menjadi biodiesel, sehingga perbandingan energi Output dengan energi Input adalah sebesar 0,8055
≈ 0,81, sedangkan energi yang dibutuhkan untuk menghasilkan 1 MJ petroleum diesel adalah sebesar 1,1995 MJ, sehingga rasio
energi adalah sebesar 0,8337 ≈ 0,83.
2.1 Konsep Energi dan Eksergi
Keseimbangan energi adalah konsep penting untuk analisis kinerja, yang didasarkan pada hukum pertama termodinamika. Hukum pertama termodinamikaa
sering disebut hukum kekekalan energi, yang menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Oleh sebab itu, keseimbangan energi dalam
suatu sistem harus dipertahankan. Saat sistem berubah dari keadaan awal ke keadaan seimbang keadaan akhir, sistem tersebut dapat menyerap atau melepas
energi ke lingkungannya. Keadaan seimbang adalah keadaan dimana tidak terjadi lagi perubahan dalam sistem, atau antara sistem dengan lingkungannya. Pada
keadaan setimbang suhu dan tekanan adalah seragam di seluruh sistem dan tidak ada lagi gaya-gaya tak seimbang yang bekerja Kamarudin et al., 1998.
Pada prakteknya, total kandungan energi pada suatu keadaan awal atau akhir sangat sulit ditentukan, sehingga pendekatan termodinamika sering
dilakukan dengan mengukur beda kandungan energi antara keadaan awal dan akhir, yaitu jumlah energi yang dipertukarkan antara sistem dengan
lingkungannya selama proses berlangsung Burghardt M. D and Harbach J. A., 1993. Hukum pertama Termodinamika dinyatakan dalam bentuk Pers. 1.5,
dimana Q adalah energi yang diberikan atau dilepaskan sistem kJ, ΔU adalah peubahan energi dalam sistem kJ dan W adalah kerja yang terjadi selama proses
kJ. Q=
ΔU + W ....................................................................................................1.5 Pada sistem terbuka dapat ditulis sebagai berikut:
VdP dH
Q
................................................................................................1.6 Dimana H adalah entalpi kJ, V adalah volume m
3
, dan P adalah tekanan Pa. Hukum pertama termodinamika menunjukkan bahwa berbagai bentuk
energi dapat saling dikonversikan, dan terdapat korespondensi kuantitatif antara berbagai jenis energi. Perubahan bentuk energi, misalkan dari energi kimia ke
energi panas, tidak melanggar hukum pertama karena panas adalah bentuk energi yang paling dikenal dan mudah diukur, ekivalensi bentuk-bentuk energi yang
berbeda dan pertukaran energi yang terjadi pada proses fisika maupun kimia sering ditelaah berdasarkan perubahan panasnya.
Setiap kejadian fisika ataupun kimia umumnya disertai dengan penyerapan atau pelepasan panas ke lingkungannya. Karena itu, panas adalah bentuk atau
media universal dan sederhana dengan mana energi dapat ditunda. Jika suatu proses berlangsung dengan melepaskan panas ke lingkungan, disebut proses
eksotermik. Sedangkan sebaliknya, proses yang berlansung dengan pengambilan panas dari lingkungan, disebut proses endotermik. Tidak melalui semua zat dapat
terjadi perpindahan panas, meskipun terdapat perbedaan suhu antara sistem dan lingkungannya. Zat yang melalui, yang mana dapat terjadi perpindahan panas
disebut adiathermic sedangkan yang tidak dapat disebut adiabatic. Pada ilmu pindah panas dan massa kemampuan suatu zat dalam memindahkan panas
dinyatakan dalam terminologi konduktivitas panas. Kamarudin et al., 1998. Kapasitas panas jenis menyatakan jumlah panas yang diserap atau yang
dilepas oleh suatu satuan massa benda, jika suhunya berubah sebesar satu derajat celcius. Satu joule merupakan jumlah energi yang dihasilkan oleh gaya satu
Newton sepanjang jarak satu meter. Penyerapan atau pelepasan akibat perubahan suhu menyebabkan perubahan kandungan panas sensible benda tersebut. Jika m
adalah massa benda kg, panas jenis Cp Jkg C, dan terjadi perubahan suhu sebesar
ΔT C, maka terjadi kandungan panas sensibel sebesar. Kamarudin et al., 1998.
Q = m Cp ΔT .................................................................................................. 1.7
Dalam perhitungan energi harus diketahui proses perubahan fase pada bahan, karena energi yang dibutuhkan ada dua tahap yaitu untuk mengubah suhu
dan mengubah wujud. Perubahan fase terjadi, apabila sudah tercapai titik didih suatu bahan pada tekanan tertentu, sehingga energi yang diserap bahan tersebut
digunakan untuk mengubah wujud. Tabel 4 menunjukkan titik didih dan tekanan penguapan dari tiap komponen bahan pada proses tranesterifikasi proses produksi
biodiesel berbahan baku palm oil.
Tabel 4 Titik didih tiap komponen bahan
Komponen Titik didih
o
C Tekanan penguapan Pa Methanol
64.9
a
101300 Glycerol
290
a
101300 Methyl palmitate
338
b
101300 Methyl stearate
352
b
101300 Methyl oleate
349
b
101300 Methyl linoleate
366
b
101300 Tripalmitin
298
c
6.66 Tristearin
313
c
6.66 Triolein
235-240
d
2399 Trilinolein
- -
a
Perry’s, 1997
c
Swern, 1979
b
Yuan et al, 2005
d
Weast and Astle, 1981
Tabel 5 menunjukkan titik didih normal pada tekanan atmosfer asam lemak dan FAME dari myristic, palmitic, stearic, oleic dan linoleic.
Tabel 5 Titik didih normal fatty acid dan FAME Komponen
Titik didih normal
o
C Acids [e]
FAME [f] Myristic
Palmitic Stearic
Oleic Linoleic
318.0 353.8
370.0 360.0
202.0
1.4 mmHg
295.0 338.0
352.0 349.0
366.0
e
Yuan W, et al., 2005
f
Gunstone FD, et al., 1994
Hukum pertama termodinamika hanya menjelaskan prinsip kekekalan energi, dan tidak mampu menjelaskan aspek fundamental lain, yaitu arah
terjadinya perpindahan panas. Perpindahan panas akan terjadi secara spontan dari bagian bersuhu panas ke bagian bersuhu dingin. Kita melihat bahwa setiap proses
akan berlangsung menuju keadaan keseimbangan, dan sekali keadaan keseimbangan tersebut telah tercapai, proses tersebut tidak akan dapat kembali
secara spontan ke keadaan awal. Secara sederhana entropi didefinisikan sebagai keacakan atau ketidakteraturan. Hukum kedua termodinamika menyatakan suatu
proses tidak mungkin akan berlangsung ke arah sebaliknya total entropi menurun. Sehingga, proses yang berlangsung dengan peningkatan entropi adalah
proses yang tidak mampu balik irreversible Burghardt M. D and Harbach J. A., 1993.
Jika total entropi sistem dan lingkungannya tetap selama proses berlangsung, maka disebut proses mampu balik reversible, meskipun proses
yang mampu balik secara sempurna hanya hipotesa dan tidak mungkin terjadi di alam nyata. Proses nyata selalu tak mampu balik karena perubahan suatu energi
ke bentuk lainnya secara kuantitatif tidak dapat terjadi tanpa adanya kehilangan energi. Misalnya, perubahan energi mekanik ke energi listrik selalu diikuti dengan
kehilangan energi dalam bentuk panas karena gesekan, yang ditebarkan ke lingkungan dan mengalami pengacakan sehingga tidak mampu menghasilkan
kerja. Seluruh materi dan energi di dalam alam mengalami pengacakan tetap, dan menuju suatu keadaan acak sempurna yang disebut sebagai kubah entropi
entropic doom Kamaruddin et al., 1998. Dari keadaan acak tersebut dapat diambil suatu hubungan sering disebut
sebagai hukum ketiga termodinamika yang menyatakan bahwa entropic suatu kristal sempurna dari suatu benda pada suhu nol mutlak adalah nol. Pada suhu nol
mutlak, tidak terjadi gerakan panas dan atom suatu kristal sempurna akan berada pada keteraturan sempurna. Pada sembarang suhu, entropi benda padat adalah
yang paling rendah, entropi cairan adalah menengah dan entropi gas adalah yang paling tinggi. Selanjutnya gas pada suhu tinggi mempunyai entropi yang paling
tinggi daripada gas pada suhu yang paling rendah dengan demikian entropi juga merupakan fungsi suhu Kamaruddin et al., 1998. Dalam buku Burghardt, M.D.
dan Harbach, J.A., 1999, secara matematis dapat dirumuskan hubungan antara entropi dengan fungsi suhu dengan Pers. 1.4.
......................................................................................................... 1.4 Oleh karena itu, muncullah suatu istilah yang disebut dengan eksergi,
dimana eksergi adalah energi yang dimanfaatkan pada saat proses. Analisis eksergi diperoleh dari hukum termodinamika pertama dan hukum termodinamika
q Tds
kedua. Ferreira 2003, berdasarkan hasil studinya, menyimpulkan bahwa metoda analisis eksergi dapat digunakan untuk membandingkan konfigurasi produksi
pertanian misal, apakah akan mempertahankan pertanian tradisional atau modern, dan bahkan sebagai kriteria seleksi untuk pemilihan jenis maupun teknik
budidaya yang akan diterapkan. Analisis ini dapat juga diterapkan untuk melihat setiap stasiun proses produksi biodiesel yang kurang efisien, sehingga pasokan
energi yang akan diinput dapat diminimalisasi dengan cara memperbaiki disain sistem proses.
Russel dan Adebiyi 1993 mendefinisikan eksergi sebagai kerja maksimal berguna yang dapat dihasilkan oleh sistem bila sistem tersebut berinteraksi
dengan suatu lingkungan referensi tertentu. Lingkungan referensi yang dimaksudkan di sini biasanya adalah lingkungan luar atmosfir yang mempunyai
suhu T
o
dan tekanan konstan P
o
, untuk sistem terbuka control volume. Suatu keseimbangan eksergi dapat dinyatakan dalam berbagai format yang
bisa disesuaikan dengan kondisi. Secara matematis dapat dinyatakan dengan Pers. 1.5 Burghardt, M.D. dan Harbach, J.A., 1999.
.......................... 1.5
Pada kondisi steady state maka = 0 dan
= 0 Menurut Talens, L. et. al., 2006, untuk memproduksi 1 ton biodiesel
dengan bahan baku UCO Used Cooking Oil eksergi yang hilang adalah sebesar 492 MJ yaitu yang hilang pada saat proses sebesar 228 MJ dan pada limbah 264
MJ. Pada penelitiannya efisiensi eksergi biodiesel untuk 1 ton biodiesel berbahan baku UCO used cooking oil dengan proses produksi secara katalitik adalah
sebesar 98,54 dan besarnya eksergi yang hilang adalah sebesar 1,46 dari total eksergi.
. .
. .
.
1
o D
i e
j o
i e
j i
e j
T dE
dV Q
W P
m e m e
dt T
dt
dE dt
dV dt
III. METODOLOGI PENELITIAN