Rancang Bangun dan Analisis Termodinamis Kompor Gasifikasi dengan Bahan Bakar Tandan Kosong Kelapa Sawit

RANCANG BANGUN DAN ANALISIS TERMODINAMIS
KOMPOR GASIFIKASI DENGAN BAHAN BAKAR TANDAN
KOSONG KELAPA SAWIT

AGUS SUSANTO GINTING

SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014

PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Rancang Bangun dan
Analisis Termodinamis Kompor Gasifikasi dengan Bahan Bakar Tandan Kosong
Kelapa Sawit adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan
belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber
informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak
diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam
Daftar Pustaka di bagian akhir Tesis ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut

Pertanian Bogor.
Bogor, Juni 2014
Agus Susanto Ginting
NIM F151110051



Pelimpahan hak cipta atas karya tulis dari penelitian kerja sama dengan pihak luar IPB
harus didasarkan pada perjanjian kerja sama yang terkait

RINGKASAN
AGUS SUSANTO GINTING. Rancang Bangun dan Analisis Termodinamis
Kompor Gasifikasi Dengan Bahan Bakar Tandan Kosong Kelapa Sawit.
Dibimbing oleh ARMANSYAH H TAMBUNAN dan RADITE P A
SETIAWAN.
Tandan kosong kelapa sawit (TKKS) merupakan salah satu limbah padat
yang dihasilkan dalam proses pengolahan tandan buah sawit. Tandan kosong
merupakan 23% dari keseluruhan tandan sawit segar. TKKS kaya akan kandungan
lignoselulosa (selulosa, hemiselolosa dan lignin). Pemanfaatan nilai kalor TKKS
dapat ditingkatkan dengan konversi menjadi gas, salah satu cara yang dapat

digunakan adalah dengan gasifikasi. Terdapat empat tahapan dalam proses
gasifikasi untuk mengasilkan gas mampu bakar diantaranya tahapan pengeringan
(110-120oC), pirolisis (250-600oC), oksidasi (400-900oC) dan reduksi (600oC).
Proses gasifikasi diawali dengan oksidasi dimana proses ini bersifat
melepas panas (eksotermik). Proses berikutnya panas dari oksidasi akan diserap
(endotermik) oleh biomassa untuk melepaskan uap air, proses ini disebut proses
pengeringan. Meningkatnya suhu yang diserap oleh biomassa akan membawa
proses ke tahapan berikutnya yaitu pirolisis. Pada tahapan pirolisis struktur dari
lignoselulosa biomassa akan dipecah untuk menghasilkan gas mampu bakar.. Jenis
dan komposisi gas yang dihasilkan oleh proses pirolisis pada berbagai suhu sangat
diperlukan sebagai dasar untuk perancangan optimal suatu reaktor gasifikasi
bersuhu rendah seperti kompor biomassa. Tujuan penelitian ini adalah mengkaji
karakteristik gas-gas mampu bakar yang dihasilkan dari proses pirolisis TKKS
dan mengkaji kinerja rancangan kompor dengan bahan TKKS
Hasil analisis laboratorium menunjukkan kandungan selulosa TKKS
adalah sebesar 56,05%, hemiselulosa 17,63% dan lignin 5,97%. Analisis ultimat
TKKS menunjukkan unsur karbon 60,4%, hidrogen 7,6%, nitrogen 2,2% dan
oksigen 29,8%. Rumus empiris TKKS berdasarkan fraksi mol dapat dinyatakan
sebagai CH1,52O0,37N0,03. Hasil perhitungan menunjukkan nilai kalor TKKS
sebesar 18,62 kJ/g, sedangkan analisis laboratorium sebesar 18,74 kJ/g.

Karakterisasi gas menunjukkan gas CO, H2 dan CH4 merupakan produk
utama gas mampu bakar hasil pirolisis TKKS. Produksi gas CO tertinggi
dihasilkan pada perlakuan suhu 200oC sebesar 0,1880 g/g biomassa. Produksi gas
H2 dan CH4 tertinggi dihasilkan pada perlakuan suhu 450oC sebesar 0,0112 g/g
biomassa dan 0,0846 g/g biomassa secara berturut-turut. Suhu minimal untuk
menghasilkan nilai kalor spesifik yang lebih besar dari nilai kalor TKKS adalah
pada suhu 250oC. Nilai kalor gas spesifik cenderung meningkat seiring dengan
peningkatan suhu dimana pada perlakuan suhu tertinggi (450oC) diperoleh nilai
kalor spesifik sebesar 31,88 kJ/g gas.
Berdasarkan hasil karakterisasi gas, dilakukan perancangan dan pegujian
kompor. Effisiensi termal kompor sebesar 9,96%. Nilai ini cukup rendah hal ini
disebabkan banyaknya panas yang terbuang, sehingga diperlukan perbaikan
rancangan untuk penelitian berikutnya.
Kata kunci: Tandan kosong kelapa sawit, lignoselulosa, nilai kalor, gasifikasi.

SUMMARY
AGUS SUSANTO GINTING. Design and Analysis of Thermodynamic
Gasification Stove Utilized Oil Palm Empty Fruit Bunches Feul. Supervised by
ARMANSYAH H TAMBUNAN and RADITE P A SETIAWAN.
Oil palm empty fruit bunches (EFB) is one of the solid waste produced

from processing of oil palm fruit bunches. The EFB is normally 23% of total fresh
fruit bunch (FFB), which are rich in lignocellulosic (cellulose, hemycellulose and
lignin) content. Lignocellulosic content from palm oil bunches can be converted
into fuel that can be used as an energy source. There are various convertion
technologies that can be used to change lignocellulosic into fuels. Gasisfication, as
a fast pyrolysis, is one of the method, which is also regarded as a thermochemical
convertion method. Gasification process consists of four stages to generate gas,
namely drying stage (110-120°C), pyrolysis (250-600°C), oxidation (400-900°C)
and reduction (600°C).
Gasification process begins with oxidation, to release heat (exothermic)
which is required for the other stages to proceed. The oxidation heat was absorbed
by the biomass to release water vapor and dry the biomass. When the temperature
increases to a certain level, pyrolysis stage of the biomass will take place. In
pyrolysis process, lignocellulosic structure will break down to produce flammable
gas. Gasification reactor at low temperatures such as biomass stoves, pyrolysis
was prime process to produce flammable gas. Knowledge on the types and
composition of gases produced by pyrolysis at various process temperature is
indispensable for an optimum design of low temperature gasification system, such
as gasification stove. The objective of this research are to investigate
characterization flammable gas of EFB by pyrolysis process and to investigate

performance of the stove design utilized EFB.
Laboratory analysis on the EFB shows that cellulose content was 56.05%,
hemycellulose 17.63% and lignin 5.97%. Ultimate analysis shows that carbon
content of the EFB was 64.4%, hydrogen 7.6%, nitrogen 2.2% and oxygen 29.8%.
The empirical formula of EFB base on mol fraction was CH1,52O0,37N0,03.
Calculation result shows that caloric value of EFB was 18.62 kJ/g whereas
laboratory analysis result was 18.74 kJ/g.
The gas characterization shows that CO, H2 and CH4 were the main gases
resulted from pyrolysis of EFB. The highest CO production was at 200oC
pyrolysis temperature, which was 0.1880 g/g biomass. The highest H2 and CH4
production was at temperature 450oC, which was 0.0112 g/g biomass and 0.0846
g/g biomass respectively. The lowest temperature needed to get specific caloric
value of the resulted gas to be higher then the calorific value of EFB was 250oC.
Specific caloric value will increase along with temperature, where at highest
temperature (450oC) the specific caloric value was 31.88 kJ/g gas.
The design of gasification stove based on the pyrolysis characterization
was fabricated and tested. Thermal efficiency of the stove was 9.96%. This
relatively low thermal efficiency was due to high heat loss, which needs to be
improved for further study.
Key word: oil palm empty fruit bunch, lignocellulosic, caloric value, gasification.


© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2014
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB

RANCANG BANGUN DAN ANALISIS TERMODINAMIS
KOMPOR GASIFIKASI DENGAN BAHAN BAKAR TANDAN
KOSONG KELAPA SAWIT

AGUS SUSANTO GINTING

Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains

pada
Program Studi Teknik Mesin Pertanian dan Pangan

SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014

Penguji luar komisi pada Ujian Tesis : Dr Ir Edy Hartulistiyoso,M.Sc

Judul Tesis : Rancang Bangun dan Analisis Termodinamis Kompor Gasifikasi
dengan Bahan Bakar Tandan Kosong Kelapa Sawit
Nama
: Agus Susanto Ginting
NIM
: F151110051

Disetujui oleh
Komisi Pembimbing


Prof Dr Ir Armansyah H Tambunan
Ketua

Dr Ir Radite P A Setiawan, MAgr
Anggota

Diketahui oleh

Ketua Program Studi
Teknik Mesin Pertanian
dan Pangan

Dekan Sekolah Pascasarjana

Dr Ir Y Aris Purwanto,MSc

Dr Ir Dahrul Syah, MscAgr

Tanggal Ujian : 30 Juni 2014


Tanggal Lulus:

PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala
karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih
dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Februari 2013 ini ialah Energi
Terbarukan, dengan judul Rancang Bangun dan Analisis Termodinamis Kompor
Gasifikasi dengan Bahan Bakar Tandan Kosong Kelapa Sawit.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Prof Dr Ir Armansyah H
Tambunan dan Bapak Dr Ir Radite P A Setiawan, M Agr selaku ketua dan anggota
komisi pembimbing serta bapak Dr Ir Edy Hartulistiyoso,M.Sc sebagai penguji
pada sidang akhir ujian tesis. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada
Bapak (Tersek Ginting), Mamak (Erna Wati Br Tarigan), serta seluruh keluarga
(Alfi, Dera, Grace dan Ocha beserta seluruh keluarga besar) atas segala doa dan
kasih sayangnya. Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada Direktorat
Jenderal Pendidikan tinggi Republik Indonesia yang sudah mendukung penelitian
ini dalam program penelitian Hibah Kompetensi:035/SP2H/PL/DI. LITABMAS/
V/2013 tanggal 13 Mei 2013.
Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada teman-teman laboratorium
Pindah Panas dan Massa : Christian soolany, Angga, Dr Kiman Siregar, Dr Bayu

Rudianto, Dr Rosmeika, Kak Inge, Pak Wahyudin, Pak Alimudin, Pak Johanis
Pangala, Gani, Azen, Raju, Irfan, Jo Sipangkar, Tino Aritonang, Fuad, Dea,
Saidong, Monalisa, Ni Putu Dian, Deny Situmorang, Alia, Tiara Etika, Well
Tobing, Sigit, Haga, Ilham. Teman-teman TMP 2011(Fahrul Irfan, Kak Reni
Gultom, Bang Muklis Muchtar, Mas Tri Nugroho, Hasbi, Dodik Arianto, Drupadi,
Feby Nopriandi, Setya Permana), teman-teman TMP 2010 dan teman-teman TMP
2012.
Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada ibu Rusmiyati dan Pak
Ahmad Mulyatulloh sebagai administrator program studi Teknik Mesin Pertanian
dan Pangan. Mas Anto sebagai administrator Pasca IPB, mas Firman sebagai
administrator lab dan Ibu Ketih sebagai admistrator jurnal TIN yang sudah banyak
membantu penulis dalam pengurusan admistrasi perkuliahan dan penelitian.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.

Bogor, Juni 2014
Agus Susanto Ginting

DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL


i

DAFTAR GAMBAR

ii

DAFTAR LAMPIRAN

ii

1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Manfaat Penelitian
Ruang Lingkup Penelitian

1
1
2
2
2
2

2 TINJAUAN PUSTAKA
Komponen lignoselulosa tandan kosong kelapa sawit
Tipe aliran udara pada kompor gasifikasi

3
3
4

3 METODE
Waktu dan tempat
Analisis ultimat, proximat dan lignoselulosa
Karakterisasi gas-gas pirolisis tandan kosong kelapa sawit
Analisis gas hasil pirolisis
Kriteria rancangan kompor gasifikasi
Proses pengujian kompor

8
8
9
10
11
11
11

4 HASIL DAN PEMBAHASAN
Komposisi tandan kosong kelapa sawit
Karakterisasi gas-gas hasil pirolisis tandan kosong kelapa sawit
Analisis kompor gasifikasi
Rancang-bangun kompor gasifikasi
Pengujian kompor gasifikasi
Effisiensi termal kompor gasifikasi

14
14
16
19
19
20
20

5 SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran

24
24
25

DAFTAR PUSTAKA

25

LAMPIRAN

27

RIWAYAT HIDUP

44

DAFTAR TABEL
Penelitian mengenai pirolisis biomassa
Penelitian kompor gasifikasi
Analisis proximat dan ultimat tandan kosong kelapa sawit dan
perbandingannya dengan literatur
Analisis lignoselulosa tandan kosong kelapa sawit
Persentase hasil pirolisis tandan kosong kelapa sawit
Persentase nilai kalor gas per gram biomassa yang dapat dimanfaatkan
dari pirolisis tandan sawit
Nilai kalor gas yang diperoleh dari hasil pirolisis
Perhitungan effisiensi termal kompor gasifikasi

4
7
14
15
17
18
19
21

DAFTAR GAMBAR
Struktur lignin pada biomassa
Struktur selulosa pada biomassa
Struktur hemiselulosa pada biomassa
Skema kompor down draftgasifier
Skema kompor inverted down draft gasifier
Skema kompor cross draft gasifier
Skema up-draft gasifier stove
Bagan alir proses penelitian
Tandan kosong hasil pengolahan dan tandan kosong setelah dicacah
Rangkaian peralatan pengujian
Prosedur pengujian kompor
Gambar skematik titik pengukuran
Rasio hidrogen/karbon dan oksigen/karbon tandan kosong kelapa sawit
pada diagram van Krevlen
Hubungan antara rasio atom O/C dan H/C dengan beberapa penelitian
tandan kosong kelapa sawit
Hubungan antara suhu dan gas mampu bakar yang dihasilkan
Tahapan modifikasi rancangan
Proses degradasi bahan bakar
Fenomena yang terjadi pada kompor gasifikasi
Profil suhu reaktor dan suhu air pada saat pengujian pendidihan air 1 kg
Profil suhu reaktor dan suhu air pada saat pengujian pendidihan air 5 kg

3
3
4
5
5
6
6
8
9
10
12
13
15
16
17
19
20
21
22
23

DAFTAR LAMPIRAN
Grafik kromatogram tandan kosong kelapa sawit
Grafik kromatogram analisis gas hasil pirolisis
Perhitungan rasio atom O/C dan H/C
Hasil proses tandan kosong kelapa sawit
Proses pengujian kompor gasifikasi
Gambar teknik

27
28
31
32
33
34

1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Indonesia merupakan salah satu penghasil minyak mentah kelapa sawit
(crude palm oil) terbesar dunia. Minyak mentah diolah dari tandan buah segar
kelapa sawit. Produksi minyak kelapa sawit nasional mencapai 23,5 juta ton
(Ditjen perkebunan, 2013). Dari hasil pengolahan tandan buah segar menjadi
minyak mentah akan dihasilkan beberapa produk sampingan berupa limbah padat
dan juga limbah cair.
Tandan kosong kelapa sawit merupakan salah satu limbah padat yang
dihasilkan dalam proses pengolahan tandan buah sawit. Komposisi tandan kosong
terdiri 23% dari keseluruhan tandan sawit segar. Tandan sawit kaya akan
kandungan lignoselulosa (selulosa, hemiselolosa dan lignin) (Omar et al, 2011).
Kandungan lignoselulosa yang terdapat pada tandan sawit dapat diubah menjadi
bahan bakar yang dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi.
Berbagai cara dapat dilakukan untuk mengubah lignoselulosa tandan sawit
manjadi bahan bakar, salah satunya secara termokimia untuk menghasilkan bahan
bakar dalam bentuk gas. Pengubahan lignoselulosa secara termokimia terdiri dari
berbagai cara yaitu pembakaran langsung, torefaksi, gasifikasi, pencairan
(liquefaction) dan pirolisis. Pada penelitian ini proses perubahan dilakukan
dengan cara gasifikasi. Pemilihan cara gasifikasi pada penelitian ini dikarenakan
dalam proses gasifikasi gas merupakan produk utama dari proses.Terdapat empat
tahapan untuk mengasilkan gas mampu bakar diantaranya tahapan pengeringan
(110-120 oC), pirolisis (250-600 oC), oksidasi (400-900 oC) dan reduksi (600 oC).
Dalam sistem gasifikasi proses diawali dengan oksidasi dimana proses ini
bersifat melepas panas (eksotermik). Proses berikutnya panas dari oksidasi akan
diserap (endotermik) oleh biomassa untuk melepaskan uap air, proses ini disebut
proses pengeringan. Meningkatnya suhu yang diserap oleh biomassa akan
mambawa proses ketahapan berikutnya yaitu pirolisis. Pada tahapan pirolisis
struktur dari lignoselulosa biomassa akan dipecah untuk menghasilkan gas
mampu bakar. Gas yang dihasilkan umumnya disebut dengan producer gas yang
terdiri dari CO, H2 dan CH4. Tahapan berikutnya adalah proses reduksi dimana
padatan yang kaya dengan kandungan karbon akan bereaksi dengan karbon
dioksida dan uap air yang akan menghasilkan gas karbon monoksida dan gas
hidrogen. Pada gasifikasi, proses yang menghasilkan gas mampu bakar adalah
pada tahap reduksi dan pirolisis. Pada reaktor gasifikasi pada suhu rendah seperti
pada kompor biomassa, tahapan proses yang akan menghasilkan gas mampu bakar
adalah pirolisis, karena pada suhu rendah tidak tercapai tahap reduksi.
Kajian menganai suhu pirolisis minimal untuk memperoleh nilai kalor gas
spesifik yang lebih tinggi dari nilai kalor tandan kosong kelapa sawit sampai saat
ini belum pernah dilakukan. Untuk mengetahui hal tersebut perlu dilakukan
beberapa perlakuan suhu untuk proses pirolisis. Fungsi dari perlakuan suhu adalah
untuk mengakarakterisasi gas-gas yang dihasilkan khususnya gas-gas mampu
bakar. Dari gas mampu bakar yang dihasilkan dapat dianalisis besarnya nilai kalor
masing-masing gas berdasarkan volume ataupun massa sehingga dapat dihitung
total nilai kalor gas spesifik dari masing-masing perlakuan suhu. Total nilai kalor

2
gas spesifik yang dihasilkan dari beberapa perlakuan suhu akan dibandingkan
dengan nilai kalor tandan kosong kelapa sawit. Berdasarkan perbandingan
tersebut dapat diketahui suhu pilrolisis minimal untuk mendapatkan nilai kalor gas
spesifik yang lebih besar dari nilai kalor tandan kosong kelapa sawit. Perlakuan
suhu terrendah dapat mulai pada suhu pre-pirolisis (