Kajian Performansi Mesin Genset Otto Dengan Bahan Bakar Premium Dan Biogas Dari Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit

(1)

KAJIAN PERFORMANSI MESIN GENSET OTTO DENGAN

BAHAN BAKAR PREMIUM DAN BIOGAS DARI LIMBAH

CAIR PABRIK KELAPA SAWIT

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

AGUSTINUS SITIO NIM : 090401087

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

M E D A N

(2)

Abstrak

Biogas merupakan gas yang mudah terbakar (flamable) yang dihasilkan dari proses fermentasi bahan-bahan organik oleh bakteri-bakteri anaerob yang berasal dari limbah rumah tangga kotoran hewan (sapi, babi, ayam) dan sampah organik termasuk POME. POME merupakan kondensat dari proses sterilisasi cairan yang berasal dari pengolahan kelapa sawit menjadi crude palm oil. Tujuan penelitian ini untuk mengetahui performasi bahan bakar biogas dan kemudian membandingkannya dengan bahan bakar premium. Performansi yang dimaksud meliputi daya, torsi, konsumsi bahan bakar spesifik, efisiensi termal, rasio udara- bahan bakar, emisi gas buang dan hasil pembakaran pada busi. Pengujian dilakukan dengan menggunakan variasi beban lampu 100W, 200W, 300W, 400W, dan 500W. Penelitian ini memanfaatkan biogas yang diproduksi dari limbah cair kelapa sawit untuk digunakan sebagai bahan bakar pada mesin genset otto4-langkah STARKE tipe GFH1900LX dengan daya puncak 1,3 kW, daya rata- rata 1,0 kW, bore 55 mm, stroke 40 mm, Vd 95 × 10−6 m3, Vc 10 × 10−6 m3, rasio

kompresi 10,5 : 1, dan jumlah silinder 1 silinder.

Dari hasil pengujian didapat pada penggunaan bahan bakar biogas terjadi

penurunan daya, torsi, efisiensi termal brake, AFR, kadar emisi gas CO dan O2. Sementara itu terjadi peningkatan nilai sfc, kadar

emisi gas HC dan gas CO2.

Kata kunci : AFR, biogas, daya, efisiensi termal brake,emisi gas buang, pome, sfc, torsi

(3)

Abstract

Biogas is flammable gas produced from the fermentation of organic matter by anaerobic bacteria derived from household waste manure ( cow , pig , chicken ) and organic waste including POME . POME is a condensate of the sterilization process liquid derived from palm oil processing into crude palm oil . The purpose of this study to determine performasi biogas fuel and then compare it with premium fuel . Performance may include power , torque , specific fuel consumption , thermal efficiency , air-fuel ratio , exhaust emissions and combustion in spark plugs . Testing is done by using a variation of the lamp load 100W , 200W , 300W , 400W , and 500W . This study utilizes the biogas produced from palm oil wastewater to be used as fuel in the generator engine 4-stroke otto Starke GFH1900LX type with 1.3 kW peak power , average power 1.0 kW , bore 55 mm , stroke 40 mm , Vd 95 × 10−6 �3, Vc 10 × 10−6 �3, the ratio of compression 10.5 : 1 , and just 1 cylinder . From the test resultshowed the value of power, torque, brake thermal efficiency, AFR, emission levels of CO and O2 decreases. Meanwhile an increase in the value of sfc, emissions of HC and CO2.

Keywords : AFR , biogas , power , brake thermal efficiency , exhaust emissions , pome , sfc , torque

(4)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, atas segala rahmat dan karunia-Nya yang telah memberikan berkat kesehatan dan hikmat kepada penulis sehingga penelitian ini dapat dilaksanakan dan diselesaikan dengan baik sesuai dengan waktu yang telah direncanakan.

Skripsi berjudul“Kajian Performansi Mesin Genset Otto Dengan Bahan Bakar Biogas dan Premium”,

Penulis menyampaikan ucapan terima kasih setinggi-tingginya dan tak terhingga kepada yang terhormat :

disusun untuk memperoleh gelar SarjanaTeknik di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

1. Bapak Dr.Ing.Ir.Ikwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

2. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

3. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus ST. MT sebagai dosen pembimbing yang telah meluangkan waktunya untuk memberikan bimbingan kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.

4. Bapak Dr.Eng. IrvanMSi. dan Bapak Ir. Bambang Trisakti MT selaku dosen yang bertanggung jawab di LP3M USU tempat dimana penulis melaksanakan penelitian.

5. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

6. Abangda Suprihatin dan Abangda Andryan selaku Laboran Laboratorium Prestasi Mesin Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah banyak memberikan arahan kepada penulis selama pengujian di laboratorium.

7. Bapak Sudarto dan Bapak Hendriono beserta segenap karyawan Auto2000 SM Raja yang telah memberikan bantuan dalam pengujian emisi gas buang motor bakar.

(5)

8. Kedua orang tua penulis, Ayahanda J. Sitio dan Ibunda O.Sihombing, serta saudara penulis Christianto, Maruli, dan Nelly atas kasih sayang, doa dan dukungan yang tidak berkesudahan kepada penulis.

9. Seluruh teman-teman penulis, baik teman satu angkatan 2009 juga teman- teman yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah menemani dan memberikan masukan serta semangat kepada penulis.”Solidarity Forever”

Penulis telah berupaya semaksimal mungkin, namun penulis menyadari masih banyak kekurangannya, untuk itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang bersifat membangun dari pembaca demi sempurnanya skripsi ini. Kiranya skripsi ini dapat bermanfaat dalam memperkaya khasanah ilmu pengetahuan.

Medan, Juli 2014 Penulis

NIM.090401087 Agustinus Sitio

(6)

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR GAMBAR ... ix

DAFTAR TABEL ... xii

DAFTAR NOTASI ... xiv

BAB I PENDAHULUAN 1.1Latar Belakang ... 1

1.2Tujuan Penelitian ... 2

1.3Manfaat Penelitian ... 3

1.4Batasan Masalah ... 3

1.5Metodologi Penulisan ... 4

1.5 Sistematika Penulisan ... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Sejarah Bahan Bakar Premium dan Biogas ... 6

2.1.1 Sejarah Bahan Bakar Premium ... 6

2.1.2 Sejarah Bahan Bakar Biogas ... 7

2.2 Sifat-sifat Premium dan Biogas ... 9

2.2.1 Sifat-sifat Premium ... 9

2.2.2 Sifat-sifat Biogas ... 9

2.3 Nilai Kalor Premium dan Biogas ... 10

2.3.1 Nilai Kalor Premium ... 10

2.3.2 Nilai Kalor Biogas ... 12

2.4 Proses Produksi Premium dan Biogas ... 13

2.4.1 Proses Produksi Premium ... 13

2.4.2 Proses Produksi Biogas ... 16

2.5 Manfaat Premium dan Biogas dalam Kehidupan ... 18

2.5.1 Manfaat Premium dalam Kehidupan ... 18

(7)

2.6 Permasalahan Premium dan Biogas Sebagai Bahan

Bakar Mesin ... 19

2.6.1 Permasalahan Premium Sebagai Bahan Bakar Mesin ... 19

2.6.2 Permasalahan Biogas Sebagai Bahan Bakar Mesin ... 19

2.7 POME (Palm Oil Milf Effluent) ... 20

2.8 Pengelolaan POME menjadi Biogas di LP3M USU ... 22

2.9 Mesin Otto Empat Langkah ... 25

2.10 Performansi Motor Bakar ... 26

2.10.1 Torsi dan Daya ... 27

2.10.2 Konsumsi Bahan Bakar (sfc) ... 27

2.10.3 Efisiensi Thermal ... 28

2.10.4 Rasio Udara - Bahan Bakar (AFR) ... 28

2.11 Pembakaran pada Mesin Otto ... 29

2.11.1 Karburator... 30

2.11.2 Penyalaan dengan Bunga Api ... 31

2.11.3 Saat Penyalaan dan Pembakaran ... 33

2.12 Generator Set ... 35

2.12.1 Tipe Generator Set ... 36

2.14 Emisi Gas Buang ... 37

2.14.1 Sumber ... 38

2.14.2 Komposisi Kimia ... 38

2.14.3 Bahan Penyusun ... 38

BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Waktu Dan Tempat ... 41

3.2 Alat Dan Bahan ... 41

3.2.1 Alat ... 41

3.2.2 Bahan ... 56

3.3 Metode Pengumpulan Data ... 56

3.4 Metode Pengolahan Data ... 56

3.5 Pengamatan Dan Tahap Pengujian ... 56

3.6 Prosedur Pengujian Performansi Mesin Otto Generator Set ... 57

(8)

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Daya ... 63 4.1.1 Analisa Perhitungan Daya Menggunakan Bahan Bakar

Premium ... 63 4.1.2 Analisa Perhitungan Daya Menggunakan Bahan Bakar

Biogas... 64 4.1.3 Perbandingan Daya yang dihasilkan Premium dan

Biogas ... 65 4.2 Torsi ... 67

4.2.1 Analisa Perhitungan Torsi Menggunakan Bahan Bakar Premium ... 67 4.2.2 Analisa Perhitungan Torsi Menggunakan Bahan Bakar

Biogas... 69 4.2.3 Perbandingan Torsi yang dihasilkan Premium dan

Biogas ... 70 4.3 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (sfc) ... 71

4.3.1 Analisa Perhitungan Bahan Bakar Spesifik

Menggunakan Bahan Bakar Premium ... 72 4.3.2 Analisa Perhitungan Bahan Bakar Spesifik

Menggunakan Bahan Bakar Biogas ... 74 4.3.3 Perbandingan Konsumsi Bahan Bakar Spesifik

Menggunakan Bahan Bakar Premium dan

Biogas... 77 4.4 Efisiensi Thermal ... 78

4.4.1 Analisa Perhitungan Efisiensi Thermal

Menggunakan Bahan Bakar Premium ... 78 4.4.2 Analisa Perhitungan Efisiensi Thermal

Menggunakan Bahan Bakar Biogas ... 80 4.4.3 Perbandingan Efisiensi Thermal Brake Premium dan

Biogas... 82 4.5 Rasio Udara-Bahan Bakar (AFR) ... 83

(9)

Premium ... 83

4.5.2 Analisa Perhitungan AFR Menggunakan Bahan Bakar Biogas... 88

4.5.3 Perbandingan AFR Menggunakan Bahan Bakar Premium dan Biogas ... 92

4.6 Analisa Ekonomi ... 93

4.7 Hasil Pembakaran ... 94

4.8 Pengujian Emisi Gas Buang ... 96

4.8.1 Emisi Gas Buang Bahan Bakar Premium ... 96

4.8.2 Emisi Gas Buang Bahan Bakar Biogas ... 96

4.9 Analisa Perbandingan Kadar Gas Buang ... 96

4.9.1 Analisa Perbandingan Kadar CO Pada Gas Buang ... 96

4.9.2 Analisa Perbandingan Kadar HC Pada Gas Buang ... 98

4.9.3 Analisa Perbandingan Kadar CO2 Pada Gas Buang ... 99

4.9.4 Analisa Perbandingan Kadar O2 Pada Gas Buang ... 100

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ... 102

5.2 Saran ... 103

DAFTAR PUSTAKA ... xvi

(10)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Perbandingan produksi dan konsumsi minyak Indonesia ... 1

Gambar 2.1 Stage anaerobic digestion ... 18

Gambar 2.2 Flowsheet Produksi Biogas ... 24

Gambar 2.3 Langkah-langkah mesin otto 4 tak ... 25

Gambar 2.4 Diagram P-v dan T-s Siklus Otto Ideal ... 25

Gambar 2.6 Dampak dari pendahulu kontak ... 34

Gambar 2.6 Diagram jika pengapian terlalu cepat atau lambat ... 35

Gambar 2.7 Generator Set ... 36

Gambar 3.1 Tangki Umpan ... 41

Gambar 3.2 Bioreaktor ... 43

Gambar 3.3 Tangki Pengendapan ... 45

Gambar 3.4 Tangki Penampungan Biogas ... 47

Gambar 3.5 Kompresor ... 49

Gambar 3.6 Control Panel ... 49

Gambar 3.7 Genset STARKE Tipe GFH1900LX... 50

Gambar 3.8 Alat uji emisi Sukyong SY-GA 401 ... 51

Gambar 3.9 Tachometer ... 52

Gambar 3.10 Multimeter ... 53

Gambar 3.11 Botol bahan bakar... 54

Gambar 3.12 Modifikasi Karburator ... 54

Gambar 3.13 Manometer ... 54

Gambar 3.14 Regulator variable dan Katup ... 55 Gambar 3.15 Diagram Alir Pengujian Performansi Premium

(11)

Mesin Otto Generator Set ... 59 Gambar 3.16 Diagram Alir Pengujian Performansi Biogas

Mesin Otto Generator Set ... 60 Gambar 3.17 Diagram Alir Prosedur Pengujian Emisi Gas Buang ... 62 Gambar 4.1 Grafik Putaran Keluaran (rpm) vs Jumlah beban lampu

tiap bahan bakar ... 65 Gambar 4.2 Grafik Daya Keluaran (W) vs Jumlah beban lampu tiap

bahan bakar ... 66 Gambar 4.3 Grafik Torsi (N.m) vs Jumlah beban lampu tiap bahan bakar ... 70 Gambar 4.4 Grafik Sfc (g/kW.h) vs Jumlah beban lampu tiap bahan bakar .... 77 Gambar 4.5 Grafik Efisiensi Termal (%) vs Jumlah beban lampu

tiap bahan bakar ... 82 Gambar 4.6 Grafik AFR vs Putaran (rpm) tiap bahan bakar ... 93 Gambar 4.7 Busi yang telah digunakan dalam pengujian menggunakan bahan bakar premium ... 95 Gambar 4.8 Busi yang telah digunakan dalam pengujian menggunakan bahan

bakar biogas ... 96 Gambar 4.9 Grafik Kadar CO(%) vs Jumlah beban lampu tiap bahan

bakar ... 97 Gambar 4.10 Grafik Kadar HC(ppm) vs Jumlah beban lampu tiap bahan

bakar ... 98 Gambar 4.11 Grafik Kadar CO2(%) vs Jumlah beban lampu tiap bahan

Bakar ... 99 Gambar 4.12 Grafik Kadar O2(%) vs Jumlah beban lampu tiap bahan

(12)

(13)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Persentasi dari penyusun biogas yang dihasilkan digester... 8

Tabel 2.2 Sifat-sifat umum biogas ... 9

Tabel 2.3 Nilai LHV biogas tiap %CH4 yang dikandungnya ... 12

Tabel 2.4 Komposisi Kimia Limbah Cair POME ... 20

Tabel 2.5 Karakteristrik Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit ... 22

Tabel 3.1 Spesifikasi Tangki Umpan dan Aksesorisnya ... 43

Tabel 3.2 Spesifikasi Fermentor dan Aksesorisnya ... 44

Tabel 3.3 Spesifikasi Tangki Pengendapan ... 46

Tabel 3.4 Spesifikasi Tangki Penampung Biogas ... 47

Tabel 3.5 Spesifikasi Kompresor dan Tangki Bertekanan ... 48

Tabel 4.1 Daya hasil pengujian dengan bahan bakar Premium ... 64

Tabel 4.2 Daya hasil pengujian dengan bahan bakar Biogas ... 65

Tabel 4.3 Perbandingan daya yang dihasilkanbahan bakar biogas terhadap premium ... 67

Tabel 4.4 Torsi hasil pengujian dengan bahan bakar Premium ... 68

Tabel 4.5 Torsi hasil pengujian dengan bahan bakar Biogas ... 70

Tabel 4.6 Perbandigan torsi yang dihasilkan bahan bakar biogas terhadap premium ... 71

Tabel 4.7 Sfc hasil pengujian dengan bahan bakar Premium ... 74

(14)

Tabel 4.9 Peningkatan sfc yang dihasilkan bahan bakar premium terhadap biogas ... 78 Tabel 4.10 Efisiensi thermal hasil pengujian dengan bahan bakar Premium .... 80 Tabel 4.11 Efisiensi thermal hasil pengujian dengan bahan bakar Biogas ... 81 Tabel 4.12 Penurunan efisiensi thermal yang dihasilkan bahan bakar

biogas terhadap premium ... 82 Tabel 4.13 AFR hasil pengujian dengan bahan bakar Premium ... 88 Tabel 4.14 AFR hasil pengujian dengan bahan bakar Biogas ... 92 Tabel 4.15 Perbandingan AFR yang dihasilkan bahan bakar biogas terhadap premium ... 94 Tabel 4.16 Emisi bahan bakar Premium ... 96 Tabel 4.17 Emisi bahan bakar Biogas ... 97 Tabel 4.18 Penurunan kadar CO yang dihasilkan bahan bakar biogas

terhadap premium ... 98 Tabel 4.19 Penurunan kadar HC yang dihasilkan bahan bakar biogas terhadap premium ... 99 Tabel 4.20 Peningkatan kadar CO2 yang dihasilkan bahan bakar biogas

terhadap premium ... 101 Tabel 4.21 Penurunan kadar O2 yang dihasilkan bahan bakar biogas terhadap

(15)

DAFTAR NOTASI

SIMBOL KETERANGAN

AFR Rasio massa udara-bahan bakar

SATUAN

HHV Nilai kalor atas kJ/kg

LHV Nilai kalor bawah kJ/kg

ma Massa udara kg

ṁa Laju aliran massa udara kg/s

m_f Massa bahan bakar kg

ṁ_f Laju aliran bahan bakar kg/jam

n Putaran mesin rpm

ηb Effisiensi termal brake %

P Daya Watt

Sfc Konsumsi bahan bakar spesifik g/kW.h

tf Waktu untuk menghabiskan bahan bakar s

T Torsi keluaran mesin N.m

Pa Tekanan udara Pa

Ta Temperatur udara K

Vd Volume langkah torak m3

Vc Volume clearance m3

R Konstanta gas J/kg.K

(16)

Abstrak

kompresi 10,5 : 1, dan jumlah silinder 1 silinder.

Dari hasil pengujian didapat pada penggunaan bahan bakar biogas terjadi

penurunan daya, torsi, efisiensi termal brake, AFR, kadar emisi gas CO dan O2. Sementara itu terjadi peningkatan nilai sfc, kadar

emisi gas HC dan gas CO2.

Kata kunci : AFR, biogas, daya, efisiensi termal brake,emisi gas buang, pome, sfc, torsi

(17)

Abstract

Keywords : AFR , biogas , power , brake thermal efficiency , exhaust emissions , pome , sfc , torque

(18)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Besarnya konsumsi energi dalam negeri Indonesia telah menambah daftar masalah nasional. Sementara itu energi fosil yakni minyak bumi dan batu bara merupakan energi yang tidak terbarukan sehingga bergantung pada ladang-ladang baru yang membutuhkan eksplorasi secara berkala.

Gambar 1.1 Perbandingan produksi dan konsumsi minyak Indonesia

Konsumsi BBM bersubsidi di Indonesia pada tahun 2011 mencapai 41,7 juta kiloliter (kl), dan tahun 2012 mencapai 45 juta kl. Nilai impor bahan bakar minyak mencapai 150 juta dollar AS per hari atau setara Rp 1,7 triliun per hari.

Untuk mengurangi beban biaya diatas, para peneliti di Indonesia sampai saat ini telah mengembangkan beberapa bahan bakar alternatif seperti biogas, bioethanol, biodiesel, mikrohidro, geothermal dan tenaga angin. Saat ini jumlah energi terbarukan yang mampu diproduksi sekitar 14% dari total seluruh energi yang dibutuhkan Indonesia, sementara itu target Indonesia sekitar 23% pada tahun 2025. Untuk itu diperlukan kerja lebih keras lagi untuk mengembangkan seluruh sumber daya energi terbarukan.

(19)

Khusus pada bahan bakar alternatif biogas, Indonesia memiliki bahan baku yang berlimpah untuk memproduksi biogas dalam jumlah besar. Luas kebun sawit Indonesia sekitar 13,5 juta hektar. Setiap proses produksi buah sawit yang menghasilkan 1 ton CPO maka akan menghasilkan 5 ton Palm Oil Mill Effluent

(POME) yang masih mengandung banyak zat-zat organik. Jika sebuah pabrik kelapa sawit memiliki kapasitas 35 ton/jam akan mengasilkan biogas sekitar 600 m3/jam setara dengan 5.044 MJ/jam yang berpotensi menghasilkan listrik sekitar 1 MW ( ESDM, 2012 ).

Selain jumlahnya yang besar dan mudah didapat, pemanfaatan POME menjadi sumber bahan baku biogas juga akan meningkatkan nilai tambah penanganan limbah pabrik kelapa sawit dan meningkatkan kelestarian lingkungan. Produk samping hasil pengolahan POME menjadi biogas berupa zat cair dan padat masih dapat digunakan sebagai pupuk organik. Pembakaran metana dinilai lebih baik daripada membiarkan gas metana bercampur ke atmosfer, karena metana juga merupakan salah satu gas penghasil efek rumah kaca.

Lembaga Pusat Penelitian dan Pengabdian Masyarakat (LPPM) USU telah mengadakan penelitian pembuatan, pegembangan dan peningkatan produsi biogas dari limbah cair kelapa sawit atau POME (PalmOill Mill Effluent) sejak awal 2009. LP3M juga pernah menguji biogas sebagai bahan bakar pada mesin Daihatsu Taruna 4 silinder di modifikasi, dijadikan sebagai penggerak generator dan berhasil membangkitkan daya sekitar 315 Watt. Hasil ini menjadi motivasi untuk diadakannya penelitian lebih lanjut pada bahan bakar biogas yang diproduksi oleh LP3M USU. Biogas diharapkan dapat menggantikan bahan bakar pada mesin generator set dan mesin kendaraan publik di masa mendatang.

1.2 Tujuan Penelitian

1. Untuk mengetahui performansi (daya, torsi, SFC, efisiensi termal, rasio udara – bahan bakar) pada mesin genset otto menggunakan bahan bakar premium dan bahan bakar biogas yang berasal dari Palm Oill Mill Effluent

(20)

2. Untuk mengetahui hasil pembakaran yang terjadi pada elektroda busi mesin genset otto dengan bahan bakar premium dan bahan bakar biogas yang berasal dari Palm Oill Mill Effluent (POME).

3. Untuk memperoleh komposisi emisi gas buang mesin otto dengan bahan bakar premium dan bahan bakar bahan bakar biogas yang berasal dari

Palm Oill Mill Effluent (POME).

1.3 Manfaat Penelitian

1. Untuk mengetahui modifikasi yang tepat pada karburator mesin genset otto dalam penggunaan biogas sebagai bahan bakar.

2. Sebagai pertimbangan terhadap pemerintah untuk megembangkan dan memanfaatkan biogas sebagai energi alternatif dan dapat mengurangi pengeluaran pemerintah terhadap subsidi bahan bakar migas.

3. Untuk memberikan dukungan terhadap pemerintah dalam mengurangi ketergantungan bahan bakar fosil khususnya premium.

4. Untuk mengetahui kelebihan dan kekurangan dari masing-masing bahan bakar yang diuji yaitu premium, dan biogas.

1.4 Batasan Masalah

1. Penelitian di lakukan di LP3M Universitas Sumatera Utara.

2. Bahan bakar yang digunakan dalam percobaan adalah premium dari PERTAMINA, dan biogas produk LP3M USU.

3. POME yang diproses menjadi biogas berasal dari PTPN IV Adolina. 4. Mesin otto yang digunakan adalah Mesin Genset Otto 4-langkah merk

STARKE Tipe GFH1900LX

5. Performansi mesin yang diteliti berupa: Daya, Torsi, SFC, Efisiensi Termal, Rasio Udara – Bahan Bakar (AFR) dan Emisi gas buang

6. Alat uji emisi yang digunakan untuk menghitung nilai emisi adalah “Alat Uji Emisi Sukyjung SY-GA401 Gas Analyzer”.

(21)

7. Senyawa gas buang yang dikaji berupa karbon monoksida (CO) karbondioksida (CO2), hidrokarbon (HC) dan oksigen (O2).

8. Pembebanan dilakukan kepada beban linear berupa modul rangkaian lampu pijar dan diukur dengan voltmeter, dan amperemeter.

1.5 Metodologi Penelitian

Metodologi penulisan yang digunakan pada penulisan skripsi ini adalah sebagai berikut :

a. Studi literatur, dengan melakukan kajian dari buku-buku atau browsing internet berupa artikel-artikel, gambar-gambar dan buku eletronik serta data lain yang berhubungan.

b. Studi lapangan dan eksperimen, yang dilakukan dengan observasi lansung kelapangan untuk melakukan pengujian performansi mesin generator dan emisi gas buang.

c. Analis data, yaitu menganalisis data dan pengambilan kesimpulan yang mengacu pada hasil percobaan pada tiap parameter.

d. Diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing yang ditunjuk oleh Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

1.6 Sistematika Penulisan

Untuk mempermudah membaca, mengerti dan memahami skripsi ini, penulis akhirnya membagi skripsi ini menjadi 5 bab yang tersusun secara sistematis. BAB I PENDAHULUAN, berisi latar belakang, tujuan, manfaat, batasan masalah, metodologi penulisan, dan sistematika penulisan. BAB II TINJAUAN PUSTAKA, berisi landasan teori yang diperoleh dari literatur untuk mendukung pengujian. BAB III METODOLOGI PENELITIAN, berisi metode yang akan digunakan untuk menyelesaikan penulisan skripsi. Pada bab ini juga akan di bahas mengenai langkah-langkah pengujian, pengolahan dan analisa data yang akan digunakan untuk menyelesaikan teori dari topik yang akan diangkat. BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN, pada bab ini akan dianalisa dan

(22)

dibahas mengenai data-data yang diperoleh dari hasil pengujian yang telah dilakukan. BAB V KESIMPULAN DAN SARAN, berisi kesimpulan dari hasil pengujian dan saran-saran. DAFTAR PUSTAKA dan LAMPIRAN

(23)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Sejarah Bahan Bakar Premium dan Biogas

2.1.1 Sejarah Premium

Premium atau bensin adalah bahan bakar minyak jenis distilat berwarna kekuningan yang jernih yang diperoleh melalui penyulingan minyak bumi dan berada pada rentang rantai karbon C6 sampai C11, titik didih 50 sampai 85oC (www.wikipedia.org)

Penemuan minyak bumi diperkirakan pertama kali sekitar 5000 tahun sebelum masehi oleh bangsa Sumeria, Asyiria, dan Babilonia kuno. Namun mereka tidak menambang sebagaimana zaman sekarang. Mereka mengambil dari rembesan minyak bumi di permukaan tanah. Fungsi minyak bumi waktu itu sebagai obat luka, pencahar, atau pembasmi kutu. Seiring perkembangan peradaban, minyak bumi kemudian dipakai untuk perang. Abad pertama masehi, Bangsa Arab dan Persia berhasil menemukan teknologi destilasi sederhana minyak bumi. Destilasi ini menghasilkan minyak yang mudah terbakar. Minyak kini dipakai untuk tujuan militer.Ekspansi Bangsa Arab ke Spanyol merupakan awal lahirnya teknologi destilasi di kalangan masyarakat Eropa Barat pada abad ke-12. Tapi sampai di sini minyak bumi belum merupakan bahan bakar utama. Saat itu belum ada teknologi mesin yang bisa menggerakkan motor.

Beberapa abad kemudian, bangsa Spanyol melakukan eksplorasi minyak bumi di tempat yang sekarang kita kenal dengan Kuba, Meksiko, Bolivia, dan Peru. Pertengahan abad ke-19, masyarakat Eropa dan Amerika Utara mulai menggunakan minyak tanah atau minyak batu-bara untuk penerangan.

Setelah James Watt menemukan mesin uap yang memicu revolusi industri, masyarakat dunia terus-menerus mencari sumber energi yang lebih murah dan praktis. Pengeboran minyak bumi pertama tercatat dilakukan di Pennsylvania, Amerika Serikat, tahun 1859, di tambang milik Edwin L. Drake, pelopor industri minyak bumi dunia.

(24)

Dengan semakin berkembangnya teknologi kendaraan bermotor, jenis bahan bakar minyak pun semakin beragam.Minyak mentah (crude oil) hasil penambangan didestilasi menjadi beberapa fraksi bahan bakar seperti minyak tanah, solar, dan bensin. Bahan bakar ini berisi rantai hidrokarbon (hidrogen dan karbon). Ketika dibakar dengan oksigen, rantai hidrokarbon ini menghasilkan

energi dan karbon dioksida

2.1.2 Sejarah Biogas

Biogas merupakan gas yang mudah terbakar (flamable) yang dihasilkan dari proses fermentasi bahan-bahan organik oleh bakteri-bakteri anaerob yang berasal dari limbah rumah tangga, kotoran hewan (sapi, babi, ayam) dan sampah organik. Biogas merupakan salah satu turunan dari bahan bakar biomassa dan dapat digunakan sebagai bahan bakar pada mesin pembakaran dalam. Biogas memiliki kelebihanyaitu kemampuannya untuk bercampur dengan udara dan hasil pembakarannya lebih bersih daripada bahan bakar lain (Mohanty dkk. 2013).

Biogas sendiri sebenarnya sudah ada sejak kebudayaan Mesir, China, dan Romawi Kuno.Pada waktu itu diketahui biogas telah dimanfaatkan untuk menghasilkan panas. Dan orang pertama yang mengaitkan gas bakar ini dengan proses pembusukan bahan sayuran adalah Alessandro Volta (1776), sedangkan Willam Henry pada tahun 1806 mengidentifikasikan gas yang dapat terbakar tersebut sebagai methan. Becham (1868), murid Louis Pasteur dan Tappeiner (1882), memperlihatkan asal mikrobiologis dari pembentukan methan. Selama Perang Dunia II banyak petani di Inggris dan benua Eropa yang membuat digester kecil untuk menghasilkan biogas yang digunakan untuk menggerakkan traktor.Karena harga BBM (Bahan Bakar Minyak) semakin murah dan mudah memperolehnya pada tahun 1950-an pemakaian biogas di Eropa ditinggalkan. Namun, di negara-negara berkembang kebutuhan akan sumber energi yang murah dan selalu tersedia selalu ada. Kegiatan produksi biogas di India telah dilakukan semenjak abad ke-19.Alat pencerna anaerobik pertama dibangun pada tahun 1900. Negara berkembang lainnya, seperti China, Filipina, Korea, Taiwan, dan Papua Niugini, telah melakukan berbagai riset dan pengembangan alat pembangkit biogas dengan prinsip yang sama, yaitu menciptakan alat yang kedap udara

(25)

dengan bagian-bagian pokok terdiri atas pencerna (digester), lubang pemasukan bahan baku dan pengeluaran lumpur sisa hasil pencernaan (slurry) dan pipa penyaluran gas bio yang terbentuk (Nandiyanto, 2007).

Terdapat dua tipe proses digester yang telah dikembangkan, yakni: tipe

batch dan tipe aliran kontiniu. Digester dapat meningkatkan sanitasi dari

pengolahan zat organik solid, mengurangi aroma tidak sedap yang ditimbulkan oleh limbah, dan menghasilkan pupuk dengan kualitas yang sangat baik (Marchaim, 1992).

Biogas yang dihasilkan oleh biodigester sebagian besar terdiri dari metana (CH4), karbondioksida (CO2), nitrogen (N2), hidrogen (H2), karbon monoksida

(CO), oksigen (O2) dan sedikit hidrogen sulfida (H2S). Berikut persentasi dari

setiap gas yang terdapat dalam biogas.

Tabel 2.1 Persentasi dari penyusun biogas yang dihasilkan digester (Omid dkk, 2011).

Jenis gas Formula Satuan

Biogas Sewage gas Agricultural gas Landfill gas

Metana CH4 % vol. 65-75 45-75 45-55

Karbon dioksida CO2 % vol. 20-35 25-55 25-30

Karbon monoksida CO % vol. <0,2 <0,2 <0,2

Nitrogen N2 % vol. 3,4 0,01-5,00 10-25

Oksigen O2 % vol. 0,5 0,01-2,00 1-5

Hidrogen H2 % vol. trace 0,5 0

Hidrogen Sulfida H2S mg/Nm3 <8000 10-30 <8000

Amonium NH3 mg/Nm3 trace 0,01-2,5 Trace

Siloxanes mg/Nm3 <0,1-5,0 Trace <0,1-5,0 Benzena, Toluena,

Xylena mg/Nm

<0,1-5,0 0 <0,1-5,0

CFC mg/Nm3 0 20-1000 n.a

Nilai kalori kWh/Nm3 6,0-7,5 5,0-7,5 4,5-5,5

Densitas Kg/m3 1,16 1,16 1,27

Wobbe index kWh/Nm3 7,3

(26)

2.2 Sifat-Sifat Premium dan Biogas

2.2.1 Sifat-Sifat Premium

Semua bahan bakar yang disebut dengan premium umumnya terdiri

dari

disebut C4 sampai C12). Namum premium juga masih mengandung sedikit belerang yang dapat menyebabkan korosi pada elemen mesin. Penyimpanan yang cukup lama pada premium menimbulkan degradasi kualitas energi potensial akibat oksidasi dan pertumbuhan mikroorganisme.

Berikut adalah sifat-sifat umum dari bahan bakar premium: • Mudah menguap pada temperatur normal.

• Tidak berwarna, tembus pandang, dan berbau.

• Mempunyai titik nyala rendah (-10 sampai -15 derajat Celcius). • Mempunyai berat jenis yg rendah (0,71 sampai 0,77 kg/l). • Dapat melarutkan oli dan karet.

• Menghasilkan jumlah panas yang besar (9,500 sampai 10,500 kcal/kg). • Sedikit meninggalkan jelaga setelah dibakar.

2.2.2 Sifat-Sifat Biogas

Kandungan biogas sebagian besar adalah metana dan karbon dioksida maka sifat biogas di fokuskan dari kedua sifat gas tersebut. Namun kandungan biogas lain seperti nitrogen, hidrogen sulfida yang relatif kecil tidak dapat diabaikan. Contohnya hidrogen sulfida memiliki pengaruh sangat besar untuk menyebabkan korosi jika bereaksi dengan air.

Tabel 2.2 Sifat-Sifat Umum Biogas (Barik dkk, 2012)

Komposisi 55-70% metana, 30-45% karbon dioksida

Kandungan energy 6,0-6,5 kW/m3

Kesetaraan bahan bakar 0,6-0,65 L oil/m3 biogas batas ledakan 6-12% biogas dalam udara

(27)

Igition temperature 650-750 oC

Tekanan kritis 75-89 bar

Temperatur kritis -82,5 oC

Densitas 1,2 kg/m3

Laju bakar 25 cm/s

Bau

Telur busuk

(oleh karena hidrogen sulfida yang terkandung didalam nya)

2.3 Nilai Kalor Premium dan Biogas

Nilai kalor bahan bakar adalah besarnya panas yang dihasilkan oleh bahan bakar secara sempurna pada volume konstan yang diuji dalam Kalorimeter dan dinyatakan dalam kal/kg atau Btu/lb. Panas pembakaran dari bahan bakar bisa dinyatakan dalam High Heating Value (HHV) dan Lower Heating Value (LHV).

Heating Value (HHV) dan Lower Heating Value (LHV). High Heating Value

merupakan panas pembakaran dari bahan bakar yang di dalamnya masih termasuk

latent heat dari uap air hasil pembakaran. Low Heating Value merupakan panas pembakaran dari bahan bakar setelah dikurangi latent heat dari uap air hasil pembakaran (http://digilib.petra.ac.id, 2003).

2.3.1 Nilai Kalor Bahan Bakar Premium

Reaksi kimia antara bahan bakar dengan oksigen dari udara menghasilkan panas. Besarnya panas yang ditimbulkan jika satu satuan bahan bakar dibakar sempurna disebut nilai kalor bahan bakar (Calorific

Value, CV). Bedasarkan asumsi ikut tidaknya panas laten pengembunan

uap air dihitung sebagai bagian dari nilai kalor suatu bahan bakar, maka nilai kalor bahan bakar dapat dibedakan menjadi nilai kalor atas dan nilai kalor bawah.

Nilai kalor atas (High Heating Value,HHV), merupakan nilai kalor yang diperoleh secara eksperimen dengan menggunakan kalorimeter dimana hasil pembakaran bahan bakar didinginkan sampai suhu kamar sehingga sebagian besar uap air yang terbentuk dari pembakaran

(28)

hidrogen mengembun dan melepaskan panas latennya. Secara teoritis, besarnya nilai kalor atas (HHV) dapat dihitung bila diketahui komposisi bahan bakarnya dengan menggunakan persamaan Dulong :

HHV = 33950 + 144200 (H2-�2

8) + 9400 S ... (2.9) [Lit. 11 hal 56]

Dimana: HHV = Nilai kalor atas (kJ/kg)

C = Persentase karbon dalam bahan bakar H2 = Persentase hidrogen dalam bahan bakar O2 = Persentase oksigen dalam bahan bakar S = Persentase sulfur dalam bahan bakar

Nilai kalor bawah (low Heating Value, LHV), merupakan nilai kalor bahan bakar tanpa panas laten yang berasal dari pengembunan uap air. Umumnya kandungan hidrogen dalam bahan bakar cair berkisar 15 % yang berarti setiap satu satuan bahan bakar, 0,15 bagian merupakan hidrogen. Pada proses pembakaran sempurna, air yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar adalah setengah dari jumlah mol hidrogennya.

Selain berasal dari pembakaran hidrogen, uap air yang terbentuk pada proses pembakaran dapat pula berasal dari kandungan air yang memang sudah ada didalam bahan bakar (moisture). Panas laten pengkondensasian uap air pada tekanan parsial 20 kN/m2_{(tekanan yang} umum timbul pada gas buang) adalah sebesar 2400 kJ/kg, sehingga besarnya nilai kalor bawah (LHV) dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut :

LHV = HHV – 2400 (M + 9 H2) ... (2.10) [Lit. 11 hal 56] Dimana: LHV = Nilai Kalor Bawah (kJ/kg)

M = Persentase kandungan air dalam bahan bakar (moisture)

Dalam perhitungan efisiensi panas dari motor bakar, dapat menggunakan nilai kalor bawah (LHV) dengan asumsi pada suhu tinggi

(29)

saat gas buang meninggalkan mesin tidak terjadi pengembunan uap air.Namun dapat juga menggunakan nilai kalor atas (HHV) karena nilai tersebut umumnya lebih cepat tersedia.Peraturan pengujian berdasarkan ASME (American of Mechanical Enggineers) menentukan penggunaan nilai kalor atas (HHV), sedangkan peraturan SAE (Society of Automotive

Engineers) menentukan penggunaan nilai kalor bawah (LHV).

2.3.2 Nilai Kalor Bahan Bakar Biogas

Dengan menggunakan rumus pembakaran, berat dari uap air yang dihasilkan dapat dihitung.

4 + O2 >>> CO2 + 2H2O

16.042 + 64 >>> 44.011 + 36.032 36.032/16.042 = 2.246 lb H

2O/lb CH4

Dengan mengasumsikan panas kondensasi air sebesar 1040 Btu/lb, maka panas kondensasi pembakaran metana sekitar 2336 Btu per pound metana yang dibakar. HHV dan LHV untuk pembakaran metana dapat kita lihat sebagai berikut.

HHV = 23,890 Btu/lb or 994.7 Btu/ft

* LHV = 21,518 Btu/lb or 896.0 Btu/ft

* * At 68 °F and 14.7 psia.

Berikut ini adalah table sifat-sifat biogas tiap %CH4 yang dikandungnya

Tabel 2.3 Nilai LHV Biogas tiap %CH4 yang dikandungnya

(David Ludington, 2006) Biogas kering [CH4dan CO2] pada 32 F& 1 atm

% volume CH4 g mol wt % berat CH4 Densitas LHV (Btu/ft3) lbs

d.g/ft3 ft 3

/lbd.g

40% 32,8 19,60% 0,0916 10,92 385

42% 32,3 20,90% 0,0900 11,11 405

44% 31,7 22,30% 0,0885 11,30 424

46% 31,1 23,70% 0,0869 11,50 443

48% 30,6 25,20% 0,0854 11,71 463

(30)

52% 29,5 28,30% 0,0822 12,16 501

54% 28,9 30,00% 0,0807 12,39 520

56% 28,4 31,70% 0,0791 12,64 540

58% 27,8 33,50% 0,0776 12,89 559

60% 27,2 35,40% 0,0760 13,16 578

62% 26,7 37,30% 0,0744 13,43 598

64% 26,1 39,30% 0,0729 13,72 617

66% 25,6 41,40% 0,0713 14,02 636

68% 25,0 43,70% 0,0698 14,34 655

70% 24,4 46,00% 0,0682 14,66 675

biogas kering

2.4 Proses Produksi Premium dan Biogas

2.4.1 Proses Produksi Premium

Proses produksi premium adalah sebagai berikut: a. Distilasi

Distilasi adalah pemisahan fraksi-fraksi minyak bumi berdasarkan perbedaan titik didihnya. Dalam hal ini adalah destilasi fraksinasi. Mula-mula minyak mentah dipanaskan dalam aliran pipa dalamfurnace (tanur) sampai dengan suhu ± 370°C. Minyak mentah yang sudah dipanaskan tersebut kemudian masuk kedalam kolom fraksinasi pada bagian flash chamber (biasanya berada pada sepertiga bagian bawah kolom fraksinasi). Untuk menjaga suhu dan tekanan dalam kolom maka dibantu pemanasan dengan steam (uap air panas dan bertekanan tinggi).

Minyak mentah yang menguap pada proses destilasi ini naik ke bagian atas kolom dan selanjutnya terkondensasi pada suhu yang berbeda-beda. Komponen yang titik didihnya lebih tinggi akan tetap berupa cairan dan turun ke bawah, sedangkan yang titik didihnya lebih rendah akan menguap dan naik ke bagian atas melalui sungkup-sungkup yang disebut sungkup gelembung. Makin ke atas, suhu yang terdapat dalam kolom fraksionasi tersebut makin rendah, sehingga setiap kali komponen dengan titik didih lebih tinggi akan terpisah, sedangkan

(31)

komponen yang titik didihnya lebih rendah naik ke bagian yang lebih atas lagi. Demikian selanjutnya sehingga komponen yang mencapai puncak adalah komponen yang pada suhu kamar berupa gas. Komponen yang berupa gas ini disebut gas petroleum, kemudian dicairkan dan disebut LPG (Liquified Petroleum Gas).

Fraksi minyak mentah yang tidak menguap menjadi residu.Residu minyak bumi meliputi parafin, lilin, dan aspal.Residu-residu ini memiliki rantai karbon sejumlah lebih dari 20. Fraksi minyak bumi yang dihasilkan berdasarkan rentang titik didihnya antara lain sebagai berikut :

1. Gas Rentang rantai karbon : C1 sampai C5. Trayek didih : 0 sampai 50°C

2. Gasolin (Bensin) Rentang rantai karbon : C6 sampai C11.Trayek didih : 50 sampai 85°C

3. Kerosin (Minyak Tanah) Rentang rantai karbon : C12 sampai C20 Trayek didih: 85 sampai 105°C

4. Solar Rentang rantai karbon : C21 sampai C30. Trayek didih : 105 sampai 135°C

5. Minyak Berat Rentang rantai karbon : C31 sampai C40. Trayek didih : 135 sampai 300°C

6. Residu Rentang rantai karbon : di atas C40 Trayek didih : di atas 300°C Fraksi-fraksi minyak bumi dari proses destilasi bertingkat belum memiliki kualitas yang sesuai dengan kebutuhan masyarakat, sehingga perlu pengolahan lebih lanjut yang meliputi proses cracking, reforming, polimerisasi, treating, dan blending.

b. Cracking

Cracking adalah penguraian molekul-molekul senyawa hidrokarbon yang besar menjadi molekul-molekul senyawa hidrokarbon yang kecil. Contoh cracking ini adalah pengolahan minyak solar atau minyak tanah menjadi bensin.

(32)

Proses ini terutama ditujukan untuk memperbaiki kualitas dan perolehan fraksi gasolin (bensin). Kualitas gasolin sangat ditentukan oleh sifat anti knock (ketukan) yang dinyatakan dalam bilangan oktan. Bilangan oktan 100 diberikan pada isooktan (2,2,4-trimetil pentana) yang mempunyai sifat anti knocking yang istimewa, dan bilangan oktan 0 diberikan pada n-heptana yang mempunyai sifat anti knock yang buruk. Gasolin yang diuji akan dibandingkan dengan campuran isooktana dan n-heptana. Bilangan oktan dipengaruhi oleh beberapa struktur molekul hidrokarbon.

Terdapat 3 cara proses cracking, yaitu :

1. Cara panas (thermal cracking), yaitu dengan penggunaan suhu tinggi dan tekanan yang rendah.

2. Cara katalis (catalytic cracking), yaitu dengan penggunaan katalis. Katalis yang digunakan biasanya SiO2 atau Al2O3 bauksit. Reaksi dari perengkahan katalitik melalui mekanisme perengkahan ion karbonium. Mula-mula katalis karena bersifat asam menambahkan proton ke molekul olevin atau menarik ion hidrida dari alkana sehingga menyebabkan terbentuknya ion karbonium.

3. Hidrocracking, merupakan kombinasi antara perengkahan dan

hidrogenasi untuk menghasilkan senyawa yang jenuh. Reaksi tersebut dilakukan pada tekanan tinggi. Keuntungan lain dari Hidrocracking ini adalah bahwa belerang yang terkandung dalam minyak diubah menjadi hidrogen sulfida yang kemudian dipisahkan.

c. Reforming

Reforming adalah perubahan dari bentuk molekul bensin yang bermutu kurang baik (rantai karbon lurus) menjadi bensin yang bermutu lebih baik (rantai karbon bercabang). Kedua jenis bensin ini memiliki rumus molekul yang sama bentuk strukturnya yang berbeda. Oleh karena itu, proses ini juga disebut

isomerisasi. Reforming dilakukan dengan menggunakan katalis dan pemanasan.

(33)

parafin menjadi senyawa aromatik dengan bilangan oktan tinggi. Pada proses ini digunakan katalis molibdenum oksida dalam Al2O3 atau platina dalam lempung.

d. Alkilasi

Alkilasi merupakan penambahan jumlah atom dalam molekul menjadi molekul yang lebih panjang dan bercabang. Dalam proses ini menggunakan katalis asam kuat seperti H2SO4, HCl, AlCl3 (suatu asam kuat Lewis).

Polimerisasi adalah proses penggabungan molekul-molekul kecil menjadi molekul besar.

e. Treating

Treating adalah pemurnian minyak bumi dengan cara menghilangkan pengotor-pengotornya.

f. Blending

Proses blending adalah penambahan bahan-bahan aditif kedalam fraksi minyak bumi dalam rangka untuk meningkatkan kualitas produk tersebut. Bensin yang memiliki berbagai persyaratan kualitas merupakan contoh hasil minyak bumi yang paling banyak digunakan di barbagai negara dengan berbagai variasi cuaca. Untuk memenuhi kualitas bensin yang baik, terdapat sekitar 22 bahan pencampur yang dapat ditambanhkan pada proses pengolahannya.

2.4.2 Proses Produksi Biogas

Menurut Simamora, S et al (2006), menyatakan bahwa dalam pembuatan biogas ada beberapa syarat yang harus dipenuhi yakni;

• Ada bahan pengisi yang berupa bahan organik, terutama limbah pertanian dan peternakan.

• Ada intalasi biogas yang memenuhi beberapa persyaratan seperti, lubang pemasukan dan pengeluaran, tempat penampungan gas, dan penampungan

(34)

• Terpenuhinya faktor pendukung yakni faktor dalam (dari digester) yang meliputi imbangan C/n, pH, dan struktur bahan isian (kehomogenan) dan faktor luar yang meliputi fluktasi suhu.

Ada tiga kelompok bakteri yang berperan dalam proses pembentukan biogas:

1. Kelompok bakteri fermentatif, yaitu: Steptococci, Bacteriodes, dan beberapa jenis Enterobactericeae,

2. Kelompok bakteri asetogenik, yaitu Desulfovibrio,

3. Kelompok bakteri metana, yaitu Mathanobacterium, Mathanobacillus,

Methanosacaria, dan Methanococcus.

Sedangkan terkait dengan temperatur, secara umum ada 3 rentang temperatur yang disenangi oleh bakteri, yaitu:

1. Psicrophilic (suhu 40– 200C), biasanya untuk negara-negara subtropics atau beriklim dingin,

2. Mesophilic (suhu 200 – 400 C),

3. Thermophilic (suhu 400– 600C), hanya untuk men-digesti material, bukan untuk menghasilkan biogas.

Dengan demikian, untuk negara tropis seperti Indonesia, digunakan

unheated digester (digester tanpa pemanasan) pada kondisi kondisi temperatur tanah 200C – 300C. (http://desakuhijau.org.2007)

Secara garis besar proses pembentukan biogas dibagi menjadi tiga tahapan, yaitu:

1. Tahap Hidrolisis (Hydrolysis)

Pada tahap ini, bakteri memutuskan rantai panjang karbohidrat kompleks; protein dan lipida menjadi senyawa rantai pendek. Contohnya polisakarida diubah menjadi monosakarida, sedangkan protein diubah menjadi peptide dan asam amino.

2. Tahap Asidifikasi (Acidogenesis dan Acetogenesis)

Pada tahap ini, bakteri (Acetobacter aceti) menghasilkan asam untuk mengubah senyawa rantai pendek hasil proses hidrolisis menjadi asam asetat, hidrogen, dan karbon dioksida. Bakteri tersebut merupakan bakteri

(35)

Bakteri memerlukan oksigen dan karbondioksida yang diperoleh dari oksigen yang terlarut untuk menghasilkan asam asetat. Pembentukan asam pada kondisi anaerobik tersebut penting untuk pembentukan gas metana oleh mikroorganisme pada proses selanjutnya. Selain itu bakteri tersebut juga mengubah senyawa berantai pendek menjadi alkohol, asam organik, asam amino, karbon dioksida, hidrogen sulfida, dan sedikit gas metana.Tahap ini termasuk reaksi eksotermis yang menghasilkan energi. C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + 2 ATP (-118 kJ per mol).

3. Tahap Pembentukan Gas Metana (Methanogenesis)

Pada tahap ini, bakteri Methanobacterium omelianski mengubah senyawa hasil proses asidifikasi menjadi metana dan CO2 dalam kondisi anaerob. Proses pembentukan gas metana ini termasuk reaksi eksotermis.CH3COO- + H+ CH4 + CO2 (-36 Kj per mol)

Gambar 2.1 Stage anaerobic Digestion (Marchaim, 1992)

2.5. Manfaat Premium dan Biogas dalam Kehidupan

2.5.1 Manfaat Premium dalam Kehidupan

Premium sudah menjadi bahan bakar yang sangat umum digunakan di lingkungan masyarakat. Premium merupakan bahan bakar utama pada kendaraan sepeda motor di Indonesia dan juga pada sebagian besar kendaraan roda empat di

(36)

Indonesia. Premium juga digunakan sebagai bahan bakar pada beberapa alat pertanian, industri kecil maupun besar. Premium berbentuk cairan sehingga sangat mudah untuk dipasarkan.

2.5.2 Manfaat Biogas dalam Kehidupan

Manfaat biogas dari limbah antara lain sebagai berikut:

• Gas yang dihasilkan dapat mengganti fuel seperti LPG atau natural gas. Pupuk sapi yangdihasilkan dari satu sapi dalam satu tahun dapat dikonversi menjadi gas metana yangsetara dengan lebih dari 200 liter

gasoline (http://www.sciencedirect.com, 2007).

• Gas yang dihasilkan dapat digunakan untuk sumber energi menyalakan lampu, dimana 1m3 biogas dapat digunakan untuk menyalakan lampu 60 Watt selama 7 jam. Hal iniberarti bahwa 1m3 biogas menghasilkan energi = 60 W x 7 jam = 420 Wh = 0,42 kWh(http://digilib.petra.ac.id, 2003).

• Limbah digester biogas, baik yang padat maupun cair dapat dimanfaatkan sebagai pupuk organik (http://digilib.petra.ac.id, 2003).

2.6 Permasalahan Premium dan Biogas Sebagai Bahan Bakar Mesin

2.6.1 Permasalahan Premium Sebagai Bahan Bakar Mesin

Bila dibandingkan dengan bahan bakar lainnya, premium dianggap lebih boros. Emisi yang dihasilkan lebih banyak dan kemampuannya untuk membersihkan jalurnya ke ruang bakar dinilai masih kurang. Pengunaan premium juga kadang menimbulkan knocking pada mesin. Emisi dan knocking yang ditimbulkan membuat premium dipasarkan lebih bervariasi dengan berbagai campuran dan bilangan oktan tertentu. Premium tidak cocok digunakan pada mesin yang menghasilkan torsi besar. Produksi premium belakangan ini berkurang dan harganya cenderung naik.

2.6.2 Permasalahan Biogas Sebagai Bahan Bakar Mesin

Menurut Mohanty, 2013 setidaknya ada 4 masalah yang menghambat biogas menjadi bahan bakar yang cocok pada suatu mesin.

(37)

• Kadar CO2 yang tinggi mengurangi daya yang dikeluarkan dan

memperbesar biaya transportasi serta penyimpanannya.

• Adanya H2S senyawa acid yang merupakan salah satu penyebab korosi

yang paling dihindari pada instrument logam.

• Kelembapan yang tinggi.

• Kualitas yang dapat berubah-ubah.

2.7 POME (Palm Oil Mill Effluent )

POME merupakan kondensat dari proses sterilisasi cairan yang berasal dari pengolahan kelapa sawit menjadi crude palm oil. POME masih mengandung banyak senyawa organik dan bersifat tidak toksik.

Komposisi kimia limbah cair POME dan komposisi asam amino limbah cair segar disajikan pada tabel berikut (Siregar, 2009):

Tabel 2.4 Komposisi Kimia Limbah Cair POME

Komponen % Berat

Kering

Ekstrak dengan ether 31,6 Protein (N x 6,25) 8,2

Serat 11,9

Ekstrak tanpa N 34,2

Abu 14,1

P 0,24

K 0,99

Ca 0,97

Mg 0,3

Na 0,08

Energi (kkal/100 g) 454

Pada kolam penampungan limbah, POME umumnya masih bersuhu tinggi, dengan warna kecokelatan. POME mengandung padatan terlarut dan tersuspensi berupa koloid dan residu minyak dengan kandungan biological oxygen demand(

(38)

BOD ) yang tinggi. Karakteristik limbah berdasarkan sifat fisik meliputi suhu, kekeruhan, bau, dan rasa, berdasarkan sifak kimia meliputi kandungan bahan organik, protein, BOD, Chemical Oxygen Demand (COD), sedangkan berdasakan sifat biologi meliputi kandungan bakteri patogen dalam air limbah (Siregar, 2009). Berdasarkan Keputusan Menteri Negara Lingkungan Hidup ada 6 (enam) parameter utama yang dijadikan acuan baku mutu limbah meliputi:

a. Tingkat keasaman (pH), ditetapkannya parameter pH bertujuan agar

mikroorganisme dan biota yang terdapat pada penerima tidak terganggu, bahkan diharapkan dengan pH yang alkalis dapat menaikkan pH badan penerima.

b. BOD, kebutuhan oksigen hayati yang diperlukan untuk merombak bahan organik. Semakin tinggi nilai BOD air limbah, maka daya saingnya dengan mikroorganisme atau biota yang terdapat pada badan penerima akan semakin tinggi.

c. COD, kelarutan oksigen kimiawi adalah oksigen yang diperlukan untuk merombak bahan organik dan anorganik, oleh sebab itu nilai COD lebih besar dari BOD.

d. Total Suspended Solid (TSS), menggambarkan padatan melayang dalam

cairan limbah. Pengaruh TSS lebih nyata pada kehidupan biota dibandingkan dengan Total Solid. Semakin tinggi TSS, maka bahan organik membutuhkan oksigen untuk perombakan yang lebih tinggi.

e. Kandungan total nitrogen, semakin tinggi kandungan total nitrogen

(39)

f. Kandungan Oil and Grease, dapat mempengaruhi aktifitas mikroba dan merupakan pelapis permukaan cairan limbah sehingga menghambat proses oksidasi pada saat kondisi aerobik.

Adapun karakteristik dari limbah POME yang dihasilkan dapat dilihat pada tabel di bawah ini (Yoshimassa, 2008):

Tabel 2.5 Karakteristik Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit

No. Parameter Satuan Kisaran

1 BOD (Biological Oxygen

Demand) mg/l 20.000-30.000

2 COD (Chemical Oxygen

Demand) mg/l 40.000-60.000

3 TSS (Total Suspended Solid) mg/l 15.000-40.000

4 TS (Total Solid) mg/l 30.000-70.000

5 Minyak dan Lemak mg/l 5000-7000

6 NH3-N mg/l 30-40

7 Total N mg/l 500-800

8 Suhu 0C 90 - 140

9 pH - 4–5

2.8 Pengolahan POME menjadi Biogas di LP3M USU

1. POME segar yang berasal dari PKS adolina PTPN 4 dimasukkan ke dalam tangki umpan 1000 liter (Tangki umpan, V-21).

2. Kemudian metal solution dimasukkan ke dalam tangki umpan sebanyak 300 mliter (V-21).

3. Kemudian POME dipompakan ke dalam tangki fermentor dengan waktu dan jumlah yang telah ditentukan dengan menggunakan pompa (P-22).

(40)

4. Ketika umpan dipompakan ke dalam fermentor maka cairan di dalam fermentor akan keluar sebanyak umpan yang dimasukkan

(over flow) yang kemudian ditampung dengan tangki 1000 L (V-51).

5. Biogas hasil reaksi POME dalam tangki fermentor akan melewati gas meter.

6. Kemudian gas akan masuk ke dalam tangki penangkap gas (Biogas Tank), V-41).

7. Setelah itu gas dimasukkan ke dalam kompresor (CP-41) dengan cara di kompres.

(41)

G am b ar 2.2 F low sh ee t P rod u k si B iogas M -21 Water POME Cow Feed Tank (V

-21)

Feed Pump (P

-10)

POME Feed Pump (P -20) M -31 TI 301 TI 300 Fermentor Tank (BR -31) Sludge Tank (V -61)

Biogas Tank (V -41) Electricity Generator GE -41 12kVA

Water Seal Tank (SF -41) Fertilizer Electricity Compress Heater (H -21a) Heater (H -21b) Heater (H -31a) Heater Sludge Feed Pump (P -60) 1 2 6 7 9 3 4 10 PI 300 LA 200 Lagoon pond at

Palm oil mill

Illumination Hot water using heater

100mm

Drain

Leak valve Return Sludge Pump (P

-51) VVVF M -51 5 5 Gravity Thickener (V -54) DS -41 8 Desulfurization Rubber tim PA 401 LA 510 Level Switch TI 200 Gas Sampling 500 mm TI 210 Control Panel 4 timer Sampling SV -211 Sampling SV -221 Sampling SV -511 TI 502 Sampling SV -311 TI 501 Ge Gas Sampling Connecting SV -222 FI 400 Drain TI 400 Safety Water seal Tank(SF -42) 500 mm 3 In -line Mixer (M -23) VVVF Universitas Sumatera Utara

(42)

2.9Mesin Otto Empat Langkah

Mesin otto ditemukan ole

dirancang untuk menggunakan bahan bakar bensin atau yang sejenis. Mesin ini terbagi 2 yakni, motor bakar 2 langkah dan 4 langkah. Pada motor bensin 2- langkah, siklus terjadi dalam dua gerakan torak atau dalam satu putaran poros engkol. Sedangkan motor bensin langkah, pada satu siklus tejadi dalam 4-langkah. Berikut adalah gambar siklus otto ideal 4 langkah :

Gambar 2.3. Langkah-langkah mesin otto 4 tak

Gambar 2.4 Diagram P-v dan T-s Siklus Otto Ideal

Proses yang terjadi pada siklus otto adalah sebagai berikut: Proses 0-1 : langkah hisap

(43)

Katup hisap terbuka disertai dengan gerakan torak kearah bawah.Saat torak bergerak dari titik mati atas (TMA) ke titik mati bawah (TMB), tekanan pada ruang silinder menjadi vakum sehingga campuran udara dan bahan bakar terhisap ke dalam silinder.

Proses 1-2 : kompresi isentropic

Katup hisap dan katup buang tertutup. Saat torak bergerak naik dari titik mati bawah (TMB) ke titik mati atas (TMA), campuran udara dan bahan bakar dikompresikan,sehingga tekanan dan temperaturnya akan naik, hal ini bertujuan mempermudah pembakaran.

Proses 2-3 : Pembakaran (volume konstan)

Katup hisap dan katup buang masih tertutup, kemudian busi menyalakan percikan api yang membuat campuran udara dan bahan bakar terbakar.

Proses 3-4 : Langkah kerja isentropik

Terbakarnya campuran udara dan bahan bakar, menghasilkan energi dorong terhadap torak. Torak bergerak kearah TMB dan memutar poros engkol.

Proses 4-1 : Proses pelepasan kalor pada volume konstan piston

Proses 1-0 : Langkah buang pada tekanan konstan

Katup buang terbuka disertai gerakan torak bergerak ke TMA , sehingga udara panas hasil pembakaran terdorong keluar silinder. Demikianlah prinsip kerja motor bakar 4 langkah , proses tersebut terjadi berulang-ulang mengubah energi kimia pada bahan bakar menjadi energy gerak pada torak.

2.10 Performansi Motor Bakar

Performansi mesin otto dipengaruhi oleh beberapa hal diantaranya, perbandingan kompresi ruang bakar, tingkat homogenitas campuran

(44)

bahan bakar dengan udara, angka oktan pada bensin, dan tekanan udara masuk ruang bakar. Semakin besar rasio kompresi akan meningkatkan performa mesin tetapi dapat menimbulkan knocking dan menurunkan daya motor. Maka rasio kompresi juga harus disesuaikan dengan bahan bakar yang dipakai. Jika rasio kompresi bertambah maka bilangan oktan pada mesin juga harus ditingkatkan. Campuran bahan bakar dan udara dicampur di karburator pada mesin otto. Aliran turbulen sangat cocok saat mengalirkan campuran udara dan bahan bakar ke ruang bakar. Aliran turbulen membuat campuran bahan bakar menjadi homogen.

Parameter mesin diukur untuk menentukan karakteristik pengoperasian pada motor bakar. Parameter dan performansi mesin dapat dilihat dari rumus- rumus dibawah ini. (Pulkrabek,2004 dan Heywood,1998)

2.10.1 Torsi dan Daya

Alat yang digunakan untuk mengukur torsi dinamakandynamometer, alat ini di kopel dengan poros output mesin. Cara kerja dynamometer mirip dengan kerja sebuah rem yang dilekatkan ke poros mesin, maka daya yang diukur dinamakan dengan daya rem

(brake power).

�� =2×₆₀�×�� ... (2.1) [Lit.7 hal 46]

Dimana :�_� = Daya keluaran (Watt) N = putaran mesin (rpm) T = Torsi (N.m)

(45)

Nilai ekonomis sebuah mesin ditunjukkan dengan seberapa besar jumlah bahan bakar yang dipakai untuk menghasilkan sejumlah daya selang waktu tertentu. Satuan untuk sfcadalah kg/jam, maka

��= ṁ�×103

�� ... (2.2) [Lit.11 hal 56]

dimana : Sfc = konsumsi bahan bakar spesifik (g/kW.h).

�̇f = laju aliran bahan bakar (kg/jam)

Besarnya laju aliran massa bahan bakar (�̇f) dihitung dengan persamaan berikut :

ṁ� =��_�� 10−3× 3600 ... (2.3) [Lit.11 hal 56]

Dimana : sgf = spesific gravity

�� = volume bahan bakar yang diuji

�� = waktu untuk menghabiskan bahan bakar (detik) 2.10.3 Effisiensi Thermal

Energi yang dibangkitkan oleh piston akan lebih besar dari bekerja yang terpakai. Hal ini dikarenakan adanya rugi-rugi mekanis yang terdapat pada mesin itu sendiri. Maka perlu dicari kerja maksimum yang dapat dihasilkan dari pembakaran sejumlah bahan bakar. Efisiensi ini dipanggil dengan nama efisiensi termal brake.

�� = _{��}�� ... (2.4) [Lit.7 hal 59] Laju panas yang masuk Q, dapat dihitung dengan rumus berikut : � =ṁ�×�� ... (2.5) [Lit.7 hal 59]

Dimana, LHV = nilai kalor bawah bahan bakar (kj/kg)

Jika daya keluaran (�_�) dalam satuan kW, laju aliran bahan bakar �_� dalam satuan kg/jam dan ηc = efisiensi pembakaran, maka:

�� = _�̇ ��

(46)

2.10.4 Rasio Udara - Bahan Bakar (AFR)

Energi yang masuk kedalam sebuah mesin �_�� berasal dari pembakaran bahan bakar hidrokarbon. Udara digunakan untuk menyuplai oksigen yang dibutuhkan untuk mendapatkan reaksi kimia didalam ruang bakar. Agar terjadinya reaksi pembakaran, jumlah oksigen dan bahan bakar harus tepat. Yang dirumuskan sebagai berikut:

��=��

�� =

ṁ�

ṁ� ... (2.7) [Lit.11 hal 56]

�� =��(�_��_._�+_��) ... (2.8) [Lit.11 hal 56]

Dimana: �_� = massa udara di dalam silinder per siklus

�� = massa bahan bakar di dalam silinder per siklus ṁ� = laju aliran udara didalam mesin

ṁ� = laju aliran bahan bakar di dalam mesin �� = tekanan udara masuk silinder

�� = temperatur udara masuk silinder � = konstanta udara

�� = volume langkah (displacement) �� = volume sisa

2.11 Pembakaran pada Mesin Otto

Pembakaran adalah reaksi kimia dimana oksidan (oksigen) bereaksi secara cepat terhadap bahan bakar dan melepaskan energy panas. Ada tiga unsur kimia utama dalam elemen mampu bakar (combustible) yakni karbon(C) dan hidrogen (H), elemen lainnya adalah sulfur(S). Proses pembakaran dikatakan sempurna jika semua karbon bereaksi dengan oksigen dan menghasilkan karbon monoksida, atau jika sulfur bereaksi dengan sulfur menghasilkan sulfur dioksida.

(47)

Jika kondisi ini tidak terpenuhi, maka dikatakanproses pembakaran tidak sempurna.

Nitrogen tidak berpartisipasi pada proses pembakaran dan disebut sebagai gas lembam. Selama proses pembakaran, butiran minyak bahan bakar dipisahkan menjadi elemen komponennya yaitu hidrogen dan karbon dan masing-masing bergabung dengan oksigen dari udara secarah terpisah. Hidrogen akan bergabung dengan oksigen dan menghasilkan air. Karbon akan bergabung dengan oksigen menjadi karbon dioksida. Jika jumlah oksigen tidak cukup maka sebagian karbon akan bereaksi dengan carbon dan menghasilkan karbon monoksida. Pembentukan karbon monoksida hanya menghasilkan 30% panas yang dihasilkan oleh pembentukan karbon dioksida

2.11.1 Karburator

Karburator memiliki fungsi sebagai pencampur antara bahan bakar dan udara dan menghasilkan aliran turbulen campuran bahan bakar dan udara ke ruang bakar sehingga campuran bahan bakar dan udara homogen.

Perbandingan campuran udara dan bahan bakar bila diperlukan tenaga maksimum adalah berkisar antara (12-13) : 1. Jadi lebih gemuk dari campuran teoritis yang dibutuhkan untuk dapat terjadinya suatu pembakaran yang sempurna yaitu 15 : 1. Sekalipun perbandingan campuran sudah bagus, bila sebagian bahan bakar tidak dapat menguap, maka akan mengakibatkan campuran menjadi kurus, sehingga tidak dapat terbakar dengan baik. Selain campuran harus baik dan rata, juga diperlukan posisi atau letak dari busi yang tepat agar terjadi loncatan api yang sempurna.

Untuk mencampur udara dengan bahan bakar secara otomatis dengan suatu perbandingan tertentu pada suatu saat dan kondisi tertentu diperlukan karburator. Jelasnya karburator menyediakan suatu campuran udara bahan bakar dengan perbandingan yang tetap. Karburator bekerja sangat tepat untuk setiap kondisi yang berbeda-beda dalam menghasilkan suatu perbandingan campuran yang baik.

(48)

Sesaat setelah motor dihidupkan, suhu motor masih dingin, dan hanya sekitar (10-20%) dari bensin yang menguap. Pada saat ini kita menggerakkan katup choke untuk mengurangi jumlah aliran udara sehingga tekanan negatif menjadi besar dan campuran menjadi cukup gemuk. Karena itu sekalipun bensin menguap hanya 10% dan campuran cukup gemuk tapi masih dapat menyala. Setelah itu kita harus segera membuka kembali katup choke bila motor sudah berjalan stabil. Pada beban rendah dan pembukaan katup throttle yang kecil, campuran cenderung menjadi kurus, sebab :

i) Penguapan bahan bakar rendah karena suhu tempat yang dilalui bahan bakar rendah.

ii) Distribusi atau pemberian bahan bakar rendah. Karena itu perbandingan campuran pada karburator harus dinaikkan atau pemberian bahan bakar harus diperbanyak. Pada beban menengah menggunakan suatu campuran udara bahan bakar yang kurus, namun demikian masih dapat menyala dan terbakar dengan stabil karena suhu dan tekanan masih dalam batas yang memungkinkan untuk bekerja dengan hasil yang menguntungkan. Jika campuran lebih gemuk dari campuran stokiometris untuk beban ringan, maka akan menghasilkan suatu pembakaran yang tidak sempurna. Dalam hal ini selain memboroskan bahan bakar, juga gas buang akan banyak mengandung karbonmonoksida (CO) dan hidrokarbon (HC) yang tidak terbakar. Jadi campuran gemuk yang dengan perbandingan 12 : 1 sangat cocok untuk menghasilkan penyalaan dan pembakaran bila tenaga maksimum diperlukan. Perbandingan campuran yang lebih kurus dari 15 : 1 akan menghasilkan efisiensi yang rendah dan mengurangi pemakaian bahan bakar jika pembakarannnya stabil. Atau dengan kata lain bahwa suhu gas bekas rendah karena akibat kelebihan udara, sehingga memungkinkan sebagian kecil panas terbuang. Alasan lain adalah panas spesifik yang kecil dari gas memungkinkan suhu dan tekanan dari gas untuk naik dengan mudah. Sekalipun demikian jika campuran terlalu kurus maka proses pembakarannya akan berjalan

(49)

lambat dan tidak stabil, sehingga memungkinkan kenaikan pemakaian bahan bakar.

2.11.2 Penyalaan dengan Bunga Api

Busi dipasang pada suatu tempat dalam ruang bakar untuk memberikan bunga api. Bunga api diberikan dalam waktu yang sangat singkat dan menyalakan campuran udara bahan bakar dalam ruang bakar.

Berbeda dengan mesin diesel yang penyalaannya terjadi sendiri akibat udara panas yang dikompresikan dalam ruang bakar. Sekalipun loncatan bunga api listrik sangat singkat dan total energinya kecil, tapi dengan tegangan 10.000 Volt antara elektroda busi yang mempunyai suhu ribuan derajat Celcius, akan mampu menimbulkan aliran arus listrik pada molekul-molekul dari campuran udara bahan bakar yang kerapatannya cukup tinggi. Karena pembakaran dari campuran udara bahan bakar adalah berupa reaksi ion, maka sistem penyalaan listrik sangat sesuai untuk mendapatkan suhu yang tinggi, dan dapat berlangsungnya proses ionisasi.

1) Busi

Sebuah kabel yang berhubungan dengan sumber daya tegangan tinggi dihubungkan ke bagian terminal pada sisi atas busi. Saat arus listrik berkekuatan 5000 – 10.000 volt menghasilkan percikan bunga api diantara elektroda busi. Bunga api menyalakan campuran yang berada disekitarnya kemudian menyebar ke seluruh arah dalam ruang bakar. Pembakaran tidak terjadi serentak, tapi bergerak secara progresif melintasi campuran yang belum terbakar, dan dimulai di tempat yang paling panas yaitu di dekat busi. Busi tidak boleh terlalu panas, karena akan memudahkan terbentuknya endapan karbon pada permukaan isolatornya dan dapat menimbulkan hubungan singkat. Untuk menghindari kejadian ini suhu isolatornya harus mencapai 700-800 oC agar karbon dapat terbakar. Tapi bila suhu tinggi isolatornya dapat rusak atau preignition akan terjadi yaitu penyalaan sebelum terjadi loncatan bunga api pada busi. Jika hal ini terjadi akan memperpendek umur motor.

(50)

Pada motor yang cenderung untuk mudah terjadinya overheating (panas yang berlebihan) karena pengaruh sistem pendingin, kita harus menggunakan busi panas, sedangkan pada motor yang cenderung akan terjadi endapan karbon digunakan busi dingin.

2) Alat pembangkit tegangan tinggi

Untuk menghasilkan pembakaran yang baik maka dibutuhkan percikan api yang baik juga. Maka dibutuhkan energy tegangan potensial yang besar juga. Tegangan antara 5000 sampai lebih dari 10.000 volt harus diberikan pada elektroda tengah agar dapat terjadi loncatan bunga api antara celah atau elektroda busi. Baterai terlalu berat dan harus diisi bila lama tidak dipakai, maka umumnya pada motor-motor kecil dipakai magnet. Magnet permanen dipasang pada poros engkol dan inti besi ditempatkan sebagai stator. Magnet berputar bersama-sama dengan roda penerus, dan antara inti besi dengan magnet terdapat suatu celah kecil. Medan magnet berubah-ubah karena perputaran magnet sehingga menimbulkan listrik dalam lilitan primer pada inti besi. Akibat gerakan cam titik kontak terbuka maka akan terjadi arus tegangan tinggi yang memungkinkan terjadinya loncatan bunga api pada busi. Kenaikan tegangan pada transformator yang terdiri dari lilitan primer dan lilitan sekunder, dan tegangan tinggi yang terjadi pada lilitan sekunder inilah yang dibutuhkan oleh busi. Kapasitor yang disisipkan dalam sirkuit akan menghindari terjadinya loncatan bunga api pada titik kontrol akibat tegangan tinggi yang timbul dalam lilitan sekunder.

Saat penggunaan magnet tidak dipergunakan secara luas, dengan penggunaan solid state sebagai transistor sebagai alat penahan arus secara mekanik. Sistem penyalaan solid state mempunyai keuntungan bila dibandingkan dengan sistem mekanik. Salah satu sistem penyalaan yang tidak mekanik adalah sistem CDI (Capasitor Discharge Ignition). Magnet CDI prinsip kerjanya sama dengan magnet roda penerus. Bila magnet berputar bersama-sama dengan roda penerus yang merupakan satu kesatuan, aus diinduksikan dalam coil yang stasioner dan kemudian mengisi kapasitor. Bila kapasitor telah diisi, sebuah isyarat tegangan untuk mengontrol timbulnya penyalaan

(51)

dalam coil sensor dengan menggunakan pintu G dari SCR (Silicon Controlled

Rectifier) untuk mengalirkan arus dari A ke K. Kemudian listrik yang

dikumpulkan dalam kapasitor disalurkan pada suatu saat melalui SCR dalam lilitan primer dari coil. Arus ini membangkitkan tegangan yang lebih tinggi dalam lilitan sekunder, yang menyebabkan terjadinya loncatan bunga api pada busi.

2.11.3 Saat Penyalaan dan Pembakaran

Loncatan bunga api terjadi sesaat torak mencapai titik mati atas (TMA) sewaktu langkah kompresi. Saat loncatan bunga api biasanya dinyatakan dalam derajat sudut engkol sebelum torak mencapai titik mati atas. Pada pembakaran sempurna setelah penyalaan dimulai, api menjalar dari busi dan menyebar ke seluruh arah dalam waktu yang sebanding, dengan 20 derajat sudut engkol atau lebih untuk membakar campuran sampai mencapai tekanan maximum. Kecepatan api umumnya kurang dari 10-30 m/detik. Panas pembakaran pada TMA diubah dalam bentuk kerja dengan efisiensi yang tinggi. Kelambatan waktu akan meurunkan efisiensi. Ini disebabkan rendahnya tekanan akibat pertambahan volume dan waktu penyebaran api yang terlalu lambat. Penyalaan yang terlalu cepat juga dapat menurunkan efisiensi sekalipun tekanannya tinggi akibat langkah kompresi. Jadi harus mempunyai waktu penyalaan yang pasti.

(52)

Gambar 2.5 Dampak dari pendahulu kontak

Gambar 2.6 Memperlihatkan hubungan antara perubahan waktu dengan tekanan di dalam silinder dan waktu penyalaan. Gambar menunjukkan bahwa hasil akan maksimum pada sudut 26 derajat poros engkol. Torak mempunyai kerja negatif jika tekanan naik selama langkah kompresi karena terjadinya penyalaan yang terlalu cepat seperti yang ditunjukkan dalam grafik. Seluruh kerja negatif tidak menghasilkan suatu kerugian karena akan diperoleh kembali bila torak ke bawah, tapi efisiensi menjadi turun seperti halnya pada penyalaan yang terlalu lambat.

(53)

Gambar 2.6 Diagram jika pengapian terlalu cepat atau terlalu lambat

Gambar 2.7 memperlihatkan keadaan ini secara visual. Grafik 1-2-A-B-C adalah penyalaan yang terlambat dan grafik 1-A-B-B’-B-C adalah penyalaan yang terlalu cepat. Dalam hal terakhir tekanan dan suu menjadi tinggi antara B dan B’, jadi kehilangan panas dan gesekan menjadi lebih besar dari biasanya.

2.12 Generator Set

Generator set atau sering disebut genset adalah sebuah perangkat yang berfungsi menghasilkan daya listrik. Disebut sebagai generator set dengan pengertian adalah satu set peralatan gabungan dari dua perangkat berbeda yaitu mesin dan generator atau alternator. Mesin sebagai perangkat pemutar sedangkan generator atau alternator sebagai perangkat pembangkit listrik.

Mesin dapat berupa perangkat mesin diesel berbahan bakar solar atau mesin berbahan bakar bensin, sedangkan generator atau alternator merupakan kumparan atau gulungan tembaga yang terdiri dari stator (kumparan statis ) dan rotor (kumparan berputar).

(54)

Gambar 2.7 Generator Set

Dalam ilmu fisika yang sederhana dapat dijelaskan bahwa mesin memutar rotor pada generator sehingga timbul medan magnet pada kumparan stator generator, medan magnit yang timbul pada stator dan berinteraksi dengan rotor yang berputar akan menghasilkan arus listrik sesuai hukum Lorentz.

Arus listrik yang dihasilkan oleh generator akan memiliki perbedaan tegangan di antara kedua kutub generatornya sehingga apabila dihubungkan dengan beban akan menghasilkan daya listrik, atau dalam rumusan fisika sebagai P dapat diperoleh dengan:

P = V x I ... (2.11) [Lit 16] Dimana: P = daya (Watt)

V= Tegangan (Volt) I = Arus ( Ampere)

2.12.1 Tipe Generator Set

Genset dapat dibedakan dari jenis mesin penggeraknya, dimana dikenal tipe-tipe mesin yaitu mesin diesel dan mesin non diesel/bensin. Mesin dieseldikenali dari bahan bakarnya berupa solar, sedangkan mesin non diesel berbahan bakar bensin premium.

(55)

Di pasaran, genset dengan mesin non diesel atau berbahan bakar premium biasa diaplikasikan pada genset berkapasitas kecil atau dalam kapasitas maksimum 10.000 VA atau 10 kVA, sedangkan genset diesel berbahan bakar solar diaplikasikan pada genset berkapasitas > 10 kVA. Hal terkait dengan tenaga yang dihasilkan oleh diesel lebih besar daripada mesin non diesel, dimana cara kerja pembakaran diesel yang lebih sederhana yaitu tanpa busi, lebih hemat dalam pemeliharaan, lebih responsif dan bertenaga. Selain itu untuk aplikasi industri dimana bahan bakar diesel (solar) lebih murah daripada bensin (gasoline).

Dalam aplikasi dijumpai bahwa genset terdiri dari genset 1 phasa atau 3 phasa.Pengertian 1 phasa atau 3 phasa adalah merujuk pada kapasitas tegangan yang dihasilkan oleh genset tersebut.Tegangan 1 phasa artinya tegangan yang dibentuk dari kutub L yang mengandung arus dengan kutub N yang tidak berarus, atau berarus No.l atau sering dikenal sebagai Arde atau Ground. Sedangkan tegangan 3 phase dibentuk dari dua kutub yang bertegangan. Genset tiga phase menghasilkan tiga kali kapasitas genset 1 phase. Pada sistem kelistrikan PLN, kapasitas 3 phase yang dihasilkan untuk aplikasi rumah tangga adalah 380 Volt, sedangkan kapasitas 1 phase adalah 220 Volt.

Daya listrik dalam ilmu fisika merupakan besaran vektor, artinya besaran yang memiliki besar dan arah, tegangan dan arus yang dihasilkan merupakan gelombang sinusoidal dengan frekuensi tertentu. Di Indonesia, frekuensi tegangan dan arus ditetapkan sebesar 50 Hz, dimana hal ini mengikuti standar frekuensi di Belanda atau negara-negara Eropa, sedangkan di negara Amerika Serikat dan Kanada menggunakan frekuensi 60 Hz.

2.14. Emisi Gas Buang

Emisi gas buang adalah sisa hasil pembakaran bahan bakar di dalam melalui

(56)

2.14.1. Sumber

Polutan dibedakan menjadi polutan primer atau sekunder. Polutan primer seperti nitrogen oksida (NOx) dan hidrokarbon (HC) langsung dibuangkan ke udara bebas dan mempertahankan bentuknya seperti pada saat pembuangan. Polutan sekunder seperti ozon (O3) dan peroksiasetil nitrat (PAN) adalah polutan

yang terbentuk di atmosfer melalui reaksi fotokimia, hidrolisis atau oksidasi.

2.14.2 Komposisi Kimia

Polutan dibedakan menjadi organik dan inorganik. Polutan organik mengandung karbon dan hidrogen, juga beberapa elemen seperti oksigen, nitrogen, sulfur atau fosfor, contohnya : hidrokarbon, keton, alkohol, ester dan lain-lain. Polutan inorganik seperti : karbon monoksida (CO), karbonat, nitrogen oksida, ozon dan lainnya.

2.14.3. Bahan Penyusun

Polutan dibedakan menjadi partikulat atau gas. Partikulat dibagi menjadi padatan dan cairan seperti : debu, asap, abu, kabut dan spray, partikulat dapat bertahan di atmosfer. Sedangkan polutan berupa gas tidak bertahan di atmosfer dan bercampur dengan udara bebas.

a.) Partikulat

Polutan partikulat yang berasal dari kendaraan bermotor umumnya merupakan fasa padat yang terdispersi dalam udara dan membentuk asap. Fasa padatan tersebut berasal dari pembakaran tak sempurna bahan bakar dengan udara, sehingga terjadi tingkat ketebalan asap yang tinggi. Selain itu partikulat juga mengandung timbal yang merupakan bahan aditif untuk meningkatkan kinerja pembakaran bahan bakar pada mesin kendaraan.

Apabila butir-butir bahan bakar yang terjadi pada penyemprotan kedalam silinder motor terlalu besar atau apabila butir–butir berkumpul menjadi satu, maka akan terjadi dekomposisi yang menyebabkan terbentuknya karbon–karbon padat atau angus. Hal ini disebabkan karena pemanasan udara yang bertemperatur tinggi, tetapi penguapan dan pencampuran bahan bakar dengan udara yang ada di

(57)

dalam silinder tidak dapat berlangsung sempurna, terutama pada saat–saat dimana terlalu banyak bahan bakar disemprotkan yaitu pada waktu daya motor akan diperbesar, misalnya untuk akselerasi, maka terjadinya angus itu tidak dapat dihindarkan. Jika angus yang terjadi itu terlalu banyak, maka gas buang yang keluar dari gas buang motor akan bewarna hitam.

b.) Unburned Hidrocarbon (UHC)

Hidrokarbon yang tidak terbakar dapat terbentuk tidak hanya karena campuran udara bahan bakar yang gemuk, tetapi bisa saja pada campuran kurus bila suhu pembakarannya rendah dan lambat serta bagian dari dinding ruang pembakarannya yang dingin dan agak besar. Motor memancarkan banyak hidrokarbon kalau baru saja dihidupkan atau berputar bebas (idle) atau waktu pemanasan.

Pemanasan dari udara yang masuk dengan menggunakan gas buang meningkatkan penguapan dari bahan bakar dan mencegah pemancaran hidrokarbon. Jumlah hidrokarbon tertentu selalu ada dalam penguapan bahan bakar, di tangki bahan bakar dan dari kebocoran gas yang melalui celah antara silinder dari torak masuk kedalam poros engkol, yang disebut dengan blow by

gasses (gas lalu). Pembakaran tak sempurna pada kendaraan juga menghasilkan

gas buang yang mengandung hidrokarbon. Hal ini pada motor diesel terutama disebabkan oleh campuran lokal udara bahan bakar tidak dapat mencapai batas mampu bakar.

c.) Karbon Monoksida (CO)

Karbon dan Oksigen dapat bergabung membentuk senyawa karbon monoksida (CO) sebagai hasil pembakaran yang tidak sempurna dan karbon dioksida (CO2) sebagai hasil pembakaran sempurna.Karbon monoksida

merupakan senyawa yang tidak berbau, tidak berasa dan pada suhu udara normal berbentuk gas yang tidak berwarna. Gas ini akan dihasilkan bila karbon yang terdapat dalam bahan bakar (kira–kira 85 % dari berat dan sisanya hidrogen) terbakar tidak sempurna karena kekurangan oksigen. Hal ini terjadi bila campuran udara bahan bakar lebih gemuk dari pada campuran stoikiometris, dan terjadi

(58)

selama idling pada beban rendah atau pada output maksimum. Karbon monoksida tidak dapat dihilangkan jika campuran udara bahan bakar gemuk.Bila campuran kurus karbon monoksida tidak terbentuk.

d.) Oksigen (O2)

Oksigen (O2) sangat berperan dalam proses pembakaran, dimana oksigen

tersebut akan diinjeksikan ke ruang bakar. Dengan tekanan yang sesuai akan mengakibatkan terjadinya pembakaran bahan bakar.Nitrogen monoksida (NO) merupakan gas yang tidak berwarna dan tidak berbau sebaliknya nitrogen dioksida (NO2) berwarna coklat kemerahan dan berbau tajam. NO merupakan gas

yang berbahaya karena mengganggu saraf pusat. NO terjadi karena adanya reaksi antara N2 dan O2 pada temperature tinggi di atas 1210oC. Persamaan reaksinya

adalah sebagai berikut:

O2 → 2O

N2+O → NO+N

(59)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Waktu dan Tempat

Pengujian dilakukan di Lembaga Pusat Penelitian dan Pengabdian Masyarakat Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara dan bengkel Toyota Auto 2000 SM Raja selama kurang lebih 1 bulan.

3.2 Alat dan Bahan 3.2.1 Alat

Adapun peralatan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain:

1. Tangki Umpan

(60)

Tangki umpan berfungsi sebagai tempat untuk preparasi umpan.

Tabel 3.1 Spesifikasi Tangki Umpan dan Aksesorisnya Tangki

• Diameter 85 cm

• Tinggi total 204 cm

• Tinggi baffle 170 cm

Motor Listrik

• Daya 1 HP (745,7 watt)

• Phase 1 phase (AC)

• ω 1500 rpm

• Merek Powerfull

Pengaduk

• Jumlah bilah 2

• Posisi Bilah 1 28.4 cm dari dasar tangki

• Posisi Bilah 2 85 cm di atas bilah 1

• Jenis Bilah 1 Paddle

• Jenis Bilah 2 Turbin

• Diameter Bilah 1 42.5 cm

Gear Box

• Nisbah 60:1

(61)

2. Tangki Fermentor

Fermentor merupakan salah satu peralatan utama di dalam rangkaian peralatan yang ada pada unit pengolahan. Bioreaktor adalah tempat dimana biogas diproduksi melalui proses fermentasi. Fermentor adalah reaktor semikontinu berpengaduk, dimana umpan dan keluaran akan masuk dan keluar pada selang waktu tertentu (contohnya: 12 kali sehari dengan selang waktu 2 jam untuk sekali pengumpanan)

(62)

Tabel 3.2 Spesifikasi Fermentor dan Aksesorisnya

Tangki

• Diameter 142.0 cm

• Tinggi total 213.0 cm

• Tinggi baffle 106.5 cm

Motor Listrik

• Daya 3 HP (2237,1 watt)

• Phase 3 phase

• ω 1500 rpm

• Merek Teco

Pengaduk

• Jumlah bilah 2

• Posisi Bilah 1 47.3 cm dari dasar tangki

• Posisi Bilah 2 106.5 cm di atas bilah 1

• Jenis Bilah 1 Paddle

• Jenis Bilah 2 Turbin

• Diameter Bilah

1 65 cm

Gear Box

• Nisbah 40:1

• Merek Sinoria (made in China)

Heater

• Diameter 2 inci

• Panjang 60 cm

• Daya Heater 1 3000 watt

• Daya Heater 2 1500 watt

• Posisi Heater 1 15 cm dari dasar tangki

(63)

3. Tangki Pengendapan

Tangki pengendapan adalah tempat dimana sludge yang masih kaya akan padatan diendapkan selama beberapa jam yakni dengan HRT 10 jam sehingga diharapkan sludge yang kaya akan padatan terendapkan dan akan diumpankan ke dalam tangki pencampuran sedangkan yang miskin akan padatan dibuang dengan cara overflow.

Gambar 2.4 Tangki Pengendapan

(1)

Lampiran 2. Perhitungan nilai LHV Biogas

Biogas kering [CH4 dan CO2] pada 32 F & 1 atm % Volume CH4 g mol wt % berat CH4 Densitas LHV (Btu/ft3) lbs

d.g/ft3 ft 3

/lbd.g

40% 32,8 19,60% 0,0916 10,92 385

42% 32,3 20,90% 0,0900 11,11 405

44% 31,7 22,30% 0,0885 11,30 424

46% 31,1 23,70% 0,0869 11,50 443

48% 30,6 25,20% 0,0854 11,71 463

50% 30,0 26,70% 0,0838 11,93 482

52% 29,5 28,30% 0,0822 12,16 501

54% 28,9 30,00% 0,0807 12,39 520

56% 28,4 31,70% 0,0791 12,64 540

58% 27,8 33,50% 0,0776 12,89 559

60% 27,2 35,40% 0,0760 13,16 578

62% 26,7 37,30% 0,0744 13,43 598

64% 26,1 39,30% 0,0729 13,72 617

66% 25,6 41,40% 0,0713 14,02 636

68% 25,0 43,70% 0,0698 14,34 655

70% 24,4 46,00% 0,0682 14,66 675

Biogas kering

Sumber :David Ludington, 2006

Dalam perhitungan dianggap biogas mengandung 60% CH4 maka LHV yang digunakan sebesar 578 Btu/ft3.

578 Btu/ft3 = 578 x 1055,05585 J/ft3 x 13,6 ft3/lb x 0,45359 kg/lb = 17707635 J/kg

(2)

Lampiran 3. Data hasil pengukuran flow biogas keluar dari selang menuju karburator

BebanDayaLampu (W) WaktuTangkiHabis (s) Volume Tabung (L) Q (L/s) mf (kg/jam)

100 254,5 100 0,393 1,72

200 235,9 100 0,424 1,86

300 217,9 100 0,459 2,01

400 205,8 100 0,486 2,13

500 195,7 100 0,511 2,24

Massa jenis biogas = 1,217 kg/m3

(3)

Lampiran 4. Data hasil pengujian mesin otto dengan bahan bakar Premium

Waktu Pengujian Parameter Uji

Premium

Jumlah lampu (@100 Watt)

1 2 3 4 5

t (5 menit)

n (rpm) 4049,5 4148 4229 4370 4458,5

V (volt) 248 248,5 250,5 251 252,5

A (ampere) 0,46 0,835 1,26 1,655 2,05

Δ m (gr) 45 50 54 58 62

ṁf (kg/jam) 0,54 0,6 0,648 0,696 0,744 ṁa(kg/jam) 10,087 10,087 10,087 10,087 10,087

PB (Watt) 114,1 207,495 315,635 415,405 517,635

T ( N.m ) 0,269166 0,477925 0,713068 0,908199 1,109222

Sfc (g/kW.h) 4732,69 2891,64 2053,00 1675,47 1437,31

LHV (kJ/kg) 43966 43966 43966 43966 43966

ηb(%) 1,78 2,92 4,11 5,04 5,87

AFR 18,67963 16,81167 15,56636 14,49282 13,5578

UjiEmisi Gas Buang

CO (% vol) 3,69 4,22 4,44 4,47 4,84

HC (ppm vol) 841,00 443,00 326,00 283,00 208,00

CO2 (% vol) 1,50 1,62 1,70 1,78 1,85

(4)

Lampiran 5. Data hasil pengujian mesin otto dengan bahan bakar Biogas

Parameter Uji

Biogas

Jumlah lampu (@100 Watt)

1 2 3 4 5

n (rpm) 4188,5 4238,5 4358 4428,5 3898,5

V (volt) 246,5 251,5 254,5 252,5 219,5

A (Ampere) 0,435 0,825 1,22 1.615 1.935

P (bar) 1,26 1,3 1,35 1,39 1,43

ṁf (kg/jam) 1,72 1,86 2,01 2,13 2,24

ṁa(kg/jam) 10,087 10,087 10,087 10,087 10,087

PB (Watt) _107,25 _207.495 _310.495 _407,79 _424,74

T ( N.m ) _0,244627 _0,467709 _0,680691 _0,879769 _1,040894

Sfc (g/kW.h) _16037,3 _8964,07 _6473,53 _5223,8 _5273,81

LHV (kJ/kg) _{17707,635 17707,635 17707,635 17707,635 17707,635}

ηb(%) _1,31 _2,34 _3,24 _4,01 _3,97

AFR 5,8645348 5,42311 5,01840 4,73568 4,53031 UjiEmisi Gas Buang

CO (% vol) 0,07 0,1 0,13 0,13 0,15

HC (ppm vol) 1268 646 600 355 324

CO2 (% vol) 5,7 6,2 7,4 8,2 7,8

O2 (% vol) 12,64 11,89 9,46 8,94 7,91

(5)

Lampiran 6. Standard Emisi Gas Buang

Kategori Tahun

Pembuatan

Parameter CO

(%)

HC (ppm)

Opacity (% HSU) Berpenggerak Motor

Bakar cetus api (bensin)

< 2007 4,5 1200 -

≥ 2007 1,5 200 -

Berpenggerak Motor Bakar Penyalaan Kompresi (Diesel)

GVW ≤ 3,5 Ton < 2010 - - 70

≥ 2010 - - 40

GvVW ≥ 3,5 Ton < 2010 - - 70

≥ 2010 - - 50

Sumber: Peraturan Menteri Negara Lingkungan Hidup Nomor 05 Tahun 2006 Tentang Ambang Batas Emisi Gas Buang

(6)

Lampiran 7. Anggaran Biaya Pengujian

NamaBarang Banyak Harga@ JumlahHarga

Premium 15 liter Rp. 6.500,00 Rp. 97.500,00

Oli 2 Botol Rp. 30.000,00 Rp. 60.000,00

Bola Lampu 100 Watt 10 Buah Rp. 5000,00 Rp. 50.000,00 Selang Bahan Bakar 1 m Rp. 6000,00 Rp. 6.000,00 Botol Bahan Bakar 1 Buah Rp. 10.000,00 Rp. 10.000,00

Selang LPG 2 m Rp. 30.000,00 Rp. 60.000,00

Regulator LPG 2Buah Rp. 45.000,00 Rp. 90.000,00 Karburator 1 Buah Rp. 70.000,00 Rp. 70.000,00 Ball Valve 1 Buah Rp. 15.000,00 Rp. 15.000,00 Globe Valve 1 Buah Rp. 70.000,00 Rp. 70.000,00

Naple 2 Buah Rp. 10.000,00 Rp. 10.000,00

Kajian Performansi Mesin Genset Otto Dengan Bahan Bakar Premium Dan Biogas Dari Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit