Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-01

Genset dengan bahan bakar gasifikasi downdraft kulit kopi dan batubara

I Gusti Ngurah Putu Tenaya1, a *, I Nyoman Suprapta Winaya2,b danI Nyoman Edi Gunawan3,c

1,2,3Jurusan Teknik MesinFakultas Teknik Universitas Udayana

Kampus Bukit Jimbaran Badung – Bali 80361 Telp/Faks: 0361- 703321aputu.tenaya@me.unud.ac.id, bins.winaya@me.unud.ac.id

AbstrakProses gasifikasi downdraft adalah proses pengkonversian dua bahan bakar padat atau lebihmenjadi gas mudah terbakar dengan jumlah udara yang terbatas dan gas hasil pembakarandilewatkan pada bagian oksidasi dari pembakaran dengan cara ditarik mengalir ke bawah. Padapenelitian ini bahan bakar yang digunakan adalah campuran antara biomassa kulit kopi denganbatubara. Pengkonversian dua jenis bahan bakar padat dimaksudkan untuk meningkatkan kualitas(nilai kalor) dari biomassa kulit kopi dan mengurangi dampak negatif atau pencemaran lingkungan.Dalam penelitan ini dianalisis lama genset menyala dengan komposisi campuran kulit kopi danbatubara berdasarkan prosentase massa dengan berat total bahan bakar 3 kg. Penelitian inimelibatkan 3 variasi presentase massa kulit kopi-batubara seperti: 80 : 20, 70 : 30 dan 60 : 40.Temperatur dan kondisi operasi disesuaikan untuk proses gasifikasi pada laju alir udara yangkonstan. Hasil penelitian menunjukkan seiring dengan prosentase peningkatan biomassa kulit kopipada campuran bahan bakar akan memperpendek lama genset menyala dan mempersingkat waktupenyalaan.

Kata kunci : kulit kopi, batubara, gasifikasi downdraft, lama genset menyala

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-01

Pendahuluan

Salah satu pemanfaatan energi biomassadapat dilakukan dengan cara teknologigasifikasi downdraft. Gasifikasi downdraftadalah proses yang mengkonversikan bahanbakar padat menjadi bahan bakar gasdengan memakai jumlah udara yang terbatasdan gas hasil pembakaran dilewatkan padabagian oksidasi dari pembakaran dengancara ditarik mengalir ke bawah. Gas yangdihasilkan seperti metana (CH4) , karbonmonoksida (CO) dan hydrogen (H2) bisadimanfaatkan untuk pembangkit energithermal. Pengkonversian dua jenis bahanbakar padat dimaksudkan untukmeningkatkan kualitas (nilai kalor) daribiomassa kulit kopi dan mengurangidampak negatif atau pencemaranlingkungan. Kandungan volatile metter yangtinggi pada kulit kopi mempunyaikeuntungan yaitu mudah terbakar tetapiberpotensi menghasilkan gas NOx akibatpembakaran. Disisi lain penggunaanbatubara sebagai bahan bakar dikarenakanmempunyai nilai kalor yang tinggi.Komposisi bahan bakar kulit kopi danbatubara pada gasifikasi sangat diperlukansebagai parameter untuk mengembangkansistem gasifikasi khususnya kulit kopisehingga bisa menjadi teknologi terapan.

Dalam penelitan ini mengacu padapengaruh komposisi (persen massa)campuran bahan bakar kulit kopi danbatubara dengan sistem gasifikasi downdraftterhadap lama genset menyala.

Dasar Teori

Biomassa Kulit KopiBiomassa adalah bahan organik yang

dihasilkan melalui proses fotosintentis, baikberupa produk maupun buangan. Biomassadigunakan sebagai sumber energi (bahanbakar). Secara umum yang digunakansebagai bahan bakar adalah biomassa yangnilai ekonomisnya rendah atau merupakanlimbah setelah diambil produk primernya.

Kopi (coffea sp.) adalah spesies tanaman

berbentuk pohon yang termasuk dalamkeluarga rubiaceae dan genus coffea.Tanaman ini berbentuk tegak, bercabangdan bila dibiarkan tumbuh dapat mencapaitinggi 12 m. Jenis kopi yang banyakdiusahakan di Indonesia yaitu Robusta danArabika. Dalam proses pengolahan kopisecara basah akan menghasilkan limbahpadat berupa kulit buah pada prosespengupasan buah (pulping) dan kulit tandukpada saat penggerbusan (hulling). Kadarorganik kulit buah kopi adalah 45,3 %,kadar nitrogen 2,98 %, fosfor 0,18 % dankalium 2,26 %. Selain itu kulit buah kopijuga mengandung Ca, Mg, Mn, Fe, Cu danZn. Kulit kopi selama ini tidak mengalamipemprosesan di pabrik karena yangdigunakan hanya biji kopi yang kemudiandijadikan bubuk kopi instan.

Ada tiga tipe bahan bakar yangdihasilkan oleh biomassa dan dipergunakanuntuk berbagai macam kebutuhan, antaralain :

Cairan : ethanol, biodiesel danmethanol.

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

H2). Padat : arang, briket.

Penggunaan ethanol dan biodieselsebagai bahan bakar kendaraan transportasidapat mengurangi emisi gas CO2. Olehkarena itu biomassa bukan hanya energiterbarukan tapi juga bersih atau ramahlingkungan dan dapat digunakan sebagaisumber energi secara global.

Jenis GasifikasiBerdasarkan arah aliran gasnya,

gasifikasi dapat dibedakan menjadigasifikasi aliran berlawanan (updraftgasification), gasifikasi aliran searah(downdraft gasification) dan gasifikasialiran menyilang (crossdraft gasification).Ketiga jenis gasifikasi tersebut memilikikeunggulan dan kekurangan masing-masing.a. Updraft Gasifier.

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-01

Pada bagian ini pembakaran berlangsungdi bagian bawah dari tumpuan bahanbakar dalam silinder, gas hasilpembakaran akan mengalir ke atasmelewati tumpuan bahan bakar sekaligusmengeringkannya. Bahan bakardimasukkan ke dalam ruang bakar darilubang pemasukan atas.Keunggulan yang dimiliki jenis gasifierini menghasilkan pembakaran yang sangatbersih, lebih mudah dioperasikan danarang yang dihasilkan lebih sedikitsedangkan kekurangannya adalahmenghasilkan sedikit metan, tidak dapatberoperasi secara kontinyu dan gas yangdihasilkan tidak kontinyu.

Gambar 1. Skema Updraft Gasifier

b. Downdraft Gasifier.Gas hasil pembakaran dilewatkan padabagian oksidasi dari pembakaran dengancara ditarik mengalir ke bawah sehinggagas yang dihasilkan akan lebih bersihkarena tar dan minyak akan terbakarsewaktu melewati bagian tadi.Keunggulan yang dimiliki jenis gasifierini dapat beroperasi secara kontinyu dansuhu gas tinggi sedangkan kekurangannyaadalah tar yang dihasilkan lebih banyak,produksi asap terlalu banyak saatberoperasi dan menghasilkan arang lebihbanyak.

Gambar 2. Skema Downdraft Gasifier

c. Crossdraft Gasifier.Udara disemprotkan ke dalam bahanbakar dari lubang arah samping yangsaling berhadapan dengan lubangpengambilan gas sehingga pembakarandapat terkonsentrasi pada satu bagian sajadan berlangsung secara lebih banyakdalan suatu satuan waktu tertentu.Keunggulan yang dimiliki jenis gasifierini suhu gas yang keluar tinggi, reduksiCO2 rendah, kecepatan gas tinggi, tempatpenyimpanan, pembakaran dan zonareduksi terpisah, kemampuanpengoprasiannya sangat bagus dan waktumulai lebih cepat. Sedangkankekurangannya adalah komposisi gas yangdihasilkan kurang bagus, gas CO yangdihasilkan tinggi, gas H rendah dan gasmetan yang dihasilkan juga rendah

Gambar 3. Skema Crossdraft Gasifier

Proses GasifikasiGasifikasi adalah proses yang merubah

biomassa menjadi gas yang dapat dibakarsecara umum, dimana udara yang diperlukanlebih rendah dari udara yang digunakan untukproses pembakaran. Proses gasifikasimelibatkan empat tahapan seperti drying,pyrolisis, oksidasi parsial dan reduksi.a. Pengeringan (drying).

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-01

Kandungan air dalam wujud cair berubahmenjadi uap air yang berwujud gas akibatproses pemanasan.

H2O (cair) H2O (cair)

b. PyrolisisTerjadi pada suhu 150o C sampai 800o C.Untuk gasifikasi biomassa, pyrolisis dapatdiprentasikan sebagai berikut:

Bahan bakar panas Char + Volatil

c. Oksidasi (pembakaran)Pembakaran merupakan reaksi terpenting,terjadi pada suhu 800o C sampai dengan1400o C. Reaksi yang terjadi pada prosespembakaran adalah:

C + ½ O2 C2O + 110,7 KJ/molC + O2 C2O + 393,77 KJ/molH2 + ½ O2 H2O + 742 KJ/molCO + ½ O2 C2O + 283 KJ/mol

d. ReduksiTerjadi pada suhu 600o C sampai dengan900o C. Produk yang dihasilkan padaproses ini adalah gas terbakar seperti H2,CO dan CH4

Parameter GasifikasiParameter-parameter penting yang harus

dipertimbangkan dalam proses gasifikasi,yaitu:a) Temperatur Gasifikasi

Temperatur gasifikasi harus tinggi karenadalam tahap pertama gasifikasi adalahpengeringan untuk menguapkankandungan air agar menghasilkan gasyang bersih. Temperatur yang tinggi jugadapat berpengaruh dalam menghasilkangas yang mudah terbakar. Untukmempertahankan temperatur, maka tangkireaktor diisolasi dengan bata tahan apiagar tidak ada panas yang keluar kelingkungan sehingga efisiensi reaktormenjadi baik.

b) Fuel Consumtion Rate (FCR)

Biomassa yang dibutuhkan pada prosesgasifikasi dapat dihitung menggunakanrumus :

FCR =loperasionawaktu

asitergasifikbiomassaberat

FCR =loperasionawaktu

arangberatbiomassaberat

(kg/dt)

c) Air Fuel Rate (AFR)AFR adalah tingkat aliran udara primeryang masuk ke reaktor. Hal ini mengacupada laju aliran udara yang diperlukanuntuk mengubah bahan bakar padatmenjadi gas. Hal ini sangat penting dalammenentukan ukuran blower yangdibutuhkan untuk reaktor. Ini dapatditentukan dengan menggunakan tingkatkonsumsi bahan bakar (FCR), udarastokiometri dari bahan bakar (SA) danrasio equivalensi ( ) untuk gasifying 0,3sampai 0,4. Seperti ditunjukkanmenggunakan rumus :

AFR =a

SAxFCRx

Dimana:AFR = Air Fuel Rate (tingkat aliranudara) (m3/jam)FCR = Fuel Consumtion Rate(kg/jam) a = Massa jenis udara (kg/m3) = Rasio equivalensi (0,3-0,4)SA = Udara stokiometri dari bahanbakar padat

d) Waktui Mulai MenyalaAdalah total waktu yang dibutuhkan olehreaktor sirkulasi fix bed mulai dari blowerdihidupkan sampai keluar gas mampubakar.

e) Durasi Gas MenyalaAdalah jumlah total waktu gas mampubakar dapat menyala.

f) Durasi OperasiAdalah jumlah total reaktor gasifikasiuntuk terjadinya proses fluidisasi sampai

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-01

gas mampu bakar yang dihasilkan tidakdapat terbakar lagi dan bahan bakar habisterbakar.

Metode Penelitian

Deskripsi AlatDalam penelitian ini reaktor gasifikasi

(gasifier) yang digunakan menggunakansistem downdraft tipe fixed bed. Komposisicampuran kulit kopi dan batubaraberdasarkan prosentase massa dengan berattotal bahan bakar 3 kg. Penelitian inimelibatkan 3 variasi presentase massa kulitkopi-batubara seperti: (I) 80 : 20. (II) 70 : 30dan (III) 60 : 40. Gambar 4. dibawah iniadalah skematik downdraft gasifier yangdigunakan dalam penelitian.

Gambar 4. Skematik Downdraft Gasifier

Keterangan Gambar :1. Tabung reaktor bahan bakar.2. Blower .3. Biomassa yang terbakar (areal

pembakaran).4. Saluran pematik api.5. Wajan pembakaran.6. Lubang pembersih abu pada reaktor7. Tabung cyclone.8. Toples kaca penampung tar.9. Filter10. Katup ke lingkungan.11. Katup ke genset.12. T1 (Oksidasi).13. T2 (Reduksi).14. T3 (Pirolisis).15. T4 (Pengeringan).

Bahan Penelitian

Dalam penelitian ini bahan bakar yangdigunakan berupa biomassa kulit kopi danbatubara. Biomassa kulit kopi dan batubaraadalah bahan bakar padat yang berbedakarakteristiknya. Batubara memiliki kadarabu sedang dan kandungan senyawa volatilerendah dengan nilai karbon dan nilai kalortinggi. Sedangkan biomassa kulit kopimemiliki kandungan bahan volatile tingginamun kadar karbon rendah. Kadar abubiomassa terggantung dari jenis bahannya(kulit kopi, dll), sedangkan nilai kalornyatergolong sedang. Pembakaran dapat dimulaipada suhu rendah dikarenakan tingginyakandungan senyawa volatile dalam biomassa.

Dalam penelitian ini biomassa yangdigunakan berbahan dasar butiran kopi utuhkarena mudah ditemukan di daerah Pupuan-Tabanan Bali karena sebagian besar komoditipetani disana adalah penghasilannya sebagaipetani lahan kering yaitu petani kopi. Bahandasar kulit kopi tersebut kemudian digilinguntuk memisahkan biji kopi dengan kulitnya.Hal tersebut dikarenakan pada prosesgasifikasi tidak mungkin dilakukan secaralangsung, karena berbagai alasan sepetimenggunakan bahan bakar biomassa yangtidak terpakai dan biji kopi bernilai ekonomitinggi. Oleh karenanya biomassa butiran kopiperlu diperlakukan hingga diperolehbiomassa yang tidak terpakai. Bahan bakutersebut berupa kulit kopi.

Gambar 5 Kulit Kopi dan Batu Bara

Tahapan PengujianBahan bakar berupa variasi komposisi

batubara dan kulit kopi dimasukkan ke dalamtabung reaktor bahan bakar dengan ukuranyang seragam hingga penuh. Hidupkanblower sebelum melakukan prosespembakaran bahan bakar. Kemudian bahanbakar yang jatuh ke wajan pembakarandisiram dengan minyak tanah melalui tutupreaktor dan dibakar melalui saluran pematikhingga terjadi proses pembakaran. Dari

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-01

pembakaran campuran bahan bakar tersebutakan timbul gas yang akan dihisap olehblower lalu diteruskan ke tabung cyclone danpada tabung cyclone akan dipisahkan antaratar dan gas hingga tar akan jatuh ke topleskaca penampung tar. Gas yang masihterdapat debu akan diteruskan ke kotak filteruntuk disaring. Gas yang telah bersih akanlangsung dihisap blower dan nantinya gasakan dibuang ke valve yang menuju kelingkungan untuk dicoba gasnya apakahsudah mampu terbakar atau tidak. Jika gassudah mampu terbakar tutup valve yangmenuju ke lingkungan dan buka valve yangmenuju genzet.

Hasil dan Pembahasan

Data hasil penelitian didapat waktu mulaimenyala, waktu gas menyala, waktu operasidan lama genzet menyala. Perbandingan datatersebut dapat dianalisis sebagai berikut:

Gambar 6.Grafik hubungan antara variasikomposisi bahan bakar terhadapwaktu mulai menyala, waktu gasmenyala dan waktu operasi

Dari Gambar 6. terlihat bahwa denganbertambahnya komposisi biomassa kulit kopi(variasi I) yang mempunyai zat volatile (zatmudah terbakar) yang tinggi menyebabkanbahan bakar lebih reaktif sehingga waktupenyalaan menjadi lebih singkat.

Waktu operasi yang paling lama terjadipada komposisi biomassa paling sedikit(variasi III). Hal ini disebabkan karenabatubara mempunyai nilai kalor lebih tinggidan nilai volatile lebih rendah dari kulit kopi,maka akan menyebabkan gas yang dihasilkanselama proses gasifikasi lebih lama menyala.

Untuk lama genset menyala dapat didihitung dari waktu gas mulai menyalasampai gas tidak bisa dinyalakan.

Gambar 7. Grafik lama genset menyala

Dari gambar 7, terlihat bahwa gensetmenyala paling lama terjadi pada variasi III,hal ini disebabkan variasi III memilikikomposisi batubara paling banyak, dimanabatubara memiliki nilai kalor paling tinggidan volatil yang rendah. maka akanmenyebabkan gas yang dihasilkan selamaproses gasifikasi lebih lama menyala.

Kesimpulan

Dari penelitian gasifikasi tipe downdrafpada variasi komposisi campuran bahanbakar batubara dan kulit kopi, dapat ditarikkesimpulan bahwa: Semakin besar komposisi biomassa kulit

kopi pada campuran bahan bakar makaakan memperpendek lama gensetmenyala, terlihat pada variasi I lamagenset menyala 721 detik, variasi II 2426detik dan variasi III 3819 detik,

Semakin besar komposisi biomassa kulitkopi pada campuran bahan bakar makamenyebabkan bahan bakar lebih reaktifsehingga waktu penyalaan menjadi lebihsingkat.

Referensi

[1] Alamsyah, (2011), “PengelolaanPencemaran Partikel”.http://alamsyah029.blogspot.com/2011/08/ipa-pencemaran-lingkungan.html#. Diunduh (2014/11/08), Jam 09.00 wita.

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-01

[2] Belino, A.T,. (2005) Rice Huck Stove,Departemen of Agricultural Engineeringand Environmental Management,Central Philippine University: Lolio City

[3] Ernawan, E. (2013), “PerformansiTungku Gasifikasi Downdraft DenganVariasi Density Briket Biomassa KulitKopi”. Skripsi Teknik Mesin, FakultasTeknik, Universitas Udayana.

[4] Gunamntha, (2010), Analisis Teknik,Ekonomi dan Lingkungan, JurusanAnalisis Kimia, FMIPA, UniversitasPendidikan Ganesha, Singaraja, Bali

[5] Jean and Badeau Pierre, (2009),“Biomass Gasification”, ChemistryProcesses and Application, NovaScience Publisher, Inc., New York.

[6] Paul Grabowski,”BiomassThermochemical Conversion”.,OBPEfforts – TechnicalAdvisory Committee- March 11, 2004 - Washington, D.C.

[7] Robert Manuriung, MS Roa (1981)“Gasifier Unggun Tetap Aliran KeBawah” Lontar.Ui.ac.id/fire=digital/125517-r020850-Pengmbangan % 20 dan % 20 Studi-Literatur.pdf.

[8] Suryosatyo A dan Vidian F, 2004 “StudiCo-Gasifikasi Tandan Kosong danTempurung Kelapa Sawit MenggunakanGasifier Aliran Ke Bawah”. ProsidingSeminar Nasional Rekayasa Kimia danProses, C-1-1 s/d C-1-6, ISSN: 1411-4216 Semarang