Penerapan Thermoelectric Generator Sebagai Peniup Udara Pada Kompor Gasifikasi Biomassa Tipe Kontinyu
PENERAPAN THERMOELECTRIC GENERATOR SEBAGAI
PENIUP UDARA PADA KOMPOR GASIFIKASI BIOMASSA
TIPE KONTINYU
HOLIL
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Penerapan
Thermoelectric Generator sebagai Peniup Udara pada Kompor Gasifikasi
Biomassa Tipe Kontinyu adalah benar karya saya dengan arahan dari pembimbing
Prof Dr Ir Armansyah H Tambunan 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 skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Januari 2016
Holil
NIM F14110061
ABSTRAK
HOLIL. Penerapan Thermoelectric Generator sebagai Peniup Udara pada Kompor
Gasifikasi Biomassa Tipe Kontinyu. Dibimbing oleh ARMANSYAH H
TAMBUNAN
Tandan kosong kelapa sawit (TKKS) dapat digunakan menjadi bahan bakar
kompor biomassa. Kompor tradisional memiliki efisiensi panas yang rendah dan
perlu ditingkatkan dengan menerapkan sistem kompor gasifikasi. Namun kompor
tersebut membutuhkan kipas untuk mengalirkan udara. Penerapan thermoelectric
generator (TEG) untuk memberi energi pada kipas dapat menjadi solusi yang
masuk akal. TEG memerlukan perbedaan suhu antara sisi dingin dan sisi panas pada
modul TEG untuk menghasilkan listrik. Oleh karena itu kipas juga digunakan untuk
mendinginkan heatsink yang dipasang pada sisi dingin TEG. Kompor gasifikasi tipe
kontinyu dengan penambahan TEG untuk sumber listrik kipas telah dirancang dan
diuji menggunakan metode water boiling test (WBT). Efisiensi panas fase cold
start, hot start, dan simmering secara berturut-turut adalah 16.03%, 17.44%, dan
30.14%. Modul TEG yang diterapkan menghasilkan daya luaran sebesar 0.25 W
pada perbedaan suhu 71.9 oC, dengan efisiensi konversi sebesar 1.92%.
Kata kunci: tandan kosong kelapa sawit, kompor biomassa, gasifikasi,
thermoelectric generator
ABSTRACT
HOLIL. Application of Thermoelectric Generator as Air Blower in Biomass
Gasification Stove Continuous Type. Supervised by ARMANSYAH H
TAMBUNAN
Empty fruit bunches (EFB) can be used as feedstock for biomass stove.
Traditional stove has low thermal efficiency and needs to be improved by applying
gasification stove system. However, such a stove needs fan for blowing air, which
is unaffordable in remote areas. Application of thermoelectric generator (TEG) to
energize the fan could be a reasonable solution. TEG requires a temperature
difference between the cold and hot sides of the modules to generate electricity.
Therefore the fan is also used to cool the heat sink mounted on the cold side of the
TEG. Continuous type gasification stove with the application of TEG has been
designed and tested using the water boiling tests (WBT) method. The thermal
efficiency during cold start, hot start, and simmering phase were 16.03%, 17.44%
and 30.14%, respectively. The TEG modules produced 0.25 W output power at 71.9
° C temperature difference with conversion efficiency of 1.92%.
Keywords: empty fruit bunches, biomass stove, gasification, thermoelectric
generator
PENERAPAN THERMOELECTRIC GENERATOR SEBAGAI
PENIUP UDARA PADA KOMPOR GASIFIKASI BIOMASSA
TIPE KONTINYU
HOLIL
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
pada
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas
segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Judul penelitian
yang dilaksanakan sejak bulan Maret 2015 ini ialah Penerapan Thermoelectric
Generator sebagai Peniup Udara pada Kompor Gasifikasi Biomassa tipe Kontinyu.
Terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya penulis sampaikan
kepada Prof Dr Armansyah H Tambunan selaku pembimbing, atas ilmu dan
petuahnya yang brilian. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada orang tua
penulis, Ibu Asiah dan Bapak Kodim atas segala kasih sayang dan dukungan yang
tidak ternilai, dan semoga selalu dalam lindungan-Nya. Selain itu, penulis juga
menyampaikan banyak terima kasih kepada keluarga: Hati Habibah, Hutari, Lena,
Lani, Yuyun, Sulistio, Eni, dan sanak-keluarga lainnya, atas kasih sayang,
dukungan moral, dan dukungan finansial selama ini. Tak lupa, penulis ucapkan
banyak terima kasih kepada Amelia Hernisa yang senantiasa selalu memberikan
bantuan, semangat, do’a, dan dukungan. Terakhir, ucapan terima kasih penulis
sampaikan untuk sahabat dan teman penulis yang terlibat langsung maupun tidak
dalam penelitian ini: Ibu Inge, Pak Johanis, Pak Alimudin, Bang Raju, Bang Agus
Ginting, Bang Irfan, Bang Dwi, Kak Sari, Kak Dian, Kak Tiara, Muzakir, Ramdhan,
Fidela, Jhon, dan rekan-rekan TMB’48.
Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada program Hibah Kompetensi
Nomor Kontrak 157/SP2H/PL/Dit.Litabmas/II/2015 tanggal 5 Februari 2015 atas
nama Prof Dr Armansyah H Tambunan yang telah memfasilitasi ilmu dan finansial
untuk pengembangan penelitian ini.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Januari 2016
Holil
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
viii
DAFTAR SIMBOL
viii
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Tujuan Penelitian
1
Manfaat Penelitian
2
Ruang Lingkup Penelitian
2
TINJAUAN PUSTAKA
2
Thermoelectric Generator
2
Kompor Gasifikasi
3
Komponen Tandan Kosong Kelapa Sawit
5
METODOLOGI
5
Waktu dan Tempat Penelitian
5
Alat dan Bahan
5
Tahap Desain
6
Metode Pengujian
7
ANALISIS RANCANGAN
8
Kriteria Perancangan
8
Rancangan Fungsional dan Struktural
8
HASIL DAN PEMBAHASAN
12
Uji Kinerja Kompor Gasifikasi
12
Uji Kinerja TEG
14
SIMPULAN DAN SARAN
16
Simpulan
16
Saran
16
DAFTAR PUSTAKA
16
RIWAYAT HIDUP
31
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Penerapan TE pada kompor gasifikasi
Karakteristik tandan kosong kelapa sawit
Alat dan bahan penelitian
Kriteria perancangan kompor gasifikasi-TEG
Bagian fungsional rancangan
Karakteristik tandan kosong kelapa sawit
Spesifikasi modul TEG
Karakteristik TE dengan material bismuth telluride
Tabel pengujian WBT
Perbandingan daya keluaran modul TEG hasil pengukuran dan
perhitungan
4
5
6
8
8
9
11
11
14
15
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Skema downdraft gasifier
Skema inverterd downdraft gasifier/ TLUD
Skema crossraft gasifier
Skema updraft gasifier
Diagram alir tahap desain
Foto rangkaian peralatan untuk pengujian
Titik pengukuran suhu
Skema pembangkit listrik dari TEG
Profil suhu air pengujian WBT
Profil suhu kompor gasifikasi-TEG
Api gasifikasi pada burner
Grafik hubungan perbedaan suhu dengan daya keluaran TEG
3
3
4
4
6
7
7
11
12
13
13
15
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
6
7
8
Prosedur pengujian
Penentuan dimensi dan gambar teknik kompor
Perhitungan udara gasifikasi
Grafik pengujian WBT
Profil suhu kompor gasifikasi-TEG
Grafik hubungan perbedaan suhu dengan daya keluaran TEG
Perpindahan panas pada modul TEG
Perpindahan panas pada heatsink
DAFTAR SIMBOL
A
Ad
Luas thermoelement (mm2)
Luas permukaan heatsink keseluruhan (m2)
18
19
21
22
23
24
25
29
ATEG
Cpw
FCR
g
Gr
h
H
hf
HHV
ht
kf
L
Lc
Lt
m
mf
mwe
mwi
N
na
ne
Nu
q
Qn
r
Ra
Re
sm
T͚
t
tab
taf
Tc
Te
Tf
Th
Ti
u͚
v
Voc
W
x
Z
α
β
ΔT
η
σ
Luas permukaan modul TEG (m2)
Panas spesifik air (4.185 kJ/kg K)
Laju konsumsi bahan bakar (kg/menit)
Percepatan gravitasi (m/s2)
Bilangan Grashof (tanpa dimensi)
Koefisien konveksi (W/m2 K)
Tinggi sirip heatsink (m)
Nilai kalor bahan bakar (kJ/kg)
Nilai kalor bahan bakar (kJ/kg)
Kalor laten air (2260 kJ/kg)
Konduktivitas udara (W/m K)
Panjang heatsink (m)
Tebal solder/kontak (mm)
Tinggi thermoelement (mm)
Massa air (kg)
Massa bahan bakar (kg)
Massa air akhir (kg)
Massa air awal (kg)
Jumlah pasangan thermoelement per modul (-)
Jumlah sirip heatsink (-)
Kontak parameter-elektrik (2ρc/ρ) (mm)
Bilangan Nusselt (tanpa dimensi)
Laju perpindahan panas (W)
Panas yang dibutuhkan untuk memasak (W)
Kontak parameter-termal (λ/λc)
Bilangan Rayleigh (tanpa dimensi)
Bilangan Reynold (tanpa dimensi)
Rataan jarak antar sirip heatsink (m)
Suhu lingkungan (oC, K)
Waktu (detik)
Tebal bagian dasar sirip heatsink (m)
Tebal bagian ujung sirip heatsink (m)
Suhu sisi dingin modul TEG atau suhu bagian dasar heatsink (oC)
Suhu akhir air (oC, K)
Suhu rata-rata boundary layer (oC, K)
Suhu sisi panas modul TEG (oC)
Suhu awal air (oC, K)
Kecepatan udara (m/s)
Kecepatan kinematik udara (m2/s)
Tegangan open circuit (V)
Lebar heatsink (m)
Tebal modul TEG (m)
Figure of merit TEG (1/K)
Koefisien Seebeck (V/K)
Koefisien ekspansi panas(1/K)
Perbedaan suhu air (Takhir – Tawal) (K)
Efisiensi panas kompor (%)
Konduktivitas elektrik TE (1/Ω mm)
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Indonesia merupakan salah satu produsen utama CPO (crude palm oil) dunia.
Pada tahun 2013, Indonesia memiliki perkebunan kelapa sawit sekitar 10.46 juta
Ha dengan produksi perkebunan mencapai 27.78 juta ton (BPS 2015). Proses
pengolahan kelapa sawit selain menghasilkan CPO juga menghasilkan limbah
(padat dan cair) dari tandan buah yang diolah. Limbah tersebut dapat dimanfaatkan
sebagai sumber energi, baik untuk perusahan maupun untuk masyarakat di sekitar
pabrik pengolahan kelapa sawit.
Tandan kosong kelapa sawit (TKKS) merupakan limbah yang belum banyak
dimanfaatkan menjadi sumber energi. TKKS biasanya dikembalikan ke lahan
perkebunan sebagai pupuk organik. Kandungan ligninselulosa pada TKKS dapat
dikonversi menjadi bahan bakar. Oleh karena itu perlu dilakukan konversi TKKS
menjadi sumber energi bagi masyarakat luas dengan menjadikan TKKS sebagai bahan
bakar kompor biomassa rumah tangga.
Kompor biomassa merupakan alat yang digunakan untuk memasak dengan
memanfaatkan panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan biomassa (SNI 2013).
Kompor biomassa dapat dikelompokan menjadi tiga jenis, yaitu kompor tradisional
(three stone), kompor yang dikembangkan (improved stove), dan kompor gasifikasi
(natural draft dan force draft).
Roth (2011) menyimpulkan bahwa kompor gasifikasi yang dikembangkan
dengan penambahan kipas memiliki emisi CO yang lebih rendah dibandingkan
dengan jenis kompor lain. Kompor gasifikasi dengan penerapan kipas merupakan
kompor gasifkasi force draft yang membutuhkan sumber listrik eksternal untuk
menggerakkan kipas. Salah satu upaya yang dilakukan untuk menyediakan listrik
tersebut adalah dengan menerapkan modul thermoelectric generator (TEG) pada
kompor gasifikasi. Prinsip dasar TEG berdasarkan efek Seebeck yang dapat
menghasilkan listrik akibat adanya perbedaan suhu di ujung sambungan 2 logam
yang berbeda jenis. O’Shaughnessy et al. (2015) menerapkan TEG pada improved
stove dengan bahan bakar kayu. Daya yang dihasilkan perangkat tersebut mencapai
4 W dengan perbedaan suhu 175 oC. Lertsatitthanakorn et al. (2013) menerapkan 2
modul TEG pada kompor gasifikasi sekam padi tipe Top Lit Updraft (TLUD) yang
menghasilkan daya maksimum 3.9 W dengan perbedaan suhu 60 oC.
Kompor gasifikasi TLUD merupakan kompor biomassa tipe batch sehingga
memasukan biomassa pada saat proses dapat mengganggu proses gasifikasi. Oleh
karena itu perlu dikembangkan kompor gasifikasi tipe kontinyu yang dilengkapi
TEG, sehingga kegiatan memasak dapat dilakukan terus menerus dan kebutuhan
listrik untuk proses gasifikasi dapat dipenuhi.
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah merancang-bangun dan menguji kinerja kompor
gasifikasi yang dilengkapi dengan modul TEG. Modul TEG digunakan sebagai
perangkat pembangkit listrik untuk menggerakan kipas yang dibutuhkan untuk
menyalurkan udara pada proses gasifikasi TKKS.
2
Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian ini adalah tersedianya kompor gasifikasi yang dilengkapi
dengan modul TEG sehingga dapat menyediakan listrik untuk menggerakan kipas
yang menyediakan udara untuk proses gasifikasi.
Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian ini mencakup desain fungsional, desain struktural, dan uji kinerja.
Uji kinerja dilakukan untuk mengetahui kesesuaian prototipe dengan rancangan dan
efisiensi panas berdasarkan Water Boiling Test (WBT 3.0) tanpa analisis pindah
panas pada konstruksi kompor.
TINJAUAN PUSTAKA
Thermoelectric Generator
Thermoelectric generator didasarkan pada sebuah efek yang disebut efek
Seebeck yang ditemukan pada tahun 1821 oleh Thomas Johann Seebeck. Prinsip
kerja dari efek Seebeck yang bekerja pada pembangkit thermoelectric adalah jika
ada dua buah material atau lempeng logam yang tersambung berada pada
lingkungan dengan suhu yang berbeda maka di dalam material atau lempeng logam
tersebut akan mengalir arus listrik (He et al. 2015).
Thermoelectric umumnya menggunakan bahan yang bersifat semikonduktor.
Struktur thermoelectric terdiri dari suatu susunan elemen tipe-P, yaitu material yang
kekurangan elektron, dan elemen tipe-N, yaitu material yang kelebihan elektron.
Panas masuk pada salah satu sisi dan dibuang pada sisi lainnya. Transfer panas
tersebut menghasilkan suatu tegangan yang melewati sambungan thermoelectric
dan besarnya tegangan listrik yang dihasilkan sebanding dengan gradien suhu
(Wirawan 2012).
Modul thermoelectric diklasifikasikan berdasarkan suhu kerjanya yang
umumnya dibuat dari silicon germanium (500 sampai 1000 oC), lead telluride (300
sampai 500 oC), dan bismuth telluride (
PENIUP UDARA PADA KOMPOR GASIFIKASI BIOMASSA
TIPE KONTINYU
HOLIL
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Penerapan
Thermoelectric Generator sebagai Peniup Udara pada Kompor Gasifikasi
Biomassa Tipe Kontinyu adalah benar karya saya dengan arahan dari pembimbing
Prof Dr Ir Armansyah H Tambunan 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 skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Januari 2016
Holil
NIM F14110061
ABSTRAK
HOLIL. Penerapan Thermoelectric Generator sebagai Peniup Udara pada Kompor
Gasifikasi Biomassa Tipe Kontinyu. Dibimbing oleh ARMANSYAH H
TAMBUNAN
Tandan kosong kelapa sawit (TKKS) dapat digunakan menjadi bahan bakar
kompor biomassa. Kompor tradisional memiliki efisiensi panas yang rendah dan
perlu ditingkatkan dengan menerapkan sistem kompor gasifikasi. Namun kompor
tersebut membutuhkan kipas untuk mengalirkan udara. Penerapan thermoelectric
generator (TEG) untuk memberi energi pada kipas dapat menjadi solusi yang
masuk akal. TEG memerlukan perbedaan suhu antara sisi dingin dan sisi panas pada
modul TEG untuk menghasilkan listrik. Oleh karena itu kipas juga digunakan untuk
mendinginkan heatsink yang dipasang pada sisi dingin TEG. Kompor gasifikasi tipe
kontinyu dengan penambahan TEG untuk sumber listrik kipas telah dirancang dan
diuji menggunakan metode water boiling test (WBT). Efisiensi panas fase cold
start, hot start, dan simmering secara berturut-turut adalah 16.03%, 17.44%, dan
30.14%. Modul TEG yang diterapkan menghasilkan daya luaran sebesar 0.25 W
pada perbedaan suhu 71.9 oC, dengan efisiensi konversi sebesar 1.92%.
Kata kunci: tandan kosong kelapa sawit, kompor biomassa, gasifikasi,
thermoelectric generator
ABSTRACT
HOLIL. Application of Thermoelectric Generator as Air Blower in Biomass
Gasification Stove Continuous Type. Supervised by ARMANSYAH H
TAMBUNAN
Empty fruit bunches (EFB) can be used as feedstock for biomass stove.
Traditional stove has low thermal efficiency and needs to be improved by applying
gasification stove system. However, such a stove needs fan for blowing air, which
is unaffordable in remote areas. Application of thermoelectric generator (TEG) to
energize the fan could be a reasonable solution. TEG requires a temperature
difference between the cold and hot sides of the modules to generate electricity.
Therefore the fan is also used to cool the heat sink mounted on the cold side of the
TEG. Continuous type gasification stove with the application of TEG has been
designed and tested using the water boiling tests (WBT) method. The thermal
efficiency during cold start, hot start, and simmering phase were 16.03%, 17.44%
and 30.14%, respectively. The TEG modules produced 0.25 W output power at 71.9
° C temperature difference with conversion efficiency of 1.92%.
Keywords: empty fruit bunches, biomass stove, gasification, thermoelectric
generator
PENERAPAN THERMOELECTRIC GENERATOR SEBAGAI
PENIUP UDARA PADA KOMPOR GASIFIKASI BIOMASSA
TIPE KONTINYU
HOLIL
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
pada
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas
segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Judul penelitian
yang dilaksanakan sejak bulan Maret 2015 ini ialah Penerapan Thermoelectric
Generator sebagai Peniup Udara pada Kompor Gasifikasi Biomassa tipe Kontinyu.
Terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya penulis sampaikan
kepada Prof Dr Armansyah H Tambunan selaku pembimbing, atas ilmu dan
petuahnya yang brilian. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada orang tua
penulis, Ibu Asiah dan Bapak Kodim atas segala kasih sayang dan dukungan yang
tidak ternilai, dan semoga selalu dalam lindungan-Nya. Selain itu, penulis juga
menyampaikan banyak terima kasih kepada keluarga: Hati Habibah, Hutari, Lena,
Lani, Yuyun, Sulistio, Eni, dan sanak-keluarga lainnya, atas kasih sayang,
dukungan moral, dan dukungan finansial selama ini. Tak lupa, penulis ucapkan
banyak terima kasih kepada Amelia Hernisa yang senantiasa selalu memberikan
bantuan, semangat, do’a, dan dukungan. Terakhir, ucapan terima kasih penulis
sampaikan untuk sahabat dan teman penulis yang terlibat langsung maupun tidak
dalam penelitian ini: Ibu Inge, Pak Johanis, Pak Alimudin, Bang Raju, Bang Agus
Ginting, Bang Irfan, Bang Dwi, Kak Sari, Kak Dian, Kak Tiara, Muzakir, Ramdhan,
Fidela, Jhon, dan rekan-rekan TMB’48.
Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada program Hibah Kompetensi
Nomor Kontrak 157/SP2H/PL/Dit.Litabmas/II/2015 tanggal 5 Februari 2015 atas
nama Prof Dr Armansyah H Tambunan yang telah memfasilitasi ilmu dan finansial
untuk pengembangan penelitian ini.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Januari 2016
Holil
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
viii
DAFTAR SIMBOL
viii
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Tujuan Penelitian
1
Manfaat Penelitian
2
Ruang Lingkup Penelitian
2
TINJAUAN PUSTAKA
2
Thermoelectric Generator
2
Kompor Gasifikasi
3
Komponen Tandan Kosong Kelapa Sawit
5
METODOLOGI
5
Waktu dan Tempat Penelitian
5
Alat dan Bahan
5
Tahap Desain
6
Metode Pengujian
7
ANALISIS RANCANGAN
8
Kriteria Perancangan
8
Rancangan Fungsional dan Struktural
8
HASIL DAN PEMBAHASAN
12
Uji Kinerja Kompor Gasifikasi
12
Uji Kinerja TEG
14
SIMPULAN DAN SARAN
16
Simpulan
16
Saran
16
DAFTAR PUSTAKA
16
RIWAYAT HIDUP
31
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Penerapan TE pada kompor gasifikasi
Karakteristik tandan kosong kelapa sawit
Alat dan bahan penelitian
Kriteria perancangan kompor gasifikasi-TEG
Bagian fungsional rancangan
Karakteristik tandan kosong kelapa sawit
Spesifikasi modul TEG
Karakteristik TE dengan material bismuth telluride
Tabel pengujian WBT
Perbandingan daya keluaran modul TEG hasil pengukuran dan
perhitungan
4
5
6
8
8
9
11
11
14
15
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Skema downdraft gasifier
Skema inverterd downdraft gasifier/ TLUD
Skema crossraft gasifier
Skema updraft gasifier
Diagram alir tahap desain
Foto rangkaian peralatan untuk pengujian
Titik pengukuran suhu
Skema pembangkit listrik dari TEG
Profil suhu air pengujian WBT
Profil suhu kompor gasifikasi-TEG
Api gasifikasi pada burner
Grafik hubungan perbedaan suhu dengan daya keluaran TEG
3
3
4
4
6
7
7
11
12
13
13
15
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
6
7
8
Prosedur pengujian
Penentuan dimensi dan gambar teknik kompor
Perhitungan udara gasifikasi
Grafik pengujian WBT
Profil suhu kompor gasifikasi-TEG
Grafik hubungan perbedaan suhu dengan daya keluaran TEG
Perpindahan panas pada modul TEG
Perpindahan panas pada heatsink
DAFTAR SIMBOL
A
Ad
Luas thermoelement (mm2)
Luas permukaan heatsink keseluruhan (m2)
18
19
21
22
23
24
25
29
ATEG
Cpw
FCR
g
Gr
h
H
hf
HHV
ht
kf
L
Lc
Lt
m
mf
mwe
mwi
N
na
ne
Nu
q
Qn
r
Ra
Re
sm
T͚
t
tab
taf
Tc
Te
Tf
Th
Ti
u͚
v
Voc
W
x
Z
α
β
ΔT
η
σ
Luas permukaan modul TEG (m2)
Panas spesifik air (4.185 kJ/kg K)
Laju konsumsi bahan bakar (kg/menit)
Percepatan gravitasi (m/s2)
Bilangan Grashof (tanpa dimensi)
Koefisien konveksi (W/m2 K)
Tinggi sirip heatsink (m)
Nilai kalor bahan bakar (kJ/kg)
Nilai kalor bahan bakar (kJ/kg)
Kalor laten air (2260 kJ/kg)
Konduktivitas udara (W/m K)
Panjang heatsink (m)
Tebal solder/kontak (mm)
Tinggi thermoelement (mm)
Massa air (kg)
Massa bahan bakar (kg)
Massa air akhir (kg)
Massa air awal (kg)
Jumlah pasangan thermoelement per modul (-)
Jumlah sirip heatsink (-)
Kontak parameter-elektrik (2ρc/ρ) (mm)
Bilangan Nusselt (tanpa dimensi)
Laju perpindahan panas (W)
Panas yang dibutuhkan untuk memasak (W)
Kontak parameter-termal (λ/λc)
Bilangan Rayleigh (tanpa dimensi)
Bilangan Reynold (tanpa dimensi)
Rataan jarak antar sirip heatsink (m)
Suhu lingkungan (oC, K)
Waktu (detik)
Tebal bagian dasar sirip heatsink (m)
Tebal bagian ujung sirip heatsink (m)
Suhu sisi dingin modul TEG atau suhu bagian dasar heatsink (oC)
Suhu akhir air (oC, K)
Suhu rata-rata boundary layer (oC, K)
Suhu sisi panas modul TEG (oC)
Suhu awal air (oC, K)
Kecepatan udara (m/s)
Kecepatan kinematik udara (m2/s)
Tegangan open circuit (V)
Lebar heatsink (m)
Tebal modul TEG (m)
Figure of merit TEG (1/K)
Koefisien Seebeck (V/K)
Koefisien ekspansi panas(1/K)
Perbedaan suhu air (Takhir – Tawal) (K)
Efisiensi panas kompor (%)
Konduktivitas elektrik TE (1/Ω mm)
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Indonesia merupakan salah satu produsen utama CPO (crude palm oil) dunia.
Pada tahun 2013, Indonesia memiliki perkebunan kelapa sawit sekitar 10.46 juta
Ha dengan produksi perkebunan mencapai 27.78 juta ton (BPS 2015). Proses
pengolahan kelapa sawit selain menghasilkan CPO juga menghasilkan limbah
(padat dan cair) dari tandan buah yang diolah. Limbah tersebut dapat dimanfaatkan
sebagai sumber energi, baik untuk perusahan maupun untuk masyarakat di sekitar
pabrik pengolahan kelapa sawit.
Tandan kosong kelapa sawit (TKKS) merupakan limbah yang belum banyak
dimanfaatkan menjadi sumber energi. TKKS biasanya dikembalikan ke lahan
perkebunan sebagai pupuk organik. Kandungan ligninselulosa pada TKKS dapat
dikonversi menjadi bahan bakar. Oleh karena itu perlu dilakukan konversi TKKS
menjadi sumber energi bagi masyarakat luas dengan menjadikan TKKS sebagai bahan
bakar kompor biomassa rumah tangga.
Kompor biomassa merupakan alat yang digunakan untuk memasak dengan
memanfaatkan panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan biomassa (SNI 2013).
Kompor biomassa dapat dikelompokan menjadi tiga jenis, yaitu kompor tradisional
(three stone), kompor yang dikembangkan (improved stove), dan kompor gasifikasi
(natural draft dan force draft).
Roth (2011) menyimpulkan bahwa kompor gasifikasi yang dikembangkan
dengan penambahan kipas memiliki emisi CO yang lebih rendah dibandingkan
dengan jenis kompor lain. Kompor gasifikasi dengan penerapan kipas merupakan
kompor gasifkasi force draft yang membutuhkan sumber listrik eksternal untuk
menggerakkan kipas. Salah satu upaya yang dilakukan untuk menyediakan listrik
tersebut adalah dengan menerapkan modul thermoelectric generator (TEG) pada
kompor gasifikasi. Prinsip dasar TEG berdasarkan efek Seebeck yang dapat
menghasilkan listrik akibat adanya perbedaan suhu di ujung sambungan 2 logam
yang berbeda jenis. O’Shaughnessy et al. (2015) menerapkan TEG pada improved
stove dengan bahan bakar kayu. Daya yang dihasilkan perangkat tersebut mencapai
4 W dengan perbedaan suhu 175 oC. Lertsatitthanakorn et al. (2013) menerapkan 2
modul TEG pada kompor gasifikasi sekam padi tipe Top Lit Updraft (TLUD) yang
menghasilkan daya maksimum 3.9 W dengan perbedaan suhu 60 oC.
Kompor gasifikasi TLUD merupakan kompor biomassa tipe batch sehingga
memasukan biomassa pada saat proses dapat mengganggu proses gasifikasi. Oleh
karena itu perlu dikembangkan kompor gasifikasi tipe kontinyu yang dilengkapi
TEG, sehingga kegiatan memasak dapat dilakukan terus menerus dan kebutuhan
listrik untuk proses gasifikasi dapat dipenuhi.
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah merancang-bangun dan menguji kinerja kompor
gasifikasi yang dilengkapi dengan modul TEG. Modul TEG digunakan sebagai
perangkat pembangkit listrik untuk menggerakan kipas yang dibutuhkan untuk
menyalurkan udara pada proses gasifikasi TKKS.
2
Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian ini adalah tersedianya kompor gasifikasi yang dilengkapi
dengan modul TEG sehingga dapat menyediakan listrik untuk menggerakan kipas
yang menyediakan udara untuk proses gasifikasi.
Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian ini mencakup desain fungsional, desain struktural, dan uji kinerja.
Uji kinerja dilakukan untuk mengetahui kesesuaian prototipe dengan rancangan dan
efisiensi panas berdasarkan Water Boiling Test (WBT 3.0) tanpa analisis pindah
panas pada konstruksi kompor.
TINJAUAN PUSTAKA
Thermoelectric Generator
Thermoelectric generator didasarkan pada sebuah efek yang disebut efek
Seebeck yang ditemukan pada tahun 1821 oleh Thomas Johann Seebeck. Prinsip
kerja dari efek Seebeck yang bekerja pada pembangkit thermoelectric adalah jika
ada dua buah material atau lempeng logam yang tersambung berada pada
lingkungan dengan suhu yang berbeda maka di dalam material atau lempeng logam
tersebut akan mengalir arus listrik (He et al. 2015).
Thermoelectric umumnya menggunakan bahan yang bersifat semikonduktor.
Struktur thermoelectric terdiri dari suatu susunan elemen tipe-P, yaitu material yang
kekurangan elektron, dan elemen tipe-N, yaitu material yang kelebihan elektron.
Panas masuk pada salah satu sisi dan dibuang pada sisi lainnya. Transfer panas
tersebut menghasilkan suatu tegangan yang melewati sambungan thermoelectric
dan besarnya tegangan listrik yang dihasilkan sebanding dengan gradien suhu
(Wirawan 2012).
Modul thermoelectric diklasifikasikan berdasarkan suhu kerjanya yang
umumnya dibuat dari silicon germanium (500 sampai 1000 oC), lead telluride (300
sampai 500 oC), dan bismuth telluride (