Gasifikasi biomassa untuk pembangkit listrik dan pemanfaatan gas buang sebagai pemasok panas bagi pendingin adsorpsi

(1)

GASIFIKASI BIOMASSA UNTUK PEMBANGKIT

LISTRIK DAN PEMANFAATAN GAS BUANG

SEBAGAI PEMASOK PANAS BAGI PENDINGIN

ADSORPSI

YOGI SIRODZ GAOS

1 SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

(2)

SUMBER INFORMASI

Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi Gasifikasi Biomassa untuk Pembangkit Listrik dan Pemasok Panas bagi Pendingin Adsorpsi adalah karya saya sendiri 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.

Bogor, Juli 2008

Yogi Sirodz Gaos

(3)

ABSTRACT

YOGI SIRODZ GAOS. Biomass Gasificasion for Electric Generation and Waste Exhaust Gas Utilization for Adsorption System. Under direction of ARMANSYAH H. TAMBUNAN, KAMARUDDIN ABDULAH, and PRAWOTO

The emergence of energy crisis recently has attracted the utilitation of alternative energy, especially the renewable one. Biomass, as one of the renewable energy resources, attract more attention due to its enamourus quantity (i.e. 261.99 billion ton per year). The object of this research was to study the optimal use of the biomass by designing a gasification system to produce electricity and a heat exchanger to utilize the waste heat from the exhaust gas of the engine as energy source for adsoption refrigeration.

Optimum dimension of the gasifier was studied by using numerical analysis in order to have the optimal temperature distribution within the gasifier and optimum combustile gases. The heat exchanger design was simulated using polynomial equation and Kern method. The performance of the heat echanger and adsorption refrigeration was studied by using energy and exergy analysis.

The dimension of the gasifier was 600 mm in reactor’s diameter, 120 mm in throat diameter, and 1800 mm height. Performance test of imbert downdraft gasifier which was equiped with ash filter such as separator, gas cooler, acummulator, and cyclone was conducted using three kind of feeding chips, i.e: borneo wood, tamarind wood, and leucena wood. The best combustible gas was produced from 40 kg borneo wood, which contain 55.90% CO, 1.14% CH4, 0.29% C2H6 and 0,08% C3H8, 42.90% CO2, and the maximum temperture in oxidation zone was 1142 oC. It had 561.24 MJ of combustion energy with rates 25.98 kW. Dual fuel between high speed diesel oil and borneo chip wood with the fraction 60:40 had been implemented to diesel engine as a prime mover and could generate 8 kW electric power. The best performance result was at a nominal load of 6 kW with specific fuel consumption 0.32 l/kWh diesel oil and 1.98 kg/kWh wood.

The dimension of heat exchanger were 10 mm diameter, 200 mm total length, 150 pcs tubes in 75 passes with thermal conductivity 385 W/m K. Heat transfer energy of the heat exchanger was 0.83 kW, water outlet 85 oC, water mass flowrate 3.42 kg/min, the highest temperature in desorption generator 79 oC, and silica gel batch 65oC. These were good condition for adsorption proccess of methanol in generator which continued by the condensation proccess. It took 45 minutes for 500 ml methanol (98%). Exergy efficiency of the heat exchanger which operated in 120 minutes was 12.54%, meanwhile the exergy efficiency of desorption generator operated in 135 minutes was 4.04% and coefficient of performance of the adsorpsion system was 0.4.

Key words: downdraft gasifier, combustible gas, heat exchanger, adsorpsion, energy, and exergy efficiency.

(4)

YOGI SIRODZ GAOS. Gasifikasi Biomassa untuk Pembangkit Listrik dan Pemanfaatan Gas Buang sebagai Pemasok Panas bagi Pendingin Adsorpsi. Dibawah bimbingan ARMANSYAH H. TAMBUNAN, KAMARUDDIN ABDULLAH, dan PRAWOTO

Kebutuhan energi semakin meningkat seiring dengan meningkatnya pembangunan nasional. Dewasa ini, minyak bumi masih berperan sebagai sumber energi utama di dalam negeri, sehingga pemakaiannya yang terus meningkat, sementara cadangannya terbatas, menyebabkan pengelolaannya harus dilakukan secara efisien. Salah satu cara mengatasi krisis energi adalah dengan menggunakan energi alternatif. Salah satu energi alternatif yang dapat dikembangkan adalah biomassa, karena jumlahnya yang cukup melimpah, yaitu sebesar 261.99 juta ton. Penelitian ini bertujuan untuk merancang bangun suatu sistem yang dapat memanfaatkan biomassa menjadi energi listrik dan sumber panas bagi sistem pendingin adsorpsi.

Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah perhitungan numerik untuk menghasilkan dimensi gasifier yang optimal, analisa gas mampu bakar tiga jenis umpan kayu, dan pendugaan distribusi suhu di gasfier. Rancangan alat penukar kalor menggunakan metode optimasi dengan persamaan polinomial pangkat empat dan metode Kern untuk mencari dimensi luas permukaan sentuh dan kinerjanya. Analisa pada mesin pendingin adsorpsi meliputi energi total yang dilepas air, energi panas yang diserap untuk proses desorpsi, persentase bobot energi pada proses desorpsi, dan eksergi generator desorpsi.

Secara garis besar, sistem ini terdiri dari 3 komponen utama, yaitu: gasifier, alat penukar kalor, dan pedingin adsoprsi. Gasifier adalah reaktor yang berfungsi untuk menghasilkan gas mampu bakar. Dalam penelitian ini digunakan motor diesel berbahan bakar ganda (dual fuel) dengan fraksi 40 % gas mampu bakar dari umpan kayu dan 60 % solar. Alat penukar kalor dengan sumber panas gas buang digunakan untuk memanaskan air yang akan dimanfaatkan untuk proses pendinginan desorpsi. Pendingin desorpsi digunakan untuk pendinginan hasil pertanian.

Gasifier yang digunakan pada penelitian ini memiliki diameter reaktor 600 mm, diameter throat 120 mm, dan tinggi reaktor 1800 mm. Alur kerja di gasifier adalah, pertama pengeringan umpan kayu yang diikuti dengan pembakaran umpan kayu untuk menghasilkan gas mampu bakar. Gas mampu bakar digunakan untuk mengkonversi panas menjadi energi gerak pada generator, sehingga menghasilkan listrik. Sedangkan gas buang yang merupakan hasil samping gas mampu bakar dialirkan ke alat penukar kalor untuk memanaskan air. Umpan kayu yang digunakan terdiri dari tiga jenis, yaitu kayu borneo, kayu lamtorogung, dan kayu asem. Ukuran ketiga kayu ini seragam, yaitu berbentuk kubus dengan dimensi (30x30x30) mm. Kayu borneo merupakan umpan kayu yang memiliki kinerja terbaik, mempunyai nilai kalor sebesar 18897.12 kJ/kg. Sedangkan kayu asem dan kayu lamtorogung memiliki nilai kalor berturut-turut 17224.29 kJ/kg dan 16351.34 kJ/kg. Gasifier ini mampu membangkitkan mesin pembangkit tenaga sebesar 8 kW dan pola operasi empat jam tanpa penambahan umpan kayu.

(5)

Sistematika aliran fluida pada alat penukar kalor, yaitu air mengalir secara paksa melalui pipa dari atas ke bawah sedangkan gas buang mengalir melalui cangkang dari bawah ke atas menggunakan prinsip perbedaan tekanan. Optimasi luas permukaan sentuh alat penukar panas menggunakan metode simulasi persamaan polinomial pangkat empat dan metode Kern, dengan menggunakan beberapa asumsi berikut: 1) pipa lurus dengan permukaan dalam dan luar yang halus, 2) aliran air dan aliran gas buang lancar, 3) air dan gas buang pada kondisi di atas tekanan atmosfir, 4) penurunan tekanan akibat perubahan bentuk alat penukar kalor diabaikan, 5) pindah panas radiasi dari gas diabaikan, 6) pindah panas dari cangkang ke lingkungan diabaikan. Optimasi ini bertujuan untuk menghasilkan suhu air di mesin desorpsi sebesar 85 oC dengan batasan desain sebagai berikut: 1) energi air panas sebesar 1 kW, 2) laju masa air sebesar 0.057 kg/s, 3) laju aliran gas 0.0056 kg/s. Konstruksi alat penukar kalor yang dihasilkan sebagai berikut: diamater luar pipa 10 mm, tebal 1 mm, panjang 200 mm, jumlah pipa 150 batang, 75 laluan, konduktivitas panas material pipa sebesar 385 W/m.K. Hasil pengujian menunjukkan adanya perbedaan laju massa gas buang hasil uji dengan rancangan. Laju massa gas buang hasil uji sebesar 0.0052 kg/s, hal ini disebabkan oleh pemakaian bahan bakar per jam kurang dari 1 l/h dan rasio udara bahan bakar kurang dari 14.95. Perbandingan kinerja alat penukar kalor berdasarkan data hasil uji dan data rancangan/simulasi masing-masing sebagai berikut: U (8.44 W/m2.K; 26.49 W/m2.K), ΔTLMTD (127.21 oC; 33.36 oC), efektivitas (1.87%; 2.49%), NTU (1.89%; 2.52%), panas yang dilepaskan fluida panas (1.0 kW; 0.84 kW), panas yang diterima fluida dingin (0.98 kW; 0.83 kW), panas yang dipindahkan (1.01 kW; 0.83 kW), efisiensi eksergi (12.54%; 24.07%). Perbedaan ini disebabkan karena sistem tidak terisolasi dengan baik dan laju masa gas buang hasil uji (0.0052 kg/s) lebih kecil daripada data rancangan/simulasi.

Generator desoprsi adalah salah satu komponen mesin pendingin adsorpsi yang berfungsi sebagai kompresor pada mesin pendingin konvensional. Di generator desorpsi terjadi proses pelepasan metanol dari pori-pori silikagel (desorpsi). Proses ini membutuhkan energi panas yang didapat dari air panas yang dialirkan alat penukar kalor. Total energi panas yang dilepas air selama 135 menit berturut-turut sebesar 6581.92 kJ, 6679.14 kJ, dan 6582.34 kJ. Proses desorpsi hanya menyerap energi panas 10-20% dari total energi panas yang dilepas oleh air panas selama 135 menit.

Energi panas dari air digunakan untuk memanaskan generator, memanaskan silikagel, dan menguapkan metanol sehingga lepas dari pori-pori silikagel. Persentase alokasi energi panas sebagai berikut: 47.42% digunakan untuk memanaskan generator, 8.36% digunakan untuk memanaskan silikagel, dan 44.2% digunakan untuk memanaskan dan menguapkan metanol.

Salah satu kinerja generator desorpsi pada penelitian ini adalah efisiensi eksergi. Berdasarkan ketiga data hasil uji, efisiensi eksergi berturut-turut sebagai berikut 3.20%, 3.70%, dan 4.04%. Efisiensi eksergi data hasil uji 30 Agustus 2007 paling besar, karena ketersediaan eksergi tertinggi sebesar 6477.09 kJ dengan laju aliran air yang sama sebesar 0.057 kg/s, sedangkan nilai kehilangan eksergi paling kecil sebesar 825.55 kJ.

Hasil penelitian gasifikasi biomassa dari rangkaian gasifier, mesin penggerak generator, alat penukar kalor, dan mesin pendingin adsorpsi, maka kinerja optimal diperoleh dengan menggunakan umpan kayu borneo, sehingga

(6)

bahan bakar solar dengan fraksi 40:60 menjadi energi listrik pada beban nominal sebesar 6 kW, efisiensi termal mesin pembangkit tenaga 15.10%, energi gas buang 6.85 kW, pemanfaatan energi gas buang melalui alat penukar kalor 0.83 kW, koefisien pindah panas menyeluruh 26.49 W/m2K, efisiensi eksergi alat penukar kalor tertinggi 29.36%, energi yang digunakan untuk proses desorpsi (menguapkan metanol dari silikagel) sebesar 1086.7 kJ, dan efisiensi eksergi generator desorpsi 4.04% dengan COP mesin pendingin adsorpsi 0.4

Berdasarkan penjelasan di atas, gasifikasi biomassa ini masih dapat ditingkatkan kinerjanya. Peningkatan kinerja mesin ini dapat dilakukan dengan mengisolasi sistem pada gasifier, alat penukar panas, dan generator desorpsi. Kedua, dengan menjaga pembakaran umpan kayu terjadi terus menerus selama 4 jam sehingga ketersediaan energi panas dari gas buang stabil.

Kata kunci: Gasifier unggun tetap, gas mampu bakar, alat penukar kalor, adsorpsi, energi, eksergi, efisiensi.

(7)

© Hak cipta milik IPB, tahun 2008 Hak cipta dilindungi

1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruhnya karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumber:

a. Penyuntingan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah

b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB

2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau

(8)

LISTRIK DAN PEMANFAATAN GAS BUANG

SEBAGAI PEMASOK PANAS BAGI PENDINGIN

ADSORPSI

YOGI SIRODZ GAOS

Disertasi

sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Doktor pada

Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian

1 SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

(9)

Ujian Tertutup 12 Mei 2008

Penguji Luar Komisi : Dr. Ir. Leopold O. Nelwan, MS

Ujian Terbuka 16 Juni 2008 Penguji Luar Komisi :

1.Prof. Dr. Ir. Aryadi Suwono. 2.Dr. Ir. Dyah Wulandani, M.Si.

(10)

Pemanfaatan Gas Buang sebagai Pemasok Panas bagi Pendingin Adsorpsi

Nama : YOGI SIRODZ GAOS

NIM : F161020071

Disetujui Komisi Pembimbing

Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan Ketua

Prof. Dr. Kamaruddin Abdullah, MSA Prof. Dr. Ir. Prawoto, MSAE Anggota Anggota

Diketahui

Ketua Program Studi Dekan Sekolah Pascasarjana Ilmu Keteknikan Pertanian

Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, M.S.

(11)

PRAKATA

Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas segala rahmat-Nya sehingga disertasi ini dapat diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang berlokasi di Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian IPB, dengan judul Gasifikasi Biomassa untuk Pembangkit Listrik dan Pemanfaatan Gas Buang sebagai Pemasok Panas bagi Pendingin Adsorpsi.

Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan, MSc. selaku ketua komisi pembimbing, Bapak Prof. Dr. Kamaruddin Abdullah, MSA, dan Bapak Prof. Dr. Ir. Prawoto, MSAE., selaku anggota komisi yang telah banyak memberi saran dan bimbingan.

Penulis juga menyampaikan penghargaan kepada:

1. Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi Departemen Pendidikan Nasional yang telah memberikan bantuan berupa biaya pendidikan dan penelitian melalui program BPPS Tahun 2002.

2. Terima kasih kepada program HPTP 2007-2008

3. Pembina, Ketua, dan Pengawas Yayasan Pendidikan Islam Ibn Khaldun Bogor 4. Rektor Universitas Ibn Khaldun Bogor

5. Dekan Fakultas Teknik Universitas Ibn Khaldun Bogor

6. Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Ibn Khaldun Bogor 7. Sri Suwartati, Galih Arya Nugraha, Anggia Angraini dan Irvan Wiradinata

yang selalu memberikan dorongan dalam penyelesaian studi.

Semoga karya ilmiah ini bermanfaat bagi masyarakat dan iptek.

Bogor, Juni 2008

(12)

Penulis dilahirkan di Garut pada tanggal 4 Nopember 1951 sebagai anak kedua dari pasangan M. Gaos dan Imas Marfuah. Pendidikan sarjana ditempuh di Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Insititut Teknologi Bandung, lulus pada tahun 1980. Kesempatan untuk menempuh pendidikan Pascasarjana diperoleh pada tahun 1999 yakni di Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia dan menyelesaikannya pada tahun 2002. Pada tahun yang sama (2002) penulis meneruskan studi ke program doktor di Ilmu Keteknikan Pertanian, Sekolah Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor. Beasiswa pendidikan pascasarjana (BPPS 2002) diperoleh dari Departemen Pendidikan Nasional Republik Indonesia.

Selama mengikuti Program doktor (S-3), penulis telah menghasilkan karya ilmiah yang berjudul “Performance Test of Small Diesel Generator by Using Downdraft Gasification” telah disajikan pada Seminar Internasional di Institut Pertanian Bogor pada tanggal 04-05 Agustus 2004. Artikel ilmiah yang relevan dengan bagian disertasi dengan judul “Exergy Analysis on the Utilization of

Exhaust Gas to Generate an Adsorption Cooling System” telah disajikan pada

Seminar Internasional World Renewable Energy Conference di Jakarta pada tanggal 11-12 April 2005. Artikel ilmiah yang merupakan bagian dari disertasi ini, telah ditulis dan diterbitkan Jurnal Keteknikan Pertanian Vol. 21, No. 2, edisi Juni 2007 dengan judul “Analisis Energi dan Sebaran Suhu pada Gasifier Unggun Tetap.

(13)

DAFTAR ISI

Halaman

DAFTAR TABEL ... xiv

DAFTAR GAMBAR ... xv

DAFTAR LAMPIRAN ... xvii

DAFTAR ISTILAH ... xix

1 PENDAHULUAN Latar Belakang ... 1

Tujuan Penelitian ... 6

Manfaat Penelitian ... 7

Ruang Lingkup Penelitian ... 7

2 KINERJA GASIFIER UNGGUN TETAP ALIRAN KEBAWAH Pendahuluan ... 9

Bahan dan Metoda ... 26

Hasil dan Pembahasan ... 29

Simpulan ... 37

3 ALAT PENUKAR KALOR UNTUK PEMANFAATAN GAS BUANG Pendahuluan... 39

Bahan dan Metoda ... 49

Hasil dan Pembahasan ... 51

Simpulan... 61

4 MESIN PENDINGIN ADSORPSI Pendahuluan ... 63

Bahan dan Metoda ... 76

Hasil dan Pembahasan ... 77

Simpulan... 95

5 PEMBAHASAN UMUM... 97

6 SIMPULAN DAN SARAN... 105

(14)

DAFTAR TABEL

Halaman 1.1 Korelasi penggunaan listrik dengan kesejahteraan masyarakat

[2001]... ... 4

1.2 Sasaran pengembangan energi baru terbarukan ... 4

2.1 Parameter teknis dan operasional dari beberapa jenis gasifier ... 11

2.2 Karakteristik tipikal umpan reaktor yang digunakan untuk tujuan pembangkitan energi ... 12

2.3 Persyaratan bahan bakar untuk gasifier fixed reaktor ... 13

2.4 Hasil analisis proksimat dan ultimat kayu borneo, asem, dan lamtorogung ... 29

2.5 Data analisis gas mampu bakar hasil gasifikasi ... 30

2.6 Ketersediaan energi dan konsumsi bahan bakar ... 35

2.7 Keseimbangan termal pada gasifier ... 36

3.1 Nilai perhitungan entropi dan entalpi gas buang ... 51

3.2 Data gas buang gasifikasi sebagai pembanding ... 52

3.3 Dimensi alat penukar kalor ... 53

3.4 Perbandingan karakteristik fluida ... 55

3.5 Perbandingan kinerja alat penukar kalor ... 56

3.6 Data perhitungan eksergi berdasarkan data simulasi ... 57

3.7 Data perhitungan eksergi berdasarkan data rata-rata uji coba ... 57

4.1 Perhitungan kebutuhan energi berdasarkan pendekatan kimia ... 78

4.2 Data suhu hasil uji generator, metanol, fraksi air, dan silikagel ... 81

4.3 Data suhu hasil uji masa air panas, generator, dan metanol selama 135 menit ... 82

4.4 Perhitungan kebutuhan energi desorpsi ... 82

4.5 Data laju desorpsi antara metanol-silikagel ... 88

4.6 Data perhitungan eksergi berdasarkan data hasil uji ... 90

4.7 Data perubahan suhu air, silikagel, dan generator ... 92

(15)

DAFTAR GAMBAR

Halaman

1.1 Skenario kebutuhan energi di Indonesia 2002-2025. ... 2

1.2 Potensi biomassa di Indonesia (Sumber : Dephut.2000) ... 3

2.1 Perubahan senyawa kimia pembakaran celulosa, (Prasad,1985) ... 14

2.2 Hubungan suhu dengan proses pembakaran kayu ... 15

2.3 Skema zona gasifikasi pada gasifier unggun tetap aliran ke bawah ... 18

2.4 Skema kesetimbangan energi termal di gasifier ... 19

2.5 Proses pencampuran gas mampu bakar dengan udara ... 25

2.6 Kayu Lamtorogung (Leucena wood)... 27

2.7 Kayu Borneo (Borneo wood)... 28

2.8 Kayu asem(Tamarind wood)... 28

2.9 Pola suhu terhadap waktu pengujian (a) kayu borneo, (b) kayu asem, dan (c) kayu lamtorogung ... 32

2.10 Pola distribusi suhu hasil uji dan simulasi ... 33

2.11 Profil suhu pada zona oksidasi ... 34

2.12 Profil suhu pada zona reduksi ... 34

2.13 Profil suhu pada zona pirolisis ... 34

3.1 Model fisik alat penukar panas aliran silang tidak campur ... 41

3.2 Skema perhitungan luas permukaan sentuh alat penukar kalor ... 42

3.3 Alur proses pindah panas di alat penukar kalor ... 43

3.4 Diagram alir perhitungan eksergi hilang di alat penukar panas ... 48

3.5 Hubungan perubahan suhu terhadap kinerja APK, data 30-08-2007... 58

3.6 Hubungan efektivitas dengan efisiensi eksergi, data 26-08-2007... 59

3.7 Hubungan efektivitas dengan efisiensi eksergi, data 29-08-2007... 59

3.8 Hubungan efektivitas dengan efisiensi eksergi, data 30-08-2007... 59

4.1 Instalasi mesin pendingin adsorpsi ... 65

4.2 Diagram P-T-X ... 66

4.3 Model fisik generator desorpsi ... 71

4.4 Perbandingan energi dibutuhkan selama proses desorpsi ... 83

4.5 Persentase energi diserap metanol-silikagel (metode 1) terhadap air .... 84

(16)

4.7 Energi panas yang diterima metanol, data 26-08-2007 ... 85

4.8 Energi panas yang diterima metanol, data 29-08-2007 ... 85

4.9 Energi panas yang diterima metanol, data 30-08-2007 ... 86

4.10 Energi panas yang diterima fraksi air, data 26-08-2007 ... 86

4.11 Energi panas yang diterima fraksi air, data 29-08-2007 ... 87

4.12 Energi panas yang diterima fraksi air, data 30-08-2007 ... 87

4.13 Grafik konsentrasi metanol terhadap silikagel ... 89

4.14 Perubahan efisiensi eksergi terhadap waktu... .. 92

5.1 Skema gasifikasi biomassa dengan umpan kayu untuk pembangkit listrik dan pendingin adsorpsi ... 97

(17)

xvii

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

1. Simulasi zona oksidasi gasifier downdraft dengan umpan kayu ... 111

2. Simulasi zona reduksi gasifier downdraft dengan umpan kayu ... 112

3. Penyelesaian secara numerik koefisien perpindahan panas dalam gasifier 113 4. Menetukan parameter matriks sifat fisik dan termodinamik gasifier ... 114

5. Perhitungan koefisien pindah panas ... 115

6. Menetukan parameter sifat fisik dan termodinamik gasifier unggun tetap 116 7. Model fisik APK exchanger gas buang ... 117

8. Perhitungan performansi APK gas buang ... 118

9. Perhitungan pressure drop ... 119

10 Perhitungan parameter kinerja APK gas buang... 120

11 Simulasi dengan persamaan polynomial pada APK gas buang... 121

12 Optimasi pemilihan diameter pipa ... 122

13 Data pengujian APK gas buang... ... 123

14 Sifat termodinamik bahan bakar... .. 127

15 Perhitungan efisiensi eksergi APK data simulasi... 128

16 Perhitungan energi dan efisiensi termal ... ... 129

17 Sifat termodinamik gas buang ... ... 134

18 Perhitungan energi yang dibutuhkan metanol, silikagel dan generator selama desorpsi (data 1)………... ... 135

19 Perhitungan energi yang dibutuhkan metanol, silikagel dan generator selama desorpsi (data 2) ... ……….. 136

20 Perhitungan energi yang dibutuhkan metanol, silikagel dan generator selama desorpsi (data 3) ……….. 137

21 Perhitungan efisiensi eksergi APK data hasil uji ... 138

22 Perhitungan eksergi berdasarkan data Cp dan suhu (data 1)... 139

23 Perhitungan eksergi berdasarkan data Cp dan suhu (data 2)... 140

24 Perhitungan eksergi berdasarkan data Cp dan suhu (data 3)... 141

25 Perhitungan koefisien pindah panas generator, kondensor, evaporator ... 142

26 Biaya pembuatan gasifikasi Biomassa ... 144

27 Perhitungan arus kas ... ... 145

(18)

29 Perhitungan EAT dan proceeds ... ... 147

30 Perhitungan WACC ... ... 148

31 Perhitungan NPV ... ... 149

32 Perhitungan IRR ... ... 150

33 Perhitungan PP ... ... 151

34 Perhitungan cavital budgetting decision ... 152

35 Perhitungan tekno ekonomi... 153

36 Digram alir perhitungan performansi APK data simulasi ... 158

37 Digram alir perhitungan performansi APK data hasil uji ... 159

38 Gambar potongan gasifier ... 160

(19)

xix

DAFTAR ISTILAH

A(T) = variable, fungsi dari suhu adsorbent

Ac = luas penampang pipa, m2 Ao = luas permukaan sentuh pipa, m2 Ar = luas penampang, m2

As = luas penampang aliran cangkang, m2 B = jarak antara baffle

B (T) = variable, fungsi dari suhu adsorbent

C = jarak antara permukaan luar pipa, m

cp = panas jenis gas, Kj/kg.K

cp, cold = panas jenis fluida dingin, J/kg. K

cp,m (T) = panas spesifik metanol pada tekanan konstan, J/kg.K cpg = panas jenis generator, J/kg.K

cpsg = panas jenis silikagel, J/kg K

cv,m (T) = panas spesifik cairan metanol pada volume konstan, J/kg.K D = diameter gasifier, mm

Dc = diameter cyclone, m

De = diameter equivalent cangkang, m di = diameter dalam pipa, m

do = diameter luar pipa, m dp = diameter partikel, micron dp = diameter takikan, m dp = diameter takikan, m Ds = diameter cangkang, m

Ehot = eksergi tersedia pada sisi air panas, J

Ew1,in = energi air di inlet selubung dalam generator, J Ew1,out = energi air di oulet selubung dalam generator, J

Ew1,w2, in = eksergi tersedia air panas di sisi inlet generator desorpsi Ew1,w2, out = eksergi air panas di sisi outlet generator desorpsi Ew2,in = energi air di inlet selubung luar generator, J Ew2,out = energi air di oulet selubung luar generator, J Ex C,in = eksergi fluida dingin di sisi inlet, W

Ex C,out = eksergi fluida dingin di sisi outlet , W Ex H,in = eksergi tersedia fluida panas di sisi inlet, W Ex H,out = eksergi hilang fluida panas di sisi outlet, W

(20)

Ex,loss = eksergi hilang, W

Exc = eksergi diserap oleh fluida dingin, W f = gesekan fluida di sisi pipa

g = percepatan gravitasi, m/s2

h = lebar gasifier, m

h C,in = entalpi fluida dingin di sisi inlet, J/kg h C,out = entalpi fluida dingin di sisi outlet, J/kg h H,in = entalpi fluida panas di sisi inlet, J/kg h H,out = entalpi fluida panas di sisi outlet, J/kg h1 = entalpi gas mampu bakar masuk, kJ/kg h2 = entalpi udara masuk, kJ/kg

h3 = entalpi campuran gas mampu bakar dan udara keluar, kJ/kg Ha = panas laten adsorpsi, J/K

ha = panas laten jenis adsorpsi, J/kg.K Hd = panas laten desorpsi, J/K

hd = panas laten jenis desorpsi, J/kg.K Hf = tinggi gasifier, m

hi = koefisien perpindahan panas fluida di sisi pipa, W/m2.K Hig = nilai kalor campuran gas dengan udara, kJ/m3

Hmf = tinggi minimum gasifier, m

ho = koefisien perpindahan panas di sisi luar pipa, W/m2.K ho = entalpi lingkungan, J/s.kg

hw1,in =

entalpi air panas di sisi inlet selubung dalam generator desorpsi, J/kg

hw1,in = entalpi air di sisi inlet selubung dalam generator, J/kg hw1,out = entalpi air di sisi outlet selubung dalam generator, J/kg

hw1,out =

entalpi air panas di sisi outlet selubung dalam generator desorpsi, J/kg

hw2,in = entalpi air di sisi inlet selubung luar generator, J/kg

hw2,in =

entalpi air panas di sisi inlet selubung luar generator desorpsi, J/kg

hw2,out = entalpi air di sisi outlet selubung luar generator, J/kg

hw2,out =

entalpi air panas di sisi outlet selubung luar generator desorpsi, J/kg

kt = koefisien konduksi bahan pipa, W/m.K L = panjang gasifier, m

L = panjang per pipa, m

m = jumlah mol, mol

(21)

xxi m1 = laju aliran gas mampu bakar masuk, kg/s

m2 = laju aliran udara masuk, kg/s

m3 = laju aliran campuran gas mampu bakar dan udara keluar, kg/s mc = laju masa fluida dingin, kg/s

mg = masa generator, kg

mh, in = laju masa fluida panas di sisi inlet, kg/s mh, out = laju masa fluida panas di sisi outlet, kg/s ms = laju masa fluida di sisi cangkang, kg/s msg = massa adsorben silika gel, kg.

mw1,in = masa air keluar dari selubung dalam generator, kg mw1,in = masa air masuk ke selubung dalam generator, kg mw2,in = masa air keluar dari selubung luar generator, kg mw2,in = masa air masuk ke selubung luar generator, kg Nt = jumlah pipa, pcs

NTU = number transfer unit alat penukar kalor Nut = number transfer unit di sisi pipa

P = daya keluaran yang diukur pada terminal generator, kJ/h P = tekanan dari adsorben (silica gel/generator), Pa

PR = rasio antara pipa

Prs = prandtl number di sisi cangkang

Pt = jarak antara dua titik pusat pipa yang berdekatan, m Q = kemampuan pindah panas alat penukar kalor, W

Q1 =

panas sensibel yang diperlukan oleh silikagel selama proses desorpsi, J

Q2 = panas sensibel yang diperlukan generator selama proses desorpsi, J

Q3 =

panas sensibel yang dibutuhkan metanol untuk meningkatkan suhu awal menjadi suhu penguapan selama proses desorpsi,J Qcold = kalor yang diterima di sisi fluida dingin, W

Qdes =

Energi yang dibutuhkan metanol , silika gel dan genertor selama proses desorpsi, J

Qg = panas sensibel generator, J

Qhot = panas yang dilepas oleh fluida panas, W Qm = panas sensibel metanol, J

Qsg = panas sensibel silikagel, J

R = jari-jari gasifier, m

R = tetapan gas untuk uap metanol

R298K =

energi reaksi pada suhu stándar yang terjadi di dalam ruang bakar, kJ/h

(22)

Ret = reynold number di sisi pipa

s C,in = entropi fluida dingin di sisi inlet, J/kg.K s C,out = entropi fluida dingin di sisi outlet, J/kg.K s H,in = entropi fluida panas di sisi inlet, J/kg.K s H,out = entropi fluida panas di sisi outlet, J/kg.K s1 = entropi gas mampu bakar masuk, kJ/kg.K s2 = entropi udara masuk, kJ/kg.K

s3 = entropi campuran gas mampu bakar dan udara keluar, kJ/kg.K Sc = laju volume energi panas hasil dari reaksi pembakaran, W/m3

Sc1 =

laju volume energi panas yang dihasilkan oleh reaksi pembakaran pada sisi masuk reaktor, W/m3

Sgen = total entropi pembentukan di generator desorpsi, J/kg.K Sin = total entropi masuk pada generator desorpsi, J/kg.K so = entropi lingkungan, J/kg.K

Sout = total entropi keluar pada generator desorpsi, J/kg.K

sw1,in = entropi air panas di sisi inlet selubung dalam generator, J/kg.K

sw1,out =

entropi air panas di sisi outlet selubung dalam generator, J/kg.K

sw2,in = entropi air panas di sisi inlet selubung luar generator, J/kg.K sw2,out = entropi air panas di sisi outlet selubung luar generator, J/kg.K T = suhu dari adsorben °C

T = suhu gas di cyclone, K T = suhu keluar gasifier, °C T = suhu adsorben, K T1 = suhu masuk gasifier, °C

T1 = suhu udara masuk ke unit pencampur, K Ta1 = suhu akhir proses adsorpsi (pendinginan), oC Tc,i = suhu fluida dingin masuk, K

Tc,o = suhu fluida dingin keluar, K Tg = kenaikan suhu generator, K Tg = kenaikan suhu metanol, K

Tg1 = suhu akhir proses desorpsi (pemanasan), oC Th,i = suhu fluida panas masuk, K

Th,o = suhu fluida panas keluar, K To = suhu lingkungan, K

To = suhu lingkungan, °C

Ts = suhu jenuh dari refrigeran, °C U = pindah panas menyeluruh, W/m2.K

(23)

xxiii Umf = kecepatan minimum yang diijinkan, m/s

Us = kecepatan gas yang diijinkan untuk gasifikasi, m/s v = kecepatan gas masuk, m/s

v1 = superficial gas velocity, m/s

VCH4 = fraksi volume metana dalam gas

VCO = fraksi volume karbon monoksida didalam gas. VH2 = fraksi volume hidrogen dalam gas

vt = kecepatan fluida di sisi pipa, m/s

w = laju masa, kg/s

Wrev = kerja reversible per waktu, kW X1 = fraksi metanol pada suhu Ta2-Tg1 X2 = fraksi metanol pada suhu Tg1-Tg2

Xdestroyed = total eksergi pemusnahan pada generator desorpsi, J Xin = total eksergi masuk pada generator desorpsi, J Xout = total eksergi keluar pada generator desorpsi, J

ΔH = nilai kalor pembakaran, kJ/m3

ΔH1 = entalphi udara yang masuk unit pencampur, kJ/kg

ΔH2 = entalphi gas hasil gasifikasi yang masuk unit pencampur, kJ/kg ΔH3 = entalphi gas buang yang keluar motor diesel, kJ/kg

ΔH4 = entalphi yang dibawa oleh fluida pendingin, kJ/kg

ΔLMTD = Log mean temperature difference

ΔP = kerugian tekanan gas di cyclone, Pa

ΔSsistem = perubahan entropi sistem di generator desorpsi, J/kg.K

Δtcold = perubahan suhu fluida dingin, K

ΔU

silikagel-MeOH-Gen = perubahan energi dalam silikagel-metanol-generator, J

ΔUsistem = Perubahan energi dalam silikagel-metanol, J

Δxsistem = perubahan eksergi pada sistem generator desorpsi, J

ε = efektivitas alat penukar kalor, %

ηEx = efisiensi eksergi, %

μ = viskositas kinematik gas, kg/m.s

μs = viskositas fluida di sisi cangkang, kg/m.s

μt = viskositas fluida di sisi pipa, kg/m.s

ρ1 = densitas bahan yang dibakar, kg/m3

ρg = massa jenis gas, kg/m3

ρp = masa jenis partikel, kg/m3

(24)

ρt = masa jenis fluida di sisi pipa, kg/m3

(25)

1 PENDAHULUAN

Latar Belakang

Kebutuhan energi semakin meningkat seiring dengan meningkatnya pembangunan nasional. Dewasa ini, minyak bumi masih berperan sebagai sumber energi utama di dalam negeri, sehingga pemakaiannya yang terus meningkat, sementara cadangannya terbatas, menyebabkan pengelolaannya harus dilakukan secara efisien. Di samping itu, ketergantungan terhadap minyak bumi tidak dapat dipertahankan lagi untuk jangka panjang, sehingga diperlukan upaya untuk mensubsitusi minyak bumi melalui pengembangan dan pemanfaatan energi baru terbarukan, yaitu tenaga surya, angin, biomassa, gambut, dan sebagainya.

Misi Pengelolaan Energi Nasional, diantaranya adalah menyediakan energi yang terjangkau untuk kaum dhuafa dan daerah yang belum berkembang, Blueprint Pengelolaan Energi Nasional : 2005-2025 (ESDM 2005). Salah satu energi alternatif yang dapat dikembangkan di Indonesia pada saat ini maupun masa mendatang adalah biomassa (kayu, serbuk gergaji, sekam padi, sampah, dan lain-lainnya). Indonesia yang secara geografis berada di daerah tropis, memiliki ketersediaan forest biomass dan limbah pertanian yang sangat melimpah masing-masing tersebar di Sumatra, Sulawesi, Papua, Jawa dan Pulau lainnya, sehingga potensi biomassa diseluruh Indonesia mencapai 261.99 juta ton. (Departmen Kehutanan 2000). Jika nilai kalor yang dimiliki kayu rata-rata 17 MJ/kg, maka ketersediaan energi biomassa setara dengan 4.45x109 GJ. Dengan konsumsi energi rata-rata negara maju 10 GJ per kapita per tahun (Krisnha Prasad 1985), maka rasio kebutuhan dan ketersediaan baru mencapai 49.44%, sehingga energi biomassa dapat mencukupi untuk kebutuhan penduduk Indonesia.

Kebutuhan bahan bakar untuk transportasi, industri, komersial, rumah tangga dan lainnya dari tahun 2005 hingga tahun 2025 diperkirakan naik secara signifikan, yaitu dari 900 juta setara barrel minyak (SBM) menjadi 2800 juta SBM (kenaikan 211%). Skenario kebutuhan energi dari tahun 2002 sampai tahun 2025 tersaji pada Gambar 1.1.

(26)

Gambar 1.1 Skenario kebutuhan energi di Indonesia 2002-2025 (ESDM 2005).

Berdasarkan grafik di atas, kebutuhan energi di Indonesia pada tahun 2025 mencapai 5000 juta SBM (tanpa konservasi energi) namun kebutuhan dapat ditekan sampai 2900 juta SBM apabila dilaksanakan kebijakan hemat energi melalui program konservasi energi. Pilihan teknologi yang dapat dikembangkan adalah gasifikasi biomassa, dimana gas mampu bakar dari reaktor dikonversi menjadi energi listrik dan gas buangnya dimanfaatkan sebagai pemasok panas pada proses desorpsi mesin pendingin adsorpsi. Teknologi gasifikasi pada penelitian ini meliputi; pilihan biomassa, desain gasifier aliran ke bawah serta alat pemurnian gas mampu bakar, pilihan mesin pembangkit tenaga (diesel), desain alat penukar kalor dan modifikasi generator mesin pendingin adsorpsi hasil rancangan peneliti sebelumnya (Rofik 2001).

Biomassa sebagai Energi Alternatif. Biomassa sebagai energi alternatif dapat dijadikan sumber energi pengganti BBM untuk pembangkit listrik di daerah terpencil. Kenaikan harga minyak mentah dunia yang mencapai 119.5 USD per barrel pada akhir April 2008, mengakibatkan kenaikan biaya operasional

pembangkit listrik tenaga Diesel. Biaya produksi listrik mencapai Rp2 750 per kWH, sehingga program diversifikasi energi menjadi sangat strategis

(27)

3 10 tahun terakhir mencapai 6-9% per tahun. Pembangkit listrik di Indonesia menghasilkan energi listrik sebesar 25 218 MW pada tahun 2005 (Musyawarah METI 2005).

Salah satu energi alternatif yang berpotensi di daerah terpencil adalah biomassa, karena cadangan biomassa di Indonesia sebesar 261.99 juta ton atau setara dengan 49.81 GW. Selain itu konversi biomassa menjadi sumber energi untuk pembangkit listrik memiliki beberapa keuntungan, yaitu: lebih murah, dapat mensubsitusi bahan bakar minyak, lebih ramah lingkungan, dan polutan gas buang dari motor pembangkit tenaga dapat digunakan sebagai sumber panas pada sistem pendingin adsorpsi (pasangan methanol-silikagel). Dengan demikian biomassa dapat dijadikan energi alternatif untuk menghasilkan energi listrik dan

menjadi sumber panas untuk mesin pendingin adsorpsi. Peta distribusi biomassa di Indonesia tersaji pada Gambar 1.2.

Gambar 1.2 Potensi biomassa di Indonesia (Sumber: Dephut.2000).

Biomassa sebagai energi alternatif diharapkan mampu memenuhi kebutuhan listrik, khususnya di daerah terpencil. Sehingga 105 juta penduduk pedesaan terpencil dapat menikmati energi listrik. Hal ini sesuai dengan rencana PLN yaitu rasio elektrifikasi mencapai 100% pada tahun 2020. Terdapat korelasi yang positif antara konsumsi listrik dengan kesejahteraan masyarakat, tersaji pada Tabel 1.1.

* 44.4 **7.6

*12.6 **15.8

* 53.2 **0.07 * 2.6

** 12 * 13.5

** 90

*4.7 **0.68

* 16.6

** 2.2 _*38.6

**0.02

Other Islands: * 12.6 ** 15.8

(28)

Tabel 1.1 Korelasi penggunaan listrik dengan kesejahteraan masyarakat

No NEGARA GDP

(USD/kapita/tahun)

Konsumsi Listrik (kWh/kapita/tahun)

1 Indonesia 695.00 407.00

2 Malaysia 3 699.00 2 731.00

3 Amerika Serikat 32 601.00 8 944.00

4 Jepang 35 277.00 11 708.00

Sumber : Handbook of Energy and Economic Statistic in Japan, 2003

Namun penggunaan biomassa untuk energi alternatif pada tahun 2005 hanya sebesar 0.61% dari kebutuhan energi atau setara dengan 302.4 MW, karena riset teknologi pemanfaatan biomassa belum berkembang di Indonesia. Salah satu teknologi pemanfaatan biomassa yang mungkin dikembangkan di Indonesia adalah gasifikasi. Dengan teknologi ini, energi biomassa diharapkan mampu menghasilkan energi listrik sebesar 810 MW pada tahun 2025.

Berdasarkan kebijakan pemerintah, energi alternatif mampu menghasilkan energi listrik sebesar 11140 MW atau kenaikan sebesar 927.17% pada tahun 2025. Perkembangan energi baru terbarukan di Indonesia pada tahun 2005 sampai tahun 2025 mencapai tersaji pada Tabel 1.2.

Tabel 1.2 Sasaran produksi listrik energi baru terbarukan (EBT)

Jenis EBT Tahun 2005 Tahun 2025

Panas bumi 807 MW 9 500 MW

PLTMH 84 MW 500 MW (on grid)

330 MW (off grid)

Energi surya 8 MW 80 MW

Biomassa (listrik) 302 MW 810 MW

Energi angin 0.5 MW 250 MW (on grid)

5 MW (off grid)

Biodiesel 5% total konsumsi solar (4.7 juta kL)

Gasohol 5% total konsumsi bensin

Bio oil 2.5% total konsumsi minyak bakar dan

IDO

Sumber : Dirjen Listrik dan Pemanfaatan Energi (Disampaikan pada Musyawarah ke-3

(29)

5 Gasifikasi Biomassa. Gasifikasi adalah teknologi yang memanfaatkan biomassa untuk menghasilkan listrik. Proses gasifikasi dimulai dari pembakaran tidak sempurna kayu di dalam reaktor untuk menghasilkan gas mampu bakar, lalu didinginkan, dimurnikan dan dicampur dengan udara di dalam mixer, kemudian masuk ke mesin Diesel untuk selanjutnya dikonversikan menjadi energi listrik. Biomassa yang digunakan pada penelitian ini adalah kayu borneo, kayu lamtorogung, dan kayu asem, gasifier yang dipakai adalah jenis unggun tetap aliran ke bawah (Imbert downdraft gasifier) (Jain 1996).

Hasil penelitian gasifikasi berbahan bakar umpan sekam padi mampu menghasilkan tenaga listrik di sisi terminal generator sebesar 100 kW dengan konsumsi pemakaian sekam spesifik padi di bagian terminal generator adalah 1.84 kg/kW-jam (Gaos 2001). Sedangkan gasifikasi dengan umpan kayu ramin, kapasitas 40 kW, dengan konsumsi pemakaian kayu spesifik di bagian terminal generator adalah 1.56 kg/kW-jam (Trisaksono 1993).

Alat Penukar Kalor. Gas buang yang keluar dari mesin pembangkit tenaga masih memiliki kandungan energi termal yang cukup tinggi antara 30-35% dari energi hasil pembakaran. Dalam rangka program hemat energi, gas buang sebagai

low level energy dimanfaatkan sebagai pemasok panas pada proses penguapan

metanol dari silikagel (proses desorpsi). Alat penukar kalor yang digunakan berjenis aliran silang, dimana fluida panas adalah gas buang dan fluida dingin adalah air. Fungsi alat penukar kalor sebagai media pemindah panas dari gas buang ke generator desorpsi melalui fluida air.

Mesin Pendingin Adsorpsi. Mesin pendingin adsorpsi merupakan salah satu alternatif mesin pendingin yang ramah lingkungan dan ramah energi. Mesin pendingin adsorpsi tidak mengunakan freon sebagai zat pendingin dan memanfaatkan gas buang gasifier sebagai sumber panas untuk proses pendinginan. Gas buang dari mesin pembangkit tenaga masih memiliki panas sebesar 30% dari panas total hasil pembakaran. Panas gas buang sebagai low

level energy dapat dimanfaatkan untuk pengering maupun pendingin mesin

adsorpsi guna perlakuan produk hasil panen, sehingga dapat memberikan sumbangan dalam mencapai tujuan hemat energi melalui penerapan konsep konservasi energi, seperti Tabel 1.1.

(30)

Pada penelitian ini, zat pendingin yang digunakan adalah pasangan methanol-silikagel. Gas buang digunakan sebagai pengganti fungsi kompresor. Unit mesin pendingin adsorpsi terdiri dari generator desorpsi, kondensor, receiver, generator adsorpsi, dan evaporator. Mesin pendingin adsorpsi dengan pasangan metanol-silikagel telah diteliti di India dengan hasil COP 30%, suhu air pendingin evaporator -2 oC, suhu air pemanas generator desorpsi 85 oC, laju energi pemanasan desorpsi 2 kW, dan suhu kondensasi 30 oC (Oertel & Fisher 1998).

Hasil penelitian cogeneration, telah dibuat secara komersial dengan kapasitas pendinginan antara 174-2326 kW melalui motor pembangkit tenaga dengan sistem pendingin absorpsi menggunakan media lithium bromide-air (Broad Chillerfor Centaur 50 USA 2005). Siegfried Kreussler dan Detlef Bolz melakukan penelitian mesin pendingin sebesar 350 kJ/kg zeolit dengan COP 0.08. Percobaan alat pendingin solar energi dengan pasangan aktif karbon-metanol berhasil membuat es sebanyak 4 kg/hari dengan luas kolektor 0.92 m2 (Sumanthy 1999).

Tujuan Penelitian

Penelitian ini secara umum bertujuan untuk merancang bangun dan menganalisa energi dan eksergi pada gasifikasi biomassa untuk pembangkit listrik dan pemanfaatan gas buang sebagai pemasok panas bagi pendingin adsorpsi. Secara khusus penelitian ini bertujuan untuk :

1) Mendapatkan model matematika untuk menduga distribusi temperatur dalam reaktor gasifikasi dengan umpan kayu.

2) Menghitung luas permukaan sentuh alat penukar kalor dengan menggunakan metode simulasi persamaan polinomial pangkat empat dan metode Kern. 3) Menganalisis kinerja dan eksergi alat penukar kalor.

4) Menghitung kebutuhan energi untuk proses desorpsi di dalam generator pendingin adsorpsi dengan pendekatan kimia dan pendekatan termodinamika. 5) Menganalisis kinerja dan eksergi generator desorpsi.

(31)

7 Manfaat Penelitian

Hasil penelitian ini dapat digunakan sebagai bahan informasi dalam pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi, khususnya yang berkaitan dengan pemanfaatan sumber energi biomassa untuk pembangkit listrik skala kecil, diharapkan mampu memenuhi kebutuhan energi listrik didaerah terpencil yang terisolasi. Selanjutnya, gas buang hasil pembakaran dari mesin pembangkit tersebut dimanfaatkan untuk energi pemanasan pada generator mesin pendingin adsorpsi methanol silicgel. Hasil penelitian tersebut dapat dimanfaatkan sebagai acuan dalam melakukan perancangan dan pembuatan sistem pembangkit tenaga dengan memanfaatkan sumber energi terbarukan.

Ruang Lingkup Penelitian

Penelitian ini merupakan suatu rangkaian kegiatan untuk mampu mengkonversikan energi yang dimiliki kayu menjadi gas untuk bahan bakar mesin pembangkit tenaga listrik, dimana gas buangnya dapat dimanfaatkan untuk pemanasan generator mesin pendingin adsorpsi metanol silikagel, sehingga ruang lingkup penelitian ini meliputi :

1) Pemodelan matematik untuk menduga sebaran suhu dan koefisien pindah panas di dalam reaktor, yang merupakan indikator pembentukan gas mampu bakar selama proses pengeringan, pirolisis, oksidasi, dan reduksi.

2) Analisis komposisi gas mampu bakar dan gas buang, proksimat, ultimat dan nilai kalor umpan kayu.

3) Perancangan reaktor, separator, filter gas, pendingin gas, akumulator, siklon, unit pencampur, panel kontrol, dan alat penukar kalor.

4) Penelitian gasifikasi dengan menggunakan 3 jenis umpan kayu: borneo, lamtorogung, dan asem.

5) Analisis pembentukan gas mampu bakar selama proses oksidasi, pirolisis, pengeringan dan reduksi Gasifier unggun tetap jenis aliran kebawah, yang merupakan reaktor konversi umpan kayu sebagai sumber energi hidro karbon menjadi gas mampu bakar antara lain : karbon monoksida, hidrogen dan gas metan yang untuk selanjutnya dengan menggunakan mesin pembakaran

(32)

kompressi (compression ignition engine) dapat dikonversi menjadi energi listrik.

6) Uji performansi mesin pembangkit tenaga listrik, alat penukar kalor, dan mesin pendingin adsorpsi.

(33)

2 KINERJA GASIFIER UNGGUN TETAP ALIRAN KE BAWAH

Pendahuluan

Salah satu energi alternatif yang dapat dikembangkan di Indonesia pada saat ini maupun masa mendatang adalah biomassa (kayu, serbuk gergaji, sekam padi, sampah, dan lain-lainnya). Biomassa dapat diubah menjadi sumber energi listrik dengan cara memanfaatkan teknologi gasifikasi. Abdullah et al. (1998) mendefinisikan bahwa gasifikasi biomassa merupakan suatu proses konversi bahan selulosa dalam suatu reaktor gasifikasi (gasifier) menjadi gas mampu bakar yang terdiri dari; karbon monoksida, hidrogen dan gas metan. Selanjutnya gas tersebut dipergunakan sebagai bahan bakar mesin pembangkit tenaga listrik dan sebagai sumber energi untuk proses termal lainnya seperti pengeringan dan pendinginan adsorpsi.

Tahapan proses gasifikasi dimulai dari 1) zona pengeringan di bagian paling atas gasifier 2) zona pirolisis, umpan kayu mulai terurai menjadi arang, uap air dan gas 3) zona oksidasi di bagian throat, menghasilkan tar, minyak, gas metan, karbon dioksida, karbon monoksida dan energi panas 4) zona reduksi di bagian bawah throat, mereduksi gas karbon dioksida menjadi karbon monoksida 5) gas mampu bakar yang keluar dari reaktor masuk ke unit pemurnian, pendinginan, unit pencampur, kemudian masuk ke mesin Diesel. Kualitas gas mampu bakar ditentukan oleh gasifier, sehingga diperlukan rancangan teknis gasifier yang optimal. Untuk itu, penelitian ini menggunakan model matematik untuk menentukan diameter reaktor, diameter throat, dan tinggi reaktor.

Tujuan khusus penelitian ini adalah :

1. Mendapatkan model matematika untuk menduga distribusi suhu dalam reaktor gasifikasi, optimasi alat penukar kalor gas buang, dan generator adsorpsi.

2. Menentukan rancang bangun alat uji sistem gasifikasi dengan umpan kayu, yang terdiri dari alat penyaring abu dan tar (tabung pemisah dan filter gas), pendingin gas, akumulator, cyclon, pencampur dan mesin diesel generator.

(34)

Pendekatan Teori

Jenis dan Parameter Gasifier. Jenis dan parameter gasifier ditentukan oleh arah aliran gas melalui reaktor (arah naik, arah turun, atau horizontal) atau oleh arah aliran padatan dan gas (searah, berlawanan arah atau aliran silang). Jenis reaktor yang sering dipakai adalah :

a. Gasifier reaktor tetap aliran berlawanan arah. Umpan dimasukkan pada bagian atas reaktor dan bergerak ke bawah melewati zona pengeringan, pirolisis, reduksi, dan oksidasi. Sedangkan udara masuk pada bagian bawah dan gas keluar pada bagian atas. Keuntungan jenis gasifier reaktor tetap aliran berlawanan arah yaitu kesederhanaannya, tingkat pembakaran arang yang tinggi, pertukaran panas internal sehingga suhu gas keluar rendah, dan efisiensi gasifikasi yang tinggi. Selain itu Gasifier jenis ini dapat menggunakan bahan bakar dengan kandungan air yang cukup tinggi (50% wb). Kekurangan gasifier jenis ini adalah produksi tar yang tinggi, akibat gas yang tidak melalui zona oksidasi. Gasifier jenis ini sesuai untuk pemanfaatan panas langsung. Namun jika digunakan sebagai bahan bakar mesin, perlu proses permurnian tar.

b. Gasifier aliran silang didesain untuk pemakaian arang. Gasifikasi arang menghasilkan suhu sangat tinggi (>1500 OC) di daerah oksidasi yang dapat mengakibatkan masalah material reaktor. Selain itu kinerja pemecahan tar rendah, sehingga diperlukan arang berkualitas tinggi. Keuntungan sistem ini adalah dapat dioperasikan pada skala yang sangat kecil dan konstruksi bagian pemurnian gas (cyclone dan baghouse filter) yang sederhana. Di negara yang sedang berkembang, sistem ini digunakan untuk tenaga poros dibawah 10 kW. c. Gasifier unggun tetap aliran ke bawah, biomassa dimasukkan pada bagian atas

reaktor dan udara dimasukkan pada bagian atas atau samping. Gas keluar dari bagian bawah reaktor sehingga bahan bakar dan gas bergerak pada arah yang sama. Gas hasil pirolisis dibawa melewati daerah oksidasi (dengan suhu tinggi) dimana terjadi proses pembakaran dan mengakibatkan terbakarnya unsur tar, sehingga gas mampu bakar memiliki kandungan tar yang rendah, sesuai dengan kebutuhan mesin. Gasifier jenis ini digunakan pada tingkat tenaga 10-500 kW. d. Gasifieropencore didesain untuk biomassa berukuran kecil dengan kandungan

(35)

11 (Knoef HAM & Stassen HEM 1994). Pada gasifier open core, udara dihisap melalui seluruh penampang bagian atas reaktor, sehingga ketersediaan oksigen lebih baik. Hal ini menyebabkan suhu reaktor padat tidak akan mencapai suhu ekstrim setempat di zona oksidasi, tidak seperti gasifier konvensional. Parameter teknis dan operasional untuk berbagai macam gasifier, tersaji pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1 Parameter teknis dan operasional beberapa jenis gasifier, (The Biomass Technology Group BV, 7500 AE Enchede, The Netherlands)

Uraian

Jenis gasifier Aliran

ke bawah

Aliran ke atas

Open core

Aliran silang

Panas aliran silang Kapasitas komersial maksimum

(kWe) 350 4 000 200 150 20 000*

Waktu penyetelan (min) 10-20 15-60 15-60 10-20 15-60

Sensitivitas terhadap bahan bakar sensitif tidak sensitif

sangat

sensitif sensitif tidak sensitif Produksi tar pada beban tinggi

(g/Nm3 gas) < 0.5 1-15 10-15 < 0.1*** tidak ada

Ukuran dan volume bagian

pembersih gas kecil besar besar kecil tidak ada

Kuantitas residu tar kecil besar besar Sangat

kecil*** tidak ada Sensitivitas terhadap fluktuasi

beban sensitif

Tidak sensitif

Tidak

sensitif sensitif tidak sensitif

Rasio turn down 3-4 5-10 5-10 22-3 8-10

HGeff beban tinggi (%) 85-90 90-95 70-80 80-90 90-95

CGeff beban tinggi (%) 65-75 40-60 35-50 60-70 tidak ada

Nilai kalor gas dingin (MJ/Nm3) 4.5-5 5-6 5.5-6 4-4.5 tidak ada

*kWtermal

**hanya sekam padi

***kandungan bahan volatil yang rendah (< 10% wt) charcoal

Sifat-sifat yang berhubungan dengan gasifikasi adalah antara lain : 1) Kandungan butiran air dalam reaktor, didefinisikan sebagai jumlah butiran air

dalam material, dinyatakan sebagai persentase dari berat material. Untuk proses konversi termal seperti gasifikasi, lebih disukai berupa umpan yang relatif kering, karena menghasilkan gas dengan kualitas lebih baik, nilai kalor yang lebih tinggi, dan dapat mencapai efisiensi yang optimal. 2) Abu merupakan bahan inorganik atau kandungan mineral yang tertampung dalam reaktor setelah umpan terbakar sempurna. Jumlah abu dari berbagai jenis umpan bervariasi dari 0.1% untuk kayu hingga 15% untuk beberapa produk pertanian, sehingga akan mempengaruhi desain reaktor, terutama sistem pembuangan abunya. Komposisi kimia abu juga penting

(36)

karena mempengaruhi perilaku pelelehan abu tersebut. Pelelehan abu dapat menyebabkan slagging dan penyumbatan saluran dalam reaktor. 3) Komposisi unsur kimia umpan kayu sangat menentukan kinerja gas mampu bakar, karena akan mempengaruhi nilai kalor dan tingkat emisi. Produksi senyawa nitrogen dan sulfur umumnya kecil pada gasifikasi reaktor, karena kandungan nitrogen dan sulfur yang rendah pada reaktor. 4) Nilai panas dan densitas bulk menentukan densitas energi pengumpan gasifier, yaitu energi yang tersedia per unit volume umpan. 5) Jumlah bahan volatil memiliki pengaruh pada tingkat produksi tar dalam gasifier, bahan volatil meninggalkan reaktor pada suhu rendah (gasifier unggun tetap aliran keatas) atau lewat melalui daerah oksidasi. Kandungan bahan volatil pada umpan kayu bervariasi antara 50% sampai 80%, panas bersih (low heating value), nilai kandungan air (MCw), dan kandungan abu (Acd) nilai tersaji pada Tabel 2.2.

Tabel 2.2 Karakteristik tipikal umpan reaktor yang digunakan untuk tujuan pembangkitan energi, (The Biomass Technology Group BV 1994)

Penyiapan umpan kayu perlu diperhatikan karena hampir semua jenis umpan memiliki variasi karakteristik fisik, kimia, dan morfologi yang berbeda. Derajat kebutuhan pengolahan awal yang spesifik tergantung pada karakteristik gasifier,

Je nis LHVw (kJ/kg MCw (%) Acd (%)

Ampas tebu 7.700 - 8.000 40-60 1,7 - 3,8 Kulit ari coklat 13.000 - 16.000 7 - 9 7 - 14

kulit kelapa 18.000 8 4

Kulit ari kopi 16.000 10 0,6 Residu kapas:

- tangkai 16.000 10 0.1

- sampah biji 14.000 9 12

Jagung:

- tongkol jagung 13.000 - 15.000 10 - 20 2

- tangkai 3 - 7

Residu minyak matahari: 5.000 63 5 - tangkai buah 11.000 40

- serat 15.000 15

- kulit 15.000 15

- ampas 9.000 - 15.000 13 - 15 1 - 20

Gambut 14.000 9 19

Sekam padi 12.000 10 4,4

Kayu 8.400 - 17.000 10 - 60 0,25 - 1,7 Charcoal 25.000 - 32.000 1 - 10 0,5 - 6

(37)

13 seperti kapasitas dan jenis reaktor (gasifier unggun tetap aliran ke bawah lebih mengharuskan keseragaman spesifikasi umpan kayu dibandingkan dengan gasifier unggun tetap aliran ke atas). Persyaratan bahan bakar tersaji pada Tabel 2.3.

Tabel 2.3 Persyaratan bahan bakar untuk gasifier fixed reaktor, (The Biomass Technology Group BV, 7500 AE Enchede, The Netherlands 1994) Keterangan

Jenis gasifier Aliran

ke bawah

Aliran

ke atas “Open core”

Aliran silang

Ukuran (mm) 20-100 5-100 1-3

sekam padi

1-3 charcoal

Kandungan butir air (w.b) <15-20 <50 <12

sekam padi

<7 Charcoal

Kandungan abu (% d.b) <5 <15 Kira-kira 20 <6

Morfologi seragam hampir

seragam

seragam Seragam

Densitas bulk (kg/m3) >500 >400 >100 >400

Titik leleh abu (oC) >1 250 >1 250 >1 000 >1 250

Umpan kayu dengan kandungan uap air 50-60% pada basis basah, perlu dikeringkan sampai batas kandungan uap air tertentu. Panas sensibel yang keluar dari mesin cukup dapat mengeringkan umpan kayu dari kandungan uap air 70% menjadi 10%.

Hasil penelitian gasifikasi dengan umpan sekam padi, mampu menghasilkan tenaga listrik di sisi terminal generator sebesar 100 kW dengan konsumsi

pemakaian sekam spesifik padi di bagian terminal generator sebanyak 1.84 kg/kW-jam (Gaos 2001). Sedangkan gasifikasi dengan umpan kayu ramin,

kapasitas 40 kW dengan konsumsi pemakaian kayu spesifik di bagian terminal generator sebanyak 1.56 kg/kW-jam (Trisaksono 1993). Dengan alat penukar kalor,

energi gas buang dari mesin pembangkit tenaga dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi termal (low level energy) yang ramah lingkungan, sesuai dengan protokol Kyoto. Perkembangan manufaktur mesin pembangkit tenaga gasifikasi dengan menggunakan umpan kayu yang dipasang di Raud dan Briolet Perancis dapat mencapai efisiensi termal di sisi terminal generator sebesar 25% (Martenzo Gasifier Inventory 2002). Penelitian di UK menghasilkan efisiensi 24% (Reaktor Engineering Limited 2001), yang terpasang di Seco Bois dan Geddine, Belgia 22-26% (Xylowatt sa 2002), sedangkan yang terpasang di Lahti, Varnamo, Rodaomill,

(38)

Lid, Vilhelmina, Norrsundet Bruk AB, Karlsborg, Kankaanpaa, Kempele, Kauhajoki, Bioneer Oy, Parkanon, Kitee, Jalasjarve, Ilomantsi, Wisa Forest, dan Varkaus Finlandia sebesar 45% (Forest Wheeler Energia Oy 2002).

Fenomena Pembakaran Kayu. Pembakaran pada kayu secara umum merupakan proses perubahan senyawa kimia, dalam hal ini selulosa sebagai senyawa terbesar dalam komposisi kayu selain hemiselulosa dan lignin. Menurut (Prasad, (1985), proses perubahan kimia dalam pembakaran kayu terbagi dalam tiga tahapan, yaitu: pirolisis yang menghasilkan senyawa yang mudah menguap dan pembentukan arang, dilanjutkan dengan proses pembakaran arang dan pembakaran senyawa yang mudah menguap. Secara sederhana proses perubahan kimia selama proses pembakaran selulosa dapat dilihat pada Gambar 2.1, sedangkan skema hubungan suhu dengan proses pembakaran kayu dapat dilihat pada Gambar 2.2.

Gambar 2.1 Perubahan senyawa kimia pembakaran selulosa, (Prasad 1985). Selulosa

PIROLISIS _PEMBAKARAN

Senyawa volatil mampu bakar

Levoglucosan

Air, kardon dioksida, dan arang

Nyala pembakaran

Pijar pembakaran

(39)

Gambar 2.2 Hubungan suhu dengan proses pembakaran kayu

Proses Gasifikasi Aliran ke Bawah. Gas hasil gasifikasi dapat digunakan sebagai bahan bakar untuk motor bensin maupun motor diesel antara lain: karbon monoksida (CO), metana (CH4), dan hidrogen (H2). Untuk memperoleh gas hasil gasifikasi diperlukan empat zona yang terjadi di dalam reaktor, yaitu :

1) Zona Pengeringan

Bahan baku terkena panas antara 100-250 °C sehingga bahan baku mulai mengering. Dengan demikian kandungan air akan menguap dan uap ini akan dimanfaatkan untuk proses kimia selanjutnya. Proses kimia penguapan air sebagai berikut:

H2O (cair) H2O (uap) 2) Zona Pirolisis

Setelah proses pengeringan dilakukan, bahan umpan kayu akan turun dan menerima panas pada suhu antara 250-500 °C dalam kondisi tanpa udara. Bahan baku mulai terurai dan menjadi arang, uap air, dan gas. Proses pirolisis dimulai dengan dekomposisi hemiselilosa pada suhu antara 200-250 °C, dekomposisi selulosa sampai dengan suhu 350 °C, dan proses pirolisis berakhir pada suhu 500 °C. Selanjutnya proses pengarangan

Nyala D

C Arang

B Pirolisis

A Kayu

Nyala difusi pembakaran phase gas (umumnya turbulen) 1000 oC ≤ T ≤ 1200 oC

Pindah panas dan massa secara simultan dengan reaksi kimia, permukaan pembakaran berlangsung lambat. 500 oC ≤ T ≤ 800 oC

Pindah panas secara konduksi diikuti dengan proses pirolisis 200 oC ≤ T ≤ 500 oC

Rambatan panas dalam media dengan kondisi batas yang berubah, perpindahan kadar air dan gas memiliki sifat yang tidak pasti T ≤ 200 oC

Aliran gas

(40)

berlangsung pada suhu 500-900 °C, terjadi di daerah batas zona pirolisis dan oksidasi. Proses kimia pirolisis adalah sebagai berikut:

CxHyOz arang, tar, minyak, asam organik, metana dan lain-lain. 3) Zona Oksidasi

Arang yang terbentuk dari ujung zona pirolisis masuk ke daerah oksidasi, selanjutnya dibakar dengan udara yang dimasukkan dari luar melalui lubang pemasukan udara, akan tetapi dengan jumlah yang tidak memadai sehingga terjadi pembakaran tidak sempurna. Suhu oksidasi berkisar antara 900-1400°C terjadi didaerah cekikan (throat section) yang merupakan zona pembakaran, (Smoot and Smith 1979).

2C + O2 2CO + energi termal 2CO + O2 2CO2 + energi termal

Tar, minyak, metana dll CO, CO2, H2O, CH4 + energi termal 4) Zona Reduksi

Proses ini dimaksudkan untuk mereduksi gas CO2 hasil proses oksidasi dengan arang menjadi gas CO. Proses ini berlangsung pada kisaran suhu 900 °C, dengan mengambil panas dari zona oksidasi. Arang bereaksi dengan gas CO2 membentuk gas CO, juga arang bereaksi dengan uap air membentuk gas CO dan methane. Proses kimia reduksi adalah sebagai berikut:

C + H2O CO + H2 – energi termal CO2 + C 2CO– energi termal

Unit pemurnian dan pendinginan gas, terdiri dari: cyclone, gas filter, air cooled dan scruber. Cyclone dan gas filter berfungsi untuk menghilangkan impuritas yang ada dalam gas seperti tar dan partikel, kemudian dilanjutkan ke air cooled dan scrubber untuk mendinginkan gas sebelum dipakai sebagai bahan bakar mesin. Pada proses ini banyak panas yang dilepas dari air cooled yang dapat digunakan untuk pengeringan bahan baku sebelum masuk ke dalam tungku.

Agar terjadi pembakaran yang baik diperlukan lima persyaratan, yaitu: pencampuran murni reaktan, udara yang memadai, suhu yang cukup, waktu yang cukup untuk berlangsungnya reaksi, dan memiliki kerapatan yang cukup untuk merambatkan nyala api.

(41)

17 Karbon merupakan salah satu unsur yang paling penting dan menjadi bagian utama dari setiap senyawa hidrokarbon. Oksidasi karbon lebih lambat dan lebih sulit dibanding dengan hidrogen dan sulfur. Karbon merupakan zat padat bersuhu tinggi dan relatif lebih lambat terbakar sehingga secara teoritis, sulfur dan hidrogen dianggap terbakar sempurna sebelum karbon terbakar.

Karbon akan teroksidasi menjadi karbon monoksida (CO) sebelum semua bagian karbon diubah menjadi karbon monoksida, berikut reaksi kimia:

2C + O2 2CO + 2Q C-CO 2Q C-CO = 110380 kJ/(kg.mol C)

(24,02 kg) (32 kg) (56,02 kg)

Pada reaksi diatas, jika jumlah karbon memadai, maka karbon monoksida akan teroksidasi menjadi karbon dioksida atau mengalami pembakaran sempurna. Proses pembakaran sempurna akan melepaskan energi. Reaksi pembakaran sempurna adalah sebagai berikut :

2CO + O2 2CO2 + 2Q CO-CO2 2Q CO-CO2 = 283 180 kJ/(kg.mol C)

(56,02 kg) (32 kg) (88,02 kg)

Nilai pembakaran tinggi dari karbon adalah 32 778 kJ/kg sedangkan nilai pembakaran rendah adalah 14 093 kJ/kg.

Hidrogen mempunyai suhu penyalaan yang paling tinggi, yaitu 582oC diantara ketiga unsur yang dapat terbakar, namun karena berupa gas, kinetika perubahan hidrogen berlangsung sangat cepat. Apabila terdapat udara yang cukup, hidrogen akan terbakar sempurna menjadi air.

2H2 + O2 2H2O + Q H2 2Q H2 = 286470 kJ/(kg.mol C)

(4.032 kg) (32 kg) (36.032 kg)

Nilai pembakaran tinggi dari hidrogen adalah 142 097 kJ/kg sedangkan nilai pembakaran rendah adalah 51 623 kJ/kg.

Sulfur memiliki suhu penyalaan 243 oC yang merupakan suhu penyalaan terendah diantara ketiga unsur mampu bakar di atas. Produk pembakaran sulfur merupakan polutan amosfer paling utama, walaupun saat pembakaran melepaskan energi kimia, reaksi pembakaran seperti berikut :

(42)

S + O2 SO2 + Q S Q S = 296 774 kJ/(kg.mol C)

(32.06 kg) (32 kg) (64.06 kg)

Nilai pembakaran tinggi dari sulfur adalah 9 257 kJ/kg sedangkan nilai pembakaran adalah rendah 3 980 kJ/kg.

Pemodelan Matematik Suhu Proses Gasifikasi. Pemodelan matematika dimulai dari proses oksidasi, berdasarkan proses gasifikasi di atas, zona oksidasi adalah tempat terjadinya proses pembakaran. Proses pembakaran adalah reaksi kimia antara hidrokarbon yang dimiliki kayu dengan oksigen di udara. Proses pembakaran akan menghasilkan energi dalam bentuk panas yang terjadi sepanjang

0 ≤ Z<L, di mana Z adalah koordinat aksial gasifier, dan L merupakan tinggi gasifier. Skema zona gasifikasi dapat dilihat pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3 Skema zona gasifikasi pada gasifier unggun tetap aliran ke bawah.

Persamaan yang digunakan pada penelitian ini mengunakan parameter sifat fisik dan termodinamika gasifier yang tersaji pada Lampiran 3 sampai 6. Proses pembakaran terjadi ketika udara dimasukkan melalui Z=0 (awal proses oksidasi)

Gas mampu bakar

Pengeringan

Pirolisis Oksidasi

Reduksi Udara

0 L

(43)

19 dengan Suhu T1 dan kecepatan superficial (v1), (Bird et al 1994). Kecepatan aliran fluida ini dapat diselesaikan dengan asumsi bahwa konduksi panas aksial berdasarkan Hukum Fourier dimana konduktivitas termal efektif berlaku dalam satu selubung reaktor.

1 2

1 _π _ρ

R w

v = (2.1)

Keterangan :

v1 = superficial gas velocity, m/s

w = laju masa, kg/s

R = jari-jari gasifier, m 1

ρ

= densitas bahan yang dibakar, kg/m3

Laju volume dari energi panas yang dihasilkan oleh reaksi pembakaran (Sc) secara umum merupakan fungsi dari tekanan, suhu, komposisi bahan bakar, dan efektifitas pembakaran. Pada penelitian ini, Sc hanya merupakan fungsi suhu (Bird

et al 1994).

o o c

T T

T T S S

− − =

1 (2.2)

Keterangan:

Sc = laju volume energi panas hasil dari reaksi pembakaran, W/m3

Sc1 = laju volume energi panas yang dihasilkan oleh reaksi pembakaran pada

sisi masuk reaktor, m3/s

To = suhu lingkungan, °C T1 = suhu masuk gasifier, °C T = suhu keluar gasifier, °C

Kesetimbangan energi termal pada kondisi steady yang terjadi di gasifier dapat dijabarkan dengan skema di bawah ini :

Gambar 2.4 Skema kesetimbangan energi termal di gasifier.

Perhitungan energi panas masuk, energi panas keluar, dan produksi energi panas menggunakan persamaan berikut ini :

- Energi panas masuk melalui proses konduksi pada z Laju energi

panas masuk

Laju produksi energi panas Laju energi

(44)

Z Z

q R2

π

- Energi panas masuk melalui aliran pada z

Z o

p T T

C v

R 1 1 ( )

ρ

₋

π

- Energi dalam bentuk panas keluar melalui konduksi pada z+Δz

Z Z Z

q R2 ₊_Δ

π

- Energi dalam bentuk panas keluar melalui aliran pada z+Δz

Z Z o

p T T

C v

R 1 1 ( − ) ₊_Δ

ρ

π

- Energi dalam bentuk panas yang diproduksi

c S Z

R )

(π 2Δ

Apabila persamaan di atas dimasukkan ke dalam persamaan umum kesetimbangan energi yang kemudian dibagi dengan (πR2ΔZ)maka diperoleh:

(

)

(

)

(

)

(

)

_{[ ]}

(

)

(

)

_{[ ]}

(

)

(

)

_{[ ]}

c Z p Z Z p Z Z Z Z Z c Z p Z Z Z Z p Z Z Z c Z Z p Z Z Z Z p Z Z c Z Z p Z Z Z Z p Z Z S Z T T C v Z T T C v Z q Z q S Z T T C v Z q Z T T C v Z q S Z T T C v Z q Z T T C v Z q S Z R Z R Z R T T C v R Z R q R Z R T T C v R Z R q R = ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ Δ − − Δ − + ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ Δ − Δ = ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ Δ − + Δ − ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ Δ − + Δ = + ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ Δ − + Δ − ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ Δ − + Δ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ Δ Δ + ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ Δ − + Δ − ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ Δ − + Δ Δ + Δ + Δ + Δ + Δ + Δ + Δ + Δ + 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 2 2 2 0 1 1 2 2 2 2 0 1 1 2 2 2 0 0

ρ

π

ρ

π

ρ

π

[ ]

c p Z _S dz dT C v dz dq ₌ ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ + ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ 1 1

ρ (2.3)

Selanjutnya kita memasukkan Fourier’s Law ke dalam persamaan (2.3) dan mengasumsikan bahwa konduktivitas aksial efektif (kz eff) konstan, sehingga diperoleh persamaan berikut:

[ ]

c p eff Z S dz dT C v dz T d

k _⎥+_⎢⎣⎡ _⎥⎦⎤=

⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡₋ 1 1 2 2

ρ

(2.4)

Persamaan (2.4) dapat diaplikasikan pada zona I (z<0) apabila Scdibuat sama dengan nol. Zona I (z<0) merupakan bagian gasifier dimana gas hasil reaksi

(45)

21 oksidasi bergerak ke bawah. Karena tidak terjadi pembentukan energi, maka terjadi

craking dan endoterm, dimana gas karbon dioksida mengalami reduksi menjadi karbon monoksida sehingga terjadi penurunan suhu. Gas kemudian bergerak ke atas melalui selimut gasifier, dimana terjadi proses cracking. Berdasarkan proses

cracking dan reduksi karbon dioksida, persamaan (2.4) menjadi :

0 1 1 2 2 , ⎥⎦= ⎤ ⎢⎣ ⎡ + ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − dz dT C v dz T d

k_Z_eff

ρ

_p (2.5)

Sehingga persamaan differensial yang digunakan untuk distribusi suhu pada kedua zone sebagai berikut :

a. Pemodelan Matematika untuk Zona I (di bawah Grate)

Zona I (z<0) : ₂ ₁ ₁ 0

2 , + = − dz dT C v dz T d k I p I eff

Z ρ (2.6)

Persamaan (2.6) dapat digunakan untuk menduga distribusi suhu terhadap panjang aksial (arah z) dari gasifier (lihat 2.2)

b. Pemodelan Matematika untuk Zona II (di atas Grate)

Zona II (0<z<L) : _c

II p II eff Z S dz dT C v dz T d

k + =

− 2 1 1

, ρ (2.7)

Pada zona II (0<z<L) tersebut terdiri atas proses oksidasi, reduksi, pirolisis, dan pengeringan. Berdasarkan skema zona gasifikasi (gambar 5), zona ini terdiri dari proses: oksidasi, pirolisis, dan pengeringan. Persamaan (2.7) digunakan untuk menduga distribusi suhu terhadap panjang aksial (arah z) dari diagram proses gasifikasi.

Keseimbangan Energi Gas Hasil Gasifikasi. Gas hasil gasifikasi dan udara masuk ke mesin diesel melalui peralatan unit pencampur. Kemudian gas dan udara mengalami reaksi pembakaran di ruang bakar. Keseimbangan energi selama proses meliputi energi hasil pembakaran, kerja, energi yang diserap fluida dingin, dan energi yang dilepas gas. Persamaan keseimbangan energi adalah sebagai berikut:

∆H1 + ∆H2 + R298K = ∆H3 + ∆H4 + P (2.8)

∫

+ = Δ 1 298 2 1 298

2. ( . ) .

) .. ( 1 T T dT O cp m dT N cp m

(46)

(2.10)

(2.11) Keterangan :

∆H1 = entalphi udara yang masuk unit pencampur, kJ/kg

T1 = suhu udara masuk ke unit pencampur, K

m = jumlah mol per jam dari masing-masing gas N2 dan O2, kg mol cp = panas jenis gas, kJ/kg.K

∆H2 = entalphi gas hasil gasifikasi yang masuk unit pencampur, kJ/kg

R298K = energi reaksi pada suhu stándar yang terjadi di dalam ruang bakar,

kJ/h

∆H3 = entalphi gas buang yang keluar motor diesel, kJ/kg ∆H4 = entalphi yang dibawa oleh fluida pendingin, kJ/kg

P = daya keluaran yang diukur pada terminal generator, kW

Penentuan Ukuran Gasifier Unggun Tetap Aliran ke Bawah. Ukuran gasifier unggun tetap aliran ke bawah dihitung dengan menggunakan persamaan berdasarkan referensi Design Consideration For Difference Type of Gasifier ( Reed

and Stassen 1985) di bawah ini:

Laju gas yang disyaratkan untuk gasifikasi adalah

(2.12) Keterangan:

Фm = laju aliran gas stokiometrik pada gasifier, m3/s D = diameter gasifier, mm

Us = kecepatan gas yang diijinkan untuk gasifikasi, m/s Kecepatan minimum aliran gas adalah

(2.13)

Keterangan:

µ = viskositas kinematik gas, kg/m.s

∫

+ + + + = Δ 2 298 2 298 2 2 2 298 2 298 3 2 298 2 2 . ) . ( . ) . ( . ) . ( . ) . ( . ) . ( T T T T T dT CO cp m dT N cp m dT CH cp m dT CO cp m dT H cp m H 4 4 2 2

298K mco Hco mH HH mCH HCH

R = Δ + Δ + Δ

2 . 4 / . 2 D U m s

_π

Φ =

(

)

(

)

[

7,696 0,00605* 7,696

]

2 / 1

2₊ ₋

= Ar d U p g mf

ρ

μ

(47)

ρg = massa jenis gas, kg/m3 dp = diameter takikan, m Ar = luas penampang, m2

Umf = kecepatan minimum yang diijinkan, m/s Konstanta gasifikasi adalah:

(2.14)

Keterangan:

dp = diameter takikan, m

ρg = massa jenis gas, kg/m3

ρs = massa jenis partikel gas, kg/m3 g = percepatan gravitasi, m/s2 µ = viskositas kinematik, kg/m.s Tinggi fluidized reaktor adalah:

(2.15) Keterangan:

Hmf = tinggi minimum gasifier, m Hf = tinggi gasifier, m

Berdasarkan teorema Stokes, diameter minimum partikel adalah

(2.16) Keterangan:

h = lebar gasifier, m L = panjang, m

ρp = massa jenis partikel, kg/m3 dp = diameter partikel, micron v = kecepatan gas masuk, m/s Persamaan untuk menentukan diameter cyclone

(2.17) Keterangan :

Dc = diameter cyclone, m

(

)

2 3 . .

μ

ρ

g d

Ar p g s g

− =

(

)

126 , 0 937 , 0 376 , 0 006 , 1 738 , 0 . . . . . 418 , 8 g mf mf s p mf s mf f U H d U U H H ρ ρ − + = L g v h d p p . . . . 18

ρ

μ

= 2 . 0 . 4 . 58 . 2 2 v d D_c = p

(48)

Persamaan untuk menentukan kerugian tekanan di cyclone

(2.18)

Keterangan :

∆P = kerugian tekanan gas di cyclone, Pa T = suhu gas di cyclone, K

Energi Pembakaran Gas Hasil Gasifikasi. Energi yang dimiliki gas mampu bakar hasil proses gasifikasi dalam reaktor merupakan perkalian antara jumlah mol setiap unsur dengan nilai kalor pembakarannya. Persamaan perhitungan energi gas mampu bakar berdasarkan Chemical Engineers Handbooks (Robert H. Perry & Cecil H. Chilton 1973)

(2.19)

Keterangan :

m = jumlah mol, mol

∆H = nilai kalor pembakaran, kJ/m3

Analisis Eksergi dalam Unit Pencampur. Unit pencampur berfungsi untuk mencampur gas hasil gasifikasi dengan udara sebelum masuk ke ruang bakar motor gas. Suplai udara dan gas dapat diatur (adjustable) fraksinya. Nilai kalor gas yang telah bercampur dengan udara dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:

(2.20)

Keterangan :

Hig = nilai kalor campuran gas dengan udara, kJ/m3 VCO = fraksi volume karbon monoksida didalam gas. VH2 = fraksi volume hidrogen dalam gas

VCH4 = fraksi volume metana dalam gas

8 3 8 3 6 2 62 2 4 4 2 2 H C gas H C gas H C gas H C gas CH gas CH gas CO gas CO gas H gas H gas

H

m

H

m

H

m

H

m

H

m

Δ

+

Δ

+

Δ

+

Δ

+

Δ

=

Q

(

)

(

2₂ ₄

)

52 . 9 38 . 2 38 . 2 1 900 . 35 800 . 10 680 . 12 CH H CO CH H co ig V V V V V V H + + + + + = T v P 2 . 780 = Δ

(1)

6 SIMPULAN DAN SARAN

Simpulan

1. Rancangan gasifier berdasarkan laju aliran dan kecepatan minimum gas memiliki diameter reaktor 600 mm, diameter throat 120 mm, dan tinggi reaktor 1800 mm. Umpan kayu terbaik adalah Borneo, dengan nilai kalor sebesar 18897.12 kJ/kg, memiliki ketersediaan energi 561.24 MJ, dan energi pembakaran persatuan waktu 25.98 kW.

2. Perhitungan luas permukaan sentuh alat penukar kalor menggunakan metode Kern dengan sistem trial and eror, dimana varibel bebas adalah dimensi alat penukar kalor dan variabel tetap adalah suhu dan laju masa fluida. Penukar panas memiliki 150 tube dengan panjang 200 mm, diameter dalam 8 mm, diameter luar 10 mm, konduktivitas termal bahan 385 W/mK, dan diameter

shell 200 mm, mampu memindahkan panas gas buang ke generator desorpsi sebesar 0.83 kW pada suhu 85 oC, koefisien perpindahan panas menyeluruh 26.49 W/m2K, efektivitas 7.08%, dan efisiensi eksergi 9.36%

3. Percobaan dengan umpan kayu Borneo dan bahan bakar solar mampu mengkonversi energi termal menjadi energi listrik pada beban nominal sebesar 6 kW, efisiensi termal mesin pembangkit tenaga 15.10%, energi gas buang 6.85 kW, pemanfaatan energi gas buang melalui alat penukar kalor 0.83 kW, koefisien pindah panas menyeluruh 26.49 W/m2K, efisiensi eksergi alat penukar kalor tertinggi 29.36%, energi yang digunakan untuk proses desorpsi (menguapkan metanol dari silikagel) sebesar 1086.7 kJ, dan efisiensi eksergi generator desorpsi 4.04% dengan COP mesin pendingin adsorpsi 0.4

4. Berdasarkan perhitungan biaya operasi dan investasi sistem gasifikasi biomassa dengan pola operasi selama 6000 jam per tahun menggunakan bahan bakar campuran kayu dan minyak solar dengan fraksi 40:60 dapat dinyatakan layak karena NPV sebesar Rp2 527 240.59, IRR sebesar 21.22% dan pengembalian investasi selama 37.94 bulan.

(2)

Saran

1. Untuk menghasilkan proses oksidasi dan reduksi yang lebih optimal, perlu modifikasi konstruksi gasifier. Ruang antara dinding luar dan bata tahan api dimodifikasi dengan jarak antara 4-5 mm yang meliputi seluruh lingkaran reaktor dan lubang distribusi udara masukan disekitar throat dibuat minimal 6 lubang, sehinggga distribusi udara lebih merata.

2. Untuk mendapatkan biaya energi spesifik yang optimal disarankan agar ukuran gasifier dan mesin pembangkit dirancang untuk mampu menghasilkan daya listrik pada terminal generator 40 kW.

(3)

DAFTAR PUSTAKA

Abdullah K et al. 1998. Energi dan listrik pertanian. JICA-DGHE/IPB PROJECT/ADAET:JTA-9a (132). Institut Pertanian Bogor. Bogor : IPB. Bejan A, Tsatsaronis G, Moran M. 1996. Thermal design and 0ptimazation. New

York: John Willey & Son, Inc.

Boehm, R.F. 1987. Design of Analysis of Thermal System. New York:John Wiley & Sons.

Bhattacharya SC.1997. State of the Art of Biomass gasification. Bangkok: Energy Program, Asian Insitute of Technology.

Bird RB, Stewart WE, Lightfoot EN. 1994. Transport phenomena. Singapore: John Willey & Son Inc.

Cengel YA. 2003. Heat transfer a practical approach. Second Edition. Singapore: Mc Graw Hill.

Cengel YA, Boles MA. 2006. Thermodynamics an engineering approach. Fifth Edition in SI Unit. Singapore: Mc Graw Hill.

European Commission Directorate Generale JRC Joint Reserch Centre. 2006.

Energy Efficiency Technique. European IPPC Bureau.

Gaos YS. 2002. Prospek penerapan gasifier unggun tetap aliran kebawah untuk pembangkit tenaga listrik dengan umpan sekam padi. Indonesia: FT Univ. Indonesia.

Jain BC. 1996. Downdraft gasifier with compression ignation engine generator output 3,5 kW to 500 kW . Gujarat. Bagota. India.

Knoef HAM, Stassen HEM. 1994. Energy generation from biomass and waste in Netherlands; A brief overview and perspective, biomass technology group.

The Netherlands.

Knoef HAM, Stassen HAM. 1994. Development of a standard procedure for gas quality testing in biomass gasifier plant/power generation system, biomass technology group. The Netherlands.

Kreith F. 1994. Principle of heat transfer. Harper & Row, Publishers, Inc.

Lapidus L. 1962. Digital computation for chemical engineer. New York: Mc Graw Hill.

(4)

Manurung R. 1994. Design and modeling of a novel continuous open core dwondraft rice husk gasifier. Rijksuniversitiet Groningen.

Moran JM, Shapiro NH. 1988. Fundamental of Engineering Thermodynamics. New York: John Willey & Son, Inc.

Obert EF. 1968. Internal combustion engines. Scranton, Pennsylpania, International Texbook Company.

Oertel K. and Fisher M. 1998. Adsorption cooling system for cold storage using methanol/silicagel. Applied thermal Engineering 18:773-786

Perry Robert H. & Chilton Cecil H.1973.Chemical Engineers Handbooks. McGraw-Hill Kogakusha, Ltd, Tokyo.

Prasad KK, Sangen E, Visser P. 1985. Woodburning cookstoves. Eindhoven, The Netherlands: Department of Applied Physics.

Rao STIP, Mohan R, Rao SS, Kumar PR.1994. Performance evaluation of wood gasifier and wood gas diesel genset. India: Departement of Mechanical Engineering.

Reed TB, Stassen HEM, 1985, Design consideration for different types of gasifier.

Netherlands: Twente University of Technology Enschede.

Reklaitis GV. 1983. Introduction to Material and Energy Balances. New York : John Wiley & Sons. Appendix: Physical Properties Data, hal 635-660

Rekleatis, GV. 1983. Introduction to Material and Energy Balance. John Willey & Sons,Inc USA. Appendix hal 635-660

Reynold CW, Perkins CH, Harahap P. 1991. Termodinamika Teknik. Penerbit Erlangga.

Smoot LD, Smith PJ. 1979. Coal gasification and combustion. New York. Plenum Publishing Co.

Stassen HEM, Knoef HAM. 1996. Small scale gassification systems. The Netherlands: Biomass Technology Group BV, 7500 AE Enchede.

Taylor CF. 1966. The internal combustion engine in theory and practice. Vol. I Thermodynamics, Fluid Flow, Performance. Second Edition. Massachuset: The M.I.T. Press.

Teng Y, Wang RZ, Wu JY. 1997. Study of fundamental of adsorbtion applied thermal engineering. China.

(5)

Sakoda A and Suzuki M. 1984. Fundamental study on solar powered adsorption cooling system. Journal of Chemical Engineering of Japan 17: 52–57.

Smith JM, Van Ness HC. 1987. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics. 4th ed. Singapore : McGraw-Hill Book Co;1987. hal..115-116.

Suad Husnan. 1987. Manajemen Keuangan Teori dan Penerapan (Keputusan Jangka Panjang). BPFE-Yogyakarta.

Stocker WF. 1989. Design of thermal system. New York. McGraw-Hill, Inc.

Suresh MVJJ, Reddy KS, Ajit Komar Kolar. 2006. Energy and Exergy based Thermodynamics Analysis of 62.5 MW Coal-Based Thermal Power Plants – A Case Study. Indian Institut of Technology Madras Chenai, India.

Suryanarayana NV, Arici Oner. 2003. Design and simulation of thermal system. New Ork: Mc Graw-Hill Higher Education

(6)

YOGI SIRODZ GAOS. Biomass Gasificasion for Electric Generation and Waste Exhaust Gas Utilization for Adsorption System. Under direction of ARMANSYAH H. TAMBUNAN, KAMARUDDIN ABDULAH, and PRAWOTO

0.29% C2H6 and 0,08% C3H8, 42.90% CO2, and the maximum temperture in

oxidation zone was 1142 oC. It had 561.24 MJ of combustion energy with rates 25.98 kW. Dual fuel between high speed diesel oil and borneo chip wood with the fraction 60:40 had been implemented to diesel engine as a prime mover and could generate 8 kW electric power. The best performance result was at a nominal load of 6 kW with specific fuel consumption 0.32 l/kWh diesel oil and 1.98 kg/kWh wood.

Key words: downdraft gasifier, combustible gas, heat exchanger, adsorpsion, energy, and exergy efficiency.