PERANCANGAN, PEMBUATAN, DAN PENGUJIAN PEMBANGKIT LISTRIK ENERGI BIOMASSA

ABSTRAK

PERANCANGAN, PEMBUATAN, DAN PENGUJIAN PEMBANGKIT LISTRIK ENERGI BIOMASSA

Oleh

RACHMAT CAHAYA PUTRA

Garis besar riset ini menerangkan rancang bangun berikut pengujian unit pembangkit listrik energi biomassa skala laboratorium, untuk mendorong pengadaan energi listrik di daerah terpencil dan kepulauan yang memanfaatkan energi terbarukan. Unit pembangkit tersebut dibangun atas gasifier downdraft imbert, unit pemurnian producer gas terintegrasi (IGCS) meliputi siklon, venturi scrubber tipe rectangular, dan perangkat baru yaitu rotary separator.

Eksperimen dilakukan dengan jenis biomassa sekam padi sebanyak 1,5 kg, flowrate udara gasifikasi sebesar 0,48; 0,5; 0,54, debit air scrubbing 1,26; 2,62; 3,33 l/min, dan kecepatan hisap exhaust fan rotary separator 0,9; 3,4; 4,4 m/s. Seluruh parameter saling diinteraksikan guna memproduksi producer gas yang bersih dari tar dan pengotor, serta bernilai kalor tinggi sebagai bahan bakar generator bensin.

Dari hasil eksperimen diketahui bahwa AFR gasifikasi maksimum saat ini hanya 0,54, masih terlampau jauh dari AFR terbaik gasifikasi sekam padi yaitu 1,5. Kemudian kandungan tar di producer gas ternyata masih relatif tinggi yaitu 3788,1 mg/m3. Setelah IGCS di-install, kandungan tar dapat diturunkan drastis hingga 210,45 mg/m3 pada debit air scrubbing 3,33 l/min dan kecepatan hisap rotary separator 4,4 m/s. Selain itu, daya listrik yang dibangkitkan saat ini masih dibawah 100 W, Maka dari itu instalasi perlu dimodifikasi ulang terutama di sektor penyuplai udara ke dalam reaktor.

ABSTRACT

DESIGNING, BUILDING, AND TESTING BIOMASS ENERGY POWER PLANT

By

RACHMAT CAHAYA PUTRA

The outline of this reseacrh describe about designing and testing laboratory-scale biomass energy power plant, to provide electricity in remote areas and islands which utilize renewable energy in accordance with the president decree No. 5/2006. The power plant is built with gasification reactor which designed based on Imbert downdraft gasifier, integrated gas cleaned up system (IGCS) include cyclones, venturi scrubbers rectangular type, and a new gas cleaner which called rotary separator.

Experiments carried out with the parameters of gasification systems AFR 0.48, 0.5, 0.54, scrubbing water flow 1.26, 2.62, 3.33 l/min, rotary separator suction speed about 0.9, 3.4, 4.4 m/s. Each of parameters was interacted to produce clean producer gas which free from tar and impurities, as well as a high calorific value as fuel gas generator.

The result of experiment and literature review shows that the current gasification AFR about 0.54 still far enough from ideal rice husk gasification AFR about 1.5. Eventhough, the remaining tar is still relatively high at 3788.1 mg/m3. After IGCS installed, the tar can be significantly reduced to 210.45 mg/m3, with the scrubbing water flow 3.33 l/min, and 4.4 m/s suction speed of rotary separator. In addition, the electric power generated is still below 100 W, so installation should be modified again, especially in the sector of air supply to the reactor.

PERANCANGAN, PEMBUATAN, DAN PENGUJIAN

PEMBANGKIT LISTRIK ENERGI BIOMASSA

(Skripsi) :

Oleh

RACHMAT CAHAYA PUTRA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS LAMPUNG

Judul Skripsi : PERANCANGAN, PEMBUATAN, DAN

PENGUJIAN PEMBANGKIT LISTRIK ENERGI BIOMASSA

Nama Mahasiswa : Rachmat Cahaya Putra Nomor Pokok Mahasiswa : 0715021073

Program Studi : Teknik Mesin S1

Fakultas : Teknik

MENYETUJUI

1. Komisi Pembimbing

Indra Mamad Gandidi, M.T. Harmen Burhanuddin, M.T. NIP. 197003071999031002 NIP. 196906202000031001

2. Ketua Jurusan Teknik Mesin

MENGESAHKAN

1. Penguji

Ketua : Indra Mamad Gandidi, M.T. ...

Sekretaris : Harmen Burhanuddin, M.T. ...

Penguji

Bukan Pembimbing : M. Dyan Susila, M.Eng. ...

2. Dekan Fakultas Teknik

Dr. Ir. Lusmeilia Afriani, DEA NIP. 196505101993032008

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di kota Manado provinsi Sulawesi Utara pada Tanggal 4 Januari 1990, sebagai anak pertama dari dua bersaudara, dengan orang tua Alm. Bapak Prio Sanyoto, HW dan Ibu Yetti Miranda. Jenjang pendidikan pertama yang dijalani penulis adalah Pendidikan Taman Kanak-Kanak (TK) di Islamic Centre Manado diselesaikan pada tahun 1995. Selanjutnya penulis duduk di bangku Sekolah Dasar Negeri 1 Perumnas Way Halim Bandar Lampung hingga tamat pada tahun 2001. Lulus dengan NEM terbesar di sekolah dasar tersebut, membuat penulis mengeyam pendidikan lanjut pertama di SMP Negeri 4 Bandar Lampung, akhirnya pada tahun 2004 penulis lulus dari SMP ternama di kota Bandar Lampung ini. Kemudian pada tahun 2004 penulis melanjutkan pendidikan di SMA favorit di Bandar Lampung yaitu SMA Negeri 1 Bandar Lampung, dan penulis lulus SMA pada tahun 2007. Selama menjalani pendidikan dari SMP hingga SMA, penulis aktif dalam organisasi intern sekolah. Penulis pernah menjabat sebagai Sekretaris Musyawarah Perwakilan Kelas (MPK) OSIS SMP Negeri 4 pada tahun 2002, dan menjadi Pengurus Kelompok Ilmiah Remaja SMA Negeri 1 pada tahun 2004-2005. Selama SMA, Penulis sempat membawa nama sekolah berkompetisi di kancah olimpiade Kimia Nasional hingga 25 besar seleksi tingkat kota.

men-2

jadi asisten mata kuliah Matematika Teknik I dan II, Perpindahan Panas I dan II, dan Heat Exchanger dari tahun 2009-2011. Kemudian menjadi asisten praktikum /instruktur Menggambar Mesin serta CAD dan Basis Data Teknik dari tahun 2009-2011. Semasa kuliah pada tahun 2010, penulis melakukan kerja praktik di PT. Dirgantara Indonesia (Persero) dengan subjek yang dikaji adalah pemro-graman proses pemesinan CNC Milling 3 Axis dengan CATIA V5. Setahun setelahnya pada tahun 2011, penulis ditunjuk menjadi asisten praktikum Proses Produksi bagian Pemrograman NC.

Mulai Tahun 2010 penulis aktif menggeluti kegiatan penelitian dosen ataupun mahasiswa, dimana sepanjang kuliah penulis telah mengikuti dan menyelesaikan sembilan judul penelitian. Prestasi penulis dalam penelitian mahasiswa nasional yaitu, penulis diberikan penghargaan sebanyak dua kali dari Direktur Jendral Pendidikan Tinggi Republik Indonesia (DIKTI) atas terpilihnya menjadi peserta nasional dalam ajang Pekan Ilmiah Mahasiswa (Pimnas XXIV) di Makassar pada tahun 2010, dan pada tahun 2011 sebagai peserta nasional dalam ajang Pekan Ilmiah Mahasiswa Nasional (PIMNAS XXV) di Yogyakarta. Penulis juga menerima penghargaan dari Gubernur Lampung atas keberhasilannya menjadi juara III Kategori Peneliti pada kegiatan Lomba Penelitian dan Pengembangan Teknologi Terapan Provinsi Lampung Tahun 2011, dan menerima penghargaan kembali dari Gubernur Lampung atas keikutsertaannya pada Lomba Cipta Inovasi Teknologi Terapan Provinsi Lampung Tahun 2012. Dalam bidang desain, penulis mendapat penghargaan/sertifikat dari Dekan Fakultas Teknik Unila atas kontribusi penulis menjadi instruktur pelatihan CAD di Jurusan Teknik Mesin selama 2009-2011.

DEDIKASI KARYA SEDERHANA INI TERBAGI MENJADI SEMBILAN UNTUK PAPA (ALM.PRIO SANYOTO, H.W)

UNTUK MAMA (YETTI MIRANDA),

UNTUK ADIKKU (RACHMAT WAHYU DWICAHYO) UNTUK KELUARGAKU,

UNTUK PARA DOSEN TEKNIK MESIN, UNTUK SEMUA SAHABAT DEKATKU, UNTUK ADIK-ADIK REKAN PENELITIAN,

UNTUK ALMAMATERKU, DAN UNTUKMU

ii SANWACANA

Assalamu’alaikum warahmatullohi wabarokatuh

Puji syukur penulis panjatkan kepada Alloh SWT, karena berkat karunia, rahmat dan hidayah yang diberikan kepada penulis sehingga skripsi ini dapat disele-saikan. Skripsi ini merupakan syarat untuk mencapai gelar Sarjana Teknik pada Jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung.

iii

serta hasil pembangkitan energi listrik disajikan secara terstruktur didalam skripsi ini sehingga para pembaca dapat memahaminya secara utuh dan mudah.

Pada kesempatan ini, penulis ingin sampaikan rasa terima kasihnya kepada :

1. Ibu Dr. Ir. Lusmeilia Afriani, DEA selaku Dekan Fakultas Teknik Unila; 2. Bapak Harmen Burhanuddin, M.T. selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin; 3. Bapak Indra Mamad Gandidi, M.T. yang telah memberikan banyak waktu,

tenaga, materi, komentar, saran, kritik, penghargaan dan bimbingan kepada penulis, mulai tahun 2010 sejak penulis aktif dalam kegiatan PKM dan PIMNAS hingga membimbing penulis menyelesaikan skripsi ini;

4. Bapak Harmen Burhanuddin, M.T. selaku pembimbing kedua yang telah banyak membantu untuk meningkatkan kualitas dari skripsi ini;

5. Bapak M.Dyan Susila, M.Eng. selaku penguji pada skripsi ini. Terima kasih atas bantuan me-review manuskrip dan perhatian khususnya terhadap akurasi dan detail;

6. Bapak Harnowo, M.T. selaku pembimbing akademik yang lama, atas dukungan, bimbingan, dan bantuan kepada penulis semasa kuliah untuk menjalani kuliah dengan sukses;

7. Bapak Ir. Herry Wardono, M.Sc. selaku pembimbing akademik yang baru. Penulis sangat berterima kasih atas dukungan dan didikannya semasa penulis masih kuliah;

iv

Ibu Novri Tantri, M.T. Terima kasih banyak atas bantuan, dukungan, kebersamaan, dan banyak pengalaman riset dan pengabdian berharga yang penulis dapatkan dari Bapak dan Ibu semua;

9. Kedua orang tuaku Mama (Yetti Miranda) dan Papa (Alm.Prio Sanyoto), adikku (Rachmat Wahyu Dwicahyo), dan semua keluarga penulis atas doa, kesabaran, pengertian, dan dukungan penuh sepanjang penulis menyelesaikan skripsi;

10. Bapak Apriatman Soediro, Bpk Yanto, dan semua karyawannya atas bantuan, saran, motivasi, dan pengalamannya. Sehingga penulis dapat merampungkan skripsi ini dengan baik;

11. Sahabat penulis sekaligus rekan skripsi: Candra Aditia Agustian, S.T., Neni Susanti, S.T., Porda Gusnedy, S.T.. Terima kasih atas seluruh saran dan review tambahannya terhadap manuskrip yang dibuat, serta seluruh penga-laman berharga yang telah kalian berikan pada penulis;

v

13. Sahabat karib penulis semasa kuliah Afrino Biantoro, S.T., Agus Zulhendry, S.T., Annisa Putri, Andriansyah, Bambang Sulaksana, Desi Yanti Utami, Dody Marlin, S.T. Haris Mahrudi,S.T., Maindra, M. Ikhsan Taufik, S.T., Robizal, S.T., Suhesti Forsela, S.T., Sirojudin, S.T., Yohannes Kristiawan, S.T., Wahyu Eko Saputra, S.T. Terima kasih atas kebersamaan, dukungan, doa, dan bantuan yang telah kalian banyak berikan pada penulis dari awal kuliah hingga menyelesaikan studi;

14. Seluruh rekan-rekan mahasiswa teknik mesin, terima kasih atas kebersamaan kalian.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan, namun Penulis memiliki harapan agar skripsi yang sederhana ini dapat memberi inspirasi dan berguna bagi semua kalangan civitas akademik maupun masyarakat Indonesia. Aamiin.

Wassalamu’alaikum warohmatullahi wabarokatuh

Bandar Lampung, Januari 2013 Penulis

Rachmat Cahaya Putra

vi DAFTAR ISI

Halaman

DAFTAR TABEL ... viii

DAFTAR GAMBAR ... ix

DAFTAR SIMBOL ... xiii

I. PENDAHULUAN ... 1

1.1. Latar Belakang ... 1

1.2. Tujuan ... 4

1.3. Batasan Masalah ... 5

1.4. Sistematika Penulisan ... 5

1.4.1. Bab I : PENDAHULUAN ... 5

1.4.2. Bab II :TINJAUAN PUSTAKA ... 6

1.4.3. Bab III. METODOLOGI PENELITIAN ... 6

1.4.4. Bab IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 7

1.4.5. Bab V. SIMPULAN DAN SARAN ... 7

II. TINJAUAN PUSTAKA ... 8

2.1. Gasifikasi Biomassa... 8

2.2. Gasifier ... 9

2.2.1. Zona Proses di Dalam Gasifier ... 10

2.2.2. Jenis Gasifier ... 11

2.3. Bahan Baku Gasifikasi ... 15

2.4. Gasifikasi Untuk Pembangkit Energi Listrik ... 17

2.5. Parameter Kualitas Producer Gas Untuk Mesin Pembakaran Dalam ... 19

2.6. Pengkondisian dan Pemurnian Producer Gas ... 20

2.7. Perancangan PLTB ... 21

2.7.1. Perancangan Gasifier Tipe Downdraft ... 21

2.7.2. Perancangan Siklon Separator ... 24

2.7.3. Perancangan Venturi Scrubber ... 28

vii

III. METODOLOGI PENELITIAN ... 35

3.1. Tempat dan Waktu Penelitian ... 35

3.2. Alur Penelitian ... 35

3.3. Perancangan PLTB ... 37

3.3.1. Perancangan Gasifier Downdraft ... 37

3.3.2. Perancangan Siklon ... 42

3.3.3. Perancangan Venturi Scrubber ... 46

3.3.4. Perancangan Rotary Separator ... 51

3.4. Fabrikasi PLTB ... 56

3.5. Instalasi Peralatan ... 63

3.6. Kalibrasi ... 64

3.7. Pengujian ... 68

3.7.1. Peralatan dan Bahan ... 69

3.7.2. Prosedur Pengujian ... 74

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 85

4.1. Kondisi Performa Peralatan ... 85

4.2. Variasi AFR Terhadap Distribusi Temperatur Gasifier ... 89

4.3. Variasi AFR Terhadap Kualitas Producer Gas ... 92

4.3.1. Komposisi Gas dan LHV Terhadap Variasi AFR ... 92

4.3.2. AFR Gasifikasi Berbanding Jumlah Tar ... 95

4.4. Pembangkitan Listrik Dengan PLTB ... 101

V. SIMPULAN DAN SARAN ... 105

5.1. Simpulan ... 105

5.2. Saran ... 106

LAMPIRAN ... 107

LAMPIRAN A (Gambar blueprint 001-005) ... 108

viii DAFTAR TABEL

Tabel Halaman

2.1. Parameter teknis beberapa jenis gasifier ... 13

2.2. Parameter operasional gasifier ... 14

2.3. Perbandingan tingkatan tar dan partikulat dari beberapa Tipe gasifier ... 15

2.4.Tipikal biomassa umpan reaktor untuk pembangkitan energi ... 17

2.5. Penyajian bahan bakar untuk setiap tipe gasifier ... 17

2.6. Parameter kualitas producer gas untuk pembangkit daya ... 19

2.7. Sifat fisis abu sekam padi ... 25

2.8. Kebutuhan koleksi efisiensi ... 31

3.1. Jadwal kegiatan penelitian ... 35

3.2. Data parameter awal desain siklon ... 43

3.3. Data parameter awal separator ... 52

3.4.Hasil kalibrasi flowrate ... 65

3.5. Kalibrasi flowrate exhaust fan ... 66

3.6. Kalibrasi debit air ... 68

3.7. Hasil analisa proximate dan ultimate sekam padi ... 74

4.1. Parameter percobaan dan hasil ... 90

4.2. Distribusi berat tar per AFR gasifikasi ... 96

ix DAFTAR ISI

Gambar Halaman

1.1. Teknologi pembangkit listrik ... 2

1.2. Skematik pembangkit listrik energi biomassa ... 4

2.1. Empat zona proses gasifikasi ... 10

2.2. Beberapa tipe gasifier ... 12

2.3. Gasifikasi untuk pembangkit listrik ... 18

2.3.a. Pembangkit listrik sekam padi Thailand ... 18

2.3.b. Pembangkit listrik gasifikasi ITB ... 18

2.4. Berbagai tipe wet scrubber untuk pembersihan tar ... 20

2.5. Parameter desain gasifier downdraft imbert ... 22

2.6. Grafik parameter desain gasifier ... 24

2.6.a. Grafik luasan nosel sebagai fungsi ukuran diameter throath gasifier ... 24

2.6.b. Grafik ketinggian penempatan nosel diatas throat Terhadap variasi ukuran diameter throat gasifier ... 24

2.6.c. Grafik ukuran diameter ring nosel sebagai fungsi ukuran diameter throat gasifier... 24

2.7. Grafik parameter desain siklon ... 25

2.7.a. Grafik hubungan efisiensi siklon dengan ukuran partikel ... 25

x

2.9. Ukuran proporsional siklon efisiensi tinggi ... 28

2.10. Grafik parameter desain venturi scrubber ... 32

2.10.a. Grafik distribusi ukuran partikel untuk gas hasil reaksi kimia ... 32

2.10.b. Grafik diameter cut terhadap standar deviasi ... 32

2.10.c. Grafik scrubber power dan pressure drop sebagai fungsi diameter cut ... 33

2.10.d. Grafik hubungan pressure drop, kecepatan throat, dan L/G ... 33

3.1. Flowchart penelitian ... 35

3.2. Flowchart penelitian (lanjutan bag.1) ... 36

3.3. Flowchart penelitian (lanjutan bag.2) ... 37

3.4. Flowchart merancang gasifier ... 37

3.5. Flowchart merancang gasifier (lanjutan) ... 38

3.6. Dimensi downdraft gasifier ... 41

3.7. Flowchart mendesain siklon ... 42

3.8. Dimensi siklon separator ... 45

3.9. Step by step perancangan venturi scrubber ... 46

3.10. Tahapan merancang rotari separator ... 51

3.11. Dimensi venturi scrubber ... 54

3.12. Dimensi rotary separator ... 55

3.13. Pembuatan tabung core ... 57

xi

3.15. Rangkaian pengerjaan siklon ... 58

3.16. Serangkaian pengerjaan venturi scrubber ... 60

3.17. Pembuatan rotary separator ... 61

3.18. Modifikasi saluran bahan bakar genset ... 62

3.19. Skematik pengujian PLTB ... 63

3.20. Kalibrasi flowrate udara gasifikasi ... 65

3.21. Kalibrasi flowrate exhaust fan ... 66

3.22. Pengukuran debit air venturi scrubber ... 67

3.23. Rancangan gasifier dan gasifier yang telah jadi ... 69

3.24. Integrate gas cleaning system ... 70

3.25. Peralatan pengujian ... 71

3.26. Anemometer, genset, dan bahan bakar ... 73

3.27. Tampak atas gasifier setelah diisi arang dan kelapa ... 77

3.28. Instalasi pengujian pembangkitan daya ... 81

4.1. Kendala dan pemecahan masalah di reaktor ... 86

4.2. Kondisi siklon dan venturi scrubber ... 88

4.3. Keadaan genset percobaan ... 89

4.4. Distribusi temperatur gasifier ... 91

4.5. Grafik pengaruh AFR terhadap % volume konsentrasi gas ... 93

4.6. Grafik besarnya LHV terhadap variasi AFR ... 94

4.7. Visualisasi flame ... 95

4.8. Grafik pengaruh AFR terhadap pembentukan tar ... 97

4.9. Pengujian individu perangkat IGCS ... 98

xii

xiii DAFTAR SIMBOL

A = Luas penampang ; m2, ft2

Ain = Luas penampang saluran masuk ; m2, ft2

At = Luas penampang throat ; m2, ft2

Bc = Lebar inlet siklon dan rotary separator ; m

Bh = Hearth load ; Nm3 / cm2 jam

do = Diameter inlet siklon, rotary separator ; m

d50 = Fraksi massa dari ukuran partikel ke 50 d84 = Fraksi massa dari ukuran partikel ke 84

D = Diameter rotary separator, diameter torak ; m Dpi = Diameter partikel didalam gas yang masuk ; m

Dp,th = Diameter partikel minimum teoritis yang

terendapkan ; m

f = Efisiensi volumetrik ; %

g = Percepatan gravitasi ; kg m/s2

L/G = Liquid to gas ratio ; %

̇̇ = Mass flow udara kering ; lb/min, kg/s

̇ ̇ = Mass flow uap air ; lb/min , kg/s

̇ ̇ = Mass flow uap air yang terevaporasi ; lb/min , kg/s MWwv = Berat molekul uap air

MWa = Berat molekul udara kering

N = Jumlah silinder

Ns = Jumlah putaran gas didalam siklon

S = Langkah torak ; m

T = Temperatur ; oC, oF, K

xiv

Vg = Laju pemasukan bahan bakar ; m3/jam

Vt = Kecepatan settling sentrifugal ; m/s

Vmole = Volume lb-mol udara ; ft3

Q = Flowrate gas masuk ; ft3/min

Qwv = Debit makeup water ; gpm

Z = Tinggi rotary separator ; m

Huruf Latin

ΔP = Pressure drop venturi scrubber ; in H2O

th = Effisiensi teoritis ; %

H2O = Kandungan kelembapan ; %

ρf = Densitas fluida ; kg/m3

ρg = Densitas gas ; kg/m3

ρp = Densitas padatan ; kg/m3

σ = Deviasi standar

µ = Viskositas dinamik fluida atau gas ; kg/ms

ω = Rasio kelembapan/kelembapan spesifik ; lb uap air/lb udara kering

Subscript

a = Dry air (udara kering)

f = Fluida

g = Gas

in = Inlet (masukan) out = Outlet (luaran) p = Padatan, partikel wv = Water vapour (uap air)

I. PENDAHULUAN

1.1.Latar Belakang

Masalah pengadaan listrik di daerah terpencil dan kepulauan tergolong sulit untuk diselesaikan PT.PLN (Persero). Masalah tidak hanya berasal dari tidak sanggupnya pembangkit PT.PLN untuk menutupi beban puncak disuatu area. Selain itu juga terbentur masalah infrastruktur untuk menuju lokasi yang tidak memadai. Terlebih lagi di daerah terpencil jarak ke gardu induk cukup jauh, jumlah penduduk yang sedikit dan tersebar, serta kebutuhan listrik aktual yang realtif rendah. Hal ini menyebabkan investasi pengadaan pembangkit semakin tidak menarik untuk direalisasikan. Maka dari itu, prioritas untuk menjangkau wilayah-wilayah terpencil menjadi sering terabaikan.

Ketiadaan listrik di daerah tersebut, memicu masalah diberbagai sektor. Sebagai contoh dari sektor pendidikan, yang berimbas pada tingkat pendidikan anak-anak yang dibawah rata-rata. Lalu dari sektor ekonomi ketiadaan listrik membuat tidak berputarnya roda perekonomian masyarakat, sehingga pendapatan perkapita daerah menjadi rendah.

kepulauan menjadi masalah terbesar yang sulit diatasi. Ditambah pula konsumsi BBM untuk PLTD yang tinggi, akan memberatkan masyarakat ditengah mahalnya harga BBM. Kemudian apabila alat membutuhkan perbaikan, akan menempuh jarak dan waktu yang panjang untuk membawa alat atau membeli spare part ke kota.

Gambar 1.1. Teknologi pembangkit listrik

Diversifikasi energi melalui pemanfaatan sumber energi terbarukan sesuai Peraturan Presiden No.5 Tahun 2006, sangat memungkinkan untuk men-jawab persoalan kelistrikan, baik dengan PLTMh ataupun PLTS. Namun dalam realisasinya, program ini sangat bergantung pada sumber daya lokal yang ada dilokasi.

Sebagai contohnya PLTMh memang cukup menjanjikan untuk direali-sasikan di daerah yang kaya potensi sumber airnya, lalu biaya investasi yang tidak terlalu tinggi, sederhana dalam teknologi dan rendah biaya maintenance. Akan tetapi kontinuitas operasi tidak terjamin, karena PLTMh bergantung pada ketersediaan debit air yang besar dan tidak semua desa terpencil mempunyai sumber air untuk PLTMh [3].

a. PLTMh b. PLTS c. PLTD

3

Sama halnya dengan PLTS, teknologi alternatif ini sangat terkenal mampu menjawab pengadaan energi listrik tanpa terbentur masalah sumber daya lokal disekitar lokasi. Akan tetapi pengadaan teknologi ini, memakan anggaran yang sangat besar untuk kapasitas pembangkitkan energi yang terbilang kecil [4].

Meninjau pemaparan diatas, teknologi yang dinilai tepat untuk pembangkitan listrik di desa terpencil dan kepulauan adalah pembangkit listrik tenaga biomassa (PLTB). Pembangkit listrik ini sangat prospektif dibangun dan dikembangkan untuk memenuhi kebutuhan listrik. Terlebih lagi dari segi ekonomis pengadaan PLTB lebih terjangkau dibanding PLTS, dengan daya yang dibangkitkan sanggup diatas 100 kW.

Gambar 1.2. Skematik pembangkit listrik energi biomassa

Konsepnya, pembangkitan energi listrik dilakukan dengan memanfaatkan limbah biomasa yang ada di sekitar desa, limbag tersebut dikonversikan ke bentuk producer gas menggunakan reaktor gasifikasi. Selanjutnya producer gas kemudian dimurnikan dari tar beserta pengotor, sehingga hanya menyisakan producer gas yang mengandung H2, CO, dan CH4 yang dikenal sebagai syngas. Producer gas yang kaya akan gas mampu bakar, selanjutnya digunakan sebagai bahan bakar motor penggerak generator untuk membangkitkan energi listrik [5].

Gassifier Gas conditioning generator

Syngas Clean

Syngas

FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

1.2. Tujuan

Tujuan umum riset ini adalah merealisasikan unit pembangkit listrik energi biomassa, dengan tujuan khusus yang ditargetkan antara lain:

1. Memproduksi producer gas bersih (syngas) untuk dipakai sebagai bahan bakar mesin pembakaran internal penggerak generator.

2. Memperoleh parameter operasi terbaik untuk setiap perangkat PLTB yang dapat memproduksi producer gas berkualitas terbaik.

1.3. Batasan Masalah

Kajian dalam penelitian ini dibatasi dalam beberapa hal yaitu :

1. Penelitian ini tidak membahas reaksi kimia yang terjadi selama gasifikasi secara detail.

2. Biomassa untuk gasifikasi memakai sekam padi.

3. Percobaan menggunakan generator dengan penggerak mesin bensin empat langkah yang hanya dimodifikasi pada bagian saluran hisap untuk menyuplai syngas.

4. Paramater operasi perangkat pemurnian producer gas (IGCS) dipakai dari hasil penelitian yang sudah dilakukan.

1.4. Sistematika Penulisan

5

1.4.1. Bab I : PENDAHULUAN

Latar belakang penelitian menjelaskan krisis energi listrik yang melanda di Lampung berakibat ketiadaan pasokan listrik untuk daerah terpencil dan kepu-lauan. Pengadaan pasokan listrik dapat dilaksanakan dengan merealisasikan pem-bangkit listrik yang menggunakan sumber daya lokal yang ada di sekitar desa, yaitu energi biomassa. Dengan demikian perancangan, pembuatan, dan pengujian pembangkit listrik energi biomassa menjadi tujuan besar dalam penelitian ini. Untuk memfokuskan penelitian, penelitian ini ditekankan pada beberapa pokok subjek yang terdapat di batasan masalah.

1.4.2. Bab II : TINJAUAN PUSTAKA

cleaner terintegrasi (IGCS) meliputi siklon, venturi scrubber, dan perangkat model baru yaitu rotary separator.

1.4.3. Bab III : METODOLOGI PENELITIAN

Tempat dan waktu penelitian akan dikemukakan pada bab ini. Kemudian terdapat penjelasan rinci mengenai metode penelitian seperti, teknis merancang setiap perangkat pada sistem PLTB, teknik mewujudkan rancangan ke produk jadi, dan cara meng-install semua perangkat yang telah dibuat. Selanjutnya ada subbab yang membahas langkah kalibrasi perangkat sebelum dilakukan uji coba, dan metode pengambilan data. Dalam subbab metode pengambilan data akan diuraikan secara terperinci, tahapan untuk mendapatkan data kualitas producer gas pra-treatment dan profil temperatur di dalam gasifier. Dilanjutkan metode yang dilakukan, untuk memproleh data pembangkitan energi listrik menggunakan PLTB.

1.4.4. Bab IV : HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil penelitian berupa data interaksi berbagai variabel di dalam sistem PLTB, disajikan ke dalam bentuk tabel maupun grafik pada bab ini. Dilengkapi juga dengan analisa pada semua kecenderungan data yang diperoleh dari pengujian yang dilandasi kajian teori ilmiah.

1.4.5. Bab V : KESIMPULAN DAN SARAN

II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Gasifikasi Biomassa

Secara harfiah biomassa adalah material biologis yang berasal dari tumbuhan, hewan, termasuk manusia yang dapat dijadikan sumber energi. Jenis material yang dapat dikatakan sebagai biomassa sangat bervariatif mulai dari residu agrikultur, residu hewan, serpih kayu, kayu hasil residu perkotaan yang kering serta terkontaminasi material lain, hingga material organik dari sampah padat di perkotaan [6,7,8]. Biomassa dapat dimanfaatkan untuk memproduksi energi salah satunya melalui proses termokimia contohnya pirolisis, gasifikasi, dan pembakaran. Perbedaan jenis konversi energi tersebut terletak pada banyaknya suplay oksigen saat konversi berlangsung. Konsumsi oksigen yang diperlukan saat pembakaran setidaknya memiliki AFR 6,25. Pada proses gasifikasi memiliki batasan AFR 1,5. Sedangkan pirolisis cenderung tidak membutuhkan oksigen pada prosesnya [9].

monoksida (CO), hydrogen (H2) dan metan (CH4) yang disebut syngas dan pengotor inorganik seperti NH3, HCN, H2S, debu halus, serta pengotor organik yaitu tar [10,11]. Komposisi gas ini sangat tergantung pada komposisi unsur dalam biomassa, bentuk dan partikel biomassa, serta kondisi-kondisi proses gasifikasi. Sebagai ilustrasi, komposisi gas hasil gasifikasi sekam padi bentuk jarum ukuran 1 cm adalah CO 20,1%, H2 11,3%, CH4 1,8%, CO2 % , N2 55,4% dan panas pembakaran 4350 kJ/kg [1].

Proses gasifikasi mempunyai 2 stage reaksi yaitu proses oksidasi dan reduksi. Sub-stoikiometerik oksidasi menggiring gas mudah menguap dari biomassa dan proses ini adalah eksotermis (melepaskan energi). Proses ini berlangsung pada temperatur 1100 – 1200 oC dan terjadi pembangkitan produk gas seperti karbon monoksida, hidrogen dan karbon dioksida (CO2) serta uap air yang mana pada gilirannya di-reduksi ke karbon monoksida dan hidrogen dengan

bed charcoal panas yang dibangkitkan selama proses gasifikasi. Sedangkan

reaksi reduksi adalah sebuah reaksi endotermis (membutuhkan panas) untuk membangkitkan produk yang mudah terbakar seperti hidrogen, karbon monoksida dan metan [8].

2.2. Gasifier

9

Gambar 2.1 Empat zona proses gasifikasi

2.2.1. Zona Proses Di Dalam Gasifier

Pengeringan: Prosesnya yaitu kandungan air yang ada dalam biomassa diekstrak

dalam bentuk uap tanpa adanya dekomposisi kimia dari biomasa.

Biomasa + Panas = Biomasa kering + Uap

Pirolisis: Setelah pengeringan dilakukan, bahan bakar akan turun dan menerima panas sebesar 250-500oC dalam kondisi tanpa udara. Pirolisis dimulai dari dekomposisi hemiselulosa pada 200-250, dekomposisi selulosa sampai 350oC, dan pirolisis berakhir pada 500oC. Selanjutnya pengarangan berlangsung pada 500-900oC, yang terjadi pada batas zona pirolisis dan oksidasi. Produk dari proses ini terbagi menjadi produk cair (Tar dan PAH), produk gas (H2, CO, CO2, H2O, CH4), tar dan arang. Reaksi kimia pirolisis dapat dituliskan sebagai berikut [9,12].

Biomasa kering + panas = arang + tar + gas (H2, CO, CO2, H2O, CH4, CxHy)

Pembakaran : adalah proses untuk menghasilkan panas yang memanaskan

oksidasi, selanjutnya dibakar pada temperatur operasi yang cukup tinggi 900-1400oC. Pada gasifier downdraft temperatur setinggi ini, akan menghancurkan substansi tar sehingga kandungan tar menjadi lebih rendah. Distribusi oksigen yang merata akan menyempurnakan proses oksidasi sehingga dihasilkan tempe-ratur maksimal dalam keseluruhan proses gasifikasi. Sekitar 20% arang beserta volatil teroksidasi dengan memanfaatkan O2 yang terbatas, sisa 80% arang turun kebawah menuju bagian reduksi yang hampir semuanya akan dipakai, menyisakan abu yang jatuh ke tempat pembuangan [9,12].

2C + O2 = 2CO + Energi termal

2CO + O2 = 2 CO2 + Energi termal

Tar minyak metana, dll = CO, CO2, H2O, CH4 + Energi termal

Reduksi : Proses ini bersifat mengambil panas yang berlangsung pada suhu 400-

900oC. Pada proses ini terjadi beberapa reaksi kimia yang merupakan proses penting terbentuknya beberapa senyawa yang berguna untuk menghasilkan combustible gas seperti H2, CO, CH4 atau yang dikenal dengan producer gas. Berikut reaksi kimia di zona reduksi [9.12]:

Bourdouar reaction CO2 + C = 2CO – Energi termal

Steam-carbon reaction C + H2O = CO + H2– Energi termal

Water-gas shift reaction CO + H2O = CO2+ H2 + Energi Termal

CO methanation CO + 3H2 = CH4 + H2O

2.2.2 Jenis Gasifier

11

\

Gambar 2.2. Beberapa tipe gasifier

2.2.2.a. Gasifier Tipe Updraft

Pada tipe ini umpan dimasukan pada bagian atas reaktor dan bergerak kebawah melewati zona pengeringan, pirolisis, reduksi, dan oksidasi. Sedangkan udara masuk pada bagian bawah dan gas keluar pada bagian atas. Keunggulan tipe ini yaitu kesederhanaanya, tingkat pembakaran arang yang tinggi, pertukaran panas internal sehingga suhu gas keluar rendah, dan efisiensi gasifikasi yang tinggi. Selain itu bahan baku yang diumpankan dapat berada pada kondisi kadar air yang cukup tinggi (50% wb). Kekurangannya, producer gas yang keluar dari reaktor berada pada kondisi temperatur rendah (<500oC), membawa tar yang terkon-densasi serta minyak yang berasal dari proses pirolisis [13,14,15]. Gasifier ini sesuai untuk pemanfataan panas langsung.

2.2.2.b Gasifier Tipe Downdraft

Gasifier downdraft dirancang untuk mengurangi tar yang terkondensasi serta minyak yang diproduksi dari counterflow gasifier (updraft). Dalam Meka-nismenya, aliran biomassa dan udara gasifikasi bergerak ke bawah dalam arah yang sama (co-flow) menuju bed bahan bakar. Ketika bahan bakar di dalam

b. Downdraft Gasifier (Nozzle / Imbert gasifier) a. Updraft Gasifier

(Nozzle / Imbert gasifier)

c. Crossdraft Gasifier (Nozzle / Imbert gasifier)

reaktor bergerak ke bawah, uap akan terpirolisis dan char langsung masuk ke bagian pengecilan pada bagian bawah reaktor. Pada saat itu udara akan diinjek-sikan ke bagian tersebut melalui di dinding reaktor. Kondisi temperatur yang tinggi pada bagian pengecilan akan membakar tar dan minyak pada producer gas. Kemudian producer gas akan keluar dari bagian bawah reaktor dengan dihisap melalui anulus pada dinding reaktor. Dikarenakan rendahnya kandungan tar dan minyak, gasifier tipe downdraft banyak diaplikasikan untuk mesin pembakaran internal [13,14,15.16].

2.2.2.c Gasifier Tipe crossdraft

Gasifier tipe crossdraft didesain untuk pemakaian arang, dimana mekanis-menya aliran udara mengalir tegak lurus terhadap zona pembakaran. Gasifikasi arang menghasilkan suhu yang sangat tinggi (>1500oC) di daerah oksidasi, yang dapat mengakibatkan masalah pada material reaktor. Selain itu kinerja pemecahan tar termasuk rendah, sehingga diperlukan arang berkualitas tinggi. Keunggulan tipe ini adalah, dapat dioperasikan pada skala sangat kecil dan kontruksi bagian pemurnian producer gas (siklon dan baghouse filter) relatif sederhana [13,17].

Parameter teknis dan operasional beberapa tipe diatas tersaji pada tabel 2.1 dan tabel 2.2.

Tabel 2.1. Parameter teknis beberapa jenis gasifier [18,19]

Uraian Jenis Gasifier

Downdraft Updraft Open core Crossdraft Kapasitas komersial

maksimum (kWe) 350 4.000 200 150

Waktu penyetelan (min) 10-20 15-60 15-60 10-20 Sensititas fluktuasi beban Sensitif Tidak

sensitif

Tidak

13

Tabel 2.1. Parameter teknis beberapa jenis gasifier (Lanjutan)[18,19]

Uraian Jenis Gasifier

Downdraft Updraft Open core Crossdraft Ukuran dan volume

bagian pembersih gas Kecil Besar Besar Kecil HG full load (%) 1 85-90 90-95 70-80

CG full load (%) 2 65-75 40-60 35-50 LHV syngas (kJ/Nm3) 4,5-5,0 5,0-6,0 5,5-6,0

1

HG (Efisiensi gas panas), jika diaplikasikan untuk aplikasi pembangkit panas

2

CG (Efisiensi gas dingin), jika gas diaplikasikan setelah didinginkan sampai temperatur lingkungan untuk aplikasi pembangkit daya

Tabel 2.2. Parameter operasional gasifier [18,19]

Pengoperasian gasifier

Meningkatkan temperatur Menurunkan

kandungan char dan tar

Meningkatkan tekanan Menurunkan

kandungan char dan tar Tidak memerlukan pengompresian producer gas untuk penggunaan downstream

Terbatasnya

pengalaman desain dan operasional

Akan tetapi, Perlu digaris-bawahi bahwa nilai tersebut bukanlah batas mutlak untuk melangsungkan proses gasifikasi secara maksimum. Sebab disam-ping AFR, terdapat faktor lain yaitu jenis biomassa. Berdasarkan riset terdahulu, gasifikasi dengan bahan serpihan kayu memiliki AFR terbaik berada di titik 0,96, dimana komposisi gas mampu bakar relatif lebih besar hingga kualitas penyalaan api producer gas berwarna biru dengan LHV sekitar 4800 kJ/m3[20]. AFR tersebut berbeda dengan AFR gasifikasi sekam padi yang memiliki titik terbaik berada pada 1,25, yang menghasilkan komposisi CH4, H2, CO, dan LHV yang terbesar senilai 3289,38 kJ/kg [21]. Disamping itu walau berasal dari bahan dasar yang sama, briket sekam padi ternyata juga memiliki AFR gasifikasi maksimum tersendiri yaitu 0,8, dengan LHV producer gas sebesar 9159 kJ/Nm3[22].

Pemilihan jenis reaktor akan sangat berpengaruh terhadap karakteristik producer gas yang diproduksi termasuk didalamnya temperatur, jumlah kandungan tar, serta keberadaan partikulat. Maka dari itu perlu dicermati secara seksama pemilihan jenis reaktor terhadap karakteristik penggunaan producer gas tersebut. Representasi tingkatan tar dan partikulat untuk beberapa jenis gasifier secara umum tersaji dalam tabel 2.3.

Tabel 2.3. Perbandingan tingkatan tar dan partikulat dari beberapa tipe gasifier

[23,24]

Tipe Gasifier

Muatan Partikulat (g/Nm3)

Muatan Tar (g/Nm3) Low High Representative

Range Min. Max

Representative Range Fixed Bed

Downdraft 0,01 10 0,1-0,2 0,04 6,0 0,1-1,2 Updraft 0,1 3 0,1-1,0 1 150 20-100 Moving Bed

15

2.3. Bahan Baku Gasifikasi

Faktanya tidak semua biomassa dapat dikonversikan dengan proses gasifikasi, karena ada beberapa klarifikasi dalam mendefinisikan bahan baku yang dipakai pada sistem gasifikasi. Pendefinisian bahan baku gasifikasi tersebut, dimaksudkan untuk memilah antara bahan baku yang baik dan yang kurang baik. Beberapa parameter yang dipakai untuk mengklarifikasikannya yaitu :

Kandungan Energi

Bahan baku dengan kandungan energi yang tinggi akan memberikan pembakaran gas yang lebih baik.

Kandungan Moisture

Bahan baku yang digunakan untuk proses gasifikasi umumnya diharapkan ber-moisture rendah, sebab bahan baku tersebut menghasilkan gas berkualitas baik, bernilai kalor tinggi, serta mampu mencapai efisiensi optimal [20]. Kandungan moisture yang tinggi menyebabkan heat loss yang berlebihan, dan juga membuat beban pendinginan semakin tinggi dikarenakan pressure drop yang terjadi meningkat. Idealnya kandungan moisture yang sesuai untuk bahan gasifikasi < 20% [25].

Kandungan Abu

slagging dan penyumbatan di dalam reaktor [26]. Desain gasifier yang baik setidaknya menghasilkan kandungan abu kurang dari 2-6 g/m3 [27]. Tar

Tar adalah cairan hitam kental yang terbentuk dari destilasi destruktif pada material organik. Tar merupakan salah satu kandungan yang paling merugikan dan harus dihindari karena sifatnya yang korosif dan membahayakan lingkungan. Pada reaktor gasifikasi terbentuknya tar, terjadi pada temperatur pirolisis yang kemudian terkondensasi pada suhu 200-600oC dalam bentuk asap. Namun pada beberapa kejadian tar dapat berupa zat cair pada temperatur yang lebih rendah [28]. Producer gas yang mengandung tar relatif tinggi jika diumpankan pada IC engine, dapat menimbulkan deposit pada karburator dan intake valve sehingga menu-runkan lifetime mesin [28,29]. Desain gasifier yang baik setidaknya menghasilkan tar tidak lebih dari 1g/m3 [30].

Nilai panas bersih (LHV), kandungan moisture, kandungan abu dari beberapa biomassa tersaji dalam tabel 2.4.

Tabel 2.4. Tipikal biomasa umpan reaktor untuk pembangkitan energi [18,19]

Jenis LHV (kJ/kg) Kandungan

moisture (%) Kandungan abu (%)

Ampas tebu 7.700-8.000 40-60 1,7-3,8

Kulit ari coklat 13.000-16.000 7-9 7-14

Kulit kelapa 18.000 8 4

Kulit ari kopi 16.000 10 0,6

Residu kapas

- Tangkai 16.000 10 0,1

- Sampah biji 14.000 9 12

Gambut 14.000 9 19

Sekam padi 12.000 10 4,4

17

Penyiapan umpan biomassa perlu diperhatikan karena hampir semua jenis umpan memiliki variasi karakteristik fisik, kimia, dan morfologi yang berbeda. Pengolahan awal bahan baku juga dipengaruhi pada karakteristik gasifier, seperti kapasitas dan jenis reaktor. Sebagai contoh, gasifier tipe downdraft lebih meng-haruskan keseragaman biomassa dibanding tipe updraft. Persyaratan bahan baku untuk setiap gasifier tersaji dalam tabel 2.5.

Tabel 2.5. Persyaratan bahan bakar untuk setiap tipe gasifier [18]

Keterangan

Jenis Gasifier

Downdraft Updraft Open core Crossdraft

Ukuran (mm) 20-100 5-100 1-3 1-3

Kadar moisture (%) < 15-20 <50 <12 <7 Kadar abu (%) <5 <15 <12 <7 Morfologi Seragam Hampir seragam Seragam Seragam Densitas bulk (kg/m3) > 500 >400 >100 >400 Titik leleh abu >1.250 >1.250 >1.000 >1.250

2.4. Gasifikasi Untuk Pembangkit Energi Listrik

Gambar 2.3. a. Pembangkit listrik sekam padi thailand; b. Pembangkit listrik gasifikasi ITB [1,32,33]

Pada kawasan Asean sebagai contoh di Thailand tepatnya di provinsi Pathum Thani, terdapat suatu unit pembangkit listrik biomassa berkapasitas 80 kW dari three stage gasifier downdraft berbahan bakar sekam padi. Producer gas disalurkan menuju siklon untuk memisahkan partikel solid, lalu disalurkan ke heat exchanger pada temperatur 400-700oC kemudian diturunkan menjadi 150oC untuk meningkatkan densitas energinya. Selanjutnya syngas dialirkan menuju scrubber untuk menghilangkan tar dan menurunkan temperatur syngas menjadi <40oC sebelum diumpankan ke mesin genset [32]. Selain di Asean, di India terdapat unit gasifikasi dengan kapasitas 500 kW yang terdiri atas lima gasifier downdraft berbahan bakar limbah gergaji lokal, dilengkapi dengan water-sprayed gas cooling, two stage gas cleaning system, blower, untuk setiap unitnya dan mesin diesel 165 HP [34]. Selain di kawasan Asean, di eropa seperti Austria, Denmark, Finlandia, Swedia juga telah mengaplikasikan teknologi seperti ini untuk pembangkitan panas ataupun energi listrik [25,36,37,38].

a b

19

2.5. Parameter Kualitas Producer Gas Untuk Mesin Pembakaran Dalam

Biomassa sudah terbukti menjadi pengganti bahan bakar fosil yang potensial dalam aplikasi pembangkitan panas maupun listrik. Akan tetapi keberadaan beberapa pengotor didalam producer gas mengharuskannya untuk dimurnikan sebelum diumpankan kedalam mesin.

Tabel 2.6. Parameter kualitas producer gas untuk pembangkit daya [16,39]

Komponen Satuan IC engine Gas turbine Methanol synthesis Partikel mg/Nm3 < 50 < 30 <0,02 Ukuran partikel µm < 10 < 5

Tar mg/Nm3 < 100 < 0,1

Alkali mg/Nm3 0,24

NH3 mg/Nm3 < 0,1

H2S dan CO mg/Nm3 < 1

Cl mg/Nm3 < 0,1

CO2 Vol.% Tidak ada

batas

Tidak ada batas

< 12 LHV gas kJ/Nm3 >2.500

Producer gas yang belum dimurnikan, didalamnya terdapat kandungan tar diatas 50-100 mg/Nm3. Tar yang terkondensasi dapat menyumbat sistem perpi-paan pada heat exchanger dan bisa menjadi masalah jika producer gas tersebut dialirkan ke intake valve mesin Kemudian keberadaan partikulat seperti char dan abu juga memiliki potensi merusak komponen yang bergerak [40]. Untuk diaplikasikan pada mesin pembakaran internal parameter kualitas syngas tersaji pada tabel 2.6 [16].

2.6. Pengkondisian dan Pemurnian Producer Gas

partikel solid dengan ukuran diatas 5 μm dengan kemampuan penyaringan mencapai 90%. Dikarenakan 60-65% komposisi gas producer merupakan partikel dengan ukuran diatas 60 μm, maka siklon merupakan perangkat yang sangat baik untuk sistem pembersihan partikulat [42].

Gambar 2.4. Berbagai wet scrubber untuk pembersihan tar [44,45]

Saat ini teknologi pembersihan tar dilakukan melalui proses kondensasi gas menggunakan teknologi seperti heat exchanger dan pendinginan kontak langsung yaitu scrubber. Pada operasi untuk pembangkit daya, producer gas yang keluar dari gasifier downdraft pada temperatur 400-700oC, didinginkan hingga 150oC untuk meningkatkan densitas energinya menggunakan heat exchanger. Kemudian producer gas dilewatkan kedalam scrubber untuk membersihan kan-dungan tar dan mengkondisikan syngas pada temperatur operasi mesin berkisar 30-40oC [33,43].

Beberapa jenis wet scrubber menggunakan fluida kerja seperti air atau minyak banyak dipakai untuk teknik kondensasi tar dan pembersihan partikulat

[41]. Beberapa diantaranya: Spray tower, centrifugal spray tower, dan venturi FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

21

scrubber. Spray tower memiliki konstruksi paling sederhana, dan sangat baik untuk menghilangkan partikulat besar dengan efisiensi 60-98%, serta efisiensi reduksi tar berkisar 10-25%. Centrifugal spray tower sangat efisien untuk meng-hilangkan partikulat berukuran 1µm dengan efisiensi 85-90%, sedangkan kemam-puan reduksi tar mencapai 30-70%. Venturi scrubber memiliki efisiensi pem-bersihan tar paling besar mencapai 50-90% [44,45,46].

2.7. Perancangan PLTB

Sedikit berbeda dari kebanyakan pembangkit listrik energi biomassa yang sudah diterapkan di berbagai belahan dunia maupun di Indonesia. PLTB dalam penelitian ini memiliki perangkat sebagai berikut: gasifier downdraft, ditambahkan integrated gas clean-up system yang mana terdiri atas siklon dan venturi scrubber, serta rotary separator dalam satu paket.

2.7.1. Perancangan gasifier tipe downdraft

Perancangan gasifier tipe downdraft didekati dengan metode untuk meng-konstruksi gasifier downdraft imbert yang dikembangkan oleh pakar Swedia. Gasifier ini dirancang berdasarkan atas laju gasifikasi spesifik yang dinamakan juga dengan hearth load (Bh), yaitu jumlah producer gas yang diproduksi per

satuan luas throat, yang mana adalah area paling kecil dalam penampang melintang reaktor. Hearth load diekspresikan dalam satuan Nm3/ cm2 jam , dimana N mengindikasikan volume gas dihitung pada kondisi temperatur dan tekanan normal.Dalam gasifier downdraft imbert, nilai Bh max mencapai nilai 0,9

g

Gambar 2.5 Parameter desain gasifier downdraft [42,47]

Pada kondisi stoikiometri dengan perbandingan udara dan producer gas adalah 1,1 : 1, kebutuhan udara per m3 adalah 1,1. Apabila Vg adalah laju

pemasukan campuran bahan bakar, pemasukan udara + pemasukan producer gas akan 2,1 Vg, sehingga

Imbert Downdraft Gasifier (Nozzle / Imbert gasifier)

FT UNILA Rachmat Cahaya Putra _{Universitas Lampung} – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

23

Gambar 2.6. Grafik desain gasifier downdraft

a. Grafik luasan nosel sebagai fungsi variasi ukuran diameter gasifier throat FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

b. Grafik ketinggian penempatan nosel diatas throat terhadap variasi ukuran diameter throat gasifier.

c. Grafik ukuran diameter ring nosel sebagai fungsi ukuran diameter throat gasifier [42]

Sementara itu, hubungan total luasan nosel dan diameter throat dituangkan dalam gambar 2.6.a Lalu seperti yang terlihat pada gambar 2.6.b, penempatan nosel ditentukan berdasarkan grafik empiris yang menunjukan ketinggian bidang posisi nosel diatas permukaan throat. Lain halnya dengan gambar 2.6.c grafik tersebut ditujukan untuk menentukan ukuran diameter firebox (df) beserta

diameter ring nosel yang memiliki hubungan terhadap diameter throat [42]. Berdasarkan eksperimen tinggi zona pirolisis (Lp) disarankan berkisar

45-55 cm terhitung dari permukaan atas throat, atau 10-15 cm dari dari bidang penempatan saluran udara. Hal ini untuk mengupayakan pembakaran tar lebih maksimal sehingga kualitas producer gas menjadi naik [47]. Ukuran zona reduksi (Lr) tidak boleh terlalu tinggi, sebab jika terlalu tinggi heat loss akan semakin

besar yang mana akan menurunkan temperatur arang dan membuat sebagian arang menjadi abu. Akibatnya, reaksi pembentukan gas mampu bakar seperti yang dijelaskan pada subbab 2.2.1 tidak berjalan. Maka dari itu tinggi zona reduksi yang terhitung dari permukaan atas throat, ditentukan menggunakan rasio tinggi zona reduksi terhadap diameter throat sebesar 2,5/1,25 untuk gasifier downdraft imbert [47].

2.7.2. Perancangan Siklon Separator

25

barrel secara tangensial lalu bergerak turun menuju kerucut membentuk lintasan outer vortex. Meningkatnya kecepatan udara pada outer vortex menghasilkan gaya sentrifugal dipartikel yang memisahkannya dari aliran udara. Ketika udara men-capai bawah kerucut, inner vortex membentuk arah terbalik dan keluar menuju atas sebagai udara bersih, sedangkan partikulat jatuh kedalam kotak abu dibagian bawah siklon [48].

Langkah awal perancangan siklon adalah menentukan distribusi ukuran padatan yang diproses. Dengan mendapat data awal distribusi padatan, penentuan efisiensi siklon dapat dilakukan.

Gambar 2.7. Grafik desain siklon [49]

a. Grafik hubungan efisiensi siklon dengan ukuran partikel b. Grafik hubungan Ns dengan kecepatan masuk

Penentuan efisiensi yang diinginkan, menggunakan korelasi perban-dingan pada gambar 2.7.a. Selanjutnya jumlah siklon harus ditentukan untuk mengejar hasil akhir yang diinginkan. Semakin banyak jumlah siklon yang

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75

1.1 m dia. Troughput cy clone

0.5 m dia. Troughput cy clone

1.1 m dia. medium efficiency cy clone

0.4 m dia. high efficiency cy clone

Self induced spray w et collector

Particel density of dust = 2600 kg/m3

FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas

Teknik Universitas Lampung Tugas Akhir 2012

digunakan untuk menyaring producer gas, hasilnya akan semakin baik. Kecepatan distribusi padatan (Ns) yang memasuki siklon harus diketahui. Karena kecepatan

distribusi padatan digunakan untuk menentukan jumlah putaran distribusi padatan didalam siklon. Jumlah putaran tersebut ditentukan menggunakan korelasi pada gambar 2.7.b.

Dalam menentukan dimensi siklon, step pertama adalah menentukan diameter siklon. Diameter siklon bisa ditetapkan dengan perbandingan V standar (15 m/s) = Dcstandar (203 mm). Diameter partikel minimum teoritis yang dapat

terendapkan (Dp,th) bisa dihitung apabila Dc sudah ditentukan. Disamping itu,

karakteristik partikel perlu diketahui guna mencari diameter partikel minimum yang mampu terendapkan (Dp,th), meliputi densitas padatan (ρp), densitas gas (ρf),

dan viskositas gas (μ). Persamaan yang dipakai adalah untuk menghitung Dp,th

adalah [49]:

,

9. .

. . . ( )

c p th

s in p f

B D

N V



  





Keterangan :

Dp,th = Diameter partikel minimum teoritas yang terendapkan (m)

Vin = Kecepatan gas masuk (m/s) (range : 8-30 m/s, diambil 15 m/s)

Ns = Jumlah putaran gas dalam siklon

Bc = Lebar inlet (m)

μ = Viskositas gas (kg/ms) ρp = Densitas padatan (kg/m3)

ρf = Densitas gas (kg/m3)

27

Dalam memudahkan proses desain, sifat fisis abu yang terkandung pada producer gas gasifikasi biomassa (sekam padi) harus ditentukan terlebih dahulu seperti pada tabel 2.7

Tabel 2.7. Sifat fisis abu sekam padi [50]

Properties Nilai Satuan Mean particle size 856 Μm Apparent density 389 kg/m3

Porosity 0,81 -

Sphericity 0,44 -

Untuk membandingkan apakah penentuan Dcsudah memenuhi efisiensi

yang diharapkan, diperlukanlah perhitungan efisiensi teoritis menggunakan persamaan seperti dibawah ini [49] :

Dp,th = diameter partikel minimum teoritis yang dapat terendapkan.

Gambar 2.8. Single particle collection efficiency curve [49]

. . . (5)

FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Lampung

Eo, Single particle collection Efficiency , %

Setelah nilai efisiensi diatas didapatkan, cocokkan nilai tersebut pada grafik yang terdapat pada gambar 2.8, untuk menguji keabsahan rancangan. Apabila efisiensi teoritis masih lebih kecil dari efisiensi rancangan, kemungkinan penentuan Dc terlalu besar. Supaya pembuatan siklon sesuai yang diinginkan,

maka harus kembali menentukan Dc kembali. Jika Dc sudah diketahui, bagian lain

dari siklon dapat ditentukan melalui ketetapan geometri seperti pada gambar 2.9.

Gambar 2.9. Ukuran proporsional siklon efisiensi tinggi [49]

2.7.3. Perancangan Venturi Scrubber

Venturi yang dirancang berjenis rectangular throat atau venturi persegi, karena tipe tersebut mampu mengatasi laju aliran gas yang relatif lebih tinggi dibandingkan venturi round throat atau venturi lingkaran. Data awal yang harus diketahui dalam merancang venturi scrubber adalah mengetahui karakteristik producer gas yang akan dibersihkan. Selain itu data yang harus ditentukan untuk perancangan yaitu [51] :

FT UNILA Rachmat Cahaya Putra _{Universitas Lampung} – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Tugas Akhir 2012

Bc = Dc/4 Jc = Dc/4

De = Dc/2 Sc = Dc/8

Hc = Dc/2 Lc = 1 x Dc

Zc = 2 x Dc

Bc

A A

Lc

Zc

Dc

Hc

De

Jc

Dust Out

Section A-A

Gas In

29 Kecepatan gas masuk (ft/s) = Luas penampang saluran (ft )

Q V A

Flowrate dihitung dengan menentukan kecepatan producer gas masuk ke dalam venturi dimana :

Pada bagian inlet venturi properties producer gas antara lain : Volume flowrate (Q ) :

Flowrate pada temperatur standar dihitung dengan menggunakan hukum gas ideal seperti yang ditunjukan dalam persamaan yaitu :

2 2

Kondisi luaran pada temperatur standar

T T

Mass flow udara kering dan uap air

Vmole = Volume lb-mol udara = 385 ft3 2

H O( )in

 = Kandungan kelembapan (%) Humidity ratio

Humidity ratio pada temperatur standar dihitung dengan persamaan 9

wv 100%) ,dengan bantuan psychometric chart dapat ditentukan nilai humidity ratio untuk mengetahui besarnya air yang menguap saat berkontak dengan gas panas. Dengan mengetahui banyaknya air yang menguap, kebutuhan makeup water dapat disediakan guna menutupi kekurangan air (scrubbing liquid) pada venturi [51].

Mass flow uap air sisi luaran





Mass flow uap air yang terevaporasi

( ) ( ) ( )

( ) Laju aliran massa uap air yang terevaporasi (lb/min)

wv evap wv out wv in

Banyaknya makeup water

2

Langkah berikut adalah merancang ukuran venturi, dimana metode yang diguna-kan adalah Calvert Cut Diameter. Dengan konstanta B=2,0 untuk venturi.

. . . (9)

. . . (10)

. . . (11)

31

Parameter awal yang mesti dicari yaitu ukuran partikel berikut standar deviasinya. Ukuran rata-rata partikel dapat dilihat dari persentil diameter aerodinamis partikel ke-50 (Disebut pula diameter partikel massa median). Standar deviasi dari distribusi tersebut adalah rasio kumulatif fraksi massa partikel ke-84 dan ke-50 yang dihitung menggunakan persamaan 13 dimana [51]:

84

50

d d

 

Keterangan :

σ = Deviasi standar

d50 = Fraksi massa dari ukuran partikel ke-50 d84 = Fraksi massa dari ukuran partikel ke-84

Nilai tersebut diketahui dengan membaca grafik pada Gambar 2.10.a. Langkah selanjutnya menentukan dcut melalui bantuan Gambar 2.10.b, dan

efisiensi koleksi ηd untuk setiap ukuran partikel tercantum pada Tabel 2.8.

Tabel 2.8. Kebutuhan koleksi efisiensi [51]

Range ukuran

partikel (µm) Fraksi Massa

Koleksi efisiensi yang dibutuhkan

Koleksi efisiensi fraksional

0-1 0,005 0,900 0,0045

1-2,5 0,195 0,950 0,185

2,5-4,5 0,400 0,980 0,392

4,5-7 0,300 0,990 0,297

7-12 0,080 1,000 0,080

>12 0,020 1,000 0,020

Koleksi efisiensi keseluruhan 0,979

drop, dan asumsi penggunaan air atau L/G ratio. Selanjutnya menentukan luas

permukaan throat melalui persamaan [51] :

Dimana ΔP = Pressure drop venturi (in H2O),

v = Kecepatan aliran di throat (ft/s), ρg = Densitas gas (lb/ft3), and = 1/w

L/G = Liquid to gas ratio (gal/1000 ft3)

Gambar 2.10 Grafik desain venturi scrubber [51]

a. Grafik distribusi ukuran partikel untuk gas hasil reaksi kimia b. Grafik diameter cut terhadap standar deviasi

dcut / d50

FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung

33

Gambar 2.10 Grafik desain venturi scrubber [51]

c. Grafik scrubber power dan presure drop sebagai fungsi dia.cut d. Hubungan presure drop, kecepatan troath, dan L/G

2.7.4 Perancangan Rotary Separator

Perangkat ini difungsikan untuk memisahkan partikel air dan partikel abu sekam padi yang tersisa dari proses scrubbing. Prinsip kerjanya serupa dengan siklon. Gas dengan kecepatan V, diumpankan secara tangensial kedalam vessel. Ketika memasuki vessel, gas akan berotasi dan partikel berdiameter Dp yang

terkandung dalam gas akan menabrak dinding akibat gaya sentrifugal yang bekerja. Fenomena gaya sentrifugal cenderung melempar partikel kearah luar dinding, lalu partikel bergerak turun terpisah dari arus gas dan terkumpul dalam vessel. Fenomena tersebut dituangkan dalam persamaan stokes dibawah ini [49].

L/G = 10 gal/1000 acf

Gas Phase Pressure Drop, in. H2O

0,4 0,5 1,0 2 3 4 5 10 20 30

1.Sieve plate column with foam density of 0,4g/cm3 and 0,2 in hole dia

1b. Same as 1.a except 0,125 in hole dia. 2. Packed column with 1in ring or saddle 3a. Fibrous packed bed with 0,012 in dia. fiber 3b. Same as 3.a except 0,0004 in dia. fiber 3c. Same as 3.a except 0,0002 in dia. fiber 4. Gas atomized spray

5. Mobile bed 1-3 stages of fluidised hollow plastic

FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung

1

µ = Viskositas dinamik fluida (N/sm2) do = Diameter inlet (m)

ρp = Massa jenis padatan (kg/m3)

Vt = Kecepatan settling setrifugal (m/s)

2.8. Keseimbangan massa dan energi di dalam gasifier

` Dalam ilmu termodinamika disebutkan bahwa seluruh massa yang memasuki control volume memiliki nilai yang sama dengan massa yang keluar. Apabila diterapkan kedalam sistem gasifier, keseimbangan massa di dalam gasifier seperti diilustrasikan pada gambar 2.11 dapat dituliskan sebagai berikut.

Gambar 2.11 control volume gasifier

35

persamaan keseimbangan energi berdasarkan control volume diatas adalah

.

. . . . Daya listrik .

bio udara arang electric prod gas char ash

bio udara Arang gas

Variabel heat loss dalam instalasi merupakan rugi energi yang diakibatkan perpindahan panas secara konveksi alamiah dari dinding gasifier menuju udara sekitar, karena adanya perbedaan temperatur. Besarnya heat loss dihitung dengan persamaan laju perpindahan panas secara konveksi sebagai berikut[52].

. .( _s ) Qh A T T_

Dimana Q = Laju perpindahan panas konveksi (W)

h = Koefisien konveksi alamiah untuk silinder tegak (W/m2. K) A = Luas permukaan dinding gasifier (m2)

Ts = Temperatur permukaan gasifier (oC)

T_∞ = Temperatur lingkungan (oC)

Pada kasus konveksi alamiah, untuk mencari besarnya nilai h dimulai dengan menghitung bilangan Grasholf dibawah ini [52].

3

Dengan demikian bilangan Nusselt untuk sistem aliran pelat vertikal pada seluruh range bilangan Rayleigh adalah [52]:

2

koefisien konveksi alamiah dihitung dengan persamaan 22, seperti berikut [52]:

III. METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian

Penelitian dilakukan di halaman Laboratorium CNC/CAM untuk pengam-bilan data. Selain itu Laboratorium Teknologi Mekanik, Bengkel Motor Modifi-kasi Baja Motor dan Bengkel bubut las BRM adalah loModifi-kasi pabriModifi-kasi. Sedangkan jadwal kegiatan penelitian tersusun pada tabel 3.1.

Tabel 3.1. Jadwal kegiatan penelitian

Kegiatan Juli Agustus September Oktober November 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 Studi Literatur

2 Perancangan ` 3

Pembelian alat dan

bahan 4 Pembuatan PLTB 5 Eksperimen 6 Pembuatan laporan akhir

3.2. Alur Penelitian

Secara makro, pelaksanaan penelitian dijabarkan melalui flowchart dibawah :

Apakah rancangan sudah

benar ?

Start

Perancangan 1. Gasifier downdraft

2. Siklon 3. Venturi scrubber

4. Rotary separator

vvbdfffgnbgS udi Studi literatur 1. Jurnal 2. Text book

A Sudah Belum

A

Penyediaan biomassa (sekam padi), Pengadaan raw material, pembelian tools dan peralatan

4. Rotary separator

Apakah pabrikasi telah

selesai ?

Sudah

Belum

Kalibrasi alat meliputi :

1. Laju aliran udara gasifikasi dengan mengeset tegangan regulator pada

1. Laju aliran udara gasifikasi 2. Debit/laju aliran air 3. Laju aliran udara exhaust fan

Apakah

Pengambilan data distribusi suhu di

gasifier 3 titik AFR yang berbeda 1. Temperatur pada zona pengeringan, pirolisis, oksidasi, reduksi. 2. Temperatur pada dinding gasifier untuk masing- masing zona diatas.

Sekaligus pengambilan data durasi gasifikasi, berat tar awal dan visualisasi

Dokumentasi data

Menginstall gasifier dengan IGCS dan genset modifikasi ditambah beban listrik untuk pengujian elektrikal.

Pengujian elektrikal PLTB dengan variasi tiga titik AFR yang berbeda. Sekaligus berat tar sesudah

treatment Pengolahan data menjadi grafik

C

39

3.3. Perancangan PLTB

3.3.1. Perancangan GasifierDowndraft

Langkah untuk mendesain gasifier downdraft dipaparkan sistematis pada flowchart dibawah ini

C

Grafik

1. Temperatur zona; f (AFR) 2. Berat tar awal; f (AFR) 3. Berat tar akhir ; f(AFR) 4. Daya listrik; f (AFR)

Analisa :

1. Distribusi temperatur zona gasifikasi.

2. Kualitas syngas per AFR baik sebelum dan setelah di treatment

3. Daya listrik yang mampu dibangkitkan

Kesimpulan

End

Gambar 3.3. Flowchart penelitian (Lanjutan)

Start

Data awal

1. Menentukan kapasitas mesin (asumsi) 2. Menentukan putaran mesin (asumsi) 3. Menentukan efisiensi volumetrik mesin

A

Menghitung volume hisap bahan bakar oleh mesin

(Persamaan 3)

Menggitung laju pemakaian bahan bakar (Persamaan 2)

Mengacu pada flowchart, diasumsikan kapasitas mesin yang dipakai

adalah 2000 cc dengan putaran mesin 2000 rpm. Asumsi ini ditujukan agar diperoleh producer gas yang terbentuk dalam jumlah besar, dan sebagiannya dapat dimanfaatkan untuk aplikasi termal. Disamping itu dengan nilai kapasitas mesin tersebut, akan didapatkan ukuran gasifier yang mendekati raw material pemben-tuk gasifier yang sudah tersedia.

Langkah pertama adalah menentukan laju produksi syngas yang disuplai ke mesin. Dimana volume hisap mesin dapat dihitung dengan Persamaan 3 yaitu :

Menentukan dimensi

1. Menentukan ukuran throat (Persamaan 1) 2. Ketinggian penempatan nosel (Gambar 2.6.b) 3. Diameter fire box (Gambar 2.6.c)

4. Diameter penempatan melingkar nosel (Gambar 2.6.c)

5. Ukuran nosel (Gambar 2.6.a)

Pabrikasi Membuat blueprint desain

A

Apakah rancangan sudah

benar

Belum

Sudah

End

41

Sesuai rujukan literatur kondisi stoikiometri pada rasio udara – producer gas adalah 1,1 : 1 [37]. Dengan kata lain kebutuhan udara untuk 1m3 producer gas mencapai 1,1. Sehingga jika Vg laju pemasukan bahan bakar, nilai pemasukan

dihitung dengan Persamaan 1 yaitu :

Apabila luasan throat dikonversikan kedalam bentuk lingkaran, maka diameter throat akan :