PERANCANGAN MODEL OPTIMASI
KESEIMBANGAN ENERGI NETO
BIODIESEL KELAPA SAWIT
JAIZULUDDIN MAHMUD
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi berjudul Perancangan Model Optimasi Keseimbangan Energi Neto Biodiesel 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 disertasi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, Agustus 2015
Jaizuluddin Mahmud
RINGKASAN
JAIZULUDDIN MAHMUD. Perancangan Model Optimasi Keseimbangan Energi Neto Biodiesel Kelapa Sawit. Dibimbing oleh MARIMIN, ERLIZA HAMBALI, YANDRA ARKEMAN, dan AGUS RUSYANA HOETMAN.
Keseimbangan energi neto (net energy balance / NEB) adalah indikator
penting dalam mengembangkan industri biodiesel yang berkelanjutan. Indikator ini digunakan untuk menilai seberapa besar penggunaan energi fosil di industri untuk menghasilkan 1 kg biodiesel. Seiring dengan tuntutan masyarakat dan dunia internasional agar industri biodiesel tumbuh dalam kerangka berkelanjutan, industri biodiesel Indonesia perlu melakukan optimasi keseimbangan energi neto. Optimasi dilakukan dengan jalan mengurangi semaksimal mungkin penggunaan energi fosil pada seluruh unit proses produksi.
Penilaian tingkat optimasi industri dalam melakukan perbaikan kinerja keseimbangan energi neto menghadapi beberapa permasalahan, antara lain belum tersedianya suatu sistem yang bisa membantu stakeholders dalam melakukan pengukuran, baik kondisi eksisting maupun optimum dan cara untuk mencapainya. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan model optimasi keseimbangan energi neto industri biodiesel berbahan baku kelapa sawit.
Penelitian menggunakan pendekatan sistem yang didukung oleh metode pemodelan matematika, algoritma genetika, dan technology foresight. Ruang
lingkup penelitian meliputi seluruh unit proses dalam rantai nilai produksi biodiesel, yakni budi daya kelapa sawit, pengolahan kelapa sawit, pemurnian minyak sawit, dan pembuatan biodiesel. Unit energi yang dipertimbangkan adalah energi atau material yang membutuhkan bahan bakar fosil untuk memproduksinya. Lokasi penelitian di salah satu perusahaan produsen biodiesel yang terletak di pulau Sumatera.
Model keseimbangan energi neto untuk kondisi eksisting perusahaan, dipengaruhi oleh 5 unit energi, yaitu metanol, pupuk, katalis, listrik, dan BBM. Perhitungan menghasilkan nilai rasio energi rasio 6.06. Model keseimbangan energi neto untuk kondisi optimum dipengaruhi oleh 5 variabel, yaitu metanol, pupuk, katalis, listrik dan diesel. Implementasi model menggunakan algoritma genetika dengan pemrograman Matlab, menghasilkan nilai rasio energi neto optimum sebesar 6.18, mengalami kenaikan 1.98% dari kondisi eksisting.
Perbaikan kinerja industri pada keseimbangan energi neto dilakukan dengan inovasi teknologi. Pemilihan teknologi prioritas dilakukan dengan metoda
foresight yang melibatkan beberapa pakar. Penerapan teknik analisis skenario
menghasilkan 5 pilihan inovasi teknologi yang dianggap penting untuk dikembangkan di masa akan datang, 1 topik pengurangan produksi metanol, 1 topik pengurangan penggunaan pupuk unorganik, dan 3 topik pengurangan penggunaan listrik dari grid PLN. Pemilihan teknologi prioritas ditentukan oleh potensi perbaikan kinerja yang dimiliki masing-masing topik, dan kesiapan investasi untuk merealisasikan topik tersebut.
mampu mengindetifikasi perbaikan yang perlu dilakukan industri untuk mengoptimalkan kinerja keseimbangan energi neto, sebagai bagian dari peningkatan tingkat keberlanjutan pembangunan industri biodiesel Indonesia. Model dan hasil yang diperlihatkan dapat berimplikasi pada proses evaluasi dan penyusunan program kebijakan pengembangan industri biodiesel di dalam negeri, pada proses perencanaan perbaikan kinerja perusahaan dan industri, dan pada pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi terutama dalam bidang sistem industri dan bidang bioenergi.
Kata kunci: algoritma genetika, biodiesel, foresight, keseimbangan energi neto,
SUMMARY
JAIZULUDDIN MAHMUD. The Design of Net Energy Balance Optimization Model for Palm Oil Biodiesel. Supervised by MARIMIN, ERLIZA HAMBALI, YANDRA ARKEMAN, and AGUS RUSYANA HOETMAN.
The net energy balance is an important indicator in developing a sustainable biodiesel industry. This indicator is used to asses fossil energy use in industry to produce 1 kg of biodiesel. In response to the demands of society and the international in order to biodiesel industry grow in a sustainable framework, Indonesian biodiesel industry needs to optimize the net energy balance. Optimization conducted by reducing the use of fossil energy as much as possible in all units of the production process.
Assessment of the industry performance optimization in improving the net energy balance, face several problems, include unavailability of a system that could help stakeholders in performing the measurement, both existing as well as optimum condition, and how to achive the best performance. This study aims to get the net energy balance optimization model of palm oil biodiesel industry in Indonesia.
This study uses a systems approach that was supported by mathematical modeling methods, genetic algorithms, and technology foresight. The scope of the research includes all unit processes in the value chain of biodiesel production, the cultivation, palm oil processing, palm oil refining, and the manufacture of biodiesel. Units of energy are cosidered, energy or materials that require diesel fuel to produce them. Research location in one of the manufacturers of biodiesel are located on the island of Sumatera.
The net energy balance model for the existing condition of the company, are influenced by the 5 units of energy, namely metanol, fertilizers, catalysts, electricity, and fuel. Calculation generated energy ratio value 6.06. Implementation of the model using genetic algorithms with Matlab programming, generated net energy ratio optimum value for 6.18, increased 1.98% from existing condition.
Industry performance improvement in the net energy balance indicator, was conducted with technological innovation. Selection of priority technology innovation was performed by foresight methods with involving several experts. The implementation of scenario analysistechniques generated 5 options of important technological innovations are considered to be developed in the future, 1 topic of energy reduction in the production of ethanol, 1 topic reduced use of inorganic fertilizers, and 3 topics of the reduced use of electricity from th grid PLN. The choice of technology priorities determined by the potential performance improvement of each topic, and the investment readiness to realize the topic.
implications for the evaluation process and the preparation of biodiesel industry development policy program in Indonesia. The model also can be use in the company’s performance improvement planning process. This study can enrich the information, the development of science and technology, particularlt in the fields of industrial systems and bioenergy.
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2015
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
Disertasi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor
pada
Program Studi Teknologi Industri Pertanian
PERANCANGAN MODEL OPTIMASI
KESEIMBANGAN ENERGI NETO
BIODIESEL KELAPA SAWIT
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR 2015
Penguji pada Ujian Tertutup: 1. Dr Ir Agus Nurrohim, MSc
2. Prof Dr Ir Armansyah Halomoan Tambunan Penguji pada Sidang Promosi:
1. Dr Ir Agus Nurrohim, MSc
PRAKATA
Alhamdulillah, puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan.
Penelitian ini memiliki tema pemodelan sistem dengan judul Perancangan Model Optimasi Keseimbangan Energi Neto Biodiesel Kelapa Sawit.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Prof Dr Ir Marimin, Prof Dr Ir Erliza Hambali, Dr Ir Yandra Arkeman, dan Dr Ir Agus Rusyana Hoetman, selaku pembimbing telah banyak memberi arahan saran dan motifasi selama penelitian ini berlangsung. Terima kasih penulis ucapkan juga kepada Dr Agus Nurrohim dan Prof Dr Ir Armansyah H Tambunan selaku penguji luar tertutup, telah memberikan evaluasi untuk meningkatkan kualitas hasil penelitian ini. Terima kasih penulis pula haturkan kepada Dr Tatang Taufik dan Dr Derry dari Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi yang telah memberikan kesempatan dan dukungan kepada penulis untuk melakukan studi S3. Tidak lupa ucapan terimakasih kepada Program Beasiswa Kemenristek yang telah memberikan beasiswa. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada Prof Dr Ir Machfud selaku ketua program studi TIP IPB beserta jajarannya, Pengelola Sekolah Pascasarjana IPB, teman-teman mahasiswa pasca sarjana angkatan 2010 TIP IPB, teman-teman di SBRC IPB, dan semua pihak yang tidak bisa saya tulis namanya satu per satu di sini. Terakhir, segala penghargaan terhadap kaya ilmiah ini penulis dedikasikan kepada ibu, istri dan anak-anak serta seluruh kerabat keluarga. Semoga segala amalannya dibalas pahala berlipat ganda oleh Allah
subhanahu wa ta’ala.
Bogor, Agustus 2015
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL xvii
DAFTAR GAMBAR xvii
DAFTAR LAMPIRAN xviii
DAFTAR ISTILAH xix
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang 1
Perumusan Masalah 3
Tujuan Penelitian 3
Manfaat Penelitian 4
Ruang Lingkup Penelitian 4
Kebaruan Penelitian 5
2 TINJAUAN PUSTAKA
Prinsip-prinsip Dasar Biodiesel Kelapa Sawit 6
Keseimbangan Energi Neto Biodiesel 10
Perancangan dan Pemodelan Sistem Optimasi 11
3 METODOLOGI PENELITIAN
Kerangka Pemikiran 18
Pendekatan Penelitian 20
Pengumpulan Data 23
Pemodelan Sistem 25
Algoritma Genetika 26
Analisis Skenario 27
Pelaksanaan Kegiatan 29
4 ANALISIS SITUASIONAL
Biodiesel Sebagai Energi Alternatif 30
Industri Biodiesel Kelapa Sawit Indonesia 32
Kinerja Keseimbangan Energi Neto Industri Biodiesel 32
Inovasi Teknologi Industri Bioenergi 33
Profil Perusahaan 34
5 RANCANGAN MODEL OPTIMASI KESEIMBANGAN ENERGI NETO PRODUKSI MINYAK SAWIT
Model Keseimbangan Energi Neto Produksi CPO 40 Model Optimasi Keseimbangan Energi Neto Produksi CPO 44 Rancangan Implementasi Model Optimasi Produksi CPO 50
6 RANCANGAN MODEL OPTIMASI KESEIMBANGAN ENERGI NETO PRODUKSI BIODIESEL
Model Keseimbangan Energi Neto Produksi Biodiesel 54 Model Optimasi Keseimbangan Energi Neto Produksi Biodiesel 66 Rancangan Implementasi Model Optimasi Produksi Biodiesel 71 Implementasi Model Optimasi Produksi Biodiesel 73
7 PEMBAHASAN UMUM
Kinerja Keberlanjutan Perusahaan 75
Inovasi Teknologi dan Perbaikan Kinerja 76
Implikasi Manajerial 79
SIMPULAN DAN SARAN 80
Simpulan 80
Saran 81
DAFTAR PUSTAKA 82
DAFTAR TABEL
1 Jenis tanaman dan tingkat produktivitasnya 7
2 Posisi Penelitian 11
3 Data sekunder yang dikumpulkan 23
4 Data primer yang dikumpulkan 24
5 Intesitas energi yang digunakan dalam penelitian 26 6 Perkiraan konsumsi bahan bakar nabati dunia (%) 31 7 Nilai NER hasil penelitian keseimbangan energi neto 33 8 Rekapitulasi data input dan output pabrik biodiesel 35 9 Rekapitulasi data input dan output pabrik pemurnian (Ton) 36
10 Rekapitulasi data input output pabrik CPO 38
11 Rekapitulasi data input output perkebunan 39
12 Komposisi penggunaan pupuk 41
13 Komposisi unsur pupuk dalam produk samping CPO 43
14 Energi input dan output dalam produksi CPO 49
15 Energi dalam produksi CPO 49
16 Pemanfaatan limbah pabrik untuk optimasi NEB 53 17 Energi input sistem keseimbangan energi neto budi daya kelapa sawit 56 18 Energi input sistem keseimbangan energi neto pengolahan kelapa sawit 58 19 Energi input sistem keseimbangan energi neto pemurnian minyak sawit 60 20 Energi input sistem keseimbangan energi neto pembuatan biodiesel 62
21 Struktur keseimbangan energi neto eksisting 64
22 Komposisi produksi limbah pabrik kelapa sawit 71
23 Komposisi komponen sistem kondisi optimum 74
24 Urutan topik inovasi teknologi berdasarkan persentase rasio energi neto 77 25 Urutan topik inovasi teknologi berdasarkan besaran relatif investasi 78
DAFTAR GAMBAR
1 Transesterifikasi Trigliserida dengan Alkohol 6 2 Proses pembuatan minyak kelapa sawit (Hambali 2007) 8 3 Diagram alir proses pembuatan biodiesel metode transesterifikasi
(Hambali 2007) 9
4 Pengertian sistem (Marimin 2007) 12
5 Tahapan pendekatan sistem (Eriyatno 1998) 14
6 Foresight dan penentuan kebijakan (Volkery and Ribiero 2009) 17
7 Pengembangan sistem keseimbangan energi neto 18
8 Kerangka pemikiran penelitian 19
9 Konsep model optimasi keseimbangan energi neto 20 10 Rantai nilai penuh keseimbangan energi neto biodiesel 22 11 Proses algoritma genetika optimasi keseimbangan energi neto
12 Lokasi penelitian 29
13 Kecenderungan pasokan energi dunia 30
14 Tahapan budi daya kelapa sawit 41
15 Tahapan pengolahan kelapa sawit 42
16 Tahapan pengolahan kelapa sawit 45
17 Komposisi nilai variabel untuk optimasi NEB 53
18 Nilai fitness terbaik optimasi NEB 53
19 Keseimbangan energi budi daya kelapa sawit 55
20 Keseimbangan energi pengolahan kelapa sawit 57
21 Keseimbangan energi neto pemurnian minyak sawit 59 22 Keseimbangan energi neto pembuatan biodiesel 61 23 Keseimbangan energi neto produksi biodiesel kelapa sawit 63
24 Komposisi energi berdasarkan unit proses 65
25 Komposisi unit energi produksi biodiesel 65
26 Komposisi penggunaan non BBM per unit energi 66 27 Optimasi keseimbangan energi neto produksi biodiesel 67
28 Grafik nilai NER optimum 73
29 Komposisi komponen sistem optimasi 74
DAFTAR LAMPIRAN
1 Program algoritma genetika model optimasi keseimbangan energi neto
produksi CPO 889
2 Implementasi model optimasi keseimbangan energi neto produksi CPO
dengan Matlab 890
3 Hasil iterasi model optimasi keseimbangan energi neto produksi CPO 91 4 Program algoritma genetika model optimasi keseimbangan energi neto
produksi biodiesel 923
5 Implementasi model optimasi keseimbangan energi neto produksi
biodiesel dengan Matlab 945
6 Hasil iterasi model optimasi keseimbangan energi neto produksi
biodiesel 956
7 Kuesioner analisis skenario 978
DAFTAR ISTILAH
Bahan bakar yang bersumber dari fosil yang mengandung hidrokarbon, antara lain minyak bumi, gas, dan batubara
Energi terbarukan yang bersumber dari minyak nabati, antara lain biodiesel, bioetanol, dan bio-oil
Bahan bakar minyak nabati yang dihasilkan
melalui melalui proses transesterifikasi, esterifikasi, atau proses esterifikasi-transesterifikasi
Jumlah biodiesel dalam campuran biosolar Minyak mentah yang diperoleh dari hasil ekstraksi daging buah (Mesocarp) kelapa sawit Energi Baru Terbarukan dan Konservasi Energi Produk samping pembuatan CPO berupa tandan kosong kelapa sawit (TKKS)
Energi dan Sumber Daya Mineral Badan makanan dan pertanian PBB Pupuk tanaman sawit
Asam lemak bebas
Tandan buah segar (TBS) yang dihasilkan perkebunan kelapa sawit
Pendekatan untuk melihat jauh kedepan Suatu konsep pembangunan bioenergi berkelanjutan
Teknik pencarian yang bekerja meniru proses evolusi struktur genetik makhluk hidup Suatu kebijakan pemerintah Indonesia yang terkait langsung dengan peningkatan daya saing minyak sawit di pasar dunia dan masalah lingkungan.
Senyawa kimia yang digunakan untuk mempercepat reaksi pembuatan biodiesel
Life Cycle Analysis
Serat sawit
Senyawa kimia jenis alkohol yang dicampurkan dengan minyak sawit menghasilkan biodiesel Master Plan Pengembangan dan Perluasan Pembangunan Ekonomi Indonesia
Rasio energi neto (Net energi neto di industri (biodiesel) melalui perbandingan antara energi yang dihasilkan (biodiesel) dengan energi yang digunakan (BBM solar)
Limbah cair hasil dari pabrik pengolahan kelapa sawit (LCPKS)
Refined Bleached Deodorized Palm Oil
Bahan baku biodiesel hasil pemurnian CPO Asosiasi yang terdiri dari berbagai organisasi di sektor industri kelapa sawit (perkebunan, pengolahan, investor, akademisi, dan LSM lingkungan)
Metoda foresight yang mempertimbangkan
berbagai kemungkinan terjadi akan datang Sekumpulan kegiatan dalam satu tahapan proses produksi biodiesel
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Keseimbangan energi neto (Net Energy Balance/NEB) merupakan indikator
penting dalam keberlanjutan industri bioenergi, termasuk biodiesel (Buchholz et al. 2009; Markevicius et al. 2010 ). Indikator ini mengukur tingkat penggunaan
energi fosil dalam memproduksi biodiesel . Penggunaan energi yang dimaksud umumnya merujuk pada energi bahan bakar minyak, gas dan batubara (Pradhan et al. 2008). Industri biodiesel sulit menghindari energi fosil karena
ketergantungannya pada produk atau material yang diproduksi dari industri lain, seperti pupuk, metanol, dan diesel untuk transportasi ( De Souza et al. 2010; Fore et al. 2011). Dalam kerangka pembangunan berkelanjutan, penggunaan energi di
industri ini diharapkan sedapat mungkin dikurangi, atau dijaga jangan sampai melebihi dari energi yang dihasilkan, dengan kata lain industri perlu melakukan optimasi keseimbangan energi neto yang berkesinambungan.
Sebagai negara penghasil minyak sawit terbesar di dunia (MP3EI 2011), industri biodiesel dalam negeri senantiasa menjaga aspek keberlanjutan dalam meningkatkan daya saingnya. Indonesia aktif dalam Roundtable for Sustainable Palm Oil (RSPO) dan menindaklanjutinya dalam suatu kebijakan Indonesian Sustainable Palm Oil (ISPO). Indonesia juga berpartisipasi dalam the Global Bioenergy Partnership (GBEP) yang dikembangkan oleh FAO (Prastowo 2012). Walaupun masih sebagai negara peninjau, Indonesia telah mencoba implementasikan pedoman GBEP dalam mengevaluasi tingkat keberlanjutan industri biodiesel dalam negeri (Reeves 2012).
Indonesia telah melakukan upaya yang sungguh-sungguh dalam membangun industri biodiesel yang berkelanjutan, namun upaya tersebut tidak serta merta mengurangi sorotan dunia dan tekanan internasional terhadap perkembangan industri biodiesel di tanah air. Berbagai isu telah muncul dalam 10 tahun terakhir ini, termasuk masalah EPANODA tahun 2012, disusul pemboikotan produk kelapa sawit Indonesia oleh Amerika. Isu ini muncul didasarkan pada asumsi dan metode perhitungan mereka sendiri yang oleh beberapa pakar dipandang mengandung kekeliruan (Agus dan Sarwani 2012). Tantangan industri berikutnya adalah datang dari Instruksi Presiden (Inpres) No. 10/2011 yang terkait dengan penundaan penerbitan izin pembukaan lahan baru kelapa sawit. Kebijakan ini merupakan bagian dari kerja sama Indonesia dengan Pemerintah Kerajaan Norwegia yang kemudian dipertanyakan efektifitasnya terhadap penurunan emisi gas rumah-kaca (Brockhaus et al. 2012).
Banyaknya isu yang menerpa industri biodiesel Indonesia merupakan tantangan bagi bangsa Indonesia untuk mengembangkan industri biodiesel yang berkelanjutan. Berbagai isu yang berkembang selama ini tentu tidak sepenuhnya benar, banyak yang perlu diluruskan (Tan et al. 2009; Syaukat 2010). Pemerintah,
sawit nasional untuk optimasi produksi sawit yang efektif, efisien dan berkelanjutan (Muchtadi dan Sa’id 2010). Khusus perguruan tinggi, perannya perlu ditingkatkan, perlu kajian yang sesuai dengan kondisi di Indonesia, perlu menyampaikan fakta-fakta yang benar mengenai pembangunan industri kelapa sawit di Indonesia (Widjaja dan Bangun 2010). Penyampaian kondisi real industri ini harus ditopang oleh analisis dan metodologi yang tepat, dapat dipahami dunia internasional, dan merujuk pada konsep dan indikator keberlanjutan seperti yang dikenal dalam GBEP.
Saat ini Indonesia memiliki 23 perusahaan produsen biodiesel dengan total kapasitas 4.28 juta kl, meningkat tajam dari tahun 2006 yang hanya menghasilkan 215 ribu kl (Tjakrawan 2012). Berdasarkan data APROBI (asosiasi produsen biofuel Indonesia), produksi biodiesel Indonesia tahun 2011 mencapai 1.3 juta MT, sebagian besarnya ditujukan untuk ekspor. Walaupun jumlah produksi biodiesel dalam negeri masih sangat kecil dibanding dengan kapasitas yang ada, namun dalam 20 tahun mendatang produksi biodiesel Indonesia diperkirakan meningkat pesat sekitar 13% pertahun atau mendekati 60 juta kl tahun 2030 (BPPT 2013). Tahun 2030, konsumsi biodiesel diperkirakan 15% dari total konsumsi energi nasional. Kondisi tersebut merupakan peluang yang baik bagi industri biodiesel dalam negeri untuk berkembang dan berdaya saing di masa akan datang.
Besarnya permintaan biodiesel memunculkan masalah tersendiri bagi realisasi kebijakan pengurangan penggunaan BBM di industri. Sebagaimana industri pada umumnya, industri biodiesel beserta industri penunjangnya, juga menggunakan BBM dalam proses produksinya. Hal ini berarti setiap peningkatan produksi biodiesel akan disusul peningkatan konsumsi BBM. Kondisi ini tampak kontraproduktif dengan posisi biodiesel sebagai energi altenatif, jenis energi untuk menggantikan peran BBM, khususnya diesel atau yang dikenal dimasyarakat dengan istilah solar. Industri biodiesel diharapkan mampu melakukan optimasi keseimbangan energi neto yang berkesinambungan. Industri ini tidak hanya diharapkan mampu meningkatkan produktivitasnya, tetapi juga mampu menekan seminimum mungkin penggunaan energi fosil dalam setiap unit prosesnya.
Penelitian yang terkait dengan optimasi keseimbangan energi neto umumnya menghitung kondisi eksisting, kondisi nyata industri dalam waktu tertentu. Menemukan keseimbangan energi neto dalam kondisi optimum bisa didapatkan dengan membangun sistem secara uji coba (trial and error).
Pendekatan lainnya adalah dengan membangun model secara parsial. Beberapa penelitian keseimbangan energi neto pendekatan parsial telah mencoba merekomendasikan dan menyarankan perlunya optimasi pada bagian-bagian tertentu di unit proses produksi biodiesel (Kamahara et al. 2011; Plenjai dan
Gheewala 2009). Pendekatan lain yang belum pernah ditemukan dalam penelitian keseimbangan energi neto biodiesel adalah pendekatan sistem, pendekatan yang melihat permasalahan secara menyeluruh (holistic). Pendekatan ini dapat lebih
Perumusan Masalah
Permasalahan utama yang dihadapi dalam optimasi keseimbangan energi neto adalah belum tersedianya suatu sistem yang bisa membantu stakeholders dalam menghitung nilai optimum keseimbangan energi neto yang bisa dicapai oleh suatu rantai proses produksi biodiesel. Jadi ada tiga pertanyaan yang perlu dijawab dalam penelitian ini, antara lain adalah sebagai berikut:
a. Bagaimana metode perhitungan keseimbangan energi neto eksisting? Metode perhitungan keseimbangan energi neto masih bervariasi, beberapa penelitian tentang keseimbangan energi neto sudah dilakukan namun umumnya berbeda satu sama lain terutama dalam hal metodologi dan ruang lingkup..
b. Bagaimana cara menemukan nilai keseimbangan energi neto yang optimum?
Variabel dan parameter yang harus dipertimbangkan dalam menilai keseimbangan energi neto, beragam sifat dan jenisnya, dan luas cakupannya, sehingga mencari nilai optimum keseimbangan energi neto suatu industri relatif lebih kompleks.
c. Bagaimana cara mencapai nilai keseimbangan energi neto optimum tersebut dan komponen apa saja yang berpengaruh?
Tujuan Penelitian
Tujuan utama penelitian ini adalah mendapatkan model optimasi keseimbangan energi neto industri biodiesel berbahan baku kelapa sawit. Adapun tujuan antaranya adalah:
a. Membangun model perhitungan keseimbangan energi neto industri biodiesel kelapa sawit
b. Merancang model optimasi keseimbangan energi neto industri biodiesel kelapa sawit
c. Merancang implementasi model optimasi keseimbangan energi neto industri biodiesel kelapa sawit
d. Melakukan verifikasi dan validasi model optimasi keseimbangan energi neto industri biodiesel kelapa sawit
e. Menyusun rekomendasi optimasi keseimbangan energi neto industri biodiesel kelapa sawit
Hasil yang diharapkan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
a. Teridentifikasinya model, sub model, komponen, dan pola hubungan antar komponen, dalam mencapai tujuan optimasi keseimbangan energi neto industri biodiesel kelapa sawit
b. Model optimasi keseimbangan energi neto industri biodiesel kelapa sawit yang telah divalidasi dan diverifikasi
Manfaat Penelitian
Model optimasi bioenergi berdasarkan keseimbangan energi neto ini diharapkan dapat bermanfaat bagi para pemangku kepentingan (stakeholders)
dalam melakukan penilaian keberlanjutan (sustainability) industri biodiesel dalam
negeri, khususnya yang berkaitan dengan penggunaan energi primer. Stakeholders dan manfaat yang diharapkan dari hasil penelitian ini adalah:
a. Pemerintah
Melalui lembaga yang terkait dengan pembangunan bioenergi di Indonesia, pemerintah dapat mempertimbangkan metode dan nilai yang dikeluarkan dari model ini dalam upaya menyusun kebijakan dan standar keberlanjutan suatu produk bioenergi di dalam negeri.
b. Industri
Perusahaan-perusahaan yang terkait dengan industri biodiesel Indonesia dapat menggunakan struktur dan komponen perhitungan yang ada dalam model ini sebagai pedoman atau rujukan dalam membangun sistem produksi bioenergi yang berkelanjutan.
c. Perguruan tinggi dan lembaga litbang
Model ini juga diharapkan dapat menambah wacana pengembangan ilmu pengetahuan terutama dalam bidang sistem industri dan bidang bioenergi.
Ruang Lingkup Penelitian
Berbicara tentang keseimbangan energi neto dan industri biodiesel bisa meluas karena banyaknya faktor yang berpengaruh. Untuk itu, penelitian ini perlu dibatasi dengan ruang lingkup sebagai berikut:
a. Industri biodiesel dalam penelitian ini dibatasi pada biodiesel berbahan baku kelapa sawit yang ada di Indonesia.
b. Pemodelan hanya mempertimbangkan aspek energi, tidak mempertimbangkan aspek ekonomi lainnya, lingkungan dan sosial.. c. Membangun model optimasi keseimbangan energi neto industri
biodiesel meliputi tahapan budi daya kelapa sawit, pengolahan kelapa sawit, pemurnian minyak sawit, dan pembuatan biodiesel.
d. Merancang implementasi model optimasi keseimbangan energi neto industri biodiesel menggunakan algoritma genetika.
e. Studi kasus dilakukan pada satu perusahaan yang memiliki rantai produksi yang lengkap.
Kebaruan Penelitian
Kebaruan penelitian ini adalah:
a. Perancangan model optimasi keseimbangan energi neto biodiesel kelapa sawit yang berkelanjutan, melalui pendekatan sistem, mengintegrasikan model matematika, algoritma genetika, dan teknology foresight.
b. Informasi tingkat optimasi keseimbangan energi neto yang dapat dicapai perusahaan dan industri biodiesel kelapa sawit, beserta cara untuk mencapainya, yakni dengan meminimasi penggunaan energi fosil dalam setiap material dan energi yang digunakan, dan memaksimasi penggunaan produk samping untuk mensubtitusi material dan energi tersebut.
2
TINJAUAN PUSTAKA
Prinsip-prinsip Dasar Biodiesel Kelapa Sawit
Secara kimia biodiesel didefinisikan sebagai monoalkil ester asam lemak berantai panjang yang berasal dari biolipids terbarukan (Demirbas 2008). Biodiesel biasanya dihasilkan melalui reaksi minyak nabati atau lemak hewan dengan metanol atau etanol dengan adanya katalis untuk menghasilkan ester metil atau etil (biodiesel) dan gliserin. Demirbas kemudian menggambarkan reaksi terbentuknya biodiesel seperti yang terlihat dalam Gambar 1.
Gambar 1 Transesterifikasi Trigliserida dengan Alkohol
Pada literatur lain dikatakan bahwa biodiesel adalah bioenergi atau bahan bakar nabati yang terbuat dari minyak nabati, baik minyak baru maupun bekas penggorengan dan melalui proses transesterifikasi, esterifikasi, atau proses esterifikasi-transesterifikasi (Hambali et al. 2007). Biodiesel adalah alternatif
terbaik pengganti bahan bakar diesel yang di Indonesia disebut minyak solar untuk mesin diesel. Nilai Kalor Atas (Higher Heating Values, HHVs) dari
biodiesel relatif tinggi. HHVs biodiesel (39 sd. 41 MJ/kg) sedikit lebih rendah dari bensin (46 MJ/kg), minyak solar (43 MJ/kg), atau minyak tanah (42 MJ/kg), tetapi lebih tinggi dari batubara (32 sd. 37 MJ/kg).
Hambali dan kawan-kawan selanjutnya menjelaskan beberapa kelebihan biodiesel dibanding minyak solar, yaitu:
a. Ramah lingkungan karena menghasilkan emisi yang jauh lebih baik (free sulfur, smoke number rendah)
b. Angka setana yang tinggi sehingga sangat baik dalam pembakaran c. Memiliki sifat pelumasan dan dapat terurai (biodegradable)
d. Bahan bakunya dari alam yang dapat diperaharui (renewable energy)
e. Bahan bakunya melimpah di dalam negeri
Kelapa sawit merupakan bahan baku biodiesel yang umum digunakan di Indonesia. Minyak sawit yang dihasilkan dari tanaman ini memiliki tingkat produktifitas paling tinggi diantara tanaman potensi lainnya, yaitu 5 950 liter Minyak/Ha/Thn (Tabel 1). Tanaman kelapa sawit juga dinilai paling siap dari sisi ketersediaan, industrinya sudah mapan dengan pengalaman pembudidayaan yang telah lebih dari seabad lamanya di tanah air. Saat ini, Indonesia dikenal sebagai negara produsen minyak kelapa sawit terbesar di dunia.
Tabel 1 Jenis tanaman dan tingkat produktivitasnya
Jenis
Biji kapas 325 Olive 1 212
Kacang kedelai 446 Jojoba 1 818
Wijen 696 Jatropha 1 892
Biji matahari 925 Brazil nut 2 392
Kacang tanah 1 059 Kelapa 2 689
Biji opium 1 163 Kelapa sawit 5 950
Sumber: Aun, 2006
Secara garis besar, minyak dari kelapa sawit dapat dibagi dua jenis, yaitu CPO (Crude Palm Oil) dan PKO (Palm Kernel Oil). CPO dihasilkan dari proses
pengepresan buah segar sawit, PKO dari proses pengepresan biji kernel sawit. CPO maupun PKO memiliki produk turunan beraneka macamnya yang diolah di berbagai industri. CPO menghasilkan karoten, tokoperol, olein, stearin, FFA (Free Fatty Acid), PFAD (palm fatty acid distillate), soap stocs dan produk lainnya.
Secara umum, CPO dapat menghasilkan 73% olein, 21% stearin, 5% PFAD (palm fatty acid distillate), dan 0.5% bahan lainnya. PFAD umumnya digunakan
oleh industri sebagai bahan baku sabun maupun makanan ternak. PFAD memiliki kandungan FFA (free fatty acid) sekitar 81.7%, gliserol 14.4%, squalane 0.8%,
vitamin E 0.5%, sterol 0.4%, dan lain-lain 2.2%. Produk-produk turunan CPO yang dapat digunakan sebagai bahan baku biodiesel diantaranya CPO, CPO low grade (kandungan FFA tinggi), PFAD, dan RBD olein. Sebelum diolah menjadi biodiesel, CPO membutuhkan proses pemurnian (degumming) yang bertujuan
Proses pengolahan minyak sawit terdiri atas sterilisasi, pemipilan, pengepresan dan penjernihan. Proses transformasi dari kelapa sawit menjadi CPO dan PKO diilustrasikan pada Gambar 2.
Gambar 2 Proses pembuatan minyak kelapa sawit (Hambali 2007)
Ada beberapa cara untuk membuat biodiesel dari minyak kelapa sawit, namun yang paling umum digunakan secara komersial adalah transesterifikasi. Transesterifikasi adalah reaksi trigeliserida pada minyak dan lemak, dengan alkohol untuk membentuk ester dan gliserol. Untuk menambah laju reaksinya, campuran trigliserida dengan alkohol tersebut ditambahkan dengan katalis.
Dewasa ini, proses produksi biodiesel mengacu pada reaksi transesterifikasi trigliserida dengan metanol untuk mendapatkan alkil metil ester dan gliserin. Pada dasarnya, bentuk alkohol yang lain seperti ethanol bisa dipergunakan dalam proses transesterifikasi. Namun, penggunaan metanol memiliki keunggulan karena hasil reaksinya yang berupa fatty acid methyl ester (FAME) yang dikenal sebagai
Sterilisasi
Pengepresan
Pemecahan biji Depricarping
Penjernihan
Pengepresan Pemipilan
Sludge
Uap panas
Minyak pada Konsentrat
Tandan Kosong (TKKS)
Cangkang Serat
Tandan Buah Segar (TBS)
Minyak Inti Sawit (PKO) Minyak Sawit
(CPO)
TBS Steril
biodiesel, dan gliserol, sangat sukar untuk tercampur sehingga akan membentuk dua lapisan yaitu biodiesel di bagian atas dan gliserin di bagian bawah. Dengan demikian, akan mempermudah proses pemisahan biodiesel dari produk samping gliserin. Selain itu, metanol bisa diperoleh dengan harga lebih murah daripada ethanol sehingga lebih menguntungkan dari sisi komersial.
Metode transesterifikasi bisa menghasilkan biodiesel hingga rendemen sampai 95% dari bahan baku minyak nabati. Metode transesterifikasi diilustrasikan pada Gambar 3.
Gambar 3 Diagram alir proses pembuatan biodiesel metode transesterifikasi (Hambali 2007)
Metode ini pada dasarnya terdiri atas 4 tahapan, yaitu:
a. Pencampuran katalis alkalin (umumnya NaOH atau KOH) dengan alkohol (metanol atau ethanol) pada konsentrasi katalis antara 0.5 dan 1 wt% dan 10 – 20 wt% metanol terhadap massa minyak.
b. Pencampuran antara alkohol dan katalis dengan minyak pada temperatur 55oC dengan kecepatan pengadukan konstan. Reaksi dilakukan sekitar 30 – 45 menit.
c. Setelah reaksi terhenti, campuran didiamkan hingga terjadi pemisahan antara metil ester dan gliserol. Metil ester yang dihasilkan pada tahap ini sering disebut sebagai crude biodiesel, karena metil ester yang
dihasilkan mengandung zat-zat pengotor, seperti sisa metanol, sisa katalis alkalin, gliserol, dan sabun.
Transesterifikasi
Biodiesel Sludge
Refined Gliserol
Pencampuran Pemanasan
Separasi
Purifikasi
Methanol
Purifikasi
Recovery Methanol Bahan Baku (kadar
FFA < 5%)
NaOH
d. Metil ester yang dihasilkan pada tahap ke tiga dicuci menggunakan air hangat untuk memisahkan zat-zat pengotor dan kemudian dilajutkan dengan drying untuk menguapkan air yang terkandung dalam biodiesel. Proses pemurnian bahan (purifikasi) dilakukan pada awal dan akhir reaksi (esterifikasi dan transesterifikasi). Pada tahap awal reaksi, pemurnian dilakukan terhadap minyak kelapa sawit, sedangkan tahap akhir untuk biodiesel kasar. Bahan baku yang digunakan biodiesel adalah minyak kelapa sawit murni. Proses pemurniannya dilakukan dengan tahapan sebagai berikut:
a. Proses degumming, yaitu menghilangkan gum yang terkandung dalam
minyak kelapa sawit yang mengandung FFA < 5% dengan menambahkan larutan H3PO4 85%.
b. Proses filtering, yaitu menyaring bentonit dan gum yang terserap dalam
bentonit tersebut beserta kotoran-kotoran lainnya agar diperoleh minyak kelapa sawit dengan kandungan FFA <5% serta kadar fosfor <20%. c. Proses deodorization, yaitu proses penghilangan FFA atau asam lemak
bebas yang menimbulkan bau (odor) pada minyak kelapa sawit dengan proses steam stripping dan sistem vacuum.
Proses pemurnian lainnya dilakukan setelah reaksi transesterifikasi antara minyak kelapa sawit dan alkohol dan katalis yang menghasilkan crude biodiesel.
Hasil reaksi ini berupa metil ester yang masih mengandung zat-zat pengotor, seperti sisa metanol, sisa katalis alkalin, gliserol, dan sabun. Untuk menjadikannya biodiesel yang lebih murni, dilakukan purifikasi sebagai berikut:
a. Proses washing, yaitu proses pencucian biodiesel agar bebas dari
metanol yang tersisa, gliserol, maupun katalis. Hasilnya diperoleh fase atas berupa biodiesel yang siap untuk proses drying dan fase bawah berupa larutan metanol yang siap untuk proses distalasi.
b. Proses drying, yaitu proses pengeringan biodiesel dengan sistem vacuum
untuk menghilangkan air yang terkandung dalam biodiesel hingga kadar airnya menjadi <0.04 w/o.
c. Proses filtering, yaitu proses penyaringan biodiesel dengan fine filter
hingga diperoleh kadar kotoran <0.01 w/o.
d. Proses distallation, yaitu proses pemurnian larutan metanol 60% sisa reaksi dan washing menjadi produk atas berupa metanol 95% dan hasil bawah berupa crude glycerine.
Keseimbangan Energi Neto Biodiesel
Berbagai penelitian telah mencoba merumuskan suatu definisi tentang keseimbangan energi neto bidoiesel ( Yee et al. 2009; Pleanjai dan Gheewala
2009; Kamahara et al. 2011; Queiroz et al. 2012). Akan tetapi, defenisi yang
indikator keberlanjutan bagi industri bioenergi dari GBEP-FAO. Walaupun posisi indikator ini masuk dalam pilar ekonomi namun analisisnya tidak dalam perpektif bisnis. Indikator ini banyak terkait dengan indikator GBEP lainnya seperti gas rumah kaca pada pilar lingkungan.
Penelitian perancangan model optimasi keseimbangan energi neto biodiesel kelapa sawit merupakan pengembangan dari penelitian keseimbangan energi neto sebelumnya (Tabel 2). Penelitian keseimbangan energi neto teridentifikasi sejak tahun 2006 oleh Yussof dan kawan-kawan yang menghitung keseimbangan energi neto di perusahaan produsen biodiesel. Perhitungan keseimbangan energi neto meliputi banyak variabel dan cakupan yang luas sehingga diskusi tentang model perhitungan kondisi eksisting perusahaan sampai sekarang masih didiskusikan. Tahun 2010, Kamahara dan kawan-kawan melakukan penelitian keseimbangan energi neto di Indonesia dengan memodelkan sistem eksisting ke dalam bentuk matematika. Akan tetapi saran dan rekomendasi perbaikan kinerja keseimbangan energi neto perusahaan dilakukan atas perhitungan parsial, mengambil bagian-bagian tertentu unit energi pada unit proses tertentu. Pendekatan perbaikan kinerja secara parsial dan try and error dilanjutkan pada penelitian-penelitian berikutnya.
Penelitian ini menggunakan pendekatan sistem, pendekatan yang melihat permasalahan secara satu kesatuan sistem (holistic), tidak parsial atau try and
Sistem
Menurut Turban (2005), sistem merupakan kumpulan objek seperti orang, sumber daya, konsep, dan prosedur yang dimaksudkan untuk melakukan suatu fungsi yang dapat diidentifikasi atau untuk melayani suatu tujuan. Secara sederhana, Turban membagi sistem dalam tiga bagian, yaitu input, proses, dan output. Input adalah elemen yang masuk ke dalam sistem, proses adalah elemen yang diperlukan untuk mengonversi atau mentransformasi input ke dalam output, sedangkan output adalah produk finis atau konsekuensi yang ada pada sistem. Bagian-bagian ini dikelilingi oleh sebuah lingkungan dan sering melibatkan sebuah mekanisme umpan balik.
Berkaitan dengan kinerja sistem, Turban menjelaskan ada dua ukuran kinerja utama, yaitu efektivitas dan efisiensi. Efektivitas adalah tingkat pencapaian tujuan, sedangkan efisiensi adalah ukuran pemakaian input untuk mencapai output. Untuk sistem pendukung manajemen, karakteristik sistem lebih ditekankan pada efektivitas dibandingkan dengan efisiensi.
Pada kenyataannya, beberapa sistem tidak memperlihatkan karakteristik yang sederhana, ada yang memiliki struktur yang unik, hubungan antar elemen yang kompleks, dan berdampak luas pada masyarakat atau lingkungan hidup sekitarnya. Menurut Wasson (2006), sistem yang sangat kompleks memerlukan rekayasa sistem (System Engineering) dalam analisis, desain, dan pengembangan
sistem. Rekayasa sistem adalah aplikasi multidisiplin analisis, matematika, dan dasar-dasar ilmu pengetahuan dalam merumuskan, memilih, dan mengembangkan suatu penyelesaian yang mengandung resiko yang bisa diterima, memberikan kenyamanan menjalankan bagi penggunanya, dan mengurangi biaya daur hidup (life cycle) dan pengembangannya sambil menyeimbangkan kepentingan para
stakeholder.
Marimin (2007) menjelaskan bahwa sistem adalah suatu kesatuan usaha yang terdiri atas bagian-bagian yang berkaitan satu sama lain yang berusaha mencapai suatu tujuan dalam suatu lingkungan yang kompleks. Pengertian ini memberikan gambaran bahwa sistem sebagai suatu gugus dari elemen-elemen yang saling berinteraksi secara teratur dalam rangka mencapai tujuan atau sub tujuan. Definisi ini diilustrasikan dalam Gambar 4.
Gambar 4 Pengertian sistem (Marimin 2007)
Elemen
Permasalahan manajemen dapat dikelolah melalui pendekatan sistem. Menurut Eriyatno (1998), pendekatan sistem terdiri atas beberapa tahapan proses, meliputi analisis, rekayasa model, implementasi rancangan, implementasi dan operasi sistem tersebut. Pola hubungan tahapan proses pendekatan sistem ditunjukkan pada Gambar 5. Dengan pendekatan sistem maka faktor-faktor yang mempengaruhi perilaku dan keberhasilan suatu organisasi atau sistem bisa diidentifikasi (Marimin dan Maghfiroh 2010). Pendekatan sistem mempermudah dalam menganalisis, mengidentifikasi dan mengembangkan suatu sistem menjadi sistem yang baru.
Model
Model merupakan representasi atau abstraksi sederhana dari realitas (Turban 2005). Hal ini diperlukan karena realitas terlalu kompleks untuk digambarkan secara tepat. Turban kemudian mengklasifikasi model berdasarkan pada tingkat abstraksi ke dalam tiga tingkatan, yaitu dari yang terendah adalah model ikonik, kemudian analog, dan matematika. Model matematika atau model kuantitatif lainnya menggambarkan sistem riil secara matematik dalam bentuk numerik, model ini lebih abstrak dari dua model sebelumnya, lebih kompleks sistemnya, memungkinkan analisis terhadap sejumlah solusi yang bisa sangat besar, dan terkadang tak terbatas.
Model matematik dapat berbentuk preskriptif atau normatif yang membantu dalam menentukan pilihan terbaik dari semua alternatif yang mungkin. Untuk menemukan alternatif terbaik, semua alternatif harus diuji dan membuktikan bahwa alternatif yang dipilih adalah benar-benar terbaik. Proses ini menjadi dasar optimalisasi.
Optimasi
Dalam istilah operasional, optimasi dapat dicapai dalam salah satu dari ketiga cara berikut:
a. Dapatkan tingkat yang terbaik dari pencapaian tujuan dari sekumpulan sumber daya yang ditentukan.
b. Temukan alternatif dengan rasio tertinggi dari pencapaian tujuan dengan biaya atau maksimalkan produktivitas.
c. Temukan alternatif dengan biaya yang paling rendah (atau sumber daya yang jumlahnya paling kecil)
Gambar 5 Tahapan pendekatan sistem (Eriyatno 1998) KEBUTUHAN
ANALISA SISTEM
LENGKAP?
GUGUS SOLUSI YANG LAYAK
PERMODELAN SISTEM
CUKUP?
MODEL ABSTRAK OPTIMAL
RANCANG BANGUN IMPLEMENTASI
Ya
Ya
CUKUP?
SPESIFIKASI SISTEM DETAIL
IMPLEMENTASI
SESUAI?
SISTEM OPERASIONAL
OPERASI
SESUAI? Ya
Ya
Ya Tidak
Verifikasi dan Validasi
Salah satu bagian penting dalam pemodelan adalah verifikasi dan validasi model. Verifikasi adalah proses pemeriksaan apakah logika operasional model (program komputer) sesuai dengan logika diagram alur. Sementara validasi adalah proses penentuan apakah model, sebagai konseptualisasi atau abstraksi, merupakan representasi berarti dan akurat dari sistem nyata.
Validasi dan verifikasi model dapat dibagi dalam tiga tahap, yaitu validitas konsep model (conceptual model validity), verifikasi model komputer
(computerized model verification), validitas operasi (operational validity) dan
validitas data (data validity). Berbagai teknik validasi dan verifikasi yang dikenal
umum, antara lain yaitu comparison to other model, degenerate test, face validation, fixed values, historical data validation (Sargent 1998). Untuk
konseptual model, jika hasil yang ditemukan dapat diperoleh dari berbagai model lain yang telah valid, teknik perbandingan model tepat digunakan. Verifikasi komputer bisa menggunakan teknik bottom-up dan top-down testing.
Intelligent System
Sistem cerdas (intelligent system) adalah salah satu cabang ilmu komputer
yang berkembang pesat. Pada beberapa literatur lain sistem cerdas diistilahkan Intelligent Desicion Support System (IDSS) atau Intelligent Business System (IBS) karena kemampuannya membantu para manajer dalam mengambil keputusan yang lebih cepat dan akurat. Teknik-teknik sistem cerdas yang telah berkembang penggunaannya dan dikenal luas adalah sebagai berikut (Arkeman et al. 2012):
a. Sistem pakar (expert system);
b. Logika fuzzy;
c. Jaringan syaraf tiruan; dan d. Algoritma genetika.
Sistem pakar adlah sistem perangkat lunak komputer yang menggunakan ilmu, fakta, dan teknik berfikir dalam pengambilan keputusan untuk menyelesaikan masalah-masalah yang biasanya hanya dapat diselesaikan oleh tenaga ahli dalam bidang yang bersangkutan. Dalam bidang manajemen, sistem pakar dapat diaplikasikan untuk melakukan analisis berupa interpretasi dan diagnostik. Sistem ini juga dapat melakukan sintesa seperti penarikan tenaga kerja, strategi penentuan harga atau strategi pengembangan produk. Selain itu sistem ini dapat melakukan integrasi, misalnya memprediksi perkembangan nilai saham pada bursa efek. Pengembangan sistem pakar digunakan untuk mempermudah kerja tenaga ahli atau bahkan mengganti tenaga ahli.
Untuk lingkungan yang tidak pasti dan tidak tepat, logika fuzzy menjadi
pilihan yang tepat. Sistem ini menduga suatu fungsi dengan logika fuzzy, menduga
numerik secara terstruktur dan dinamis (Marimin 2005). Logika fuzzy adalah
sebuah metodologi berhitung dengan variabel kata-kata (linguistik variable) sebagai pengganti berhitung bilangan. Logika fuzzy sudah banyak diterapkan pada
Jaringan saraf tiruan (artificial neural network) dibuat untuk meniru
jaringan syaraf otak manusia (neuron) yang terdiri atas jutaan sel neuron yang bertugas menerima rangsang dan mengolahnya menjadi sebuah informasi serta pengetahuan. Metoda ini mampu melakukan proses pembelajaran dengan menggunakan contoh. Jaringan saraf tiruan banyak di aplikasikan di industri seperti sistem kemudi di industri otomotif dan pesawat. Kemampuannya yang sangat baik dalam mengenal dan membaca pola menjadikan metoda ini berkembang pesat seperti dalam bisnis dan manajemen.
Pencarian optimasi secara efektif menggunakan algoritma genetika. Teknik optimasi (berbasis komputer) ini meniru proses evolusi makhluk hidup. Prosesnya didasarkan pada seleksi alam, mengunakan prinsip-prinsip genetika dan teori evolusi. Algoritma Genetika (Genetic Algorithms) adalah suatu teknik
pencarian (searching technique) dan teknik optimasi yang cara kerjanya meniru
proses evolusi dan perubahan struktur genetik pada makhluk hidup (Arkeman et al. 2012). Selanjutanya, Arkeman menjelaskan bahwa algoritma genetika mulai
bekerja pada calon-calon solusi yang dikodekan terlebih dahulu (encoding) ke
dalam bentuk kromoson. Sebuah kromoson terdiri atas unit-unit terkecil yang disebut dengan gen. Sebuah gen menggambarkan sebuah unit informasi yang terkandung dalam sebuah ruang pencarian (search space). Kumpulan dari
kromoson-kromoson membentuk sebuah komunitas yang dinamakan populasi. Algoritma genetika bekerja dengan mengukur seberapa baik sebuah kromoson dapat menyelesaikan suatu masalah. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan fungsi fitness, yaitu fungsi tujuan dari masalah yang hendak
diselesaikan. Jika masalahnya adalah masalah maksimasi, fungsi fitnessnya sama atau berbanding lurus dengan fungsi tujuan. Namun jika masalahnya adalah masalah minimasi, fungsi fitnessnya berbanding terbalik dengan fungsi tujuan.
Seleksi merupakan salah satu operasi untuk memastikan bahwa jumlah perwakilan dari sebuah kromoson yang diterima pada generasi selanjutnya akan bergantung pada nilai fitnessnya yang dibandingkan dengan nilai fitness rata-rata dari populasi yang ada. Kromoson-kromoson yang memiliki nilai fitness yang sangat baik akan memiliki peluang yang lebih besar untuk terpilih menjadi kromoson induk (parents) dan tetap bertahan pada generasi berikutnya menjadi
kromoson anak (offspring). Technology Foresight
Technology foresight adalah salah satu pendekatan yang berkembang dewasa
ini seiring dengan semakin banyaknya faktor-faktor tak pasti yang berpengaruh terhadap organisasi atau wilayah. Pendekatan ini dapat membantu pengambil kebijakan dalam menentukan gambaran yang lebih akurat tentang keadaan suatu masa yang akan datang, sehingga mereka sudah mengetahui pada awalnya konsekuensi dari keputusan/kebijakan yang akan diambil.
Ron Johnston (1998) mengidentifikasi paling tidak ada 8 kegunaan
technology foresight bagi penentu kebijakan, yaitu: 1. National Direction Setting
2. Priority Setting
5. Technology Assessment 6. Industry Sector Planning
7. Strategic Planning for an Organisation
8. Technology Application Analysis.
Metodologi yang dikenal dalam foresight bisa bermacam-macam, antara lain: 1. Extrapolation
2. Delphi survey 3. Consultation 4. Scenario writing 5. Patent analysis 6. Critical technologies
Scenario planning termasuk metoda yang perkembangan penggunaannya
begitu cepat dan meluas. Metoda yang biasa juga disebut scenario analysis,
pendekatannya lebih terfokus dibandingkan dengan metoda lain di atas dalam menyusun skenario masa depan dan mengkaji implikasinya
Sebagai alat manajemen, scenario analysis (analisis skenario) merupakan
tahap awal dalam urutan pembuatan suatu keputusan (Volkery and Ribiero 2009). Untuk keputusan jangka panjang, hasilnya dapat berupa kebijakan (policy) seperti
sebuah rencana strategis (strategic planning) (Gambar 6).
Gambar 6 Foresight dan penentuan kebijakan (Volkery and Ribiero 2009) Foresight hadir dalam kondisi dimana banyak variabel yang tidak dapat
dipastikan perkembangannya (critical uncertainties). Pendekatan ini digunakan
karena hasil penerapan metoda konvensional yang umumnya mengandalkan data historis, bisa menyimpang jauh dari keadaan sebenarnya.
Scenario analysis, adalah salah satu metoda yang dikenal dalam foresight,
harus dilihat dalam konteks suatu perencanaan trategis, demikian pula bahwa perencanaan seharusnya merupakan pembelajaran masa depan untuk meyakinkan organisasi mengambil tindakan yang tepat agar berhasil di masa akan datang. Skenario yang dihasilkan dalam proses scenario planning bukanlah tujuan akhir,
tetapi yang lebih penting adalah bagaimana skenario yang dihasilkan tersebut membuat penentu kebijakan bereaksi. Dalam penyusunan renstra, skenario yang diharapkan mampu menimbulkan reaksi para pengambil kebijakan untuk menentukan visi yang kemudian mendasari penyusunan misi, strategis, dan program-programnya.
Analisis skenario (foresight)
Perencanaan
3
METODOLOGI PENELITIAN
Kerangka Pemikiran
Penelitian ini menggunakan pendekatan sistem dalam mengelolah permasalahan optimasi keseimbangan energi neto industri biodiesel kelapa sawit. Sistem meliputi keseimbangan energi neto di semua unit proses produksi biodiesel kelapa sawit, terdiri atas 4 unit, yaitu:
1. budi daya kelapa sawit,
2. pengolahan kelapa sawit (CPO mill),
3. pemurnian minyak sawit (refinery) dan
4. pembuatan biodiesel.
Sistem kondisi eksisting ini kemudian dikembangkan menjadi sistem optimasi keseimbangan energi neto biodiesel kelapa sawit. Sistem optimasi ini kemudian dilengkapi dengan rekomendasi perbaikan kinerja sistem keseimbangan energi neto produksi biodiesel kelapa sawit (Gambar 7).
Sistem Optimasi Keseimbangan Energi Neto Sistem perbaikan kinerja keseimbangan energi neto
produksi biodiesel kelapa sawit
Gambar 7 Pengembangan sistem keseimbangan energi neto
Seluruh tahapan kegiatan dalam pendekatan sistem didukung oleh beberapa metode tertentu. Analisis sistem sebagai kegiatan awal dari pendekatan sistem didukung oleh studi literatur, penelitian lapangan, pengolahan & analisis data. Perancangan model menggunakan mathematical model. Implementasi model
menggunakan genetic algorithm dan foresight. Verifikasi dan validasi rancangan
model menggunakan comparison to other model, internal consistency checks, dan dynamic testing.
Pengolahan data ini menghasilkan nilai keseimbangan energi neto kondisi eksisting, model optimasi keseimbangan energi neto, nilai keseimbangan energi neto optimum, dan rumusan rekomendasi pengembangan inovasi teknologi dalam kerangka perbaikan kinerja keseimbangan energi neto produksi biodiesel kelapa sawit dalam negeri. Kerangka pemikiran dengan pendekatan sistem dalam merancang model optimasi biodiesel kelapa sawit disajikan pada Gambar 8.
Gambar 8 Kerangka pemikiran penelitian energi neto industri biodiesel kelapa sawit
Nilai NEB eksisting Model optimasi NEB Nilai NEB optimasi
Pendekatan Penelitian
Penelitian ini menggunakan pendekatan sistem yang dimulai dengan kegiatan analisis sistem hingga implementasi model. Secara umum, sistem optimasi keseimbangan energi neto (NEB) yang merupakan pengembangan dari sistem sebelumnya, terdiri atas 3 tahap, yakni tahap pertama analisis sistem keseimbangan energi neto eksisting yang menghasilkan nilai rasio energi neto (NER) eksisting, tahap ke dua adalah identifikasi dan pengembangan sistem optimasi keseimbangan energi neto yang menghasilkan NER optimum, dan tahap terakhir adalah identifikasi teknologi untuk perbaikan kinerja keseimbangan energi neto yang menghasilkan rekomendasi perbaikan kinerja industri. Pengembangan sistem dari sistem sebelumnya dilakukan dengan pemodelan sistem yang terdiri atas pemodelan keseimbangan energi neto eksisting, pemodelan optimasi keseimbangan energi neto, perancangan implementasi model, implementasi model, dan peningkatan kinerja industri (Gambar 9).
Gambar 9 Konsep model optimasi keseimbangan energi neto
Perhitungan keseimbangan energi neto eksisting menggunakan microsoft excel, implementasi optimasi keseimbangan energi neto menggunakan metoda
algoritma genetika GA (genetic algorithm), dan perumusan perbaikan
keseimbangan energi neto didukung scenario analysis, metoda foresight yang
cukup baik perkembangannya akhir-akhir ini. Variabel input model terdiri dari input tak terkontrol yaitu energi input dan output sistem eksisting, dan input terkontrol yakni variabel-variabel berpengaruh terhadap optimasi keseimbangan energi neto sistem.
Sistem optimasi keseimbangan energi biodiesel kelapa sawit
Pemodelan sistem dilakukan dengan menggunakan model matematika. Model menghasilkan nilai keseimbangan energi neto yang optimum, sebuah variabel hasil yang direpresentasikan oleh rasio energi neto (NER). Model optimasi keseimbangan energi neto dipengaruhi oleh variabel-variabel keputusan, yaitu variabel yang menentukan tingkat optimasi sistem produksi biodiesel. Selain itu, model juga dipengaruhi oleh variabel-variabel kendala yang membatasi sistem. Hubungan antar variabel hasil, variabel keputusan, dan variabel kendala, membentuk suatu fungsi tujuan. Fungsi ini digunakan untuk mengevaluasi model dalam menemukan nilai terbaik NER. Identifikasi variabel–variabel berpengaruh tersebut merupakan bagian dari pengembangan model optimasi dari model sebelumnya, yakni model perhitungan keseimbangan energi neto eksisting.
Implementasi model didahului dengan perancangan yang meliputi perumusan fungsi fitness dan penentuan nilai operator algoritma genetika.
Implementasi model menggunakan pemrograman Matlab. Fungsi fitness dan komponen operator tersebut dimasukkan ke dalam aplikasi Matlab yang kemudian dijalankan untuk mendapatkan nilai optimum dan komposisi terbaik variabel model. Model di operasikan sebanyak mungkin sampai menemukan nilai terbaik dan tertinggi.
Validasi model dilakukan dengan membandingkan model yang dihasilkan dengan model lain yang sudah melalui validasi dan verifikasi. Model lain ini diambil dari berbagai hasil penelitian yang telah dilaporkan dalam jurnal ilmiah. Validasi lainnya dilakukan dengan face validation, yakni mendiskusikan dan
mengkonfirmasi kebenaran model kepada pakar yang dikenal ahli dalam kesisteman atau teknologi bioenergi. Pakar yang dimaksud berasal dari Ikatan Ahli Bioenergi Indonesia (IKABI), Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT), dan dari sekelompok pakar yang hadir dalam suatu konferensi internasional dimana hasil penelitian ini dipresentasikan.
Verifikasi dilakukan terrhadap pemograman komputer yang digunakan dalam menjalankan uji coba model optimasi keseimbangan energi neto. Verifikasi ini dilakukan untuk memastikan bahwa rancangan program dan prosedur yang dikembangkan adalah tepat. Verifikasi dilakukan per sub model, yakni sub model budi daya, pengolahan, pemurnian, dan pembuatan biodiesel. Teknik yang digunakan dalam verifikasi ini adalah kombinasi antara pengujian statis dan dinamis.
Pengumpulan Data
Berdasarkan sumbernya maka metode pengumpulan data penelitian ini dibagi dalam dua kelompok, yaitu data sekunder dan data primer. Data Sekunder adalah data yang diperoleh dari berbagai sumber yang telah ada seperti buku, laporan dan jurnal. Data ini tersedia di perusahaan, kantor pemerintah, dan perguruan tinggi. Data sekunder berkaitan dengan kondisi nasional industri dan inovasi yang pernah terjadi di industri biodiesel. Data primer adalah data yang diperoleh secara langsung dari sumbernya. Metodenya antara lain observasi lapangan, wawancara, dan pengiriman kuesioner. Data ini terdiri atas data energi input, energi output, dan teknologi proses produksi. Data sekunder dan data primer yang diperlukan dalam penelitian ini ditunjukkan dalam Tabel 3 dan Tabel 4.
Tabel 3 Data sekunder yang dikumpulkan
Jenis Data Deskripsi data Sumber data
Kondisi industri
biosolar nasional Meliputi data kebutuhan biosolar nasional (liter/thn) untuk sektor transportasi dan industri, peta penyebaran industri, dokumen
biodiesel nasional Meliputi data kebutuhan biodiesel nasional dan internasional (liter/thn), kebutuhan ekspor (liter/thn), tujuan ekspor, produksi nasional (liter/thn), kapasitas produksi nasional (liter/thn), pertumbuhan produksi (% per tahun), peta penyebaran industri.
Dirjen EBTKE, BPS,
Meliputi data kebutuhan nasional minyak sawit (liter/thn), kebutuhan ekspor (liter/thn), produksi nasional (liter/thn), kapasitas produksi nasional (liter/thn), pertumbuhan produksi (% per tahun), peta penyebaran produsen CPO dalam negeri,
kelapa sawit nasional Meliputi data kebutuhan TBS nasional (ton/thn), produksi nasional (ton/thn), kapasitas produksi nasional (ton/thn),
Inovasi teknologi Perkembangan mutakhir penelitian biodiesel yang terkait dengan NEB, data konversi satuan energi, data hasil penelitian.
Pemodelan Sistem
Sistem yang telah diidentifikasi, dimodelkan dalam bentuk persamaan matematika dengan metode-metode perhitungan yang dikenal dalam keseimbangan energi neto. Keseimbangan energi neto secara tidak langsung mengacu pada hukum termodinamika, yakni pada hukum kekekalan energi yang berbunyi “Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain tapi tidak bisa diciptakan ataupun
dimusnahkan (konversi energi)". Jika E1 adalah energi pada keadaan awal dan E2
energi pada keadaan akhir, maka selisih energi atau delta energi DE mengikuti persamaan:
DE = E2 – E1
Keseimbangan energi neto berbicara energi khusus yang dalam penelitian ini energi merujuk pada energi fosil. Oleh karena itu, energi input tidak mempertimbangkan energi yang tidak menggunakan energi fosil. Energi output hanya memperhitungkan bentuk energi yang dapat dimanfaatkan. Dengan demikian, persamaan keseimbangan energi neto dapat didefinisikan sebagai selisih antara energi output dengan energi input , atau direpresentasikan oleh nilai rasio energi
neto NER yaitu perbandingan antara dengan .
NEB = Eout – Ein NER = Eout / Ein
Dalam penelitian ini energi input merujuk pada energi fosil, antara lain BBM, batubara, dan gas, baik langsung maupun tidak langsung atau melekat pada material inputan industri (embeded energy). Energi output merujuk pada energi yang
terkandung dalam 1 kg biodiesel . Setiap unit energi, baik input maupun output, merupakan jumlah dari seluruh individu atau kelompok energi dan material yang masuk atau keluar dari setiap unit proses. Jadi, setiap energi mewakili satu unit proses
i dan unit energi j
∑ ∑
∑ ∑
Setiap variabel berpengaruh diasumsikan diproduksi dengan menggunakan energi fosil dengan nilai intensitas energi tertentu ( ) yang diambil dari berbagai referensi (Tabel 5). Untuk memudahkan perhitungan maka nilai energi setiap variabel merefer ke nilai massa biodiesel PME (Palm Methyl Ester), yakni Kilogram
Tabel 5 Intesitas energi yang digunakan dalam penelitian
Item Nilai Satuan Referensi
Pupuk
Nitrogen (N) 48.90 MJ/kg Patyk et.al (2003) Potassium (K2O) 5.00 MJ/kg FEES (1991) Phosphate (P2O5) 5.70 MJ/kg Whells (2001) Magnesium (MgO) 5.00 MJ/kg FEES (1991) Boron (B) 215.00 MJ/kg Boswell et.al. (1985) Listrik dari grid* 3.60 MJ/kWh BBPT - KFA (1993)
Diesel 37.42 MJ/L BBPT - KFA (1993)
Batubara**
Metanol 23.93 37.60 MJ/kg MJ/kg BBPT - KFA (1993) de Souza et al. (2010) Katalis (NaOH) 18.25 MJ/kg de Souza et al. (2010) Biodiesel (PME) 37.13 MJ/kg de Souza et al. (2010) Gliserol 18.05 MJ/kg Neto et al. (2004) Kernel 18.90 MJ/kg Shuit et al. (2009)
TKKS 17.90 MJ/kg Prasertsan dan Sajjakulnukit (2006) Serat 17.60 MJ/kg Prasertsan dan Sajjakulnukit (2006) Cangkang 18.50 MJ/kg Prasertsan dan Sajjakulnukit (2006) LCPKS (biogas) 204.00 MJ/m3 Chin et al. (2013)
*) Listrik yang bersumber dari PLN dengan nilai konversi listrik secara nasional **) Batubara sebagai bahan bakar energi fosil untuk pembangkit listrik
Algoritma Genetika
Model optimasi keseimbangan energi neto yang telah diformulasikan pada bagian pemodelan sistem, diimplementasikan dengan metoda algoritma genetika. Penggunaan metoda ini didukung oleh fasilitas pemrograman Matlab.
Proses implementasinya model optimasi adalah sebagai berikut:
a. Merumuskan fungsi fitness yang dikembangkan dari fungsi tujuan model optimasi
b. Menyusun matriks dan vektor yang dikembangkan dari fungsi kendala model optimasi
c. Menentukan batas bawah dan batas atas dari setiap variabel dalam fungsi fitnes
d. Menentukan nilai populasi awal, peluang pindah silang, dan mutasi algoritma genetika
e. Menjalankan Matlab untuk menemukan nilai terbaik dan komposisi variabel yang mendukungnya
Secara umum proses penerapan metoda algoritma genetika menggunakan Matlab disajikan pada Gambar 11.
Gambar 11 Proses algoritma genetika optimasi keseimbangan energi neto menggunakan Matlab
Analisis Skenario
Pada prakteknya, penerapan metoda technology foresight ini senantiasa
melibatkan seluruh pihak yang terkait (stakeholders) untuk mendiskusikan
kemungkinan-kemungkinan kejadian di masa datang. Proses analisis skenario dapat berbeda-beda, namun pada umumnya mengikuti suatu pola yang terstruktur, interaktif, dan imajinatif.
Berdasarkan uraian Johnston (1998), analisis skenario terdiri atas 10 tahapan kegiatan, antara lain sebagai berikut:
a. Identifikasi isu utama
Pada tahap awal ini tujuan atau topik scenario planning ditentukan dengan
terlebih dahulu mengidentifikasi isu utama atau keputusan yang hendak ditanggapi. Kemudian jangka waktu skenario dan partisipan yang terlibat dalam proses ini. Partisipan sangat berpengaruh dalam proses sehingga perlu memperhatikan tingkat pengetahuan, pengalaman, dan subyektifitas mereka terhadap topik skenario yang dibahas.
Populasi awal
Evaluasi
Seleksi
Pindah silang
Paket Solusi
Mutasi
Sesuai keinginan?
Tidak Ya
Model Optimasi NEB (Fungsi Tujuan, Fungsi Kendala)
Rancangan GA
