i
NALISIS POTENSI KOTORAN TERNAK SAPI SEBAGAI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BIOGAS DI PANTAI BARU BANTUL
TUGAS AKHIR
Diajukan Guna Memenuhi Persyaratan Untuk Mencapai Derajat Strata-1 Pada Prodi Teknik Elektro Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Yogyakarta
DISUSUN OLEH : MEI KURNIAWAN
20120120051
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH YOGYAKARTA
iii
HALAMAN PERNYATAAN
Yang bertanda tangan dibawah ini:
Nama : Mei Kurniawan
NIM : 20120120051
Program Studi : Teknik Elektro Fakultas : Teknik
Universitas : Universitas Muhammadiyah Yogyakarta
Menyatakan dengan sesungguhnya bahwa naskah Tugas Akhir “Analisis potensi kotoran ternak sapi sebagai pembangkit listrik tenaga biogas di Pantai Baru Bantul” merupakan hasil karya tulis saya sendiri dan tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjaanaan di Perguruan Tinggi dan sepanjang pengetahuan penulis juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau dipublikasikan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis disebutkan sumbernya dalam naskah dan daftar pustaka dengan mengikuti tata cara dan etika penulisan karya tulis ilmiah yang lazim.
Yogyakarta, 16 Desember 2016 Penulis
v MOTTO
Tanpa cinta, kecerdasan itu berbahaya. Dan tanpa
kecerdasan, cinta itu tidak cukup.
Harus konsisten dalam menekuni bidang disiplin ilmu
yang anda pelajari. Karena konsisten anda bisa seperti
saya (Habibie).
Failure only happens when we give up.
vii
PERSEMBAHAN
Syukur alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan petunjuk dalam menyelesaikan tugas akhir ini. Dengann penuh rasa syukur, tugas akhir ini penulis persembahkan kepada :
1. Kedua orang tuaku Bapak Yatno dan Ibu Yahmini yang paling aku cintai dan aku sayangi sepanjang hayatku yang senantiasa mendoaakan, menyayangi dan mendidiku sepenuh jiwa.
2. Adikku Ayem Dwi Lestari dan Retno Wulandari yang memberi semangat dan motivasi dalam menyelesaikan tugas akhir ini.
viii
KATA PENGANTAR
Assalamu’alaikum Wr. Wb.
Alhamdulillah, puji dan syukur kehadirat Allah SWT atas segala rahmat dan karunia-Nya berupa kesehatan dan kesempatan sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan laporan tugas akhir dengan judul “Analisis potensi kotoran ternak sapi sebagai pembangkit listrik tenaga biogas di Pantai Baru Bantul” dengan baik. Sholawat serta salam semoga selalu tercurah kepada Nabi Muhammad SAW. yang telah membawa umat manusia dari zaman kebodohan menuju zaman yang penuh dengan ilmu pengetahuan.
Penyelesaian tugas akhir ini tidak lepas dari bantuan dan dukungan dari berbagai pihak. Dalam kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang tidak terhingga kepada:
1. Kedua orang tuaku Bapak Yatno dan Ibu Yahmini yang tak henti-hentinya mendoakan dan mendukung baik secara moral maupun material;
2. Bapak Prof. Dr. Bambang Cipto, M.A. Rektor Universitas Muhammadiyah Yogyakarta yang telah memberikan kesempatan kepada penulis untuk menimba ilmu di lembaga ini;
3. Bapak Jazaul Ikhsan, S.T., M.T., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Yogyakarta;
4. Bapak Ir. Agus Jamal, M.Eng. selaku Ketua Program Studi Teknik Elektro yang telah memberikan izin penyusunan tugas akhir kepada penulis; 5. Bapak Rahmat Adiprasetya A.H, S.T., M.Eng. selaku Dosen Pembimbing
ix
Pembimbing II yang dengan sabar membimbing, memberi petunjuk dan mengarahkan penulis selama Tugas Akhir;
6. Dosen Penguji
7. Segenap Dosen Pengajar Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Yogyakarta;
8. Staf Tata Usaha Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Yogyakarta; 9. Staf Laboratorium Prodi Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah
Yogyakarta;
10.Teman seperjuangan Fajar, Aprizal semangat jiwe, Rizky, Gandhi, yang telah berbagi susah senang selama 4 tahun terakhir, semoga kita tetap bersama selamanya;
11.Teman-teman mahasiswa teknik elektro 2012 dan anak kos Rw yang tidak dapat disebutkan satu per satu yang sangat menginspirasi;
12.Teman-teman KKN Hendra, Eko, Heru, Ryo, Amel, Inggi, Vendy, Anggit yang telah bersama-sama selama sebulan ber-KKN di dusun Niron, Ds. Pandowoharjo;
13.Semua pihak yang telah berpengaruh dalam hidup penulis secara langsung maupun tidak langsung yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu, terima kasih telah hadir di hidup penulis.
x
Akhir kata semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat dan memberi tambahan ilmu bagi para pembaca. Semoga Allah SWT meridhoi kita semua, aamiin.
Wassalammu’alakum Wr. Wb.
Yogyakarta, 16 Desember 2016
Penulis
xi
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... Error! Bookmark not defined. LEMBAR PENGESAHAN ... Error! Bookmark not defined. HALAMAN PERNYATAAN ... Error! Bookmark not defined. LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR ... iError! Bookmark not defined. MOTTO ... Error! Bookmark not defined. INTISARI ... Error! Bookmark not defined. LEMBAR PERSEMBAHAN ... Error! Bookmark not defined.
KATA PENGANTAR ... viii
DAFTAR ISI ... Error! Bookmark not defined. DAFTAR GAMBAR ... Error! Bookmark not defined. DAFTAR TABEL ... Error! Bookmark not defined. BAB I PENDAHULUAN ... Error! Bookmark not defined. 1.1 Latar Belakang... Error! Bookmark not defined. 1.2 Perumusan Masalah ... 2
1.3 Batasan Masalah ... 2
1.4 Tujuan Penelitian ... 3
1.5 Manfaat Penulisan ... 3
1.7 Sistematika Penulisan ... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI ... 5
2.1 Tinjauan Pustaka ... 5
2.2 Dasar Teori ... 6
2.2.1 Sumber Potensi ... 6
2.2.2 Pembangkit Listrik Tenaga Biogas ... 7
2.2.3 Pengertian Biogas... 8
2.2.4 Proses Pembentukan Biogas ... Error! Bookmark not defined. 2.2.5 Potensi Pemanfaatan kotoran Sapi ... 13
2.2.6 Manfaat Energi Biogas ... 13
2.3 Faktor yang Mempengaruhi Pembentukan Biogas ... 15
2.3.1 Nutrisi dan Penghambat bagi bakteri Anaerob ... 15
2.3.2 Digestifikasi Anaerobik ... 15
xii
2.3.4 Derajat Keasaman (pH) ... 16
2.3.5 Kandungan Nitrogen dan Rasio Karbon Nitrogen ... 17
2.3.6 Pengadukan Bahan Organik ... 18
2.3.7 Pengaturan Tekanan ... 19
2.4 Konversi Energi Biogas dan Pemanfaatannya ... 19
2.4.1 Konversi Energi Biogas Untuk Ketenagalistrikan ... 19
2.5 Digester Biogas ... 20
2.5.1 Jenis-jenis Digester Biogas ... Error! Bookmark not defined. 2.5.2 Komponen utama Digester ... Error! Bookmark not defined. 2.5.3 Teknik Pencucian Biogas ... Error! Bookmark not defined. 2.6 Homer ... 27
2.7.1 Tutorial HOMER ... Error! Bookmark not defined. 2.7 Konfigurasi HOMER ... 29
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 30
3.1 Metodologi Penelitian ... 30
3.2 Alat Penelitian ... 30
3.3 Bahan Penelitian ... 30
3.4 Lokasi Penelitian ... 31
3.5 Tahapan Persiapan ... 32
3.6 Langkah-Langkah Penyusunan Karya Tulis ... 32
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASANError! Bookmark not defined. 4.1 Perhitungan Potensi Biogas di Kawasan Peterbakan Pantai Baru Bantul Yogyakarta ... Error! Bookmark not defined. 4.1.1 Kondisi Peternakan Sapi Pantai Baru bantul YogyakartaError! Bookmark not defined. 4.1.2 Potensi Pembentukan Bahan Bakar Biogas di Peternakan Sapi Pantai Baru Bantul Yogyakarta... Error! Bookmark not defined. 4.2 Data Beban ... Error! Bookmark not defined. 4.3 Perancangan Sistem Homer ... 41
4.3.1 Simulasi Primary Load 1 ... 42
4.3.2 Generator 1 ... 43
xiii
4.4.2 Analisa Konfigurasi Sistem Optimal... 49
4.4.3 Potensi Biogas ... 49
4.4.4 Hasil Pembangkit Sistem ... 51
4.4.5 Analisi Sistem Optimal... 53
4.4.6 Biaya Biaya ... 54
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Skema pembangkit listrik tenaga biogas... 7
Gambar 2.2 Digestifikasi Anaerobik alamiah dan buatan ... 16
Gambar 2.3 Digester biogas ... 20
Gambar 2.4 Fixed dome (kubah terbuka) ... 21
Gambar 2.5 Floating dome (kubah apung)... 23
Gambar 2.6 Skema Pencucian Biogas secara fisika ... 26
Gambar 2.7 Tampilan utama HOMER ... 28
Gambar 3.1 Peta Lokasi Pantai Baru, Srandakan, Kabupaten Bantul, Provinsi Daerah Istimewa Yogyakarta ... 31
Gambar 3.2 Flowchart Metodologi Penelitian ... 32
Gambar 4.1 Pemilihan Komponen Homer Energy ... 41
Gambar 4.2 Simulasi data beban menggunakan Homer Energy ... 42
Gambar 4.3 Penggunaan energi listrik setiap jamnya dalam sehari ... 42
Gambar 4.4 Penggunaan energy listrik per jam untuk tiap bulan ... 43
Gambar 4.5 Perancangan Sistem Generator 1 ... 44
Gambar 4.6 Cost Curve Generator 1 ... 44
Gambar 4.7 Fuel Curve Generator 1 ... 45
Gambar. 4.8 Perancangan Untuk Sistem Grid ... 46
Gambar 4.9 Perancangan Konfigurasi Homer... 47
Gambar 4.10 Hasil Kalkulasi Konfigurasi Homer Energy ... 47
Gambar 4.11 Jumlah rata-rata feedstock biogas dalam setahun... 49
Gambar 4.12 Hasil produksi biogas per bulan dalam setahun ... 50
Gambar 4.13 Massa biogas yang dihasilkan per kg ... 50
Gambar 4.14 Daya yang dibangkitkan konfigurasi ... 51
Gambar 4.15 Produksi listrik per bulan dalam satu tahun ... 52
xv
DAFTAR TABEL
Gambar 2.1 Komponen penyusun biogas ... 11
Gambar 2.2 Nilai kesetaraan biogas dan energi yang dihasilkan ... 12
Gambar 2.3 Rasio C/N beberapa bahan organik ... 18
Gambar 2.4 Konversi Energi GasMetan menjadi Energi Listrik ... 19
Gambar 2.5 Kelebihan dan kekurangan jenis digester kubah tetap ... 22
Gambar 4.1 Potensi Biogas ... 37
Gambar 4.2 Data beban pantai baru... 38
Gambar 4.3 Konsusmsi energi listrik di wilayah Pantai Baru ... 40
Gambar 4.4 Hasil konfigurasi sistem optimal HOMER energy ... 48
Gambar 4.5 Kelebihan daya listrik PLTBG Pantai Baru ... 53
59
LAMPIRAN
60 Genset Biogas
vi
INTISARI
Tujuan utama dari skripsi ini adalah mengetauhi potensi biogas dari
kotoran ternak sapi sebagai pembangkit listrik tenaga biogas. Indonesia adalah
salah satu negara yang banyak memiliki peternakan sapi dan berpotensi unutk
memanfaatkan kotoran ternak sapi sebagai sumber enrergi terbarukan. Salah satu
contoh yang memanfaatkan kotoran ternak sapi sebagai sumber enregi terbarukan
adalah Pantai Baru Bantul Yogyakarta.
Pembangkit listrik tenaga biogas adalah suatu sistem pembangkit dimana
biogas digunakan sebagai bahan bakar untuk mesin pembakaran, yang
mengubahnya menjadi energi mekanik, menggerakan generator listrik untuk
menghasilkan listrik.
Sistem pembangkit listrik (generator biogas) yang paling optimal dengan
model sistem pembangkit listrik grid-connected. Perhitungan hasil potensi biogas
kotoran ternak sapi (feedstock biomass) dengan memanfaatkan limbah kotoran
ternak sapi ebagai sumber energi generator 1 dan perhitungan konsumsi daya pada
Pantai Baru yang dengan secara menyeluruh sistem merupakan system digunakan
bantuan perangkat lunak, dalam hal ini HOMER legacy. Perangkat lunak ini
mengoptimasi berdasarkan nilai NPC terendah.
Hasil simulasi dan optimasi berbantuan software HOMER menunjukkan
bahwa secara keseluruhan sistem yang paling optimal untuk diterapkan di Pantai
Baru system pembangkit listrik (100%) dengan Grid PLN (0%). Dihitung 0%
dikarenakan langganan dari PLN tidak dimanfaatkan dalam sistem pembangkit
karena pembangkit mampu menampung daya konsumsi seluruh wilayah Pantai
Baru. Hasil total daya yang dihasilkan dari pembangkit listrik tenaga biogas
sebesar 350,400 kWh/tahun dari hasil analisa Homer Energy.
1 BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Energi sangat diperlukan dalam kehidupan sehari-hari. Sumber energi
dapat berasal dari matahari, bahan bakar minyak, gas alam dan kayur bakar.
Energi tersebut digunakan untuk keperluan ruamh tangga seperti masak-memasak
dan penerangan. Kelangkaan bahan bakar minyak, yang salah satunya disebabkan
oleh kenaikan harga minyak dunia pada setiap tahunnya yang signifikan, telah
mendorong pemerintah untuk mengajak masyarakat mengatasi masalah energi
secara bersama-sama.
Upaya penghematan energi untuk bahan bakar seharusnya sudah digerakan
sejak dahulu karena pasokan bahan bakar yang berasal dari minyak bumi, gas
maupun batu bara adalah sumber energi fosil yang tidak dapat diperbaharui
(unrenewable). Sedangkan permintaan terus naik, demikian pula dengan harganya
sehingga tidak ada stabilitas keseimbangan antara permintaan dan penawaran.
Salah satu jalan untuk menghemat bahan bakar minyak dan sumber energi yang
unrenewable adalah dengan mencari sumber energi alternatif yang dapat
diperbaharui (renewable).
Bahan bakar fosil seperti minyak bumi dan batubara merupakan sumber
energi utama di Indonesia, akan tetapi sumber energi tersebut berdampak merusak
lingkungan termasuk pencemaran udara, emisi gas rumah kaca dan pemanasan
global. Kebutuhan energi nasional diketahui lebih dari 50% penggunaannya
didominasi oleh bahan bakar fosil, untuk itu pengembangan energi alternatif
menjadi pilihan yang penting. Sudah saatnya semua negara memutuskan
ketergantungan terhdap sumber energi fosil beralih ke sumber energi alternatif
2 Indonesia sebagai negara tropis memiliki sumber energi baru terbarukan
yang melimpah sebagai energi alternatif pengganti energi fosil. Salah satu energi
alternatif tersebut ialah pemanfaatan energi biogas. Biogas dapat dikategorikan
sebagai bioenergi, karena energi yang dihasilkan dari biomassa. Biomassa adalah
materi organik berusia relatif muda yang berasal dari makhluk hidup atau produk
dan limbah produksi budidaya (pertanian, perkebunan, kehutanan, pertenakan dan
perikanan). Biogas merupakan gas produk akhir pencernaan/degradasi anaerobik
(dalam lingkungan tanpa oksigen) oleh bakteri-bakteri methanogen. Salah satu
limbah yang dihasilkan dari aktifitas kehidupan manusia adalah limbah dari usaha
ternak peternakan sapi yang terdiri dari feses, urin, gas dan sisa makanan ternak.
Potensi limbah peternakan sebagai salah satu bahan baku pembuatan biogas dapat
ditemukan di sentra-sentra peternakan, terutama peternakan dalam skala besar
yang menghasilkan limbah dalam jumlah besar dan rutin. Di Indonesia cukup
banyak kawasan peternakan sapi yang limbah kotoran sapinya belum
dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik secara optimum.
1.2 Perumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang telah dikemukakan di atas, penulis
merumuskan masalah sebagai berikut :
a. Bagaimana hasil analisa potensi kotoran ternak sapi sebagai pembangkit
listrik tenaga biogas ?
b. Bagaimana cara kerja pembangkit listrik tenaga biogas dari kotoran ternak
sapi ?
c. Bagaimana potensi biogas sebaga pembangkit tenaga listrik dalam
memenuhi kebutuhan listrik di Pantai Baru Bantul ?
1.3 Batasan Masalah
Didalam penyusunan skripsi ini terdapat beberapa hal yang dijadikan
3 1. Analisa potensi biogas, pengolahan potensi biogas kotoran sapi untuk
menentukan penggunaan dan energi yang dihasilkan di Pantai Baru,
Bantul.
2. Pemanfaatan biogas kotoran ternak sapi untuk memenuhi kebutuhan
energi listrik di Pantai Baru, Bantul.
3. Perhitungan jumlah biogas kotoran sapi yang digunakan untuk
memenuhi kebutuhan energi listrik di Pantai Baru, Bantul.
1.4 Tujuan Penelitian
Ada beberapa tujuan yang membuat penulis menganalisa Energi Biogas,
yakni :
a. Menghitung potensi kotoran ternak sapi sebagai pembangkit listrik tenaga
biogas.
b. Analisis potensi biogas kotoran sapi sebagai pembangkit tenaga listrik
dalam memenuhi kebutuhan listrik di Pantai Baru Bantul.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah :
1. Dapat mengetahui hasil proses pengolahan biogas kotoran ternak sapi
menjadi sumber energi terbarukan.
2. Dapat mengetahui pemanfaatan dari hasil biogas kotoran ternak sapi
sebagai bahan bakar pembankit listrik.
3. Dapat dimanfaatkan oleh Badan Usaha pengelolaan bahan bakar dan
energi milik negara, swasta dan swadaya agar dapat menggunakan
bahan bakar yang ramah lingkungan dan sebagai penunjang Energi
4 4. Dan dapat dimanfaatkan oleh masyarakat sebagai pengganti bahan
bakar rumah tangga untuk penghemat biaya, mengurangi polusi dan
ramah lingkungan.
1.6 Sistematika Penulisan
Skripsi ini disusun dengan urutan :
BAB I PENDAHULUAN
Berisi tentang latar belakang masalah, perumusan masalah, batasan
masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, metodologi penelitian dan
sistematika penulisan.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Berisi teori penunjang yang menguraikan tentang teori-teori yang
mendukung dari penelitian dan pengukuran serta perhitungan.
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Berisi metodologi penelitian yang akan dilakukan yang meliputi
studi literature, survei lapangan, dan pengambilan data, pengujian potensi
biomasa dan analisis terhadap data yang diperoleh.
BAB IV Hasil dan Pembahasan
Berisi tentang Pengolahan dan analisis data yang di peroleh
berdasarkan pada teori dan teknis yang digunakan serta penyajian data dan
produk akhir penelitian.
BAB V Penutup
5 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI
2.1 Tinjauan Pustaka
Berikut merupakan rujukan penelitian yang pernah dilakukan untuk
mendukung penulisan skripsi ini, diantaranya :
Menurut Didit Waskito UI (2011) dalam Tesisnya yang berjudul Analisa
Pembangkit Listrik Tenaga Biogas Dengan Pemanfaatan Kotoran Sapi Di
Kawasan Usaha Peternak Sapi. Dia menjelaskan bahwa pembuangan kotoran
ternak dalam waktu tertentu akan melepaskan CH4 ke udara akibat dari proses
fermentasi alami. CH4 termasuk salah satu emisi penghasil gas rumah kaca selain
CO2, CH4 mempunyai sifat polutan 21 kali jika dibandingkan CO2. Berdasarkan
hal tersebut pemanfaatan kotoran ternak sebagai bahan baku biogas mempunyai
kontribusi 2 kali dalam pengurangan emisi gas rumah kaca, yaitu :
1. Pengurangan emisi akibat mengganti/substitusi bahan bakar fosil.
2. Pengurangan emisi akibat pembakaran gas metan.
Menurut Sinung Rustrijarno (2008) di dalamm penelitiannya yang berjudul
Pemanfaatan Biogas sebagai Sumber Energi Alternatif Terbarukan di Lokasi
Prima Tani Kabupaten Kulon Progo. Dia menjelaskan bahwa Biogas sebagai
alternatif sumber energi terbarukan berpeluang besar untuk dikembangkan di
pedesaan. Pemanfaatan biogas di lokasi Prima Tani Desa Banaran terbatas untuk
kebutuhan memasak dan baru dimanfaatkan untuk satu unit rumah tangga.
Pemanfaatan biogas dapat dikembangkan untuk memenuhi kebutuhan memasak,
penerangan, pemanas air, pembangkit listrik atau penggunaan lainnya di
pedesaan.
Menurut Yasinta Fajar Saputri dkk ITS (2014) dalam jurnalnya yang
berjudul Pemanfaatan Kotoran Sapi untuk Bahan Bakar PLT Biogas 80 KW di
6
Indonesia desa Babadan Kabupaten Ngajum Malang, pemanfaatan biogas dengan
menggunakan kotoran sapi sangat potensial. Seperti diketahui kotoran sapi perhari
dapat mencapai 25 kg, dengan jumlah sapi sebanyak 4.000 ekor berpotensi
menghasilkan energi listrik sebesar 3.760 kWh/hari atau 12,8297 mega Btu. Jika
dibandingkan dengan sumber biogas lainnya seperti kotoran gajah (2.538
kWh/hari), babi (698,79 kWh/hari), itik (281,76 kWh/hari) dan manusia (48,4
kWh/hari) potensi energi listrik yang dihasilkan oleh kotoran sapi lebih tinggi dari
pada sumber-sumber tersebut.
Dari hasil beberapa jurnal di atas di penelitian ini akan dibahas tentang
bagaimana cara pengolahan potensi kotoran sapi sebagai energi alternatif yang
ramah terhadap lingkungan.
2.2 Dasar Teori
2.2.1 Sumber Potensi
Sumber energi terbarukan diharapkan memiliki peran aktif dalam skenario
diversifikasi energi di masa yang akan datang karena sumber energi ini bersifat
ramah terhadap lingkungan dan memiliki cadangan yang tidak pernah habis.
Sebagai contoh biogas, yang merupakan bahan yang dapat di temukan di mana
saja dan sumber energi terbarukan lainnya, dapat digunakan sebagai sumber
energi alternatif dan ketersediaannya juga sangat memadai. Selain itu, energi ini
merupakan sumber energi alternatif yang sangat potensial untuk dikembangkan
dan dapat di kombinasikan dengan energi alternatif lainnya. Meskipun demikian,
energi ini perlu untuk pengkajian dan pengembangan agar di dapat hasil yang
maksimal. Sumber energi terbarukan memiliki potensi menghasilkan daya listrik
untuk masyarakat. Proses pengembangan teknologi untuk memanfaatkan sumber-
sumber energi terbarukan dalam skala kecil yang murah dan dapat memenuhi
7 2.2.2 Pembangkit Listrik Tenaga Biogas
Biogas dapat digunakan dalam cara yang sama seperti gas alam di kompor
gas, lampu atau sebagai bahan bakar untuk mesin. Kandungan terdiri dari 50-75%
metana, 25-45% karbon dioksida, uap air 2-8% dan lainnya O2 N2, NH3 H2 H2S.
Bandingkan dengan gas alam, yang berisi 80 sampai 90% metana. Kandungan
energi dari gas yang terutama tergantung pada kandungan metana nya yang tinggi
sangat dibutuhkan. Namun biogas juga terdapat kandungan karbon dioksida, uap
air dan gas belerang yang harus diminimalkan terutama untuk digunakan dalam
mesin. Nilai kalor rata-rata biogas adalah sekitar 21-23,5 MJ / m³, sehingga 1 m³
biogas sesuai dengan bahan bakar diesel 0,5-0,6 l atau sekitar 6 kWh (Fachagentur
Nachwachsende Rohstoffe, 2009).
Secara teoritis, biogas dapat dikonversi langsung menjadi listrik dengan
menggunakan sel bahan bakar. Namun, proses ini memerlukan gas sangat bersih
dan sel bahan bakar mahal. Oleh karena itu, opsi ini masih menjadi bahan untuk
penelitian dan saat ini tidak digunakan sebagai pembangkit listrik. Konversi
biogas untuk listrik oleh generator set jauh lebih praktis. Berbeda dengan gas
alam, biogas ditandai dengan resistensi ketukan tinggi dan karenanya dapat
digunakan di motor pembakaran dengan tingkat kompresi yang tinggi.
Gambar 2.1 Skema Pembangkit Listrik Tenaga Biogas (Burhani Rahman,
8
Dalam hal ini, biogas digunakan sebagai bahan bakar untuk mesin
pembakaran, yang mengubahnya menjadi energi mekanik, menggerakan generator
listrik untuk menghasilkan listrik. Desain generator listrik mirip dengan desain
motor listrik. Kebanyakan generator menghasilkan listrik AC, oleh karena itu juga
disebut dengan alternator atau dinamo. Generator listrik yang sesuai tersedia di
hampir semua negara dan di semua ukuran. Teknologi ini terkenal dan
pemeliharaannya yang sederhana. Dalam hal ini, bahkan tersedia secara universal
motor listrik 3-fase dapat dikonversi menjadi generator. Seiring berkembangnya
teknologi sekarang sudah ada Genset (generator set) yang menggunakan bahan
bakar biogas. Secara teori, biogas dapat digunakan sebagai bahan bakar di hampir
semua jenis mesin pembakaran, seperti mesin otto, mesin diesel, turbin gas dan
motor Stirling dll (Elmar Dimpl, 2010).
Secara umum mesin diesel yang beroperasi berbahan bakar biogas dengan
mode dual fuel. Untuk mempermudah pengapian dari biogas mesin diesel
membutuhkan sekitar 2% minyak dari pembakaran dan diinjeksikan bersama
dengan biogas. Keuntungan dari mesin diesel yang beroperasi dalam mode dual
fuel adalah dapat berkerja dalam nilai kalor terendah. Agar mesin diesel bahan
bakar biogas dapat bekerja, biogas harus mempunyai kualitas yang tepat seperti
dibawah ini :
1. Kandungan metan dalam biogas harus tinggi karena metan adalah
bagian utama dari gas yang mudah terbakar.
2. Kandungan uap air dan � harus serendah mungkin karena
kandungan tersebut menyebabkan nilai kalor menjadi rendah.
3. Khususnya kandungan sulfur terutama dalam bentuk � � harus
rendah, karena dapat menyebabkan korosi.
2.2.3 Pengertian Biogas
Energi terbarukan adalah energi yang berasal dari proses alam yang diisi
9
dioksida (±38%), dan lainnya , , � & � � (±2%) sehingga dapat dibakar
seperti layaknya gas elpiji sering dipakai untuk memasak dan penerangan.
Bahan-bahan sumber biogas dapat berasal dari kotoran ternak, limbah pertanian, dan
sampah limbah organik. Penguraian biomassa menjadi biogas juga menghasilkan
kompos sehingga selain menyediakan sumber energi yang murah, usaha konversi
ini juga menyediakan pupuk organik untuk mendukung kegiatan pertanian serta
meningkatkan kebersihan lingkungan dan kesehatan keluarga di pedesaan. Pada
umumnya semua jenis bahan organik bisa diproses untuk menghasilkan biogas,
namun demikian hanya bahan organik (padat, cair) homogen seperti kotoran dan
urine (air kencing) hewan ternak yang cocok untuk sistem biogas sederhana. Di
samping itu juga sangat mungkin menyatukan saluran pembuangan di kamar
mandi atau WC ke dalam sistem biogas. Di daerah yang banyak industri
pemrosesan makanan antara lain tahu, tempe, ikan pindang atau brem bisa
menyatukan saluran limbahnya ke dalam sistem biogas, sehingga limbah industri
tersebut tidak mencemari lingkungan di sekitarnya. Hal ini memungkinkan karena
limbah industri tersebut di atas berasal dari bahan organik yang homogen. Jenis
bahan organik yang diproses sangat mempengaruhi produktivitas sistem biogas
disamping parameter-parameter lain seperti temperatur digester, pH, tekanan, dan
kelembaban udara (Said, 2007).
Bahan organik dimasukkan ke dalam ruangan tertutup kedap udara disebut
digester sehingga bakteri anaeroba akan membusukkan bahan organik tersebut
yang kemudian menghasilkan gas (biogas). Biogas yang telah berkumpul di dalam
digester selanjutnya dialirkan melalui pipa penyalur gas menuju tabung
penyimpan gas atau langsung ke lokasi pembuangannya.
Prinsip pembuatan biogas adalah adanya dekomposisi bahan organik
secara anaerobik (tertutup dari udara bebas) untuk menghasilkan gas yang
sebagian besar adalah berupa gas metan (gas yang memiliki sifat mudah terbakar)
dan karbon dioksida, gas inilah yang disebut biogas. Proses dekomposisi dibantu
oleh sejumlah mikro organisme, terutama bakteri metan. Suhu yang baik untuk
proses fermentasi adalah 30-55ºC, dimana pada suhu tersebut mikroorganisme
10
Bangunan utama dari instalasi biogas adalah digester yang berfungsi untuk
menampung gas metan hasil perombakan bahan-bahan organik oleh bakteri. Jenis
digester yang paling banyak digunakan adalah model continuous feeding dimana
pengisian bahan organik dilakukan secara kontinu setiap hari. Besar kecilnya
digester tergantung pada kotoran ternak yang dihasilkan dan banyaknya biogas
yang diinginkan. Lahan yang diperlukan sekitar 16 � . Untuk membuat digester
diperlukan bahan bangunan seperti pasir, semen, batu kali, batu koral, batu merah,
besi konstruksi, cat dan pipa paralon lokasi yang akan dibangun sebaiknya dekat
dengan kandang sehingga kotoran ternak dapat langsung disalurkan kedalam
digester. Disamping digester harus dibangun juga penampung slurry (lumpur)
dimana slurry tersebut nantinya dapat dipisahkan dan dijadikan pupuk organik
padat dan pupuk organik cair (Wahyu Febriyanita, UNNES 2015)
2.2.4 Proses Pembentukan Biogas
Menurut Wahyu Febriyanita (UNNES) 2015 Prinsip pembentukan biogas
adalah adanya dekomposisi organik secara anaerobik (tertutup dari udara bebas)
untuk menghasilkan gas yang sebagian besar adalah berupa gas metan (yang
memiliki sifat mudah terbakar) dan karbon dioksida, gas inilah yang disebut
biogas. Proses dekomposisi anaerobik dibantu oleh sejumlah mikroorganisme,
terutama bakteri metan. Suhu yang baik untuk proses fermentasi adalah 30-500C,
dimana pada suhu tersebut mikroorganisme mampu merombak bahan-bahan
organik secara optimal.
Limbah peternakan seperti fases, urin beserta sisa pakan ternak sapi
merupakan salah satu sumber bahan yang dapat dimanfaatkan untuk
menghasilkan biogas. Namun di sisi lain perkembangan atau pertumbuhan
industri peternakan menimbulkan masalah bagi lingkungan seperti menumpuknya
limbah peternakan termasuknya didalamnya limbah peternakan sapi. Limbah ini
menjadi polutan karena dikomposisi kotoran ternak berupa BOD dan COD
11
polusi air (terkontaminasinya air bawah tanah, air permukaan), polusi udara
dengan debu dan bau yang ditimbulkannya (Didit Waskito, UI 2011).
Biogas merupakan renewable energy yang dapat dijadikan bahan bakar
alternatif untuk menggantikan bahan bakar yang berasal dari fosil seperti minyak
tanah dan gas alam. Biogas juga sebagai salah satu jenis bioenergi yang
didefinisikan sebagai gas yang dilepaskan jika bahan-bahan organik seperti
kotoran ternak, kotoran manusia jerami, sekam dan daun-daun hasil sortiran sayur
difermentasi atau mengalami proses metanisasi (Hambali E 2008). Biogas yang
terbentuk dapat dijadikan bahan bakar karena mengandung gas metan (CH4)
dalam persentase yang cukup tinggi. Komponen biogas tersajikan dalam tabel 1
Hidrogen sulfide (H2S) Sedikit sekali
Nitrogen (N2) 1-2%
Hidrogen 5-10%
Sumber : Bajracharya dkk, 1985
Energi biogas sangat potensial untuk dikembangkan karena produksi
biogas peternakan ditunjang oleh kondisi yang kondusif dari perkembangan
peternakan sapi di Indonesia saat ini. Disamping itu, kenaikan tarif listrik,
kenaikan harga LPG (Liquefied Petroleum Gas), premium, minyak tanah, minyak
solar, minyak diesel dan minyak bakar telah mendorong pengembangan sumber
energi alternatif yang murah, berkelanjutan dan ramah lingkungan (Nurhasanah
12
Sebagai pembangkit tenaga listrik, energi yang dihasilkan oleh biogas
setara dengan 60-100 watt lampu selama 6 jam penerangan. Kesetaraan biogas
dibandingkan dengan bahan bakar lain dapat dilihat pada tabel 2.2 di bawah ini.
Tabel 2.2 Nilai kesetaraan biogas dan energi yang dihasilkan
Aplikasi 1m3 Biogas setara dengan
1 m3 biogas Elpiji 0,46 kg
Minyak tanah 0,62 liter
Minyak solar 0,52 liter
Kayu bakar 3,50 kg
Sumber : Wahyuni, 2008
Pada pembuatan biogas bahan baku harus banyak mengandung selulosa.
Bahan baku dalam bentuk selulosa akan lebih mudah dicerna oleh bakteri
anaerob. (Wiratmana,2012) Pembentukan biogas secara biologis dengan
memanfaatkan sejumlah mikroorganisme anaerob meliputi tiga tahap, yaitu tahap
hidrolisis (tahap pelarutan), Tahap asidogenesis (tahap pengasaman), dan tahap
metanogenesis (tahap pembentukan gas metana).
1. Hidrolis, pada tahap ini terjadi penguraian bahan-bahan organik mudah larut
dan pemecahan bahan organik yang komlek menjadi sederhana dengan
bantuan air (perubahan struktur bentuk polimer menjadi bentuk monomer).
2. Pengasaman, pada tahap pengasaman komponen monomer (gula sederhana)
yang terbentuk pada tahap hidrolis akan menjadi bahan makanan bagi bakteri
pembentuk asam. Produk akhir ini perombakan gula-gula sederhana tadi yaitu
asam asetat, propionat, format, laktat, alkohol dan sedikit butirat, gas
karbondioksida, hidrogen dan ammonia.
3. Metanogenik, pada tahap metanogenik terjadi proses pembentukan gas metan.
Bakteri pereduksi sulfat juga terdapat dalam proses ini yang akan mereduksi
13
Untuk memanfaatkan kotoran ternak sapi menjadi biogas, diperlukan
beberapa syarat yang terkait dengan aspek teknis, infrastruktur, manajemen dan
sumber daya manusia. Bila faktor tersebut dapat dienuhi, maka pemanfaatan
kotoran ternak menjadi biogas sebagai penyediaan energi di pedesaan dapat
berjalan dengan optimal.
2.2.5 Potensi Pemanfaatan Kotoran Sapi
Kebutuhan energi tersebut sebenarnya tidak lain adalah energi yang
dibutuhkan untuk menghasilkan dan mendistribusikan secara merata
sarana-sarana pemenuhan kebutuhan pokok manusia. Berbagai macam bentuk energi
telah digunakan manusia seperti batu bara, minyak bumi, dan gas alam yang
merupakan bahan bakar yang tidak terbaharui. Selain itu, sumberdaya lainnya
seperti kayu bakar saat ini masih digunakan, namun penggunaan kayu bakar
tersebut mempunyai jumlah yang terbatas dengan semakin berkurangnya hutan
sebagai sumber kayu. Dengan meningkatnya jumlah penduduk, terutama yang
tinggal di perdesaan, kebutuhan energi rumah tangga masih menjadi persoalan
yang harus dicarikan jalan keluarnya. Permasalahan kebutuhan energi perdesaan
dapat diatasi dengan menggunakan sumber energi alternatif yang ramah
lingkungan, murah, dan mudah diperoleh dari lingkungan sekitar dan bersifat
dapat diperbaharui. Salah satu energi ramah lingkungan adalah gas bio yang
dihasilkan dari proses fermentasi bahan-bahan organik akibat aktivitas bakteri
anaerob pada lingkungan tanpa oksigen bebas. Energi gas bio didominasi gas
metan (60% - 70%), karbondioksida (40% - 30%) dan beberapa gas lain dalam
jumlah lebih kecil (Candra Nur Wahyudiyanto, UMY 2015).
2.2.6 Manfaat Energi Biogas
Menurut Wahyu Febriyanita (UNNES) 2015 Manfaat biogas minimal bisa
14
ternak sebagai bahan baku biogas akan mengatasi beberapa masalah yang
ditimbulkan dari limbah tersebut, bila dibandingakan dengan hanya dibiarkan
menumpuk tanpa pengolahan. Kotoran hewan yang menumpuk dapat mencemari
lingkungan, dan jika terbawa oleh air masuk ke dalam tanah atau sungai akan
mencemari air tanah dan air sungai. Selain itu, kotoran tersebut juga dapat
membahayakan kesehatan manusia karena mengandung racun dan bakteri-bakteri
patogen seperti E.coli. Limbah yang menumpuk dapat menyebabkan polusi udara,
berupa bau yang tidak sedap, menyebabkan penyakit pernapasan (ISPA), dan
terganggunya kebersihan lingkungan, serta dapat menimbulkan efek rumah kaca
adanya gas metana ke lingkungan. Penerapan biogas juga memberikan dampak
terhadap perkembangan pertanian di Indonesia, yaitu dapat menghasilkan pupuk
organik bagi petani, serta peternak dapat meningkatkan populasi ternaknya karena
adanya pakan ternak dari hasil limbah pertanian. Para peternak dapat memasak
dengan murah tanpa membeli bahan bakar, bersih, ramah lingkungan, serta
mendorong kelestarian alam. Meningkatnya produksi ternak, dapat mengurangi
impor menghemat devisa negara, dan mendukung perbaikkan ekonomi
masyarakat. Pengolahan kotoran sapi menjadi energi alternatif biogas yang ramah
lingkungan merupakan cara yang sangat menguntungkan, karena mampu
memanfaatkan alam tanpa merusaknya sehingga siklus ekologi tetap terjaga.
Manfaat lain mengolah kotoran sapi menjadi energi alternatif biogas adalah
dihasilkannya pupuk organik untuk tanaman, sehingga keuntungan yang dapat
diperoleh yaitu:
1. Meningkatnya pendapatan dengan pengurangan biaya kebutuhan pupuk dan
pestisida.
2. Menghemat energi, pengurangan biaya energi untuk memasak dan
pengurangan konsumsi energi tak terbarukan yaitu BBM.
3. Mampu melakukan pertanian yang berkelanjutan, penggunaan pupuk dan
pestisida organik mampu menjaga kemampuan tanah dan keseimbangan
15
Biogas yang dihasilkan dapat dijadikan sebagai sumber belajar (real
teaching) bagi dunia pendidikan dalam rangka mewujudkan pendidikan berbasis
riset, program yang dijalankan dapat dijadikan sebagai media penghubung antar
keluarga dalam pengelolaan dan penyaluran biogas yang dihasilkan sehingga
dapat terbentuk atmosfir sosio kultural yang harmonis dan berkesinambungan,
memotivasi masyarakat desa untuk merintis wirausaha baru di bidang pembuatan
biogas, membuka peluang kerja bagi masyarakat petani dan peternak sapi
sehingga memperkecil arus urbanisasi, dan meningkatkan pendapatan masyarakat
petani dan peternak sapi di daerah tersebut sehingga dapat meningkatkan
kesejahteraan keluarga.
2.3 Faktor yang Mempengaruhi Pembentukan Biogas
2.3.1 Nutrisi dan Penghambat bagi Bakteri Anaerob
Bakteri anaerobik membutuhkan nutrisi sebagai sumber energi untuk
proses reaksi anaerob seperti mineral-mineral yang mengandung Nitrogen, Fosfor,
Magnesium, Sodium, Mangan, Kalsium, Kobalt. Nutrisi dapat bersifat toxic
(racun) apabila konsentrasi di dalam bahan terlalu banyak. Ion mineral, logam
beran dan detergen adalah beberapa materila racun yang mempengaruhi
pertumbuhan normal bakteri patogen didalam reactor pencerna. Ion mineral dalam
jumlah kecil (sodium, potasium, amonium dan belerang) juga merangsang
pertumbuhan bakteri, namun bila ion-ion ini dalam konsentrasi yang tinggi akan
berakibat meracuni.
2.3.2 Digestifiksi Anaerobik
Digestifikasi anaerobik adalah proses pembusukan bahan organik oleh
bakteri anaerobik pada kondisi tanpa udara, yang menghasilakn biogas dan pupuk
cair. Ada dua jenis digestifikasi anaerobik, yaitu alamiah dan buatan seperti
16
Gambar 2.2 Digestifikasi Anaerobik alamiah dan buatan (http:// lontar .ui.ac.id/)
2.3.3 Lama Proses
Lama proses dalam digester adalah rata-rata periode waktu saat input
masih berada dalam digester dan proses fermentasi oleh bakteri metanogen.
Dalam jaringan digester dengan kotoran sapi, waktu tinggal dihitung dengan
pembagian volume total dari digester oleh volum input yang ditambah setiap hari.
Waktu tinggal juga tergantung pada suhu. Di atas suhu 350C atau suhu lebih
tinggi, lama proses semakin meningkat.
2.3.4 Derajat Keasaman (pH)
Mempunyai efek terhadap aktivitas miktoorganisme. Konsentrai derajat
keasaman (pH) yang ideal antara 6,6 dan 7,6. Bila pH lebih kecil atau lebij besar
maka akan mempunyai sifat toksit terhadap bakteri metanogenik. Bila proses
17 2.3.5 Kandungan Nitrogen dan Rasio Karbon Nitrogen
Karbon dan Nitrogen adalah sumber makanan utama bagi bakteri anaerob,
sehingga pertumbuhan optimum bakteri sangat dipengaruhi unsur ini, dimana
Karbon dibutuhkan untuk mensulai energi dan Nitrogen dibutuhkan untuk
membentuk struktur sel bakteri. Nitrogen amonia pada konsentrasi yang tinggi
dapat menghambat proses fermentasi anaerob. Konsentrasi yang baik berkisar
200-1500 mg/lt dan bila melebihi 300 mg/lt akan bersifat toxic. Proses fermentasi
anaerob akan berlangsung optimum bila rasio C:N bernilai 30:1, dimana jumlah
karbon 30 kali dari jumhlah nitrogen.
Kotoran hewan terutama sapi, memiliki nilai C/N rata-rata berkisar 24.
Material dari tumbuhan seperti serbuk gergaji dan jerami mengandung presentase
C/N yang lebih tinggi, sedangkan kotoran manusia memiliki rasio C/N 8. Limbah
organik yang bernilai C/N tinggi dapat dicampur dengan yang lebih rendah
sehingga diperoleh rasio C/N yang ideal, seperti pecampuran limbah jerami
(straw) kedalam limbah toilet (latrine waste) untuk mencapai kadar C/N yang
ideal atau mencampurkan kotoran gajah dengan kotoran manusia sehingga
mendapat jumlah rasio C/N yang seimbang dan produksi biogas dapat berjalan
optimum.
Untuk menentukan bahan organik digester adalah dengan melihat
rasio/perbandingan antara Karbon (C) dan Nitrogen (N). Beberpa percobaan
menunjukkan bahwa metabolisme bakteri anaerobik akan baik pada rasio C/N
antara 20-30. Jika rasio C/N tinggi, Nitrogen akan cepat dikomsumsi bakteri
anaerobik guna memenuhi kebutuhan proteinnya, sehingga bakteri tidak akan
bereaksi kembali saat kandungan Kerbon tersisa. Jika rasio C/N rendah, Nitrogen
akan terlepas dan berkumpul membentuk amoniak sehingga akan meningkatkan
nilai pH bahan. Nilai pH yang tinggi dari 8,5 akan dapat meracuni bakteri
anaerobik. Untuk menjaga rasio C/N, bahan organik rasio tinggi dapat dicampur
bahan organik rasio C/N rendah. Rasio C/N beberapa bahan organik dapat dilihat
18
Tabel 2.3 Rasio C/N beberapa bahan organik
Bahan Organik Rasio C/N
Sumber : Karki dan Dixit (1984)
2.3.6 Pengadukan Bahan Organik
Pengadukan sangat bermanfaat bagi bahan yang berbeda di dalam digester
anaerob karena memberikan peluang material tetap tercampur dengan bakteri dan
temperatur terjaga merata diseluruh bagian. Dengan pengadukan potensi material
mengendap di dasar digester semakin kecil, konsentrasi merata dan memberikan
kemungkinan seluruh material mengalami proses fermentasi anaerob secara
merata.
19
Semakin tinggi tekanan di dalam digester, semakin rendah produksi biogas
di dalam digester terutama pada proses hidrolis dan acydifikasi. Selalu
pertahankan tekanan diantara 1,15-1,2 bar di dalam digester.
2.4 Konversi Energi Biogas dan Pemanfaatannya
Biogas dapat digunakan sebagai bahan bakar dan sebagai sumber energi
alternatif untuk penggerak generator pembangkit tenaga listrik serta menghasilkan
energi panas. Pembakaran satu kaki kubik (0,028 meter kubik) biogas
menghasilkan energi panas sebesar 10 Btu (2,25 kcal) yang setara dengan 6
kWh/� energi listrik atau 0,61 L bensin, 0,58 L minyak tanah, 0,055 L diesel,
0,45 L LPG (Natural Gas), 1,50 Kg kayu bakar, 0,79 L bioethanol.
2.4.1 Konversi Energi Biogas untuk Ketenagalistrikan
Konversi energi biogas untuk pembangkit listrik dapat dilakukan dengan
menggunakan gas turbine, microturbines dan Otto Cycle Engine. Pemilihan
teknologi sangat dipengaruhi potensi biogas yang ada seperti konsentrasi gas
metan maupun tekanan biogas, kebutuhan beban dan ketersediaan dana yang ada.
Tabel 2.4 Konversi Energi GasMetan menjadi Energi Listrik
Jenis Energi Setara Energi
Sumber : Renewable Energy Conversion, Transmision and Storage, Bent
20
Berdasarkan tabel di atas 1 Kg gas metan setara dengan 6,13 x J,
sedangkan 1 kWh setara dengan 3,6 x J. Untuk massa jenis gas metan 0,656
kg/� sehingga 1 � gas metan menghasilkan energi listrik sebesar 11,17 kWh.
2.5 Digester Biogas
Digester merupakan komponen utama produksi biogas. Digester
merupakan tempat dimana bahan organik diurai oleh bakteri secara anaerob (tanpa
udara) menjadi gas �� dan � . Digester harus dirancang sedemikian rupa
sehingga proses fermentasi anaerob dapat berjalan dengan baik. Pada umumnya
produksi biogas terbentuk 4-5 hari setelah digester diisi. Produksi biogas menjadi
banyak pada 20-35 hari. Contoh digester dapat dilihat pada gambar 2.3 di bawah
ini.
21 2.5.1 Jenis-jenis Digester Biogas
Terdapat beberapa jenis digester yang dapat dilihat berdasarkan kontruksi,
jenis aliran, dan posisinya terhadap permukaan tanah. Jenis digester yang dipilih
dapat didasarkan pada tujuan pembuatan digester tersebut. Hal yang penting
adalah apapun yang dipilih jenisnya, tujuan utama adalah mengurangi kotoran dan
menghasilkan biogas yang mempunyai kandungan �� tinggi. Dari segi
kontruksi, digester dibedakan menjadi :
a. Fixed Dome (kubah terbuka)
Digester jenis ini mempunyai volume tetap. Seiring dengan dihsilkannya
biogas, terjadi peningkatan tekanan dalam digester. Karena itu, dalam
konstruksinya digester jenis kubah tetap, gas yang terbentuk akan segera
dialirkan ke pengumpul gas di luar reaktor. Indikator produksi gas dapat
dilakukan dengan memasang indikator tekanan. Skema digester jenis
kubah dapat dilihat pada gambar 2.4 di bawah ini.
Gambar 2.4 Fixed Dome (Didit Waskito, 2011)
Digester jenis kubah tetap mempunyai kelebihan dan kekurangan seperti
22
Tabel 2.5 Kelebihan dan Kekurangan Digester Jenis Kubah Tetap
Kelebihan Kekurangan
1. Konstruksi sederhana dan dapat
dikerjakan dengan mudah.
1. Bagian dalam digester tidak
terlihat (khusunya yang dibuat di
dalam tanah) sehingga kebocoran
tidak terdeteksi.
2. Biaya konstruksi rendah. 2. Tekanan gas berfluktuasi dan
bahkan fluktuasinya sangat tinggi.
3. Tidak terdapat bagian yang
bergerak.
3. Temperatur digester rendah.
4. Dapat dilihat dari material yang
tahan karat.
seiring dengan kenaikan tekanan reaktor. Pergerakan bagian kubah dapat
dijadikan indikasi bahwa produksi biogas sudah mulai atau sudah terjadi.
Biogas yang bergerak juga berfungsi sebagai pengumpul biogas. Dengan
model ini, kelemahan tekanan gas yang berfluktuasi pada reaktor
biodigester jenis kubah tetap dapat diatasi sehingga tekanan gas menjadi
konstan. Kelemahannya adalah membuthkan teknik khusus untuk
membuat tampungan gas bergerak seiring naik atau turunnya produksi gas.
Kelemahan lainnya adalah material dari tampungan gas yang dapat
bergerak harus dipilih yang mempunyai sifat tahan korosi, hal tersebut
menyebabkan harganya relatif lebih mahal. Contoh digester tipe floating
23
Gambar 2.5 Floating Dome (Didit Waskito, 2011)
Berdasarkan aliran bahan baku untuk reaktor biogas, digester
dibedakan menjadi :
1. Bak (Batch)
Pada digester tipr bak, bahan baku ditempatkan di suatu dalam suatu
wadah atau bak dari sejak awal hingga selesainya proses digestion.
Digester jenis ini umumnya digunakan pada tahap eksperimen untuk
mengetahui potensi gas dari limbah organik atau digunakan pada
kapasitas biogas yang kecil.
2. Mengalir (Continous)
Untuk digester jenis mengalir, aliran bahan baku dimasukkan dan
residu dikeluarkan pada selang waktu tertentu. Lamanya bahan baku
berada dalam reaktor digester disebut waktu retensi (retention
time/RT).
Berdasarkan segi tata letak penempatan, digester dibedakan menjadi :
1. Seluruh digester diatas permukaan tanah
Biasanya digestet jenis ini dibuat dari tong-tong bekas minyak tanah
atau aspal. Kelemahan tipe iniadalah volume yang kecil, sehingga
biogas yang dihasilkan hanya mampu digunakann untuk kebutuhan
sebuah rumah tangga. Kelemahan lain adalah kemampuan material
24
Untuk skala yang besar, digester jenis ini juga memerlukan luas lahan
yang besar juga.
2. Sebagian tangki biogas diletakkan dibawah permukaan tanah.
Digester ini terbuat dari campuran semen, pasir, kerikil dan kapur yang
dibentuk seperti sumur da ditutup dari plat baja atau konstruksi semen.
Volume tangki dapat dibuat untuk skala besar ataupun skala kecil
sehingga dapat disesuaikan dengan kebutuhan. Kelemahan pada sistem
ini jika ditempatkan pada daerah yang memiliki suhu dingin (rendah)
suhu dingin yang diterima plat baja merambat ke bahan baku biogas,
sehingga memperlambat proses bekerjanya bakteri, seperti diketahui
bakteri akan bekerja optimum pada rentang temperatur tertentu saja.
3. Seluruh tangki digester diletakkan dibawah permukaan tanah.
Model ini merupakan model yang paling populer di Indonesia, dimana
seluruh instalasi digester dibuat di dalam tanah dengan konstrksi
permanen. Selain dapat menghemat tempat lahan, pembuatan digester
di dalam tanah juga berguna mempertahankan suhu digester stabil dan
mendukung pertumbuhan bakteri methanogen. Kekurangannya, jika
terjadi kebocotran gas dapat menyulitkan untuk memperbaikinya.
2.5.2 Komponen Utama Digester
Komponen-komponen digester cukup banyak dan bervariasi. Komponen
yang digunakan untuk membuat digester tergantung dari jenis digester yang
digunakan dan tujuan pembangunan digester. Secara umum komponen digester
terdiri dari empat komponen utama sebagai berikut :
1. Saluran masukan slurry (bahan organik)
Saluran ini digunakan untuk memasukkan slurry (campuran sampah organik
dan air) kedalam reaktor utama biogas. Tujuan pencampuran adalah untuk
memaksimalkan produksi biogas, memudahkan mengalirkan bahan baku dan
25
2. Ruang digestion (ruang fermentasi)
Ruang digestion berfungsi sebagai tempat terjadinya fermentasi anaerobik
dan dibuat kedap udara. Ruangan ini dapat juga dilengkapi dengan
penampungan biogas.
3. Saluran keluaran residu (sludge)
Fungsi saluran ini adalah untuk mengeluarkan kotoran (sludge) yang telah
mengalami fermentasi anaerob oleh bakteri. Saluran ini bekerja berdasarkan
prinsip kesetimbangan hidrostatik. Residu yang keluar pertama kali
merupakan slurry masukan yang pertama setelah waktu retensi. Slurry yang
keluar sangat baik untuk pupuk karena mengandung kadar nutrisi yang tinggi.
4. Tangki penyimpanan biogas
Tujuan dari tangki penyimpanan biogas adalah untuk menyimpan biogas
yang dihasilkan dari proses fermentasi anaerobik. Jenis tangki penyimpanan
biogas ada dua, yaitu tangki bersatu dnegan unit reaktor (fixed dome) dan
terpisah dengan reaktor (floated dome). Untuk tangki terpisah, konstruksi
dibuat khusus sehingga tidak bocor dan tekanan yang dihasilkan dalam tangki
seragam.
2.5.3 Teknik Pencucian Biogas
Biogas mengandung unsur-unsur yang tidak bermanfaat untuk pembakaran
khususnya � dan � �. Pada saat biogas dimanfaatkan untuk bahan bakar
kompor gas rumah tangga, maka kedua unsur tersebut secara praktis tidak perlu
dibersihkan. Hal ini disebabkan karena kompor hanya kontak dengan biogas pada
saat dipakai saja. Alasan lain adalah proses pencuciann merupakan kegiatan yang
membutuhkan biaya.
Tetapi jika biogas digunakan untuk bahan bakar pembangkit listrik, maka
proses pencucian menjadi sangat penting. Pencucian terhadap � dan � � dapat
memperpanjang umur dari komponen mesin pembangkit. Metode pencucian
26
1. Pencucian biogas dari unsur �
Tujuan dari pencucian � adalah karena kondensat yang terbentuk
dapat terakumulasi dalam saluran gas dan dapat juga membentuk
larutan asam yang korosif ketika � � larutan dalam air. Pengurangan
kadar � yang sederhana dilakukan dengan cara melewatkan biogas
pada suatu kolom yang terdiri dari silikan gel atau karbon aktif. �
selanjutnya dapat diserap oleh silikan gel atau karbon aktif.
2. Pencucian Biogas dari Unsur � �
Secara umum, pencucian (pengurangan) � � dari biogas dapat
dilakukan secara fisika, kimia dan biologi. Pemurnian secara fisika
misalnya penyerapan dengan air, pemisahan dengan menggunakan
membran atau absorbsi dengan absorben sulit diregenerasi dan
efektifitas pengurangan � � yang rendah. � � yang dipisahkan
larutan. Tujuan dari pencucian biogas terhadap � � pada dasarnya
adalah :
a. Mencegah korosi.
b. Menghindari keracunan � � (maksimum yang diperbolehkan
ditempat kerja adalah 5 ppm)
c. Mencegah kandungan sulfur dalam biogas, yang jika terbakar
menjadi � atau � yang lebih beracun dari � �.
d. Mengurangi � yang terbawa oleh gas buang biogas
menyebabkan turunnya titik embun gas dalam cerobong.
e. Meminimalisasi terbentuknya � � yang bersifat sebagai korosif.
27
Pemurnian � � dengan scrubber air dapat juga digunakan untuk
mengurangi konsentrasi � dalam biogas. Metode pemurnian � � dengan
crubber air dapat terjadi karena � � mempunyai kelarutan yang tinggi dalam air
dibandingkan kelarutan � . Air yang mengandung � � dan � kemudian
dapat diregenerasi dan dialirkan kembali ke dalam kolom scrubber. Regenerasi
dapat dilakukan dengan de-pressurizing atau dengan melepaskan udara dalam
kolom yang sama. Namun demikian, pelepasan udara tidak direkomendasikan
ketika kandungan � � cukup tinggi karena air akan cepat terkontaminasi � �.
Pelepasan udara yang berlebihan juga berbahaya. Biogas yang tercampur dengan
udara dapat meledak jika konsentrasinya mencapai 6-12% (tergantung dari
kandungan �� dalam biogas).
Pemurnian dengan cara biologi yaitu dengan menggunakan bakteri yang
mampu menguraikan � � menjadi sulfat. Kebanyakan mikroorganisme yang
digunakan untuk menguraikan � � adalah dari keluarga thiobacillus. Metode
biologi ini efektif utuk mengurangi kandungan � � dalam biogas, tetapi metode
ini selain sulit dalam pengoperasian juga sangat mahal. Metode ini juga dapat
menambah jumlah oksigen dalam biogas.
Pemurnian biogas dari kandungan � � yang sering dilakukan adalah
diserap secara kimiawi. Pada metode ini � � bereaksi dengan larutan absorben.
Selanjutnya absorben yang kaya � � diregenarsi untuk kembali melepas � � -nya
dalam bentuk gas atau sulfur padat. Absorben yang digunakan pada umumnya
adalah larutan nitrit, larutan garam alkali, slurry besi oksida atau seng oksida dan
iron chelated solution (Didit Waskito, UI 2011).
2.6 HOMER
HOMER adalah singkatan dari the hybrid optimisation model for electric
renewables, merupakan perangkat lunak yang digunakan untuk membantu
pemodelan dari sebuah sistem tenaga listrik dengan menggunakan berbagai
28
( Biogas ) menggunakan energi terbarukan. HOMER mensimulasikan dan
mengoptimalkan sistem pembangkit listrik baik stand-alone maupun
gridconnected yang dapat terdiri dari kombinasi turbin angin, photo volvic,
mikrohidro, biomasa, generator (diesel/bensin), mikroturbine, fuel-cell, dan
penyimpanan hidrogen, melayani beban listrik maupun termal. Dengan HOMER,
dapat diperoleh spesifikasi paling optimal dari sumber energi yang mungkin
diterapkan (Lambert, Gilman, dan Lilienthal 2006).
2.7.1 Tutorial HOMER
Tampilan perangkat lunak HOMER bisa dilihat digambar dibawah ini.
Perancang dapat menyusun sistem pembangkit dari berbagai jenis sumber daya,
baik sumber konvesional maupun yang terbaharukan. Proses simulasi pada
HOMER dilakukan untuk mengetahui karakteristik atau performansi dari suatu
sistem pembangkit.
Gambar 2.7 Tampilan utama HOMER
Setelah kita membuka program Homer, maka yang harus kita lakukan
adalah memberikan atau menambahkan masukan device pada system biogas yang
29
sistem kita. Homer memberikan pilihan jenis kompoen sesuai kebutuhan
pengguna untuk sistem yang akan dibuat. Komponen pembangkit energi yang
disediakan HOMER yaitu : Wind Turbine, PV, Converter, Hydrogen Tank,
Reformer, Electrolyzer, generator dan sistem battery. Homer juga memberikan
pilihan untuk menyalurkan pembangkit dengan grid PLN atau tidak. Dalam hal ini
penulis memilih untuk tidak menggunakan grid PLN sebagai penyambung sistem
biogas.
2.7 Konfigurasi HOMER
Pada saat melakukan simulasi, HOMER menentukan semua konfigurasi
sistem yang kemudian ditampilkan berurutan menurut net-present- NPC (atau
disebut juga life cycle costs). Homer juga akan mengulangi simulasi untuk setiap
30 BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Metodolgi Penelitian
1. Studi literatur, berupa studi kepustakaan, studi internet, serta kajian-kajian
dari buku-buku dan tulisan yang berhubungan dengan penelitian ini.
2. Survey lapangan, berupa peninjauan kelokasi dan diskusi dengan
pihak-pihak terkait.
3. Pengambilan data seluruh data dari hasil penghunian dilapangan yang
akan dianalisa serta dilampirkan pada penulisan karya tulis ini.
4. Diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing mengenai isi
penelitian serta masalah-masalah yang timbul selama penulisan karya tulis
ini.
3.2 Alat Penelitian
Untuk menganalisa data dari hasil penelitian ini dengan menggunakan
laptop dan menggunakan Software HOMER untuk mensimulasikannya.
3.3 Bahan Penelitian
a. Data primer disini merupakan tahapan pengumpulan data secara
langsung tanpa melalui perantara. Pada penelitian ini juga dilakukan
secara langsung dan terjun ke lokasi secara mandiri sehingga diperoleh
data yang lebih maksimal. Data-data tersebut antara lain data
pemakaian listrik, dan data perhitunga beban listrik. Perhitungan beban
listrik sangat diperlukan untuk mengetahui beban yang telah digunakan
dan beban yang diperlukan.
b. Data sekunder merupakan sumber data penelitian yang di peroleh
31 biasanya diambil dari dokumen-dokumen yang berkaitan, yang
memiliki kumpulan data tertulis ataupun dengan mengakses secara
online dari situs yang memuat gambaran mengenai analisa potensi
kotoran sapi sebagai biogas atau juga sekiranya memberikan informasi
yang signifikan pada penelitian yang dilakuakan.
3.4 Lokasi Penelitian
Lokasi untuk penelitan sendiri terletak di kawasan Pantai Baru,
Srandakan, Kabupaten Bantul, Provinsi Daerah Istimewa Yogyakarta yang
terletak dikawasan pesisir selatan Daerah Istimewa Yogyakarta.
Gambar 3.1 Peta Lokasi Pantai Baru, Srandakan, Kabupaten Bantul, Provinsi
Daerah Istimewa Yogyakarta
Tempat ini adalah kawasan yang memiliki potensi untuk digunakan
nsebagai lokasi pembangunan dan pengembangan biogas, selain itu di
tempat ini terdapat sistem Pembangkit Listrik Tenaga Hibrida dan Panel
Surya atau Photovoltaic (PV).
Namun hingga saaat ini pemanfaatan energi biogas belum
32 masak memasak dan belum dimanfaatkan sebagai Pembangkit Listrik
Tenaga Bio Gass.
3.5 Tahapan Persiapan
Pada tahapan ini dilakukan pengumpulan data awal sekaligus
proses pendekatan dengan objek penelitian serta mempersiapkan refrensi
pendukung penelitian seperti program-program yang akan digunakan
untuk menganalisis dan mensimulasikan sistem pembangkit tersebut.
3.6 Langkah-langkah Penyusunan Karya Tulis
33 Gambar 7 diatas menjelaskan tentang langkah-langkah penulisan yang
dilakukan. Untuk memberikan gambaran yang lebih jelas maka dibawah ini
diberikan penjelasan yang lebih menyeluruh dari setiap langkah-langkah
penulisan karya tulis :
Berikut Penjelasan langkah-langkahnya :
a. Studi Pendahuluan
Studi Pendahuluan adalah tahapan awal atau Tahapan observasi
dan pengumpulan data dalam metodelogi penulisan. Pada tahapan ini
dilakukan observasi ke objek penelitian sekaligus mengetahui informasi
awal mengenai lingkungan di sekitar energi Bio Gass, di Pantai Baru,
Sanden, Bantul.
b. Identifikasi dan Perumusan Masalah
Setelah dilakukan studi pendahuluan, permasalahan pada area
lokasi dapat di identifikasi. Kemudian penyebab permasalahan dapat
ditelusuri lebih lanjut. Dalam menelusuri akar penyebab dari permasalahan
dilalui melalui pengamatan secara langsung di lapangan dan melakukan
wawancara agar diperoleh data yang lengkap.
Dalam tugas akhir ini, permasalahan yang diangkat menjadi topik
adalah mengetahui banyaknya Energi Bio Gass yang dapat dimanfaatkan
sebagai pembangkit listrik.
c. Studi Pustaka
Studi pustaka dilakukan untuk mencari informasi-informasi tentang
teori, metode dan konsep yang relevan dengan permasalahan. Sehingga
dengan informasi yang diperoleh dapat digunakan sebagai acuan maupun
pertimbangan dalam penyelesaian masalah. Studi pustaka dilakukan
dengan mencari informasi dan refrensi dalam bentuk text book, internet
34 d. Pengumpulan Data
Tahapan pengumpulan data dan observasi. Pada tahapan ini ini
dilakukan observasi ke objek penelitian sekaligus proses pengumpulan
data secara lengkap termasuk melakukan proses pengukuran dan
pengamatan, yang diperlukan untuk analisis dan pembahasan nantinya.
Metode ini dilakukan dengan melihat langsung atau melakukan monitoring
terhadap kejadian di lokasi Pantai Baru, Bantul. Kemudian hasil
pengamatan dicatat dalam bentuk catatan, foto, sketsa dan lain-lain.
e. Pengolahan Data
Setelah data terkumpul maka langkah selanjutnya adalah tahapan
pengolahan data. Data yang ada dipilih dan dipilah sesuai dengan
kebutuhan analisis. Pada pengolahan data ini dilakukan menggunakan
software HOMER mensimulasikan pembangkit listrik yang kemudian
akan di dapat suatu data-data yang akan di analisis.
f. Analisis Data
Dari simulasi akan di dapatkan suatu hasil yang nantinya akan di
analisis lebih rinci. Seperti pada HOMER akan dianalisis konfigurasi
terbaik sistem dan kemudian memperkirakan biaya instalasi dan operasi
sistem selama masa operasinya(life time coast) seperti biaya awal, biaya
penggantian komponen-komponen, biaya O&M, biaya bahan bakar, dan
laian-lain.
Setelah itu dilakukan tahap pembahasan. Pada tahapan ini
dilakukan pembahasan dari analisis dan pengolahan data yang telah
dilakukan. Sehingga pada tahapan ini akan dihasilkan suatu simpulan data
yang akan membuktikan bahwa berhasil atau tidaknya hipotesis yang
35 g. Tahapan Pembuatan Laporan
Setelah melakukan pengolahan data maka langkah berikutnya
36
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
4.1 Perhitungan Potensi biogas di kawasan peternakann Pantai Baru
Bantul Yogyakarta.
Dalam perhitungan suatu pembangkit listrik tenaga biogas dari kototran
sapi diperlukan lokasi peternakan untuk mendapatkan model dasar pembangkit
tersebut. Dalam perhitungan tersebut digunakan model di kawasan peternakan
sapi Pantai Baru Bantul Yogyakarta.
4.1.1 Kondisi Peternakan Sapi Pantai Baru Bantul Yogyakarta
Dalam penelitian ini diambil studi kasus di peternakan sapi dusun
Ngenthak, Poncosari, Srandakan, Bantul Yogyakarta yang diresmikan pada tahun
1995 yang bermula dari keinginan para peternak sapi untuk membangun suatu
kawasan peternakan sapi.
Pada awal peresmian kawasan tersebut jumlah sapi terdapat 600 ekor yang
terdiri dari jenis limosin, metal dan pu. Namun jumlah sapi tersebut semakin
berkurang hingga saat ini tinggal 200 ekor dikarenakan dijual oleh pemilik sapi
tersebut.
4.1.2 Potensi Pembentukan Bahan Baku Biogas di Peternakan Sapi Pantai
Baru Bantul Yogyakarta
Pada saat ini jumlah ekor sapi yang terdapat di kawasan peternakan sapi
pantai baru terdapat 200 ekor dengan biogas yang dihasilkan hanya untuk
kebutuhan memasak saja di wisata kuliner pantai baru. Berdasarkan hasil riset
sebelumnya yang tertera pada tabel 4.1 secara sederhana dapat dihitung potensi
37
Kambing/domba 1,13 26 0,040-0,059
Ayam 0,18 28 0,065-0,116
Itik 0,34 38 0,065-0,116
Babi 7 9 0,040-0,059
Manusia 0,25-0,4 23 0,020-0,028
Sumber : Kalle, G.P. & Menon;K.K.G United Nations (1984)
Menghitung Potensi Energi Listrik dari Biogas Kotoran Sapi
Dengan jumlah sapi 200 ekor yang berada dipeternakan Pantai Baru
dengan rata-rata produksi kotoran tiap harinya 25 kg/hari maka produksi total
keseluruhan kotorannya adalah :
200 x 25 = 5.000 kg /hari
Kandungan bahan kering dri kotoran sapi adalah 20%, maka kandungan
bahan kering total per hari adalah :
5.000 x 20% = 1.000 kg
Potensi biogas yang dihasilkan dari kotoran sapi dalam sehari adalah :
1.000 x 0,023 = 23 m3/hari
23 x 365 = 8.395 m3/tahun
Dengan masa jenis biogas 1,15 kg/m3 maka biogas yang dihasilkan dalam
kilo gram adalah :
1,15 x 23 = 26,45 kg/hari
38
26,45 x (25x20%) = 132,25 kg.biogas/kg.bahan kering
Konversi 1 m3 biogas sama dengan 11,72 kWh/hari, potensi energi listrik
yang diperoleh dari biogas kotoran sapi dalam setahun adalah :
11,72 x 360 x 23 = 97041, 6 kWh/tahun
Daya listrik = , = , �
4.2 Data Beban
Data beban di peroleh dari survei yang telah dilakukan kewilayah PLTH
dan didapat bahwa beban utama harian disini berupa beban untuk konsumsi
masyarakat nelayan di kawasan wisata pantai baru. Sebagian besar beban
digunakan untuk penerangan, peralatan listrik yang ada di warung kuliner dan
kantor pengelola PLTH. Selain itu juga energi listrik yang dihasilkan
dimanfaatkan untuk menghidupkan jet pump maupun untuk produksi es bagi
warga yang mayoritas berpencarian sebagai nelayan. Berikut adalah penggunaan
energi listrik dikawasan wisata Pantai Baru dapat dilihat pada tabel 4.2 berikut.
Tabel 4.2 Data Beban Pantai baru
39
optimal. Berikut adalah tabel data konsumsi beban yang didapat dari memasukkan
