STUDI KINERJA GENSET BIOGAS KAPASITAS 750 WATT DENGAN BAHAN BAKAR BIOGAS DARI LIMBAH KELAPA SAWI
ABSTRAK
STUDI KINERJA GENSET BIOGAS KAPASITAS 750 WATT DENGAN
BAHAN BAKAR BIOGAS DARI LIMBAH KELAPA SAWIT
Oleh
FADLI MAROTIN
Penggunaan energi semakin meningkat, baik penggunaan energi langsung
maupun menkonversi energi ke dalam bentuk energi lainnya. Proyeksi kebutuhan
listrik dari tahun 2003-2020 yang dilakukan Dinas Perencanaan Sistem PT PLN
(Persero) dan Tim Energi BPPT terjadi kenaikan kebutuhan listrik sebesar 6,50%
pertahun. Biogas adalah campuran gas yang dihasilkan oleh bakteri metanogenik
yang terjadi pada material yang dapat terurai secara alami dalam keadaan anaerob.
Biogas umumnya terdiri dari gas metan (CH4) antara 50,00-60,00 %, gas
karbondioksida (CO2) sebesar 30,00-40,00 %, hidrogen (H2) dan sebagian kecil
gas-gas lainnya sebesar 1,00-2,00 %. Limbah agroindustri kelapa sawit berpotensi
sebagai bahan baku biogas, tercatat sekitar 13.761.239 ton/tahun tandan buah
segar dihasilkan dari perkebunan seluas 4.868.086 Ha. Biogas dapat dikonversi
menjadi energi listrik menggunakan genset biogas. Tujuan penelitian ini yaitu
mengetahui potensi biogas dari limbah kelapa sawit dan kinerja genset biogas.
Produksi biogas proses fermentasi basah dengan bahan baku POME dengan laju
pengumpanan 150 liter POME/ hari dan proses fermentasi kering dengan bahan
baku TKKS dengan 4 digester masing-masing berisi 20 kg TKKS. Produksi
biogas dari fermentasi basah rata-rata 1,91 m3/hari dan dari fermentasi kering ratarata 0,11 m3/hari. Biogas yang dihasilkan dari kedua proses mengandung 56,48%
metana. Kadar H2S dikurangi hingga 96,94% menggunakan biofilter dan hasilnya
biogas dengan kadar H2S sebesar 12,91 ppm. Kinerja genset biogas cukup baik
dilihat dari pemakaian biogas spesifik hanya sebesar 0,62 liter per watt per jam
pada beban 700 watt dan efisiensi termal efektif sebesar 30,00 % pada beban 600
watt.
.
Kata Kunci: Biogas, limbah pabrik kelapa sawit, genset biogas, POME, TKKS
ABSTRACT
STUDY PERFORMANCE BIOGAS GENERATOR 750 WATT CAPACITY
WITH FUEL BIOGAS FROM WASTE PALM OIL
By
FADLI MAROTIN
The use of energy is more increasing, either the usage of direct energy or the
converting energy into other forms of energy. Projections of electricity needs in
2003-2020 were conducted by a System Planning Department PT PLN (Persero).
Moreover, Energy Team BPPT increases in demand at 6.50% per annum. Biogas
is a mixture of gases produced by methanogenic bacteria which occur in
materials and can be naturally decomposed in the anaerobic state. Biogas is
generally composed of 50.00-60.00% methane (CH4), 30.00-40.00% carbon
dioxide (CO2), hydrogen (H2) and a small percent of gases 1.00-2.00%. Potential
oil palm of Agro Industry waste is as a raw material biogas. It is approximated
13,761,239 tons per year of fresh fruit bunches which produced from 4,868,086
hectares. Biogas can be converted into electrical energy by using biogas
generators. The purpose of this research is to know the potential of biogas from
palm oil waste and biogas of generator works. Wet fermentation process of biogas
production was raw materials POME by a feed rate of 150 liters POME per day.
Dry fermentation production was a raw materials TKKS by 4 digesters which
contains 20 kg of TKKS. The biogas production from wet fermentation is about 1,
91 m3 per day and dry fermentation is about 0.11 m3 per day. The biogas which
was produced by both process contains 56, 48% of methane. The amount of H2S is
decreased up to 96, 94% by using bio filter and the result of biogas with amount
of H2S is as big as 12, 91 ppm. The works of biogas generator was good enough
which was seen by the use of specific biogas is about 0, 62 liters per watt per hour
at load of 700 watt. More than that, the term essential was effective is about 30,
00% at load of 600 watt.
Keywords:Biogas, palm oil mill waste, biogas generators, POME, EFB
STUDI KINERJA GENSET BIOGAS KAPASITAS 750 WATT DENGAN
BAHAN BAKAR BIOGAS DARI LIMBAH KELAPA SAWIT
Oleh
FADLI MAROTIN
Skripsi
Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar
SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN
Pada
Jurusan Teknik Pertanian
Fakultas Pertanian Universitas Lampung
FAKULTAS PERTANIAN
UNIVERSITAS LAMPUNG
BANDAR LAMPUNG
2015
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Adi Jaya Kecamatan Terbanggi Besar
Kabupaten Lampung Tengah
pada tanggal 19 Mei 1992,
sebagai anak ke-4 dari 4 bersaudara keluarga Bapak Toyibun
dan Ibu Muntiah. Penulis Menyelesaikan pendidikan mulai
dari pendidikan Sekolah Dasar di SDN 1 Adi Jaya pada tahun
1998-2004, SMPN 3 Terbanggi Besar pada tahun 2004-2007, SMKN 2 Terbanggi
Besar-Lampung Tengah dengan bidang keahlian Teknik Survei Dan Pemetaan
pada tahun 2007-2010 dan terdaftar sebagai mahasiswa S1 Teknik Pertanian di
Universitas Lampung pada tahun 2010 melalui jalur Seleksi Nasional Masuk
Perguruan Tinggi Negeri (SNMPTN).
Pada tahun 2013 penulis melaksanakan Praktik Umum (PU) di PT. Great Giant
Pineapple Lampung Tengah dan melaksanakan kegiatan Kuliah Kerja Nyata
(KKN) Tematik periode I tahun 2014 di Batuliman Indah Kecamatan Candi Puro
Kabupaten Lampung Selatan. Penulis berhasil mencapai gelar Sarjana Teknologi
Pertanian (S.TP.) S1 Teknik Pertanian pada tahun 2015 dan menghasilkan skripsi
yang berjudul “Studi Kinerja Genset Biogas Kapasitas 750 Watt Dengan Bahan
Bakar Biogas Dari Limbah Kelapa Sawit”.
“Kupersembahkan karya kecil ini untuk Ayah, Ibu, dan Ketiga
Kakakku yang selalu memberikan dukungan, doa, serta kasih
sayang yang tiada hentinya”
Serta
“Kepada Almamater Tercinta”
Teknik Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Lampung
2010
Pengetahuan tidak didapatkan melalui jalan yang mudah. Ketahuilah dalam dirimu ada
dua sisi, guru dan murid. Sang guru akan senantiasa memberimu petunjuk, hanya
bagaimana sang murid dapat memahami petunjuk yang diberikan sang guru. Sering kali
pelajaran tidak disampaikan secara verbal padamu, kau yang mengolahnya sendiri menjadi
pelajaran yang berharga untuk digunakan menghadapi kehidupan
-Ki Hadjar Dewantara-
“Jika kamu berbuat baik (berarti) kamu berbuat baik untuk dirimu
sendiri. Dan jika kamu berbuat jahat, maka (kerugian kejahatan) itu
untuk dirimu sendiri”
(QS. Al-isra: 7)
"Pendidikan merupakan perlengkapan paling baik untuk hari tua."
(Aristoteles)
UCAPAN TERIMAKASIH
Penelitian ini dibiayai melalui program penelitian MP3EI a.n Dr. Ir. Agus
Haryanto, M. P. Dengan nomor kontrak 313/ UN26/ 8/ PL/2014 (2 Juni 2014).
Untuk itu penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya.
SANWACANA
Puji syukur penulis haturkan kepada Allah swt. yang tidak pernah berhenti
mencurahkan kasih sayang, kesabaran, serta rahmat-Nya sehingga penulis dapat
menyelesaikan skripsi yang berjudul “Studi Kinerja Genset Biogas Kapasitas
750 Watt Dengan Bahan Bakar Biogas Dari Limbah Kelapa Sawit”
merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknologi Pertanian
(S.TP.) di Jurusan Teknik Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Lampung.
Pada kesempatan kali ini penulis mengucapkan terimakasih kepada :
1.
Dr. Ir. Agus Haryanto, M.P. selaku ketua jurusan teknik pertanian serta
menjadi pembimbing pertama yang telah memberikan arahan, bimbingan
dan saran serta kesabaran sehingga terselesaikannya skripsi ini;
2.
Ir. M. Zen Kadir, M.T. selaku pembimbing kedua sekaligus pembimbing
akademik yang telah memberikan berbagai masukan dan bimbingannya
dalam penyelesaian skripsi ini;
3.
Dr. Ir. Sugeng Triyono, M.Si. selaku pembahas yang telah memberikan
saran dan masukan sebagai perbaikan selama penyusunan skripsi ini;
4.
Prof. Dr. Ir. Wan Abbas Zakaria, M.S. selaku dekan Fakultas Pertanian yang
telah membantu dalam administrasi skripsi ini;
5.
Seluruh Dosen serta Staff Jurusan Teknik Pertanian;
6.
Orang tua ku tercinta, Ibu dan Bapak serta Kakak-kakakku yang tidak
henti-hentinya memberikan dukungan baik moril maupun materil serta kasih
sayang sehingga menjadi sumber penyemangat dalam penyusunan skripsi
ini;
7.
Keluarga besar Persatuan Mahasiswa Teknik Pertanian (PERMATEP)
Unila;
8.
Teman-teman keluarga besar TEP ’10 yang sangat saya banggakan, terima
kasih atas keceriaan dan doanya;
9.
Dr. Ir. Udin Hasanudin, M.S. selaku kepala laboratorium Pengelolaan
Limbah Agroindustri di Jurusan Teknologi Hasil Pertanian Fakultas
Pertanian Universitas Lampung yang telah mengizinkan dan mendukung
penelitian ini;
10.
Mas joko dan teman-teman yang ada di laboratorium pengelolaan limbah
agroindustri; Mba Amel, Widya, Uul, Ica, Mia, Kak Egi, Bili yang telah
mendukung dan membantu berjalannya penelitian ini
11.
Teman-teman yang telah membantu penelitian saya; Ardi, Kiki, Adam,
Yasin, Ketut, Ikhwan, Muklis, Muammar, Ucok serta teman-teman yang
lain yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu;
vii
Penyusun menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan, oleh karena
itu dengan segala kerendahan hati penulis harapkan saran dan kritik yang sifatnya
membangun kearah perbaikan. Akhir kata, penulis berharap semoga skripsi ini
dapat bermanfaat untuk kita semua.
Bandar Lampung, 30 Mei 2015
Penulis,
Fadli Marotin
viii
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR ISI ........................................................................................................... ix
DAFTAR TABEL ................................................................................................... xi
DAFTAR GAMBAR .............................................................................................. xii
I. PENDAHULUAN .............................................................................................. 1
1.1 Latar Belakang ............................................................................................ 1
1.2 Tujuan Penelitian ......................................................................................... 3
1.3 Manfaat Penelitian ....................................................................................... 4
II. TINJAUAN PUSTAKA ..................................................................................... 5
2.1 Konsumsi Energi Listrik ............................................................................. 5
2.2 Limbah Industri Kelapa Sawit..................................................................... 7
2.2.1 Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit ........................................................ 7
2.2.2 Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS) ................................................. 9
2.3 Biogas .......................................................................................................... 10
2.4 Fermentasi Bahan Organik .......................................................................... 15
2.4.1 Fermentasi Basah .................................................................................. 15
2.4.2 Fermentasi Kering .................................................................................. 15
2.5 Pemanfaatan Biogas .................................................................................... 17
2.6 Proses Pemurnian Biogas ............................................................................. 19
2.7 Genset Biogas ............................................................................................... 21
III. METODOLOGI PENELITIAN ........................................................................ 23
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ................................................................... 23
3.2 Alat dan Bahan .......................................................................................... 23
3.3 Prosedur Penelitian ................................................................................... 25
3.3.1 Persiapan Digester Dan Biofilter ........................................................ 26
3.4 Metode Penelitian...................................................................................... 26
3.5 Parameter Pengukuran .............................................................................. 27
3.5.1 Produksi Gas ........................................................................................ 27
3.5.2 Kadar Hidrogen Sulfida (H2S) ............................................................ 27
3.5.3 Daya Yang Dihasilkan ......................................................................... 27
3.5.4 Pemakaian Bahan Bakar Spesifik ........................................................ 29
3.5.5 Efisiensi Termal ................................................................................... 29
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................................ 30
4.1 Biogas Dari Limbah Pabrik Kelapa Sawit ................................................ 30
4.1.1 Produksi Biogas ................................................................................... 30
4.1.2 Komposisi Biogas ................................................................................ 31
4.1.3 Pemurnian Biogas Menggunakan Biofilter .......................................... 32
4.2 Unjuk Kerja Genset Biogas ...................................................................... 33
4.3 Kendala Teknis ......................................................................................... 35
V. SIMPULAN DAN SARAN .............................................................................. 40
5.1 Simpulan .................................................................................................... 40
5.2 Saran ........................................................................................................... 40
DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................. 41
x
DAFTAR TABEL
Halaman
1. Kandungan Tandan Kosong Kelapa Sawit ........................................................ 9
2. Komposisi Biogas Secara Umum....................................................................... 14
3. Perbedaan Fermentasi Kering Dan Fermentasi Basah ....................................... 17
4. Teknologi Pemanfaatan Biogas Dan Persyaratan Pengolahan Gas ................... 18
5. Perbandingan Jumlah Udara Dan Jumlah Bahan Bakar Untuk Pembakaran
Sempurna ............................................................................................................ 21
6. Kandungan Gas Pada Biogas Dari Limbah Pabrik Kelapa Sawit ...................... 31
7. Kadar H2S Sebelum Dan Sesudah Dimurnikan Dengan Biofilter ..................... 32
8. Data Seluruh Percobaan Dalam Penelitian ........................................................ 37
9. Kadar Hudrogen Sulfur (H2S) ............................................................................ 50
10. Pemakaian Bahan Bakar (Biogas)Spesifik....................................................... 51
11. Efisiensi Termal Efektif ................................................................................... 52
12. Kesesuaian Daya Yang Dihasilkan Dengan Beban ......................................... 53
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1. Proyeksi Kebutuhan Listrik Persektor di Indonesia 2003-2020
(Permana, 2003) ............................................................................................... 6
2.
Kapasitas Terpasang (Statistik PLN, 2013) ..................................................... 7
3.
Persentase Produk Limbah Kelapa Sawit Terhadap Tandan Buah ................. 8
4.
Skema Fungsi Prinsip Fermentasi Kering (Internationales Biogas Und
Bioenergie Konpetenzzentrum, 2007) ............................................................. 16
5.
Skema Sistem Instalasi Dari Produksi Biogas Hingga Genset ........................ 24
6.
Diagram Alir Penelitian ................................................................................... 25
7.
Skema Pengukuran Arus Listrik Menggunakan Tang Meter ........................... 28
8.
Skema Pengukuran Voltase Menggunakan Multimeter................................... 28
9.
Pemakaian Bahan Bakar (Biogas) Spesifik...................................................... 33
10. Efisiensi Termal Efektif ................................................................................... 34
11. Kesesuaian Daya Yang Dihasilkan .................................................................. 38
12. Digester Fermentasi Basah Sistem Kontinyu ................................................... 44
13. Digester Fermentasi Kering ............................................................................. 44
14. Biofilter ............................................................................................................ 45
15. Water Trap ....................................................................................................... 45
16. Hasil Pengukuran H2S Dari Fermentasi Basah ................................................ 46
17. Hasil Pengukuran H2S Dari Fermentasi Kering ............................................... 46
18. Pengisian Bantal Penampung Biogas ............................................................... 47
19. Genset Biogas .................................................................................................. 47
20. Pengukuran Arus Listrik (Ampere) .................................................................. 48
21. Pengnukuran Voltase (Volt)............................................................................. 48
22. Flowmeter Yang Dipasang Untuk Mengetahui Konsumsi Biogas .................. 49
23. Beban Lampu Pijar 200 Watt ........................................................................... 49
24. Spesifikasi Genset Biogas ................................................................................ 56
25. Hasil Uji Kandungan Biogas ............................................................................ 57
xiii
I. PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Akhir dekade ini penggunaan energi semakin meningkat, baik penggunaan energi
secara langsung maupun mengkonversi suatu energi ke dalam bentuk energi lain
dengan tujuan memudahkan kegiatan manusia.Ini mengakibatkan penggunaan
energi secara besar-besaran, sedangkan sumber energi yang selama ini kita
gunakan sebagian besar berasal dari bahan bakar fosil yang jumlahnya semakin
lama semakin berkurang. Tingginya permintaan akan energi memaksa untuk
mumunculkan pemikiran-pemikiran akan energi alternatif. Salah satu energi
alternatif yang banyak dikembangkan yaitu biogas karena mudah didapat dan
mudah diperbaharui.
Biogas adalah campuran gas yang dihasilkan oleh bakteri metanogenik yang
terjadi pada material yang dapat terurai secara alami dalam keadaan anaerob. Pada
umumnya biogas terdiri dari gas metan (CH4) antara 50,00-60,00 %, gas
karbondioksida (CO2) sebesar 30,00-40,00 %, hidrogen (H2) dan sebagian kecil
gas-gas lainnya sebesar 1,00-2,00 % (Wahyuni, 2013). Biogas merupakan sumber
energi yang dapat diperbaharui, karena memanfaatkan pembusukan bahan-bahan
organik atau biomassa yang mudah diperoleh. Komponen utama biogas adalah
gas metan yang tidak berbau dan sangat mudah terbakar, sehingga sangat
2
bermanfaat untuk memenuhi kebutuhan manusia akan bahan bakar. Biogas juga
dapat memberikan nilai tambah terhadap limbah-limbah organik yang tidak
termanfaatkan dengan mengolahnya menjadi gas yang dapat dimanfaatkan untuk
memasak.
Selain itu produksi biogas juga memiliki hasil samping berupa
endapan (sludge) yang dapat dijadikan pupuk organik (Wahyuni, 2013). Bahanbahan organik yang dapat diurai menjadi biogas adalah sebagai berikut:
1. Limbah tanaman seperti pada tanaman tebu, rumput-rumputan, jagung,
gandum, jerami dan lain-lain
2. Limbah hasil produksi seprti minyak, ampas tebu, penggilingan padi, san
limbah sagu
3. Limbah agroindustri
4. Limbah perairan seperti alga laut dan tanaman air
5. Limbah peternakan seperti kotoran sapi, kotoran kerbau, kotoran kambing,
kotoran unggas, dan lain-lain.
Limbah agroindustri merupakan salah satu sumber bahan organik yang dapat
dijadikan biogas. Salah satu jenis agroindustri yang berpotensi besar yaitu
agroindustri kelapa sawit. Data statistik kelapa sawit tahun 2013 mencatat luas
area perkebunan kelapa sawit di Indonesia mencapai 4.868.086 Ha dengan
produksi tandan buah segar 13.761.239 ton/tahun. Bahan organik yang dijadikan
biogas dari agroindustri kelapa sawit ini adalah limbah dari hasil proses
pengolahan kelapa sawit. Limbah hasil proses tersebut berupa limbah cair pabrik
kelapa sawit atau POME (Palm Oil Mill Effluent) dan tandan kosong kelapa sawit
(TKKS).
3
Konsumsi energi yang sebagian besar dari bahan bakar fosil digunakan dalam
bentuk energi listrik maupun untuk menggerakkan mesin-mesin produksi.
Penggunaaa energi yang paling sering digunakan yaitu setelah dalam bentuk
energi listrik. Karena energi listrik paling mudah untuk di konversi kedalam
bentuk energi lainnya seperti energi gerak, energi panas dan sebagainya. Dari
hasil proyeksi kebutuhan listrik dari tahun 2003-2020 yang dilakukan Dinas
Perencanaan Sistem PT PLN (Persero) dan Tim Energi BPPT terjadi kenaikan
kebutuhan listrik sebesar 6,50% /tahun.
Biogas yang digunakan sebagai salah satu sumber energi alternatif berwujud gas
yang mudah terbakar, yaitu sebagian besar gas yg terkandung di dalamnya yaitu
gas metan (CH4). Hal tersebut perlu adanya konversi energi dari biogas (yang
lebih sering dimanfaatkan hanya sebagai energi kalor atau pemanas) menjadi
energi listrik. Salah satu yang dapat dilakukan yaitu membuat alat pengkonversi
biogas ke listrik sekala kecil. Konversi biogas ke listrik tersebut menggunakan
genset yg dimodifikasi agar dapat dijalankan menggunakan bahan bakar biogas
yang
sebelumnya
dimurnikan
dengan
biofilter.
Hal
tersebut
yang
melatarbelakangi dilakukan pengkajian alat ini dengan biogas yang dihasilkan
dari limbah agroindustri kelapa sawit yaitu limbah cair pabrik kelapa sawit/ pome
dan limbah keringnya berupa tandan kosong kelapa sawit (TKKS).
1.2
Tujan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk:
1. Mengetahui potensi biogas dari limbah pabrik kelapa sawit
4
2. Mengetahui kinerja alat konversi biogas ke listrik sekala kecil dengan
biofilter sebagai penyaring gas H2S
1.3
Manfaat Penelitian
Manfaat yang didapat dari penelitian ini yaitu:
1. Pemanfaatan limbah kelapa sawit (POME dan TKKS) sebagai sumber
energi alternatif berupa biogas
2. Informasi mengenai banyaknya biogas yang dihasilkan dari limbah kelapa
sawit (POME dan TKKS) dan besarnya daya yang dihasilkan jika biogas
tersebut dikonversi ke listrik.
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Konsumsi Energi Listrik
Listrik sudah menjadi kebutuhan wajib bagi masyarakat, pasalnya hampir semua
peralatan yang memudahkan manusia dalam kehidupan sehari-hari membutuhkan
energi listrik untuk menjalankanya. Pertumbuhan penduduk di Indonesia diiringi
juga dengan meningkatnya konsumsi energi listrik, tercatat di akhir Tahun 2013
jumlah pelanggan listrik PLN mencapai 53.996.208 pelanggan, meningkat sebesar
8,44% dari akhir tahun 2012. Dan Harga jual listrik rata-rata per kWh selama
tahun 2013 sebesar Rp 818,41 lebih tinggi dari tahun sebelumnya sebesar Rp
728,32 (Statistik PLN, 2013).
Berdasarkan hasil proyeksi kebutuhan listrik dari tahun 2003-2020 yang
dilakukan Dinas Perencanaan Sistem PT PLN (Persero) dan Tim Energi BPPT,
terlihat bahwa selama kurun waktu tersebut rata-rata kebutuhan listrik di
Indonesia tumbuh sebesar 6,50% per tahun dengan pertumbuhan listrik di sektor
komersial yang tertinggi, yaitu sekitar 7,30% per tahun dan disusul sektor rumah
tangga dengan pertumbuhan kebutuhan listrik sebesar 6,90% per tahun. Hal
tersebut sangat beralasan, mengingat untuk meningkatkan perekonomian di
Indonesia, pemerintah meningkatkan pertumbuhan sektor parawisata yang
selanjutnya akan mempengaruhi pertumbuhan sektor komersial. Untuk sektor
6
rumah tangga laju pertumbuhan kebutuhan listrik yang tinggi dipicu oleh ratio
elektrifikasi dari berbagai daerah yang masih relatif rendah, karena sampai tahun
2003 masih ada beberapa wilayah di Indonesia yang belum terlistriki terutama di
daerah yang tidak dilewati listrik PLN. Besarnya kebutuhan listrik masing-masing
sektor pengguna energi di 22 wilayah pemasaran PLN di Indonesia secara
akumulasi dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Proyeksi Kebutuhan Listrik Persektor Di Indonesia Tahun 2003-2020
(Permana, 2003)
Menurut Permana (2013), Total kebutuhan listrik di Indonesia merupakan
akumulasi dari kebutuhan listrik pada masing-masing sektor pengguna energi di
22 wilayah pemasaran listrik PLN, dan selama kurun waktu 17 tahun (2003-2020)
diperkirakan tumbuh sebesar 6,50% per tahun. Untuk wilayah lampung sendiri
masih defisit listrik sekitar 100-150 Megawatt, dan bergantung pada suplai dari
jalur utara yakni dari Baturaja menuju Kota Bumi, Lampung Utara (PT. PLN,
2013).
Dengan kebutuhan yang semakin meningkat penyediaaan energi listrik juga harus
semakin meningkat. Kapasitas terpasang berdasarkan jenis pembangkit listrik
7
dapat dilihat pada Gambar 2. Jumlah kapasitas terpasang seharusnya semakin
besar mengingat kebutuhan listrik semakin meningkat.
Gambar 2. Kapasitas terpasang (Statistik PLN, 2013)
Dari grafik tersebut terlihat kapasitas terpasang dari unit pembangkit listrik
PLTD, PLTMG, PLT Surya, PLT Angin termasuk kecil yaitu 2856,15 Mega Watt
dari total kapasitas yang terpasang 34205,63 Mega Watt. Pengembangan di unit
pembangkit tersebut dapat dilakukan untuk memperbesar kapasitas terpasang
nantinya. PLTMG (Pembangkit Listrik Tenaga Mesin Gas) merupakan salah
satunya yang dapat dikembangkan untuk menambah kapasitas energi listrikyang
terpasang.
2.2
Limbah industri kelapa sawit
2.2.1
Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit
Limbah cair pabrik kelapa sawit atau POME adalah salah satu produk samping
dari pabrik minyak kelapa sawit yang berasal dari kondensat dari proses
sterilisasi, air dari proses klarifikasi, air hydrocyclone (claybath), dan air
8
pencucian pabrik. POME mengandung berbagai senyawa terlarut termasuk, seratserat pendek, hemiselulosa dan turunannya, protein, asam organik bebas dan
campuran mineral-mineral. Dari satu ton tandan buah segar yang diproses pada
pabrik kelapa sawit diperoleh sekitar 28% POME, persentase dihitung terhadab
tandan buah segar (basis kering) yang dapat dilihat pada Gambar 3 (Abdullah dan
Sulaiman dalam Nur, 2014). Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit/ POME ini
umumnya berwarna kecoklatan, mengandung padatan terlarut dan tersuspensi
berupa koloid dan residu minyak dengan BOD (Biological Oxygen Demand) dan
COD (Chemical Oxygen Demand) yang tinggi.
inti sawit
7%
POME
28%
TKKS
23%
cangkang
6%
sabut
15%
CPO
21%
Gambar 3. Persentase produk limbah kelapa sawit terhadap tandan buah
segar (basis kering)
POME adalah cairan oleh-produk yang dihasilkan dari pemurnian minyak mentah.
Hal ini kaya nutrisi tanaman dan sedimen yang biasanya digunakan sebagai pupuk
di perkebunan kelapa sawit (Nur, 2014). POME merupakan nutrien yang kaya
akan senyawa organik dan karbon, dekomposisi dari senyawa-senyawa organik
oleh bakteri anaerob dapat menghasilkan biogas (Deublein dan Steinhauster,
2008). Jika gas-gas tersebut tidak dikelola dan dibiarkan lepas ke udara bebas
9
maka dapat menjadi salah satu penyebab pemanasan global karena gas metan dan
karbon dioksida yang dilepaskanadalah termasuk gas rumah kaca yang disebutsebut sebagai sumber pemanasan global saat ini. Emisi gas metan 21 kali lebih
berbahaya dari CO2 dan metan merupakan salah satu penyumbang gas rumah kaca
terbesar.
2.2.2
Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS)
Tandan kosong kelapa sawit merupakan limbah padat lignoselulosa industri
kelapa sawit. Tandan kosong kelapa sawit (TKKS) diperoleh setelah Tandan Buah
Segar dimasak pada tabung bertekanan untuk mendapatkan minyak dalam sebuah
proses yang disebut sterilisasi Ketersediaannya dapat dikatakan melimpah di
Indonesia, untuk setiap ton tandan buah segar diperoleh sekitar 230 kg TKKS
(Nur, 2014). Jika dilihat dari fisiknya tandan kosong kelapa sawit berupa seratserat dengan komposisi sellulosa, himesellulosa, dan lignin. Komposisi
kandungan tandan kosong kelapa sawit dapat dilihat di Tabel 1.
Tabel 1. Kandungan tandan kosong kelapa sawit (Sudiyani, 2009)
Komponen
Sellulosa
Himesellulosa
Lignin
% Berat
41,30-46,50
25,30-33,80
27,60-32,50
Selama ini tandan kosong kelapa sawit banyak dimanfaatkan sebagai pupuk
kompos, akan tetapi jika tandan kosong kelapa sawit ini difermentasi secara
anaerob juga menghasilkan biogas dan hasil sampingnya juga berupa kompos.
10
2.3
Biogas
Menurut Simamora (2006) bahwa biogas adalah adanya dekomposisi bahan
organik secara anaerobik (tertutup dari udara bebas) untuk menghasilkan suatu
gas yang sebagian besar merupakan metan dan karbon dioksida dan proses
dekomposisi anaerobik dibantu oleh sejumlah mikroorganisme, terutama bakteri
metan. Hambali (2007) menyatakan bahwa biogas didefinisikan sebagai gas yang
dilepaskan jika bahan-bahan organik (seperti, kotoran ternak, kotoran manusia,
jerami, sekam dan daun-daun hasil sortiran sayuran) difermentasikan atau
mengalami proses metanisasi. Wahyuni (2013) juga menyatakan bahwa biogas
adalah campuran gas yang dihasilkan oleh bakteri metanogenikyang terjadi pada
material-material yang dapat terurai secara alami dalam kondisi anaerobik. Biogas
merupakan gas yang timbul dari hasil fermentasi bahan-bahan organik seperti,
kotoran hewan, kotoran manusia, atau sampah direndam di dalam air dan
disimpan di dalam tempat yang tertutup atau anaerob. Biogas tersebut sebenarnya
dapat juga terjadi pada kondisi alami, namun untuk mempercepat dan menampung
gas ini, maka diperlukan alat yang memenuhi syarat terbentuknya gas ini yaitu
digester (Setiawan, 2007). Demikian juga dengan Said (2008) menyatakan bahwa
biogas adalah gas yang dihasilkan dari proses penguraian bahan-bahan biologis
atau organik oleh organisme kecil pada kondisi tanpa oksigen (anaerob).
Secara umum proses pembentukan biogas yaitu fermentasi bahan organik
kompleks menjadi gas oleh mikroorganisme anaerob. Berdasarkan aliran bahan
baku, reaktor biogas (biodigester) dibedakan menjadi tipe bak (batch) dan tipe
mengalir (continuous). Pada tipe mengalir aliran bahan baku masuk dan residu
11
keluar pada selang waktu tertentu, lama waktu bahan baku selama dalam reaktor
disebut waktu retensi hidrolik atau HRT (Hydraulic Retention Time).
Biogas menurut kharakteristik fisik merupakan gas. Karena itu, proses
pembentukannya membutuhkan ruangan dalam kondisi kedap atau tertutup agar
stabil.
Pada prinsipnya biogas terbentuk melalui beberapa proses yang
berlangsung dalam ruang yang anaerob atau tanpa oksigen. Proses berlangsung
secara anaerob dalam tempat tertutup ini juga memberikan keuntungan secara
ekologi karena tidak menimbulkan bau yang menyebar kemana-mana.
Berikut mekanisme pembentukan biogas secara umum.
Bahan organik
CH4 + CO2 + H2 + NH3
.......(1)
Apabila diuraikan dengan terperinci, secara keseluruhan terdapat tiga proses
utama dalam pembentukan biogas, yaitu proses hidrolisis, pengasaman
(asidifikasi), dan metanogenesis. Keseluruhan proses ini tidak terlepas dari
bantuan mikroorganisme anaerob.
Hidrolisis
Hirdoisis merupakan tahap awal dari proses fermentasi. Tahap ini merupakan
penguraian bahan organik dengan senyawa kompleks yang memilikisifat mudah
larut seperti lemak, protein, dan karbohidrat menjadi senyawa yang lebih
sederhana. Tahap ini juga dapat diartikan sebagai perubahan struktur dari bentuk
polimer menjadi bentuk monomer. Senyawa yang dihasilkan dari proses hidrolisis
diantaranya senyawa asam organik, glukosa, etanol, CO2, dan senyawa
12
hidrokarbon lainnya. Senyawa ini akan dimanfaatkan mikroorganisme sebagai
sumber energi untuk aktivitas fermentasi
(C6H10O5)n + nH2O
n(C6H12O6)
.......(2)
Asidifikasi
Senyawa-senyawa yang terbentuk pada tahap hidrolisis akan dijadikan sumber
energi bagi mikroorganisme untuk tahap selanjutnya, yaitu pengasaman atau
asidifikasi. Ada tahap ini, bakteri akan menghasilkan senyawa –senyawa asam
organik seperti asam asetat, asam propionat, asam butirat, dan asam laktat beserta
produk sampingan berupa alkohol, CO2, hidrogen dan zat amonia.
C6H12O6
C6H12O6
2CH3CHOHCOOH
(Asam laktat)
.......(3)
CH3CH2CH2COOH + 2CO2 +2H2
(Asam butirat)
.......(4)
C6H12O6
CH3CH2COOH + 2CO2
(Asam propionat)
.......(5)
C6H12O6
CH3COOH
(Asam asetat)
.......(7)
Hidrogen sulfida (H2S) dihasilkan oleh bakteri pengurai sulfat. Bakteri pengurai
sulfat tumbuh dalam digester dan menggunakan asetat atau propionat
asam untuk menghasilkan H2S. Langkah ini terjadi secara bersamaan
dengan produksi metana (Truong, 2005). Reaksi yang menghasilkan H2S dapat
dilihat di bawah ini (Vavilin, 1993) :
H2SO4 + CH3COOH
(Asetat)
H2SO4 + CH3CH2COOH
(Propionat)
H2S + 2H2CO3
H2S +
12
7
H2CO3
.......(8)
.......(9)
13
Metanogenesis
Bakteri metanogen seperti methanococus, methanosarcina, dan methano
bactherium akan mengubah produk lanjutan dari tahap pengasaman menjadi gas
metan, karbondioksida, dan air yang merupakan komponen penyusun biogas.
berikut reksi perombakan yang dapat terjadi pada tahap metanogenesis (Wahyuni,
2013).
4H2 + CO2
CH4 + 2H2O
.....(10)
4HCOOH
CH4 + CO2 + 2H2O
.....(11)
CH3COOH
CH4 + CO2
.....(12)
CH3CH2COOH + 1/2H2O
4CH3OH
CH3(CH2)2COOH + 2H2O + CO2
4CO + 2H2O
4(CN3)N + 6H2O
7
4
CH4 + CO2
3CH4 + CO2 + 2H2O
CH3COOH + CH4
CH4 + 3CO2
9CH4 + 3CO2 + 4NH3
.....(13)
.....(14)
.....(15)
.....(16)
.....(17)
Biogas kira-kira memiliki berat 20% lebih ringan dibandingakan dengan udara.
Biogas memilik suhu pembakaran antara 650o – 750o C. Biogas tidak berwarna
dan biasanya berbau karena mengandung sulfur. Apabila dibakar, akan
menghasilkan nyala biru cerah seperti gas LPG. Nilai kalor gas metana adalah
sebesar 20 MJ/m3 dengan efisiensi pembakaran 60% pada pembakaran
konvensional kompor biogas (Wahyuni, 2013). Metana (CH4) yang hanya
memiliki satu karbon dalam setiap rantainya, dapat membuat pembakarannya
lebih ramah lingkungan dibandingkan bahan bakar berantai karbon panjang. Hal
tersebut disebabkan karena jumlah CO2 yang dihasilkan selama pembakaran
bahan bakar berantai karbon pendek adalah lebih sedikit. Gas metana termasuk
14
gas yang menimbulkan efek rumah kaca yang menyebabkan fenomena pemanasan
global. Hal ini karena gas metana memiliki dampak 21 kali lebih tinggi
dibandingkan gas karbondioksida (CO2). Pengurangan gas metana secara lokal
dapat berperan positif dalam upaya mengatasi masalah global, terutama efek
rumah kaca yang berakibat pada perubahan iklim global. Komposisi penyusun
biogas dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2. Komposisi Biogas Secara Umum (Wahyuni, 2013)
Gas
% volume
Metan (CH4)
50,00-60,00
Karbon Dioksida (CO2)
30,00-40,00
O2, H2, dan H2S
1,00-2,00
Jumlah energi yang dihasilkan dalam pembentukan biogas sangat bergantung
pada konsentrasi gas metana yang dihasilkan pada proses metanogenesis.
Kandungan metan yang cukup tinggi dalam biogas dapat menggantikan peran
LPG dan petrol (bensin). Tapi ada kandungan lain lagi selain metan dalam biogas
yang perlu adanya proses pemurnian. Gas tersebut adalah gas H2S yang dianggap
sebagai pengotor dan bila ikut terbakar dan terbebas dengan udara dapat
teroksidasi menjadi SO2 dan SO3 yang bersifat korosif dan bila teroksidasi lebih
lanjut oleh H2O dapat memicu hujan asam. Selain H2S terdapat juga uap air dan
CO2 yang tidak bermanfaat pada saat pembakaran. Biogas yang mengandung
sejumlah H2O dapat berkurang nilai kalornya. Gas H2O sebagaimana gas H2S juga
perlu dibersihkan dari biogas.
15
2.4
Fermentasi Bahan Organik
2.4.1
Fermentasi basah
Fermentasi basah adalah fermentasi bahan organik dengan keadaan kadar air
tinggi (lebih dari 75%) dan membutuhkan pengecilan ukuran bahan organik
hingga menyerupai bubur. Sebelum dimasukkan kedalam digester dilakukan
pengecilan ukuran dan penambahan air hingga menyerupai bubur. Hal tersebut
bertujuan agar bahan isian mencapai kadar air dan rasio C/N yang diinginkan.
Digester merupakan tempat terjadinya proses dekomposisi bahan-bahan organik
isian yang berupa tabung kedap udara dan buangan proses dapat dikeluarkan.
Digester bermacam-macam sesuai dengan jenis bahan isian temperatur yang
diharapkan dan bahan konstruksi. Digester dapat terbuat dari plastik, cor beton,
baja, bata dan fiberglass dan bentuknya pun beragam, ada juga yg diletakkan di
bawah tanah (Haryati, 2006).
Berdasarkan aliran bahan baku, reaktor biogas (digester) dibedakan menjadi :
1. Bak (batch) – Pada tipe ini, bahan baku reaktor ditempatkan di dalam wadah
(ruang tertentu) dari awal hingga selesainya proses digesti. Umumnya digunakan
pada tahap eksperimen untuk mengetahui potensi gas dari limbah organik.
2. Mengalir (continuous) – Untuk tipe ini, aliran bahan baku masuk dan residu
keluar pada selang waktu tertentu. Lama bahan baku selama dalam reaktor disebut
waktu retensi hidrolik atau HRT.
2.4.2
Fermentasi kering
Fermentasi kering atau yang sering dikenal dengan solid state fermentation adalah
adalah metode pencernaan anaerobik oleh bakteri dekomposisi yang juga
16
mememrlukan digester kedap udara agar proses pencernaaan anaerobik dapat
berlangsung dengan optimal dan menghasilkan biogas. Proses fermentasi kering
atau dry fermentation ini tidak memerlukan kadar air tinggi pada bahan isiannya
(konsentrasi bahan kering lebih dari 20,00%) dan tidak memerlukan pembuburan
pada bahan isian sebelum di masukkan ke dalam digester (Chen, 2013).
Ciri-ciri utama fermentasi kering adalah adanya pengabutan atau penyemprotan
sumber bakteri atau inokulum yang dipaparkan ke bahan isian yang terdapat di
dalam digesterkedap udara sehingga proses pencernaan anaerobik tetap dapat
berlangsung. Skema fungsi prinsip fermentasi kering dapat dilihat di Gambar 3.
Gambar 4. Skema Fungsi Prinsip Fermentasi Kering (Internationales Biogas und
Bioenergie Kompetenzzentrum, 2007)
Proses pencernaan anaerobik menggunakan fermentasi kering memberikan hasil
produk yang sama dengan proses fermentasi basah yaitu biogas dan pupuk
organik, namun pupuk organik hasil fermentasi kering lebih kering kondisinya.
Dalam fermentasi kering lebih diperhatikan tentang kedalam tumpukan bahan,
sedangkan pada fermentasi basah lebih diperhatikan volume dan luasan wilayah.
Perbedaan-perbedaan antara fermentasi kering dan fermentasi basah dapat dilihat
pada Tabel 3.
17
Tabel 3. Perbedaan fermentasi kering dan fermentasi basah (Prabhakar, 2005)
Fermentasi Kering
Fermentasi Basah
Membutuhkan sedikit air
Membutuhkan banyak air
Tidak bebas-mengalir
Bebas mengalir
Lebih memperhatikan kedalaman
Lebih memperhatikan wilayah
Substrat padat tunggal menyediakan C,
N2, mineral dan energy
Menyerap air sedang, untuk mengambil
nutrisi
Gradien dari T, pH, Cs, Cn
Bekerja
Sistem 3 fase
Sistem 2 fase
Kontrol suhu, oksigen, dan
air/kelembapan
Rasio inokulum besar
Kontrol suhu dan oksigen
Resistensi partikel Intra
Tidak ada resistansi
Terlarut dalam air
Seragam
Rasio inokulum rendah
Sel bakteri dan ragi berada pada padatan Tersebar secara merata
dan tumbuh
Produk dengan konsentrasi tinggi
Produk dengan konsentrasi rendah
2.5
Pemanfaatan Biogas
Biogas yang sebagian besar kandungannya adalah gas metana tidak hanya
dimanfaatkan sebagai pemanas/kompor, tetapi juga dapat dimanfaatkan dalam
berbagai jenis peralatan lainnya seperti turbin mikro, mesin stirling, motor bakar
dalam seperti genset dan lainnya. Biogas dapat digunakan untuk semua aplikasi
yang dirancang untuk gas alam, dengan asumsi pemurnian cukup. Pemurnian
dilakukan mengingat gas yang terkandung dalam biogas tidak hanya gas metana
akan tatapi ada juga gas lainnya yang merupakan kontaminan seperti hidrogen
sulfida (H2S). Pengurangan kadar H2S penting untuk dilakukan pambakaran yang
terjadi sesuai dengan kebutuhan peralatan yang digunakan. Masing-masing
peralatan memiliki toleran yang berbeda-beda terhadap kadar H2S yang
18
terkandung dalam biogas yang digunakan. Aplikasi biogas stasioner umumnya
memiliki persyaratan pengolahan gas yang lebih sedikit. Untuk mengetahui
macam-macam pemanfaatan biogas dan persyaratan yang dibutuhkan dapat dilihat
pada Tabel 4.
Tabel 4. Teknologi Pemanfaatan Biogas dan Persyaratan Pengolahan Gas (Zicari,
2003)
Teknologi
Persyaratan Pengolahan Rekomendasi Gas
Pemanas (Boiler)
H2S
STUDI KINERJA GENSET BIOGAS KAPASITAS 750 WATT DENGAN
BAHAN BAKAR BIOGAS DARI LIMBAH KELAPA SAWIT
Oleh
FADLI MAROTIN
Penggunaan energi semakin meningkat, baik penggunaan energi langsung
maupun menkonversi energi ke dalam bentuk energi lainnya. Proyeksi kebutuhan
listrik dari tahun 2003-2020 yang dilakukan Dinas Perencanaan Sistem PT PLN
(Persero) dan Tim Energi BPPT terjadi kenaikan kebutuhan listrik sebesar 6,50%
pertahun. Biogas adalah campuran gas yang dihasilkan oleh bakteri metanogenik
yang terjadi pada material yang dapat terurai secara alami dalam keadaan anaerob.
Biogas umumnya terdiri dari gas metan (CH4) antara 50,00-60,00 %, gas
karbondioksida (CO2) sebesar 30,00-40,00 %, hidrogen (H2) dan sebagian kecil
gas-gas lainnya sebesar 1,00-2,00 %. Limbah agroindustri kelapa sawit berpotensi
sebagai bahan baku biogas, tercatat sekitar 13.761.239 ton/tahun tandan buah
segar dihasilkan dari perkebunan seluas 4.868.086 Ha. Biogas dapat dikonversi
menjadi energi listrik menggunakan genset biogas. Tujuan penelitian ini yaitu
mengetahui potensi biogas dari limbah kelapa sawit dan kinerja genset biogas.
Produksi biogas proses fermentasi basah dengan bahan baku POME dengan laju
pengumpanan 150 liter POME/ hari dan proses fermentasi kering dengan bahan
baku TKKS dengan 4 digester masing-masing berisi 20 kg TKKS. Produksi
biogas dari fermentasi basah rata-rata 1,91 m3/hari dan dari fermentasi kering ratarata 0,11 m3/hari. Biogas yang dihasilkan dari kedua proses mengandung 56,48%
metana. Kadar H2S dikurangi hingga 96,94% menggunakan biofilter dan hasilnya
biogas dengan kadar H2S sebesar 12,91 ppm. Kinerja genset biogas cukup baik
dilihat dari pemakaian biogas spesifik hanya sebesar 0,62 liter per watt per jam
pada beban 700 watt dan efisiensi termal efektif sebesar 30,00 % pada beban 600
watt.
.
Kata Kunci: Biogas, limbah pabrik kelapa sawit, genset biogas, POME, TKKS
ABSTRACT
STUDY PERFORMANCE BIOGAS GENERATOR 750 WATT CAPACITY
WITH FUEL BIOGAS FROM WASTE PALM OIL
By
FADLI MAROTIN
The use of energy is more increasing, either the usage of direct energy or the
converting energy into other forms of energy. Projections of electricity needs in
2003-2020 were conducted by a System Planning Department PT PLN (Persero).
Moreover, Energy Team BPPT increases in demand at 6.50% per annum. Biogas
is a mixture of gases produced by methanogenic bacteria which occur in
materials and can be naturally decomposed in the anaerobic state. Biogas is
generally composed of 50.00-60.00% methane (CH4), 30.00-40.00% carbon
dioxide (CO2), hydrogen (H2) and a small percent of gases 1.00-2.00%. Potential
oil palm of Agro Industry waste is as a raw material biogas. It is approximated
13,761,239 tons per year of fresh fruit bunches which produced from 4,868,086
hectares. Biogas can be converted into electrical energy by using biogas
generators. The purpose of this research is to know the potential of biogas from
palm oil waste and biogas of generator works. Wet fermentation process of biogas
production was raw materials POME by a feed rate of 150 liters POME per day.
Dry fermentation production was a raw materials TKKS by 4 digesters which
contains 20 kg of TKKS. The biogas production from wet fermentation is about 1,
91 m3 per day and dry fermentation is about 0.11 m3 per day. The biogas which
was produced by both process contains 56, 48% of methane. The amount of H2S is
decreased up to 96, 94% by using bio filter and the result of biogas with amount
of H2S is as big as 12, 91 ppm. The works of biogas generator was good enough
which was seen by the use of specific biogas is about 0, 62 liters per watt per hour
at load of 700 watt. More than that, the term essential was effective is about 30,
00% at load of 600 watt.
Keywords:Biogas, palm oil mill waste, biogas generators, POME, EFB
STUDI KINERJA GENSET BIOGAS KAPASITAS 750 WATT DENGAN
BAHAN BAKAR BIOGAS DARI LIMBAH KELAPA SAWIT
Oleh
FADLI MAROTIN
Skripsi
Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar
SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN
Pada
Jurusan Teknik Pertanian
Fakultas Pertanian Universitas Lampung
FAKULTAS PERTANIAN
UNIVERSITAS LAMPUNG
BANDAR LAMPUNG
2015
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Adi Jaya Kecamatan Terbanggi Besar
Kabupaten Lampung Tengah
pada tanggal 19 Mei 1992,
sebagai anak ke-4 dari 4 bersaudara keluarga Bapak Toyibun
dan Ibu Muntiah. Penulis Menyelesaikan pendidikan mulai
dari pendidikan Sekolah Dasar di SDN 1 Adi Jaya pada tahun
1998-2004, SMPN 3 Terbanggi Besar pada tahun 2004-2007, SMKN 2 Terbanggi
Besar-Lampung Tengah dengan bidang keahlian Teknik Survei Dan Pemetaan
pada tahun 2007-2010 dan terdaftar sebagai mahasiswa S1 Teknik Pertanian di
Universitas Lampung pada tahun 2010 melalui jalur Seleksi Nasional Masuk
Perguruan Tinggi Negeri (SNMPTN).
Pada tahun 2013 penulis melaksanakan Praktik Umum (PU) di PT. Great Giant
Pineapple Lampung Tengah dan melaksanakan kegiatan Kuliah Kerja Nyata
(KKN) Tematik periode I tahun 2014 di Batuliman Indah Kecamatan Candi Puro
Kabupaten Lampung Selatan. Penulis berhasil mencapai gelar Sarjana Teknologi
Pertanian (S.TP.) S1 Teknik Pertanian pada tahun 2015 dan menghasilkan skripsi
yang berjudul “Studi Kinerja Genset Biogas Kapasitas 750 Watt Dengan Bahan
Bakar Biogas Dari Limbah Kelapa Sawit”.
“Kupersembahkan karya kecil ini untuk Ayah, Ibu, dan Ketiga
Kakakku yang selalu memberikan dukungan, doa, serta kasih
sayang yang tiada hentinya”
Serta
“Kepada Almamater Tercinta”
Teknik Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Lampung
2010
Pengetahuan tidak didapatkan melalui jalan yang mudah. Ketahuilah dalam dirimu ada
dua sisi, guru dan murid. Sang guru akan senantiasa memberimu petunjuk, hanya
bagaimana sang murid dapat memahami petunjuk yang diberikan sang guru. Sering kali
pelajaran tidak disampaikan secara verbal padamu, kau yang mengolahnya sendiri menjadi
pelajaran yang berharga untuk digunakan menghadapi kehidupan
-Ki Hadjar Dewantara-
“Jika kamu berbuat baik (berarti) kamu berbuat baik untuk dirimu
sendiri. Dan jika kamu berbuat jahat, maka (kerugian kejahatan) itu
untuk dirimu sendiri”
(QS. Al-isra: 7)
"Pendidikan merupakan perlengkapan paling baik untuk hari tua."
(Aristoteles)
UCAPAN TERIMAKASIH
Penelitian ini dibiayai melalui program penelitian MP3EI a.n Dr. Ir. Agus
Haryanto, M. P. Dengan nomor kontrak 313/ UN26/ 8/ PL/2014 (2 Juni 2014).
Untuk itu penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya.
SANWACANA
Puji syukur penulis haturkan kepada Allah swt. yang tidak pernah berhenti
mencurahkan kasih sayang, kesabaran, serta rahmat-Nya sehingga penulis dapat
menyelesaikan skripsi yang berjudul “Studi Kinerja Genset Biogas Kapasitas
750 Watt Dengan Bahan Bakar Biogas Dari Limbah Kelapa Sawit”
merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknologi Pertanian
(S.TP.) di Jurusan Teknik Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Lampung.
Pada kesempatan kali ini penulis mengucapkan terimakasih kepada :
1.
Dr. Ir. Agus Haryanto, M.P. selaku ketua jurusan teknik pertanian serta
menjadi pembimbing pertama yang telah memberikan arahan, bimbingan
dan saran serta kesabaran sehingga terselesaikannya skripsi ini;
2.
Ir. M. Zen Kadir, M.T. selaku pembimbing kedua sekaligus pembimbing
akademik yang telah memberikan berbagai masukan dan bimbingannya
dalam penyelesaian skripsi ini;
3.
Dr. Ir. Sugeng Triyono, M.Si. selaku pembahas yang telah memberikan
saran dan masukan sebagai perbaikan selama penyusunan skripsi ini;
4.
Prof. Dr. Ir. Wan Abbas Zakaria, M.S. selaku dekan Fakultas Pertanian yang
telah membantu dalam administrasi skripsi ini;
5.
Seluruh Dosen serta Staff Jurusan Teknik Pertanian;
6.
Orang tua ku tercinta, Ibu dan Bapak serta Kakak-kakakku yang tidak
henti-hentinya memberikan dukungan baik moril maupun materil serta kasih
sayang sehingga menjadi sumber penyemangat dalam penyusunan skripsi
ini;
7.
Keluarga besar Persatuan Mahasiswa Teknik Pertanian (PERMATEP)
Unila;
8.
Teman-teman keluarga besar TEP ’10 yang sangat saya banggakan, terima
kasih atas keceriaan dan doanya;
9.
Dr. Ir. Udin Hasanudin, M.S. selaku kepala laboratorium Pengelolaan
Limbah Agroindustri di Jurusan Teknologi Hasil Pertanian Fakultas
Pertanian Universitas Lampung yang telah mengizinkan dan mendukung
penelitian ini;
10.
Mas joko dan teman-teman yang ada di laboratorium pengelolaan limbah
agroindustri; Mba Amel, Widya, Uul, Ica, Mia, Kak Egi, Bili yang telah
mendukung dan membantu berjalannya penelitian ini
11.
Teman-teman yang telah membantu penelitian saya; Ardi, Kiki, Adam,
Yasin, Ketut, Ikhwan, Muklis, Muammar, Ucok serta teman-teman yang
lain yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu;
vii
Penyusun menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan, oleh karena
itu dengan segala kerendahan hati penulis harapkan saran dan kritik yang sifatnya
membangun kearah perbaikan. Akhir kata, penulis berharap semoga skripsi ini
dapat bermanfaat untuk kita semua.
Bandar Lampung, 30 Mei 2015
Penulis,
Fadli Marotin
viii
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR ISI ........................................................................................................... ix
DAFTAR TABEL ................................................................................................... xi
DAFTAR GAMBAR .............................................................................................. xii
I. PENDAHULUAN .............................................................................................. 1
1.1 Latar Belakang ............................................................................................ 1
1.2 Tujuan Penelitian ......................................................................................... 3
1.3 Manfaat Penelitian ....................................................................................... 4
II. TINJAUAN PUSTAKA ..................................................................................... 5
2.1 Konsumsi Energi Listrik ............................................................................. 5
2.2 Limbah Industri Kelapa Sawit..................................................................... 7
2.2.1 Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit ........................................................ 7
2.2.2 Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS) ................................................. 9
2.3 Biogas .......................................................................................................... 10
2.4 Fermentasi Bahan Organik .......................................................................... 15
2.4.1 Fermentasi Basah .................................................................................. 15
2.4.2 Fermentasi Kering .................................................................................. 15
2.5 Pemanfaatan Biogas .................................................................................... 17
2.6 Proses Pemurnian Biogas ............................................................................. 19
2.7 Genset Biogas ............................................................................................... 21
III. METODOLOGI PENELITIAN ........................................................................ 23
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ................................................................... 23
3.2 Alat dan Bahan .......................................................................................... 23
3.3 Prosedur Penelitian ................................................................................... 25
3.3.1 Persiapan Digester Dan Biofilter ........................................................ 26
3.4 Metode Penelitian...................................................................................... 26
3.5 Parameter Pengukuran .............................................................................. 27
3.5.1 Produksi Gas ........................................................................................ 27
3.5.2 Kadar Hidrogen Sulfida (H2S) ............................................................ 27
3.5.3 Daya Yang Dihasilkan ......................................................................... 27
3.5.4 Pemakaian Bahan Bakar Spesifik ........................................................ 29
3.5.5 Efisiensi Termal ................................................................................... 29
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................................ 30
4.1 Biogas Dari Limbah Pabrik Kelapa Sawit ................................................ 30
4.1.1 Produksi Biogas ................................................................................... 30
4.1.2 Komposisi Biogas ................................................................................ 31
4.1.3 Pemurnian Biogas Menggunakan Biofilter .......................................... 32
4.2 Unjuk Kerja Genset Biogas ...................................................................... 33
4.3 Kendala Teknis ......................................................................................... 35
V. SIMPULAN DAN SARAN .............................................................................. 40
5.1 Simpulan .................................................................................................... 40
5.2 Saran ........................................................................................................... 40
DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................. 41
x
DAFTAR TABEL
Halaman
1. Kandungan Tandan Kosong Kelapa Sawit ........................................................ 9
2. Komposisi Biogas Secara Umum....................................................................... 14
3. Perbedaan Fermentasi Kering Dan Fermentasi Basah ....................................... 17
4. Teknologi Pemanfaatan Biogas Dan Persyaratan Pengolahan Gas ................... 18
5. Perbandingan Jumlah Udara Dan Jumlah Bahan Bakar Untuk Pembakaran
Sempurna ............................................................................................................ 21
6. Kandungan Gas Pada Biogas Dari Limbah Pabrik Kelapa Sawit ...................... 31
7. Kadar H2S Sebelum Dan Sesudah Dimurnikan Dengan Biofilter ..................... 32
8. Data Seluruh Percobaan Dalam Penelitian ........................................................ 37
9. Kadar Hudrogen Sulfur (H2S) ............................................................................ 50
10. Pemakaian Bahan Bakar (Biogas)Spesifik....................................................... 51
11. Efisiensi Termal Efektif ................................................................................... 52
12. Kesesuaian Daya Yang Dihasilkan Dengan Beban ......................................... 53
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1. Proyeksi Kebutuhan Listrik Persektor di Indonesia 2003-2020
(Permana, 2003) ............................................................................................... 6
2.
Kapasitas Terpasang (Statistik PLN, 2013) ..................................................... 7
3.
Persentase Produk Limbah Kelapa Sawit Terhadap Tandan Buah ................. 8
4.
Skema Fungsi Prinsip Fermentasi Kering (Internationales Biogas Und
Bioenergie Konpetenzzentrum, 2007) ............................................................. 16
5.
Skema Sistem Instalasi Dari Produksi Biogas Hingga Genset ........................ 24
6.
Diagram Alir Penelitian ................................................................................... 25
7.
Skema Pengukuran Arus Listrik Menggunakan Tang Meter ........................... 28
8.
Skema Pengukuran Voltase Menggunakan Multimeter................................... 28
9.
Pemakaian Bahan Bakar (Biogas) Spesifik...................................................... 33
10. Efisiensi Termal Efektif ................................................................................... 34
11. Kesesuaian Daya Yang Dihasilkan .................................................................. 38
12. Digester Fermentasi Basah Sistem Kontinyu ................................................... 44
13. Digester Fermentasi Kering ............................................................................. 44
14. Biofilter ............................................................................................................ 45
15. Water Trap ....................................................................................................... 45
16. Hasil Pengukuran H2S Dari Fermentasi Basah ................................................ 46
17. Hasil Pengukuran H2S Dari Fermentasi Kering ............................................... 46
18. Pengisian Bantal Penampung Biogas ............................................................... 47
19. Genset Biogas .................................................................................................. 47
20. Pengukuran Arus Listrik (Ampere) .................................................................. 48
21. Pengnukuran Voltase (Volt)............................................................................. 48
22. Flowmeter Yang Dipasang Untuk Mengetahui Konsumsi Biogas .................. 49
23. Beban Lampu Pijar 200 Watt ........................................................................... 49
24. Spesifikasi Genset Biogas ................................................................................ 56
25. Hasil Uji Kandungan Biogas ............................................................................ 57
xiii
I. PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Akhir dekade ini penggunaan energi semakin meningkat, baik penggunaan energi
secara langsung maupun mengkonversi suatu energi ke dalam bentuk energi lain
dengan tujuan memudahkan kegiatan manusia.Ini mengakibatkan penggunaan
energi secara besar-besaran, sedangkan sumber energi yang selama ini kita
gunakan sebagian besar berasal dari bahan bakar fosil yang jumlahnya semakin
lama semakin berkurang. Tingginya permintaan akan energi memaksa untuk
mumunculkan pemikiran-pemikiran akan energi alternatif. Salah satu energi
alternatif yang banyak dikembangkan yaitu biogas karena mudah didapat dan
mudah diperbaharui.
Biogas adalah campuran gas yang dihasilkan oleh bakteri metanogenik yang
terjadi pada material yang dapat terurai secara alami dalam keadaan anaerob. Pada
umumnya biogas terdiri dari gas metan (CH4) antara 50,00-60,00 %, gas
karbondioksida (CO2) sebesar 30,00-40,00 %, hidrogen (H2) dan sebagian kecil
gas-gas lainnya sebesar 1,00-2,00 % (Wahyuni, 2013). Biogas merupakan sumber
energi yang dapat diperbaharui, karena memanfaatkan pembusukan bahan-bahan
organik atau biomassa yang mudah diperoleh. Komponen utama biogas adalah
gas metan yang tidak berbau dan sangat mudah terbakar, sehingga sangat
2
bermanfaat untuk memenuhi kebutuhan manusia akan bahan bakar. Biogas juga
dapat memberikan nilai tambah terhadap limbah-limbah organik yang tidak
termanfaatkan dengan mengolahnya menjadi gas yang dapat dimanfaatkan untuk
memasak.
Selain itu produksi biogas juga memiliki hasil samping berupa
endapan (sludge) yang dapat dijadikan pupuk organik (Wahyuni, 2013). Bahanbahan organik yang dapat diurai menjadi biogas adalah sebagai berikut:
1. Limbah tanaman seperti pada tanaman tebu, rumput-rumputan, jagung,
gandum, jerami dan lain-lain
2. Limbah hasil produksi seprti minyak, ampas tebu, penggilingan padi, san
limbah sagu
3. Limbah agroindustri
4. Limbah perairan seperti alga laut dan tanaman air
5. Limbah peternakan seperti kotoran sapi, kotoran kerbau, kotoran kambing,
kotoran unggas, dan lain-lain.
Limbah agroindustri merupakan salah satu sumber bahan organik yang dapat
dijadikan biogas. Salah satu jenis agroindustri yang berpotensi besar yaitu
agroindustri kelapa sawit. Data statistik kelapa sawit tahun 2013 mencatat luas
area perkebunan kelapa sawit di Indonesia mencapai 4.868.086 Ha dengan
produksi tandan buah segar 13.761.239 ton/tahun. Bahan organik yang dijadikan
biogas dari agroindustri kelapa sawit ini adalah limbah dari hasil proses
pengolahan kelapa sawit. Limbah hasil proses tersebut berupa limbah cair pabrik
kelapa sawit atau POME (Palm Oil Mill Effluent) dan tandan kosong kelapa sawit
(TKKS).
3
Konsumsi energi yang sebagian besar dari bahan bakar fosil digunakan dalam
bentuk energi listrik maupun untuk menggerakkan mesin-mesin produksi.
Penggunaaa energi yang paling sering digunakan yaitu setelah dalam bentuk
energi listrik. Karena energi listrik paling mudah untuk di konversi kedalam
bentuk energi lainnya seperti energi gerak, energi panas dan sebagainya. Dari
hasil proyeksi kebutuhan listrik dari tahun 2003-2020 yang dilakukan Dinas
Perencanaan Sistem PT PLN (Persero) dan Tim Energi BPPT terjadi kenaikan
kebutuhan listrik sebesar 6,50% /tahun.
Biogas yang digunakan sebagai salah satu sumber energi alternatif berwujud gas
yang mudah terbakar, yaitu sebagian besar gas yg terkandung di dalamnya yaitu
gas metan (CH4). Hal tersebut perlu adanya konversi energi dari biogas (yang
lebih sering dimanfaatkan hanya sebagai energi kalor atau pemanas) menjadi
energi listrik. Salah satu yang dapat dilakukan yaitu membuat alat pengkonversi
biogas ke listrik sekala kecil. Konversi biogas ke listrik tersebut menggunakan
genset yg dimodifikasi agar dapat dijalankan menggunakan bahan bakar biogas
yang
sebelumnya
dimurnikan
dengan
biofilter.
Hal
tersebut
yang
melatarbelakangi dilakukan pengkajian alat ini dengan biogas yang dihasilkan
dari limbah agroindustri kelapa sawit yaitu limbah cair pabrik kelapa sawit/ pome
dan limbah keringnya berupa tandan kosong kelapa sawit (TKKS).
1.2
Tujan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk:
1. Mengetahui potensi biogas dari limbah pabrik kelapa sawit
4
2. Mengetahui kinerja alat konversi biogas ke listrik sekala kecil dengan
biofilter sebagai penyaring gas H2S
1.3
Manfaat Penelitian
Manfaat yang didapat dari penelitian ini yaitu:
1. Pemanfaatan limbah kelapa sawit (POME dan TKKS) sebagai sumber
energi alternatif berupa biogas
2. Informasi mengenai banyaknya biogas yang dihasilkan dari limbah kelapa
sawit (POME dan TKKS) dan besarnya daya yang dihasilkan jika biogas
tersebut dikonversi ke listrik.
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Konsumsi Energi Listrik
Listrik sudah menjadi kebutuhan wajib bagi masyarakat, pasalnya hampir semua
peralatan yang memudahkan manusia dalam kehidupan sehari-hari membutuhkan
energi listrik untuk menjalankanya. Pertumbuhan penduduk di Indonesia diiringi
juga dengan meningkatnya konsumsi energi listrik, tercatat di akhir Tahun 2013
jumlah pelanggan listrik PLN mencapai 53.996.208 pelanggan, meningkat sebesar
8,44% dari akhir tahun 2012. Dan Harga jual listrik rata-rata per kWh selama
tahun 2013 sebesar Rp 818,41 lebih tinggi dari tahun sebelumnya sebesar Rp
728,32 (Statistik PLN, 2013).
Berdasarkan hasil proyeksi kebutuhan listrik dari tahun 2003-2020 yang
dilakukan Dinas Perencanaan Sistem PT PLN (Persero) dan Tim Energi BPPT,
terlihat bahwa selama kurun waktu tersebut rata-rata kebutuhan listrik di
Indonesia tumbuh sebesar 6,50% per tahun dengan pertumbuhan listrik di sektor
komersial yang tertinggi, yaitu sekitar 7,30% per tahun dan disusul sektor rumah
tangga dengan pertumbuhan kebutuhan listrik sebesar 6,90% per tahun. Hal
tersebut sangat beralasan, mengingat untuk meningkatkan perekonomian di
Indonesia, pemerintah meningkatkan pertumbuhan sektor parawisata yang
selanjutnya akan mempengaruhi pertumbuhan sektor komersial. Untuk sektor
6
rumah tangga laju pertumbuhan kebutuhan listrik yang tinggi dipicu oleh ratio
elektrifikasi dari berbagai daerah yang masih relatif rendah, karena sampai tahun
2003 masih ada beberapa wilayah di Indonesia yang belum terlistriki terutama di
daerah yang tidak dilewati listrik PLN. Besarnya kebutuhan listrik masing-masing
sektor pengguna energi di 22 wilayah pemasaran PLN di Indonesia secara
akumulasi dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Proyeksi Kebutuhan Listrik Persektor Di Indonesia Tahun 2003-2020
(Permana, 2003)
Menurut Permana (2013), Total kebutuhan listrik di Indonesia merupakan
akumulasi dari kebutuhan listrik pada masing-masing sektor pengguna energi di
22 wilayah pemasaran listrik PLN, dan selama kurun waktu 17 tahun (2003-2020)
diperkirakan tumbuh sebesar 6,50% per tahun. Untuk wilayah lampung sendiri
masih defisit listrik sekitar 100-150 Megawatt, dan bergantung pada suplai dari
jalur utara yakni dari Baturaja menuju Kota Bumi, Lampung Utara (PT. PLN,
2013).
Dengan kebutuhan yang semakin meningkat penyediaaan energi listrik juga harus
semakin meningkat. Kapasitas terpasang berdasarkan jenis pembangkit listrik
7
dapat dilihat pada Gambar 2. Jumlah kapasitas terpasang seharusnya semakin
besar mengingat kebutuhan listrik semakin meningkat.
Gambar 2. Kapasitas terpasang (Statistik PLN, 2013)
Dari grafik tersebut terlihat kapasitas terpasang dari unit pembangkit listrik
PLTD, PLTMG, PLT Surya, PLT Angin termasuk kecil yaitu 2856,15 Mega Watt
dari total kapasitas yang terpasang 34205,63 Mega Watt. Pengembangan di unit
pembangkit tersebut dapat dilakukan untuk memperbesar kapasitas terpasang
nantinya. PLTMG (Pembangkit Listrik Tenaga Mesin Gas) merupakan salah
satunya yang dapat dikembangkan untuk menambah kapasitas energi listrikyang
terpasang.
2.2
Limbah industri kelapa sawit
2.2.1
Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit
Limbah cair pabrik kelapa sawit atau POME adalah salah satu produk samping
dari pabrik minyak kelapa sawit yang berasal dari kondensat dari proses
sterilisasi, air dari proses klarifikasi, air hydrocyclone (claybath), dan air
8
pencucian pabrik. POME mengandung berbagai senyawa terlarut termasuk, seratserat pendek, hemiselulosa dan turunannya, protein, asam organik bebas dan
campuran mineral-mineral. Dari satu ton tandan buah segar yang diproses pada
pabrik kelapa sawit diperoleh sekitar 28% POME, persentase dihitung terhadab
tandan buah segar (basis kering) yang dapat dilihat pada Gambar 3 (Abdullah dan
Sulaiman dalam Nur, 2014). Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit/ POME ini
umumnya berwarna kecoklatan, mengandung padatan terlarut dan tersuspensi
berupa koloid dan residu minyak dengan BOD (Biological Oxygen Demand) dan
COD (Chemical Oxygen Demand) yang tinggi.
inti sawit
7%
POME
28%
TKKS
23%
cangkang
6%
sabut
15%
CPO
21%
Gambar 3. Persentase produk limbah kelapa sawit terhadap tandan buah
segar (basis kering)
POME adalah cairan oleh-produk yang dihasilkan dari pemurnian minyak mentah.
Hal ini kaya nutrisi tanaman dan sedimen yang biasanya digunakan sebagai pupuk
di perkebunan kelapa sawit (Nur, 2014). POME merupakan nutrien yang kaya
akan senyawa organik dan karbon, dekomposisi dari senyawa-senyawa organik
oleh bakteri anaerob dapat menghasilkan biogas (Deublein dan Steinhauster,
2008). Jika gas-gas tersebut tidak dikelola dan dibiarkan lepas ke udara bebas
9
maka dapat menjadi salah satu penyebab pemanasan global karena gas metan dan
karbon dioksida yang dilepaskanadalah termasuk gas rumah kaca yang disebutsebut sebagai sumber pemanasan global saat ini. Emisi gas metan 21 kali lebih
berbahaya dari CO2 dan metan merupakan salah satu penyumbang gas rumah kaca
terbesar.
2.2.2
Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS)
Tandan kosong kelapa sawit merupakan limbah padat lignoselulosa industri
kelapa sawit. Tandan kosong kelapa sawit (TKKS) diperoleh setelah Tandan Buah
Segar dimasak pada tabung bertekanan untuk mendapatkan minyak dalam sebuah
proses yang disebut sterilisasi Ketersediaannya dapat dikatakan melimpah di
Indonesia, untuk setiap ton tandan buah segar diperoleh sekitar 230 kg TKKS
(Nur, 2014). Jika dilihat dari fisiknya tandan kosong kelapa sawit berupa seratserat dengan komposisi sellulosa, himesellulosa, dan lignin. Komposisi
kandungan tandan kosong kelapa sawit dapat dilihat di Tabel 1.
Tabel 1. Kandungan tandan kosong kelapa sawit (Sudiyani, 2009)
Komponen
Sellulosa
Himesellulosa
Lignin
% Berat
41,30-46,50
25,30-33,80
27,60-32,50
Selama ini tandan kosong kelapa sawit banyak dimanfaatkan sebagai pupuk
kompos, akan tetapi jika tandan kosong kelapa sawit ini difermentasi secara
anaerob juga menghasilkan biogas dan hasil sampingnya juga berupa kompos.
10
2.3
Biogas
Menurut Simamora (2006) bahwa biogas adalah adanya dekomposisi bahan
organik secara anaerobik (tertutup dari udara bebas) untuk menghasilkan suatu
gas yang sebagian besar merupakan metan dan karbon dioksida dan proses
dekomposisi anaerobik dibantu oleh sejumlah mikroorganisme, terutama bakteri
metan. Hambali (2007) menyatakan bahwa biogas didefinisikan sebagai gas yang
dilepaskan jika bahan-bahan organik (seperti, kotoran ternak, kotoran manusia,
jerami, sekam dan daun-daun hasil sortiran sayuran) difermentasikan atau
mengalami proses metanisasi. Wahyuni (2013) juga menyatakan bahwa biogas
adalah campuran gas yang dihasilkan oleh bakteri metanogenikyang terjadi pada
material-material yang dapat terurai secara alami dalam kondisi anaerobik. Biogas
merupakan gas yang timbul dari hasil fermentasi bahan-bahan organik seperti,
kotoran hewan, kotoran manusia, atau sampah direndam di dalam air dan
disimpan di dalam tempat yang tertutup atau anaerob. Biogas tersebut sebenarnya
dapat juga terjadi pada kondisi alami, namun untuk mempercepat dan menampung
gas ini, maka diperlukan alat yang memenuhi syarat terbentuknya gas ini yaitu
digester (Setiawan, 2007). Demikian juga dengan Said (2008) menyatakan bahwa
biogas adalah gas yang dihasilkan dari proses penguraian bahan-bahan biologis
atau organik oleh organisme kecil pada kondisi tanpa oksigen (anaerob).
Secara umum proses pembentukan biogas yaitu fermentasi bahan organik
kompleks menjadi gas oleh mikroorganisme anaerob. Berdasarkan aliran bahan
baku, reaktor biogas (biodigester) dibedakan menjadi tipe bak (batch) dan tipe
mengalir (continuous). Pada tipe mengalir aliran bahan baku masuk dan residu
11
keluar pada selang waktu tertentu, lama waktu bahan baku selama dalam reaktor
disebut waktu retensi hidrolik atau HRT (Hydraulic Retention Time).
Biogas menurut kharakteristik fisik merupakan gas. Karena itu, proses
pembentukannya membutuhkan ruangan dalam kondisi kedap atau tertutup agar
stabil.
Pada prinsipnya biogas terbentuk melalui beberapa proses yang
berlangsung dalam ruang yang anaerob atau tanpa oksigen. Proses berlangsung
secara anaerob dalam tempat tertutup ini juga memberikan keuntungan secara
ekologi karena tidak menimbulkan bau yang menyebar kemana-mana.
Berikut mekanisme pembentukan biogas secara umum.
Bahan organik
CH4 + CO2 + H2 + NH3
.......(1)
Apabila diuraikan dengan terperinci, secara keseluruhan terdapat tiga proses
utama dalam pembentukan biogas, yaitu proses hidrolisis, pengasaman
(asidifikasi), dan metanogenesis. Keseluruhan proses ini tidak terlepas dari
bantuan mikroorganisme anaerob.
Hidrolisis
Hirdoisis merupakan tahap awal dari proses fermentasi. Tahap ini merupakan
penguraian bahan organik dengan senyawa kompleks yang memilikisifat mudah
larut seperti lemak, protein, dan karbohidrat menjadi senyawa yang lebih
sederhana. Tahap ini juga dapat diartikan sebagai perubahan struktur dari bentuk
polimer menjadi bentuk monomer. Senyawa yang dihasilkan dari proses hidrolisis
diantaranya senyawa asam organik, glukosa, etanol, CO2, dan senyawa
12
hidrokarbon lainnya. Senyawa ini akan dimanfaatkan mikroorganisme sebagai
sumber energi untuk aktivitas fermentasi
(C6H10O5)n + nH2O
n(C6H12O6)
.......(2)
Asidifikasi
Senyawa-senyawa yang terbentuk pada tahap hidrolisis akan dijadikan sumber
energi bagi mikroorganisme untuk tahap selanjutnya, yaitu pengasaman atau
asidifikasi. Ada tahap ini, bakteri akan menghasilkan senyawa –senyawa asam
organik seperti asam asetat, asam propionat, asam butirat, dan asam laktat beserta
produk sampingan berupa alkohol, CO2, hidrogen dan zat amonia.
C6H12O6
C6H12O6
2CH3CHOHCOOH
(Asam laktat)
.......(3)
CH3CH2CH2COOH + 2CO2 +2H2
(Asam butirat)
.......(4)
C6H12O6
CH3CH2COOH + 2CO2
(Asam propionat)
.......(5)
C6H12O6
CH3COOH
(Asam asetat)
.......(7)
Hidrogen sulfida (H2S) dihasilkan oleh bakteri pengurai sulfat. Bakteri pengurai
sulfat tumbuh dalam digester dan menggunakan asetat atau propionat
asam untuk menghasilkan H2S. Langkah ini terjadi secara bersamaan
dengan produksi metana (Truong, 2005). Reaksi yang menghasilkan H2S dapat
dilihat di bawah ini (Vavilin, 1993) :
H2SO4 + CH3COOH
(Asetat)
H2SO4 + CH3CH2COOH
(Propionat)
H2S + 2H2CO3
H2S +
12
7
H2CO3
.......(8)
.......(9)
13
Metanogenesis
Bakteri metanogen seperti methanococus, methanosarcina, dan methano
bactherium akan mengubah produk lanjutan dari tahap pengasaman menjadi gas
metan, karbondioksida, dan air yang merupakan komponen penyusun biogas.
berikut reksi perombakan yang dapat terjadi pada tahap metanogenesis (Wahyuni,
2013).
4H2 + CO2
CH4 + 2H2O
.....(10)
4HCOOH
CH4 + CO2 + 2H2O
.....(11)
CH3COOH
CH4 + CO2
.....(12)
CH3CH2COOH + 1/2H2O
4CH3OH
CH3(CH2)2COOH + 2H2O + CO2
4CO + 2H2O
4(CN3)N + 6H2O
7
4
CH4 + CO2
3CH4 + CO2 + 2H2O
CH3COOH + CH4
CH4 + 3CO2
9CH4 + 3CO2 + 4NH3
.....(13)
.....(14)
.....(15)
.....(16)
.....(17)
Biogas kira-kira memiliki berat 20% lebih ringan dibandingakan dengan udara.
Biogas memilik suhu pembakaran antara 650o – 750o C. Biogas tidak berwarna
dan biasanya berbau karena mengandung sulfur. Apabila dibakar, akan
menghasilkan nyala biru cerah seperti gas LPG. Nilai kalor gas metana adalah
sebesar 20 MJ/m3 dengan efisiensi pembakaran 60% pada pembakaran
konvensional kompor biogas (Wahyuni, 2013). Metana (CH4) yang hanya
memiliki satu karbon dalam setiap rantainya, dapat membuat pembakarannya
lebih ramah lingkungan dibandingkan bahan bakar berantai karbon panjang. Hal
tersebut disebabkan karena jumlah CO2 yang dihasilkan selama pembakaran
bahan bakar berantai karbon pendek adalah lebih sedikit. Gas metana termasuk
14
gas yang menimbulkan efek rumah kaca yang menyebabkan fenomena pemanasan
global. Hal ini karena gas metana memiliki dampak 21 kali lebih tinggi
dibandingkan gas karbondioksida (CO2). Pengurangan gas metana secara lokal
dapat berperan positif dalam upaya mengatasi masalah global, terutama efek
rumah kaca yang berakibat pada perubahan iklim global. Komposisi penyusun
biogas dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2. Komposisi Biogas Secara Umum (Wahyuni, 2013)
Gas
% volume
Metan (CH4)
50,00-60,00
Karbon Dioksida (CO2)
30,00-40,00
O2, H2, dan H2S
1,00-2,00
Jumlah energi yang dihasilkan dalam pembentukan biogas sangat bergantung
pada konsentrasi gas metana yang dihasilkan pada proses metanogenesis.
Kandungan metan yang cukup tinggi dalam biogas dapat menggantikan peran
LPG dan petrol (bensin). Tapi ada kandungan lain lagi selain metan dalam biogas
yang perlu adanya proses pemurnian. Gas tersebut adalah gas H2S yang dianggap
sebagai pengotor dan bila ikut terbakar dan terbebas dengan udara dapat
teroksidasi menjadi SO2 dan SO3 yang bersifat korosif dan bila teroksidasi lebih
lanjut oleh H2O dapat memicu hujan asam. Selain H2S terdapat juga uap air dan
CO2 yang tidak bermanfaat pada saat pembakaran. Biogas yang mengandung
sejumlah H2O dapat berkurang nilai kalornya. Gas H2O sebagaimana gas H2S juga
perlu dibersihkan dari biogas.
15
2.4
Fermentasi Bahan Organik
2.4.1
Fermentasi basah
Fermentasi basah adalah fermentasi bahan organik dengan keadaan kadar air
tinggi (lebih dari 75%) dan membutuhkan pengecilan ukuran bahan organik
hingga menyerupai bubur. Sebelum dimasukkan kedalam digester dilakukan
pengecilan ukuran dan penambahan air hingga menyerupai bubur. Hal tersebut
bertujuan agar bahan isian mencapai kadar air dan rasio C/N yang diinginkan.
Digester merupakan tempat terjadinya proses dekomposisi bahan-bahan organik
isian yang berupa tabung kedap udara dan buangan proses dapat dikeluarkan.
Digester bermacam-macam sesuai dengan jenis bahan isian temperatur yang
diharapkan dan bahan konstruksi. Digester dapat terbuat dari plastik, cor beton,
baja, bata dan fiberglass dan bentuknya pun beragam, ada juga yg diletakkan di
bawah tanah (Haryati, 2006).
Berdasarkan aliran bahan baku, reaktor biogas (digester) dibedakan menjadi :
1. Bak (batch) – Pada tipe ini, bahan baku reaktor ditempatkan di dalam wadah
(ruang tertentu) dari awal hingga selesainya proses digesti. Umumnya digunakan
pada tahap eksperimen untuk mengetahui potensi gas dari limbah organik.
2. Mengalir (continuous) – Untuk tipe ini, aliran bahan baku masuk dan residu
keluar pada selang waktu tertentu. Lama bahan baku selama dalam reaktor disebut
waktu retensi hidrolik atau HRT.
2.4.2
Fermentasi kering
Fermentasi kering atau yang sering dikenal dengan solid state fermentation adalah
adalah metode pencernaan anaerobik oleh bakteri dekomposisi yang juga
16
mememrlukan digester kedap udara agar proses pencernaaan anaerobik dapat
berlangsung dengan optimal dan menghasilkan biogas. Proses fermentasi kering
atau dry fermentation ini tidak memerlukan kadar air tinggi pada bahan isiannya
(konsentrasi bahan kering lebih dari 20,00%) dan tidak memerlukan pembuburan
pada bahan isian sebelum di masukkan ke dalam digester (Chen, 2013).
Ciri-ciri utama fermentasi kering adalah adanya pengabutan atau penyemprotan
sumber bakteri atau inokulum yang dipaparkan ke bahan isian yang terdapat di
dalam digesterkedap udara sehingga proses pencernaan anaerobik tetap dapat
berlangsung. Skema fungsi prinsip fermentasi kering dapat dilihat di Gambar 3.
Gambar 4. Skema Fungsi Prinsip Fermentasi Kering (Internationales Biogas und
Bioenergie Kompetenzzentrum, 2007)
Proses pencernaan anaerobik menggunakan fermentasi kering memberikan hasil
produk yang sama dengan proses fermentasi basah yaitu biogas dan pupuk
organik, namun pupuk organik hasil fermentasi kering lebih kering kondisinya.
Dalam fermentasi kering lebih diperhatikan tentang kedalam tumpukan bahan,
sedangkan pada fermentasi basah lebih diperhatikan volume dan luasan wilayah.
Perbedaan-perbedaan antara fermentasi kering dan fermentasi basah dapat dilihat
pada Tabel 3.
17
Tabel 3. Perbedaan fermentasi kering dan fermentasi basah (Prabhakar, 2005)
Fermentasi Kering
Fermentasi Basah
Membutuhkan sedikit air
Membutuhkan banyak air
Tidak bebas-mengalir
Bebas mengalir
Lebih memperhatikan kedalaman
Lebih memperhatikan wilayah
Substrat padat tunggal menyediakan C,
N2, mineral dan energy
Menyerap air sedang, untuk mengambil
nutrisi
Gradien dari T, pH, Cs, Cn
Bekerja
Sistem 3 fase
Sistem 2 fase
Kontrol suhu, oksigen, dan
air/kelembapan
Rasio inokulum besar
Kontrol suhu dan oksigen
Resistensi partikel Intra
Tidak ada resistansi
Terlarut dalam air
Seragam
Rasio inokulum rendah
Sel bakteri dan ragi berada pada padatan Tersebar secara merata
dan tumbuh
Produk dengan konsentrasi tinggi
Produk dengan konsentrasi rendah
2.5
Pemanfaatan Biogas
Biogas yang sebagian besar kandungannya adalah gas metana tidak hanya
dimanfaatkan sebagai pemanas/kompor, tetapi juga dapat dimanfaatkan dalam
berbagai jenis peralatan lainnya seperti turbin mikro, mesin stirling, motor bakar
dalam seperti genset dan lainnya. Biogas dapat digunakan untuk semua aplikasi
yang dirancang untuk gas alam, dengan asumsi pemurnian cukup. Pemurnian
dilakukan mengingat gas yang terkandung dalam biogas tidak hanya gas metana
akan tatapi ada juga gas lainnya yang merupakan kontaminan seperti hidrogen
sulfida (H2S). Pengurangan kadar H2S penting untuk dilakukan pambakaran yang
terjadi sesuai dengan kebutuhan peralatan yang digunakan. Masing-masing
peralatan memiliki toleran yang berbeda-beda terhadap kadar H2S yang
18
terkandung dalam biogas yang digunakan. Aplikasi biogas stasioner umumnya
memiliki persyaratan pengolahan gas yang lebih sedikit. Untuk mengetahui
macam-macam pemanfaatan biogas dan persyaratan yang dibutuhkan dapat dilihat
pada Tabel 4.
Tabel 4. Teknologi Pemanfaatan Biogas dan Persyaratan Pengolahan Gas (Zicari,
2003)
Teknologi
Persyaratan Pengolahan Rekomendasi Gas
Pemanas (Boiler)
H2S