...............................(2.5)

2.2.5 Faktor yang Mempengaruhi Proses Gasifikasi

Proses gasifikasi memiliki beberapa faktor yang dapat mempengaruhi proses

dan kandungan syngas yang dihasilkannya. Faktor-faktor tersebut adalah:

Properties Biomassa

Tidak semua biomassa dapat dikonversikan dengan proses gasifikasi karena

ada beberapa klarifikasi dalam mendefinisikan bahan baku yang dipakai pada system

gasifikasi berdasarkan kandungan dan sifat yang dimilikinya. Pendefinisian bahan

baku gasifikasi ini dimaksudkan untuk membedakan anatara bahan baku yang baik

dan yang kurang baik. Adapun beberapa parameter yang dipakai untuk

mengklarifikasikannya yaitu :

a) Kandungan Energi

Semakin tinggi kandungan energi yang dimiliki biomassa maka

syngas hasil gasifikasi biomassa tersebut semakin tinggi karena energi yang

dikonversi juga semakin tinggi.

b) Moisture

Bahan baku yang digunakan untuk proses gasifikasi umumnya ber-

moisture rendah. Karena kandungan moisture yang tinggi menyebabkan heat

loss yang tinggi. Selain itu kandungan moisture yang tinggi juga dapat

menyebabkan beban pendinginan semakin tinggi karena pressure drop yang

terjadi meningkat. Idealnya kandungan moisture yang sesuai untuk bahan

baku gasifikasi kurang dari 20%.

c) Debu

Semua bahan baku gasifikasi menghasilkan dust (debu). Adanya dust

ini sangat mengganggu karena berpotensi menyumbat saluran sehingga

membutuhkan perawatan lebih. Desain gasifier yang baik setidaknya

menghasilkan kandungan dust yang tidak lebih dari 2-6 g/m³.

d) Tar

Tar merupakan salah satu kandungan yang paling merugikan dan

harus dihindari karena sifatnya yang korosif. Sesungguhnya tar adalah cairan

hitam kental yang terbentuk dari destilasi destruktif pada material organik.

Selain itu, tar memiliki bau yang tajam dan dapat mengganggu pernapasan.

Pada reaktor gasifikasi, terbentuknya tar yang memiliki bentuk opproximate

atomic CH 1.2, O 0.5 terjadi pada temperatur pirolisis yang kemudian

terevaporasi dalam bentuk asap, namun pada beberapa kejadian tar dapat

berupa zat cair pada temperatur yang rendah. Apabila hasil gas yang

mengandung tar relatip tinggi dipakai pada kendaraan bermotor, dapat

menimbulkan deposit pada karburator dan intake valve sehingga

menyebabkan gangguan. Desain gasifier yang baik setidaknya menghasilkan

tar tidak lebih dari 1g/m³.

e) Ash dan Slugging

Ash adalah kandungan mineral yang terdapat pada bahan baku yang

tetap berupa oksida setelah proses pembakaran. Sedangkan slug adalah

kumpulan ash yang lebih tebal. Pengaruh adanya ash dan slug pada gasifier

adalah

- Menimbulkan penyumbatan pada gasifier.

- Pada titik tertentu, mengurangi respon pereaksi bahan baku.

Desain Reaktor

Terdapat berbagai macam bentuk gasifier yang pernah dibuat untuk proses

gasifikasi. Untuk gasifier bertipe imbert yang memiliki neck di dalam reaktornya,

ukuran dan dimensi neck sangat mempengaruhi proses pirolisis, percampuran,

heatloss dan nantinya akan mempengaruhi kandungan gas yang dihasilkan.

Jenis Gasifying Agent

Jenis gasifying agent yang digunakan dalam gasifikasi umumnya adalah udara

dan kombinasi oksigen dan uap. Penggunaan jenis gasifying agent mempengaruhi

kandungan gas yang dimiliki oleh syngas. Berdasarkan penelitian, perbedaan

kandungan syngas terlihat pada kandungan nitrogen pada syngas dan mempengaruhi

nilai kalor yang dikandungnya. Penggunaan udara bebas menghasilkan senyawa

nitrogen yang pekat di dalam syngas, berlawanan dengan penggunaan oksigen/uap

yang memiliki kandungan nitrogen yang relatif sedikit. Sehingga penggunaan

gasifying agent oksigen/uap memiliki nilai kalor syngas yang lebih baik

dibandingkan gasifying agent udara.

Rasio Bahan Bakar dan Udara (AFR)

Perbandingan bahan bakar dan udara dalam proses gasifikasi mempengaruhi

reaksi yang terjadi dan tentu saja pada kandungan syngas yang dihasilkan.

Kebutuhan udara pada proses gasifikasi berada diantara batas konversi energi

pirolisis dan pembakaran. Karena itu dibutuhkan rasio yang tepat jika menginginkan

hasil syngas yang maksimal. Pada gasifikasi biomassa AFR yang tepat untuk proses

gasifikasi berkisar pada angka 1,25 – 1,5.

2.3 Parameter-Parameter Penting dalam Proses Gasifikasi

Parameter-parameter penting yang harus dipertimbangkan dalam proses

gasifikasi, yaitu:

a) Temperatur Gasifikasi

Temperatur gasifikasi harus tinggi karena dalam tahap pertama gasifikasi

adalah pengeringan untuk menguapkan kandungan air agar menghasilkan gas yang

bersih. Temperatur yang tinggi juga dapat berpengaruh dalam menghasilkan gas

yang mudah terbakar. Untuk mempertahankan temperatur, maka tangki reaktor

diisolasi dengan bata tahan api agar tidak ada panas yang keluar ke lingkungan

sehingga efisiensi reaktor menjadi baik.

b) Spesific Gasification Rate (SGR)

SGR mengindikasikan banyaknya biomassa rata-rata yang dapat tergasifikasi

dalam gasifier. Jika SGR semakin besar maka proses gasifikasi tidak dapat berjalan

secara sempurna., sebaliknya jika SGR semakin kecil maka proses gasifikasi berjalan

lambat. SGR dapat dihitung dengan cara :

SGR =waktuxluas

arangberatbiomassaberat (kg/m3.dt)……………………….......(2.6)

c) Fuel Consumtion Rate (FCR)

Biomassa yang dibutuhkan pada proses gasifikasi dapat dihitung menggunakan

rumus :

FCR =loperasionawaktu

asitergasifikbiomassaberat

FCR =loperasionawaktu

arangberatbiomassaberat (kg/dt)……………………………….(2.7)

d) Gas Fuel Ratio (GFR)

GFR (Gas Fuel Ratio) dapat dihitung menggunakan rumus sebagai berikut :

GFR =FCR

producergasaliranlaju……………………………………………(2.8)

e) Persentase Char

Persentase char adalah perbandingan banyaknya arang yang dihasilkan dengan

banyaknya biomassa yang dibutuhkan. % char dapat dihitung menggunakan rumus :

% char =biomassaberat

arangx 100%....................................................................(2.9)

f) Waktu Konsumsi Bahan Bakar

Hal ini mengacu pada total waktu yang dibutuhkan untuk benar-benar

mengubah bahan bakar padat menjadi gas di dalam reaktor. Ini termasuk waktu

untuk menyalakan bahan bakar padat dan waktu untuk menghasilkan gas, ditambah

waktu untuk benar-benar membakar semua bahan bakar dalam reaktor. Kepadatan

dari bahan bakar padat ( ), volume reaktor (Vr), dan tingkat konsumsi bahan bakar

(FCR) adalah faktor yang digunakan dalam menentukan total waktu untuk

mengkonsumsi bahan bakar padat dalam reaktor. Seperti ditunjukkan di bawah ini,

dapat dihitung menggunakan rumus :

t =FCR

Vrx……………………………………………………………………(2.10)

Dimana :

FCR = Fuel Consumtion Rate (kg/jam)

t = Waktu konsumsi bahan baku (jam)

= Massa jenis bahan baku (kg/m3)

Vr = Volume reaktor (m3)

g) Air Fuel Rate (AFR)

AFR adalah tingkat aliran udara primer yang masuk ke reaktor. Hal ini

mengacu pada laju aliran udara yang diperlukan untuk mengubah bahan bakar padat

menjadi gas. Hal ini sangat penting dalam menentukan ukuran blower yang

dibutuhkan untuk reaktor. Ini dapat ditentukan dengan menggunakan tingkat

konsumsi bahan bakar (FCR), udara stokiometri dari bahan bakar (SA) dan rasio

equivalensi ( ) untuk gasifying 0,3 sampai 0,4. Seperti ditunjukkan menggunakan

rumus :

AFR =a

SAxFCRx

……………………………………………….………(2.11)

Dimana

AFR = Air Fuel Rate (tingkat aliran udara) (m3/jam)

FCR = Fuel Consumtion Rate (kg/jam)

a = Massa jenis udara (kg/m3)

= Rasio equivalensi (0,3-0,4)

SA = Udara stokiometri dari bahan bakar padat

h) Energi yang Dibutuhkan

Hal ini mengacu pada jumlah panas yang harus dipasok oleh gasifier. Hal ini

dapat ditentukan berdasarkan massa air yang harus direbus. Jumlah energi yang

diperlukan, dapat dihitung dengan menggunakan rumus :

Es = m.Cp. T………………………………………………………..……(2.12)

Qn =t

Esxm…………………………………………………………..……(2.13)

Dimana :

Qn = Energi yang dibutuhkan (kJ/jam)

m = Massa air (kg)

Es = Energi spesifik (kJ/kg)

t = Waktu proses (jam)

Cp = kalor spesifik (Kj/kg.K)

T = Antara Tawal-Takhir (K)

i) Kebutuhan Bahan Bakar

Energi input ini mengacu pada jumlah energi yang diperlukan dalam hal bahan

bakar yang akan dimasukkan ke dalam gasifier. Hal ini dapat ditentukan dengan

mengguanakan rumus :

Energi infut = Ʃ nilai kalor bahan bakar

= Ʃ nilai bahan bakar tiap variasi

= persentae bahan bakar A x nilai kalor bahan bakar + persentae

bahan bakar B x nilai kalor bahan bakar …...........................(2.14)

2.4 Pembakaran Bahan Bakar

2.4.1 Prinsip Pembakaran Bahan Bakar

Prinsip pembakaran bahan bakar sejatinya adalah reaksi kimia bahan bakar

dengan oksigen (O). Kebanyakan bahan bakar mengandung unsur karbon (C),

hidrogen (H) dan belerang (S). Akan tetapi yang memiliki kontribusi yang penting

terhadap energi yang dilepaskan adalah C dan H. Masing-masing bahan bakar

mempunyai kandungan unsur C dan H yang berbeda-beda.

Proses pembakaran terdiri dari dua jenis yaitu pembakaran lengkap (complete

combustion) dan pembakaran tidak lengkap (incomplete combustion). Pembakaran

sempurna terjadi apabila seluruh unsur C yang bereaksi dengan oksigen hanya akan

menghasilkan CO2, seluruh unsur H menghasilkan H2O dan seluruh unsur S

menghasilkan SO2. Sedangkan pembakaran tidak sempurna terjadi apabila seluruh

unsur C yang dikandung dalam bahan bakar bereaksi dengan oksigen dan gas yang

dihasilkan tidak seluruhnya CO2. Keberadaan CO pada hasil pembakaran

menunjukkan bahwa pembakaran berlangsung secara tidak sempurna.

Jumlah energi yang dilepaskan pada proses pembakaran dinyatakan sebagai

entalpi pembakaran yang merupakan beda entalpi antara produk dan reaktan dari

proses pembakaran sempurna. Entalpi pembakaran ini dapat dinyatakan sebagai

Higher Heating Value (HHV) atau Lower Heating Value (LHV). HHV diperoleh

ketika seluruh air hasil pembakaran dalam wujud cair, sedangkan LHV diperoleh

ketika seluruh hasil pembakaran dalam bentuk uap.

Pada umumnya pembakaran tidak menggunakan oksigen murni, melainkan

memanfaatkan oksigen yang ada di udara. Jumlah udara minimum yang diperlukan

untuk menghasilkan pembakaran lengkap disebut sebagai jumlah udara teoritis atau

stokiometri. Akan tetapi pada kenyataannya untuk pembakaran sempurna, udara

yang dibutuhkan melebihi jumlah udara teorotis. Kelebihan udara dari jumlah udara

teorotis disebut sebagai excess air yang umumnya dinyatakan dalam persen.

Parameter yang sering digunakan untuk mengkuantifikasi jumlah udara dan bahan

bakar pada proses pembakaran tertentu adalah rasio udara-bahan bakar. Apabila

pembakaran lengkap terjadi ketika jumlah udara sama dengan jumlah udara teoritis

maka pembakaran tersebut sebagai pembakaran sempurna. Umumnya excess air

diambil 30% dari kebutuhan udara stokiometri.

2.4.2 Nilai Pembakaran

Bila dalam 1 kg bahan bakar yang terdiri C kg karbon, H kg hidrogen, O kg

oksigen, S kg belerang, N kg nitrogen, A kg abu, W kg air, maka dapat dihitung nilai

pembakaran atau heating value dari bahan bakar tersebut yaitu jumlah panas yang

dihasilkan dari pembakaran sempurna dari 1 kg bahan bakar yang dimaksud

berdasarkan rumus-rumus berikut :

Qhigh = 33915 C + 144033 (H -8

O) + 10648 S (kJ/kg)……………….……(2.15)

Qlow = 33915 C + 121423 (H -8

O) + 10648 S – 2512 (W + 9 x

8

O) (kJ/kg)...(2.16)

Qhigh adalah nilai pembakaran tertinggi atau highest heating value yang dalam

hal ini uap air yang terbentuk dari hasil pembakaran dicairkan terlebih dahulu,

sehingga panas pengembunannya turut dihitung serta dinilai sebagai panas

pembakaran yang terbentuk.

Qlow adalah nilai pembakaran terendah atau lowest heating value yang dalam

hal ini uap air yang terbentuk dari hasil pembakaran tidak perlu dicairkan terlebih

dahulu, sehingga panas pengembunannya tidak turut dihitung serta tidak dinilai

sebagai panas pembakaran yang terbentuk.

2.4.3 Jumlah Udara Pembakaran

Jika susunan bahan bakar diketahui, maka dapat dihitung jumlah kebutuhan

udara pembakaran untuk pembakaran sempurna. Sebelum menghitung kebutuhan

udara pembakaran, terlebih dahulu menghitung oksigen yang diperlukan untuk setiap

kandungan C, O dan H yang mengikat oksigen dalam pembakaran. Berikut

persamaan-persamaannya.

Karbon (C) terbakar sempurna menjadi CO2 menurut persamaan :

C + O2 = CO2

12 kg C + 32 kg O2 = 44 kg CO2

1 kg C +12

32kg O2 =

12

44kg CO2……………………………..……(2.17)

Hidrogen (H) terbakar menjadi H2O menurut persamaan :

4 H + O2 = 2H2O

4 kg H + 32 kg O2 = 36 kg H2O

1 kg H + 8 kg O2 = 9 kg H2O………………………………………(2.18)

Belerang (S) terbakar menjadi SO2 menurut persamaan :

S + O2 = SO2

32 kg S + 32 kg O2 = 64 kg SO2

1 kg S + 1 kg O2 = 2 kg SO2………………………………………..(2.19)

Dari perhitungan di atas kemudian dijumlahkan kebutuhan dengan persamaan :

Kebutuhan oksigen = kebutuhan oksigen H + kebutuhan oksigen C +

kebutuhan oksigen S – kebutuhan oksigen O…………..……………(2.20)

Untuk mendapatkan pembakaran yang sempurna, kebutuhan oksigen

pembakaran ditambah 30% dari kebutuhan oksigen teorotis (excess air). Excess air

antara 20-30%, maka kebutuhan oksigen untuk pembakaran sempurna dapat dihitung

dengan :

Kebutuhan oksigen total = kebutuhan oksigen + (excess air x kebutuhan

oksigen)……………………………………………………....………(2.21)

Kemudian kebutuhan udara pembakaran dapat dihitung. Dalam udara,

umumnya kadar oksigen yang terkandung antara 21-23% maka dari itu,

perbandingan udara dan bahan bakar didapat kebutuhan udara sebesar :

Kebutuhan udara pembakaran =udaradiO

udara2

%

%x kebutuhan oksigen

total…………………………………………………………………(2.22)

2.5 Massa Jenis Biomassa

Massa jenis biomassa adalah spesifik massa suatu biomassa per volumenya.

Massa jenis dapat dihitung dengan persamaan :

v

m

(kg/m3)……………………………………………………………………(2.23)

Dimana :

= massa jenis (kg/m3)

m = massa bahan (kg)

v = volume bahan (m3)

2.6 Cyclone Separator

Cyclone separator adalah alat yang menggunakan prinsip gaya sentrifugal dan

tekanan rendah karena adanya perputaran untuk memisahkan materi berdasarkan

perbedaan massa jenis dan ukuran. Cyclone merupakan mekanis yang sederhana

mempunyai bentuk yang khas, mudah dikenal, dan dapat ditemukan di beberapa

industri. Cara kerjanya seperti terlihat pada gambar di bawah, gerakan pusaran

(cyclonic) dari aliran udara akan menyebabkan terjadinya gaya sentrifugal pada

partikel debu, akibat partikel debu akan terkumpul pada dinding cyclone dan

selanjutnya jatuh melalui lubang bawah, sedangkan udara bersih akan keluar melalui

cerobong.

Gambar 2.7 Skema aliran cyclone

2.6.1 Prinsip Kerja Cyclone

Adapun prinsip kerja dari cyclone sebagai berikut :

- Gas atau aliran fluida diinjeksikan melalui pipa input

- Bentuk kerucut cyclone menginduksikan aliran gas atau fluida untuk

berputar menciptakan vortex.

- Partikel dengan ukuran atau kerapatan yang lebih besar didorong ke

arah luar vortex

- Gaya gravitasi menyebabkan partikel-partikel tersebut jatuh ke sisi

kerucut menuju tempat pengeluaran.

- Partikel dengan ukuran atau kerapatan yang lebih kecil, keluar melalui

bagian atas dari cyclone melalui pusat yang bertekanan rendah.

- Cyclone membuat suatu gaya sentrifugal yang berfungsi untuk

memisahkan partikular dari udara kotor.

- Gaya sentrifugal timbul saat partikular di dalam udara masuk ke

puncak kolektor silindris pada suatu sudut dan berputar dengan cepat

mengarah ke bawah seperti pusaran air. Aliran udara mengalir secara

melingkar dan partikular yang lebih berat mengarah ke bawah setelah

menabrak kea rah dinding cyclone dan meluncur ke bawah.

2.7 Saringan (Filter)

2.7.1 Saringan Udara

Fungsi utama dari saringan udara adalah mencegah udara kotor atau menyaring

udara yang akan masuk ke dalam ruang bakar (mesin). Bahan utama dari saringan

udara ada bermacam macam yaitu serat kertas, busa atau kapas sangat umum

digunakan sebagai lapisan penyaring udara kotor (Alamsyah, 2011).

2.7.2 Saringan Basah

Nama lain dari saringan basah adalah scrubbers atau wet collectors. Prinsip

kerja saringan basah adalah membersihkan udara yang kotor dengan cara

menyemprotkan air dari bagian atas alat. Pada saat udara yang berdebu kontak

dengan air, maka debu akan ikut dengan arah aliran semprotan air. Pengendap

saringan basah dapat digambarkan seperti gambar dibawah.

Gambar 2.8 Saringan Basah

2.7.3 Saringan Sistem Gravitasi

Alat ini digunakan untuk membersihkan udara kotor yang ukuran partikelnya

relatif cukup besar, sekitar 50 atau lebih. Cara kerja alat ini yaitu dengan

mengalirkan udara yang kotor ke dalam alat yang dibuat sedemikian rupa sehingga

pada waktu terjadi perubahan kecepatan secara tiba-tiba (speed drop), maka partikel

padat akan jatuh dan terkumpul di bawah akibat gaya gravitasi.

Gambar 2.9 Saringan Sistem Gravitasi

2.8 Aliran Udara

Gambar 2.10 Pengukuran Kecepatan Aliran Udara Dengan Pitot Tube

Kecepatan aliran udara dapat dihitung dengan menggunakan persamaan

Bernoulli (Pitot Tube), berdasarkan perbedaan antara tekanan stagnasi P0 dan tekanan

statik P, sebagai berikut :

0

200

2

.2..2.Z

g

V

g

PZ

g

V

g

P

…………………………………………….(2.24)

Pada kondisi pengukuran tekanan diatas dimana titik berimpitan dengan titik

A, dimana titik adalah titik stagnasi Z – Z0 = 0, sehingga persamaan di atas

menjadi :

g

V

g

P

g

V

g

P

.2..2.

200

2

……………………………………………...............(2.25)

Dalam keadaan stagnasi V0 = 0, maka persamaan 2.20 menjadi :

g

P

g

V

g

P

..2.0

2

…………………………………………………..................(2.26)

V =

g

PPg

..2 0

dimana

g

PPh

.0

…………………………………….(2.27)

Sehingga

V = hg ..2 …………………………………………………………..…….(2.28)

2.8.1 Kecepatan Udara

Untuk menghitung kecepatan udara, maka digunakan persamaan sebagai

berikut :

vAm ...

……………………………………………………..……………...(2.29)

A

gasmv

udara

udara .

.

……………………………………………………...……(2.30)

Dimana :

Vudara = kecepatan udara (m/s)

mudara-gas = laju aliran massa gasifikasi (kg/s)

= massa jenis (kg/m2)

A = luas penampang (m)

2.8.2 Manometer

Untuk pengukuran kecepatan aliran udara dengan menggunakan manometer,

parameter yang dibutuhkan adalah pertambahan panjang fluida ukur (air) yang dapat

diamati dengan mistar. h dapat ditentukan dengan melihat gambar di bawah ini

Gambar 2.11 Manometer untuk pengukuran kecepatan aliran udara

Hubungan tekanan antara air dengan udara adalah tampak sebagaimana

persamaan berikut ini :

ududairair hghg .. .. ……………………………………..………….……(2.31)

Dari persamaan 2.26 di atas maka diperoleh :

air

ududair

hh

. …………………………………………………..…………(2.32)

Dimana : Pud = Tekanan udara di dalam manometer

2m

N

= hg ..

ρ = massa jenis air

3

1000

m

kg

g = gravitasi (9.82s

m)

airh = ketinggian air di manometer (m)

2.9 Efisiensi Proses

Parameter-parameter yang mempengaruhi efisiensi gasifier antara lain,

kandungan moisture, temperatur udara masuk, dan heat loss. Dapat disimpulkan

bahwa kandungan moisture bahan bakar semakin tinggi, nilai kalor syngas semakin

rendah, dengan kata lain efisiensi gasifikasi semakin kecil dengan tingginya

kandungan moisture bahan bakar. Nilai tertinggi dari kandungan moisture dari bahan

bakar tidak boleh lebih dari 33%. Untuk pengaruh temperatur udara masuk, semakin

tinggi temperatur udara masuk gasifier akan menaikkan efisiensi gasifikasi.

Disamping itu, pemanasan udara masuk bias menurunkan air fuel ratio. Sedangkan

pengaruh besarnya heat loss, semakin kecil heat loss semakin besar pengaruhnya

terhadap efisiensi gasifikasi.

Efisiensi gasifikasi dapat dihitung dengan persamaan:

ƞ = ( ℎ )ƞ = , , .........................................................................................(2.34)

Dimana: energi yang dihasilkan = energi infut – energi autput.

LHV = HHV – 3240 (kJ/kg)

HHV = (T2 – T1 – Tkp) x Cv (kJ/kg)

Jika yang akan dihitung adalah efisiensi bahan bakar yang ahbis tergasifikasi,

maka yang jadi dasar perhitungan adalah massa bahan bakar gasifikasi. Sehingga

persamaan yang digunakan adalah:

ƞ = ℎ ℎ 100%ƞ = 100%.............................(2.35)

2.10 Genset

2.10.1 Pengertian Genset

Genset atau kepanjangan dari generator set adalah sebuah perangkat yg

berfungsi menghasilkan daya listrik. Disebut sebagai generator set dengan pengertian

adalah satu set peralatan gabungan dari dua perangkat berbeda yaitu engine dan

generator atau alternator. Engine sebagai perangkat pemutar sedangkan generator

atau alternator sebagai perangkat pembangkit listrik. Engine bisa berupa perangkat

mesin diesel berbahan bakar solar atau mesin berbahan bakar bensin, sedangkan

generator atau alternator merupakan kumparan atau gulungan tembaga yang terdiri

dari stator (kumparan statis) dan motor (kumparan berputar).

2.10.2 Prinsip Kerja Genset

Prinsif kerja generatorsangatlah sederhana yaitu kumparan jangkar yg

mememotong medan pada magnet yang dihasilkan kumparan medan akan

menimbulkan gerak gaya listrik terhadap kumparan jangkar. Cara kerja generator

yang utama adalah adanya medan magnet dan memotong medan magnet.

Prinsif kerja generator akan lebih mudah dimengerti apabila kita mengetahui

terlebih dahulu apa itu generator. Generator merupakan alat yang mampu

menghasilkan energi listrik yang bersumber kepada energi mekanik dan umumnya

menggunakan induksi elektomagnetik. Sumber energi mekanik sendiri bisa berasal

dari turbin.

Generator listrik pertama kali ditemukan pada tahun 1931 oleh seorang yang

bernama Faraday. Saat itu generator listrik mempunyai bentuk gulungan kawat yang

dililitkan pada besi yang berbentuk U. Generator tersebut dikenal dengan nama

Generator Cakram Faraday.

2.10.3 Fungsi Genset

Manfaat dari genset itu sendiri adalah sebagai power suplay arus listrik jika

terjadi pemadaman listrik PLN dan bisa juga dimanfaatkan untuk penduduk yang

belum mendapatkan akses listrik PLN.

Untuk genset yang kami gunakan dalam penelitian ini berkapasitas 900 watt

berbahan bakar bensin yang kami modifikasi sendiri pada karburatornya hingga

mampu memakai bahan bakar gas.