PERANCANGAN MODEL OPTIMASI KESEIMBANGAN ENERGI NETO BIODIESEL KELAPA SAWIT (2)
PERANCANGAN MODEL OPTIMASI
KESEIMBANGAN ENERGI NETO
BIODIESEL KELAPA SAWIT
JAIZULUDDIN MAHMUD
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi berjudul Perancangan Model
Optimasi Keseimbangan Energi Neto Biodiesel Kelapa Sawit adalah benar karya
saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk
apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau
dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah
disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir
disertasi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Agustus 2015
Jaizuluddin Mahmud
NIM F361100011
RINGKASAN
JAIZULUDDIN MAHMUD. Perancangan Model Optimasi Keseimbangan Energi
Neto Biodiesel Kelapa Sawit. Dibimbing oleh MARIMIN, ERLIZA HAMBALI,
YANDRA ARKEMAN, dan AGUS RUSYANA HOETMAN.
Keseimbangan energi neto (net energy balance / NEB) adalah indikator
penting dalam mengembangkan industri biodiesel yang berkelanjutan. Indikator
ini digunakan untuk menilai seberapa besar penggunaan energi fosil di industri
untuk menghasilkan 1 kg biodiesel. Seiring dengan tuntutan masyarakat dan dunia
internasional agar industri biodiesel tumbuh dalam kerangka berkelanjutan,
industri biodiesel Indonesia perlu melakukan optimasi keseimbangan energi neto.
Optimasi dilakukan dengan jalan mengurangi semaksimal mungkin penggunaan
energi fosil pada seluruh unit proses produksi.
Penilaian tingkat optimasi industri dalam melakukan perbaikan kinerja
keseimbangan energi neto menghadapi beberapa permasalahan, antara lain belum
tersedianya suatu sistem yang bisa membantu stakeholders dalam melakukan
pengukuran, baik kondisi eksisting maupun optimum dan cara untuk
mencapainya. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan model optimasi
keseimbangan energi neto industri biodiesel berbahan baku kelapa sawit.
Penelitian menggunakan pendekatan sistem yang didukung oleh metode
pemodelan matematika, algoritma genetika, dan technology foresight. Ruang
lingkup penelitian meliputi seluruh unit proses dalam rantai nilai produksi
biodiesel, yakni budi daya kelapa sawit, pengolahan kelapa sawit, pemurnian
minyak sawit, dan pembuatan biodiesel. Unit energi yang dipertimbangkan adalah
energi atau material yang membutuhkan bahan bakar fosil untuk
memproduksinya. Lokasi penelitian di salah satu perusahaan produsen biodiesel
yang terletak di pulau Sumatera.
Model keseimbangan energi neto untuk kondisi eksisting perusahaan,
dipengaruhi oleh 5 unit energi, yaitu metanol, pupuk, katalis, listrik, dan BBM.
Perhitungan menghasilkan nilai rasio energi rasio 6.06. Model keseimbangan
energi neto untuk kondisi optimum dipengaruhi oleh 5 variabel, yaitu metanol,
pupuk, katalis, listrik dan diesel. Implementasi model menggunakan algoritma
genetika dengan pemrograman Matlab, menghasilkan nilai rasio energi neto
optimum sebesar 6.18, mengalami kenaikan 1.98% dari kondisi eksisting.
Perbaikan kinerja industri pada keseimbangan energi neto dilakukan dengan
inovasi teknologi. Pemilihan teknologi prioritas dilakukan dengan metoda
foresight yang melibatkan beberapa pakar. Penerapan teknik analisis skenario
menghasilkan 5 pilihan inovasi teknologi yang dianggap penting untuk
dikembangkan di masa akan datang, 1 topik pengurangan produksi metanol, 1
topik pengurangan penggunaan pupuk unorganik, dan 3 topik pengurangan
penggunaan listrik dari grid PLN. Pemilihan teknologi prioritas ditentukan oleh
potensi perbaikan kinerja yang dimiliki masing-masing topik, dan kesiapan
investasi untuk merealisasikan topik tersebut.
Rancangan model optimasi keseimbangan energi neto biodiesel kelapa
sawit, memberikan informasi cara perhitungan keseimbangan energi neto
perusahaan, baik kondisi eksisting maupun optimum. Model yang dihasilkan juga
mampu mengindetifikasi perbaikan yang perlu dilakukan industri untuk
mengoptimalkan kinerja keseimbangan energi neto, sebagai bagian dari
peningkatan tingkat keberlanjutan pembangunan industri biodiesel Indonesia.
Model dan hasil yang diperlihatkan dapat berimplikasi pada proses evaluasi dan
penyusunan program kebijakan pengembangan industri biodiesel di dalam negeri,
pada proses perencanaan perbaikan kinerja perusahaan dan industri, dan pada
pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi terutama dalam bidang sistem
industri dan bidang bioenergi.
Kata kunci: algoritma genetika, biodiesel, foresight, keseimbangan energi neto,
model optimasi
SUMMARY
JAIZULUDDIN MAHMUD. The Design of Net Energy Balance Optimization
Model for Palm Oil Biodiesel. Supervised by MARIMIN, ERLIZA HAMBALI,
YANDRA ARKEMAN, and AGUS RUSYANA HOETMAN.
The net energy balance is an important indicator in developing a
sustainable biodiesel industry. This indicator is used to asses fossil energy use in
industry to produce 1 kg of biodiesel. In response to the demands of society and
the international in order to biodiesel industry grow in a sustainable framework,
Indonesian biodiesel industry needs to optimize the net energy balance.
Optimization conducted by reducing the use of fossil energy as much as possible
in all units of the production process.
Assessment of the industry performance optimization in improving the net
energy balance, face several problems, include unavailability of a system that
could help stakeholders in performing the measurement, both existing as well as
optimum condition, and how to achive the best performance. This study aims to
get the net energy balance optimization model of palm oil biodiesel industry in
Indonesia.
This study uses a systems approach that was supported by mathematical
modeling methods, genetic algorithms, and technology foresight. The scope of the
research includes all unit processes in the value chain of biodiesel production, the
cultivation, palm oil processing, palm oil refining, and the manufacture of
biodiesel. Units of energy are cosidered, energy or materials that require diesel
fuel to produce them. Research location in one of the manufacturers of biodiesel
are located on the island of Sumatera.
The net energy balance model for the existing condition of the company,
are influenced by the 5 units of energy, namely metanol, fertilizers, catalysts,
electricity, and fuel. Calculation generated energy ratio value 6.06.
Implementation of the model using genetic algorithms with Matlab programming,
generated net energy ratio optimum value for 6.18, increased 1.98% from existing
condition.
Industry performance improvement in the net energy balance indicator,
was conducted with technological innovation. Selection of priority technology
innovation was performed by foresight methods with involving several experts.
The implementation of scenario analysistechniques generated 5 options of
important technological innovations are considered to be developed in the future,
1 topic of energy reduction in the production of ethanol, 1 topic reduced use of
inorganic fertilizers, and 3 topics of the reduced use of electricity from th grid
PLN. The choice of technology priorities determined by the potential performance
improvement of each topic, and the investment readiness to realize the topic.
The design of optimization model net energy balance of palm oil biodiesel,
providing information net energy balance calculation method of companies, both
existing conditon and the optimum. The resulting model is also capable of
identifying improvements that need to be done to optimize the performance of the
industry net energy balance, as part of sustainable development of the biodiesel
industry in Indonesia. The model and the results were shown can have
implications for the evaluation process and the preparation of biodiesel industry
development policy program in Indonesia. The model also can be use in the
company’s performance improvement planning process. This study can enrich the
information, the development of science and technology, particularlt in the fields
of industrial systems and bioenergy.
Keywords: biodiesel, foresight, genetic algorithm, net energy balance,
optimization model
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2015
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
PERANCANGAN MODEL OPTIMASI
KESEIMBANGAN ENERGI NETO
BIODIESEL KELAPA SAWIT
JAIZULUDDIN MAHMUD
Disertasi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Doktor
pada
Program Studi Teknologi Industri Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
Penguji pada Ujian Tertutup:
1. Dr Ir Agus Nurrohim, MSc
2. Prof Dr Ir Armansyah Halomoan Tambunan
Penguji pada Sidang Promosi:
1. Dr Ir Agus Nurrohim, MSc
2. Prof Dr Ir Armansyah Halomoan Tambunan
PRAKATA
Alhamdulillah, puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu
wa ta’ala atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan.
Penelitian ini memiliki tema pemodelan sistem dengan judul Perancangan Model
Optimasi Keseimbangan Energi Neto Biodiesel Kelapa Sawit.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Prof Dr Ir Marimin, Prof Dr Ir
Erliza Hambali, Dr Ir Yandra Arkeman, dan Dr Ir Agus Rusyana Hoetman, selaku
pembimbing telah banyak memberi arahan saran dan motifasi selama penelitian
ini berlangsung. Terima kasih penulis ucapkan juga kepada Dr Agus Nurrohim
dan Prof Dr Ir Armansyah H Tambunan selaku penguji luar tertutup, telah
memberikan evaluasi untuk meningkatkan kualitas hasil penelitian ini. Terima
kasih penulis pula haturkan kepada Dr Tatang Taufik dan Dr Derry dari Badan
Pengkajian dan Penerapan Teknologi yang telah memberikan kesempatan dan
dukungan kepada penulis untuk melakukan studi S3. Tidak lupa ucapan
terimakasih kepada Program Beasiswa Kemenristek yang telah memberikan
beasiswa. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada Prof Dr Ir Machfud
selaku ketua program studi TIP IPB beserta jajarannya, Pengelola Sekolah
Pascasarjana IPB, teman-teman mahasiswa pasca sarjana angkatan 2010 TIP IPB,
teman-teman di SBRC IPB, dan semua pihak yang tidak bisa saya tulis namanya
satu per satu di sini. Terakhir, segala penghargaan terhadap kaya ilmiah ini
penulis dedikasikan kepada ibu, istri dan anak-anak serta seluruh kerabat
keluarga. Semoga segala amalannya dibalas pahala berlipat ganda oleh Allah
subhanahu wa ta’ala.
Bogor, Agustus 2015
Jaizuluddin Mahmud
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
xvii
DAFTAR GAMBAR
xvii
DAFTAR LAMPIRAN
xviii
DAFTAR ISTILAH
xix
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Manfaat Penelitian
Ruang Lingkup Penelitian
Kebaruan Penelitian
2
TINJAUAN PUSTAKA
Prinsip-prinsip Dasar Biodiesel Kelapa Sawit
Keseimbangan Energi Neto Biodiesel
Perancangan dan Pemodelan Sistem Optimasi
6
10
11
3
METODOLOGI PENELITIAN
Kerangka Pemikiran
Pendekatan Penelitian
Pengumpulan Data
Pemodelan Sistem
Algoritma Genetika
Analisis Skenario
Pelaksanaan Kegiatan
18
20
23
25
26
27
29
4
ANALISIS SITUASIONAL
Biodiesel Sebagai Energi Alternatif
Industri Biodiesel Kelapa Sawit Indonesia
Kinerja Keseimbangan Energi Neto Industri Biodiesel
Inovasi Teknologi Industri Bioenergi
Profil Perusahaan
30
32
32
33
34
5
RANCANGAN MODEL OPTIMASI KESEIMBANGAN ENERGI NETO
PRODUKSI MINYAK SAWIT
Model Keseimbangan Energi Neto Produksi CPO
40
Model Optimasi Keseimbangan Energi Neto Produksi CPO
44
Rancangan Implementasi Model Optimasi Produksi CPO
50
Implementasi Model Optimasi Produksi CPO
52
1
3
3
4
4
5
6
RANCANGAN MODEL OPTIMASI KESEIMBANGAN ENERGI NETO
PRODUKSI BIODIESEL
Model Keseimbangan Energi Neto Produksi Biodiesel
54
Model Optimasi Keseimbangan Energi Neto Produksi Biodiesel
66
Rancangan Implementasi Model Optimasi Produksi Biodiesel
71
Implementasi Model Optimasi Produksi Biodiesel
73
7
PEMBAHASAN UMUM
Kinerja Keberlanjutan Perusahaan
Inovasi Teknologi dan Perbaikan Kinerja
Implikasi Manajerial
75
76
79
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran
80
80
81
DAFTAR PUSTAKA
82
LAMPIRAN
88
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
Jenis tanaman dan tingkat produktivitasnya
Posisi Penelitian
Data sekunder yang dikumpulkan
Data primer yang dikumpulkan
Intesitas energi yang digunakan dalam penelitian
Perkiraan konsumsi bahan bakar nabati dunia (%)
Nilai NER hasil penelitian keseimbangan energi neto
Rekapitulasi data input dan output pabrik biodiesel
Rekapitulasi data input dan output pabrik pemurnian (Ton)
Rekapitulasi data input output pabrik CPO
Rekapitulasi data input output perkebunan
Komposisi penggunaan pupuk
Komposisi unsur pupuk dalam produk samping CPO
Energi input dan output dalam produksi CPO
Energi dalam produksi CPO
Pemanfaatan limbah pabrik untuk optimasi NEB
Energi input sistem keseimbangan energi neto budi daya kelapa sawit
Energi input sistem keseimbangan energi neto pengolahan kelapa sawit
Energi input sistem keseimbangan energi neto pemurnian minyak sawit
Energi input sistem keseimbangan energi neto pembuatan biodiesel
Struktur keseimbangan energi neto eksisting
Komposisi produksi limbah pabrik kelapa sawit
Komposisi komponen sistem kondisi optimum
Urutan topik inovasi teknologi berdasarkan persentase rasio energi neto
Urutan topik inovasi teknologi berdasarkan besaran relatif investasi
7
11
23
24
26
31
33
35
36
38
39
41
43
49
49
53
56
58
60
62
64
71
74
77
78
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Transesterifikasi Trigliserida dengan Alkohol
Proses pembuatan minyak kelapa sawit (Hambali 2007)
Diagram alir proses pembuatan biodiesel metode transesterifikasi
(Hambali 2007)
Pengertian sistem (Marimin 2007)
Tahapan pendekatan sistem (Eriyatno 1998)
Foresight dan penentuan kebijakan (Volkery and Ribiero 2009)
Pengembangan sistem keseimbangan energi neto
Kerangka pemikiran penelitian
Konsep model optimasi keseimbangan energi neto
Rantai nilai penuh keseimbangan energi neto biodiesel
Proses algoritma genetika optimasi keseimbangan energi neto
menggunakan Matlab
6
8
9
12
14
17
18
19
20
22
27
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
Lokasi penelitian
Kecenderungan pasokan energi dunia
Tahapan budi daya kelapa sawit
Tahapan pengolahan kelapa sawit
Tahapan pengolahan kelapa sawit
Komposisi nilai variabel untuk optimasi NEB
Nilai fitness terbaik optimasi NEB
Keseimbangan energi budi daya kelapa sawit
Keseimbangan energi pengolahan kelapa sawit
Keseimbangan energi neto pemurnian minyak sawit
Keseimbangan energi neto pembuatan biodiesel
Keseimbangan energi neto produksi biodiesel kelapa sawit
Komposisi energi berdasarkan unit proses
Komposisi unit energi produksi biodiesel
Komposisi penggunaan non BBM per unit energi
Optimasi keseimbangan energi neto produksi biodiesel
Grafik nilai NER optimum
Komposisi komponen sistem optimasi
29
30
41
42
45
53
53
55
57
59
61
63
65
65
66
67
73
74
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
6
7
8
Program algoritma genetika model optimasi keseimbangan energi neto
produksi CPO
889
Implementasi model optimasi keseimbangan energi neto produksi CPO
dengan Matlab
890
Hasil iterasi model optimasi keseimbangan energi neto produksi CPO
91
Program algoritma genetika model optimasi keseimbangan energi neto
produksi biodiesel
923
Implementasi model optimasi keseimbangan energi neto produksi
biodiesel dengan Matlab
945
Hasil iterasi model optimasi keseimbangan energi neto produksi
biodiesel
956
Kuesioner analisis skenario
978
Rekapitulasi hasil kuesioner analisis skenario
1012
DAFTAR ISTILAH
ISTILAH
APROBI
Energi fosil
BBN (Bahan Bakar Nabati)
Biodiesel
BXX
Crude Palm Oil (CPO)
EBTKE
Empty Fruit Bunch (EFB)
ESDM
Food and Agriculture
Organization (FAO)
Fertilizer
Free Fatty Acid (FFA)
Fresh Fruit Bunch (FFB)
Foresight
Global Bioenergy Parnership
(GBEP)
Genetic Algorithm (GA)
Indonesian Sustainable Palm
Oil (ISPO)
Katalis
LCA
Mesocarp Fibre (MF)
Metanol
MP3EI
Keseimbangan energi neto
(Net Energy Balance/NEB)
PENJELASAN
Asosiasi Produsen Biofuel Indonesia
Bahan bakar yang bersumber dari fosil yang
mengandung hidrokarbon, antara lain minyak
bumi, gas, dan batubara
Energi terbarukan yang bersumber dari minyak
nabati, antara lain biodiesel, bioetanol, dan bio-oil
Bahan bakar minyak nabati yang dihasilkan
melalui melalui proses transesterifikasi,
esterifikasi, atau proses esterifikasitransesterifikasi
Jumlah biodiesel dalam campuran biosolar
Minyak mentah yang diperoleh dari hasil
ekstraksi daging buah (Mesocarp) kelapa sawit
Energi Baru Terbarukan dan Konservasi Energi
Produk samping pembuatan CPO berupa tandan
kosong kelapa sawit (TKKS)
Energi dan Sumber Daya Mineral
Badan makanan dan pertanian PBB
Pupuk tanaman sawit
Asam lemak bebas
Tandan buah segar (TBS) yang dihasilkan
perkebunan kelapa sawit
Pendekatan untuk melihat jauh kedepan
Suatu konsep pembangunan bioenergi
berkelanjutan
Teknik pencarian yang bekerja meniru proses
evolusi struktur genetik makhluk hidup
Suatu kebijakan pemerintah Indonesia yang
terkait langsung dengan peningkatan daya saing
minyak sawit di pasar dunia dan masalah
lingkungan.
Senyawa kimia yang digunakan untuk
mempercepat reaksi pembuatan biodiesel
Life Cycle Analysis
Serat sawit
Senyawa kimia jenis alkohol yang dicampurkan
dengan minyak sawit menghasilkan biodiesel
Master Plan Pengembangan dan Perluasan
Pembangunan Ekonomi Indonesia
Suatu indikator keberlanjutan yang digunakan
untuk menganalis hubungan antara energi yang
dihasilkan (biodiesel) dengan energi yang
digunakan (fossil fuels).
Rasio energi neto (Net
Energy Ratio/NER)
Palm Fatty Acid Distillate
(PFAD)
Palm Kernel (PK)
Palm Kernel Oil (PKO)
Palm Kernel Shell (PKS)
Palm Methyl Ester (PME)
Palm Oil Mill Efluent
(POME)
RBDPO
Refined Palm Oil (RPO)
Rountable for Sustainable
Palm Oil (RSPO)
Scenario Analysis
Unit proses
Unit energi
Ukuran yang merepresentasikan keseimbangan
energi neto di industri (biodiesel) melalui
perbandingan antara energi yang dihasilkan
(biodiesel) dengan energi yang digunakan (BBM
solar)
Asam lemak sawit hasil distilasi
Kernel sawit
Minyak inti atau minyak kernel
Cangkang sawit
Nama lain dari biodiesel
Limbah cair hasil dari pabrik pengolahan kelapa
sawit (LCPKS)
Refined Bleached Deodorized Palm Oil
Bahan baku biodiesel hasil pemurnian CPO
Asosiasi yang terdiri dari berbagai organisasi di
sektor industri kelapa sawit (perkebunan,
pengolahan, investor, akademisi, dan LSM
lingkungan)
Metoda foresight yang mempertimbangkan
berbagai kemungkinan terjadi akan datang
Sekumpulan kegiatan dalam satu tahapan proses
produksi biodiesel
Kelompok energi atau material dalam proses
produksi biodiesel
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Keseimbangan energi neto (Net Energy Balance/NEB) merupakan indikator
penting dalam keberlanjutan industri bioenergi, termasuk biodiesel (Buchholz et
al. 2009; Markevicius et al. 2010 ). Indikator ini mengukur tingkat penggunaan
energi fosil dalam memproduksi biodiesel . Penggunaan energi yang dimaksud
umumnya merujuk pada energi bahan bakar minyak, gas dan batubara (Pradhan et
al. 2008). Industri biodiesel sulit menghindari energi fosil karena
ketergantungannya pada produk atau material yang diproduksi dari industri lain,
seperti pupuk, metanol, dan diesel untuk transportasi ( De Souza et al. 2010; Fore
et al. 2011). Dalam kerangka pembangunan berkelanjutan, penggunaan energi di
industri ini diharapkan sedapat mungkin dikurangi, atau dijaga jangan sampai
melebihi dari energi yang dihasilkan, dengan kata lain industri perlu melakukan
optimasi keseimbangan energi neto yang berkesinambungan.
Sebagai negara penghasil minyak sawit terbesar di dunia (MP3EI 2011),
industri biodiesel dalam negeri senantiasa menjaga aspek keberlanjutan dalam
meningkatkan daya saingnya. Indonesia aktif dalam Roundtable for Sustainable
Palm Oil (RSPO) dan menindaklanjutinya dalam suatu kebijakan Indonesian
Sustainable Palm Oil (ISPO). Indonesia juga berpartisipasi dalam the Global
Bioenergy Partnership (GBEP) yang dikembangkan oleh FAO (Prastowo 2012).
Walaupun masih sebagai negara peninjau, Indonesia telah mencoba
implementasikan pedoman GBEP dalam mengevaluasi tingkat keberlanjutan
industri biodiesel dalam negeri (Reeves 2012).
Indonesia telah melakukan upaya yang sungguh-sungguh dalam
membangun industri biodiesel yang berkelanjutan, namun upaya tersebut tidak
serta merta mengurangi sorotan dunia dan tekanan internasional terhadap
perkembangan industri biodiesel di tanah air. Berbagai isu telah muncul dalam 10
tahun terakhir ini, termasuk masalah EPANODA tahun 2012, disusul
pemboikotan produk kelapa sawit Indonesia oleh Amerika. Isu ini muncul
didasarkan pada asumsi dan metode perhitungan mereka sendiri yang oleh
beberapa pakar dipandang mengandung kekeliruan (Agus dan Sarwani 2012).
Tantangan industri berikutnya adalah datang dari Instruksi Presiden (Inpres) No.
10/2011 yang terkait dengan penundaan penerbitan izin pembukaan lahan baru
kelapa sawit. Kebijakan ini merupakan bagian dari kerja sama Indonesia dengan
Pemerintah Kerajaan Norwegia yang kemudian dipertanyakan efektifitasnya
terhadap penurunan emisi gas rumah-kaca (Brockhaus et al. 2012).
Banyaknya isu yang menerpa industri biodiesel Indonesia merupakan
tantangan bagi bangsa Indonesia untuk mengembangkan industri biodiesel yang
berkelanjutan. Berbagai isu yang berkembang selama ini tentu tidak sepenuhnya
benar, banyak yang perlu diluruskan (Tan et al. 2009; Syaukat 2010). Pemerintah,
perguruan tinggi, dunia usaha dan para pemangku kepentingan industri biodiesel
dalam negeri, perlu bekerjasama dengan erat agar isu tersebut tidak merugikan
kepentingan Indonesia, perlu konsensus dan komitmen dari para stakeholders
2
sawit nasional untuk optimasi produksi sawit yang efektif, efisien dan
berkelanjutan (Muchtadi dan Sa’id 2010). Khusus perguruan tinggi, perannya
perlu ditingkatkan, perlu kajian yang sesuai dengan kondisi di Indonesia, perlu
menyampaikan fakta-fakta yang benar mengenai pembangunan industri kelapa
sawit di Indonesia (Widjaja dan Bangun 2010). Penyampaian kondisi real industri
ini harus ditopang oleh analisis dan metodologi yang tepat, dapat dipahami dunia
internasional, dan merujuk pada konsep dan indikator keberlanjutan seperti yang
dikenal dalam GBEP.
Saat ini Indonesia memiliki 23 perusahaan produsen biodiesel dengan total
kapasitas 4.28 juta kl, meningkat tajam dari tahun 2006 yang hanya menghasilkan
215 ribu kl (Tjakrawan 2012). Berdasarkan data APROBI (asosiasi produsen
biofuel Indonesia), produksi biodiesel Indonesia tahun 2011 mencapai 1.3 juta
MT, sebagian besarnya ditujukan untuk ekspor. Walaupun jumlah produksi
biodiesel dalam negeri masih sangat kecil dibanding dengan kapasitas yang ada,
namun dalam 20 tahun mendatang produksi biodiesel Indonesia diperkirakan
meningkat pesat sekitar 13% pertahun atau mendekati 60 juta kl tahun 2030
(BPPT 2013). Tahun 2030, konsumsi biodiesel diperkirakan 15% dari total
konsumsi energi nasional. Kondisi tersebut merupakan peluang yang baik bagi
industri biodiesel dalam negeri untuk berkembang dan berdaya saing di masa akan
datang.
Besarnya permintaan biodiesel memunculkan masalah tersendiri bagi
realisasi kebijakan pengurangan penggunaan BBM di industri. Sebagaimana
industri pada umumnya, industri biodiesel beserta industri penunjangnya, juga
menggunakan BBM dalam proses produksinya. Hal ini berarti setiap peningkatan
produksi biodiesel akan disusul peningkatan konsumsi BBM. Kondisi ini tampak
kontraproduktif dengan posisi biodiesel sebagai energi altenatif, jenis energi untuk
menggantikan peran BBM, khususnya diesel atau yang dikenal dimasyarakat
dengan istilah solar. Industri biodiesel diharapkan mampu melakukan optimasi
keseimbangan energi neto yang berkesinambungan. Industri ini tidak hanya
diharapkan mampu meningkatkan produktivitasnya, tetapi juga mampu menekan
seminimum mungkin penggunaan energi fosil dalam setiap unit prosesnya.
Penelitian yang terkait dengan optimasi keseimbangan energi neto
umumnya menghitung kondisi eksisting, kondisi nyata industri dalam waktu
tertentu. Menemukan keseimbangan energi neto dalam kondisi optimum bisa
didapatkan dengan membangun sistem secara uji coba (trial and error).
Pendekatan lainnya adalah dengan membangun model secara parsial. Beberapa
penelitian keseimbangan energi neto pendekatan parsial telah mencoba
merekomendasikan dan menyarankan perlunya optimasi pada bagian-bagian
tertentu di unit proses produksi biodiesel (Kamahara et al. 2011; Plenjai dan
Gheewala 2009). Pendekatan lain yang belum pernah ditemukan dalam penelitian
keseimbangan energi neto biodiesel adalah pendekatan sistem, pendekatan yang
melihat permasalahan secara menyeluruh (holistic). Pendekatan ini dapat lebih
fleksibel dalam melakukan percobaan-percobaan sistem. Karena sifatnya tersebut,
pendekatan ini menjadi lebih efektif dan efisien dalam menemukan sistem baru
yang terbaik. Penggunaan pendekatan sistem dalam perancangan model optimasi
keseimbangan energi neto biodiesel kelapa sawit merupakan suatu kebaruan
(novelty).
3
Perumusan Masalah
Permasalahan utama yang dihadapi dalam optimasi keseimbangan energi
neto adalah belum tersedianya suatu sistem yang bisa membantu stakeholders
dalam menghitung nilai optimum keseimbangan energi neto yang bisa dicapai
oleh suatu rantai proses produksi biodiesel. Jadi ada tiga pertanyaan yang perlu
dijawab dalam penelitian ini, antara lain adalah sebagai berikut:
a. Bagaimana metode perhitungan keseimbangan energi neto eksisting?
Metode perhitungan keseimbangan energi neto masih bervariasi,
beberapa penelitian tentang keseimbangan energi neto sudah dilakukan
namun umumnya berbeda satu sama lain terutama dalam hal metodologi
dan ruang lingkup..
b. Bagaimana cara menemukan nilai keseimbangan energi neto yang
optimum?
Variabel dan parameter yang harus dipertimbangkan dalam menilai
keseimbangan energi neto, beragam sifat dan jenisnya, dan luas
cakupannya, sehingga mencari nilai optimum keseimbangan energi neto
suatu industri relatif lebih kompleks.
c. Bagaimana cara mencapai nilai keseimbangan energi neto optimum
tersebut dan komponen apa saja yang berpengaruh?
Tujuan Penelitian
Tujuan utama penelitian ini adalah mendapatkan model optimasi
keseimbangan energi neto industri biodiesel berbahan baku kelapa sawit. Adapun
tujuan antaranya adalah:
a. Membangun model perhitungan keseimbangan energi neto industri
biodiesel kelapa sawit
b. Merancang model optimasi keseimbangan energi neto industri biodiesel
kelapa sawit
c. Merancang implementasi model optimasi keseimbangan energi neto
industri biodiesel kelapa sawit
d. Melakukan verifikasi dan validasi model optimasi keseimbangan energi
neto industri biodiesel kelapa sawit
e. Menyusun rekomendasi optimasi keseimbangan energi neto industri
biodiesel kelapa sawit
Hasil yang diharapkan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
a. Teridentifikasinya model, sub model, komponen, dan pola hubungan
antar komponen, dalam mencapai tujuan optimasi keseimbangan energi
neto industri biodiesel kelapa sawit
b. Model optimasi keseimbangan energi neto industri biodiesel kelapa
sawit yang telah divalidasi dan diverifikasi
c. Rekomendasi perbaikan sistem keseimbangan energi neto industri
biodiesel minyak sawit berkelanjutan
4
Manfaat Penelitian
Model optimasi bioenergi berdasarkan keseimbangan energi neto ini
diharapkan dapat bermanfaat bagi para pemangku kepentingan (stakeholders)
dalam melakukan penilaian keberlanjutan (sustainability) industri biodiesel dalam
negeri, khususnya yang berkaitan dengan penggunaan energi primer. Stakeholders
dan manfaat yang diharapkan dari hasil penelitian ini adalah:
a. Pemerintah
Melalui lembaga yang terkait dengan pembangunan bioenergi di
Indonesia, pemerintah dapat mempertimbangkan metode dan nilai yang
dikeluarkan dari model ini dalam upaya menyusun kebijakan dan
standar keberlanjutan suatu produk bioenergi di dalam negeri.
b. Industri
Perusahaan-perusahaan yang terkait dengan industri biodiesel Indonesia
dapat menggunakan struktur dan komponen perhitungan yang ada dalam
model ini sebagai pedoman atau rujukan dalam membangun sistem
produksi bioenergi yang berkelanjutan.
c. Perguruan tinggi dan lembaga litbang
Model ini juga diharapkan dapat menambah wacana pengembangan
ilmu pengetahuan terutama dalam bidang sistem industri dan bidang
bioenergi.
Ruang Lingkup Penelitian
Berbicara tentang keseimbangan energi neto dan industri biodiesel bisa
meluas karena banyaknya faktor yang berpengaruh. Untuk itu, penelitian ini perlu
dibatasi dengan ruang lingkup sebagai berikut:
a. Industri biodiesel dalam penelitian ini dibatasi pada biodiesel berbahan
baku kelapa sawit yang ada di Indonesia.
b. Pemodelan hanya mempertimbangkan aspek energi, tidak
mempertimbangkan aspek ekonomi lainnya, lingkungan dan sosial..
c. Membangun model optimasi keseimbangan energi neto industri
biodiesel meliputi tahapan budi daya kelapa sawit, pengolahan kelapa
sawit, pemurnian minyak sawit, dan pembuatan biodiesel.
d. Merancang implementasi model optimasi keseimbangan energi neto
industri biodiesel menggunakan algoritma genetika.
e. Studi kasus dilakukan pada satu perusahaan yang memiliki rantai
produksi yang lengkap.
f. Rekomendasi berupa strategi pembangunan industri biodiesel kelapa
sawit Indonesia berdasarkan aspek keseimbangan energi neto dari sudut
pandang inovasi teknologi.
5
Kebaruan Penelitian
Kebaruan penelitian ini adalah:
a. Perancangan model optimasi keseimbangan energi neto biodiesel kelapa
sawit yang berkelanjutan, melalui pendekatan sistem, mengintegrasikan
model matematika, algoritma genetika, dan teknology foresight.
b. Informasi tingkat optimasi keseimbangan energi neto yang dapat dicapai
perusahaan dan industri biodiesel kelapa sawit, beserta cara untuk
mencapainya, yakni dengan meminimasi penggunaan energi fosil dalam
setiap material dan energi yang digunakan, dan memaksimasi penggunaan
produk samping untuk mensubtitusi material dan energi tersebut.
c. Model optimasi keseimbangan energi neto produksi biodiesel kelapa sawit
yang komprehensif dan holistik, meliputi seluruh unit proses produksi
biodiesel, yakni unit proses budi daya, pengolahan kelapa sawit,
pemurnian minyak sawit, dan pembuatan biodiesel.
2 TINJAUAN PUSTAKA
Prinsip-prinsip Dasar Biodiesel Kelapa Sawit
Secara kimia biodiesel didefinisikan sebagai monoalkil ester asam lemak
berantai panjang yang berasal dari biolipids terbarukan (Demirbas 2008).
Biodiesel biasanya dihasilkan melalui reaksi minyak nabati atau lemak hewan
dengan metanol atau etanol dengan adanya katalis untuk menghasilkan ester metil
atau etil (biodiesel) dan gliserin. Demirbas kemudian menggambarkan reaksi
terbentuknya biodiesel seperti yang terlihat dalam Gambar 1.
Gambar 1 Transesterifikasi Trigliserida dengan Alkohol
Pada literatur lain dikatakan bahwa biodiesel adalah bioenergi atau bahan
bakar nabati yang terbuat dari minyak nabati, baik minyak baru maupun bekas
penggorengan dan melalui proses transesterifikasi, esterifikasi, atau proses
esterifikasi-transesterifikasi (Hambali et al. 2007). Biodiesel adalah alternatif
terbaik pengganti bahan bakar diesel yang di Indonesia disebut minyak solar
untuk mesin diesel. Nilai Kalor Atas (Higher Heating Values, HHVs) dari
biodiesel relatif tinggi. HHVs biodiesel (39 sd. 41 MJ/kg) sedikit lebih rendah dari
bensin (46 MJ/kg), minyak solar (43 MJ/kg), atau minyak tanah (42 MJ/kg), tetapi
lebih tinggi dari batubara (32 sd. 37 MJ/kg).
Penggunaan bahan bakar biodiesel umumnya tidak dalam keadaan murni
100% minyak biodiesel, akan tetapi dicampur dengan minyak solar. Pencampuran
biodiesel dengan minyak solar biasanya diberikan sistem penamaan tersendiri
dengan kode BXX. Kode XX menunjukkan jumlah biodiesel dalam campuran
seperti, B2, B3 atau B5 yang berarti campuran biodiesel dan minyak solar yang
masing-masing mengandung 2, 3, dan 5% biodiesel. Sedangkan B20 atau B100
merupakan campuran biodiesel dan minyak solar yang masing-masing
mengandung 20% dan 100% biodiesel. Pada umumnya konsentrat tertinggi yang
sudah dioperasikan secara komersial adalah B20. Walaupun biodiesel dapat
dicampur dengan minyak solar pada berbagai konsentrasi tanpa merusak atau
memodifikasi mesin, tetapi memerlukan penggantian beberapa komponen seperti
paking karet pada beberapa peralatan karena spesifikasinya disesuaikan untuk
BBM (Boediyono 2006).
7
Hambali dan kawan-kawan selanjutnya menjelaskan beberapa kelebihan
biodiesel dibanding minyak solar, yaitu:
a. Ramah lingkungan karena menghasilkan emisi yang jauh lebih baik
(free sulfur, smoke number rendah)
b. Angka setana yang tinggi sehingga sangat baik dalam pembakaran
c. Memiliki sifat pelumasan dan dapat terurai (biodegradable)
d. Bahan bakunya dari alam yang dapat diperaharui (renewable energy)
e. Bahan bakunya melimpah di dalam negeri
Kelapa sawit merupakan bahan baku biodiesel yang umum digunakan di
Indonesia. Minyak sawit yang dihasilkan dari tanaman ini memiliki tingkat
produktifitas paling tinggi diantara tanaman potensi lainnya, yaitu 5 950 liter
Minyak/Ha/Thn (Tabel 1). Tanaman kelapa sawit juga dinilai paling siap dari sisi
ketersediaan, industrinya sudah mapan dengan pengalaman pembudidayaan yang
telah lebih dari seabad lamanya di tanah air. Saat ini, Indonesia dikenal sebagai
negara produsen minyak kelapa sawit terbesar di dunia.
Tabel 1 Jenis tanaman dan tingkat produktivitasnya
Jenis
Tumbuhan
Produktivitas
(liter Minyak/Ha/Thn
Jenis
Tumbuhan
Produktivitas
(liter Minyak/Ha/Thn
Jagung
172
Rapeseed
1 190
Biji kapas
325
Olive
1 212
Kacang kedelai
446
Jojoba
1 818
Wijen
696
Jatropha
1 892
Biji matahari
925
Brazil nut
2 392
Kacang tanah
1 059
Kelapa
2 689
Biji opium
1 163
Kelapa sawit
5 950
Sumber: Aun, 2006
Secara garis besar, minyak dari kelapa sawit dapat dibagi dua jenis, yaitu
CPO (Crude Palm Oil) dan PKO (Palm Kernel Oil). CPO dihasilkan dari proses
pengepresan buah segar sawit, PKO dari proses pengepresan biji kernel sawit.
CPO maupun PKO memiliki produk turunan beraneka macamnya yang diolah di
berbagai industri. CPO menghasilkan karoten, tokoperol, olein, stearin, FFA (Free
Fatty Acid), PFAD (palm fatty acid distillate), soap stocs dan produk lainnya.
Secara umum, CPO dapat menghasilkan 73% olein, 21% stearin, 5% PFAD
(palm fatty acid distillate), dan 0.5% bahan lainnya. PFAD umumnya digunakan
oleh industri sebagai bahan baku sabun maupun makanan ternak. PFAD memiliki
kandungan FFA (free fatty acid) sekitar 81.7%, gliserol 14.4%, squalane 0.8%,
vitamin E 0.5%, sterol 0.4%, dan lain-lain 2.2%. Produk-produk turunan CPO
yang dapat digunakan sebagai bahan baku biodiesel diantaranya CPO, CPO low
grade (kandungan FFA tinggi), PFAD, dan RBD olein. Sebelum diolah menjadi
biodiesel, CPO membutuhkan proses pemurnian (degumming) yang bertujuan
menghilangkan senyawa-senyawa pengotor yang terdapat dalam minyak.
8
Proses pengolahan minyak sawit terdiri atas sterilisasi, pemipilan,
pengepresan dan penjernihan. Proses transformasi dari kelapa sawit menjadi CPO
dan PKO diilustrasikan pada Gambar 2.
Uap panas
Tandan Buah
Segar (TBS)
Sterilisasi
TBS Steril
Tandan
Kosong (TKKS)
Pemipilan
Minyak pada
Konsentrat
Pengepresan
Sludge
Penjernihan
Serat
Depricarping
Pemecahan biji
Minyak Sawit
(CPO)
Biji
(kernel)
Cangkang
Pengepresan
Minyak Inti
Sawit (PKO)
Gambar 2 Proses pembuatan minyak kelapa sawit (Hambali 2007)
Ada beberapa cara untuk membuat biodiesel dari minyak kelapa sawit,
namun yang paling umum digunakan secara komersial adalah transesterifikasi.
Transesterifikasi adalah reaksi trigeliserida pada minyak dan lemak, dengan
alkohol untuk membentuk ester dan gliserol. Untuk menambah laju reaksinya,
campuran trigliserida dengan alkohol tersebut ditambahkan dengan katalis.
Dewasa ini, proses produksi biodiesel mengacu pada reaksi transesterifikasi
trigliserida dengan metanol untuk mendapatkan alkil metil ester dan gliserin. Pada
dasarnya, bentuk alkohol yang lain seperti ethanol bisa dipergunakan dalam
proses transesterifikasi. Namun, penggunaan metanol memiliki keunggulan karena
hasil reaksinya yang berupa fatty acid methyl ester (FAME) yang dikenal sebagai
9
biodiesel, dan gliserol, sangat sukar untuk tercampur sehingga akan membentuk
dua lapisan yaitu biodiesel di bagian atas dan gliserin di bagian bawah. Dengan
demikian, akan mempermudah proses pemisahan biodiesel dari produk samping
gliserin. Selain itu, metanol bisa diperoleh dengan harga lebih murah daripada
ethanol sehingga lebih menguntungkan dari sisi komersial.
Metode transesterifikasi bisa menghasilkan biodiesel hingga rendemen
sampai 95% dari bahan baku minyak nabati. Metode transesterifikasi
diilustrasikan pada Gambar 3.
NaOH
Bahan Baku (kadar
FFA < 5%)
Pemanasan
Transesterifikasi
Gliserol
Separasi
Methanol
Pencampuran
Crude
Biodiesel
Recovery
Methanol
Sludge
Purifikasi
Purifikasi
Refined Gliserol
Biodiesel
Gambar 3 Diagram alir proses pembuatan biodiesel metode transesterifikasi
(Hambali 2007)
Metode ini pada dasarnya terdiri atas 4 tahapan, yaitu:
a. Pencampuran katalis alkalin (umumnya NaOH atau KOH) dengan
alkohol (metanol atau ethanol) pada konsentrasi katalis antara 0.5 dan 1
wt% dan 10 – 20 wt% metanol terhadap massa minyak.
b. Pencampuran antara alkohol dan katalis dengan minyak pada temperatur
55oC dengan kecepatan pengadukan konstan. Reaksi dilakukan sekitar
30 – 45 menit.
c. Setelah reaksi terhenti, campuran didiamkan hingga terjadi pemisahan
antara metil ester dan gliserol. Metil ester yang dihasilkan pada tahap ini
sering disebut sebagai crude biodiesel, karena metil ester yang
dihasilkan mengandung zat-zat pengotor, seperti sisa metanol, sisa
katalis alkalin, gliserol, dan sabun.
10
d. Metil ester yang dihasilkan pada tahap ke tiga dicuci menggunakan air
hangat untuk memisahkan zat-zat pengotor dan kemudian dilajutkan
dengan drying untuk menguapkan air yang terkandung dalam biodiesel.
Proses pemurnian bahan (purifikasi) dilakukan pada awal dan akhir reaksi
(esterifikasi dan transesterifikasi). Pada tahap awal reaksi, pemurnian dilakukan
terhadap minyak kelapa sawit, sedangkan tahap akhir untuk biodiesel kasar.
Bahan baku yang digunakan biodiesel adalah minyak kelapa sawit murni. Proses
pemurniannya dilakukan dengan tahapan sebagai berikut:
a. Proses degumming, yaitu menghilangkan gum yang terkandung dalam
minyak kelapa sawit yang mengandung FFA < 5% dengan
menambahkan larutan H3PO4 85%.
b. Proses filtering, yaitu menyaring bentonit dan gum yang terserap dalam
bentonit tersebut beserta kotoran-kotoran lainnya agar diperoleh minyak
kelapa sawit dengan kandungan FFA
KESEIMBANGAN ENERGI NETO
BIODIESEL KELAPA SAWIT
JAIZULUDDIN MAHMUD
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi berjudul Perancangan Model
Optimasi Keseimbangan Energi Neto Biodiesel Kelapa Sawit adalah benar karya
saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk
apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau
dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah
disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir
disertasi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Agustus 2015
Jaizuluddin Mahmud
NIM F361100011
RINGKASAN
JAIZULUDDIN MAHMUD. Perancangan Model Optimasi Keseimbangan Energi
Neto Biodiesel Kelapa Sawit. Dibimbing oleh MARIMIN, ERLIZA HAMBALI,
YANDRA ARKEMAN, dan AGUS RUSYANA HOETMAN.
Keseimbangan energi neto (net energy balance / NEB) adalah indikator
penting dalam mengembangkan industri biodiesel yang berkelanjutan. Indikator
ini digunakan untuk menilai seberapa besar penggunaan energi fosil di industri
untuk menghasilkan 1 kg biodiesel. Seiring dengan tuntutan masyarakat dan dunia
internasional agar industri biodiesel tumbuh dalam kerangka berkelanjutan,
industri biodiesel Indonesia perlu melakukan optimasi keseimbangan energi neto.
Optimasi dilakukan dengan jalan mengurangi semaksimal mungkin penggunaan
energi fosil pada seluruh unit proses produksi.
Penilaian tingkat optimasi industri dalam melakukan perbaikan kinerja
keseimbangan energi neto menghadapi beberapa permasalahan, antara lain belum
tersedianya suatu sistem yang bisa membantu stakeholders dalam melakukan
pengukuran, baik kondisi eksisting maupun optimum dan cara untuk
mencapainya. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan model optimasi
keseimbangan energi neto industri biodiesel berbahan baku kelapa sawit.
Penelitian menggunakan pendekatan sistem yang didukung oleh metode
pemodelan matematika, algoritma genetika, dan technology foresight. Ruang
lingkup penelitian meliputi seluruh unit proses dalam rantai nilai produksi
biodiesel, yakni budi daya kelapa sawit, pengolahan kelapa sawit, pemurnian
minyak sawit, dan pembuatan biodiesel. Unit energi yang dipertimbangkan adalah
energi atau material yang membutuhkan bahan bakar fosil untuk
memproduksinya. Lokasi penelitian di salah satu perusahaan produsen biodiesel
yang terletak di pulau Sumatera.
Model keseimbangan energi neto untuk kondisi eksisting perusahaan,
dipengaruhi oleh 5 unit energi, yaitu metanol, pupuk, katalis, listrik, dan BBM.
Perhitungan menghasilkan nilai rasio energi rasio 6.06. Model keseimbangan
energi neto untuk kondisi optimum dipengaruhi oleh 5 variabel, yaitu metanol,
pupuk, katalis, listrik dan diesel. Implementasi model menggunakan algoritma
genetika dengan pemrograman Matlab, menghasilkan nilai rasio energi neto
optimum sebesar 6.18, mengalami kenaikan 1.98% dari kondisi eksisting.
Perbaikan kinerja industri pada keseimbangan energi neto dilakukan dengan
inovasi teknologi. Pemilihan teknologi prioritas dilakukan dengan metoda
foresight yang melibatkan beberapa pakar. Penerapan teknik analisis skenario
menghasilkan 5 pilihan inovasi teknologi yang dianggap penting untuk
dikembangkan di masa akan datang, 1 topik pengurangan produksi metanol, 1
topik pengurangan penggunaan pupuk unorganik, dan 3 topik pengurangan
penggunaan listrik dari grid PLN. Pemilihan teknologi prioritas ditentukan oleh
potensi perbaikan kinerja yang dimiliki masing-masing topik, dan kesiapan
investasi untuk merealisasikan topik tersebut.
Rancangan model optimasi keseimbangan energi neto biodiesel kelapa
sawit, memberikan informasi cara perhitungan keseimbangan energi neto
perusahaan, baik kondisi eksisting maupun optimum. Model yang dihasilkan juga
mampu mengindetifikasi perbaikan yang perlu dilakukan industri untuk
mengoptimalkan kinerja keseimbangan energi neto, sebagai bagian dari
peningkatan tingkat keberlanjutan pembangunan industri biodiesel Indonesia.
Model dan hasil yang diperlihatkan dapat berimplikasi pada proses evaluasi dan
penyusunan program kebijakan pengembangan industri biodiesel di dalam negeri,
pada proses perencanaan perbaikan kinerja perusahaan dan industri, dan pada
pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi terutama dalam bidang sistem
industri dan bidang bioenergi.
Kata kunci: algoritma genetika, biodiesel, foresight, keseimbangan energi neto,
model optimasi
SUMMARY
JAIZULUDDIN MAHMUD. The Design of Net Energy Balance Optimization
Model for Palm Oil Biodiesel. Supervised by MARIMIN, ERLIZA HAMBALI,
YANDRA ARKEMAN, and AGUS RUSYANA HOETMAN.
The net energy balance is an important indicator in developing a
sustainable biodiesel industry. This indicator is used to asses fossil energy use in
industry to produce 1 kg of biodiesel. In response to the demands of society and
the international in order to biodiesel industry grow in a sustainable framework,
Indonesian biodiesel industry needs to optimize the net energy balance.
Optimization conducted by reducing the use of fossil energy as much as possible
in all units of the production process.
Assessment of the industry performance optimization in improving the net
energy balance, face several problems, include unavailability of a system that
could help stakeholders in performing the measurement, both existing as well as
optimum condition, and how to achive the best performance. This study aims to
get the net energy balance optimization model of palm oil biodiesel industry in
Indonesia.
This study uses a systems approach that was supported by mathematical
modeling methods, genetic algorithms, and technology foresight. The scope of the
research includes all unit processes in the value chain of biodiesel production, the
cultivation, palm oil processing, palm oil refining, and the manufacture of
biodiesel. Units of energy are cosidered, energy or materials that require diesel
fuel to produce them. Research location in one of the manufacturers of biodiesel
are located on the island of Sumatera.
The net energy balance model for the existing condition of the company,
are influenced by the 5 units of energy, namely metanol, fertilizers, catalysts,
electricity, and fuel. Calculation generated energy ratio value 6.06.
Implementation of the model using genetic algorithms with Matlab programming,
generated net energy ratio optimum value for 6.18, increased 1.98% from existing
condition.
Industry performance improvement in the net energy balance indicator,
was conducted with technological innovation. Selection of priority technology
innovation was performed by foresight methods with involving several experts.
The implementation of scenario analysistechniques generated 5 options of
important technological innovations are considered to be developed in the future,
1 topic of energy reduction in the production of ethanol, 1 topic reduced use of
inorganic fertilizers, and 3 topics of the reduced use of electricity from th grid
PLN. The choice of technology priorities determined by the potential performance
improvement of each topic, and the investment readiness to realize the topic.
The design of optimization model net energy balance of palm oil biodiesel,
providing information net energy balance calculation method of companies, both
existing conditon and the optimum. The resulting model is also capable of
identifying improvements that need to be done to optimize the performance of the
industry net energy balance, as part of sustainable development of the biodiesel
industry in Indonesia. The model and the results were shown can have
implications for the evaluation process and the preparation of biodiesel industry
development policy program in Indonesia. The model also can be use in the
company’s performance improvement planning process. This study can enrich the
information, the development of science and technology, particularlt in the fields
of industrial systems and bioenergy.
Keywords: biodiesel, foresight, genetic algorithm, net energy balance,
optimization model
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2015
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
PERANCANGAN MODEL OPTIMASI
KESEIMBANGAN ENERGI NETO
BIODIESEL KELAPA SAWIT
JAIZULUDDIN MAHMUD
Disertasi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Doktor
pada
Program Studi Teknologi Industri Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
Penguji pada Ujian Tertutup:
1. Dr Ir Agus Nurrohim, MSc
2. Prof Dr Ir Armansyah Halomoan Tambunan
Penguji pada Sidang Promosi:
1. Dr Ir Agus Nurrohim, MSc
2. Prof Dr Ir Armansyah Halomoan Tambunan
PRAKATA
Alhamdulillah, puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu
wa ta’ala atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan.
Penelitian ini memiliki tema pemodelan sistem dengan judul Perancangan Model
Optimasi Keseimbangan Energi Neto Biodiesel Kelapa Sawit.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Prof Dr Ir Marimin, Prof Dr Ir
Erliza Hambali, Dr Ir Yandra Arkeman, dan Dr Ir Agus Rusyana Hoetman, selaku
pembimbing telah banyak memberi arahan saran dan motifasi selama penelitian
ini berlangsung. Terima kasih penulis ucapkan juga kepada Dr Agus Nurrohim
dan Prof Dr Ir Armansyah H Tambunan selaku penguji luar tertutup, telah
memberikan evaluasi untuk meningkatkan kualitas hasil penelitian ini. Terima
kasih penulis pula haturkan kepada Dr Tatang Taufik dan Dr Derry dari Badan
Pengkajian dan Penerapan Teknologi yang telah memberikan kesempatan dan
dukungan kepada penulis untuk melakukan studi S3. Tidak lupa ucapan
terimakasih kepada Program Beasiswa Kemenristek yang telah memberikan
beasiswa. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada Prof Dr Ir Machfud
selaku ketua program studi TIP IPB beserta jajarannya, Pengelola Sekolah
Pascasarjana IPB, teman-teman mahasiswa pasca sarjana angkatan 2010 TIP IPB,
teman-teman di SBRC IPB, dan semua pihak yang tidak bisa saya tulis namanya
satu per satu di sini. Terakhir, segala penghargaan terhadap kaya ilmiah ini
penulis dedikasikan kepada ibu, istri dan anak-anak serta seluruh kerabat
keluarga. Semoga segala amalannya dibalas pahala berlipat ganda oleh Allah
subhanahu wa ta’ala.
Bogor, Agustus 2015
Jaizuluddin Mahmud
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
xvii
DAFTAR GAMBAR
xvii
DAFTAR LAMPIRAN
xviii
DAFTAR ISTILAH
xix
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Manfaat Penelitian
Ruang Lingkup Penelitian
Kebaruan Penelitian
2
TINJAUAN PUSTAKA
Prinsip-prinsip Dasar Biodiesel Kelapa Sawit
Keseimbangan Energi Neto Biodiesel
Perancangan dan Pemodelan Sistem Optimasi
6
10
11
3
METODOLOGI PENELITIAN
Kerangka Pemikiran
Pendekatan Penelitian
Pengumpulan Data
Pemodelan Sistem
Algoritma Genetika
Analisis Skenario
Pelaksanaan Kegiatan
18
20
23
25
26
27
29
4
ANALISIS SITUASIONAL
Biodiesel Sebagai Energi Alternatif
Industri Biodiesel Kelapa Sawit Indonesia
Kinerja Keseimbangan Energi Neto Industri Biodiesel
Inovasi Teknologi Industri Bioenergi
Profil Perusahaan
30
32
32
33
34
5
RANCANGAN MODEL OPTIMASI KESEIMBANGAN ENERGI NETO
PRODUKSI MINYAK SAWIT
Model Keseimbangan Energi Neto Produksi CPO
40
Model Optimasi Keseimbangan Energi Neto Produksi CPO
44
Rancangan Implementasi Model Optimasi Produksi CPO
50
Implementasi Model Optimasi Produksi CPO
52
1
3
3
4
4
5
6
RANCANGAN MODEL OPTIMASI KESEIMBANGAN ENERGI NETO
PRODUKSI BIODIESEL
Model Keseimbangan Energi Neto Produksi Biodiesel
54
Model Optimasi Keseimbangan Energi Neto Produksi Biodiesel
66
Rancangan Implementasi Model Optimasi Produksi Biodiesel
71
Implementasi Model Optimasi Produksi Biodiesel
73
7
PEMBAHASAN UMUM
Kinerja Keberlanjutan Perusahaan
Inovasi Teknologi dan Perbaikan Kinerja
Implikasi Manajerial
75
76
79
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran
80
80
81
DAFTAR PUSTAKA
82
LAMPIRAN
88
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
Jenis tanaman dan tingkat produktivitasnya
Posisi Penelitian
Data sekunder yang dikumpulkan
Data primer yang dikumpulkan
Intesitas energi yang digunakan dalam penelitian
Perkiraan konsumsi bahan bakar nabati dunia (%)
Nilai NER hasil penelitian keseimbangan energi neto
Rekapitulasi data input dan output pabrik biodiesel
Rekapitulasi data input dan output pabrik pemurnian (Ton)
Rekapitulasi data input output pabrik CPO
Rekapitulasi data input output perkebunan
Komposisi penggunaan pupuk
Komposisi unsur pupuk dalam produk samping CPO
Energi input dan output dalam produksi CPO
Energi dalam produksi CPO
Pemanfaatan limbah pabrik untuk optimasi NEB
Energi input sistem keseimbangan energi neto budi daya kelapa sawit
Energi input sistem keseimbangan energi neto pengolahan kelapa sawit
Energi input sistem keseimbangan energi neto pemurnian minyak sawit
Energi input sistem keseimbangan energi neto pembuatan biodiesel
Struktur keseimbangan energi neto eksisting
Komposisi produksi limbah pabrik kelapa sawit
Komposisi komponen sistem kondisi optimum
Urutan topik inovasi teknologi berdasarkan persentase rasio energi neto
Urutan topik inovasi teknologi berdasarkan besaran relatif investasi
7
11
23
24
26
31
33
35
36
38
39
41
43
49
49
53
56
58
60
62
64
71
74
77
78
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Transesterifikasi Trigliserida dengan Alkohol
Proses pembuatan minyak kelapa sawit (Hambali 2007)
Diagram alir proses pembuatan biodiesel metode transesterifikasi
(Hambali 2007)
Pengertian sistem (Marimin 2007)
Tahapan pendekatan sistem (Eriyatno 1998)
Foresight dan penentuan kebijakan (Volkery and Ribiero 2009)
Pengembangan sistem keseimbangan energi neto
Kerangka pemikiran penelitian
Konsep model optimasi keseimbangan energi neto
Rantai nilai penuh keseimbangan energi neto biodiesel
Proses algoritma genetika optimasi keseimbangan energi neto
menggunakan Matlab
6
8
9
12
14
17
18
19
20
22
27
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
Lokasi penelitian
Kecenderungan pasokan energi dunia
Tahapan budi daya kelapa sawit
Tahapan pengolahan kelapa sawit
Tahapan pengolahan kelapa sawit
Komposisi nilai variabel untuk optimasi NEB
Nilai fitness terbaik optimasi NEB
Keseimbangan energi budi daya kelapa sawit
Keseimbangan energi pengolahan kelapa sawit
Keseimbangan energi neto pemurnian minyak sawit
Keseimbangan energi neto pembuatan biodiesel
Keseimbangan energi neto produksi biodiesel kelapa sawit
Komposisi energi berdasarkan unit proses
Komposisi unit energi produksi biodiesel
Komposisi penggunaan non BBM per unit energi
Optimasi keseimbangan energi neto produksi biodiesel
Grafik nilai NER optimum
Komposisi komponen sistem optimasi
29
30
41
42
45
53
53
55
57
59
61
63
65
65
66
67
73
74
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
6
7
8
Program algoritma genetika model optimasi keseimbangan energi neto
produksi CPO
889
Implementasi model optimasi keseimbangan energi neto produksi CPO
dengan Matlab
890
Hasil iterasi model optimasi keseimbangan energi neto produksi CPO
91
Program algoritma genetika model optimasi keseimbangan energi neto
produksi biodiesel
923
Implementasi model optimasi keseimbangan energi neto produksi
biodiesel dengan Matlab
945
Hasil iterasi model optimasi keseimbangan energi neto produksi
biodiesel
956
Kuesioner analisis skenario
978
Rekapitulasi hasil kuesioner analisis skenario
1012
DAFTAR ISTILAH
ISTILAH
APROBI
Energi fosil
BBN (Bahan Bakar Nabati)
Biodiesel
BXX
Crude Palm Oil (CPO)
EBTKE
Empty Fruit Bunch (EFB)
ESDM
Food and Agriculture
Organization (FAO)
Fertilizer
Free Fatty Acid (FFA)
Fresh Fruit Bunch (FFB)
Foresight
Global Bioenergy Parnership
(GBEP)
Genetic Algorithm (GA)
Indonesian Sustainable Palm
Oil (ISPO)
Katalis
LCA
Mesocarp Fibre (MF)
Metanol
MP3EI
Keseimbangan energi neto
(Net Energy Balance/NEB)
PENJELASAN
Asosiasi Produsen Biofuel Indonesia
Bahan bakar yang bersumber dari fosil yang
mengandung hidrokarbon, antara lain minyak
bumi, gas, dan batubara
Energi terbarukan yang bersumber dari minyak
nabati, antara lain biodiesel, bioetanol, dan bio-oil
Bahan bakar minyak nabati yang dihasilkan
melalui melalui proses transesterifikasi,
esterifikasi, atau proses esterifikasitransesterifikasi
Jumlah biodiesel dalam campuran biosolar
Minyak mentah yang diperoleh dari hasil
ekstraksi daging buah (Mesocarp) kelapa sawit
Energi Baru Terbarukan dan Konservasi Energi
Produk samping pembuatan CPO berupa tandan
kosong kelapa sawit (TKKS)
Energi dan Sumber Daya Mineral
Badan makanan dan pertanian PBB
Pupuk tanaman sawit
Asam lemak bebas
Tandan buah segar (TBS) yang dihasilkan
perkebunan kelapa sawit
Pendekatan untuk melihat jauh kedepan
Suatu konsep pembangunan bioenergi
berkelanjutan
Teknik pencarian yang bekerja meniru proses
evolusi struktur genetik makhluk hidup
Suatu kebijakan pemerintah Indonesia yang
terkait langsung dengan peningkatan daya saing
minyak sawit di pasar dunia dan masalah
lingkungan.
Senyawa kimia yang digunakan untuk
mempercepat reaksi pembuatan biodiesel
Life Cycle Analysis
Serat sawit
Senyawa kimia jenis alkohol yang dicampurkan
dengan minyak sawit menghasilkan biodiesel
Master Plan Pengembangan dan Perluasan
Pembangunan Ekonomi Indonesia
Suatu indikator keberlanjutan yang digunakan
untuk menganalis hubungan antara energi yang
dihasilkan (biodiesel) dengan energi yang
digunakan (fossil fuels).
Rasio energi neto (Net
Energy Ratio/NER)
Palm Fatty Acid Distillate
(PFAD)
Palm Kernel (PK)
Palm Kernel Oil (PKO)
Palm Kernel Shell (PKS)
Palm Methyl Ester (PME)
Palm Oil Mill Efluent
(POME)
RBDPO
Refined Palm Oil (RPO)
Rountable for Sustainable
Palm Oil (RSPO)
Scenario Analysis
Unit proses
Unit energi
Ukuran yang merepresentasikan keseimbangan
energi neto di industri (biodiesel) melalui
perbandingan antara energi yang dihasilkan
(biodiesel) dengan energi yang digunakan (BBM
solar)
Asam lemak sawit hasil distilasi
Kernel sawit
Minyak inti atau minyak kernel
Cangkang sawit
Nama lain dari biodiesel
Limbah cair hasil dari pabrik pengolahan kelapa
sawit (LCPKS)
Refined Bleached Deodorized Palm Oil
Bahan baku biodiesel hasil pemurnian CPO
Asosiasi yang terdiri dari berbagai organisasi di
sektor industri kelapa sawit (perkebunan,
pengolahan, investor, akademisi, dan LSM
lingkungan)
Metoda foresight yang mempertimbangkan
berbagai kemungkinan terjadi akan datang
Sekumpulan kegiatan dalam satu tahapan proses
produksi biodiesel
Kelompok energi atau material dalam proses
produksi biodiesel
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Keseimbangan energi neto (Net Energy Balance/NEB) merupakan indikator
penting dalam keberlanjutan industri bioenergi, termasuk biodiesel (Buchholz et
al. 2009; Markevicius et al. 2010 ). Indikator ini mengukur tingkat penggunaan
energi fosil dalam memproduksi biodiesel . Penggunaan energi yang dimaksud
umumnya merujuk pada energi bahan bakar minyak, gas dan batubara (Pradhan et
al. 2008). Industri biodiesel sulit menghindari energi fosil karena
ketergantungannya pada produk atau material yang diproduksi dari industri lain,
seperti pupuk, metanol, dan diesel untuk transportasi ( De Souza et al. 2010; Fore
et al. 2011). Dalam kerangka pembangunan berkelanjutan, penggunaan energi di
industri ini diharapkan sedapat mungkin dikurangi, atau dijaga jangan sampai
melebihi dari energi yang dihasilkan, dengan kata lain industri perlu melakukan
optimasi keseimbangan energi neto yang berkesinambungan.
Sebagai negara penghasil minyak sawit terbesar di dunia (MP3EI 2011),
industri biodiesel dalam negeri senantiasa menjaga aspek keberlanjutan dalam
meningkatkan daya saingnya. Indonesia aktif dalam Roundtable for Sustainable
Palm Oil (RSPO) dan menindaklanjutinya dalam suatu kebijakan Indonesian
Sustainable Palm Oil (ISPO). Indonesia juga berpartisipasi dalam the Global
Bioenergy Partnership (GBEP) yang dikembangkan oleh FAO (Prastowo 2012).
Walaupun masih sebagai negara peninjau, Indonesia telah mencoba
implementasikan pedoman GBEP dalam mengevaluasi tingkat keberlanjutan
industri biodiesel dalam negeri (Reeves 2012).
Indonesia telah melakukan upaya yang sungguh-sungguh dalam
membangun industri biodiesel yang berkelanjutan, namun upaya tersebut tidak
serta merta mengurangi sorotan dunia dan tekanan internasional terhadap
perkembangan industri biodiesel di tanah air. Berbagai isu telah muncul dalam 10
tahun terakhir ini, termasuk masalah EPANODA tahun 2012, disusul
pemboikotan produk kelapa sawit Indonesia oleh Amerika. Isu ini muncul
didasarkan pada asumsi dan metode perhitungan mereka sendiri yang oleh
beberapa pakar dipandang mengandung kekeliruan (Agus dan Sarwani 2012).
Tantangan industri berikutnya adalah datang dari Instruksi Presiden (Inpres) No.
10/2011 yang terkait dengan penundaan penerbitan izin pembukaan lahan baru
kelapa sawit. Kebijakan ini merupakan bagian dari kerja sama Indonesia dengan
Pemerintah Kerajaan Norwegia yang kemudian dipertanyakan efektifitasnya
terhadap penurunan emisi gas rumah-kaca (Brockhaus et al. 2012).
Banyaknya isu yang menerpa industri biodiesel Indonesia merupakan
tantangan bagi bangsa Indonesia untuk mengembangkan industri biodiesel yang
berkelanjutan. Berbagai isu yang berkembang selama ini tentu tidak sepenuhnya
benar, banyak yang perlu diluruskan (Tan et al. 2009; Syaukat 2010). Pemerintah,
perguruan tinggi, dunia usaha dan para pemangku kepentingan industri biodiesel
dalam negeri, perlu bekerjasama dengan erat agar isu tersebut tidak merugikan
kepentingan Indonesia, perlu konsensus dan komitmen dari para stakeholders
2
sawit nasional untuk optimasi produksi sawit yang efektif, efisien dan
berkelanjutan (Muchtadi dan Sa’id 2010). Khusus perguruan tinggi, perannya
perlu ditingkatkan, perlu kajian yang sesuai dengan kondisi di Indonesia, perlu
menyampaikan fakta-fakta yang benar mengenai pembangunan industri kelapa
sawit di Indonesia (Widjaja dan Bangun 2010). Penyampaian kondisi real industri
ini harus ditopang oleh analisis dan metodologi yang tepat, dapat dipahami dunia
internasional, dan merujuk pada konsep dan indikator keberlanjutan seperti yang
dikenal dalam GBEP.
Saat ini Indonesia memiliki 23 perusahaan produsen biodiesel dengan total
kapasitas 4.28 juta kl, meningkat tajam dari tahun 2006 yang hanya menghasilkan
215 ribu kl (Tjakrawan 2012). Berdasarkan data APROBI (asosiasi produsen
biofuel Indonesia), produksi biodiesel Indonesia tahun 2011 mencapai 1.3 juta
MT, sebagian besarnya ditujukan untuk ekspor. Walaupun jumlah produksi
biodiesel dalam negeri masih sangat kecil dibanding dengan kapasitas yang ada,
namun dalam 20 tahun mendatang produksi biodiesel Indonesia diperkirakan
meningkat pesat sekitar 13% pertahun atau mendekati 60 juta kl tahun 2030
(BPPT 2013). Tahun 2030, konsumsi biodiesel diperkirakan 15% dari total
konsumsi energi nasional. Kondisi tersebut merupakan peluang yang baik bagi
industri biodiesel dalam negeri untuk berkembang dan berdaya saing di masa akan
datang.
Besarnya permintaan biodiesel memunculkan masalah tersendiri bagi
realisasi kebijakan pengurangan penggunaan BBM di industri. Sebagaimana
industri pada umumnya, industri biodiesel beserta industri penunjangnya, juga
menggunakan BBM dalam proses produksinya. Hal ini berarti setiap peningkatan
produksi biodiesel akan disusul peningkatan konsumsi BBM. Kondisi ini tampak
kontraproduktif dengan posisi biodiesel sebagai energi altenatif, jenis energi untuk
menggantikan peran BBM, khususnya diesel atau yang dikenal dimasyarakat
dengan istilah solar. Industri biodiesel diharapkan mampu melakukan optimasi
keseimbangan energi neto yang berkesinambungan. Industri ini tidak hanya
diharapkan mampu meningkatkan produktivitasnya, tetapi juga mampu menekan
seminimum mungkin penggunaan energi fosil dalam setiap unit prosesnya.
Penelitian yang terkait dengan optimasi keseimbangan energi neto
umumnya menghitung kondisi eksisting, kondisi nyata industri dalam waktu
tertentu. Menemukan keseimbangan energi neto dalam kondisi optimum bisa
didapatkan dengan membangun sistem secara uji coba (trial and error).
Pendekatan lainnya adalah dengan membangun model secara parsial. Beberapa
penelitian keseimbangan energi neto pendekatan parsial telah mencoba
merekomendasikan dan menyarankan perlunya optimasi pada bagian-bagian
tertentu di unit proses produksi biodiesel (Kamahara et al. 2011; Plenjai dan
Gheewala 2009). Pendekatan lain yang belum pernah ditemukan dalam penelitian
keseimbangan energi neto biodiesel adalah pendekatan sistem, pendekatan yang
melihat permasalahan secara menyeluruh (holistic). Pendekatan ini dapat lebih
fleksibel dalam melakukan percobaan-percobaan sistem. Karena sifatnya tersebut,
pendekatan ini menjadi lebih efektif dan efisien dalam menemukan sistem baru
yang terbaik. Penggunaan pendekatan sistem dalam perancangan model optimasi
keseimbangan energi neto biodiesel kelapa sawit merupakan suatu kebaruan
(novelty).
3
Perumusan Masalah
Permasalahan utama yang dihadapi dalam optimasi keseimbangan energi
neto adalah belum tersedianya suatu sistem yang bisa membantu stakeholders
dalam menghitung nilai optimum keseimbangan energi neto yang bisa dicapai
oleh suatu rantai proses produksi biodiesel. Jadi ada tiga pertanyaan yang perlu
dijawab dalam penelitian ini, antara lain adalah sebagai berikut:
a. Bagaimana metode perhitungan keseimbangan energi neto eksisting?
Metode perhitungan keseimbangan energi neto masih bervariasi,
beberapa penelitian tentang keseimbangan energi neto sudah dilakukan
namun umumnya berbeda satu sama lain terutama dalam hal metodologi
dan ruang lingkup..
b. Bagaimana cara menemukan nilai keseimbangan energi neto yang
optimum?
Variabel dan parameter yang harus dipertimbangkan dalam menilai
keseimbangan energi neto, beragam sifat dan jenisnya, dan luas
cakupannya, sehingga mencari nilai optimum keseimbangan energi neto
suatu industri relatif lebih kompleks.
c. Bagaimana cara mencapai nilai keseimbangan energi neto optimum
tersebut dan komponen apa saja yang berpengaruh?
Tujuan Penelitian
Tujuan utama penelitian ini adalah mendapatkan model optimasi
keseimbangan energi neto industri biodiesel berbahan baku kelapa sawit. Adapun
tujuan antaranya adalah:
a. Membangun model perhitungan keseimbangan energi neto industri
biodiesel kelapa sawit
b. Merancang model optimasi keseimbangan energi neto industri biodiesel
kelapa sawit
c. Merancang implementasi model optimasi keseimbangan energi neto
industri biodiesel kelapa sawit
d. Melakukan verifikasi dan validasi model optimasi keseimbangan energi
neto industri biodiesel kelapa sawit
e. Menyusun rekomendasi optimasi keseimbangan energi neto industri
biodiesel kelapa sawit
Hasil yang diharapkan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
a. Teridentifikasinya model, sub model, komponen, dan pola hubungan
antar komponen, dalam mencapai tujuan optimasi keseimbangan energi
neto industri biodiesel kelapa sawit
b. Model optimasi keseimbangan energi neto industri biodiesel kelapa
sawit yang telah divalidasi dan diverifikasi
c. Rekomendasi perbaikan sistem keseimbangan energi neto industri
biodiesel minyak sawit berkelanjutan
4
Manfaat Penelitian
Model optimasi bioenergi berdasarkan keseimbangan energi neto ini
diharapkan dapat bermanfaat bagi para pemangku kepentingan (stakeholders)
dalam melakukan penilaian keberlanjutan (sustainability) industri biodiesel dalam
negeri, khususnya yang berkaitan dengan penggunaan energi primer. Stakeholders
dan manfaat yang diharapkan dari hasil penelitian ini adalah:
a. Pemerintah
Melalui lembaga yang terkait dengan pembangunan bioenergi di
Indonesia, pemerintah dapat mempertimbangkan metode dan nilai yang
dikeluarkan dari model ini dalam upaya menyusun kebijakan dan
standar keberlanjutan suatu produk bioenergi di dalam negeri.
b. Industri
Perusahaan-perusahaan yang terkait dengan industri biodiesel Indonesia
dapat menggunakan struktur dan komponen perhitungan yang ada dalam
model ini sebagai pedoman atau rujukan dalam membangun sistem
produksi bioenergi yang berkelanjutan.
c. Perguruan tinggi dan lembaga litbang
Model ini juga diharapkan dapat menambah wacana pengembangan
ilmu pengetahuan terutama dalam bidang sistem industri dan bidang
bioenergi.
Ruang Lingkup Penelitian
Berbicara tentang keseimbangan energi neto dan industri biodiesel bisa
meluas karena banyaknya faktor yang berpengaruh. Untuk itu, penelitian ini perlu
dibatasi dengan ruang lingkup sebagai berikut:
a. Industri biodiesel dalam penelitian ini dibatasi pada biodiesel berbahan
baku kelapa sawit yang ada di Indonesia.
b. Pemodelan hanya mempertimbangkan aspek energi, tidak
mempertimbangkan aspek ekonomi lainnya, lingkungan dan sosial..
c. Membangun model optimasi keseimbangan energi neto industri
biodiesel meliputi tahapan budi daya kelapa sawit, pengolahan kelapa
sawit, pemurnian minyak sawit, dan pembuatan biodiesel.
d. Merancang implementasi model optimasi keseimbangan energi neto
industri biodiesel menggunakan algoritma genetika.
e. Studi kasus dilakukan pada satu perusahaan yang memiliki rantai
produksi yang lengkap.
f. Rekomendasi berupa strategi pembangunan industri biodiesel kelapa
sawit Indonesia berdasarkan aspek keseimbangan energi neto dari sudut
pandang inovasi teknologi.
5
Kebaruan Penelitian
Kebaruan penelitian ini adalah:
a. Perancangan model optimasi keseimbangan energi neto biodiesel kelapa
sawit yang berkelanjutan, melalui pendekatan sistem, mengintegrasikan
model matematika, algoritma genetika, dan teknology foresight.
b. Informasi tingkat optimasi keseimbangan energi neto yang dapat dicapai
perusahaan dan industri biodiesel kelapa sawit, beserta cara untuk
mencapainya, yakni dengan meminimasi penggunaan energi fosil dalam
setiap material dan energi yang digunakan, dan memaksimasi penggunaan
produk samping untuk mensubtitusi material dan energi tersebut.
c. Model optimasi keseimbangan energi neto produksi biodiesel kelapa sawit
yang komprehensif dan holistik, meliputi seluruh unit proses produksi
biodiesel, yakni unit proses budi daya, pengolahan kelapa sawit,
pemurnian minyak sawit, dan pembuatan biodiesel.
2 TINJAUAN PUSTAKA
Prinsip-prinsip Dasar Biodiesel Kelapa Sawit
Secara kimia biodiesel didefinisikan sebagai monoalkil ester asam lemak
berantai panjang yang berasal dari biolipids terbarukan (Demirbas 2008).
Biodiesel biasanya dihasilkan melalui reaksi minyak nabati atau lemak hewan
dengan metanol atau etanol dengan adanya katalis untuk menghasilkan ester metil
atau etil (biodiesel) dan gliserin. Demirbas kemudian menggambarkan reaksi
terbentuknya biodiesel seperti yang terlihat dalam Gambar 1.
Gambar 1 Transesterifikasi Trigliserida dengan Alkohol
Pada literatur lain dikatakan bahwa biodiesel adalah bioenergi atau bahan
bakar nabati yang terbuat dari minyak nabati, baik minyak baru maupun bekas
penggorengan dan melalui proses transesterifikasi, esterifikasi, atau proses
esterifikasi-transesterifikasi (Hambali et al. 2007). Biodiesel adalah alternatif
terbaik pengganti bahan bakar diesel yang di Indonesia disebut minyak solar
untuk mesin diesel. Nilai Kalor Atas (Higher Heating Values, HHVs) dari
biodiesel relatif tinggi. HHVs biodiesel (39 sd. 41 MJ/kg) sedikit lebih rendah dari
bensin (46 MJ/kg), minyak solar (43 MJ/kg), atau minyak tanah (42 MJ/kg), tetapi
lebih tinggi dari batubara (32 sd. 37 MJ/kg).
Penggunaan bahan bakar biodiesel umumnya tidak dalam keadaan murni
100% minyak biodiesel, akan tetapi dicampur dengan minyak solar. Pencampuran
biodiesel dengan minyak solar biasanya diberikan sistem penamaan tersendiri
dengan kode BXX. Kode XX menunjukkan jumlah biodiesel dalam campuran
seperti, B2, B3 atau B5 yang berarti campuran biodiesel dan minyak solar yang
masing-masing mengandung 2, 3, dan 5% biodiesel. Sedangkan B20 atau B100
merupakan campuran biodiesel dan minyak solar yang masing-masing
mengandung 20% dan 100% biodiesel. Pada umumnya konsentrat tertinggi yang
sudah dioperasikan secara komersial adalah B20. Walaupun biodiesel dapat
dicampur dengan minyak solar pada berbagai konsentrasi tanpa merusak atau
memodifikasi mesin, tetapi memerlukan penggantian beberapa komponen seperti
paking karet pada beberapa peralatan karena spesifikasinya disesuaikan untuk
BBM (Boediyono 2006).
7
Hambali dan kawan-kawan selanjutnya menjelaskan beberapa kelebihan
biodiesel dibanding minyak solar, yaitu:
a. Ramah lingkungan karena menghasilkan emisi yang jauh lebih baik
(free sulfur, smoke number rendah)
b. Angka setana yang tinggi sehingga sangat baik dalam pembakaran
c. Memiliki sifat pelumasan dan dapat terurai (biodegradable)
d. Bahan bakunya dari alam yang dapat diperaharui (renewable energy)
e. Bahan bakunya melimpah di dalam negeri
Kelapa sawit merupakan bahan baku biodiesel yang umum digunakan di
Indonesia. Minyak sawit yang dihasilkan dari tanaman ini memiliki tingkat
produktifitas paling tinggi diantara tanaman potensi lainnya, yaitu 5 950 liter
Minyak/Ha/Thn (Tabel 1). Tanaman kelapa sawit juga dinilai paling siap dari sisi
ketersediaan, industrinya sudah mapan dengan pengalaman pembudidayaan yang
telah lebih dari seabad lamanya di tanah air. Saat ini, Indonesia dikenal sebagai
negara produsen minyak kelapa sawit terbesar di dunia.
Tabel 1 Jenis tanaman dan tingkat produktivitasnya
Jenis
Tumbuhan
Produktivitas
(liter Minyak/Ha/Thn
Jenis
Tumbuhan
Produktivitas
(liter Minyak/Ha/Thn
Jagung
172
Rapeseed
1 190
Biji kapas
325
Olive
1 212
Kacang kedelai
446
Jojoba
1 818
Wijen
696
Jatropha
1 892
Biji matahari
925
Brazil nut
2 392
Kacang tanah
1 059
Kelapa
2 689
Biji opium
1 163
Kelapa sawit
5 950
Sumber: Aun, 2006
Secara garis besar, minyak dari kelapa sawit dapat dibagi dua jenis, yaitu
CPO (Crude Palm Oil) dan PKO (Palm Kernel Oil). CPO dihasilkan dari proses
pengepresan buah segar sawit, PKO dari proses pengepresan biji kernel sawit.
CPO maupun PKO memiliki produk turunan beraneka macamnya yang diolah di
berbagai industri. CPO menghasilkan karoten, tokoperol, olein, stearin, FFA (Free
Fatty Acid), PFAD (palm fatty acid distillate), soap stocs dan produk lainnya.
Secara umum, CPO dapat menghasilkan 73% olein, 21% stearin, 5% PFAD
(palm fatty acid distillate), dan 0.5% bahan lainnya. PFAD umumnya digunakan
oleh industri sebagai bahan baku sabun maupun makanan ternak. PFAD memiliki
kandungan FFA (free fatty acid) sekitar 81.7%, gliserol 14.4%, squalane 0.8%,
vitamin E 0.5%, sterol 0.4%, dan lain-lain 2.2%. Produk-produk turunan CPO
yang dapat digunakan sebagai bahan baku biodiesel diantaranya CPO, CPO low
grade (kandungan FFA tinggi), PFAD, dan RBD olein. Sebelum diolah menjadi
biodiesel, CPO membutuhkan proses pemurnian (degumming) yang bertujuan
menghilangkan senyawa-senyawa pengotor yang terdapat dalam minyak.
8
Proses pengolahan minyak sawit terdiri atas sterilisasi, pemipilan,
pengepresan dan penjernihan. Proses transformasi dari kelapa sawit menjadi CPO
dan PKO diilustrasikan pada Gambar 2.
Uap panas
Tandan Buah
Segar (TBS)
Sterilisasi
TBS Steril
Tandan
Kosong (TKKS)
Pemipilan
Minyak pada
Konsentrat
Pengepresan
Sludge
Penjernihan
Serat
Depricarping
Pemecahan biji
Minyak Sawit
(CPO)
Biji
(kernel)
Cangkang
Pengepresan
Minyak Inti
Sawit (PKO)
Gambar 2 Proses pembuatan minyak kelapa sawit (Hambali 2007)
Ada beberapa cara untuk membuat biodiesel dari minyak kelapa sawit,
namun yang paling umum digunakan secara komersial adalah transesterifikasi.
Transesterifikasi adalah reaksi trigeliserida pada minyak dan lemak, dengan
alkohol untuk membentuk ester dan gliserol. Untuk menambah laju reaksinya,
campuran trigliserida dengan alkohol tersebut ditambahkan dengan katalis.
Dewasa ini, proses produksi biodiesel mengacu pada reaksi transesterifikasi
trigliserida dengan metanol untuk mendapatkan alkil metil ester dan gliserin. Pada
dasarnya, bentuk alkohol yang lain seperti ethanol bisa dipergunakan dalam
proses transesterifikasi. Namun, penggunaan metanol memiliki keunggulan karena
hasil reaksinya yang berupa fatty acid methyl ester (FAME) yang dikenal sebagai
9
biodiesel, dan gliserol, sangat sukar untuk tercampur sehingga akan membentuk
dua lapisan yaitu biodiesel di bagian atas dan gliserin di bagian bawah. Dengan
demikian, akan mempermudah proses pemisahan biodiesel dari produk samping
gliserin. Selain itu, metanol bisa diperoleh dengan harga lebih murah daripada
ethanol sehingga lebih menguntungkan dari sisi komersial.
Metode transesterifikasi bisa menghasilkan biodiesel hingga rendemen
sampai 95% dari bahan baku minyak nabati. Metode transesterifikasi
diilustrasikan pada Gambar 3.
NaOH
Bahan Baku (kadar
FFA < 5%)
Pemanasan
Transesterifikasi
Gliserol
Separasi
Methanol
Pencampuran
Crude
Biodiesel
Recovery
Methanol
Sludge
Purifikasi
Purifikasi
Refined Gliserol
Biodiesel
Gambar 3 Diagram alir proses pembuatan biodiesel metode transesterifikasi
(Hambali 2007)
Metode ini pada dasarnya terdiri atas 4 tahapan, yaitu:
a. Pencampuran katalis alkalin (umumnya NaOH atau KOH) dengan
alkohol (metanol atau ethanol) pada konsentrasi katalis antara 0.5 dan 1
wt% dan 10 – 20 wt% metanol terhadap massa minyak.
b. Pencampuran antara alkohol dan katalis dengan minyak pada temperatur
55oC dengan kecepatan pengadukan konstan. Reaksi dilakukan sekitar
30 – 45 menit.
c. Setelah reaksi terhenti, campuran didiamkan hingga terjadi pemisahan
antara metil ester dan gliserol. Metil ester yang dihasilkan pada tahap ini
sering disebut sebagai crude biodiesel, karena metil ester yang
dihasilkan mengandung zat-zat pengotor, seperti sisa metanol, sisa
katalis alkalin, gliserol, dan sabun.
10
d. Metil ester yang dihasilkan pada tahap ke tiga dicuci menggunakan air
hangat untuk memisahkan zat-zat pengotor dan kemudian dilajutkan
dengan drying untuk menguapkan air yang terkandung dalam biodiesel.
Proses pemurnian bahan (purifikasi) dilakukan pada awal dan akhir reaksi
(esterifikasi dan transesterifikasi). Pada tahap awal reaksi, pemurnian dilakukan
terhadap minyak kelapa sawit, sedangkan tahap akhir untuk biodiesel kasar.
Bahan baku yang digunakan biodiesel adalah minyak kelapa sawit murni. Proses
pemurniannya dilakukan dengan tahapan sebagai berikut:
a. Proses degumming, yaitu menghilangkan gum yang terkandung dalam
minyak kelapa sawit yang mengandung FFA < 5% dengan
menambahkan larutan H3PO4 85%.
b. Proses filtering, yaitu menyaring bentonit dan gum yang terserap dalam
bentonit tersebut beserta kotoran-kotoran lainnya agar diperoleh minyak
kelapa sawit dengan kandungan FFA